Die Arbeit stellt ein umfangreiches Hilfsmittel beim Umgang mit alten Brückenkranstrukturen dar, um einen sicheren Kranbetrieb an der Grenze und beim Überschreiten der rechnerischen Lebensdauer zu gewährleisten. Sie konzentriert sich dabei auf Ermüdungsschäden in der primären Tragstruktur von Brückenkranen, da diese das größte Gefahrenpotential darstellen. Die Zielsetzung der Arbeit lässt sich im Kern mit der „Maximierung der Krannutzungsdauer bei minimalen Stillstandzeiten und sicherem Kranbetrieb“ beschreiben. Aufgrund der Komplexität von Ermüdungsrissen in Bezug auf deren Entstehung und auf den Umgang nach deren Auftreten wurde die Zielsetzung mit unterschiedlichen Lösungsansätzen verfolgt. Es wurden die drei Kernansätze – Lebensdauervorhersage, Strukturüberwachung und Struktursanierung bzw. -ertüchtigung verfolgt.
Zur Reduzierung von Stillstandzeiten dient eine Lebensdauervorhersage, mithilfe welcher die verbleibende Zeit bis zum Eintreten einer Strukturschädigung abgeschätzt werden kann, was eine bedarfsorientierte und frühzeitige Strukturertüchtigung erlaubt und somit die prädiktive bzw. präventiv zustandsabhängige Instandsetzung ermöglicht. Eine Lebensdauervorhersage basiert auf Berechnungen der Ermüdungsfestigkeit, welche ertragbare Beanspruchbarkeiten und ertragene Beanspruchungen gegenüberstellen. Um die Qualität einer Lebensdauervorhersage erheblich zu verbessern, wurde ein Messverfahren entwickelt, welches die Erfassung der Kranbelastungsgrößen mit einem vergleichsweise geringen messtechnischen Aufwand erlaubt und an jedem Brückenkran nachgerüstet werden kann.
Ein sicherer Kranbetrieb soll mit einer fortwährenden Strukturüberwachung kritischer Bereiche sichergestellt werden. Ermüdungsrisse in Kranstrukturen werden zumeist im Rahmen von turnusmäßig durchgeführten Sichtprüfungen oder häufig sogar zufällig festgestellt. Dies hat zur Folge, dass das Risswachstum größtenteils weit fortschreiten kann und die Struktur stark geschädigt wird oder es zum Bruch und somit zu schweren Havarien kommt. Zur Vermeidung derartiger Szenarien wurde ein Verfahren zur Erfassung von Ermüdungsrissen auf Basis der Veränderung der Materialdehnung während des Risswachstums entwickelt. Wie auch das Verfahren zur Erfassung der Belastungsgrößen zeichnet es sich durch einen geringen messtechnischen Aufwand und eine universelle Anwendbarkeit aus. Neben der qualitativen Erfassung von Ermüdungsrissen ermöglicht das Verfahren ebenfalls quantitative Aussagen in Form von Risslängen und -positionen. Durch den Abgleich mit bruchmechanischen Grenzwerten, welche im Rahmen von strukturmechanischen Simulationen ermittelt werden können, kann das Gefahrenpotenzial eines Ermüdungsrisses während des fortschreitenden Risswachstums bewertet werden.
Eine Maximierung der Kranlebensdauer kann durch eine lokale Veränderung der Tragstruktur erreicht werden. Bei der Konstruktion vieler älterer Krane konnten keine strukturmechanischen Simulationen zur Bewertung kritischer Strukturdetails genutzt werden. Hierdurch kam es mitunter zur falschen Einschätzung von Kerben. Durch die nachträgliche Begutachtung bestehender Kranstrukturen mithilfe der Finiten-Elemente-Methode (FEM), können derart kritische Strukturbereiche identifiziert und darüber hinaus modifiziert werden. In der Arbeit werden verschiedene Kernansätze bei der beanspruchungsbezogenen Optimierung von Kranstrukturen extrahiert und dargestellt. Diese können entweder als Reaktion auf einen Schaden (Sanierung) oder als Prävention vor einem Schaden (Ertüchtigung) umgesetzt werden. Da die modifizierten Strukturbereiche i. d. R. erheblich von den in den Normen katalogisierten Strukturstellen abweichen, sollte im Vorfeld der Umsetzung einer Strukturmodifizierung eine versuchstechnische Validierung erfolgen. Hierfür wurde eine Prüfvorrichtung entwickelt, welche speziell für große Strukturbauteile geeignet ist und die Ermittlung beanspruchbarkeitsspezifischer Parameter für nicht katalogisierte Strukturbereiche von Brückenkranen ermöglicht.
