Leichte Stahlkonstruktionen – stabile Lamellen

Bei der Konstruktion von Bauteilen für Stahlbrücken und im Maschinenbau sind Gewichtsreduzierung und eine optimal angepasste Ausnutzung der Konstruktion an die auftretende Belastung aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen von großer Bedeutung. „Stahlkonstruktionen müssen heute leicht gebaut werden, damit Ressourcen eingespart werden“, erklärt Prof. Dr.-Ing. André Dürr, Spezialist für die Fachgebiete Stahlbau und Baustatik an der Fakultät für Bauingenieurwesen der Hochschule München. Doktorand Jakob Roth ergänzt: „Die beste CO₂-Reduktion ist jede Tonne Stahl, die man nicht benötigt.“

Aufgeschweißte Lamellen sind seit langem eine Standardlösung zur Gewichtoptimierung und als örtliche Verstärkungsmaßnahme im Stahl- und Brückenbau, im Kranbau, sowie im Nutzfahrzeuge- und Landmaschinenbau. Lamellen haben den Vorteil, dass die größere Blechdicke nicht über die gesamte Konstruktion verwendet werden muss, sondern nur dort, wo es statisch erforderlich ist. Dadurch entstehen leichtere und wirtschaftlichere Konstruktionen, insbesondere wenn moderne hochfeste Stahlsorten zur Anwendung kommen. Dabei bleibt jedoch ein Problem: Brücken als auch Nutzfahrzeuge- und Landmaschinen unterliegen einer zyklischen Ermüdungsbeanspruchung infolge der Nutzung. Kritisch bei aufgeschweißten Lamellen ist hierbei das Ende der Lamelle aufgrund der abrupten Querschnittsänderung, so dass die Anwendung von modernen hochfesten Stahlsorten häufig nicht wirtschaftlich ist. Eine Möglichkeit, um die Ermüdungsfestigkeit für das Lamellenende zu steigern und die Lebensdauer von Stahlkonstruktionen zu verlängern, ist eine Form- und Fertigungsoptimierung der aufgeschweißten Stahl-Lamellen im Endbereich.

Im Forschungsprojekt „Formoptimierung von aufgeschweißten Lamellen unter Ermüdungsbeanspruchung“ untersucht das Team von André Dürr und Jakob Roth, wie sich verschiedene Methoden der Nachbearbeitung der Schweißnähte auf die Lebensdauer auswirken. Das Forschungsteam der HM entschied sich für eine wissenschaftliche Untersuchung von zwei unterschiedlichen Nachbehandlungsverfahren. Das war zum einen das Schleifen der Schweißnaht. Das zweite Verfahren war das höherfrequente Hämmern, bei dem mittels eines pulsierenden Pins der Nahtübergang plastisch verformt wird.

Die Versuchsreihen führten bereits bei der Schweißtechnik zu interessanten Erkenntnissen. So hat es sich zum Beispiel als günstig herausgestellt, wenn man bei der Schweißnaht von der Lamelle in Richtung Grundmaterial schweißt. Beim Schleifen wurde die komplette Naht mit den ersten paar Zentimetern der Lamelle geschliffen, so dass ein sanfterer Übergang entstand. Einen ähnlichen Effekt haben die Forscher auch durch höherfrequentes Hämmern an den Nahtübergängen erreicht. „Die Ergebnisse durch diese Nachbehandlungen in diesen kleinen Bereichen waren so gut, dass es hier zu überhaupt keinem Versagen mehr im Bereich der Lamelle kam“, erläutert Dürr. Um die Praxistauglichkeit der Versuche zu überprüfen, haben die Forscher zusätzlich auch Großversuche mit Trägern gemacht, wie sie auch in realen Konstruktionen verwendet werden. Die Forscher sind zuversichtlich, dass alle Erkenntnisse, die in diesem Projekt gewonnen wurden, direkt in die Praxis umgesetzt werden können.

Das Projekt „Formoptimierung von aufgeschweißten Lamellen unter Ermüdungsbeanspruchung“ wurde gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz und lief vom 1. Dezember 2019 bis zum 30. November 2023. Projektpartner waren Prof. Dr.-Ing. Martin Mensinger und Niclas Rausch, Lehrstuhl für Metallbau, Technische Universität München. Projektträger sind die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. und die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigung.