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Einfluss dauerhafter Kennzeichnungsmethoden auf das Ermüdungsverhalten von Baustählen

Jungbluth, Dominik

Stahlbauteile müssen während aller Fertigungsabschnitte identifizierbar und rückverfolgbar sein. Die Wahl der Kennzeichnungsmethode ist in einschlägigen Normen nicht zwingend vorgeschrieben. In der für die Fertigung von Stahltragwerken anzuwendenden DIN EN 1090-2 ist geregelt, dass die Aufbringung von dauerhaften Kennzeichnungen nicht zu Beschädigungen des Bauteils führen darf. Weiterhin sind harte Kennzeichnungsmethoden wie Hartprägungen, gebohrte oder gestanzte Markierungen nur zulässig für Stahlsorten des Festigkeitsbereiches bis einschließlich S355 und nur in festgelegten Bereichen, in denen die Markierung keinen Einfluss auf das Ermüdungsverhalten hat. Eine Forderung nach dauerhaften Kennzeichnungsmethoden impliziert die Widerstandsfähigkeit der Markierungen gegenüber nachgeschalteten Fertigungsprozessen wie Strahlen, Beschichten oder Feuerverzinken sowie gegenüber Witterungseinflüssen. Für eine dauerhafte Kennzeichnung eignen sich insbesondere Methoden wie Hartes Stempeln, Fräsen, Plasmamarkieren oder Nadeln. Hersteller von Maschinen haben in den letzten Jahren ihre Produkte derart weiterentwickelt, dass die genannten Markiermethoden in Fertigungsstraßen eingebunden werden können. Manuelle Bearbeitungs- oder Markierprozesse wie das Anreißen von Bauteilen oder das Aufbringen von Kennzeichnungen können somit durch vollautomatische Prozesse ersetzt werden. Nichtsdestotrotz bewirken dauerhafte Kennzeichnungsmethoden eine Oberflächenveränderung und hinterlassen eine Kerbe, welche einen Einfluss auf das Ermüdungsverhalten haben kann. Dieser Einfluss wurde bisher nicht im Detail untersucht, weshalb eine Einordnung der Markierkerben in den Europäischen Kerbfallkatalog nach DIN EN 1993-1-9 prinzipiell nicht möglich ist. Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht darin, eine Einschätzung des Einflusses praxisüblicher dauerhafter Kennzeichnungsmethoden auf das Ermüdungsverhalten von Baustählen zu erlangen, mit deren Hilfe sich die Schwere der ermüdungswirksamen Schädigung der Kennzeichnungsmethoden abbilden lässt. Hierzu werden die durch die untersuchten Kennzeichnungsmethoden installierten Oberflächenkerben charakterisiert und spezifische Eigenschaften herausgearbeitet. Darüber hinaus werden Ermüdungsversuche an Prüfkörpern vorgestellt und interpretiert. Die durchgeführten experimentellen Untersuchungen umfassen Versuchsserien mit Prüfkörpern aus der im Brückenbau üblichen Stahlsorte S355J2 sowie der Stahlsorte S460N zur Abdeckung eines höheren Festigkeitsbereiches. Zur Überprüfung eines möglichen Blechdickeneffektes wurden drei verschiedene Blechdicken 15, 25 und 40\mim untersucht. Auf Basis der experimentellen Untersuchungen zur Bestimmung der geometrischen Eigenschaften der Kerben werden die vorgestellten Kennzeichnungsmethoden anhand von Finite Elemente Simulationen eingeordnet und bewertet. Mithilfe aller erarbeiteten Versuchsdaten werden Empfehlungen zur Einarbeitung der Ergebnisse in die Normung vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen erwartungsgemäß, dass das Ermüdungsverhalten durch aufgebrachte Kennzeichnungen negativ beeinflusst wird. Die Abnahme der Ermüdungsfestigkeit lässt sich für die meisten Kennzeichnungsmethoden auf den geometrischen Kerbeffekt infolge der Kennzeichnungen zurückführen. Demzufolge nimmt der Einfluss der Kennzeichnung auf das Ermüdungsverhalten mit zunehmender Kerbtiefe und -schärfe zu. Dennoch lassen sich infolge der Kennzeichnungen vergleichbar hohe Ermüdungsfestigkeiten erzielen, welche eine günstige Kerbfalleinordnung im oberen Bereich des Europäischen Kerbfallkatalogs zur Folge haben.

Steel components have to be identifiable and traceable during the whole manufacturing chain. The choice of the identification method is not specified consistently in international rules and standards. EN 1090-2 specifies that the use of durable marks may not result in producing damages and that hard stamped marks are only permitted for steel grades up to S355 and only in areas where no effect on the fatigue life is expected. In terms of durability, markings should be resistant against particular manufacturing processes such as sandblasting, hot-dip galvanizing or coating. In detail these methods are hard stamping, scribing, plasma marking and needling. Nowadays, the industry has developed machines with integrated automatic marking processes. Consequently, manual layout scribing is not required anymore during manufacturing processes of steel components and components can be marked on the fly. However, the effect of the installed notch due to the marking process on the fatigue strength of the components is questionable. As no systematic investigations on this topic have been carried out up to now, marked notch details are not covered within the detail categories of EN 1993-1-9. For this reason, in the frame of this thesis, notches installed by the mentioned durable marking methods are characterized and specific geometrical properties are identified by three-dimensional models achieved with microscopic focus-variation technology. Furthermore, experimental fatigue tests with specimens of two different steel grades S355J2 and S460N are presented and evaluated. Three different plate thicknesses 15, 25 and 40\mim were examined to evaluate whether a size effect can be observed. Based on the experimental investigations concerning the geometrical properties, the examined durable marking methods are classified and reviewed using finite element simulations. Regarding the results of the experimental and numerical investigations, the achieved insights are used to formulate recommendations for considering and dealing with durable marking methods. As expected, the fatigue behaviour is influenced by the markings with a decrease of the fatigue life. The influence of markings on the fatigue life depends for most methods on the geometry and the surface conditions of the notch. Nevertheless, the achieved fatigue strengths lead into relatively high FAT classes according to EN 1993-1-9.

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Jungbluth, Dominik: Einfluss dauerhafter Kennzeichnungsmethoden auf das Ermüdungsverhalten von Baustählen. 2018.

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