Im Rahmen der Zusammenfassung wurde ein Leitfaden zur Anwendung der Arbeit in Form von mehreren Fließbildern bereitgestellt. Hierdurch soll die Nutzung der entwickelten Verfahren und Methoden einem breiten Spektrum potenzieller Anwender zugänglich gemacht werden.:1 Einführung
1.1 Ausgangssituation
1.2 Zielsetzung und Lösungsweg
2 Beanspruchung von Bauteilstrukturen
2.1 Beanspruchungskomponenten ebener Strukturen
2.2 Beanspruchungskomponenten räumlicher Strukturen
2.3 Verzerrungen ebener Strukturpunkte
2.4 Das Hauptachsensystem
2.4.1 Transformation bei reiner Schubbeanspruchung
2.4.2 Transformation bei allgemeiner Beanspruchung
2.5 Hauptnormaldehnungen
2.6 Querkontraktion
2.7 Transformierte Spannungen und Hauptnormalspannungen
2.8 Mohrscher Spannungs- und Verzerrungskreis
2.9 Bezugssystemunabhängige Vergleichshypothesen
3 Messen von Beanspruchungszuständen mithilfe von Dehnungsmessstreifen (DMS)
3.1 Wirkprinzip von Dehnungsmessstreifen (DMS)
3.2 Wheatstone’sche Brückenschaltung
3.2.1 Herleitung
3.2.2 Mechanische Anwendung
3.3 Fehlereinfluss am ebenen Beanspruchungszustand
3.3.1 Fehler infolge von Scherung
3.3.2 Fehlereinfluss der Appliziergenauigkeit
3.3.3 DMS-Rosetten zur Vermeidung von Applizierungsfehlern
4 Statische Beanspruchbarkeit von Bauteilstrukturen
5 Ermüdungsfestigkeitsberechnung und Lebensdauervorhersage
5.1 Aufnahme von Wöhlerlinien
5.2 Vorgehen bei der Lebensdauervorhersage
5.3 Rechengang am Beispiel der FKM-Richtlinie
5.3.1 Begründung der Auswahl der FKM-Richtlinie
5.3.2 Werkstoffwechselfestigkeit
5.3.3 Bauteilwechselfestigkeit (konstruktiver Einfluss)
5.3.4 Auszählen des Beanspruchungsverlaufes
5.3.5 Bauteildauerfestigkeit (Mittelspannungseinfluss)
5.3.6 Bauteilbetriebsfestigkeit (Einfluss des Beanspruchungsverlaufes)
5.3.7 Nachweis und Berechnung der Lebensdauer
6 Ermittlung des Beanspruchungsverlaufes an Brückenkrantragwerken
6.1 Hauptbelastungsgrößen des Krantragwerks
6.2 Rekonstruktion des Beanspruchungs-Zeit-Verlaufes
7 Verfahren zur Erfassung der Kranbelastungsgrößen
7.1 Bedarfsbegründung des Verfahrens
7.2 Theoretische Herleitung des Verfahrens
7.3 Verwendung zusätzlicher DMS
7.4 Aufnahme von Dehnungs-Kennlinien
7.5 Vorbereitung der Installation
7.6 Beispiel anhand realer Messdaten
7.7 Zusammenfassung und Ausblick der Weiterentwicklung
8 Verfahren zur Strukturüberwachung an Brückenkrantragwerken
8.1 Einführung
8.2 Theoretische Herleitung
8.3 Validierung des Verfahrens
8.3.1 Versuchsvorrichtung
8.3.2 Gekerbte Strukturbauteile
8.3.3 Geschweißte Strukturbauteile
8.3.4 Ergebnis
8.4 Anwendung am Brückenkran
8.4.1 Herleitung
8.4.2 Versuchstechnische Validierung
8.5 Fehlereinflüsse
8.5.1 Positionierung der DMS
8.5.2 Plastisches Werkstoffverhalten
8.6 Zusammenfassung und Ausblick der Weiterentwicklung
9 Ertüchtigung und Sanierung von Brückenkrantragwerken
9.1 Systematik der Struktursanierung
9.2 Beispiele der Strukturertüchtigung
9.3 Validierung erarbeiteter Sanierungsstrategien
9.3.1 Entwicklung eines Resonanzpulsators
9.3.2 Versuchsdurchführung
9.4 Zusammenfassung und Ausblick der Weiterentwicklung
10 Zusammenfassung und Anwendung dieser Arbeit
11 Ausblick
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:79792 |
| Date | 04 July 2022 |
| Creators | Goedeke, Arne |
| Contributors | Schlecht, Berthold, Schulz, Carsten, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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