Mai 2020 Forschungsvorhaben „Vorspannkraftverluste vorgespannter Schraubverbindungen im Stahlbau mit allseits beschichteten Oberflächen“

Entwicklung normativer Grundlagen zur Berücksichtigung von Vorspannkraftverlusten in vorgespannten Schraubverbindungen im Stahlbau mit allseits beschichteten Oberflächen

Im Stahlbau werden geschraubte Verbindungen entweder aus Tragfähigkeitsgründen: Zielebene I – gleitfeste Verbindungen (Kat. B/C) und auf Ermüdung beanspruchte Zugverbindungen (Kat. E), oder aus Gebrauchstauglichkeitsgründen: Zielebene II - Scher/Lochleibungsverbindungen (Kat. A) und statische Zugverbindungen (Kat. D) vorgespannt. Bei Verbindungen der Zielebene I geht die Vorspannkraft in den rechnerischen Nachweis ein, sodass zwingend zu gewährleisten ist, dass sie über die Lebensdauer in den ausgeführten Verbindungen verbleibt. Verbindungen der Zielebene II werden in der Regel zur Vermeidung von Schlupf und Verformungen vorgespannt.

Bereits nach der Montage einer geschraubten Verbindung kommt es zu ersten Vorspannkraftverlusten infolge von Setzerscheinungen. Diese sowie die Einflüsse aus Kriecherscheinungen oder zyklische Belastungen bedingen eine Reduzierung der Vorspannkraft. Um die Betriebssicherheit einer vorgespannten Verbindung gewährleisten zu können, müssen diese Einflussfaktoren auf das Vorspannkraftniveau sinnvoll abgeschätzt und berücksichtigt werden. Dafür sind Untersuchungen zu verfahrensbedingten Systemreserven verschiedener Anziehmethoden und zum zeitabhängigen Vorspannkraftverlust notwendig.

Für die Bemessung stahlbautypischer Verbindungen aller Kategorien nach DIN EN 1993-1-8, insbesondere aber zur Gewährleistung der Tragsicherheit der Verbindungen der Kategorien B/C und E soll im Rahmen des Forschungsvorhabens die Höhe der zu erwartenden Vorspannkraftverluste für die Vielzahl der im Stahlhoch- und Stahlbrückenbau sowie in der On- und Offshore-Windenergie üblichen Beschichtungssysteme experimentell bestimmt, statistisch nach DIN EN 1990 bewertet und in ein Bemessungskonzept überführt werden. Hierbei werden sowohl anziehverfahrensbedingte Besonderheiten als auch u. a. Überschichtdicken berücksichtigt. Die Untersuchungen sollen auch als Basis für die Formulierung von Handlungsempfehlungen dienen, von denen vor allem die deutschen Stahlbauer profitieren.

Das Forschungsvorhaben wird in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP in Rostock durchgeführt, wobei die Federführung des Projekts in den Händen des Instituts für Metall- und Leichtbau der Universität Duisburg-Essen liegt. Die Projektlaufzeit beträgt 30 Monate (01.05.2020 - 31.10.2022).

Das Forschungsvorhaben (IGF-Nr. 21196 BG / FOSTA Nr. P1455) der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA) in Kooperation mit dem Deutschen Ausschuß für Stahlbau (DASt) wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Ansprechpartner am Institut für Metall- und Leichtbau: Herr Lukas Makevičius, M.Sc.

Mai 2020 Forschungsvorhaben „Streckgrenzgesteuertes Anziehen von geschraubten Verbindungen M12 bis M72 im Stahlbau“

Die Ausführung vorgespannter geschraubter Verbindungen im Stahlbau nach DIN EN 14399 ist durch DIN EN 1090-2 und zusätzlich in Deutschland durch den Nationalen Anhang DIN EN 1993-1-8/NA und DASt-Richtlinie 024 sowie für Schraubendurchmesser größer M36 durch die DASt-Richtlinie 021 geregelt. Diese Regelwerke beinhalten Vorgaben zum prozesssicheren Anziehen vorgespannter geschraubter Verbindungen auf definierte Vorspannkraftniveaus sowie ebenfalls zur Kontrolle und Prüfung der Verbindungen nach der Montage.

Die zum Vorspannen von Schraubengarnituren in der Stahlbaupraxis zumeist eingesetzte Anziehmethode ist derzeit das modifizierte Drehmoment-Vorspannverfahren nach DIN EN 1993‑1‑8/NA, welches ein Vorspannen von Schraubengarnituren der k-Klasse K1 auf das traditionelle deutsche Vorspannkraftniveau F_p,C* ermöglicht. Vereinzelt wird auch das kombinierte Vorspannverfahren nach DIN EN 1090‑2 verwendet, womit ein Vorspannen von Schraubengarnituren der k‑Klasse K1 auf das Vorspannkraftniveau F_p,C erlaubt ist.

Das im Maschinenbau etablierte streckgrenzgesteuerte Vorspannen ist im Bauwesen bisher nicht geregelt, weil grundlegende Untersuchungen unter baupraktischen Bedingungen fehlen. Mit dem streckgrenzgesteuerten Anziehen von Schraubengarnituren ist es möglich, Schraubengarnituren bis zu ihrer Fließgrenze vorzuspannen, ohne eine Überbeanspruchung der Garnitur während des Anzuges zu riskieren, da der Fließbeginn der Garnitur als Steuergröße der Montagevorspannkraft dient.

Potentielle Anwendungsgebiete für das streckgrenzgesteuerte Anziehen im Stahlbau sind solche Verschraubungsfälle, bei denen eine hohe Vorspannkraft kontrolliert in die Verbindung eingebracht werden muss, u. a. um Wartungsintervalle auch in ermüdungsbeanspruchten Konstruktionen des Stahlbaus, z. B. Fahrbahnübergängen, Bauwerkslagern und On- und Offshore-WEA, zu minimieren bzw. wartungsfreie Konstruktionen zu ermöglichen.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung normativer Grundlagen zum prozesssicheren Anziehen geschraubter Verbindungen sowie die Validierung der strukturellen Integrität von HV-Garnituren der Durchmesser M12 bis M72, die in den Bereich der Streckgrenze für den Einsatz im Stahlbau angezogen werden.

