WAAM-Knoten im Stahlhochbau

Die vorliegende Arbeit untersucht, wie das Verfahren Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) zur Herstellung von individualisierten Knotenstrukturen für den Stahlhochbau genutzt und die Tragfähigkeit der gedruckten Strukturen sichergestellt werden kann. Hierzu werden einerseits etabliertes Wissen zum konventionellen Lichtbogenschweißen und andererseits aktuelle Forschungsergebnisse zum WAAM analysiert und Randbedingungen für die Herstellung festgelegt. Auf Grundlage eines festgelegten Parametersatzes wurden Probekörper hergestellt und das Materialverhalten mit Zugversuchen untersucht. Hierbei liegt der Fokus auf den Auswirkungen des Slicingansatzes - Belastungsrichtung, Bahnanzahl, Auskragungen und Kreuzungsstellen. Die Ergebnisse werden in ein Materialmodell für die finite Elemente Berechnung überführt. Weiterhin finden grundlegende Untersuchungen zu Lochleibungsverhalten und T-Stummelverhalten in WAAM-Schraubenverbindungen statt, welche mit Forschungsergebnissen anderer Institute verglichen werden. Die Erkenntnisse werden in Randbedingungen zum Entwurf von WAAM-Stahlbauknoten gebündelt und verschiedene Ansätze zum Entwurf vorgestellt. Der Ansatz des parametrisierten Knotenentwurfs wird weiterhin beispielhaft durchgeführt, der Knoten wird hergestellt, in einem zerstörenden Traglastversuch getestet und mit dem erstellten Materialmodell nachmodelliert. Zum Schluss werden Möglichkeiten zum Nachweis aufgezeigt und Ergebnisse in dem Kontext der Gegenwart und Zukunft bewertet.

This thesis investigates how the Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) process can be used for the production of individualized node structures for steel construction and how the load-bearing capacity of the printed structures can be ensured. It involves analysing established knowledge of conventional arc welding and current research findings on WAAM. Furthermore boundary conditions for production are defined. Based on a defined parameter set, test specimens were manufactured and the material behaviour is examined through tensile tests. The focus is on the effects of the slicing approach - load direction, number of paths, overhangs and intersections. The results are incorporated into a material model for finite element analysis. Furthermore, fundamental investigations into the behaviour under double shear and the T-stub behaviour in WAAM bolted connections are conducted, which are compared with research results from other institutes. The findings are consolidated into boundary conditions for the design of WAAM steel construction nodes and various design approaches are presented. The approach of parametrized node design is further exemplified, the node is manufactured, tested in a destructive load test and modelled using the created material model. Finally, verification options are discussed, and results are assessed in the context of both the present and future.