Vergleichende Finite Elemente Analyse der geschweißten und geschmiedeten Hängeranschlusskonstruktion

Abstract

Für den Hängeranschluss bei Stabbogenbrücken und Netzwerkbogenbrücken gibt es zwei grundsätzlich verschiedene Konstruktionsweisen, die dem Stand der Technik entsprechen. In der vorliegenden Diplomarbeit sollen die geschweißte und die geschmiedete Anschlussart bezüglich ihrer Lebensdauer einander gegenübergestellt werden. Der Vergleich wird auf Basis der Ermüdungsnachweise nach Eurocode und einem technischen Regelwerk des International Institute of Welding geführt. Vier verschiedene Nachweismodelle für die Ermüdung finden dazu Anwendung. Die erforderlichen Eingangsgrößen werden mithilfe des Finiten Elemente Programms Abaqus~FEA berechnet. Anhand eines vereinfachten 2D-Modells wird der Begriff der Strukturformzahl als Quotient von maximaler 1. Hauptspannung und einer definierten Nennspannung eingeführt. Außerdem werden die für die Ermüdung relevanten geometrischen Parameter ermittelt. Anschließend wird ein 3D-Modell der geschweißten Hängeranschlusskonstruktion erstellt. In einer geometrischen Parameteruntersuchung wird die Bandbreite aufgezeigt, in der sich die Strukturformzahlen bewegen. Zur Ermittlung der Geometrie beim stauchgeschmiedeten Hänger wird ein fotografischer 3D-Scan eines realen Hängeranschlusses durchgeführt. Dieser wird in ein 3D-Modell übergeführt und zur Berechnung in das Finite Elemente Programm Abaqus FEA eingespielt. In einem abschließenden Kapitel werden anhand des geschweißten und des geschmiedeten Modells die verschiedenen Nachweismodelle für Ermüdung verglichen. Außerdem erfolgt eine Gegenüberstellung der Kennwerte, die in eine Kostenkalkulation Eingang finden.

There exist two fundamentally different construction methods for the hanger connections of tied arch bridges and network arch bridges, which correspond to the state of the art. The present master's thesis compares the welded and the forged hanger connections regarding their service life. The comparison is based on the fatigue check in accordance with Eurocode 3 and a technical code of the International Institute of Welding. The required input values are calculated using the finite element programm Abaqus FEA. With the help of a simplified 2D model the term stress concentration factor is introduced, meaning the relation of the maximum principal normal stress to the nominal stress at a defined cross section. Furthermore, the relevant geometric parameters for a fatigue analysis are determined. In a next step, a 3D model of the welded hanger connection is created. A geometric parameter analysis determines the range of the stress concentration factors. The geometry of the forged hanger connection is determined by scanning a real hanger connection using a 3D scanner. This scan is convered into a 3D model, which is used for calculations in Abaqus FEA. Stress concentration factors are identified. In the final chapter the welded and forged hanger connection are compared regarding the different fatigue checks. Finally, a comparison of the characterisic values used for a cost estimation is done.