P 837 - Experimentelle Untersuchung und Simulation des Crashverhaltens mechanischgefügter Verbindungen

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

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 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 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