Höherfrequente Hämmerverfahren – Ursachen der Steigerung der Ermüdungsfestigkeit und Nachweismodell

Der Einsatz von Schweißnahtnachbehandlungsverfahren zur Optimierung wechselnd beanspruchter Stahlkonstruktionen in Hinblick auf deren Lebensdauerverlängerung oder eine Reduzierung des Konstruktionsgewichts wurde in den letzten Jahren verstärkt untersucht. Dabei erwiesen sich höherfrequente Hämmermethoden als besonders wirkungsvoll zur Steigerung der Ermüdungsfestigkeit. Der vorliegende Artikel zeigt die Potentiale der Verfahren auf und belegt deren Einfluss auf das Rissinitiierungs‐ und Rissfortschrittsverhalten von Schweißnähten. Anhand eines entwickelten Bemessungsmodells wird eine Möglichkeit der rechnerischen Erfassung der positiven Wirksamkeit der Verfahren dargelegt. Reasons and calculation of the improved fatigue life of welds treated with high frequency peening methods. The application of post weld treatment methods in order to optimize fatigue loaded steel structures in view of an extension of their service life or a reduction of the construction weight has been studied intensively in the last years. High frequency peening methods proved to be extreme effectively in order to increase the fatigue strength. The following article shows the potentials of the methods and proves their influence on the crack initiation and crack propagation behaviour of welds. With help of a developed design procedure the possibility of respecting the positive effect on the fatigue strength during the design is provided.     

Alternativer Berechnungsansatz zum Hochfrequenzhämmern – Versuch und praktische Anwendung in der Windenergietechnik

Die lokal anwendbare Schweißnahtnachbehandlung bietet ein vielversprechendes Potential zur Lebensdauerverlängerung und wirtschaftlicheren Fertigung geschweißter Bauteile. In diesem Beitrag wird ein alternativer Berechnungsansatz auf bruchmechanischer Basis vorgestellt, der es erlaubt, wesentliche Effekte des Hochfrequenzhämmerns, die für die signifikante Verlängerung der Lebensdauer verantwortlich zeichnen, direkt in die Abschätzung der Lebensdauer mit einfließen zu lassen. Ferner werden die Ergebnisse eines Schwingfestigkeitsversuches an dickwandigen, durchgeschweißten Kreuzstößen mit einer Blechdicke von 60 mm präsentiert. Auch aufgrund der sehr positiven Erfahrungen aus der Anwendung des Hochfrequenzhämmerns an verschiedenen Bauteilen von Windenergieanlagen in der Praxis wird diesem Verfahren zukünftig eine hohe Bedeutung zukommen. An alternative calculation approach for high frequency peening – further validation and practical application in wind energy technology. A local application of post weld treatment shows a high potential in increasing fatigue life and more economic manufacturing of welded components. An alternative assessment based on fracture mechanics is presented which takes into account the main effects of high frequency peening. Furthermore results of a fatigue test on a cross‐joint K‐butt weld with 60?mm thickness are presented. Also because of positive experiences in field application of high frequency peening on different components in wind energy converters this kind of post weld treatment will be a very promising technique in future.     

Instandsetzung der Druckrohrleitung des Kraftwerks Cleuson‐Dixence,Schweiz — Eine Herausforderung an den Stahlbau

Das Kraftwerk Cleuson‐Dixence in der Schweiz mit 1269 MW Nennleistung zählt zu den eindrucksvollsten Wasserkraftanlagen Europas. Die technischen Leistungen vereinigen einige Weltrekorde: Die größte Leistung pro Pelton‐Turbine mit 423 MW, die größte Pol‐Leistung je Wechselstromgenerator und die größte Fallhöhe von 1883 m — aus welcher eine Druckrohrleitung mit dem bisher höchsten Innendruck von 2070 m Wasserhöhe resultiert. Ein Schadensfall an der bestehenden Druckrohrleitung im Jahre 2000 setzte das gesamte Krafthaus Bieudron für fast ein Jahrzehnt außer Betrieb. Der Schaden wurde offenbar durch einen Kaltriss in einer mangelhaft geschweißten Werksschweißnaht ausgelöst, welcher auch bei der original durchgeführten zerstörungsfreien Werkstoffprüfung nicht ausreichend detektiert werden konnte. Basierend auf den Ergebnissen der eingehenden Untersuchungen wurde beschlossen, dass der gesamte Druckschacht mit einer Länge von über 4 km erneuert werden musste. Diese Rehabilitation sah vor, dass in dem bestehenden Druckschacht eine zusätzliche Stahlpanzerung (= Druckrohrleitung) eingebaut werden muss. Der Nominal‐Ringraum zwischen der bestehenden und der neuen Stahlpanzerung wurde so klein wie möglich mit 130 mm definiert. Dieser Ringraum muss nach der Montage sukzessive mit Beton hinterfüllt werden. Dieses Konzept war Grundlage für die Auftragserteilung im Jahre 2006. Die Auswahl der Fertigungs‐ und Montageverfahren stellte aufgrund der Geschichte dieses Superlativ‐Projektes eine Herausforderung dar. Rehabilitation of the penstock of the power plant Cleuson‐Dixence, Swiss — Challenges for the steel constructor. The power plant Cleuson‐Dixence in Swiss with its 1269 MW nominal capacity is one of the most impressive hydroelectric power plants all over Europe. Three world records are held of this plant: the highest output per Pelton‐turbine with 423 MW, the highest pole‐output of each AC generator and the highest head of 1883 m — resulting in a penstock of a designed internal pressure of 2070 m water column. An accident on the existing penstock in the year 2000 has led to a stop of operations for almost a decade. The damage was apparently caused by a cold crack in a shop weld seam, which couldn’t be detected properly during the originally performed NDT. Based on the results of detailed investigations it had been decided, that the entire penstock over its more than 4 km length had to be renewed completely. The concept of the rehabilitation was the construction of an additional penstock, inserted in the existing one. The nominal gap between the existing and the new penstock should be as small as possible and was defined with 130 mm. The gap shall be backfilled with concrete continuously after installation. This concept was the basis for the award of the construction contract in the year 2006. The selection of the most proper fabrication‐ and installation procedures was a challenge in this project of superlatives.     