Das Forschungsvorhaben wird in Kooperation mit dem Institut für Stahlbau (IfS) der Leibniz Universität Hannover durchgeführt. Die Projektlaufzeit beträgt 30 Monate (Januar 2020 bis Juni 2022)

Das IGF-Vorhaben (20838 N / FOSTA Nr. P 1385) der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA) wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Ansprechpartner am Institut für Metall- und Leichtbau: Herr Dr.-Ing. Dominik Jungbluth, Herr Denis Paluska, B.Sc.

Dezember 2019 DFG-Forschungsvorhaben „Charakterisierung von ETFE- und ECTFE-Folien“

In dem neuen von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Forschungsvorhaben „Charakterisierung des nichtlinearen viskoelastischen Materialverhaltens von ETFE- und ECTFE-Folien zum Einsatz in Membranstrukturen des Bauwesens“ wird am Institut für Metall- und Leichtbau das mechanische Verhalten der Folienwerkstoffe ETFE und ECTFE grundlegend experimentell untersucht.

Obwohl ETFE-Folien bereits in Membrantragwerken (Leichten Flächentragwerken), welche ausschließlich auf Zug abtragen, eingesetzt werden, liegen nach wie vor große Wissenslücken bzgl. der grundlegenden Materialeigenschaften und deren Charakterisierung sowie in der Modellierung ihres mechanischen Verhaltens vor. ECTFE-Folien stellen dahingegen eine Neuentwicklung dar, die bisher in Membrantragwerken nicht eingesetzt worden sind, aber aufgrund ihrer hohen Transparenz attraktiv für diese Bauweisen sind.

Im Rahmen des neuen DFG-Forschungsvorhabens sollen grundlegende Erkenntnisse über das Materialverhalten beider Baustoffe gewonnen werden. Hierzu wird das Zugtrag-, Kriech- und Relaxationsverhalten beider Folienwerkstoffe in mono- und biaxialen Kurzzeit- und Langzeitzugversuchen unter einer Vielzahl unterschiedlicher Prüfbedingungen experimentell untersucht. Auf dieser Basis werden Methoden und analytische Modelle entwickelt, die das Lastabtragsverhalten antiklastischer und synklastischer ETFE- und ECTFE-Folienstrukturen beschreiben können. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung von analytischen Korrelationen zwischen dem mono-und biaxialen Materialverhalten. Da Membrankonstruktionen immer mehrachsig gespannt sind und das biaxiale Materialverhalten für die Auslegung von Folienstrukturen im Bauwesen maßgebend ist, würde dies in der baupraktischen Anwendung zu einer wesentlichen Vereinfachung der Prüfung der Materialien führen.

Das DFG-Forschungsvorhaben wird im Essener Labor für Leichte Flächentragwerke (ELLF) des Instituts für Metall- und Leichtbau (IML) durchgeführt. Die Projektlaufzeit beträgt 36 Monate (Dezember 2019 bis November 2022).

Ansprechpartner am Institut für Metall- und Leichtbau: Herr Felix Surholt, M.Sc.

Mai 2019 Forschungsvorhaben „Dauerhafter Stahl- und Verbundbrückenbau aus nichtrostendem Stahl"

Die großen technischen, architektonischen und wirtschaftlichen Vorteile von nichtrostendem Stahl (durch Entfall eines zusätzlichen Korrosionsschutzes und den damit verbundenen Folgekosten für Wartung, Instandhaltung und Nutzungseinschränkung) können im Stahl- und Verbundbrückenbau derzeit nicht ausgenutzt werden, da die Bemessungsregeln in DIN EN 1993-1-4 im Vergleich zu unlegierten Baustählen konservativer und gleichzeitig die Werkstoffkosten höher sind.

Mit dem Forschungsvorhaben sollen die notwendigen Erkenntnisse zum optimierten Nachweis sowie zur Konstruktion und Fertigung von Stahl- und Verbundbrücken aus nichtrostendem Stahl im Bereich kleiner und mittlerer Spannweiten geschaffen werden, der über 80% der Brückenbauwerke umfasst. Der zentrale Leitgedanke bei der Gestaltung der Konstruktion ist die Verbindung der gestaltungs- und fertigungstypischen Besonderheiten mit der herausragenden Anmutung des nichtrostenden Stahls.

Das Forschungsvorhaben wird in Kooperation mit dem Lehrstuhl Stahlbau, TU Dortmund (Projektleitung) und der Professur für Entwerfen und Konstruieren I der TU Dresden durchgeführt, wobei die Arbeiten des Instituts für Metall- und Leichtbau der Universität Duisburg-Essen durch IWT Solutions AG, Aachen, unterstützt werden. Die Projektlaufzeit beträgt 30 Monate (Januar 2019 bis Juni 2021).

Der Schwerpunkt der Forschungsarbeiten des Instituts für Metall- und Leichtbau der Universität Duisburg-Essen im Rahmen des Forschungsvorhabens liegt auf der Schaffung von Regelungen zur Werkstoffwahl zur Vermeidung von Sprödbruch von nichtrostenden Stählen, da diese bisher nicht existieren, der Sprödbruchnachweis aber insbesondere bei dicken Blechen unter Ermüdungsbeanspruchung zwingend geführt werden muss. In Anlehnung an das bereits existierende Sprödbruchkonzept der DIN EN 1993-1-10 für Baustähle werden u. a. bruchmechanische Untersuchungen an nichtrostenden Stählen durchgeführt. Das Hauptaugenmerk der Untersuchungen liegt auf geschweißten Verbindungen aus Duplex- und Lean-Duplex-Stählen.

