Nachweis der Betriebsfestigkeit einer Eisenbahnbrücke mittels FEM

In schwingbeanspruchten Konstruktionen des Stahlbaus ist die Ermüdung, neben Korrosion und Verschleiß, eine der häufigsten Schadensursachen. Schäden infolge Ermüdung treten meist an Verbindungen von Bauteilen auf, an welchen sich Fehlstellen konzentrieren. Ursachen dafür sind zum Beispiel Einschlüsse in der Schweißnaht oder Kerben. Zur Bewertung der Betriebsfestigkeit von Stahlverbindungen haben sich drei Methoden etabliert. Die erste ist das Nennspannungsverfahren, welches sich für Schweiß- und Schraubverbindungen anwenden lässt und in der ÖNORM EN 1993-1-9 geregelt ist. Das zweite ist das Strukturspannungskonzept, für welches Kerbfälle (Widerstände) in vorher genannter Norm angeführt sind. Nicht enthalten sind jedoch Anweisungen und Hilfestellungen zur Anwendung. Bisher ist dafür zum Beispiel auf die IIW-Richtlinie zurückzugreifen, um Richtwerte für die Vernetzung und Ermittlung der Spannungen zu erhalten. Zukünftig soll jedoch die Anwendung der Finite-Elemente-Methode für solche Berechnungen in einem Teil des Eurocode geregelt werden, welcher für meine Arbeit in einer Vorversion (prEN 1993-1-14:2020) verwendet wird. Speziell für die dritte Methode, dem Kerbspannungskonzept, liefert dieses Dokument wichtige Hinweise zur Berechnung. Dazu zählen Maschenweiten für die Vernetzung, zugehörige Elementtypen und Empfehlungen für die Modellbildung. Diese Parameter haben einen wesentlichen Einfluss auf die Ergebnisse der FEM-Berechnung und somit auch auf die ermittelte Betriebsfestigkeit. Sind alle Informationen zur Verwendung der drei Konzepte vorhanden, stellt sich die Frage, welches für die vorliegende Konstruktion die sinnvollste Wahl darstellt. Wichtig für einen Ingenieur ist dabei der Spagat zwischen der optimalen Ausnutzung der Konstruktion und dem Aufwand bis zum Erhalt der Ergebnisse. Um diese Entscheidung treffen zu können, sind Informationen über die Grenzen und die Qualitäten der Verfahren notwendig. In dieser Arbeit sind die drei Berechnungsmethoden an einem Detail, einer bestehenden Eisenbahnbrücke, angewendet und das Augenmerk ist auf die Bewertung der Betriebsfestigkeit, unter Berücksichtigung des Aufwandes bis zum Erhalt dieser, gelegt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Aufwand mit zunehmender Möglichkeit komplexere Geometrien abzubilden stark zunimmt und immer mehr Effekte wie zum Beispiel Exzentrizitäten in der Konstruktion zu berücksichtigen sind. Die Verwendung des Nennspannungsverfahren erfordert den geringsten Aufwand, ist jedoch durch die Norm eingeschränkt, wegen der darin enthaltenen Konstruktionsvorgaben für das Detail.For an oscillated loaded construction out of steel, fatigue is, besides corrosion and wear, the most common reason of damage. Damages from fatigue are mostly located at joints of components, where imperfections are concentrated. Causes of this are for example inclusions in a weld or also notches. To evaluate the fatigue resistence of a steel joint there are three proven methods established. The first one ist the Nominal Stress Method which can be used for welded joints and screwed joints and it is regulated in the ÖNORM EN 1993-1-9. The second one is the Hot Spot Stress Aproach, for which the resistance against fatigue can be found in the above named Norm. Not included are recommendations and helpful tips on how to operate with it. So far you were able to find informations for example in the IIW-guideline, like guide values for the mesh and for the stress calculation. In future the usage of the finite element approach, to calculate fatigue stress, is regulated in an other part of the Eurocode, which is used here in a pre-version. Especially for the third method, the Notch Stress Approach, it provides important hints to the calculation progress. These include meshsize, related element types and recommendations for the model construction. These parameters have significant influence over the results of the FEM calculation and therefor on the determined fatigue resistance. If all informations for the usage of the three methods are at hand, the question rises which is the best for the present detail. For an engineer it is important to know how to balance the optimal utilisation of the detail and the effort to get to the results. To be able to decide you need to know the boundaries and quality of the results to each method. In this thesis the three methods are shown at an existing railway bridge and special attention is forced on the fatigue assessment, under consideration of the effort to get to this point. The results show, that the effort is getting more and more with rising possibilities to calculate more complicated geometries and more effects for example like eccentricities need to be considered. On the other hand the Nominal Stress Method, with the lowest effort, is restricted on conditions for construction of the detail, because of the norm.Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprüftInnsbruck, Univ., Masterarb., 2019(VLID)452322