Versteifte Plattenstrukturen im Stahlschiffbau (IGF-Nr. 14517 N)

Durchführende Stelle: Technische Universität (Prof. Fricke)

Bearbeitungszeitraum: 01.09.2005 - 29.02.2008

Schlussbericht: CMT 14/2009


Projektzusammenfassung:

 

Im Rahmen des Clusterprojektes "Anwendbarkeit von Festigkeitskonzepten für schwingbelastete geschweißte Bauteile" werden in dem hier vorgestellten Teilprojekt experimentelle und rechnerische Untersuchungen an "Versteiften Plattenstrukturen aus dem Stahlschiffbau" vorgestellt. Das Ziel des Vorhabens bestand in einer Absicherung bzw. Modifikation der verschiedenen Festigkeitskonzepte zur Lebensdauervorhersage auf der Basis von Untersuchungen an typischen geschweißten Musterbauteilen aus dem Stahlschiffbau. Dabei sollten die Einflussfaktoren auf die Betriebsfestigkeit der Musterbauteile sowie entsprechender Detailproben der kritischen Bereiche möglichst vollständig erfasst werden. Zusammen mit den Ergebnissen aus den weiteres Vorhaben des Clusters, welche Konstruktionen verschiedener Branchen betreffen, sollten die vorhandenen Festigkeitskonzepte harmonisiert und verbessert werden, zu denen das Nennspannungs-, das Strukturspannungs- sowie das Kerbspannungskonzept gehören.

In dem hier dargestellten Projekt wurden zwei Arten von Musterbauteilen untersucht. Das erste betraf Rahmenecken in Ro/Ro-Schiffen, bei denen die voll durchgeschweißte Gurtkreuzung als ermüdungskritisch angesehen wurde. Daher wurde als Detailprobe der voll durchgeschweißte Kreuzstoß betrachtet. Die in den Schwingfestigkeitsversuchen der Kreuzstöße erzielten Lebensdauern korrelieren gut mit allen Festigkeitskonzepten, solange die Vorverformungseinflüsse berücksichtigt werden, insbesondere der Kantenversatz. Bei den Musterbauteilen, von denen insgesamt drei mit konstanter Lastamplitude getestet wurden, zeigten sich die ersten Anrisse unerwartet nicht am Kreuzstoß, sondern an den Enden des benachbarten Abschweißloches, obwohl sowohl die berechnete Strukturspannung als auch die Kerbspannung am Kreuzstoß höher war. Genauere Untersuchungen zeigten, dass sowohl die lokale Nahtform als auch unterschiedliche Eigenspannungen das Strukturverhalten beeinflussen. Dennoch sind sowohl das Strukturspannungs- als auch das Kerbspannungskonzept für die Bewertung des Details geeignet. Dagegen ist das Nennspannungskonzept unkonservativ, weil trotz des relativ schmalen Rahmengurtes die mittragende Breite offenbar stark reduziert ist.

Das zweite Musterbauteil betrifft Spantdurchführungen mit Hollandprofilen, wo die Enden der aufgesetzten Kopfsteife anrisskritisch sind. Als Detailprobe wurde ein Wulstprofil mit aufgesetzter Längssteife gewählt, das unter 4-Punkt-Biegebelastung eine unerwartet niedrige Lebensdauer zeigte. Von den Spantdurchführungen wurden insgesamt fünf Modelle getestet, davon drei mit konstanter und zwei mit variabler Lastamplitude. Die Messungen und Berechnungen zeigten eine sehr hohe Strukturspannungsformzahl, die offenbar von der Dicke des Profilwulstes geprägt ist. Bei Verwendung der berechneten Struktur- und Kerbspannungen sind die entsprechenden Konzepte für die Lebensdauerbewertung gut geeignet. Dies gilt auch für das Nennspannungskonzept, für das in den Vorschriften bereits eine relativ niedrige Kerbklasse vorgegeben wurde. Auch die Lebensdauerabschätzungen für die Versuche mit variabler Lastamplitude blieben auf der sicheren Seite.

Insgesamt gesehen bestätigen die Untersuchungsergebnisse die vorhandenen Festigkeitskonzepte, wobei Schwachstellen des Nennspannungskonzeptes identifiziert wurden, zu denen die stark reduzierten mittragenden Gurtbreiten an Kreuzungsstellen sowie Längssteifen auf Profilwulsten zählen. Außerdem zeigte sich, dass Einflüsse aus der lokalen Nahtgeometrie und günstigen Eigenspannungen fallweise zu unerwarteten Ergebnissen führen, indem die Anrisse nicht an der erwarteten Stelle auftreten.

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