Das Vorhaben (FOSTA Nr. P1390) der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA) wird von der Stiftung Stahlanwendungsforschung, Essen gefördert.

Ansprechpartner am Institut für Metall- und Leichtbau: Herr Christoph Lorenz, M.Sc., Herr Felix Surholt, M.Sc.

Mai 2019 Forschungsvorhaben “Zugbeanspruchte Scher-/Lochleibungsverbindungen aus nichtrostendem Stahl“

Tragverhalten von zugbeanspruchten Scher-/Lochleibungsverbindungen aus nichtrostendem Stahl M12 bis M36

Im Bauwesen wird derzeit noch am häufigsten nichtrostender austenitischer Stahl eingesetzt. Bei Anwendungen, für die höhere Festigkeiten von Vorteil sind, kommt in den letzten Jahren jedoch vermehrt nichtrostender austenitisch-ferritischer (Duplex-) Stahl zum Einsatz. Dabei werden geschraubte Verbindungen aus nichtrostendem Stahl hauptsächlich als nicht vorgespannte Scher-/Lochleibungsverbindungen, zugbeanspruchte Verbindungen oder als zugbeanspruchte Scher-/Lochleibungsverbindungen eingesetzt.

Die aktuellen Regelungen zur Bemessung von zugbeanspruchten Scher-/Lochleibungsverbindungen aus nichtrostendem Stahl, den sogenannten Kategorie A- und Kategorie D-Verbindungen nach DIN EN 1993-1-8, basieren im Wesentlichen auf den Regelungen für Verbindungen aus Kohlenstoffstahl. Schrauben aus nichtrostenden austenitischen Stählen weisen allerdings prinzipiell ein anderes Tragverhalten im Vergleich zu Schrauben aus Kohlenstoffstählen auf, das u. a. auf dem Herstellungsprozess und den daraus resultierenden örtlich unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften im Gewinde und Schaft der Schrauben basiert. Untersuchungen zu Verbindungen aus nichtrostendem austenitischen und Duplex-Stahl liegen gerade im Hinblick auf die Abschertragfähigkeit und die Scher-Zug-Interaktion von nichtrostenden Schrauben bis auf sehr wenige Ausnahmen auch nicht vor.

Um dieses Wissensdefizit zu beseitigen und dem Anwender praktische Hilfestellung zu geben, erforscht das Institut für Metall- und Leichtbau im Rahmen des Forschungsvorhabens systematisch das Tragverhalten von zugbeanspruchten Scher-/Lochleibungsverbindungen aus nichtrostendem austenitischen und Duplex Stahl der Schraubendurchmesser M12 bis M36 unter Verwendung von theoretischen, experimentellen und numerischen Untersuchungen.

Gesamtziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von Nachweiskonzepten für zugbeanspruchte Scher-/Lochleibungsverbindungen aus nichtrostendem austenitischen und Duplex-Stahl zur Erhöhung der Tragsicherheit und Wirtschaftlichkeit geschraubter Verbindungen aus nichtrostendem Stahl und zur Verwendung als normative Grundlage zur Implementierung in die Revision von DIN EN 1993-1-4. Das Vorhaben trägt damit zur Behebung eines anerkannten Problems auf Seiten der Wirtschaft und zur Entwicklung von Normen und Standards bei.

Die Projektlaufzeit beträgt 24 Monate (01.04.2019 - 31.03.2021).

Das Forschungsvorhaben (IGF-Nr. 20651 N / FOSTA Nr. P1386) der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA) wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Ansprechpartner am Institut für Metall- und Leichtbau: Herr Christoph Abraham, M.Sc.

Oktober 2017 Forschungsvorhaben "Einfluss von Imperfektionen auf das Tragverhalten geschraubter gleitfester Verbindungen im Stahlbau"

Einfluss von fertigungs- und montagebedingten Imperfektionen auf das Tragverhalten geschraubter gleitfester Verbindungen

Sowohl die derzeitige Prüfprozedur der DIN EN 1090-2, Anhang G als auch aktuell laufende Untersuchungen zur Ermittlung der Tragfähigkeit gleitfester Verbindungen sind auf das grundlegende Tragverhalten unter Laborbedingungen beschränkt. Seitens der Industrie treten wiederkehrend Fragestellungen auf, inwieweit fertigungs-, montage- und betriebsbedingte Einflüsse bei der Ausführung von gleitfesten Verbindungen zu berücksichtigen sind, da diese insbesondere die Wirtschaftlichkeit dieser Verbindungsform erheblich beeinträchtigen.

Das neue Forschungsvorhaben wird umfassende Kenntnisse zum Einfluss fertigungs- und  montagebedingter Imperfektionen sowie von Betriebsbedingungen auf das Tragverhalten gleitfest geschraubter Stahlbauverbindungen liefern und somit zu einer Verringerung der Produktionskosten und der Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der Stahlbauweise beitragen.

Die Forschungsergebnisse werden in die anstehende Überarbeitung der DIN EN 1090-2 und DIN EN 1993-1-8 auf direktem Weg einfließen.

Das Forschungsvorhaben wird in Kooperation mit dem Fraunhofer-Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik in Rostock und dem Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH durchgeführt, wobei die Federführung des Projekts in den Händen des Instituts für Metall- und Leichtbau der Universität Duisburg-Essen liegt. Die Projektlaufzeit beträgt 30 Monate (November 2017 bis April 2020).

Das IGF-Vorhaben (19749 BG / FOSTA Nr. P 1266/40/2017) der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA) wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Ansprechpartner am Institut für Metall- und Leichtbau: Herr Christoph Lorenz, M.Sc.

Juli 2016 European research project "PUREST"

Promotion of new Eurocode rules for structural stainless steels

Stainless steels are increasingly used in construction because they are highly corrosion resistant and attractive, while having good strength, toughness and fatigue properties in combination with low maintenance requirements. Their higher cost is frequently justified in return for longer maintenance-free periods.

