Experimentelle Untersuchungen an vorgespannten Ringflanschstößen mit Imperfektionen

FachthemenDie Ermüdungslebensdauer der Schrauben in vorgespannten Ringflanschverbindungen kann drastisch abfallen, wenn die Kontaktflächen der Flansche vor dem Vorspannen der Schrauben nicht einwandfrei aneinander liegen, sondern teilweise klaffen ("Flanschimperfektionen"). Vorgespannte Ringflanschverbindungen werden häufig als Baustellenstöße in turmartigen Stahlbauten eingesetzt, z. B. in Rohrtürmen von Windenergieanlagen (WEA). Der ermüdungsschädliche Einfluß der Flanschimperfektionen wurde an der Universität Essen experimentell und numerisch eingehend untersucht. Die daraus zu ziehenden baupraktischen Schlußfolgerungen für eine ermüdungssichere Bemessung werden im Aufsatz anhand der entsprechenden Regelungen in der neuen DIBt-Richtlinie für WEA dargestellt und erläutert. Zwei Berechnungsmodelle zur näherungsweisen Erfassung der Flanschimperfektionen bei der Ermüdungsbemessung werden vorgestellt. Die Methode, Baustellenstöße, die sich bei der Montage als zu imperfekt herausstellen, durch Ausfuttern der Klaffungshohlräume zu sanieren, wird diskutiert.

unclassified

Ermüdungssichere Bemessung vorgespannter Ringflanschstöße unter Berücksichtigung von Flanschimperfektionen

Jakubowski

Schmidt²

2005

“…Die Schraubenbeanspruchungen F S,Q und M S,Q liegen für alle Imperfektionsvarianten -wie nach den experimentellen Ergebnissen [11], [12]…”

Section: Beanspruchungsfunktionen Der Schraubenunclassified

“…Um den Einfluß solcher Flanschimperfektionen auf die ermüdungsrelevanten Schraubenspannungen zu untersuchen, wurden an der Universität Essen im Institut für Stahlbau zunächst großmaßstäbliche Rohrbiegeversuche an kompletten L-und T-Ringflanschstößen durchgeführt. Sie sind in einem ausführlichen Forschungsbericht dokumentiert [11]; auszugsweise wurde darüber in dieser Zeitschrift berichtet [12]. Die Ergebnisse bestätigten den vermuteten signifikanten Imperfektionseinfluß auf die Beanspruchung und damit die Ermüdungssicherheit der Schrauben.…”

unclassified

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Numerische Untersuchungen zur Ermüdungsbeanspruchung vorgespannter Ringflanschstöße mit Imperfektionen

Jakubowski

Schmidt²

2004

Für die Bemessung vorgespannter geschraubter Ringflanschstöße in turmartigen Stahlbauten (z. B. Schornsteine oder Rohrtürme von Windenergieanlagen) ist der Nachweis gegen Ermüdung der Schrauben sehr wichtig. Klaffungen zwischen den Kontaktflächen vor dem Vorspannen der Schrauben (sogenannte Flanschimperfektionen) können einen negativen Einfluß auf die ermüdungsrelevanten Schraubenspannungen haben. Es wurde ein FE‐Modell für imperfekte Ringflansche aufgebaut und mit Hilfe der Ergebnisse großmaßstäblicher Rohrbiegeversuche an Ringflanschstößen validiert. Über diese Versuche war ebenfalls in dieser Zeitschrift berichtet worden. Mit dem validierten FE‐Modell wurde eine Parameterstudie an imperfekt simulierten L‐Ringflanschverbindungen mit baupraktischen Abmessungen aus dem WEA‐Bau durchgeführt. Die Ergebnisse ermöglichen eine Differenzierung der verschiedenen Klaffungsformen hinsichtlich ihres negativen Einflusses auf die Schraubenermüdung. Dieser Einfluß darf beim Ermüdungssicherheitsnachweis der Schrauben keinesfalls vernachlässigt werden.

“…Da das Problem der Ermüdungsfestigkeit bei den Rohr-Flanschverbindungen seit geraumer Zeit besteht, wurde dieses schon mehrfach untersucht, z. B. in [3], [4], [5]. Prinzipiell sind drei verschiedene Arten von Imperfektionen bekannt [6].…”

Section: Introductionunclassified

Einfluss imperfekter Ringflanschverbindungen auf die Ermüdungsfestigkeit von kreiszylindrischen Stützen

Lener

Schweigkofler²

2011

Bei Seilbahnen, Windenergieanlagen, Kaminen etc. werden oft turmartige Stahlkonstruktionen aus kreiszylindrischen oder konischen Rohrabschnitten verwendet, welche mittels L-förmiger Flanschverbindungen verschraubt sind. Auf Grund von Imperfektionen zufolge Schweißverzug und hohen dynamischen Beanspruchungen werden häufig die Grenzen der Beanspruchbarkeit der Flanschverbindungen erreicht. In vielen Fällen ist nicht der Nachweis der Traglast (ULS) von Bedeutung, vielmehr ist der Grenzzustand der Ermüdung (FLS) maßgebend für die Dimensionierung. Der vorliegende Beitrag beinhaltet die Untersuchung imperfekter Ringflanschverbindungen von kreisförmigen Seilbahnstützen auf Ermüdung. An einem Bauteilversuch im Maßstab 1 : 1 wurde die Ermüdungsfestigkeit der gesamten Flanschverbindung (Schrauben, Schweißnaht, Rohrmantel) untersucht. Parallel durchgeführte FE-Berechnungen dienen als Vergleich zu den Laborergebnissen. Zum Abschluss wird eine Möglichkeit der Berücksichtigung der Flanschimperfektionen für die praktische Bemessung aufgezeigt. Effects of imperfect ring flange connections on the fatigue resistance of cylindrical columns.For cableway installations, wind turbines, chimneys etc. often tower-like steel constructions from cylindrical or conical tubing sections are used, which are bolted by means of L-shaped flange connections. Due to imperfections from welding distortion and high dynamic loads the resistance of the flange connections will be frequently achieved. In many cases the ultimate load (ULS) proof becomes less important and the fatigue assessment (FLS) is determining the dimensions. This contribution contains investigations of imperfect flange connections of circular cable car towers on fatigue. A large scale test was performed to prove the fatigue strength of the entire flange connection (bolts, welding seam, tube section). Parallel accomplished FE-computations serve as comparison to the laboratory test results. As conclusion a possible procedure to consider flange imperfections for the practical dimensioning is pointed out.