Im Life Cycle Engineering wird genau das gemacht: alle Lebensphasen eines Produktes - beginnend bei der Konstruktion über die Produktion bis hin zur Nutzung und Wiederverwendung bzw. Recycling der Rohstoffe -werden ganzheitlich betrachtet. Wirtschaftliche, ökologische und technische Faktoren werden in die Analysen mit einbezogen. In der Präsentation werden durchgeführte Simulationsaufgaben zur Beurteilung der Nutzungsdauer bestehender Brückentragwerke vorgestellt. Diese beinhalten neben dem Ermüdungsnachweis, die Rissfortschrittsberechnung und die Simulation von Reparaturschweißungen.
KTM Technologies: Konzeptvergleich eines Fahrzeugheckrahmens hinsichtlich Fes...
Life Cycle Engineering für Brückentragwerke
1. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien 1
Life Cycle Engineering für
Brückentragwerke
Gerhard LENER
Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr.
2. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Inhaltsübersicht
Beispiel Nachweisstufe 4 - Sonderlast
Life Cycle Engineering
Simulation von Reparaturschweißungen
Beispiel Nachweisstufe 2 - Plattenbeulen
2
Tragfähigkeitsbewertung bestehender Brücken nach ONR 24008
Beispiel Nachweisstufe 3 – Rissfortschrittsberechnung
Motivation
3. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Inhaltsübersicht
Beispiel Nachweisstufe 4 - Sonderlast
Life Cycle Engineering
Simulation von Reparaturschweißungen
Beispiel Nachweisstufe 2 - Plattenbeulen
3
Tragfähigkeitsbewertung bestehender Brücken nach ONR 24008
Beispiel Nachweisstufe 3 – Rissfortschrittsberechnung
Motivation
4. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Altersstruktur der Brücken im Bestand
4
Deutschland
ca. 38.000 Straßenbrücken
Quelle: Geißler, K. Österreichischer Strahlbautag 2013
ca. 60% der Bauwerke jünger als 40 Jahre
5. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Altersstruktur der Brücken im Bestand
5
Deutschland
Quelle: Geißler, K. Österreichischer Strahlbautag 2013
ca. 35.000 Eisenbahnbrücken
ca. 50% der Bauwerke sind älter als 80 Jahre
6. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Änderung der Einwirkungen
6
Foto: Bildarchiv Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Deutschland
1950 1975
20101985
7. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Inhaltsübersicht
Beispiel Nachweisstufe 4 - Sonderlast
Life Cycle Engineering
Simulation von Reparaturschweißungen
Beispiel Nachweisstufe 2 - Plattenbeulen
7
Tragfähigkeitsbewertung bestehender Brücken nach ONR 24008
Beispiel Nachweisstufe 3 – Rissfortschrittsberechnung
Motivation
8. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien 8
Life Cycle Engineering
9. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
ß … Zuverlässigkeitsindex
0
( )f Zp h x dx
pf … Versagens-
wahrscheinlichkeit
Sicherheitszone Z = R-E
Begriff - Zuverlässigkeitsindex ß
Sicherheitskonzept
10. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien 10
Zuverlässigkeitsindex ß nach EN 1990
11. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien 11
Zuverlässigkeitsindex ß nach EN 1990
Vergleich der Festlegungen der EN 1990
und der sonstigen Lebensrisiken
RC1/CC1: 1/1·105
RC2/CC2: 1/1·106
RC3/CC3: 1/1·107
CC1: 10-5
CC2: 10-6
CC3: 10-7
12. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Inhaltsübersicht
Beispiel Nachweisstufe 4 - Sonderlast
Life Cycle Engineering
Simulation von Reparaturschweißungen
Beispiel Nachweisstufe 2 - Plattenbeulen
12
Tragfähigkeitsbewertung bestehender Brücken nach ONR 24008
Beispiel Nachweisstufe 3 – Rissfortschrittsberechnung
Motivation
13. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
24008
13
Prinzipielle Vorgehensweise nach
Tragfähigkeitsbeurteilung bestehender Brücken
Ausgabedatum: 2014-03-01
14. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Tragfähigkeitsbeurteilung bestehender Brücken
14
4 Stufen der Nachweisführung der Tragsicherheit und Ermüdungsfestigkeit
Stufe 1: Ausschließliche Nachweisführung nach aktuellen Normenstand (Eurocodes).
