Dietz, P.

Dzik, St.

Siemieniec, A.

Wolny, St.

Publikationsserver der Technischen Universität Clausthal

IMW - Institutsmitteilung Nr. 29 (2004) 121Einfluß der technologischen Verdichtung auf den Zustand der Span-nungen in Kastenträgern von KränenWolny, St.; Siemieniec, A.: Dzik, St.; Dietz, P.In diesem Referat haben die Autoren versucht, dieStörungen des Spannungszustands (Distorsion) zuanalysieren, die die Folge der durchgeführten Re-generation durch die Verdichtung der Kastenträgervon Brückenkränen sind. Die technologische Verdich-tung wird durchgeführt, um den Träger zu richten, derdauerhaft im Laufe des Betriebs verformt wurde. DieWiederherstellung des „Nullpfeils" der Durchbiegungist möglich durch das Aufschweißen von Stahlla-schen im unteren Teil des Kastenträgers. Diese Ope-ration lässt sich bei der Vorverdichtung der Trägers(Schlagen) bis zum „Nullpfeil" der Durchbiegung oderohne Vorverdichtung durchführen. Die Vorverdichtungoder technologische Verdich-tung ruft verschiedene Span-nungen hervor, die in diesemReferat dargestellt werden.Einige Spannungszuständewurden mit Hilfe von tenso-metrischen Messungen er-mittelt.The report analysed thedisturbances of distortion,which are consequences ofthe realised regeneration bycompression of box girderfrom gantry cranes. Thecompression is realised inorder to level the girder,which is deformed in thecourse of operation. Therestoring of deflection is en-abled by welding of steel-straps on the bottom side ofthe box girder. Due to com-pression several tensionsare generated. Some ofthem are determined withtensometric measurements.1 EinleitungDie Kastenträger von Brückenkränen unterliegenwährend des Betriebs gewissen Dauerverformun-gen. Diese Verformungen wachsen im Laufe derBetriebszeit von diesen Kränen an. Es können verti-kale Durchbiegungen, parallele Verschiebungen vonTeilen - oder horizontale Verschiebungen der Stegesein. Manchmal treten Verformungen auf, in denennicht nur vertikale oder horizontale Verschiebungenzu beobachten sind, sondern es kann auch zur Dre-hung des Querschnitts vom Träger /3, 4, 5/ kom-men. Der Verlauf des Anwachsens von Dauer-durchbiegungen der Kastenträger für einige Krä-ne, die in verschiedenen Abteilungen von HTS(Sendzimir-Hütte in Krakau) arbeiten, ist in Bild 1dargestellt.Bild 1: Verlauf des Anwachsens von Dauerdurch-biegungen der Kastenträger von Kränen122 IMW - Institutsmitteilung Nr. 29 (2004)Außerdem wurden horizontale Verformungen (desUnterteils und Oberteils) im gegebenen Träger derKräne in Bild 2 (geodätisches Dokument) dargestellt.Bild 2: Geodätisches Dokument, das horizontaleVerformungen des Oberteils und Unterteilsvom ausgewählten Kastenträger des KransdarstelltSeit vielen Jahren arbeitet man daran, die ursprüngli-che (geradlinige) Form der Träger wiederherzustellen.Diese Arbeiten, sowohl theoretische /1, 2, 6, 7/ alsauch Experimente an wirklichen Objekten /10, 11/ so-wie an Modellen /1/ insgesamt haben dazu geführt,dass eine spezielle Methode der Regenerationvon dauerhaft verformten Kastenträgern derBrückenkräne erarbei tet  wurde. Es is t  e i -ne Methode, d ie das Phänomen desSchweißschrumpfes von den auf Trägerteile aufge-schweißten Laschen ausnutzt. Solch eine „Ver-dichtung" der Träger führt in die Konstruktion ver-schiedene Distorsionen ein. Diese Distorsionenrufen in den Elementen der Tragkonstruktionenvon Kastenträgern der Brückenkräne Vorzustän-de der Spannung und Verformung hervor. DieseZustände können sich unterschiedlich auf dasVerhalten der Trägerkonstruktion im Laufe des Be-triebs auswirken.Um den unangenehmen Überraschungen wäh-rend des Betriebs von regenerierten