Erforschung der von Drahtkontaktstellen ausgehenden Schädigung und deren Einflussnahme auf die Sicherheit bei laufenden hochfesten Seilen

Das Forschungsprojekt hat zum Ziel, zur Klärung des Versagenshergangs bei dynamisch belasteten (laufenden) Drahtseilen mit unterschiedlichen statischen Drahtfestigkeiten beizutragen, unter besonderer Berücksichtigung des Einflusses von Drahtkontaktstellen und Pressellipsen.

Gründe des Leichtbaus und der Energieeffizienz fordern in der Seiltechnik Drähte mit immer höheren Festigkeiten. So lässt sich mit steigender Drahtfestigkeit bei gleichbleibender Seillast der Seildurchmesser verkleinern, Seileigengewicht reduzieren und der gesamte Seiltrieb minimieren. Nach dem Motto, je fester ein Draht desto höher die Nutzlast des Seiles bzw. bei gleichbleibender Nutzlast und Durchmesser desto höher die Sicherheit.

Für laufende Seile, welche über Seilscheiben umgelenkt werden und hierdurch zusätzliche Querbelastungen erfahren, besteht Zweifel über die Annahme, dass Seile aus höherfesten Drähten bei gleichbleibender Last eine größere Sicherheit und damit auch eine höhere Lebensdauer aufweisen.

Ziel des Projekts ist eine für die Seiltechnik neuartige Methode zur Bestimmung des Seilversagens (Seillebensdauer) zu entwickeln, womit sich der Einfluss von Drahteigenschaften unterschiedlicher Festigkeit sowie der Einfluss möglicher Drahtkontaktstellen und Pressellipsen berücksichtigen lässt. Für die Methodenentwicklung soll der in angrenzenden Wissenschaften bereits geführte Ansatz dienen, dass Bauteilversagen durch eine maximal ertragbare plastische Verformung begrenzt ist. Das heißt, die im Bauteilbetrieb akkumulierte plastische Dehnung, inklusive vorangegangener Verformungen, bestimmen die Schadensentwicklung und schließlich die Lebensdauer. In Vorversuchen konnte dies für den einzelnen Draht bestätigt werden. Abgeleitet aus den Vorversuchen wird angenommen, dass auch Seilversagen durch das Überschreiten einer kritischen Dehnung in den Seildrähten verursacht wird. Es gilt den Nachweis über den Einfluss der plastischen Verformung von Drähten unterschiedlicher Festigkeit auf die Lebensdauer eines daraus hergestellten Seils aufzuzeigen. Besonderes Augenmerk gilt der Entstehung und Auswirkung von Kontaktstellen und Pressellipsen auf das Ermüdungsverhalten von Seilen.

Die Drähte in laufenden Seilen werden mehrachsig belastet. Primär durch Zug, Biegung und Pressung. Zur Klärung der Seillebensdauer werden diese Belastungen zunächst systematisch am einzelnen Draht nachgestellt. Gezielt wird an Drähten ohne und mit eingebrachter Pressellipse das Ermüdungsverhalten unter dem Einfluss einer einzelnen Belastung und unter Kombination dieser genannten Belastungen untersucht. In den Ermüdungsversuchen erfolgt eine kontinuierliche Ermittlung des Verformungsverhaltens (Spannungs-Dehnungs- bzw. Hysterese-Monitoring) und die Bestimmung der Drahtlebensdauer (Schwingspielzahl bis Bruch). Die Akkumulation der plastischen Dehnung in den jeweiligen Ermüdungsversuch wird bestimmt. 
Parallel wird an Seilen gleicher Machart und unterschiedlicher Festigkeit im quasistatischen Zugversuch das Verformungsverhalten untersucht. Bis Bruch wird die Spannungs-Dehnungs-Abhängigkeit der Seile unter Belastung ermittelt und die Bruchkraft der Seile bestimmt. Das Ermüdungsverhalten der Seile wird im Zugschwellversuch sowie im Dauerbiegeversuch untersucht. Im Weiteren erfolgt die Ermittlung der bei Seilumlenkung im Dauerbiegeversuch entstehenden Pressellipsen. Anhand des im quasistatischen Zugversuch ermittelten, spezifischen Verhältnisses von elastischem zum plastischem Verformungsanteil der Seile und der Höhe der Seilbelastung im Dauerbiegeversuch werden Korrelationen zur erreichten Lebensdauer ermittelt. Begleitend zu den Versuchen erfolgt eine mikroskopische Untersuchung der Drähte. 

Aus den Untersuchungen erfolgt eine Evaluierung und Validierung der Arbeitshypothese zum Versagen von laufenden Seilen durch ein dehnungsindiziertes Ermüdungsversagen der Seildrähte unter Belastung.
Die Ergebnisse der dynamisch geprüften Drähte werden mit den Ergebnissen der dynamisch geprüften Seile korreliert. Zusammenhänge zwischen den spezifischen Ermüdungsversagen am Draht und Seil werden bestimmt. Abschließend erfolgt eine Modellbildung für eine Beschreibung der Ermüdungsverhalten und Lebensdauer laufender Seile basierend auf einer dehnungsbezogenen Betrachtung der Drahtermüdung unter Berücksichtigung von Kontaktstellen und Pressellipsen.