Stufe 2: Stufe 1 mit Abweichungen bei den Teilsicherheitsbeiwerten.
Stufe 2 beinhaltet verfeinerte Methoden der Nachweisführung ein
z.B. FEM mit geometrisch und physikalisch nichtlineare Berechnungen.
Stufe 3: Nachrechnung mittels probabilistischer Methoden.
Stufe 3 schließt wissenschaftliche Methoden der Nachweisführung, d.h.
Berücksichtigung der streuenden Einwirkungs- und Widerstandsgrößen
und umfassende Sensitivitätsanalysen sowie bruchmechanische
Nachweisverfahren für den Ermüdungsnachweis.
Stufe 4:.Wenn die Nachrechnung nach den Stufen 1, 2 und 3 kein befriedigendes
Ergebnis gebracht hat, kann in Sonderfällen eine Unterschreitung des gemäß
EN 1990 geforderten Zuverlässigkeitsniveaus zugelassen werden.
15. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Brückeninspektion
15
Brückeninspektionsgerät (BIG)
16. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Brückeninspektion
16
Zustandsklasse aus den periodischen Brückeninspektionen
(in Österreich mind. alle 6 Jahre)
1. Das Objekt wird in Bauteile unterteilt
2. Berechnung der Kennzahl für jedes Bauteil:
G... Grundkennzahl, abhängig von Schadenstyp
a... Ausmaßfaktor 0,5 (gering) bis 1,0 (hoch)
i.... Intensitätsfaktor 0,5 (gering) bis 1,0 (hoch)
3. Anhand der Kennzahl ergibt sich die Zustandsklasse eines Bauteils:
Zustandsklasse 1 sehr guter Zustand
Zustandsklasse 2 guter Zustand
Zustandsklasse 3 ausreichender Zustand
Zustandsklasse 4 mangelhafter Zustand
Zustandsklasse 5 schlechter Zustand
Bei der Anwendung der Nachrechnungsrichtlinie ist der
aktuelle Bauwerkszustand zu beachten
17. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Inhaltsübersicht
Beispiel Nachweisstufe 4 - Sonderlast
Life Cycle Engineering
Simulation von Reparaturschweißungen
Beispiel Nachweisstufe 2 - Plattenbeulen
17
Tragfähigkeitsbewertung bestehender Brücken nach ONR 24008
Beispiel Nachweisstufe 3 – Rissfortschrittsberechnung
Motivation
18. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Nachweis Stufe 2 – Plattenbeulen mittels FEM
18
Beispiel eines Beulfeldes einer bestehenden Brücke
für den Nachweis nach den aktuellen Normen (EUROCODE)
19. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Beispiel für Nachweis Stufe 2 - Plattenbeulen
19
Nachweis der Traglast nach dem Verfahren GMNIA (Stufe 4)
1. Linear Analysis (LA)
2. Linear Beulanalyse (LBA)
3. Traglastberechnung unter Ansatz von Imperfektionen und
Berücksichtigung der nichtlinearen Werkstoffeigenschaften (GMNIA)
LBA GMNIA
(Imperfektionen aus LBA)
LA
20. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Interessante Eigenformen aus der LBA
→ Leitimperfektion plus eine (oder mehrere ?) Begleitimperfektionen
Mode 10 Mode 17 Mode 21
Mode 1 Mode 2 Mode 4
Beispiel für Nachweis Stufe 2 - Plattenbeulen
21. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Nichtlineare Beulanalyse (GMNIA)
Aufgrund der großen Anzahl möglicher Kombinationen, wurden 5 plausible Kombinationen
untersucht:
set 1: 1.0 x Mode 31 (+12.0mm) + 0.7 x Mode 34 (-2.8mm) + 0.7 x Mode 47 (-2.8mm)
set 2: 0.7 x Mode 31 (+8.4mm) + 1.0 x Mode 34 (-4.0mm) + 1.0 x Mode 47 (-4.0mm)
set 3: 1.0 x Mode 31 (+12.0mm) + 0.7 x Mode 40 (+2.8mm)
set 4: 1.0 x Mode 31 (+12.0mm) + 0.7 x Mode 51 (+2.8mm)
set 5: 0.5 x Mode 31 (+6.0mm) + 0.7 x Mode 34 (-2.8mm) + 0.7 x Mode 47 (-2.8mm)
4800mm
min , 12,0mm
200 200 2 200
800mm
min , 4,0mm
200 200 200
global global
global
local local
local
a b
e
a b
e
Beispiel für Nachweis Stufe 2 - Plattenbeulen
22. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Abweichung ~8%
0.66
1.08
0.61
v’Mises Spannungen [N/mm²].