Kränen vor-zubeugen - die eine Folge der in die Konstruktionwährend der Modernisierung eingeführten Distorsi-onen sind, beschloss man bereits in der Phase derProjektierung der Regeneration die negativen Ein-wirkungen der Distorsionen zu eliminieren.Zu diesem Zweck wurden zwei Probleme analy-siert:a) Probleme der Vorzustände, die durch den be-stimmten Distorsionszustand hervorgerufenwerden,b) Identifizierung der Distorsionszustände, diedie bestimmten Vorzustände hervorrufen.In diesem Referat wurde die Änderung des Span-nungszustands darge-stellt, die eine Folge derdurchgeführten Regene-ration von dauerhaft ver-formten Kastenträgern ist.Da die Kräne durch dasAufschweißen von Sei-ten- oder Unterlaschensowohl direkt auf ver-formte Träger oder be-reits durch das bisherübliche „Schlagen" rege-nerierte Träger Instandgesetzt werden, hat man es mit zwei Varianten derVerdichtung und deren Spannungszuständen zutun, die analysiert werden müssen:- Spannungszustand, der durch das Eigengewichtder Anlage, das Gewicht der Podeste hervorge-rufen wird, und der die Folge von aufgeschweiß-ten Seiten- oder Unterlaschen ist,- Spannungszustand, der durch das Eigenge-wicht der Anlage, das Gewicht der Podeste,durch das „Schlagen" der Träger hervorge-rufen wird, und der die Folge von aufge-schweißten Seiten- oder Unterlaschen ist.Die theoretische Analyse des Spannungszustandsin den Querschnitten der Träger hat man mit Er-gebnissen der Experimente (tensometrisehenMessungen) verifiziert, die man an realen Objektenim Laufe der Regeneration durchgeführt hat (Aus-gleichen der Dauerdurchbiegungen der Kastenträ-ger von Kränen).2 Spannungszustand in den Trägern derKräne, der durch das Aufschweißen vonUnter- und Seitenlaschen entsteht (zwei-stufige Verdichtung)Den Gegenstand der Analyse bildet der Trägerdes Krans mit der Weite von L = 28 [m] und mitder Tragkraft von Q = 125[kN]. Die Trägerdieses Krans hatten Dauerdurchbiegungen,deren Werte betrugen für den Träger auf derSeite der Speisung fz = 33[mm], und auf derSeite des Antriebs fn = 42 [mm]. Den Prozeßdes Ausgleichens von dauerhaften Durchbie-gungen hat man in zwei Phasen durchgeführt.In der ersten Phase hat man die Lasche auf denUnterteil, und in der zweiten Phase zwei Seiten-IMW - Institutsmitteilung Nr. 29 (2004) 123laschen auf den Steg aufgeschweißt. Die Arbei-ten wurden von einem besonders zu diesemZweck errichteten an den Trägern aufgehängtenGerüst aus durchgeführt. Das Gewicht des Ge-rüsts hat eine zusätzliche Durchbiegung derTrägern von fsr = 8 [mm] verursacht, was zu-sätzliche Spannungen eingeführt hat. Die geo-metrische Charakteristik des Querschnitts einesregenerierten Trägers vor der Verdichtung undwährend des Aufschweißens von Laschen zeigtdas Bild 3.Bild 3: Geometrische  Charakteristiken desTrägers,  der einer zweistufigen  Ver-dichtung ausgesetzt wurdeDer Spannungszustand im Querschnitt desTrägers vor der Verdichtung wurde verursachtdurch das Eigengewicht der Konstruktion (dasgleichmäßig verteilt war und den Charakter ei-ner Dauerbelastung von q = 5,3 [kN/m] hatte)und durch das Gewicht des Gerüsts, das einezusätzliche Durchbiegung des Trägers von fsrverursachte (der Wert dieser Durchbiegungwurde geodätisch verändert). Die Werte von die-sen Größen ermöglichten, die Höchstspannungenim Querschnitt des Trägers zu ermitteln, die ent-sprechend betragen:σw = 33[MPa] - Spannung vom Eigengewichtσr = 15,1[MPa] - Spannung vom GerüstgewichtSpannungen, die von der Verdichtung kommen,werden durch die Abhängigkeit (1) bestimmt /9/:(1)wo:n = die Zahl der SchweißnähteE = Koeffizient der longitudinalen Elastizitätµ = - 3,53 x 106[cm3/Zoll] - Konstanteql = 1400a2 [Zoll/cm] -Linearenergie derSchweißnahtJxI(II) = Trägheitsmoment entsprechend in der er-sten und zweiten Phase der VerdichtungAI(II) = Querschnittsfläche entsprechend in derersten und zweiten Phase der Verdichtung[cm²]yx = Entfernungder Schweißnaht-achse vom Schwer-punkt des Quer-schnitts [cm]y = Entfernungder Faser von derAchse Xc, die durchden Schwerpunkt[cm] geht.Aus der Formel (1)hat man nach derErmittlung entspre-chender Größen(vom Bild 3) die Werte der Spannungen ent-sprechend für die erste und zweite Phase derVerdichtung bekommen:σs1 = 13,3 [MPa] - Spannung im Oberteil,σs2 = -26,6 [MPa] - Spannung im Unterteil,σ´´s1 = 19,1 [MPa] - Spannung im Oberteil,σ´´s2 = -104,5[MPa] - Spannung im Unterteil.Während der Verdichtung im Bereich derSchweißnähte erscheinen Umformzonen, in de-nen Spannungen auftreten, die Dehnungen ander Grenze der plastischen Verformbarkeitdes Stoffes Re verursachen. Wenn die Vor-spannungen /9/ auftreten, lassen sich die Grö-ßen der Umformzonen nach der Formel (2) er-mitteln:(2)124 IMW - Institutsmitteilung Nr. 29 (2004)Wenn es keine Vorspannungen gibt, ermitteltman die Umformzonen nach der Formel:(3)mβ = Koeffizient, der den Einfluss von Vorspan-nungen bestimmt(4)∆0 = relative übrig bleibende Verformung:(5)n = die Zahl der Schweißnähte,εe = 12 x 10-4 - elastische Verformung, die derGrenze der plastischen Verformbarkeit ent-spricht.Der Wert des Koeffizienten mβ wird folgendermaßen/9/ angenommen:mβ = 1 - ß       für 0< ß< 1mß = 1 - 2ß     für -0,5< ß< 0                         (6)mß = 4ß für -0,75< ß< -0,5 (6) 9Für den besprochenen Fall AeI = 13,34 [cm²],A'eII = 26,77 [cm²]Die in einzelnen Phasen der Verdichtung desTrägers auftretenden Spannungen und derensummarische Werte sowie Uniformzonen sind inBild 4 dargestellt:Bild 4: Zusammenstellung von Spannungen vorund nach der Verdichtung des Trägers.Während der Verdichtung wurden tensome-trische Messungen im Moment des Auf-schweißens der Unterlasche und der Seitenla-schen durchgeführt. Die Stelle, wo die Tenso-meter aufgeklebt wurden und die Verteilung derSpannungen auf den Wänden des Stegs sind inBild 5 dargestellt.Bild 5: Anordnungen von Tensometern und Ver-teilung der Spannungen bei der Verdich-tung in zwei Phasen3 Spannungszustand in den Trägern derKräne, der durch das Aufschweißen vonLaschen hervorgerufen wird bei dem das„Schlagen“ des Trägers voran-gehtDen Gegenstand der Analyse bildetder Träger des Krans mit der Weitevon L = 19 [m] und mit der Trag-kraft von Q = 200 [kN]. Die Trä-ger dieses Krans hatten Dauer-durchbiegungen, deren Werte be-trugen für den Träger auf der Seiteder Speisung fz = 14[mm], und aufder Seite des Antriebs fn = 21[mm]. Den Prozeß des Ausgleichens hat man mitHilfe des „Schlagens" der Träger bis zu „Nullpfei-len" der Durchbiegung durchgeführt, und dannIMW - Institutsmitteilung Nr. 29 (2004) 125hat man sie durch das Aufschweißen der Sei-tenlaschen verdichtet. Die geometrische Charakte-ristiken des Querschnitts des analysierten Trägerszeigt das Bild 6.Bild 6: Geometrische Charakteristiken des Trä-gers, der mit Schlagen verdichtet wurde.Ähnlich, wie in der im Punkt 2 analysierten Va-riante der Verdichtung kommen die Höchstspannungen im Querschnitt des Trägers von:Bild 7: Zusammenstellung von gemessenenSpannungen nach Schlagen und Ver-dichtung.