Bauwesen: Vermessung von Versuchskörpern und Evaluierung von Imperfektionen

Der Lehrstuhl für Metallbau der Technischen Universität München trägt seit vielen Jahrzehnten zur Entwicklung der Stahl- und Leichtmetallkonstruktionen im Bauwesen bei. Eine lange Tradition besteht dabei in den Bereichen Brückenbau, Stabilität, Konstruktion, Verbundbau, Ermüdung und Glasbau. Es werden aber auch immer wieder aktuelle Themen aufgriffen und neue Schwerpunkte gesetzt. In den letzten Jahren kamen so die Forschungsbereiche Brandschutz und Explosionsschutz hinzu, die neben der experimentellen Forschung auch hochkomplexe numerische Untersuchungen erfordern.

Anforderungen und Herausforderung an ein Messsystem

Aufgrund der experimentellen Forschung, die durch numerische Versuche ergänzt wird, sind für den Lehrstuhl die genauen Maße der Geometrien der Probekörper – im vorliegenden Fall Stützen – von Interesse, die im später als Referenz für Inspektionen verwendet werden. Häufig wurden diese Messaufgaben extern an Dienstleister vergeben. Dies war zum einen sehr kostenintensiv und hat daher nur die 3D-Messung an vereinzelten Probekörpern ermöglicht.

Bei der Suche nach einem passenden System spielten folgende Kriterien eine entscheidende Rolle: Präzision, Verarbeitbarkeit der gemessenen Daten in einer gängigen Software des Bauingenieurwesens, Benutzerfreundlichkeit sowie Scan- und Auswertedauer. Die Entscheidung fiel schließlich aufgrund verschiedener Faktoren auf den HandySCAN BLACK der Firma Creaform. Dieser portable 3D-Scanner unterscheidet sich von anderen Geräten auf dem Markt durch sein breites Spektrum an Messmöglichkeiten, der Kompatibilität der Daten mit gängigen CAD-Softwares, einer bereits erprobten und breiten Anwendung in namenhaften Unternehmen sowie einem überzeugenden Produktdesign.

Scan der Geometrie von Hochleistungsverbundstützen

Um Schiefstellungen und Verkrümmungen von Hochleistungsverbundstützen ermitteln zu können, müssen geometrische Imperfektionen gescannt werden. Eine Stütze ist nicht immer gerade, obwohl das natürlich der Idealzustand wäre. Aufgrund der Herstellung ergeben sich häufig Abweichungen von der Idealform. Diese Abweichungen werden als Imperfektionen verstanden, und je nachdem, wie hoch diese Abweichungen von der Idealform sind, ergibt sich ein unterschiedlicher Einfluss auf die Traglasten der Bauteile. Für druckbeanspruchte Bauteile führen diese je nach Grad der Abweichungen zu einer Reduktion der Traglast. Durch die Vermessung mit einem 3D-Scannr erhält man daher wichtige Informationen für die Auslegung der Bauteile.

Die bis zu 4 m langen Stützen können relativ einfach mit dem HandySCAN 3D gescannt werden. Hierfür werden die Targets auf dem Rohr platziert und das Rohr hochkant ausgerichtet. So kann die Kontur von allen Seiten – inklusive Zylindermantelfläche und der Querschnittskontur am Ende des Rohres – einfach und schnell vermessen werden.

Die 3D-Messung gibt Informationen über die Imperfektionen des Bauteils. Das Bauteil wurde hier jedoch separat in einer FE-Umgebung modelliert, und mit Ersatzimperfektionen, die neben den geometrischen auch die strukturellen Imperfektionen darstellen, versehen. Die Kalibrierung dieser Ersatzimperfektionen basiert auf dem Scan und Versuchsergebnissen. Nach etwas Einarbeitungszeit wurden die Scans in VXinspect ausgewertet. Prüf-Software wie VXinspect erleichtert durch eingebaute Funktionen die Auswertung; bei Rohren ist beispielsweise die Zylindrizität wichtig.

Scan und CAD einer Hochleistungsverbungstütze mit Farbabweichung

Die Eigenspannungen und Imperfektionen, die in den Finite-Elemente-Modellen Eingang finden, können nun mit Messungen a priori quantifiziert werden. Das erspart zum einen das bloße Zurückgreifen auf Werte der Literatur, zum anderen das Kalibrieren von diesen Größen a posteriori nach den Versuchen.

„Creaform erleichtert und bereichert unsere Forschung im Bereich des Stahlbaus ungemein und wird in jedem experimentellen Projekt in Zukunft unabdingbar sein. Dadurch, dass wir nun auch unseren eigenen 3D-Scanner haben, können wir nun eine Vielzahl von Probekörpern selber vermessen, was unsere Flexibilität steigert und erhebliche Kosteneinsparungen mit sich bringt, da wir nicht mehr auf Dienstleister angewiesen sind“, kommentiert Prof. Martin Mensinger, Leiter des Lehrstuhls für Metallbau der TU München.