2.1.2 Schrauben-Berechnungsmodell nach Schmidt/Neuper Schrauben-Berechnungsmodell in der VDI-Richtlinie

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1 I 1 Einleitung Allgemeines Zielsetzung Überblick 3 2 Ringflanschverbindungen bei Stahlrohrtürmen Elastisches Tragverhalten von L-Ringflanschverbindungen Schrauben-Berechnungsmodell nach Petersen Schrauben-Berechnungsmodell nach Schmidt/Neuper Schrauben-Berechnungsmodell in der VDI-Richtlinie Schrauben-Berechnungsmodell nach Seidel Beanspruchung der Schweißnähte Auslegung von L-Ringflanschverbindungen Empfohlene Abmessungen Grenzzustand der Tragfähigkeit Grenzzustand der Ermüdung Zur Herstellung von turmartigen Stahlbauten Herstellverfahren Herstellbedingte Imperfektionen in L-Ringflanschverbindungen 14 3 Grundlagen der Ermüdungsfestigkeit von Stahlkonstruktionen Rissentstehung Kerbwirkung 3.3 Wöhlerversuche und Wöhleiiinie Rechnerische Verfahren für den Nachweis ausreichender Ermüdungsfestigkeit Nennspannungskonzept Strukturspannungskonzept Bibliografische Informationen digitalisiert durch

2 3.4.3 Kerbspannungskonzept Kerbgrundkonzept Ermüdung unter nichtperiodischer Beanspruchung Auswertung von Beanspruchung-Zeit-Funktionen Lineare Schadensakkumulation nach Palmgren und Miner Regelwerke zum Ermüdungssicherheitsnachweis Normen im Bauwesen Regelwerke und Normen im Maschinenbau Kritische Betrachtungen zum Eurocode Vergleich der Regelungen für Ringflanschverbindungen L-Flansch als Aufschweißflansch (Anschluss der Schale mit zwei Kehlnähten) L-Flansch als Vorschweißflansch ohne Hals (Anschluss der Schale mit K-Naht) L-Flansch als Vorschweißflansch mit Hals (Anschluss der Schale mit Stumpfnaht) T-Fiansch als Vorschweißflansch ohne Hals (Anschluss der Schale mit K-Naht) Zusammenfassung 4 Berechnungen von Ringflanschverbindungen mit Hilfe der Finite- Elemente-Methode (FEM) 4.1 Grundlagen der FE-Berechnung Nichtlineare Berechnungen allgemein Das Newton-Raphson-Verfahren Aufbau des FE-Modells Verwendete Elementtypen Diskretisierung Werkstoffeigenschaften Symmetrien und Randbedingungen " Berechnungsablauf 50

3 4.3 Validierung des FE-Modells mit Hilfe eines dokumentierten Traglastversuches Beschreibung des Traglastversuchs Vergleichsberechnungen zum Diskretisierungsgrad Vergleichsberechnungen zur Schweißnahtgeometrie 56 5 Numerische Parameterstudien zur lokalen Schalenbiegebeanspruchung im Bereich einer Ringflanschverbindung Perfekte L-Ringflanschverbindungen mit Hals Berechnete Parametervarianten Ergebnisse: Schalenbiegespannungen an der Schweißnaht Ergebnisse: Ermüdungsschädigung der Schweißnaht Imperfekte L-Ringflanschverbindungen mit Hals Berechnete Parametervarianten Ergebnisse: Schalenbeanspruchung an der Schweißnaht Ergebnisse: Ermüdungsschädigung der Schweißnaht Entwicklung eines vereinfachten FE-Modells für Ringflanschverbindungen Aufbau des vereinfachten FE-Modells Vorüberlegungen zur Modellierung Einzelheiten des Modellaufbaus Validierung des vereinfachten FE-Modells Vergleich der FE-Modelle bei perfekter Ringflanschgeometrie Vergleich der FE-Modelle bei imperfekter Ringflanschgeometrie Beispielhafte Anwendung des vereinfachten FE-Modells: Einfluss der Hauptwindrichtung bei imperfekten L-Ringflanschverbindungen Ergebnisse: Schalenbeanspruchung an der Schweißnaht Ergebnisse: Ermüdungsschädigung der Schweißnaht 118

4 IV 7 Dauerschwingversuche an Stumpfnähten unter besonderer Berücksichtigung einer Spannungsgradiente über die Blechdicke Vorbereitung der Versuche Prüfmaschinen und Versuchsaufbau Fertigung der Versuchsproben Ermittlung der Schweißnahtoberflächengeometrie Ermittlung der mechanischen Werkstoffkenngrößen Kalibrierung der exzentrischen Probenaufnahme Durchführung der Versuche i4 7.3 Auswertung der Versuchsergebnisse Lastspielzahlen Bezugswerte der Ermüdungsfestigkeit 1 4^ 7.4 Ergänzende Berechnungen zur Kerbwirkung am Nahtübergang der Versuchsproben Ermittlung von Kerbformzahlen mit Hilfe einer Näherungsformel Numerische Ermittlung von Kerbformzahlen 1 4^ 7.5 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse 1^3 8 Rissfortschrittsberechnungen an ausgewählten L-Ringflanschverbindungen mit Hilfe der FEM Bruchmechanische Grundlagen Rissspitzenbeanspruchung 1^ Bruchkriterium und Rissfortschrittsgesetze 1 ^ Einfluss der Mittelspannungsintensität i Reihenfolgeeinflüsse Besonderheiten des verwendeten FE-Modells Riss- und Kontaktelemente i Berechnungsaufwand Substrukturtechnik 1 68

5 8.3 Ermüdungswirksame Einwirkungen WEA-typische Beanspruchungszeitreihen Extrapolation der Zeitreihen auf längere Zeiträume Durchführung der Rissfortschrittsberechnungen Annahmen Berechnungsschritte Berechnete Ringflanschverbindungen und Parametervariationen Ergebnisse der Rissfortschrittsberechnungen Parameterstudie zur Berechnungstechnik und zur Bruchzähigkeit Perfekte Ringflanschverbindungen Imperfekte Ringflanschverbindungen Zusammenfassende Diskussion der Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick 187 Literaturverzeichnis 191 Normen und Richtlinien 199 Anlagen 203