Schwerlast-Bauteilprüfsystem
Final Report Abstract
Zur Gewährleistung der Sicherheit sowie der Funktionalität schiffbaulicher Konstruktionen unter extremen Einsatzbedingungen ist die Bestimmung der Traglast bereits im Rahmen des Entwurfsprozesses von enormer Bedeutung. Die Grundlage zur Validierung der numerischen Berechnungsmodelle und somit zur Bestimmung einer hinreichenden Prognose des maximalen Lastaufnahmevermögens maritimer Strukturen liefert der Vergleich mit experimentell ermittelten Grenztraglastwerten geeigneter Strukturmodelle. Die Hauptverbände konventioneller Schiffskörper (Mehrzweckfrachter, Tanker, Containerschiffe) sind überwiegend aus versteiften Stahlplatten und Trägern zusammengesetzt. Für die Entwicklung geeigneter Analyseverfahren derart komplexer Strukturen wurden in einem ersten Schritt Balkenmodelle repräsentativ für einzelne Komponenten wie Steifen und Träger experimentell geprüft. Exemplarisch wurde das Traglastverhalten von verschiedenen Doppel-T-Trägern (HEM220, HEB260, IPE300) unter 3-Punkt-Biegung und 4-Punkt-Biegung untersucht. Die aus normalfestem Stahl gewalzten Träger sind jeweils mit einer Gesamtlänge von 3,5m ausgeführt und separat in dem Forschungsgroßgerät installiert worden. Jeder Träger wurde an seiner Unterseite auf zwei Stahlrollen freidrehbar gelagert. Der Abstand der Stahlrollen zueinander betrug 3m. Die Lasteinleitung erfolgte auf der Oberseite durch Absenken einer bzw. zweier Stahlrollen in Abhängigkeit des Biegeversuches. Die Absenkgeschwindigkeit wurde mit 0,05mm/s repräsentativ für eine quasi-statische Lastaufbringung festgelegt. Insbesondere für die HEM220 Träger wurde die Traglast für die verschiedenen Biegeversuche jeweils bei einer Kolbenkraft von F>700kN ermittelt. Bedingt durch die Leistungsparameter des Forschungsgroßgerätes konnten die Traglastversuche erfolgreich durchgeführt und geeignete Berechnungsmodelle entwickelt werden. Zur Vorbereitung dynamischer Traglastberechnungen für diese Träger wurden ebenfalls Zugversuche für typische Baustähle bei unterschiedlichen Dehnraten durchgeführt, um dynamische Streckgrenzen zu ermitteln. Um das maximale Lastaufnahmevermögen komplexer Systeme bestimmen und das strukturmechanische Verhalten experimentell korrekt abbilden zu können, wurden in einem zweiten Schritt Modelle unter Beachtung maßstabsgerechter Schlankheitsgrade von Platten und Steifen verwendet. Im Rahmen dieser Forschungstätigkeit sind zwei identisch aufgebaute Prüfkörper repräsentativ für ein Modell eines Einhüllenschiffskörpers untersucht worden. Die Prüfkörper sind jeweils 1m lang, 1m breit, 1m hoch und doppelsymmetrisch aufgebaut. Der Boden, die Seitenwände und das Deck der Prüfkörper sind als Paneele ausgeführt und bestehen aus 3 mm dicken Platten. Diese sind aus normalfestem Stahl gefertigt und mit jeweils drei Versteifungselementen in Längsrichtung versehen. Die Längssteifen sind als 3mm dicke und 50mm hohe Rechteckprofile ausgeführt und bestehen ebenfalls aus normalfestem Stahl (S235JR). Die Lasteinleitung in die Prüfkörper erfolgt über Lastarme, die an den Flanschen mit dem Prüfkörper verschraubt sind. Die wiederverwendbaren Lastarme sind identisch aufgebaut und durch die Abmessungen von 2,5m Länge, 1m Breite und 1m Höhe charakterisiert. Bedingt durch die geometrischen Abmessungen des Gesamtmodells ist ein Prüfsystem notwendig, dass einen entsprechenden Bauraum für die Aufbringung hinreichender Biegemomente gewährleistet. Die Lastaufbringung erfolgt durch das Gerät über zwei auf der Oberseite der Lastarme aufliegende Stahlrollen. Diese sind an einem Biegeschwert befestigt und werden durch den