P 835 - Feuerverzinken im Stahl- und Verbundbrückenbau

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 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

P 832 - Vollstanznietbeschichtungen für den Einsatz bei hochfesten Stahlwerkstoffen Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Entwicklung einer Nietelementbeschichtung, die als Korrosionsschutz und gleichzeitig als Wasserstoffbarriere dient. Basis hierfür war das galvanische Zink-Nickel-System. Problematisch ist jedoch die Tatsache, dass die Stromausbeute in diesem Elektrolyten nur ca. 50% beträgt, denn dies bedeutet, dass nur 50% der eingesetzten elektrischen Energie zur Bildung von Wasserstoff beitragen. In diesem Forschungsvorhaben wurden zwei Nietwerkstoffe betrachtet. Es handelt sich um den Kaltstauchstahl 1.5515 und den Chromstahl 1.4035, der einen Chromanteil von 13 Gew-% hat. Dieser hohe Chromanteil führt zu einer Passivierung des Werkstoffes, wodurch eine galvanische  Beschichtung erschwert wird. Durch eine modifizierte Vorbehandlung der Nietelemente, konnte eine deutliche Verbesserung der Schichthaftung erzielt werden. Nach einer Beladung mit Wasserstoff zeigte der Chromstahlniet unter quasistatischer Scherzugbelastung allerdings ein Sprödbruchverhalten und auch in den Korrosionsuntersuchungen wurde die Porosität der Beschichtung nachgewiesen. Daher sind für ein galvanisches Beschichtungsverfahren in einem wässrigen Elektrolyten weitere Optimierungen erforderlich. Denkbar wären auch PVD-Beschichtungssysteme, welche eine gute Haftfähigkeit gezeigt haben. Darüber hinaus wurde eine modifizierte Nietgeometrie für den Chromstahlniet entwickelt, die sich hinsichtlich der Standfestigkeit im Setzprozess sowie der Affinität zur Wasserstoffversprödung gut bewährt hat. Die Beschichtung des Niets aus Kaltstauchstahl zeigte keine Probleme. Auch hier kann die modifizierte Vorbehandlung der Nietelemente  angewandt werden. Es stehen neben der Zink-Nickel-Beschichtung, das Almac ®-, sowie das Zink-Lamelle-  Beschichtungssystem zur Verfügung. Sämtliche Beschichtungen sind problemlos applizierbar. Zudem zeigt der Niet aus 1.5515 keinerlei Versagensauffälligkeiten in Kombination mit Wasserstoff, daher ist er bei der Gefahr von Wasserstoffdiffusion ins Hilfsfügeteil dem Chromstahlniet vorzuziehen. Auch hinsichtlich ihrer korrosionshemmenden Wirkung zeigten die Beschichtungen auf dem Kaltstauchstahlniet keine Auffälligkeiten und sind als gut geeignet zur  Verhinderung von Korrosion am Nietelement zu bewerten. Das IGF-Vorhaben 16495 N der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. – FOSTA, 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 Forschungsvorhaben wurde am Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn und am Institut für Werkstoffkunde der Leibniz Universität Hannover durchgeführt. Autoren: G. Meschut, O. Hahn, M. Bergau, H. J. Maier, M. Nicolaus Veröffentlichung: 2015

P 838 - Prozesssicheres und leistungsstarkes Fügen von hochfesten Feinkornbaustählen durch ein Hybridschweißverfahren mit integrierter Vorwärmung Im Bereich des Windenergieanlagen-, Schiff-, Pipeline und Mobilkranbaus wird eine Reduzierung des Bauteilgewichts bei gleichbleibender Tragfestigkeit und Zähigkeit angestrebt. Dadurch ist es möglich statisch erforderliche Blechdicken und damit das Eigengewicht der Konstruktion zu reduzieren und Kosten für Material einzusparen. Hierfür wurden höherfeste Feinkornbaustähle entwickelt, die Vorteile bezüglich der Tragfestigkeit und der Zähigkeit bieten und gleichzeitig eine gute Schweißeignung aufweisen. Parallel zur Stahlentwicklung ist eine Modifizierung oder Entwicklung geeigneter Fügeverfahren erforderlich. Konventionell werden Feinkornbaustähle im Dickblechbereich durch mehrlagige Lichtbogenschweißverfahren mit relativ geringer Geschwindigkeit gefügt. Dabei sind sowohl der Verbrauch von Zusatzmaterialien als auch die benötigten Fertigungszeiten hoch. Hier stellt das MSG-Laser- Hybridschweißen eine potentielle Alternative dar. Dabei werden die Vorteile des MSG-Schweißens und des Laserstrahlschweißens kombiniert bzw. die Nachteile kompensiert. Dazu zählen zum Beispiel die hohe Schweißgeschwindigkeit, die hohe Einschweißtiefe, die gute Spaltüberbrückbarkeit sowie die relativ kleine Wärmeeinflusszone (WEZ). Allerdings bedingen die hohe Schweißgeschwindigkeit und der im Vergleich zu reinen Lichtbogenschweißverfahren konzentrierte Wärmeeintrag eine hohe Abkühlgeschwindigkeit, die eine Aufhärtung der WEZ und des Schweißgutes zur Folge hat. Im Rahmen dieser Untersuchungen wird ein kombiniertes Schweißverfahren, bestehend aus induktiver Vorwärmung und einem einlagigen MSG-Laser- Hybridschweißprozess, entwickelt. Hierbei werden höherfeste Feinkornbaustähle der Festigkeitsklasse von 460 bis 690 MPa und Blechdicken von 10 bis 20 mm in einer Operation verschweißt. Mit Hilfe der induktiven Vorwärmung werden die Abkühlzeit und damit die Gefügeausbildung sowie die mechanischtechnologischen Eigenschaften der Schweißverbindung beeinflusst. Weiterhin kann die induktive Vorwärmung Einfluss auf die Bildung von Heiß- und Kaltrissen im Schweißgut beziehungsweise in der Wärmeeinflusszone nehmen. Im Zuge der Untersuchung wurden die Schweißnähte durch den Einsatz von Röntgen- und Sichtprüfungen bewertet und in Anlehnung an [DIN EN ISO 13919] sowie [DIN EN ISO 12932] klassifiziert. Die Schweißverbindungen bestätigen die Anforderungen der Bewertungsgruppe B der oben genannten Normen. Zur weiteren Bewertung der Schweißverbindungen wurden Querschliffe entnommen, an denen umfangreiche Härteprüfungen durchgeführt wurden. Weiterhin wurden Zug- und Kerbschlagbiegeversuche sowie zyklische Prüfungen durchgeführt. Begleitend zu den experimentellen Untersuchungen wurden Simulationen zum Vorwärmungsprozess sowie zum Schweißprozess durchgeführt. Hierbei konnte eine gute Korrelation zu den experimentellen Messwerten ermittelt werden. Das IGF-Vorhaben 16600 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 vom Laser Zentrum Hannover e.V., Institut für Elektroprozesstechnik, Leibniz Universität Hannover und dem Institut für Stahlbau, Leibniz Universität Hannover, durchgeführt. Autoren: D. Kracht, S. Kairele, A. Springer, O. Seffer, R. Lahdo, B. Nacke, H. Schülbe, J. Neumeyer, P. Schaumann, M. Collmann Veröffentlichung: 2015