Forschungsprojekt MOBEKO: Die Lebensdauer von (Stahl-)Konstruktionen verlängern

(10.2.2023) Der Bausektor spielt bekannterweise eine entscheidende Rolle auf der Nachhaltigkeitsagenda. Die Verlängerung der Lebensdauer von Windenergieanlagen, Brücken und anderen Bauwerken sowie ressourcenschonendere Konstruktionen sind derzeit die größten Herausforderungen im Bauwesen und Maschinenbau. Forscher der Hochschule München (HM) entwickelten dazu ein Ingenieurmodell, durch welches sich die Haltbarkeit für geschweißte Stahlkonstruktionen besser einschätzen lassen sollte.

Bei Bruchflächen prüfen die HM-Forschende, ob es einen speziellen Grund für die Rissentstehung gibt – z. B. Unregelmäßigkeiten im Werkstoff (Foto © Johanna Weber) 

Der ressourcenschonende Stahlbau bringt Lösungen für die drängenden Probleme unserer Zeit. Im Zuge der Energiewende werden zum Beispiel erneuerbaren Energien stark ausgebaut. In Deutschland sind aktuell rund 30.000 Windenergieanlagen im Einsatz. Zentral für ihre Wirtschaftlichkeit: die Haltbarkeit. Stahlkonstruktionen von Windenergieanlagen, Brücken oder großen Maschinen werden unter anderem durch starke Winde oder große Lasten beansprucht. Dies führt zur Werkstoffermüdung und somit zu Rissen und Brüchen an den Schweißnähten.

Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit im Fokus

Das Forschungsprojekt MOBEKO hatte das Ziel, die Lebensdauer von Bauwerken zu verlängern und Konstruktionen ressourcenschonender zu erstellen. Ein HM-For­schungs­team um Prof. Dr. Imke Engelhardt, Leiterin des Labors für Stahl- und Leichtmetallbau, und Richard Schiller vom Institut für Material- und Bauforschung der HM entwickelten dazu einen „Modifizierten Betriebsfestigkeitsnachweis von unbehandelten und HFH-nachbehandelten Schweißkonstruktionen unter Berücksichtigung von Kollektivform, Spannungsverhältnis und Kerbdetail“ (MOBEKO).

Längere Haltbarkeit durch Nachbehandlung

Maßgebend für die Ermüdungsfestigkeit von Stahlbaukonstruktionen sind die Qualität der Schweißnähte und eventuelle Unregelmäßigkeiten der Nahtübergänge. In ausführlichen Versuchsreihen ermitteln die Forscher die Einflüsse von Nachbehandlungen der Schweißnähte auf die Lebensdauer der Bauteile.

Besonders interessant sind die HFH-Verfahren, sogenannte höherfrequente Hämmerverfahren, die händisch angewendet werden. Konkret werden dabei mit einem Gerät in der Größe eines Bohrers die Schweißnahtübergänge plastisch verformt. Das verbessert die Nahtgeometrie und verfestigt die Randschicht und ist dadurch länger haltbar.

Weitere Qualitätssicherung ist durch eine visuelle Kontrolle möglich. Frau Engelhardt sagt dazu: „Bislang ist allerdings nicht geklärt, wie sich die Wirkung von Nachbehandlungen in einem verlässlichen Betriebsfestigkeitsnachweis rechnerisch ansetzen lässt.“

Bessere Lebensdauerabschätzung am Beispiel Windenergieanlagen

Bei Offshore-Windenergieanlagen kommen zusätzlich zu den Windlasten auf den Rotoren noch Belastungen der gesamten Konstruktion durch Wellen hinzu. Prof. Engelhardt erläutert: „Wenn wir mit unseren Forschungen zum Beispiel erreichen können, dass die Wandstärken der Offshore-Gründungsstrukturen von 100 mm auf 80 mm reduziert werden können, dann sparen wir bei jeder Anlage viele Tonnen Stahl ein.“

Das Institut für Material- und Bauforschung (IMB)  wurde im Juli 2019 an der Hochschule München gegründet und integriert die Fakultäten Architektur, Bauingenieurwesen und Maschinenbau. Der Fokus liegt dabei auf der langfristigen Erhaltung und nachhaltigen Entwicklung des Bau- und Infrastrukturbestands. Forschungsthemen umfassen unter anderem die Lebensdauer von Materialien, Konstruktionen und Bauwerken, Ressourceneffizienz und Lebenszyklusbetrachtungen sowie Zuverlässigkeit und Sicherheit.

Das Projekt MOBEKO wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert und lief bis zum 30. September 2022.