The nonlinear yielding and strain-hardening characteristics of stainless steels mean that conventional carbon steel design rules based on observing the limit of elastic deformation do not apply; the elastic 'limit' of stainless steels is not sharply defined as they strain-harden rather than yield with the onset of plastic deformation. The impact on structural design is that lower local buckling limits and member buckling curves apply, and slightly greater deflections are expected for beams.

The Design Manual for Structural Stainless Steel aligns with the stainless steel Eurocode EN 1993-1-4, and provides nearly everything needed for designing structural stainless steel in one document. It is particularly helpful because EN 1993-1-4 has supplementary status, i.e. it only supplements, modifies or supersedes the equivalent provisions for carbon steel, and as such it cannot be used in isolation but must be used alongside EN 1993-1-1, EN 1993-1-3, etc. The Design Manual is a key resource for designers for stainless steel design in Europe, and beyond.

The PUREST project intends (a) to update and extend the Design Manual for Structural Stainless Steel (Third Edition), (b) to translate the Design Manual from English into 9 languages, (c) to develop online design software and design apps in accordance with the new stainless Eurocode rules.

Within the research project the Institute for Metal and Lightweight Structures (IML) cooperates with The Steel Construction Institute (SCI, UK), Arup (UK), Universitat Politècnica de Catalunya (UPC, Spain), Katholieke Universiteit Leuven (KUL, Belgium), Centro Sviluppo Materiali (CSM, Italy), Swedish Institute of Steel Construction (SBI, Sweden), Finnish Constructional Steelwork Association (FCSA, Finland), Imperial College London (ICL, UK), Universidade de Coimbra (UC, Portugal), Czech Technical University in Prague (CVUT, Czech Republic), Rzeszów University of Technology (PRZ, Poland) and OneSource (One, Portugal) which have expertise in the fields of education, research, building design and construction. The research project is coordinated by the Steel Construction Institute (SCI, UK) and the project´s duration is 18 months (July 2016 until December 2017).

The research project receives funding from the European Union´s Research Fund for Coal and Steel (RFCS) research programme under grant agreement no. 709600 PUREST “Promotion of new Eurocode rules for structural stainless steels”.

Contact person at the Institute for Metal and Lightweight Structures: Sebastian Stehr M.Sc..

Januar 2016 DFG-Forschungsvorhaben zur Modellierung des nichtlinearen Materialverhaltens von Gewebemembranen

Das Institut für Metall- und Leichtbau freut sich, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) das Forschungsprojekt „Charakterisierung und Modellierung des nichtlinearen Materialverhaltens von beschichteten Gewebemembranen für Membranstrukturen im Bauwesen“ bewilligt bekommen zu haben. Gemeinsam mit Professor Daniel Balzani, Institut für Mechanik und Flächentragwerke, TU Dresden, werden in den kommenden drei Jahren (Januar 2016 bis Dezember 2018) Konzepte zur Berücksichtigung des belastungs- und strukturabhängigen nichtlinearen Materialverhaltens von Gewebemembranen in der Strukturberechnung von Membrantragwerken entwickelt.

Dies beinhaltet zum einen die Entwicklung einer angepassten Prüfmethodik zur Durchführung des biaxialen Zugversuchs. Zum anderen werden parallel zwei Methoden für die Modellierung des Materialverhaltens in der finite Elemente Berechnung entwickelt: ein näherungsweise linear-elastischer Ansatz mit elastischen Konstanten und ein kontinuumsmechanisches Materialmodell zur Beschreibung der nichtlinearen inelastischen Spannungs-Dehnungs-Hysterese.

Gleichzeitig wird am Institut für Metall- und Leichtbau ein neuartiger Membranbauteil-Versuchsstand entwickelt, auf dem räumlich gekrümmte Membranbauteile statisch belastet werden können. Dieser wird zur „in situ“-Verifizierung beider Materialmodelle dienen.

Ansprechpartner am Institut für Metall- und Leichtbau: Herr Dipl.-Ing. Jörg Uhlemann

April 2015 Forschungsvorhaben "Vorspannkraftverluste ermüdungsbeanspruchter vorgespannter Schraubverbindungen"

Entwicklung eines Konzeptes zur Erfassung von Vorspannkraftverlusten in vorgespannten Schraubverbindungen unter Ermüdungsbeanspruchung

Schraubverbindungen werden vorgespannt, um die Beanspruchbarkeit und Steifigkeit der Verbindung zu erhöhen. Die Ermüdungsfestigkeit wird dadurch in zugbeanspruchten Verbindungen (Kat. E) deutlich gesteigert. In gleitfest vorgespannten Verbindungen (Kat. B und C) werden zudem der Schlupf und die Verformungen minimiert. Die Höhe der tatsächlich vorhandenen Vorspannkraft ist daher von entscheidender Bedeutung und ist in der Bemessung zu berücksichtigen.

Bereits nach der Montage treten Vorspannkraftverluste infolge Setzens auf, die zum Lockern der Verbindung führen. Weitere Ursachen sind eine nicht ausreichende Vorspannung beim Anziehvorgang, Kriechen in Gewinde/Trennfugen und schwingende Belastungen (selbsttätiges Lösen). Diese Vorspannkraftverluste gilt es realistisch abzuschätzen. Ansonsten können sie zum Verlust der Tragfähigkeit der Verbindung führen.

