A164

Erschließung des hochfesten Stahls für den Schiffbau


(A164 S 24/39/00)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Juli 2001 - 31. Dezember 2002

In dem vorliegenden Vorhaben wurden im Hinblick auf mögliche Anwendungen des hochfesten Stahls mit Streckgrenzen von bis zu 690 MPa in dickwandigen Bereichen der Schiffskonstruktion  verschiedene Untersuchungen durchgeführt. Diese erfolgten im Hinblick auf relativ dickwandige Bauteile z.B. in der oberen Gurtung großer Containerschiffe, in denen die zulässigen Spannungen hauptsächlich von der Streckgrenze des Werkstoffes bestimmt werden und hochfester Stahl erhebliche Einsparmöglichkeiten bietet.

Die experimentellen Untersuchungen konzentrierten sich auf die Schwingfestigkeit von Strukturdetails, die in den Längsverbänden des Schiffskörpers praktisch unvermeidbar sind und somit die Dimensionierung bestimmen: freie Blechkanten, Stumpfstöße ohne und mit Dickensprung sowie Längsspantstöße mit Abschweißlöchern. Als Werkstoff wurde hochfester Stahl mit einer Streckgrenze von 690 MPa gewählt (HF 69), der als Obergrenze für mögliche Anwendungen in der Schiffskonstruktion angesehen wird. Mit den Untersuchungen sollte somit der gesamte Bereich der hochfesten Stähle bis zu dieser Festigkeitsklasse abgedeckt werden.

Im Vergleich zu den bislang verwendeten normal- und höherfesten Stählen mit einer Streckgrenze von bis zu 355 MPa ergaben sich für den untersuchten hochfesten Stahl zum Teil gleiche und zum Teil etwas höhere Schwingfestigkeiten. Mit Untersuchungen zur Rauhigkeit und zum Eigenspannungszustand der Blechkanten sowie zum Nahtprofil der Stumpfstöße konnte das Schwingfestigkeitsverhalten erklärt werden.

Allerdings wurden einige nachteilige Fertigungseinflüsse identifiziert, die vor allem beim Einsatz von hochfestem Stahl zu beachten sind. Dazu gehören kleinere Heißrisse in den Stumpfstößen an dickeren Blechen. Grundsätzlich betrifft dieses Problem weniger den hochfesten Stahl als vielmehr den Schweißzusatzwerkstoff in Form eines rutilen Fülldrahtes. In den vorliegenden Untersuchungen wurde die Schwingfestigkeit durch die Heißrisse jedoch praktisch nicht beeinflusst, wie das Streuband der Lebensdauern der betroffenen Versuchsserien zeigte. Ein weiteres Problem betrifft die Fertigung der Montagestöße an Sektionen, die im Schiffbau traditionell mit temporär angeschweißten Knaggen erfolgt, mit denen die zu verbindenden Platte auf gleiche Höhe gebracht werden. Auf diese Weise wurden auch die Stumpfstoßproben hergestellt. Bei den Schwingfestigkeitsversuchen zeigten sich erstmals einzelne Risse an den Stellen, an denen die Hilfsschweißungen der Knaggen lagen. Bei hochfestem Stahl sind demnach die Montageverfahren dahingehend zu verändern, dass derartige Hilfsschweißungen entfallen oder diese mit großer Sorgfalt so entfernt werden, dass hiervon keine Gefahr für Schwingrisse ausgeht.

Im Rahmen der Untersuchungen wurden abschließend die möglichen Gewichtseinsparungen durch den Einsatz von hochfestem Stahl in der oberen Gurtung eines mittelgroßen Containerschiffes von ca. 3000 TEU ermittelt. Ein Vergleich der Hauptspantquerschnitte von mittelgroßen Containerschiffen, für die in den oberen Längsverbänden bei der Dimensionierung verschiedene Stahlfestigkeiten angenommen wurden, zeigt, dass bei auf übliche Weise geschweißten Schiffskonstruktionen aus hochfestem Stahl aus Betriebsfestigkeitsgründen höchstens etwa doppelt so hohe Spannungen wie beim normalfestem Stahl zugelassen werden sollten, wobei in dem Fall an vielen Stellen die Kerbwirkung durch konstruktive oder fertigungstechnische Maßnahmen zu verringern ist.
Bei dem untersuchten Containerschiff läge die Gewichtseinsparung im Hauptspantbereich bei knapp 10 % und bezüglich des gesamten Stahlgewichts bei knapp 5 %, wobei die Ersparnis infolge von HF 36 im unteren Bereich nicht eingerechnet ist, da dieser bereits heute dort zunehmend verwendet wird.

Forschungsstelle 1:
Technische Universität Hamburg-Harburg, Institut M-10 für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen (TUHH)
www.tu-harburg.de
 
Forschungsleiter 1:

Prof. Dr.-Ing. W. Fricke
(vorgelegt vom Verband für Schiffbau und Meerestechnik e.V., VSM für CMT, Hamburg)

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V. Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF