Herbstuniversität Stahlbau

Transkript

1 Herbstuniversität 2008 Bauwerksplanung und Konstruktion Stahlbau Herbstuniversität

2 Was ist Stahl? Herstellung und Produkte aus Stahl Eigenschaften des Werkstoffs Stahl Stahl im Zugversuch Prüfmaschine, Versuch und Auswertung Bedeutung von Kräften in Tragwerken Studentenwettbewerbe zum Brückenbau Herbstuniversität

3 Woraus besteht Stahl? Herbstuniversität

4 Zusammensetzung von unlegiertem Stahl: Der Werkstoff Stahl Kohlenstoff C 2% Eisen Fe 97% 1 % Eisenbegleiter, Legierungselemente (P, S, Mn, Cr, Mo usw.) Herbstuniversität

5 Der Werkstoff Stahl physikalische Eigenschaften abhängig von der Menge an Kohlenstoff und seiner Verteilung im Eisen Mikroschliffbilder: 0,1% Kohlenstoff 1,1% Kohlenstoff 5,1% Kohlenstoff Herbstuniversität

6 Herstellung von Stahl Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann Eisenerz, Koks, Kohle, Zuschläge Hochofen Roheisen Stahlwerk Stahlschrott, Sauerstoff, Zuschläge Rohstahl Weiterverarbeitende Industrie Walzwerk Walzprodukte, Rohre, Bleche, Drähte, Formstähle etc. Walzstahl Herbstuniversität

7 Stranggießanlage Nach dem Frischen und den Verfahren zur Sekundärmetallurgie wird die weißglühende Schmelze bis zur Rotglut abgekühlt. Der Abguss des Stahls erfolgt über vertikal oszillierende Kokillen in der Stranggießanlage. Der Strang wird in einem Bogen von 90 in die Horizontale geführt. Der kontinuierliche Abguss bei kontrollierter Abkühlung ermöglicht die Herstellung von Brammen. Früher: Heute: Kokillengießen (portionsweise) Stranggießen (kontinuierlich) Quelle: Herbstuniversität

8 Walzstraße Der rotglühende Stahl in Form von Brammen wird anschließend in einem Walzwerk in mehreren Arbeitsgängen zu Schienen, Blechen oder Stahlträgern gewalzt. In Öfen werden die Brammen auf die Walztemperatur (ca C) aufgeheizt und durchlaufen dann die Gerüste der Vorstraße und der Fertigstraße. Prozessrechner sorgen dafür, dass bei Geschwindigkeiten bis zu 80 km/h Dicken und Temperaturtoleranzen über die gesamte Bandlänge eingehalten werden. Am Ende der Walzstraße wird das Warmband zu einem Coil aufgehaspelt. Quelle: Quelle: Herbstuniversität

9 Welche Produkte aus Stahl gibt es? Herbstuniversität

10 Welche Aufgaben und Einsatzmöglichkeiten besitzt Stahl im Bauwesen? 1. Tragfunktionen (Stützen, Träger, Seile, Bleche) 2. Schutz- und Abschirmfunktionen (Dach- und Fassadenelemente, Geländer, Folien) 3. Technische Funktionen (Pipelines, Antennenmasten, Silos) 4. Gestalterische Aufgaben (Denkmäler, Innenarchitektur) Herbstuniversität

11 sehr hohe Festigkeit und damit Tragfähigkeit einerseits verformbar wie eine Feder ( elastische) andererseits aber auch wie Knete ( plastisch) viele Umformprozesse (walzen, stanzen, pressen) Verbindung durch Schrauben und Schweißen möglich leichte und filigrane Bauweise möglich Konstruktionen abbaubar und recyclebar Welche Eigenschaften besitzt Stahl? Video vom Zugversuch Herbstuniversität

12 Wie ermittelt man die Materialkennwerte von Stahl? Herbstuniversität

13 Genormte Probe Zugversuch mit Stahl Prüfmaschine Herbstuniversität

14 Zugversuch mit Stahl Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann Spannungs-Dehnungs-Linie beim Zugversuch Video vom Zugversuch Herbstuniversität

15 Auswertung des Zugversuchs Die beim Versuch gemessene Kraft F und Verlängerung ΔL werden bezogen dargestellt, indem - die Kraft F auf den Ausgangsquerschnitt A 0 bezogen als Spannung σ und - die Verlängerung ΔL auf die Messlänge bei Beginn des Versuches L 0 als Dehnung ε angegeben werden: σ= F A 0 ΔL L L0 ε= = L L 0 0 Eigenschaften von Baustahl Spannung in der Zugprobe [N/mm²] Dehnung in der Zugprobe [-] ε =ε +ε t e p Gesamtdehnung (totale Dehnung) in der Zugprobe [-] 6 elastischer plastischer Anteil Herbstuniversität

16 Federkonstante beim Stahl Der Elastizitätsmodul E entspricht dem Anstieg der Hookeschen Geraden im elastischen Bereich der Kurve. Für diesen elastischen Bereich gilt das Hookesche Gesetz:? F= D s =? σ = E ε Stahl als Feder? E-Modul für Stahl beträgt: E = Federgesetz = Hookesches Gesetz F= D s σ A = D ΔL D ΔL σ= B L σ= E ε Federgesetz Hookesches Gesetz N mm² Herbstuniversität

17 Spannungen im Stahl Streckgrenze f y Am Ende der Hookeschen Geraden nimmt die Dehnung ε zum ersten Mal ohne Anstieg der Spannung σ zu. Der Stahl beginnt zu fließen. Die zugehörige Spannung f y ist die Streckgrenze. σ= f y Streckgrenze Zugfestigkeit f u Die Zugfestigkeit ist durch den höchsten Ordinatenwert σ in der Arbeitslinie (σ-ε-linie) definiert. Sie wird wie folgt bestimmt: F σ= fu = max A 0 Zugfestigkeit Herbstuniversität

18 L = 100 mm 0 Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann Aufgabe Zugversuch Querschnitt: 2,7 σ [N/mm²] A = 135 mm² 0 F 50 [mm] 200 Werkstoff: f y = 150 N/mm² f u = 200 N/mm² E = N/mm² Berechne die elastische Dehnung ε e! 2. Wie lang ist der Stab bei einer Spannung von σ = f y = 150 N/mm²? 3. Wie groß ist die Kraft F bei Erreichen der Zugfestigkeit? α ε e tan α = E = σ/ε F ε [-] Herbstuniversität

19 Zugversuch 1. Berechne die elastische Dehnung ε e! σ fy 150N/mm² 3 ε e = = = = 0,7 * 10 0,07% E E N/mm² 2. Wie lang ist der Stab bei einer Spannung von σ = f y = 150 N/mm²? Lösung L = L0 +Δ L = L 0 +ε e * L0 = 100mm + 0,07% *100mm L = 100,07mm Querschnitt: Werkstoff: 50 2,7 [mm] f y = 150 N/mm² f u = 200 N/mm² E = N/mm² 3. Wie groß ist die Kraft F bei Erreichen der Zugfestigkeit? F σ= fu = max A 0 N Fmax = A 0 * σ = 50 * 2,7mm² * 200 = 27000N 2700kg mm² Herbstuniversität

20 Stab unter Zugbelastung F -> Materialversagen Stab reißt Knickmaschine Querschnitt: 2,7 50 [mm] Querschnittfläche: A = 50 2,7 = 135 mm² Stab unter Druckbelastung -> Stabilitätsversagen Stab knickt F 2 EI π 567 = = s s k 2 2 k k F s : Knicklänge k Zugfestigkeit: f u = 200 N/mm² aufnehmbare Kraft F : max s k = l s k = 0,7 l s k = 0,5 l F max = f u A = 2700 kg F K 6 kg F K 12 kg F K 24 kg Herbstuniversität

21 Druckversuch mit Stahl Stabilitätsproblem abhängig von: Querschnitt Werkstoff Stablänge Beanspruchung Lagerung Imperfektionen Herbstuniversität

22 Stab unter Zugbelastung Zug, Druck und Biegung Stab unter Biegebelastung Stab unter Druckbelastung Brunnen Klappbrücke Biegebalken Zugseil Druckstütze Herbstuniversität

23 Tragwerk ohne Biegung? Stab unter Zugbelastung Stab unter Druckbelastung Brunnen Fußgängerbrücke Herbstuniversität

24 Kraftfluss bei einer Bogenbrücke Stab unter Zugbelastung Stab unter Druckbelastung Brunnen Bogenbrücke Herbstuniversität

25 Wie können die Berechnungen des Bauingenieurs bestätigt werden? Herbstuniversität

26 Lehre Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann Modellversuche Herbstuniversität

27 Forschung Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann Modellversuche Herbstuniversität

28 Forschung Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann Modellversuche - Schraubverbindungen Herbstuniversität

29 Modellversuche an großen Schrauben Zugversuch an großen Schrauben Schraube Herbstuniversität

30 Forschung Modellversuche an großen Schrauben Schraube (Geometrie) Computermodell (Geometrie) Herbstuniversität

31 Zugversuch an einer Schraube Schrauben werden für das Verbinden einzelner Bauteile verwendet und sind vor allem für die Übertragung von Zugkräften gut geeignet. Die Kraft, die sie übertragen können, ist abhängig von der Festigkeitsklasse des Schraubenwerkstoffes. Aufgabe: Ermittelt mit der Euch bekannten Spannungsformel die aufnehmbare Kraft N einer Schraube M36 der Festigkeitsklasse 10.9! 2 fu = 100kN/cm A = 8,17 cm² M36Spannungsquerschnitt A kn 8,17 M = fu = 100 = 594 kn 1,25 1,1 cm² 1,25 1,1 N kn = 60 t ungefähr 60 Kleinwagen an einer Schraube Herbstuniversität

32 Schweißsimulation Forschung ½ Platte mit Schweißnaht (Geometrie) Computermodell (Geometrie) Herbstuniversität

33 Schweißsimulation Temperaturverlauf Temperatur [ C] Zeit [s] Herbstuniversität

34 Forschung Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann Modellversuche - Schalenbeulen Beule am oberen Rand Herbstuniversität

35 Forschung Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann Brückenbauer Wer baut die billigste Brücke ohne Einsturz? Studentenwettbewerb mit einem PC-Programm Preis: $ Herbstuniversität

36 Forschung Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann Brückenbauer Wer baut die optimale Brücke ohne Einsturz? Studentenwettbewerb mit Nudeln Herbstuniversität

37 Forschung Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann Brückenbauer Wer baut die optimale Brücke ohne Einsturz? Technische Daten des Siegermodels Spannweite: Baustoff: 45 cm Nudeln punktuell an den Enden geklebt Brückengewicht: 388 g maximale Traglast: g Quotient: 26,7 Herbstuniversität

38 Haben wir Euer Interesse geweckt? Kontakt: Dipl.-Ing. Mareike Mickley Dipl.-Ing. Kathrin Löw Dipl.-Ing. Jörg Sothmann, Leibniz Universität Hannover Appelstraße 9A, Hannover Tel.: Fragen kostet nix!!! [ Herbstuniversität