σw = 19,l[MPa] - Spannungen vom Eigengewicht,σr = 17[MPa] - Spannungen vom Gewicht des Ge-rüsts,und auch von der Verformung, die durch das„Schlagen" des Trägers hervorgerufen wird:σp = - 80,6[MPa] - Spannung vom Schlagen.Spannungen, die von der Verdichtung kom-men, werden ähnlich wie im Punkt 2 nach derFormel (1) ermittelt. Sie betragen entsprechend:σ´s1 = 26,2 [MPa] - Spannungen im Ober-teil,σ´s2 = -121 [MPa] - Spannungen im Unter-teil.Die in einzelnen Phasen der Belastung auf-tretenden Spannungen und summarischeSpannungen im Querschnitt des Trägerssind in Bild 7 dargestellt:Während des Schlagens und der Verdichtungwurden tensometrische Messungen desVerformungszustands durchgeführt. DieMesspunkte und Diagramme der Verteilungvon Spannungen nach „Schlagen" und Ver-dichtung zeigt das Bild 8.Auch in diesem Fall der Verdichtung entste-hen Uniformzonen, in denen Spannungengleich der Grenze der plastischen Verform-barkeit Re sind. Die Größe der Umformzonenwurde für diesen Fall der Verdichtung nach derFormel (3) ermittelt, und sie betragen entspre-chend:für die Schweißnaht a = 5 [mm]       AeI = 9,55 [cm²]für die Schweißnaht a = 7 [mm]     AeII = 16.35 [cm²]Die Größen von diesen Zonen wurden in Bild 7 dar-gestellt.4 SchlussfolgerungenAuf Grund von theoretischen Überlegungen und vondurchgeführten Experimenten hat man folgendeSchlüsse gezogen:1. Auf die Träger wirken sich während der Ver-dichtung verschiedene Distorsionszuständeaus, was zur Kumulation der Spannungen führt.126 IMW - Institutsmitteilung Nr. 29 (2004)Bild 8:  Anordnungen von Tensometern und Ver-teilung der Spannungen während des „Schlagen"und der Verdichtung des Trägers2. Die regenerierten Träger befinden sich im Zustand der Einwirkung von Druckspannungensowohl in Oberteilen als auch in Unterteilen,aber die Spannungen in den unteren Fasernsind größer und betragen ca. 80 [MPa].3. Im Bereich der Schweißnähte treten die Um-formzonen auf, in denen es die Spannung gibt,die der Grenze der plastischen Verformbar-keit mit Pluszeichen Re (Dehnungsspan-nung) erreichen.4. Solch ein Spannungszustand kann sich auf dieBetriebsfestigkeit der Träger auswirken, wennsie der Nutzbelastung ausgesetzt werden.Deshalb ist das Verhalten von diesen Trägernwährend des Betriebs zu überwachen.5 Literatur/1/ Blum A., Dzik S., SiemieniecA.: Badanie wartosci silwewnetrznych w procesie spawa-nia nakladek sprezajacychtrwale odksztalconych dzwiga-row skrzynkowych suwnic po-mostowych. XV wissenschaftlicheTagung der experimentellen Me-chanik des Festkörpers. Jachranka1992, S.23-26./2/ Dzik S., Obrzud K., WolnyS., : Wplyw sprezania na stan na-prezenia i odksztalcenia skrzynko-wego dzwigara suwnicy. ZN AGHMechanika, Band 13, Heft 4. 1994,S. 507-519./3/ Dzik S., Obrzud K.: Sprezaniedzwigarow skrzynkowych suwnicpomostowych odksztalconychpoprzecznie i posiadajacychtrwale ugiecie pionowe. IX Konfe-renz - Probleme in der Kon-struktion und Ausnutzung derHütten- und Keramikmaschi-nen. II Zakopane 1996, S. 55-62/4/ Dzik S., Obrzud K.: Zagad-nienia sprezania dzwigara skrzynkowegosuwnicy w przypadkutrwalego odksztalce-nia pionowego, poprzecznego oraz obrotuprzekroju. Konferenz - Probleme der Ent-wicklung von Arbeitsmaschinen. Zakopane1997, S. 89-96/5/ Dzik S., Obrzud K.: Metodyka regeneracjidzwigarow skrzynkowych suwnic po-mostowych odksztalconych w ptaszczyzniepoziomej. Przegla mechaniczny Nr. 5-6,1999, S. 16-22./6/ Dzik S., Siemieniec A, Wolny S.: DasRichten von Stahlbauwerken durch gezieltaufgeschweißte Verstärkungslaschen. IMW-Miteilung Nr. 23, TU Clausthal 1998, S. 165 -170./7/ Dzik S., Wolny S.: Technological compresionas a mean to eliminate permanent defecti-ons of the traveling crane carrying gir-ders. Zbornik Slovenskich Prirodovedzova Technikov. Fakty, Heft 2, Liptovsky Mi-kulas. 1999, S. 25-29.

Einfluß der technologischen Verdichtung auf den Zustand der Spannungen in Kastenträgern von Kränen

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