Nachweiskonzepte zur Bemessung ermüdungsbeanspruchter Bauteile unter Berücksichtigung von Schweißnahtnachbehandlungsverfahren durch höherfrequentes Hämmern

Die Anwendung von höherfrequenten Hämmerverfahren zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit von dynamisch beanspruchten Bauteilen gewinnt zunehmend an Bedeutung. Dies hängt zum einen damit zusammen, dass bei Neukonstruktionen durch den Einsatz von höherfesten Stählen die Frage der Materialermüdung verstärkt die Bauteilauslegung bestimmt, und zum anderen, dass bei vielen bestehenden Bauwerken vermehrt Maßnahmen zur Verlängerung der Restlebensdauer erforderlich werden. Die Anwendung von Schweißnahtnachbehandlungsverfahren in Form von höherfrequentem Hämmern stellt hierfür eine geeignete Maßnahme dar, die Ermüdungsfestigkeit von Neukonstruktionen zu erhöhen bzw. die Restlebensdauer bestehender Anlagen zu verlängern. Eine zuverlässige baupraktische Anwendung setzt jedoch die Existenz anerkannter Regeln für die Bemessung voraus, wie auch eine darauf abgestimmte Vorgehensweise für die Ausführung. Der vorliegende Beitrag widmet sich vor allem der Darstellung bisher existierender Nachweiskonzepte für die Bemessung ermüdungsbeanspruchter Bauteile bei Anwendung von Schweißnahtnachbehandlungsverfahren in Form von höherfrequentem Hämmern. Fatigue design concepts for post‐weld treated joints improved by high frequency hammer peening methods. Post‐weld improvement methods have been widely investigated and have in most cases been found to give substantial increases in the fatigue strength. Nowadays, there is an increasing interest in using such methods in order to either improve the fatigue resistance of new structures built e.g. by high strength steel and/or to enlarge the lifetime of existing structures suffering from fatigue problems. With regard to this, post‐weld improvement using high frequency hammer peening methods lately showed very good and promising results in combination with simple operation conditions. However, the successful application of post‐weld improvement methods always requires the existence of profound fatigue design concepts as well as relevant execution and quality standards. The following paper refers predominately to the first aspect, in trying to summarise and compare existing design concepts and their application range for high frequency hammer peening methods.     

Zum Last‐Verformungsverhalten von Schrauben in vorgespannten Ringflanschverbindungen mit überbrückten Klaffungen im Hinblick auf die Ermüdungsvorhersage

Im Rahmen des europäischen RFCS (Research Fund for Coal and Steel) Projektes HISTWIN werden seit 2005 Untersuchungen an konventionellen Ringflanschen im Hinblick auf die Ermüdungssicherheit der Verbindungsmittel durchgeführt. Hauptaugenmerk liegt hierbei auf der Prüfung von Methoden zur Instandsetzung von Flanschimperfektionen und den daraus resultierenden Klaffungen. Werden diese nicht ausgebessert sondern lediglich “beigezogen”, so führt dies zu erhöhten Ermüdungsbelastungen und einem vorzeitigen Versagen des Verbindungsmittels. Deswegen werden hier wesentlich zuverlässigere Alternativen der Überbrückung von Flanschklaffungen mit Hilfe von Futterblechen und expliziten Vorspannabfolgen vorgeschlagen. Zum Nachweis der Wirksamkeit dieser einfachen Reparaturmethoden wurden Versuche durchgeführt und ausgewertet, welche den Schluss zulassen, dass bei sachgemäßer Reparatur der Flanschklaffungen mit keiner reduzierten Lebensdauer der Verbindungsmittel zu rechnen ist. Load‐deformation behaviour of preloaded bolts in ring flange connections with bridged gaps with regard to a fatigue behaviour prediction. Within the scope of the European research project RFCS (Research Fund for Coal and Steel) HISTWIN, conventional ring flange connections have been studied focusing on the fatigue resistance these connections. Often these ring flange connections provide certain imperfections like gaps etc. unless they are machined. Without repairing these gaps result in an increased fatigue loading of the bolt and an early failure of the connection. Therefore reliable alternatives for retrofitting these gaps by means of lining plates are proposed for which two methods have been studied. Furthermore large scale tests have been performed at ring flange connections to prove the effectiveness of the proposed retrofitting methods. It could be found that repairing of the gap‐imperfection as proposed in the paper leads to an unreduced fatigue life of the bolts.     