UNIQA PS1 – Ein Hochhaus aus Stahl

In Wien wurde von September 2008 bis Juli 2009 die Stahltragkonstruktion eines Hochhauses errichtet. Über einem 30 m hohen und 27 m breiten Luftraum war schwebend ein 13‐geschossiger Turm zu errichten. Als Haupttragsystem wurden in die Wände integrierte Stahlfachwerke gewählt. Die Verbindung der Stahlkonstruktion mit den Betontragkonstruktionen und deren unterschiedliche Steifigkeiten stellten hohe Ansprüche an das Planungsteam des Bauherren UNIQA, bestehend aus Werner Consult Ziviltechniker GesmbH und dem Zivilingenieurbüro Roller. Detailplanung, Fertigung und Montage der Konstruktion erfolgten durch die ARGE Stahlbau PS1, bestehend aus Zeman und Strabag. Der Auftrag konnte unter anderem aufgrund eines innovativen Montagekonzeptes gewonnen werden. Die untersten Geschosse wurden mit ihren Decken auf Erdgeschossniveau zusammengebaut und die rund 1600 t schwere Konstruktion auf 30 m Höhe gehoben. Der Rohbau konnte nur auf Grundlage einer sehr intensiven Zusammenarbeit zwischen den ARGE‐Partnern aus dem Stahl‐ und Stahlbetonbau termingerecht und im Kostenrahmen abgeschlossen werden. UNIQA PS1 a high rise building made from steel. From September 2008 to July 2009 the steel construction of a high rise building was erected in Vienna. A 13‐storey tower floats above an air‐space with 30 m height and 27 m width. The main carrying structure consists of a latticed framework which is integrated into the walls. The connection between the steel construction and the concrete structure was an ambitions task for the structural team of the client UNIQA, consisting of Werner Consult Ziviltechniker GesmbH and Zivilingenieurbüro Roller. Detail engineering, fabrication and erection was executed by ARGE Stahlbau PS1 consisting of Zeman and Strabag. The order was won amongst other reasons because of an innovative erection procedure. The two lowest floors were pre erected on the ground floor and the approximately 1600 tons lifted into the final position on 30 m afterwards. It was only possible to complete this task on time and in budget due to the intensive cooperation between the partners from the steelworks and the concrete works.     

Numerische Analyse geschweißter Verbindungen von Duplexstahl und Quarzglas

Numerical analysis of welded joints between duplex steel and quartz glass. Welded joints are a vital element in structural engineering. Originating from conventional carbon steel welding in construction, recent advancements in welding technology now allow the joint of modern high‐strength steel and glass materials. With today's methods, an analysis of the welded joints' structural behaviour can be conducted by experiment, as well as by numerical analysis. Particularly for the numeric analysis, capturing the non‐linear thermal and mechanical properties of the materials is important, in order to allow a realistic determination of temperature, microstructure and residual stresses for different types of joints. Simulations of multi‐layered weld joint on duplex steel show, that a targeted heat treatment during MAG‐welding by variation of the welding parameters achieves a beneficial ratio between ferrite and austenite which, for example, ensures a high resistance of the weld to corrosion. The material quartz glass can generally be welded as butt‐weld with a CO₂‐laser. The simulations of a welded joint of a plate and a pipe show, that an optimization of the welding technology of preheat laser beam and welding laser beam is necessary, in order to reduce the thermal impact during the welding process, as well as residual stress in the joint. At the Department of Steel Structures at the Bauhaus‐Universität Weimar, numerical simulations of welded joints between steel and glass materials are a current and topical research focus.