P 832 - Vollstanznietbeschichtungen für den Einsatz bei hochfesten Stahlwerkstoffen

P 830 - Numerische Beschreibung der Schädigung beim Scherschneiden und des verbleibenden Restumformvermögens für Dualphasenstähle mithilfe der Multiskalensimulation Getrieben von steigenden Anforderungen an Gewicht und Sicherheit neuer Fahrzeuge finden Feinbleche aus Dualphasenstählen vermehrten Einsatz im Automobilbau. Das in Bezug auf die Festigkeit und Formkomplexität eines Bauteils hohe Potenzial dieser Stahlwerkstoffe wird zurzeit jedoch nur unvollständig ausgeschöpft. Zum Teil liegt dies am geringen Formänderungsvermögen schergeschnittener Kanten, das auf die Schädigung in Form von Poren zwischen Ferrit und Martensit im Schnittkantenbereich zurückzuführen ist. Bei einer Kantenstreckung führen Zugspannungen zu einem Wachstum dieser Poren, deren Vereinigung zu Mikrorissen und schließlich zum Kantenriss. Da zurzeit keine allgemein akzeptierte Methode zur Ermittlung des Kantenformänderungsvermögens und entsprechenden Berücksichtigung in der Umformsimulation existiert, werden bei der Auslegung von Umformprozessen oft deutlich geringere Kantenformänderungen zugelassen, als Dualphasenstähle ohne Versagen ertragen können. Das Ziel des Projektes bestand darin, einen praktikablen Weg zu erarbeiten, mit dem die durch das Scherschneiden edingten Schädigungen in Feinblechen aus Dualphasenstählen in der numerischen Simulation nachfolgender Umformoperationen berücksichtigt werden können. Somit sollte eine Abschätzung des noch verfügbaren Formänderungsvermögens des Schnittkantenbereichs mithilfe gängiger   Simulationsprogramme ermöglicht werden. Im Fokus standen dabei zwei Dualphasenstähle mit einer Festigkeit von ca. 600 MPa bzw. 780 MPa und einer Stärke um 1,4 mm. Im Projekt wurden folgende Lösungsansätze erarbeitet und untersucht: ein erweitertes Grenzformänderungsdiagramm, Schädigungsmodellierung mithilfe des am Scherschneidprozess parametrisierten Johnson-Cook- Schädigungsmodells, Schädigungsmodellierung mithilfe des an Charakterisierungsversuchen parametrisierten Johnson -Cook-Schädigungsmodells, Schädigungsmodellierung mithilfe des an Charakterisierungsversuchen parametrisierten Gurson-Tvergaard -Needleman-Schädigungsmodells,  mikromechanische Schädigungsmodellierung mithilfe eines repräsentativen Volumenelements. Der Bericht stellt eine Bewertung  dieser  Lösungsansätze hinsichtlich ihres Aufwands auf der einen Seite und ihrer Qualität der Versagensvorhersage auf der anderen Seite dar und gibt Anregungen für zukünftige Forschungsarbeiten. Das erweiterte Grenzformänderungsdiagramm wird als ein pragmatischer Lösungsansatz bewertet, der sofort in der Praxis umgesetzt werden kann. Zur Verallgemeinerung dieses Lösungsansatzes empfiehlt sich, in zukünftigen Forschungsvorhaben den Einfluss der Drucküberlagerung in Umformprozessen auf das Kantenformänderungsvermögen zu quantifizieren und an Charakterisierungsversuchen abzubilden. Die mikromechanische Schädigungsmodellierung wird zum jetzigen Zeitpunkt aufgrund des hohen Modellierungsaufwandes ls weniger relevant für die Praxis eingestuft. Eine Weiterentwicklung dieses Lösungsansatzes erscheint jedoch vielversprechend zur Erlangung eines besseren Verständnisses mechanischer  Eigenschaften von Dualphasenstählen. Die Lösungsansätze, die auf einer Übertragung der Schädigungsverteilung einer Scherschneidsimulation auf eine Umformsimulation basieren, setzen eine gute Übereinstimmung zwischen den experimentellen und numerischen Ergebnissen des Scherschneidens voraus. Diese konnte im Projekt jedoch nicht erzielt werden. Hierzu existiert noch Forschungsbedarf bzgl. der Übertragung von experimentell ermittelten Formänderungsgrenzen auf die Scherschneidsimulation. Das Forschungsvorhaben wurde am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover, mit finanzieller Unterstützung durch die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, aus Mitteln der Stiftung Stahlanwendungsforschung, Essen, durchgeführt. Autoren: B.-A. Behrens, M. Vucetic, I. Peshekhodov, M. Schneider Veröffentlichung: 2015