Das Vorhaben wird umfassende Erkenntnisse zu Vorspannkraftverlusten an ermüdungsbeanspruchten vorgespannten Schraubverbindungen liefern, so dass den am Bau Beteiligten erstmalig eine Methode geboten wird, sicherheitsrelevante ermüdungsbeanspruchte Schraubverbindungen der Kategorien B, C und E (gleitfeste Verbindungen und zugbeanspruchte Verbindungen) effektiver auszulegen und mit modernen Anziehmethoden wie dem Kombinierten Verfahren, dem HRC-Verfahren, sowie unter Einsatz von Schließringbolzen oder von kraftanzeigenden Scheiben wirtschaftliche und sichere Verbindungen zu nutzen. Die Vorspannkraftverluste werden je Verbindungselement und -kategorie für verschiedene Lastniveaus und unterschiedliche, baupraktisch relevante Oberflächenbehandlungen in Schwingversuchen an Zugverbindungen sowie gleitfest vorgespannten Scherverbindungen ermittelt. Anwendungsbeispiele sind Verbindungen in Brücken, Funkmasten und in Windenergieanlagen. Die Forschungsergebnisse werden in die anstehende Überarbeitung der DIN EN 1090-2 und DIN EN 1993-1-8 auf direktem Weg einfließen.

Das Forschungsvorhaben wird in Kooperation mit dem Fraunhofer-Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik in Rostock durchgeführt, wobei die Federführung des Projekts in den Händen des Instituts für Metall- und Leichtbau der Universität Duisburg-Essen liegt. Die Projektlaufzeit beträgt 30 Monate (April 2015 bis September 2017).

Das IGF-Vorhaben (18711 BG / FOSTA Nr. P 1091/13/2015) der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA) wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Ansprechpartner am Institut für Metall- und Leichtbau: Herr Dipl.-Ing. Markus Schiborr

July 2014 European research project "SIROCO"

Execution and reliability of slip-resistant connections for steel structures using CS and SS

Slip-resistant connections are required, when deformations in bolted connections must be limited to pre-defined values either for serviceability or ultimate limit reasons. Typical applications can be found in bridges, cranes, radio masts and towers of wind turbines, which are loaded by alternate loading and / or fatigue or where functional requirements make slip-resistant connections necessary. Essential characteristics of these connections are the level of preload in the bolts and the surface roughness of the clamped plates. For this reason, the level of preload has to be guaranteed over the whole service life of the structure and loss of preloading due to relaxation and creep effects either because of e. g. geometrical tolerances of the clamped plates or creep due to plastic deformation of applied coatings has to be sure avoided. Whereas slip-resistant connections have been used for carbon steel connections for several decades, albeit with high costs, no design and execution rules exist for preloading of stainless steel bolts and subsequently, no slip factors are defined in standards.

The SIROCO project intends (a) to provide more clear and improved procedures to increase the cost effectiveness of slip-resistant connections, (b) to develop innovative surface preparation systems and preloading methods (lock bolts, H360 bolts, DTIs) for carbon steel connections, (c) to enhance the use of injection bolts as an economical alternative for slip-resistant connections, (d) to close information gaps for hot-dip galvanized steel connections, (e) to solve the lack in knowledge in the design of slip-resistant connections in stainless steel to increase the competitiveness of stainless steel structures.

Within the research project the Institute for Metal and Lightweight Structures (IML) cooperates with TU Delft (NL), Outokumpu (FIN / SWE), BUMAX (SWE), Fraunhofer IGP (GER), SCI (UK), VTT (FIN), IKS (GER), EGGA (UK) and Arup (UK) which have expertise in the fields of education, research, producing of stainless steel, manufacturing of fasteners of stainless steel, hot dip galvanizing, consulting and design of stainless steel structures. The research project is coordinated by the IML and the project´s duration is 36 months (July 2014 until June 2017).

The research project receives funding from the European Union´s Research Fund for Coal and Steel (RFCS) research programme under grant agreement no. RFSR-CT-2014-00024 “Execution and reliability of slip-resistant connections for steel structures using CS and SS” (SIROCO).

Contact person at the Institute for Metal and Lightweight Structures: Nariman Afzali M.Sc.

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November 2013 Forschungsvorhaben "Sprödbruch von hochfesten Schrauben großer Abmessungen bei tiefen Temperaturen"

Entwicklung eines Konzeptes zur Bewertung der Sprödbruchneigung von hochfesten Schrauben großer Abmessungen beim Einsatz bei tiefen Temperaturen

Hochfeste Schraubengarnituren des Systems HV werden mehr und mehr auch in großen Abmessungen bis M72 in höchstbeanspruchten Stahltragwerken als vorgespannte Garnituren eingesetzt. Neben statischen und zyklischen Beanspruchungen sind die Verbindungen auch tiefen Temperaturen ausgesetzt. Bekannt ist, dass mit zunehmender Dicke von Stahlbauteilen bei Tieftemperatureinsatz die Gefahr von Sprödbruch steigt - dies gilt im Prinzip auch für größere Schraubendurchmesser. Aus diesem Grund soll im Rahmen des Forschungsvorhabens ein Sprödbruchkonzept zur Beurteilung der Sprödbruchneigung hochfester Schraubenverbindungen großer Abmessungen bis M72 der Festigkeitsklasse 10.9 unter tiefen Temperaturen entwickelt werden.

Das Forschungsvorhaben wird in Kooperation mit dem Institut für Stahlbau und Lehrstuhl für Stahlbau und Leichtmetallbau sowie dem Institut für Eisenhüttenkunde, beide RWTH Aachen, durchgeführt, wobei die Federführung des Projekts in den Händen des Instituts für Metall- und Leichtbau der Universität Duisburg-Essen liegt. Die Projektlaufzeit beträgt 30 Monate (November 2013 bis April 2016).

Das IGF-Vorhaben (16752 N / FOSTA Nr. VP1014) der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA) wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Ansprechpartner am Institut für Metall- und Leichtbau: Herr Christoph Lorenz, M.Sc.

November 2012 Forschungsvorhaben "Ermüdungsfestigkeit markierter Stahlbauteile"

Einfluss von Markier- und Kennzeichnungsmethoden auf die Ermüdungsfestigkeit markierter Stahlbauteile

Im Oktober 2012 ist am Institut für Metall- und Leichtbau das Forschungsvorhaben „Ermüdungsfestigkeit markierter Stahlbauteile“ gestartet. Das Vorhaben wird über den Deutschen Ausschuss für Stahlbau e.V. (DASt) durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guerricke“ e.V. (AiF) gefördert. Die Projektlaufzeit beträgt 24 Monate (Oktober 2012 bis September 2014).

