Reiterer Daniel, 2012-04:
Ein Beitrag zur praxisgerechten numerischen Simulation der Restlebensdauer von Seilbahnkomponenten mit Hilfe bruchmechanischer Konzepte

Kurzfassung:

In vielen Fällen stellt die Materialermüdung die Hauptursache der Schäden an bestehenden Stahlkonstruktionen unter zyklischer Beanspruchung dar. Mit dem Auftreten eines Anrisses ist in der Regel die maximale Nutzungsdauer des Bauwerkes noch nicht erreicht. Mit der Betrachtung der Rissfortschrittphase kann dies berücksichtigt und die Restlebensdauer ermittelt werden. Auch bei den zwei behandelten Schadensfällen, nämlich bei Anrissen an der Seilscheibe und an einem Stützenjoch, konnte noch eine große Zahl an aufnehmbaren Lastwechseln bis zum Erreichen des Grenzzustandes ermittelt werden.

In der vorliegenden Arbeit wurde ein Programm erstellt, das mit Hilfe der FE-Methode, die Bestimmung der Restlebensdauer unter Betrachtung der Rissfortschrittsphase im gesamten Bauwerk mit den entsprechenden Randbedingungen und Belastungen zulässt.

So erfolgt die Ermittlung der Beanspruchungen in der Rissumgebung und der Spannungsintensitätsfaktoren unter Berücksichtigung der komplexen Geometrie und Belastung, die in Form von mehreren Lastfällen aufgebracht werden kann. Durch die Betrachtung des gesamten Bauwerks, ist es möglich bei redundanten Konstruktionen Spannungsumlagerungen beim Fortschreiten der Risse in die Berechnung mit einfließen zu lassen. Sind mehrere Risse im Bauwerk vorhanden, so erfolgt die Simulation des Rossfortschrittes unter Einbeziehung einer eventuellen gegenseitigen Interaktion und der Rissfortschritt wird für jeden Anriss mit der jeweiligen Rissablenkung und Rissgeschwindigkeit in das bestehende FE-Modell integriert. Verschiedene Rissfortschrittskonzepte können gewählt und Effekte wie Rissschließen und die Mittelspannungsabhängigkeit der Rissfortschrittsrate abgebildet werden.

 

Abstract:

In many cases material fatigue constitutes the main reasons for damages to steel structures subjected to cyclic loadings. The existence of a crack will not necessarily indicate the end of fatigue life of the existing structure. The crack propagation phase can be included in the assessment for the determination of the residual service life. In the two analyzed case studies, a large number of load cycles could be simulated before the end of service life was reached.

In this research a computer program based on the finite element method has been developed with the ability to determine the residual lifetime by simulation of the propagation of multiple cracks in the existing global structure.

The stress distribution in proximity of the crack and the stress intensity factor are computed taking into account the complex geometry and loads that can be applied in plural load cases. Due to consideration of the entire building, load redistribution in a redundant structure during the propagation of each crack can be included in the simulation. If several cracks are present in the structure, the simulation of crack growth is taking account for possible mutual interactions and for each crack the corresponding propagation and growth angle will be included in the existing FE-Model. Different types of crack growth laws can be selected and in addition crack closure effects and mean stress dependence can be considered.