P 834 - Untersuchung von Schraubenverbindungen im Stahl- und Verbundbau zur Schaffung von Regeln für die numerische Bemessung des baulichen Brandschutzes im Hochbau Im vorliegenden Forschungsprojekt werden Anschlüsse im Stahl- und Verbundbau mit hochfesten Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 im Brandfall untersucht. Mit Einführung der Komponentenmethode ist es heute möglich,   Gesamttragwerke bei Raumtemperatur unter Berücksichtigung des Anschlussverhaltens zu simulieren. Im Brandfall ist dies bislang nicht möglich, da zum einen eine Umsetzung der Komponentenmethode oder eines vergleichbaren numerischen Modells für den Brandfall fehlt und zum anderen bislang keine validierten Materialgesetze für hochfeste Schrauben im  Brandfall zur Verfügung stehen. Aus diesem Grund werden auf Basis von Versuchsreihen zunächst Materialkennwerte für hochfeste Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 während und nach einem Brand entwickelt. Darunter fällt sowohl die  Untersuchung des reinen Schraubenmaterials mittels stationärer und instationärer Warmzugversuche als auch die  Untersuchung von Schraubengarnituren in Zug- und Abscherversuchen. Bei letzteren hat neben dem Material auch die  Schraubengeometrie einen großen Einfluss auf das Verhalten. Im Rahmen der Untersuchungen zeigt sich, dass die Schrauben im Temperaturbereich bis 420°C durch das übliche Gewindeabstreifen versagen. Im Temperaturbereich von 420°C bis 650°C versagen die Schrauben hingegen infolge eines Risses im Gewindegrund. Es kann gezeigt werden, dass dieser Riss auf flüssigmetallinduzierte Spannungsrisskorrosion (LME) zurückzuführen ist. Oberhalb von 650°C versagen die Schrauben infolge von Flankenbiegung. Als Ergebnis der Materialuntersuchungen stehen damit zukünftig validierte Materialkennwerte für die Modellierung von Schrauben innerhalb von Anschlusssimulationen zur Verfügung, welche die verschiedenen Versagensformen bei unterschiedlichen Temperaturen berücksichtigen. Zusätzlich werden thermische und mechanisch numerische Modelle entwickelt, mit denen das Verhalten von Kopfplattenund Fahnenblechanschlüssen im Stahl- und Verbundbau beschrieben werden kann. Die Modelle werden durch Brandversuche an zwei hochbauüblichen Anschlüssen validiert. Innerhalb der Versuche und der numerischen Modelle wird dabei ein Temperaturfeld berücksichtigt, welches auf der Einheits-Temperaturzeitkurve und einer typischen Brandschutzbeschichtung durch einen  dämmschichtbildenden Anstrich basiert. Es werden ein Kopfplattenanschluss im Stahlbau und ein Fahnenblechanschluss im Verbundbau untersucht. Im Falle des Fahnenblechanschlusses wird bei Raumtemperatur davon ausgegangen, dass es sich um einen gelenkigen Anschluss handelt. Es wird gezeigt, dass sich eine Momententragfähigkeit im Brandfall einstellen kann, sofern dem vorzeitigen Versagen der durchlaufenden Bewehrung vorgebeugt wird. Für die beiden Anschlussarten werden schließlich auf Basis der Komponentenmethode vereinfachte Federmodelle entwickelt, mit denen Steifigkeit und  Tragfähigkeit der Anschlüsse im Brandfall ermittelt werden können. Zusammenfassend ist es zukünftig möglich, auf Basis von validierten Schraubeneigenschaften mittels Finite-Elemente- oder Federmodellen das Verhalten von Anschlüssen im Brandfall zu beschreiben und in Tragwerksberechnungen zu  berücksichtigen. Das IGF-Vorhaben 16586 N der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, wurde 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. Das Vorhaben wurde an der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover vom Institut für Stahlbau und an der Technischen Universität Darmstadt vom Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik durchgeführt. Veröffentlichung: Juli 2014