Normativ ist gefordert, dass Stahlbauteile während der gesamten Fertigungskette identifizierbar und rückverfolgbar sein müssen. Die Wahl der Kennzeichnungsmethode ist jedoch nicht zwingend vorgeschrieben. Zum Teil existieren Einschränkungen und Widersprüche hinsichtlich der zu verwendenden Kennzeichnungsmethode im Hinblick auf ihre Anwendung in ermüdungsgefährdeten Bereichen. Wünschenswert ist eine Kennzeichnung, die resistent gegenüber einzelnen Fertigungsschritten ist. Hierfür kommen die Methoden Fräsen, hartes Stempeln, Plasmamarkieren und Nadeln zum Einsatz, welche mittels geeigneter Fräs- oder Markierwerkzeuge bereits während des Zuschnitts der Bauteile angewendet werden können. Eine Einordnung der infolge Markierung gekerbten Bauteile in den europäischen Kerbfallkatalog nach DIN EN 1993-1-9 ist prinzipiell nicht möglich. Inwieweit diese Kerben einen Einfluss auf das Ermüdungsverhalten der gekennzeichneten Bauteile haben, stellt daher eine dringend zu klärende Frage dar.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wird der Einfluss der vier Kennzeichnungsverfahren Fräsen, Hartstempeln, Nadeln und Plasma auf die Ermüdungsfestigkeit markierter Stahlbauteile aus unterschiedlichen Stahlsorten und Blechdicken untersucht. Innerhalb erster Voruntersuchungen konnte bereits wie erwartet eine Verringerung der Ermüdungsfestigkeit infolge verschiedener Kennzeichnungsverfahren beobachtet werden. Am Ende des Projekts wird eine Anwendungsempfehlung zur Kennzeichnung und Markierung von Stahlbauteilen ausgearbeitet, die den an der Planung, Fertigung und Ausführung von Stahlbauten beteiligten Firmen zur Verfügung gestellt wird.

Das Forschungsvorhaben wird industrieseitig durch die Arbeitsausschüsse Fertigung und Informationstechnologie sowie die Fachgemeinschaft Brückenbau des bauforumstahl e.V. begleitet.

Ansprechpartner am Institut für Metall- und Leichtbau: Herr Dominik Jungbluth, M.Sc.

Oktober 2012 Europäisches Forschungsvorhaben “BiogaSS“

Innovative and competitive solutions using SS and adhesive bonding in biogas production

Die Bedeutung der regenerativen Energien nimmt in der heutigen, immer mehr umweltbewusstwerdenden Gesellschaft stetig zu.  Die Biogasproduktion trägt sowohl in Deutschland als auch weltweit zum Mix der Erneuerbarer Energien bei. In Abgrenzung zu den Erneuerbaren Energien Sonne und Wind ist Biogas einfach speicherbar und bietet großes Potenzial für kleine und mittelständische Unternehmen auch im ländlichen Raum.

Es ist anzustreben, die Art und Weise, wie Energie gewonnen und Biogasanlagen konstruiert werden, möglichst nachhaltig und umweltschonend zu gestalten.

Der überwiegende Teil der Biogasanlagen wird in Betonbauweise hergestellt. Nichtrostende Stähle sind, da vollständig recyclebar und durch Verzicht auf Korrosionsmittel, im Hinblick auf Umweltschutz, Umweltverträglichkeit sowie Wirtschaftlichkeit, besonders wertvoll. Mittelfristig reduzieren sich die Betriebskosten durch das Entfallen der Korrosionsschutzwartung.

Ziel des Forschungsvorhabens „BiogaSS“ ist die Nachhaltigkeitsoptimierung von Biogasanlagen aus nichtrostenden Stählen durch Erarbeitung innovativer und wettbewerbsfähiger Lösungen, um die Biogasproduktion lukrativer zu gestalten.

Das Institut für Metall- und Leichtbau erforscht in Rahmen des Projekts unter anderem folgende Arbeitspakete mit experimentellen, numerischen und theoretischen Untersuchungen:

• Bestimmung von Beulabminderunsfaktoren axialgedrückter und umfangsgedrückter Stahlkonstruktionen aus nichtrostenden ferritischen und Duplexstählen am Beispiel von Kreiszylinderschalen.
• Optimierung der Beulsicherheit von Schalenkonstruktionen für  Biogasanlagen aus austenitischen, ferritischen und Duplexstählen im Bauzustand unter Windbeanspruchung.
• Untersuchung der Tragfähigkeit von Klebeverbindungen zwischen einzelnen Schalenelementen aus nichtrostenden Stählen in einer umfangreichen Testreihe.

Das europäische Forschungsvorhaben “BiogaSS” wird am Institut für Metall und Leichtbau in Kooperation mit dem Institut für Siedlungswasser- und Abfallwirtschaft der Universität Duisburg-Essen (DE), WELTEC BIOPWER (DE), Steel Construction Institute (UK), Outokumpu Oy (FI), ACERINOX (ES) und METALogic n.v. (BE) (Projektleitung) durchgeführt.

Gefördert wird das Projekt von der Europäischen Kommission über den Research Fund for Coal and Steel (RFCS). Die Projektlaufzeit beträgt 36 Monate (01.07.2012 - 30.06.2015).

Ansprechpartner am Institut für Metall- und Leichtbau:  Frau Anna Gorbachov, M.Sc.              