Ermüdungsverhalten geschweißter Rohrknoten von Fachwerkverbundbrücken

Im Verbundbrückenbau werden in letzter Zeit anstatt vollwandiger Ausführungsvarianten vermehrt aufgelöste Fachwerkkonstruktionen aus Stahlhohlprofilen eingesetzt, da diese sowohl in Bezug auf gestalterische Grundsätze als auch hinsichtlich konstruktiver Gesichtspunkte Vorteile versprechen. Hierbei wird insbesondere bei Brückenentwürfen, deren Ausgestaltung eine Vielzahl unterschiedlicher Knotengeometrien erfordert, aus wirtschaftlichen Gründen die Verbindung zwischen Füllstab und Gurtrohr bevorzugt mit direkt geschweißten Knoten anstatt mit Stahlgussknoten ausgeführt. Aufgrund der durch die Knotengeometrie bedingten Spannungskonzentration im Bereich der Schweißnahtkerbe wird der Brückenentwurf bei dieser Ausführungsvariante maßgeblich von der dort vorherrschenden Ermüdungsfestigkeit beeinflusst. Nachdem die in den einschlägigen Normen bereitgestellten Nachweisverfahren gegen Ermüdung für die üblichen im Brückenbau verwendeten Abmessungen nicht anwendbar sind, ist die versuchstechnische Untersuchung zur Absicherung eines ausreichenden Ermüdungswiderstandes bisher unabdingbar. Dieser Beitrag bezieht sich auf insgesamt sieben Versuchskörper, die im Rahmen des Neubaus der Autobahnüberführung Suhl–Lichtenfels auf Ermüdung geprüft wurden. Fatigue behaviour of welded pipe intersections in steel‐concrete composite bridges. In the construction of modern steel‐concrete composite bridges, the steel part is increasingly built by circular hollow sections instead of steel plates. This type of bridge design shows advantageous characteristics concerning architectural aspects as well as benefits in the static load transfer. Especially if the design of the truss girder requires a large number of different node geometries, the connection between the braces and the lower and upper chord are for economic reasons preferably build by directly welded nodes instead of cast steel nodes. Due to the local joint discontinuity of the pipe intersections, the stress distribution is enhanced exactly in the area of the welding seams. As a consequence, the limited fatigue behaviour of the pipe intersections represents the critical aspect in the design of tubular truss‐girder bridges. The difficulties in the design of this construction type are due to the fact that the criterions for fatigue verification given in the current codes do not cover the typical dimensions used in bridge design. Therefore until now it is unavoidable to conduct large‐scale tests in order to verify a sufficient fatigue resistance. This article refers to a total of seven specimens tested on fatigue during the construction of the new Highway Overpass Suhl– Lichtenfels.     

Sicherheit gegen Rissentstehung in statisch beanspruchten Stahlkonstruktionen

Die in den im Stahlbau zur Vermeidung von Sprödbrüchen neu eingeführten bruchmechanischen Regeln getroffene Voraussetzung, dass bereits ein Riss in der Konstruktion vorhanden ist, gibt für vorwiegend ruhend beanspruchte Konstruktionen die Veranlassung, ein Kriterium für die Rissenstehung zu suchen. Dieses ergibt sich als Kriterium für die erste Hauptdehnung, wobei deren kritischer Wert von Parametern abhängt, die den Bruch beeinflussen. Dazu werden bei Variation dieser Parameter Versuche und nichtlineare FE‐Berechnungen durchgeführt. Variiert werden: die Form und die Dicke der Versuchskörper, die Festigkeit und die Kerbschlagzähigkeit des Stahls sowie die Prüftemperatur. Es werden sowohl ungeschweißte wie auch geschweißte Proben untersucht. Daraus ergibt sich eine von der Mehrachsigkeit des Spannungszustandes, der Temperatur, der Bauteildicke sowie der Festigkeit und der Zähigkeit des Stahls abhängige Funktion für den Wert der ersten Hauptdehnung, bei der die Rissentstehung zu erwarten ist. Mit der Mehrachsigkeit werden auch die Schweißeigenspannungen erfasst. Safety against crack initiation in steel structures without fatigue loading. When fracture mechanics is used for selection of steels to avoid brittle fracture the indispensable crack assumption the question of crack initiation arises with structures without fatigue loading. The crack initiation is assumed to depend upon the maximum principal strain, where the critical value of the principal strain is a function of several determining factors. Experimental tests and accompanying nonlinear FE‐analyses are performed with unwelded and welded specimens with variation of: shape, thickness of specimens, strength and Charpy impact toughness of the steel and test temperature. The consideration of triaxiality of the stress state and maximum principal strain obtained from the nonlinear FE‐analysis for the load at crack initiation in the test together with the other test parameters leads to a criterion for crack initiation which gives the critical maximum principal strain as a function of triaxiality, temperature, strength, impact toughness and thickness of the material. This includes the effect of welding residual stresses by their effect on the triaxiality of the stress state.     