Hydraulikkolben in vertikaler Richtung verfahren. Die mit dem Forschungsgroßgerät experimentell ermittelten Ergebnisse der Traglastversuche sind von sehr großer Bedeutung für die Weiterentwicklung und Verbesserung numerischer Berechnungsmodelle. In weiteren Vorhaben wurden Festigkeitsaspekte verschiedener Konstruktionen untersucht. Die Verwendung von Twistlocks (Containerbefestigungen) ist in Betracht gezogen worden, um Funktionsmodule auf Offshoreinstallationen austauschbar zu befestigen. Hierzu wurde sowohl die statische als auch die dynamische Festigkeit der Twistlocks untersucht. Unter statischer Belastung konnte generell eine für die Entwurfsvorgaben mehr als ausreichende Festigkeit experimentell festgestellt werden. Numerische Prognosen erwiesen sich als konservativ. Im dynamischen Verhalten wurden allerdings Verbesserungsbedarfe der Konstruktion aufgezeigt. Für ein neuartiges Fertigungsverfahren, das Stahlbauteile in einem Vorgang sowohl dicken- als auch formwalzt wurde das Bauteilverhalten des gefertigten Probekörpers beurteilt. Bei diesem Probekörper handelt es sich um eine Profilform, die für den Nabenbereich von Rotorblättern an Windkraftanlagen in Frage kommt. In einem Drei-Punkt-Biegeversuch wurde das Versagensverhalten des Bauteils beurteilt und die Ergebnisse genutzt um numerische Berechnungsmodelle zu validieren. Zur Beurteilung eines weiteren Fertigungsverfahrens wurden Materialversuche durchgeführt. Bei diesem Fertigungsverfahren wird ein Rohrabschnitt auf einem Drehtisch rotiert, während der obere Rand zu einem profilierten Kragen durch Rollenwerkzeuge kalt umgeformt wird. Zur Bestimmung einer Verformungsstrategie wurde der Fertigungsprozess simuliert. Dieses konnte nur auf Basis von Materialdaten erfolgen, die für das in der Fertigung verwendete Material im tatsächlichen Dickenbereich mit dem Gerät ermittelt wurden. Des Weiteren wurden Haftreibungszahlen in gleitfesten Verbindungen mit Schließringbolzen bestimmt. Hierzu waren mehrere Gleitlastversuche mit Zuglasten über lange Zeiträume erforderlich. Bei diesen Versuchen sind auch besondere Beschichtungen zur Erhöhung des Reibbeiwertes untersucht worden. Während der Versuche erfolgte die Überwachung der Vorspannkräfte mit Dehnungsmessstreifen und Wegaufnehmern.
Publications
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Application of a Beam-Column Element Formulation for Ultimate Strength Analyses of Thin-Walled Structures. Proc 24th Int Offshore and Polar Eng Conf, Busan, Korea, ISOPE, 2014; Vol 4: 868-875
Lindemann T, Backhaus E and Kaeding P
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Investigations on the Dynamic Collapse Behaviour of Thin-Walled Structures and Plate Panels for Shipbuilding Applications. Proc 25th Int Offshore and Polar Eng Conf, Kona, Big Island, Hawaii, USA, ISOPE, 2015; Vol 4: 1109-1116
Lindemann T, Backhaus E, Ulbertus A, Oksina A and Kaeding P
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Load Carrying Capacity of a Hot Rolled Wing. Proc of 3rd Int Conf on Advances in Mechanical and Robotics Eng, Zurich, Switzerland, AMRE, 2015
Kaeding P and Lindemann T
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Numerical and Experimental Assessment of a Kort Nozzle Production Process. Proc 25th Int Offshore and Polar Eng Conf, Kona, Big Island, Hawaii, USA, ISOPE, 2015; Vol 4: 962- 967
Hoepke J and Kaeding P
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Validation of Twistlocks in Modular Offshore Platform Designs for the Arctic. Proc of the ASME 2015 34th Int Conf in Ocean, Offshore and Arctic Eng, St. John’s, NL, Canada, OMAE, 2015
Kistner J and Kaeding P