Juli 2011 Forschungsvorhaben "Höherfrequentes Hämmern bei ultrahochfesten Stählen"

Einfluss des Höherfrequenten Hämmerns auf die Ermüdungsfestigkeit ultrahochfester Stähle der Festigkeitsklassen S960, S1100 und S1300 am Beispiel geschweißter Kerbdetails

Am Institut für Metall- und Leichtbau wird derzeit die durch die FOSTA-Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. geförderte KmU-Kurzstudie (FOSTA Nr. P 938) "Einfluss des höherfrequenten Hämmerns auf die Ermüdungsfestigkeit ultrahochfester Stähle der Festigkeitsklassen S960, S1100 und S1300 am Beispiel geschweißter Kerbdetails" durchgeführt. Die Projektlaufzeit beträgt neun Monate (Juli 2011 bis März 2012).

Der Einsatz ultrahochfester Stähle in den Festigkeitsklassen S960 und S1100 ist im Mobilkranbau üblich, wobei die neuesten Entwicklungen sogar dahin gehen, zukünftig auch ultrahochfeste Stähle der Festigkeitsklasse S1300 einzusetzen. Der Ermüdungsfestigkeit der geschweißten Konstruktionsdetails kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu, da diese die Auslegung der Krane maßgeblich mitbestimmt. Mittels Schweißnahtnachbehandlungs­verfahren lässt sich die Ermüdungsfestigkeit der Konstruktionen erheblich steigern. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird der Einfluss des Höherfrequenten Hämmerns als Schweißnahtnachbehandlungsverfahren auf die Ermüdungsfestigkeit ultrahochfester Stähle der Festigkeitsklassen S960, S1100 und S1300 an vier kranbautypischen Kerbdetails untersucht: das Detail des Stumpfstoßes mit und ohne Blechdickensprung sowie die Details der „aufgeschweißten Quersteife“, „aufgeschweißten Längssteife“ und „aufgeschweißten Lamelle“. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Bewertung der Resultate aus den Ermüdungsversuchen hinsichtlich ihrer Übertrag­barkeit auf die praktische Anwendung für den Mobilkranbau.

Im Rahmen erster Untersuchungen am Kerbdetail des Stumpfstoßes mit Blechdickensprung von 6 mm auf 8 mm an dem ultrahochfesten Stahl XABO 1100 konnte bereits eine deutliche Lebensdauerzunahme infolge einer Nachbehandlung durch höherfrequentes Hämmern festgestellt werden. Das Versuchsprogramm der experimentellen Untersuchungen ist in der Abbildung auf der rechten Seite dargestellt.

Seitens der Industrie wird das Forschungsvorhaben unterstützt durch die GSI-Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH Niederlassung SLV Duisburg, ThyssenKrupp Steel Europe AG, SSAB EMEA AB, DEPA Gesellschaft für Kranauslegerteile mbH und PITEC GmbH.

Ansprechpartner am Institut für Metall- und Leichtbau: Herr Jörn Berg M.Sc.

November 2010 Forschungsvorhaben "Effizienzsteigerung von Fahrbahnbelägen auf Stahlbrücken"

Das Institut für Metall- und Leichtbau hat im Oktober das von der Bundesanstalt für Straßenwesen (bast) geförderte Forschungsvorhaben "Effizienzsteigerung des Fahrbahnbelags auf Stahlbrücken mit Schäden in Form von Rissen im Bereich von Anschlüssen am Deckblech (Kategorie-1-Schäden)" bewilligt bekommen.

Die Bearbeitung erfolgt in Kooperation mit dem Institut für Straßenbau und Verkehrswesen der Universität Duisburg-Essen, Frau Univ.-Prof. Dr.-Ing. Edeltraud Straube. Die Laufzeit des Forschungsvorhabens beträgt zwei Jahre (Oktober 2010 bis Oktober 2012).

Stahlbrücken aus den früheren Jahren weisen des häufigeren im Bereich des Anschlusses Deckblech-Längsrippe Risse auf, die als Kategorie-1-Schäden bezeichnet werden. Diese Schäden sind bauweisenunabhängig u. a. darin begründet, dass in den letzten Jahren die Verkehrsbelastung enorm zugenommen hat und die lokalen Beanspruchungen im Deckblech gestiegen sind. Eine Reduzierung der Spannungen und Durchbiegungen im Deckblech würde zu einer Vermeidung von Rissen im Anschluss Deckblech-Längsrippe führen. Dieses Ziel kann durch eine Versteifung des Deckblechs erreicht werden.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von Lösungen zur Erhöhung der Steifigkeit des Deckblechs von orthotropen Fahrbahnplatten zur Reduzierung der Durchbiegungen und Spannungen. Hierzu sollen geeignete Materialien identifiziert und qualifiziert werden, mit denen die mittragende Wirkung des Fahrbahnbelags erhöht wird.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird der Schwerpunkt in der Entwicklung eines modifizierten Asphalts (HANV mit Epoxydharz- oder Bioharz-Verfüllung) gesehen, der alleine oder in Kombination mit dem Aufkleben von Stahlblechen sowohl experimentell als auch numerisch untersucht werden soll.

Mai 2010 Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien (NaStafEE)

Methodenentwicklung und Leitfadenerstellung für die Bewertung der Nachhaltigkeit stählerner Konstruktionen für Erneuerbare Energien

Aufgrund stetig steigendem Bedarf an Erneuerbaren Energien kommt den Konstruktionen zur Gewinnung Erneuerbarer Energie zunehmend mehr an Bedeutung zu. Als Energieträger sind in diesem Zusammenhang die Windenergie, Geothermie, Solarthermie, Biomasse sowie Wasserenergie in Form von Wellen- und Strömungskraft zu nennen. Insbesondere der Baustoff Stahl spielt bei der Auslegung dieser Konstruktionen eine bedeutende Rolle. Damit diese Bauwerke als nachhaltig betrachtet werden können, ist eine hohe Ausnutzung der Qualität sowohl aus ökologischer als auch aus ökonomischer und technischer Hinsicht notwendig. Wissenschaftlich anerkannte Verfahren, die eine ganzheitliche Nachhaltigkeitsbewertung von stählernen Konstruktionen zur Gewinnung Erneuerbarer Energien ermöglichen, existieren derzeit noch nicht.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden daher Kriterien erarbeitet, die auf die Besonderheiten dieser Anlagen angepasst sind und eine Bewertung der Nachhaltigkeit dieser zulassen. Aus bestehenden, angepassten und erarbeiteten Kriterien wird ein Katalog erstellt, der als Grundlage für eine qualitative Bewertung und Einstufung stählerner Anlagen von Erneuerbaren Energien im Sinne der Nachhaltigkeit dient.