P 835 - Feuerverzinken im Stahl- und Verbundbrückenbau Stahl- und Verbundbrücken werden in Deutschland und in Europa üblicherweise durch eine organische Beschichtung vor Korrosion geschützt. Diese Beschichtungen haben eine theoretische Schutzdauer von bis zu 25 Jahren. Im Vergleich dazu bietet das Stückverzinken von Stahlbauteilen einen sehr langlebigen und robusten Korrosionsschutz, der bereits im Stahlhochbau einen großen Marktanteil einnimmt. Schutzdauern von 80 Jahren und mehr sind dabei keine Seltenheit. Dadurch lassen sich Wartungsund Instandsetzungsarbeiten deutlich verringern. Für Brücken im Verkehrswegebau lassen sich diese ökologischen und ökonomischen Vorteile bislang noch nicht nutzen. Derartige Brücken sind zyklischen  Belastungen ausgesetzt, die einen Nachweis gegen Werkstoffermüdung gemäß DIN EN 1993-2 und DIN EN 1994-2 erfordern. Da der Einfluss der Feuerverzinkung auf die Ermüdungsfestigkeit von Bauteilen bei zyklisch wirkenden Belastungen bisher nicht ausreichend untersucht wurde, werden feuerverzinkte Bauteile bislang nicht von der Bemessungsnorm erfasst. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher die Erarbeitung und Bereitstellung der grundlegenden wissenschaftlich und technisch erforderlichen Erkenntnisse zur grundsätzlichen Anwendung der Feuerverzinkung im Stahl- und Verbundbrückenbau. Dafür wurden Versuche zur Ermüdungsfestigkeit an für den Brückenbau typischen Kerbdetails im feuerverzinkten Zustand durchgeführt, die teilweise durch Vergleichsproben im unverzinkten Zustand ergänzt wurden. Des Weiteren war es erforderlich, den Korrosionsschutznachweis für die Feuerverzinkung und deren Reparaturtechnologie durch thermisch gespritzten Zinküberzug an Transport- und Montageschäden für eine angestrebte Nutzungsdauer von 100 Jahren zuerbringen. Basis hierfür waren sowohl eine Literaturauswertung als auch diverse Versuche zu Schutzdauer, Vorbehandlungsmethoden und Ausführungsvarianten. Als Ergebnis konnte festgestellt werden, dass die Feuerverzinkung einen signifikanten Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit hat, der auch teilweise zu einer Abminderung der Detail-Kategorien für den Nachweis gegen Werkstoffermüdung führt. Die Ursachen dafür konnten in der Ausbildung des Zinküberzugs identifiziert werden. Parallel konnte der Nachweis für eine theoretische Korrosionsschutzdauer von 100 Jahren, also in gleicher Länge wie die Nutzungsdauer der Brücke, sowohl für die stückverzinkten Bauteile als auch für spritzverzinkte Ausbesserungsstellen an Montageschweißstößen erbracht werden. Auf dieser Basis wurden für den Anwender Konstruktionsempfehlungen in Form einer Broschüre erstellt. Die ganzheitliche Betrachtung der Bau- und Unterhaltungskosten zeigt die entscheidenden Vorteile der Feuerverzinkung im Lebenszyklus von Brückentragwerken. Das IGF-Vorhaben 351 ZBG der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde an der Technischen Universität Dortmund vom Lehrstuhl Stahlbau, an der Technischen Universität Darmstadt von der Staatlichen Materialprüfungsanstalt Darmstadt, Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde und vom Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH durchgeführt. Autoren: D. Ungermann, D. Rademacher, M. Oechsner, R. Landgrebe, J. Adelmann, F. Simonsen, S. Friedrich, P. Lebelt Veröffentlichung: 2014

