Fachartikel

Berücksichtigung prozessbedingter Ungänzen in der Bauteilbemessung
VON SVEN NAGEL, THOMAS UMMENHOFER, KARLSRUHE; INES VEILE, RALF TSCHUNCKY, SAARBRÜCKEN; MATTHIAS JUNG, MAJID FARAJIAN, FREIBURG

Der Einfluss von Gussfehlern auf die Ermüdung von Stahlgussbauteilen ist noch unzureichend quantifiziert. Da die existierenden Fertigungsnormen auf Basis zerstörungsfreier Prüfungen keinen Bezug zwischen den für die Ausführung relevanten Qualitätsanforderungen und den im Bauteilentwurf zu berücksichtigenden Beanspruchbarkeiten herstellen, werden meist hohe Sicherheitsfaktoren angewendet und pauschal höchste Qualitäten gefordert. Diese Lücke soll durch ein einfach anwendbares Bemessungskonzept geschlossen werden. 

Versuchsaufbau zur Quantifizierung des ungänzebedingten Ermüdungsbruchs (Probendimension: 1700 x 100 x 100 mm). FOTO: KIT, FRAUNHOFER IWM UND IZFP

Die Größe, Art und Lage zulässiger Ungänzen sind auf Basis der technischen Lieferbedingungen durch eine Spezifikation der äußeren und inneren Beschaffenheit vom Besteller vorzugeben. Allerdings fehlt die hierfür erforderliche Entscheidungsgrundlage, auf deren Basis die einzuhaltende Ausführungsqualität festgelegt werden kann. Die Realisierung von Tragstrukturen im Bauwesen mit Stahlgussbauteilen ist aus diesem Grund derzeit nur auf der Basis von Zustimmungen im Einzelfall, verbunden mit aufwendigen Bauteilprüfungen, möglich und daher meist Prestigeprojekten vorbehalten. Alternativ können nur bauaufsichtlich zugelassene Bauprodukte eingesetzt werden. Eine Korrelation zwischen den Anforderungen an die Herstellqualität und der Beanspruchbarkeit existiert bislang nicht, sodass der Einsatz von Stahlguss häufig abgelehnt wird und weit hinter den ökonomisch und ökologisch erstrebenswerten Möglichkeiten bleibt.

Eine Folge der mangelnden Datenlage ist, dass die Gussbauteilbemessung mit an fehlerfreien Grundwerkstoffen ermittelten Widerständen erfolgt und so mit der Beaufschlagung von hohen Sicherheitsfaktoren verbunden ist. Auch liegen für viele Werkstoffe keine oder nicht ausreichend abgesicherte Kennwerte, z. B. zur rechnerischen Abbildung des Rissfortschrittsverhaltens, vor. Die aus der derzeitigen Situation resultierenden, meist stark überdimensionierten Gussbauteile widersprechen der Grundforderung eines ressourceneffizienten und nachhaltigen Materialeinsatzes. Bei Bauwerken für öffentliche Auftraggeber kommt erschwerend hinzu, dass die Kommunikation zwischen Konstrukteur und Gießerei durch die in Deutschland geltende Vergabeordnung unterbunden ist. Der Konstrukteur kann also nicht auf vorliegende Erfahrungen zur Gussfehlervermeidung oder Gussprozesssimulationen und damit auf Informationen zu möglichen Fehleranordnungen zugreifen. Er muss zwangsläufig eine Worst-Case-Betrachtung anstellen und von Fehlstellen in den ungünstigsten Positionen mit ungünstigster Orientierung und Form ausgehen.

Ziel der in diesem Beitrag zusammengefassten Forschungsarbeiten war es, die ungünstige Beurteilungssituation von Ungänzen in Stahlgussbauteilen durch eine fundierte Datenbasis und daraus abgeleitete Bemessungsansätzen zu verbessern. Eine zentrale Aufgabe war die Erarbeitung eines geeigneten Kommunikationsmediums zwischen den in Spannungen und Beanspruchbarkeiten denkenden Konstrukteuren und den Gießereien, die Ungänzengrößen und -eigenschaften nachweisen müssen. Dieses soll den besonderen Randbedingungen der Baupraxis (unterbundene Kommunikation, relevante Lastfälle, eingesetzte Werkstoffe, Lastwechselzahlen im Bereich von High- Cycle-Fatigue, Einklang mit der Designphilosophie und Sicherheitskonzept des Eurocode) genügen.

Zunächst mussten die ungeklärten technischen Fragestellungen durch umfangreiche experimentelle und numerische Untersuchungen beantwortet werden. Neben der Erarbeitung einer belastbaren Datenbasis für die gewählten Werkstoffe, Fertigungsprozesse und Schmelzverfahren war ein tiefgehendes Verständnis für die durch Gussfehler initiierten Schädigungsmechanismen erforderlich. Der Fokus lag hierbei auf den Vorgängen in der Anrissphase sowie während des Risswachstums bzw. auf deren Anteilen an der Gesamtlebensdauer. Diese Untersuchung erfolgte nicht nur simulationsgestützt, sondern wurde zusätzlich durch eine neuartige Kombination zerstörungsfreier Prüfverfahren (ZfP) realisiert. Im unbeanspruchten Zustand werden diese zur Qualitätssicherung im Rahmen der Fertigung von Großkomponenten eingesetzt, wobei bislang vorwiegend Volumendefizite betrachtet werden. Die Detektion der ermüdungsbedingten Anrissphase oder des Risswachstums lag bisher nicht im Fokus der Anwendung der ZfP. Verfügbare Prüfverfahren und Sensoren wurden deshalb so weiterentwickelt und eingesetzt, dass die im Gussbauteil entstandenen inneren Fehler und Anrisse geometrisch hinreichend genau beschrieben und der Rissfortschritt dokumentiert werden konnte.

Teile des IGF-Forschungsvorhabens wurden im Rahmen einer Doktorarbeit am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) bearbeitet. Der vorliegende Bericht beinhaltet Auszüge der parallel entstandenen, eingereichten aber noch unveröffentlichten Dissertation.

Weitere Informationen:
KIT Stahl- und Leichtbau
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Sven Nagel, M.Sc.
Otto-Ammann-Platz 1
76131 Karlsruhe
E-Mail: sven.nagel(at)kit.edu
www.stahl.vaka.kit.edu

Weitere beteiligte Institutionen:
Fraunhofer-Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP
www.izfp.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
www.iwm.fraunhofer.de


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pdf-Datei aus "GIESSEREI" Heft 12/2020 Seiten 32-43
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