Schädigungsmodell für hybride Verbindungen in Offshore‐Windenergieanlagen

Grout‐Verbindungen als hybride Rohr‐in‐Rohr‐Steckverbindungen mit hochfester zementgebundener Füllschicht sind während der Betriebsphase von Offshore‐Windenergieanlagen (OWEA) dynamischen Lasten aus Wind‐ und Wellen‐ sowie Betriebslasten der Anlage ausgesetzt. Zusätzlich müssen diese nicht redundanten Verbindungen Extremlasten widerstehen. Die in den letzten Jahren festgestellten Vertikalverschiebungen im Bereich der Verbindung bei Monopiles unterstreichen eine erforderliche konstruktive Optimierung. Dies kann beispielsweise durch in Umfangsrichtung angeordnete Auftragsnähte erfolgen. Die damit hervorgerufenen Druckstreben ermöglichen einerseits eine signifikante Axialtragfähigkeitssteigerung, andererseits führen die geometrischen Kerben zu Spannungskonzentrationen in den Stahlrohren und der Füllschicht. Der Nachweis ausreichender Ermüdungsfestigkeit kann dabei nach bekannten Konzepten erfolgen. Werden einaxiale Wöhlerlinien von Beton angesetzt, ist der Nachweis der Groutschicht gegen Materialermüdung rechnerisch nur schwer zu erbringen. Unter Berücksichtigung der tatsächlich vorliegenden mehraxialen Spannungszustände im Grout und mehraxialer Wöhlerlinien für das Verbundmaterial kann trotz vorliegender Spannungskonzentration der Nachweis ausreichender Ermüdungsfestigkeit der Verbindung durchgeführt werden. Damage approach for hybrid connections in offshore wind turbines. During the service life of an offshore wind turbine, the connection between monopile and tower, the so‐called grouted joint, is exposed to high dynamic loadings from wind and wave actions. Additionally the connection, which is filled with a high performance grout, has to withstand extreme load situations. Within the last years vertical settlements between the connected steel pipes have been detected. This non‐redundant failure mode underlines the necessity for an optimization of the axial load bearing capacity. One possible solution is the application of shear keys, which are weld beads installed in circumferential direction of the connection on the surfaces of pile and sleeve. This additional mechanical interlock leads to compression struts and an increased axial strength. Unfortunately these geometric notches lead to local stress concentration and reduce the fatigue resistance of steel and grout. The fatigue design for the steel members can be performed acc. to well known local approaches. For plain grouted joints usually uniaxial S‐N‐curves for the grout layer are considered, which is not appropriate in cases of shear keys. Taking the multiaxial stress space around the weld beads and suitable S‐N‐curves into account, the fatigue design of the connection can be conducted.     

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.     

Durchrutschende Grout‐Verbindungen in OWEA – Tragverhalten,Instandsetzung und Optimierung

Grout‐Verbindungen werden für die Verbindung zwischen den Gründungs‐ und Turmstrukturen von Offshore‐Windenergieanlagen (OWEA) vielfach eingesetzt. Insbesondere die seit Beginn der 90er Jahre im Meer installierten Windturbinen mit Monopile‐Gründung verfügen über diese hybride Verbindungskonstruktion, bei der Stahlzylinder mit glatter Mantelfläche übereinander gefädelt werden und der Zwischenraum mit hochfesten Feinkornmörteln vergossen wird. Bislang wurde auf eine spezielle Oberflächenprofilierung der Stahlrohre verzichtet. Während standardmäßiger Wartungsintervalle wurden nun an Rohr‐in‐Rohr‐Steckverbindungen in Monopiles in Dänemark, Großbritannien und den Niederlanden vertikale Verschiebungen festgestellt, die auf ein Versagen des Haftverbunds zwischen Stahl und Füllmaterial schließen lassen. Im Rahmen dieses Beitrags wird zunächst der Aufbau sowie das Trag‐ und Ermüdungsverhalten der Grout‐Verbindung erläutert und eigene Untersuchungen an diesen Verbindungen mit Ergebnissen präsentiert. Darauf aufbauend werden mögliche Gründe für die aufgetretenen Schäden diskutiert und Instandsetzungsvorschläge unterbreitet. Neben der Betrachtung der offshore‐spezifischen Einbaubedingungen werden die Maßnahmen hinsichtlich des technischen Aufwands vorgestellt und Kerbfallklassen für die Stahlbauteile zur Bestimmung der Materialermüdung präsentiert. Für zukünftige Gründungsstrukturen werden Optimierungsmöglichkeiten vorgestellt. Sinking grouted joints in offshore wind turbines – Bearing behaviour, repair, and optimisation. Grouted joints are mainly used for the connection of foundation piles and substructures of offshore wind turbines. Grouted joints consist of tube‐to‐tubeconnections where the annulus is filled with a high performance mortar. Since the early 90s, grouted joints have been installed in offshore wind energy converters with monopiles using plain steel sections with no additional mechanical interlock. During maintenance work vertical slippages have been detected at substructures with monopiles in Denmark, UK and the Netherlands. The movements may result from a loss of bond between steel and mortar. Within this paper the construction and the bearing behaviour of grouted joints is presented. Additionally experimental investigations are shown. Based on own experiences reasons for failure and repair opportunities are introduced and optimisation opportunities for future turbines are proposed.     