P 837 - Experimentelle Untersuchung und Simulation des Crashverhaltens mechanischgefügter Verbindungen Bei der Umsetzung von innovativen Leichtbaukonzepten zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und somit auch der CO2-Emmissionen finden verstärkt mechanische Fügeverfahren Anwendung. Die mechanische Fügetechnik bietet gegenüber der thermischen Fügetechnik den entscheidenden Vorteil, dass sich mit ihr auch Mischverbindungen aus artverschiedenen Werkstoffen prozesssicher realisieren lassen, ohne dass die positiven Werkstoffeigenschaften durch thermische Beeinflussung herabgesetzt werden. Folglich wird im Automobilbau neben den konventionellen Fügeverfahren, wie z.B. dem Widerstandspunktschweißen eine Vielzahl mechanischer Verbindungstechniken, wie z.B. das Halbhohlstanznieten und das Direktverschrauben, eingesetzt. In den letzten Jahren haben sich die Einsatzmöglichkeiten dieser beiden mechanischen Fügetechniken im Automobilbau kontinuierlich  weiterentwickelt. Für den effektiven Einsatz dieser Fügetechniken insbesondere auch in crashrelevanten Bereichen fehlen jedoch bislang Verbindungskennwerte, die eine Vorhersage über das Tragverhalten dieser Verbindungen ermöglichen. Bei der Umsetzung von innovativen Leichtbaukonzepten zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und somit auch der CO2-Emmissionen, finden verstärkt mechanische Fügeverfahren Anwendung. Die mechanische Fügetechnik bietet gegenüber der thermischen Fügetechnik den entscheidenden Vorteil, dass sich mit ihr auch Mischverbindungen aus artverschiedenen Werkstoffen prozesssicher realisieren lassen, ohne dass die positiven Werkstoffeigenschaften durch thermische Beeinflussung herabgesetzt werden [Hah94]. Folglich wird im Automobilbau neben den konventionellen Fügeverfahren wie dem Widerstandspunktschweißen eine Vielzahl mechanischer Verbindungstechniken, wie z.B. das Halbhohlstanznieten und das Direktverschrauben eingesetzt. In den letzten Jahren haben sich die Einsatzmöglichkeiten dieser beiden mechanischen Fügetechniken im Automobilbau kontinuierlich weiterentwickelt [Ban06]. Für den effektiven Einsatz dieser Fügetechniken insbesondere auch in crashrelevanten Bereichen fehlen jedoch bislang Verbindungskennwerte, die eine Vorhersage über das Tragverhalten dieser Verbindungen ermöglichen. In der Fahrzeugentwicklung spielt die Crashsimulation ganzer Fahrzeugstrukturen eine wesentliche Rolle im Entwicklungsprozess. Das Tragverhalten der gesamten Fahrzeugstruktur wird dabei erheblich von ihren Fügestellen beeinflusst, wobei die Fügebereiche in der Crashsimulation durch vereinfachte Ersatzmodelle berücksichtigt werden müssen [Özd05]. Sehr detaillierte Modelle der Verbindungen können in den Gesamtfahrzeugmodellen, die in der Crashanalyse eingesetzt werden, nicht verwendet werden, da diese zu Berechnungszeiten von mehreren Tagen bzw. Wochen führen würden und in dem Entwicklungszeitplan aufgrund der Vielzahl von Lastfällen und Rechnungen zur optimalen konstruktiven Auslegung nicht realisierbar wären. Infolgedessen muss auf vereinfachte Ersatzmodelle der Fügestellen zurückgegriffen werden, die das globale Verformungs- und Versagensverhalten unter  schlagartiger Belastung mit hinreichend hoher Genauigkeit, aber deutlich geringerem numerischen Aufwand abbilden. Vor diesem Hintergrund wurden in der Vergangenheit für das Widerstandspunktschweißen entsprechende Berechnungskonzepte entwickelt. Diese basieren auf experimentell ermittelten Kraft-Verformungsweg-Verläufen, die an Einelementproben in Abhängigkeit von der Belastungsart (Scher-, Kopf-, und Schälzug) ermittelt worden sind [Özd05, See05, Som06]. Eine solche umfassende Charakterisierung des Crashverhaltens entsprechender Verbindungen existiert für mechanisch gefügte Verbindungen nicht. Hier setzt das zugrundeliegende Forschungsvorhaben mit seiner Zielsetzung an. Veröffentlichung: 2010 Autoren: Prof. Hahn, Prof. Gumbsch, Prof. Iwainsky