Das Forschungsvorhaben wird in Kooperation mit dem Institut für Stahlbau der Leibniz Universität Hannover unter Leitung von Herrn Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann und dem Lehrstuhl für Energiesysteme und Energiewirtschaft der Ruhr-Universität Bochum unter Leitung von Herrn Prof. Dr.-Ing. Hermann-Josef Wagner durchgeführt.

Die Projektlaufzeit beträgt 30 Monate (01.05.2010 - 31.10.2012).

Die finanzielle Förderung erfolgt durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF), Köln, aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Berlin. Die Begleitung des Projekts erfolgt durch die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA), Düsseldorf.

Mai 2008 Erfolgreich abgeschlossenes Forschungsvorhaben und Promotionsverfahren

von Herrn Dr.-Ing. Stefan Wirth mit dem Thema:

Beulsicherheitsnachweise für schalenförmige Bauteile nach EN 1993-1-6

Kritische Analyse der praktischen Anwendbarkeit anhand zweier Fallstudien mit experimentellem Hintergrund

 Im Juli 2007 wurde die neue europäische Norm EN 1993-1-6 „Festigkeit und Stabilität von Schalen aus Stahl“ veröffentlicht. Dem Tragwerksplaner steht damit ein auf europäischer Ebene vereinheitlichtes technisches Regelwerk zur Verfügung, das in Zukunft die derzeit in Deutschland gültigen Regelwerke für Schalentragwerke ablösen wird.
  Als wesentliche Neuerung – und im Mittelpunkt dieser Arbeit stehend – werden neben dem traditionellem spannungsbasierten Beulsicherheitsnachweis, der im Prinzip identisch mit den Regelungen der DIN 18800 Teil 4 ist, zwei weitere unterschiedliche Formate für den Beulsicherheitsnachweis angeboten, von denen das erste die einfache Form und das zweite die kompliziertere Form des Einsatzes numerischer Hilfsmittel darstellt: Das sogenannte „MNA-LBA-Konzept“ und das sogenannte „GMNIA-Konzept“.
  Wie bei einem solchen „Schritt in die Zukunft“ nicht anders zu erwarten, stellt sich die Frage nach der baupraktischen Anwendbarkeit solcher numerisch aufwändiger Konzepte.
  Die EN 1993-1-6 wird in der vorliegenden Arbeit einer kritischen Analyse hinsichtlich der baupraktischen Anwendbarkeit der neuen Regelungen für numerisch gestützte Beulsicherheitsnachweise unterzogen werden. Das erfolgt anhand zweier umfangreicher Fallstudien mit fundiertem experimentellem Hintergrund. Die herangezogenen Beulversuche beziehen sich auf typische Schalenanwendungen, die aber auf einfache Weise mit konkreten fertigen Beulformeln nur unzureichend zu berechnen sind. Den beiden Fallstudien liegen Beulversuchsserien zugrunde, die am Institut für Metall- und Leichtbau (ehemals Fachgebiet Stahlbau / Holzbau) der Universität Duisburg-Essen durchgeführt wurden.
  Die erste Fallstudie beinhaltet Beulversuche an KZS mit exzentrisch rand- und längsversteiften Mantelöffnungen unter Axialdruck. Die Versuche werden in der vorliegenden Arbeit erstmals veröffentlicht, ausführlich dokumentiert und dienen als Grundlage für die analysierende Anwendung der EN-Nachweisformate für Schalenbeulsicherheit.
In der zweiten Fallstudie wird die Beulstabilität unversteifter und zusätzlich längsversteifter spiralgefalzter Stahlblechsilos unter Axialdruckbelastung behandelt.Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen werden ebenfalls als Grundlage für eine kritische Anwendung der verschiedenen Beulsicherheitsformate der EN 1993-1-6 verwendet.
  Aus den in den beiden Fallstudien gewonnenen Erkenntnissen werden abschließend Hinweise zur baupraktischen Anwendung der genormten, numerisch gestützten Beulsicherheitsnachweise zusammengestellt.

ESSENER UNIKATE 23 Schalenbeulen im Stahlbau – Ein spannendes Bemessungsproblem

Der Schalenstab ist die optimale Tragstruktur zur Weiterleitung einer Druckkraft. Diese „Optimierungsaufgabe“ wurde übrigens bereits von der Natur gelöst – Getreidehalme sind bekanntlich weder massiv noch rechteckig-hohl, sondern rohrförmig. Diese Form, kombiniert mit dem festen Baustoff Stahl, liefert sehr leistungsfähige Tragstrukturen. Die Festigkeit des Stahls bewirkt jedoch gleichzeitig, dass die Konstruktionen schlank und dünnwandig werden und deshalb stabilitätsanfällig sind.

Schalen sind optimal stabile Tragstrukturen

Stahlbau ist eine Bauweise, die durch leichte, das heißt schlanke und dünne Tragkonstruktionen geprägt ist. Das ist eine Folge der hohen Festigkeit des Baustoffes Stahl. Die Leichtigkeit hat allerdings ihren „statischen Preis“. Er besteht darin, dass immer dann, wenn unter den einwirkenden Lasten in Teilen der Tragkonstruktion Druckkräfte entstehen, so genannte Stabilitätsprobleme beim Tragwerksentwurf im Vordergrund stehen.

ESSENER UNIKATE 23: Ingenieurwissenschaften – Bauwesen