Schweißnahtnachbehandlung mit höherfrequenten Hämmerverfahren – Ermüdungsfestigkeit,Qualitätssicherung,Bemessung

Im Rahmen des Forschungsprojekts REFRESH wurden umfangreiche systematische Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit mit höherfrequenten Hämmerverfahren nachbehandelter Schweißnähte durchgeführt. Die statistisch abgesicherten Ergebnisse belegen die hohe ermüdungsfestigkeitssteigernde Wirksamkeit der Verfahren und ermöglichten die Entwicklung eines experimentell abgesicherten Bemessungskonzeptes. Um die Anwendung überwachen zu können und die Behandlungsqualität sicherzustellen, wurde ein Qualitätssicherungssystem und ein Anforderungskatalog an das Fachpersonal erarbeitet. Die Zertifizierung der Verfahren erfolgt auf Basis eines gemeinsam von der Bundesanstalt für Materialforschung und ‐prüfung und der Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine der Universität Karlsruhe erarbeiteten Zertifizierungssystems. Postweld treatment by high frequency hammer peening methods – fatigue resistance, quality control, design. In the range of the research project REFRESH comprehensive, systematic investigations regarding the fatigue resistance of welds treated with high frequency peening methods have been conducted. The statistically confirmed results prove the high beneficial effect of the methods and allowed to develop an experimentally verified design concept. In order to control the application quality and to ensure the desired effects a quality assurance system and a catalogue of requirements for specialists has been worked out. The certification of the methods is performed on the base of a common certification system, developed by the German Federal Institute for Material Research and Testing (BAM) and the Research Centre for Steel, Timber and Masonry, University of Karlsruhe.     

Sandwichtürme für Windenergieanlagen mit höherfesten Stahl‐ und Verbundwerkstoffen

Die Leistung und Größe von Windenergieanlagen sind in den letzten Jahren immer weiter angestiegen. Damit erhöhen sich zwangsläufig auch die Anforderungen an die Turmkonstruktionen, die bislang als Stahlrohr‐, Spannbeton‐ oder Fachwerkturm zur Ausführung kommen. Als Alternative dazu wurden am Institut für Stahlbau der Leibniz Universität Hannover mehrere Varianten von Sandwichtürmen untersucht, mit denen die Schalenstabilität und Tragfähigkeit gesteigert werden können. Eine einzelne Sandwichturmsektion besteht dabei grundsätzlich aus einem stählernen Innen‐ und Außenrohr, die durch einen dazwischen liegenden Verbundwerkstoff vollflächig ausgesteift werden. Als Verbundwerkstoffe können pumpfähige Elastomere, Epoxidharze und Vergussmörtel dienen, die vom Turmfuß aufsteigend in den Ringspalt gefüllt werden. Das Sandwichsegment ist dabei nur im unteren Turmbereich vorgesehen, in dem hohe Schalenstabilitäten und große Blechdicken erforderlich sind. Mit dem alternativen Einsatz einer zweischaligen Turmkonstruktion aus dünneren sowie höherfesteren Stahlrohren reduziert sich deutlich das Schweißvolumen gegenüber der herkömmlichen Bauweise. Für Turmsektionen mit einem Durchmesser D > 4,3 m wird ein neues Fertigungskonzept mit längsorientierten Teilschalen beschrieben, womit nicht nur das Transportproblem über Land gelöst, sondern auch die Anzahl der Rundnähte minimiert werden kann. Ferner wird eine neue Verbindungstechnik zwischen den Turmsektionen vorgestellt, die ohne ermüdungskritische und aufwändig geschraubte Ringflansche auskommt. Sandwichtowers for wind turbines with high strength steel and core materials. The performance and the dimensions of wind energy converters have been increased significantly within the last few years. Thus, the requirements on tower constructions will also increase following the development of bigger turbines. Usually tubular steel and pre‐stressed concrete towers are chosen as support structures for wind turbines. The structural design of tubular steel towers is mainly driven by ultimate and fatigue limit state. Especially shell buckling leads to large dimensions and thicknesses for the steel sections. Therefore, a new kind of tower, the so called sandwichtower, has been developed as an alternative solution with the aim of increasing the shell stability. The sandwich tower consists of an inner and outer steel shell which are bonded together with a core material between them. That works as a full space stiffener. As a result of the investigations a combination of steel and sandwich‐section is favoured where the sandwich is only planned for the lower tower section to get higher stability simultaneously with thinner shells. Therefore, the effective welding time can be decreased when the shells are made of high strength steels. Especially for tower sections with D > 4.3 m a new fabrication concept with longitudinal partial shells is developed to offer the transportation onshore and to minimize the number of critical circumferential welds. Furthermore, a new kind of connection between the tower sections is presented without bolted ring flanges.     