Nichtlineare Beulanalyse (GMNIA)
Beispiel für Nachweis Stufe 2 - Plattenbeulen
23. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Analytischer Fließlinien Mechanismus
Roof-shaped mechanism
2 2
2 2
1 1
2 2
1 1 1x z z
y
d u d ub c c
f b d t d t b
Beispiel für Nachweis Stufe 2 - Plattenbeulen
23
Verformungen aus der Ebene uz [m]
b/t = 1000 / 13.5 = 74<100
x/fy
24. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Fig. 8: Plastic strains ~ Roof shaped mechanism. Fig. 9: Out of Plane Displacement.
Ergebnisse nach GMNIA
Post Buckling behavior
Imperfections for GMNIA according to EN 1993-1-5
1,0 x Global (Mode 1) + 0,7 x Local (Mode 3)
Beispiel für Nachweis Stufe 2 - Plattenbeulen
24
25. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Validierung von FEM-Ergebnissen
Verformungen aus der Ebene uz [m]
Beispiel für Nachweis Stufe 2 - Plattenbeulen
25
26. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Inhaltsübersicht
Beispiel Nachweisstufe 4 - Sonderlast
Life Cycle Engineering
Simulation von Reparaturschweißungen
Beispiel Nachweisstufe 2 - Plattenbeulen
26
Tragfähigkeitsbewertung bestehender Brücken nach ONR 24008
Beispiel Nachweisstufe 3 – Rissfortschrittsberechnung
Motivation
28. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Nachweis Stufe 3 – Bruchmechanische Konzepte
Rissfortschrittsrichtung
RAINFLOWCOUNTING
CRACK GROWTH LAW
28
29. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Nachweis Stufe 3 – Bruchmechanische Konzepte
Risswachstumsrate
mda
C K
dN
Parisgleichung (1963)
NASGRO-Gleichung
p
th
n
q
max
C
K
1
Kda 1 f
C K
dN 1 R K
1
K
29
30. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Nachweis Stufe 3 – Bruchmechanische Konzepte
Rissfortschrittsberechnung am Beispiel eines Brückenquerträgers
30
31. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Kerbarme Sanierungslösungen
31
Ausarbeitung von
Sanierungslösungen
32. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Inhaltsübersicht
Beispiel Nachweisstufe 4 - Sonderlast
Life Cycle Engineering
Simulation von Reparaturschweißungen
Beispiel Nachweisstufe 2 - Plattenbeulen
32
Tragfähigkeitsbewertung bestehender Brücken nach ONR 24008
Beispiel Nachweisstufe 3 – Rissfortschrittsberechnung
Motivation
33. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Simulation von Reparaturschweißungen
Experimentelle Untersuchungen
1600kN Hydropulsmaschine der TVFA Innsbruck
Bauteilversuche am
Probekörper V1
33
34. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Numerische Untersuchungen
Kerbspannungen am Neubermodell
Simulation von Reparaturschweißungen
34
35. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Numerische Untersuchungen
Kerbspannungen am realen Modell
(Reale Geometrie wurde über einen Abdruck abgenommen und anschließend
digitalisiert.)
Simulation von Reparaturschweißungen
35
Detail Abdruck (positiv)
Digitales Modell In Rechenmodell eingebaut
Kerbspannungen
FE-Netz
36. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Simulation von Reparaturschweißungen
36
Vernetzung
Schweißrichtung
37. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Simulation von Reparaturschweißungen
37
Temperaturverlauf aus Schweißprozess 1. Lage
Schweißrichtung
Schweißrichtung
Schweißrichtung
38. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Schweißverzug während und nach des Schweißprozesses
Simulation von Reparaturschweißungen
38
Schweißrichtung
39. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien
Gerhard LENER
Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn.
41
Vielen Dank für
Ihre Aufmerksamkeit