Title: Ermittlung von Kerbfunktionen nach dem Konzept der effektiven Kerbspannungen am Detail einer Trogbrücke mittels FEM-Analyse
Language: Deutsch
Authors: Scharf, Raphael 
Keywords: Kerbspannungen; FEM-Analyse
Kerbspannungen
Advisor: Aigner, Francesco 
Fink, Josef
Issue Date: 2020
Number of Pages: 163
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Diese Diplomarbeit besch aftigt sich mit der Bestimmung der Erm udungsfestigkeit am Anschlussdetaileiner eingleisigen Eisenbahnbr ucke. Der Regelquerschnitt besteht aus einem120 mm dicken Grobblech, sowie den beiden Obergurten und geneigten Stegblechen. DerAnschluss der Fahrbahnplatte an die Stege erfolgt mit zwei Kehln ahten. Aufgrund diesergeschwei ten, biegesteifen Verbindung liegt f ur die Quertragwirkung ein Rahmensystemvor, wodurch die beiden L angsn ahte neben den Normal- und Schubspannungen aus derL angstragrichtung auch Spannungen aus der Quertragrichtung ubertragen m ussen. Nach[ ONORM EN 1993-1-9, 2013] kann der Erm udungsnachweis f ur die L angs- und Querrichtunggetrennt gef uhrt werden. F ur die L angstragwirkung s amtlicher Schwei n ahte kannder Erm udungsnachweis nach dem Nennspannungskonzept gef uhrt werden. In Querrichtungmuss auf das Konzept der e ektiven Kerbspannungen zur uckgegri en werden, da inden aktuellen Normen keine passenden Kerbf alle vorhanden sind. Das Ziel der Diplomarbeitist die Ermittlung eines Formelwerkes zur Berechnung der e ektiven Kerbspannungan der ma gebenden, kritischen Stelle der unteren Schwei naht (K21) und die Betrachtungdes gesamten Trogbr uckendetails zur Erlangung neuer Erkenntnisse in Bezug auf dieMaterialerm udung.Zun achst wird untersucht, wie die e ektive Kerbspannung an der kritischen Stelle K21 beeinusst wird, wenn einzelne Parameter variiert werden. Durch diese Parametervariationgelingt es, das umfangreiche Parameterfeld zu minimieren. Die e ektiven Kerbspannungenk onnen nun f ur das endg ultige Parameterfeld mittels numerischer Methoden berechnetwerden. Die anschlie ende De nition einer elementar berechenbaren, ideellen Bezugsspannungerm oglicht es, durch das Verh altnis der Kerbspannungsh ochstwerte und besagterBezugsspannung die Kerbfaktoren zu berechnen. In weiterer Folge k onnen die Kerbfunktionen,bestehend aus einer Grundfunktion und Anpassungsfaktoren zur Ber ucksichtigungder Schnittgr o eninteraktionen, mit Hilfe der Methode der Kleinsten Fehlerquadrate andie numerischen Kerbfaktoren angen ahert werden. Die Ermittlung des Formelwerkes, zurBeschreibung der e ektiven Kerbspannung an der kritischen Stelle K21, erfolgt schlie lichdurch das Gleichsetzen der numerischen Kerbfaktoren mit den Funktionswerten der Kerbfunktionen.Mit dem Formelwerk ist es m oglich, ohne Kenntnis entsprechender Methodenund ohne einer speziellen Rechensoftware die e ektive Kerbspannung f ur die vorliegendeSchwei nahtsituation zu ermitteln.F ur die Ermittlung der Bezugsspannungen m ussen noch die erm udungsrelevanten Schnittgro en berechnet werden. Dies erfolgt numerisch mit einem dreidimensionalen Schalenmodell.Zur Beschreibung des Eisenbahnverkehrs wird das Lastmodell 71 herangezogen. DieBerechnung der e ektiven Kerbspannungen erfolgt f ur die ma gebenden kritischen Stellen,sprich die Wurzel der oberen Schwei naht (K11), die Kerbe der oberen Schwei naht beimUbergang von der Schwei nahtober ache zum Stegblech (K12) und die Wurzel der unterenSchwei naht (K21). Die Berechnung der e ektiven Kerbspannung an der kritischenStelle K21 erfolgt mit dem Formelwerk gem a der vorliegenden Diplomarbeit, w ahrenddie e ektiven Kerbspannungen an den kritischen Stellen K11 und K12 gem a [Schachinger,M., 2018] berechnet werden. Ein anschlie ender Vergleich der e ektiven Kerbspannungenliefert in Bezug auf die Materialerm udung neue Erkenntnisse zur Auslegung derTrogbr uckengeometrie und eine Strategie zur Bemessung der oberen und unteren Schwei -nahtdicke.

This diploma thesis deals with the determination of the fatigue strength at the connectiondetail of a single-track railway bridge. The standard cross section consists of a 120 mmthick steel plate, as well as the two top anges and inclined web plates. The connectionof the deck plate on the webs takes place by means of two llet welds. Because of thisrigid, welded connection, there is a frame system for the transverse load-bearing e ect,whereby the two longitudinal welds, in addition to the normal and shear stresses from thelongitudinal load direction, have also to transmit stresses from the transverse load direction.According to [ ONORM EN 1993-1-9, 2013], the fatigue veri cation can be performedseparately for the longitudinal and transverse directions. For the longitudinal load-bearinge ect of all welds, the fatigue veri cation can be carried out according to the nominalstress concept. In the transverse direction the concept of e ective notch stresses must beused, because there are no suitable notch cases in the current standards. The aim of thisdiploma thesis is the determination of a formula for calculating the e ective notch stressat the relevant, critical location of the lower weld (K21) and the treatment of the wholedetail to gain new insights into material fatigue.First, it is examined how the e ective notch stress at the critical point K21 is in uencedwhen individual parameters are varied. With this parameter variation it is possible tominimize the extensive parameter eld for the further investigations. The e ective notchstresses can now be calculated with the nal parameter eld using numerical methods. Thede nition of an elementally calculable, ideal reference stress enables the notch factors tobe calculated by the ratio of the maximum notch stress and the reference stress. Subsequently,the notch functions consisting of a basic function and adjustment factors to takeinto account the interaction of all internal forces can be approximated to numerical notchfactors by the using of the Least Squares Method. The determination of the formulas todescribe the e ective notch stress at the critical point K21 is performed by equating thenumerical notch factors with the function values of the notch function. With these formulasit is possible to determine the e ective notch stresses for the current weld situation withoutknowledge of appropriate methods and without special computer software.To determine the reference stresses, the fatigue-relevant internal forces have to be calculated.This is done using a three-dimensional shell model. For description of the railwaytra c the load model 71 is used. The e ective notch stresses are calculated for the relevantcritical points, in other words, the root of the upper weld (K11), the notch of theupper weld at the transition from the weld surface to the web plate (K12) and the rootof the lower weld (K21). The e ective notch stress at critical point K21 is calculated bythe formulas according to the present diploma thesis, while the e ective notch stresses atcritical points K11 and K12 are calculated according to [Schachinger, M., 2018]. A subsequentcomparison of the e ective notch stresses provides new insights for the design of thetrough bridge geometry and a strategy for dimensioning the upper and lower weld seamthickness with regard to material fatigue.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-137068
http://hdl.handle.net/20.500.12708/1294
Library ID: AC15636413
Organisation: E212 - Institut für Tragkonstruktionen 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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