HiFIT – Technische Entwicklung und Anwendung

Das Verbundprojekt REFRESH bot in den vergangenen drei Jahren eine ideale Plattform für die theoretische und experimentelle Weiterentwicklung des HiFIT (high frequency impact treatment)‐Verfahrens. So konnten sowohl die Behandlungsparameter an umfangreichen Schweißproben optimiert als auch ein industrietaugliches Gerätedesign unter Einbeziehung zahlreicher Anwendungsfälle aus der Praxis der Industriepartner entwickelt werden. Effizienz, Ergonomie und die Qualitätssicherung standen bei der Entwicklung im Vordergrund. Die Beurteilung der Anwendbarkeit des Verfahrens und die Anwendung selbst sollten im Sinne einer allgemeinen Qualitätssicherung und zur Quantifizierung des zu erwartenden Behandlungserfolgs von geschultem Personal durchgeführt werden. Letzteres gilt nicht nur im Speziellen für das HiFIT‐Verfahren, sondern generell für alle Nachbehandlungsverfahren. Hinter dem Markennamen HiFIT steht ein ganzheitliches Lösungskonzept mit rechnerischen Analysetools, Nachbehandlungswerkzeugen, Schulung und Consulting zur effizienten Steigerung der Betriebsfestigkeit neuer und bereits im Einsatz befindlicher Schweißkonstruktionen. HiFIT – Technical development and application. In the past three years the HiFIT technology for application on welded parts has been investigated in the REFRESH project. Many treatment parameters have been tested. Using prototype devices a lot of experience has been gained by treatment of several parts in cooperation with the project partners. The design of the HiFIT device is optimized for industrial application where efficiency, ergonomics and quality assurance are the main topics. An application benchmark of HiFIT and the treatment should be done only by specially trained employees. This restriction is not only HiFIT specific. The trademark HiFIT means a solution for improvement of fatigue strength of new and cyclic pre‐damaged welded structures. The solution contains assessment of fatigue strength, treatment devices, training and consulting.     

Statische und dynamische Axialdruckversuche an vergrouteten Rohr‐in‐Rohr‐Verbindungen mit verschiedenen Füllmaterialien

In diesem Beitrag wird über Ergebnisse von experimentellen und numerischen Untersuchungen an vergrouteten Rohr‐in‐Rohr‐Verbindungen berichtet, die am Institut für Stahlbau der Leibniz Universität Hannover durchgeführt wurden. Diese sogenannten “Grouted Joints” kommen z. B. als Verbindungselemente zwischen dem im Boden eingerammten Pfahl und dem Turm einer Offshore‐Windenergieanlage zum Einsatz. An deutlich kleineren Prüfkörpern wurden Axialdruckversuche im Labor durchgeführt, um den Unterschied zwischen glatten und gerippten Stahlrohrmantelflächen im Grenzzustand der Tragfähigkeit und Ermüdung aufzuzeigen. Dabei kamen auch verschiedene Füllmaterialien für den Ringspalt zum Einsatz. Die Tragfähigkeit bei den Prüfkörpern mit glatten Rohrmantelflächen ist hauptsächlich von der Haftfestigkeit des Füllmaterials auf den Stahloberflächen und deren Beschaffenheit abhängig. Durch die Anordnung von Schubrippen kann die Trag‐ und Ermüdungslast um ein Vielfaches gegenüber der glatten Variante gesteigert werden. Dies ist hauptsächlich auf die Wirkung von Druckstreben zwischen den Schubrippen zurückzuführen, deren Tragfähigkeit sich mit zunehmender Druckfestigkeit des Füllmaterials erhöht. Mit einem Bemessungsmodell kann unter Berücksichtigung der Druckstrebentragfähigkeit und Anzahl der Schubrippen die Traglast von Grouted Joints abgeschätzt werden. Static and dynamic axial compression tests on grouted tube‐in‐tube connections with various grout materials. This paper summarises static and dynamic axial compression tests on small scale grouted joints for offshore wind energy converters. The connection is mostly used between driven monopiles and tower sections as tube‐in‐tube connection. The gap between the tubes is filled with grout materials. The test series comprises grouted joints with smooth and ribbed surfaces of the tubes which are loaded by axial compression. The ultimate and fatigue limit state of the connection can be increased with shear keys along the overlapped length of the tubes to get a ribbed contact surface to the grout. In this case the axial load is transferred by compression struts between the shear keys. The bearing capacity depends mainly on the compressive strength of the grout and the geometry of the shear keys. In addition to the experimental results an analytical design concept is presented within this paper for grouted joints with shear keys. With the analytical model the axial load capacity of the grouted joint can be determined under consideration of the compression struts and number of shear keys.     

Versuche und Anwendung hochfrequenter Hämmerverfahren als Schweißnahtnachbehandlung

Die Lebensdauer von dynamisch belasteten Bauteilen aus Stahl stellt ein entscheidendes Qualitätsmerkmal von Produkten der Stahlbau Firmen dar. Der Einsatz höherfrequenter Hämmerverfahren, im Besonderen des UIT oder HiFIT‐Verfahrens, als lebensdauerverlängernde Maßnahme von ermüdungsbeanspruchten Schweißverbindungen wurde im Rahmen des REFRESH‐Forschungsprojekts erstmals wissenschaftlich untersucht. Einsatz und Wirksamkeit der Verfahren wurde von den am Projekt beteiligten Firmen an ausgeführten Bauteilen untersucht. Die Erkenntnisse aus Versuchen und praktischer Anwendung der Firmen Schachtbau Nordhausen und Maurer Söhne werden im folgenden Artikel geschildert. Tests and application of high frequency peening as a post weld treatment method. The fatigue life of dynamic loaded steel construction elements is an influential quality characteristic for products of steel fabricators. The application of high frequency peening, especially the UIT (ultrasonic impact treatment) or the HiFIT (high frequency impact treatment) as a method to extend the fatigue life of welded connections, has been investigated in course of the research project called REFRESH for the first time. The practical application and the effectiveness of high frequency peening at finished building components have been examined by building companies which are concerned to the research project. The present paper describes the tests and the practical application of the companies Schachtbau Nordhausen and Maurer Söhne.     

Messverfahren zur Überprüfung randschichtnaher Veränderungen des Werkstoffzustandes als Folge mechanischer Oberflächenbehandlungen

Zur Charakterisierung der ermüdungsrelevanten Werkstoffveränderungen infolge hochfrequenter Schweißnahtnachbehandlung hat sich der Einsatz von mikromagnetischen Werkstoff‐ und Spannungsanalysen vorteilhaft gezeigt. Für Standardbauteile hat sich gezeigt, dass die Qualitätssicherung der Nachbehandlung mit höherfrequenten Hämmerverfahren bei Einhaltung der Behandlungsparameter durch eine Sichtkontrolle möglich ist. Das Mikromagnetische Verfahren ermöglicht bei neuen Anwendungsfällen eine Gütekontrolle der Nachbehandlung an Arbeitsproben ·und am Realbauteil. A measurement technique for inspection of material subsurface changes after mechanical surface treatment. The micro‐magnetic stress and material analysis has shown to be advantageous for characterizing the fatigue related material properties after high frequency post weld treatment. The quality control of standard parts treated by high frequency hammer peeing with the same peening parameters is possible by means of visual inspection. For new applications, the micro‐magnetic analysis provides a quality control of post weld treated work samples and real components.     

Stahlbetonbauteile unter einer kombinierten Beanspruchung aus Last und zentrischem Zwang

Im Allgemeinen führt eine linear elastische Berechnung von Biegebauteilen zu brauchbaren und hinreichend genauen Ergebnissen bei der Bestimmung der Schnittgrößen als Grundlage für die Bemessung der Querschnitte. Grundsätzlich anders verhält es sich dagegen mit den Schnittgrößen infolge von Zwang und den Durchbiegungen, die beide von den absoluten Steifigkeiten abhängig sind. Daher sind in diesen Fällen für eine realitätsnahe Berechnung nichtlineare Verfahren anzuwenden. Dabei sind die Einflüsse aus einer Rissbildung (Steifigkeitsabfall) sowie aus dem Kriechen und Schwinden des Betons zu berücksichtigen. Auf eine besondere Problemstellung führt dabei die kombinierte Beanspruchung infolge von Last und Zwang. DIN 1045‐1 enthält Näherungen als Regelungen, sowohl für die Begrenzung der Durchbiegungen, als auch der Rissbreiten unter einer kombinierten Beanspruchung. Es stellt sich u. a. die Frage nach deren Gültigkeitsgrenzen. Reinforced Concrete Elements subjected to a Combined Effect of Action due to Load and Centric Restraint In general a linear elastic analysis for bending members is useful and suitable for the determination of internal forces and moments as basis for design. This is fundamentally different in case of internal forces due to restraint and deflections, which requires a realistic non‐linear calculation. The influences of cracking, creeping and shrinkage definitely have to be considered. A special problem results from the combined subjection to load and restraint. Concerning this matter, the standard DIN 1045‐1 comprehends approximate rules for the deflections as well as for the crack control under the combined effects. The point is their limit of validity.     

Tragverhalten an Gurtdickensprüngen geschweißter Biegeträger

Gurtdickensprünge und Zusatzlamellen zählen zu den stahlbaulichen Standardausführungen zur Anpassung der Biegetragfähigkeit von Brückenträgern an veränderliche Momentenverläufe. Durch die lokale Steifigkeitsänderung im Querschnitt entstehen an solchen Verstärkungen Zusatzbeanspruchungen, welche durch die klassische baustatische Behandlung nach der Balkentheorie nicht im Detail erfasst werden können. Im Beitrag wird zum einen gezeigt, dass in den Halsnähten zwischen Steg und Gurtblech hohe lokale Schubbeanspruchungen sowie Querbeanspruchungen – auch in Stegebene – entstehen. Zum anderen entstehen in den Gurtblechen zufolge der Exzentrizität der Gurte lokale Biegebeanspruchungen in erheblicher Größe. Des Weiteren hat dies im Druckbereich auch Auswirkungen auf die lokale Beulstabilität. Obwohl diese Effekte grundsätzlich seit langem bekannt sind, hat deren korrekte Erfassung in den letzten Jahren zufolge der Tendenz zur Verwendung deutlich dickerer und breiterer Gurtbleche – bei gleichzeitiger Zunahme der verwendeten Stahlfestigkeiten und Ausnutzungsgrade – stark an Bedeutung gewonnen. Da jedoch die genannten Effekte in der praktischen baustatischen Berechnung üblicherweise nur pauschal erfasst werden können, wird anhand konkreter Beispiele ein realistisches Bild der tatsächlich auftretenden Beanspruchungen und der sich daraus ergebenden Konsequenzen auf die Gebrauchstauglichkeit, Ermüdungs‐ und Beulfestigkeit der Bauteile gegeben. Load carrying behaviour at flange thickness transitions in welded girders. Flange thickness transitions and cover plates constitute two of the most common constructional details used to adapt the flexural resistance of bridge girders to variable bending moment distributions. The sudden change of stiffness distribution within the cross‐section at these details causes additional local forces and stresses that cannot be properly taken into account by classical beam‐theory calculations. The study presented in this paper shows that on the one hand, the longitudinal welds between web and flange plates are subjected to additional longitudinal shear forces, as well as transversal forces in the web plate's plane. On the other hand, the usually eccentric disposition of the flange plates causes considerable local bending stresses in these plates. The latter also affects the buckling strength of the flange plates when these are loaded in compression. Although these effects have been known in principle for some time, their correct inclusion in practical calculations has gained significance over the last years due to the prevailing trend towards the use of thicker plates of higher steel grades designed with higher stress utilizations. The inclusion of these effects in current design procedures is, at present, treated with rather pragmatic approaches; therefore, the objective of this paper is to illustrate the realistic stresses in flange thickness transitions by means of case studies, and to discuss the effects that these stresses have on the serviceability, fatigue and buckling strength of the girders.     

Entwicklung allgemeiner Entwurfsgrundsätze für Hängernetze von Netzwerkbogenbrücken

Um die statischen Vorteile von Netzwerkbogenbrücken effizient nutzen zu können, ist die Anordnung der Hänger von großer Bedeutung. Der Tragwerksentwurf wird deshalb wesentlich von der Wahl des Hängernetzes bestimmt. Hängerneigung, Hängeranzahl und die Lage der Hängeranschlusspunkte beeinflussen die Spannungszustände sowohl in Bogen und Versteifungsträger als auch in den Hängern in erheblichem Maße. So wird zum Beispiel die Größe der Biegemomente in Bogen und Untergurt durch die Anzahl der Hänger und die damit verbundenen Abstände der Anschlüsse bestimmt. Des Weiteren ist die Hängerneigung ein entscheidender Faktor für die Anzahl der Ausfälle der druckschlaffen Hänger oder die Größe der Spannungsamplituden der Hänger. Nicht minder wichtig ist jedoch auch das ästhetische Erscheinungsbild des Tragwerkes, welches erheblich durch die Art und Weise der Hängeranordnung geprägt wird. Um das effizienteste Hängernetz zu ermitteln, werden fünf mögliche Hängernetze mit variierenden Hängerneigungsparametern, Stützweiten und Bogenhöhen (f/l‐Verhältnisse) hinsichtlich gezielt ausgewählter statischer Kriterien untersucht und bewertet. Daraus resultierend werden Empfehlungen formuliert, die dem Ingenieur die Wahl eines für entsprechende Rahmenbedingungen geeigneten Hängernetzes erleichtern. Abschließend erfolgt ein Vergleich zwischen einer Brücke mit einem nach den erhaltenen Erkenntnissen konstruierten Hängernetz und einem Tragwerk, bei dem die Hänger ähnlich zu bereits ausgeführten Netzwerkbogenbrücken angeordnet sind. Development of general design principles for the hanger arrangements of network arch bridges. To use the static advantages of network arch bridges efficiently, the arrangement of the hangers is very important. The stress conditions in the arch and lower chord are strongly affected by the slope of the hangers, the number of the hangers and the position of the hanger connection points. For example, the size of the bending moments in the arch and lower chord depends on the number of hangers and the associated distances between the connection points. Furthermore, the slope of the hangers is a decisive factor for the number of relaxed hangers and the size of the stress amplitudes. Not less important is the aesthetic view of the structure, which is influenced by the kind of hanger arrangement. To optimize the hanger‐network, different kinds of hanger arrangement methods have been investigated, considering different hanger slopes for each hanger. Five different and possible hanger arrangements with varying parameters (slope of the hangers, number of the hangers, span of the bridge, arch rise) have been analysed in respect to systematic selected static criterions. On the basis of these investigations, recommendations are given for engineering applications how to choose an optimized hanger arrangement according to different geometrical bridge parameters. Finally, a comparison between a network arch, based on the results of the analyses, and a structure with a hanger slope similar to existing network arch bridges is shown to clarify the advantages of the developed hanger arrangement.     

Anforderungen an Stahl‐ und Verbundknoten bei Stützenausfall in einem Rahmentragwerk

Eine lokale Schädigung innerhalb der Tragstruktur (z. B. Stützenausfall durch Anprall oder Explosion) kann zu einem Versagen der Gesamtstruktur und damit zum Einsturz des Gebäudes führen. Um solch ein globales Versagen durch lokale Schädigung zu vermeiden, muss innerhalb der Tragstruktur eine Umlagerung der Schnittgrößen ermöglicht werden, d. h., es müssen sich alternative Lastpfade ausbilden können. Solch eine Umlagerung, z. B. von einem reinen Biegezustand in einen gemischten Biege‐/Membranspannungszustand, bedingt unter Umständen sehr große Verformungen, die zu großen Deformationen der Anschlüsse führen. Im Rahmen eines europäischen RFCS‐Forschungsprojektes wurde versucht, mit Hilfe sehr duktiler Anschlussausbildungen die Robustheit von Stahl‐ und Verbundrahmentragwerken zu verbessern. Hauptaugenmerk bei der Konzeption der Anschlüsse war dabei, den Material‐ und Fertigungsaufwand der Anschlüsse so gering wie möglich zu halten und die Umlagerungsmöglichkeiten für außergewöhnliche Bemessungssituationen vornehmlich über das Vorhalten hoher Verformungskapazitäten der Anschlüsse zu aktivieren. Aus diesem Grund wurden hier nachgiebige teiltragfähige Anschlüsse gewählt. Als außergewöhnliche Bemessungssituation wurde in diesem Projekt schwerpunktmäßig der Stützenausfall in einem Rahmentragwerk betrachtet. (RFCS Research Fund for Coal and Steel) Requirements on steel‐ and composite joints for the load case column removal. Local failure in a structure (e. g. sudden column loss due to impact or explosion) may lead to progressive collapse propagation of the global structural system resulting in a total collapse. To avoid progressive collapse initiated by local damage a redistribution of force from the damaged part of the structure has to be enabled by alternate load paths. Activation of alternate load paths by change of the bearing mechanism from pure bending state to more or less pure membrane state is a measure that is only possible by allowing large deformations resulting in high deformation requirements for the joints. In the course of an European RFCS research project ductile joint solutions have been developed to improve the robustness as characteristic of the structure. Main focus of the joint design was to obtain the required deformation capacity for accidental design situations mainly from ductile joint and cause at the same time only few additional material and fabrication costs for the joints. As a result semi‐rigid and partial‐strength joint solutions have been chosen. Objectives within the project were to determine requirements of the joints concerning deformation capacity as well as M‐N‐resistance to enable the activation of catenary action for the load case notional column removal.     

Zur Ermittlung der Normalkraft‐Verlängerung und Moment‐Krümmung‐Beziehungen der Stahlbetonbauteile im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkei

Die Nachweise zur Begrenzung der Verformungen von Stahlbetonbauteilen sind infolge der Verwendung von Baustoffen höherer Festigkeiten immer wichtiger geworden, oft sogar maßgebend. Eine Verdopplung der Betondruckfestigkeit eines normalen Betons ruft eine etwa 20%ige Erhöhung des E_c‐Moduls hervor aber keine des Betonstahls, da E_s konstant ist. Dies und die dementsprechend schlanker gewordenen Stahlbetonbauteile führen zu größeren Verformungen – Verlängerungen, Durchbiegungen und/oder Verdrehungen – die deren Verhalten beeinträchtigen können. Die für die Ermittlung der Verformungen benötigten “Normalkraft‐mittlere Dehnungslinien”, bzw. “Moment‐mittlere Krümmungslinien” werden erläutert. About the Calculation of Displacements of Reinforced Concrete Members in the Serviceability Limit State The verification of reinforced concrete elements for the purpose of limiting deformations has become increasingly important, often even decisive, as a result of the use of higher strength materials. A doubling of the compressive strength of a normal concrete causes an increase of about 20% in the E_c‐module, and none of reinforcing steel, because E_s is constant. This and, accordingly, the slender reinforced concrete elements lead to larger deformations – elongations, deflections and/or rotations – which may affect their behaviour. The determination of “axial tensile force – mean strain diagrams”, respectively “bending moment – mean curvature diagrams”, needed for the calculation of the displacements, is explained.     

Zum Tragverhalten von Verbunddübeln – Teil 1: Tragverhalten unter statischer Belastung

Verbunddübel stellen eine sehr tragfähige und robuste Verbindung auch bei hochfesten Betonen zwischen Stahlbauteilen und Betonquerschnitten dar. Die Herstellung des Stahldübels ist dabei einfach und wirtschaftlich. Mittels Verbunddübelleisten lassen sich neue Querschnitte für den konstruktiven Ingenieurbau entwickeln. Halbierte Walzprofile, die mit der speziellen Geometrie der Verbunddübel geschnitten wurden, werden als außenliegende Bewehrung im Verbundbau eingesetzt. In zwei Teilaufsätzen wird die Bemessung der Verbunddübel für unterschiedliche Randbedingungen und Belastungsarten erläutert. Der erste Beitrag befasst sich mit der Technologie der Verbunddübel, deren Tragverhalten und der Bemessung der Verbindung unter ruhender Belastung. Das Ermüdungsverhalten ist Schwerpunkt in einem zweiten Aufsatz. Die Problemstellung wird ausführlich erläutert und ein Bemessungsvorschlag auf Grundlage des Strukturspannungskonzeptes vorgestellt. Load bearing behaviour of composite dowels – Static loads (part I). Composite dowels realise a high load bearing capacity for connections between concrete and steel. The technology establishes a short time and cost‐effective production process. Using composite dowels for shear transmission new and innovative cross‐sections can be designed. Halved rolled sections which have been cut along with a specific dowel geometry are applied as external reinforcement. The publication is divided into two parts describing design of composite dowels for different boundary conditions and load cases. Foremost the technology, their load bearing behaviour, the design concepts for composite dowels for static loads are highlighted. The behaviour under cyclic load, will be introduced in a second part. The fatigue behaviour will be explained in detail and design concepts based upon the hot spot stress will be given.