12 Schweißnahtberechnung

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1 Schweißnherechnung 12 Schweißnherechnung Die Berechnung der ufreenden Spnnungen in Schweißnähen erfolg im Regelfll mi Hilfe der elemenren Gleichungen der esigkeislehre. Auf weierführende Berechnungsverfhren, wie z. B. die Trgls- und ließgelenkheorie, wird nich eingegngen. Bei Bueilen, die einer Anhme oder späeren Beriesüerwchung unerliegen, sind für die nzuwendenden Gleichungen und die zulässigen Spnnungen uneding vorhndene Regelwerke zu echen; z. B. für geschweiße hrzeuge, Mschinen und Geräe die DS952 [1] (s. uner 12.5), die KM-Richlinie [9] oder die IIW-Empfehlungen [13], für geschweiße Druckehäler und Rohrleiungen die AD2000-Merkläer, DIN EN und DIN EN , für geschweiße Trgwerke von Krnen DIN [4] (s. uner 12.6) und für Shluen DIN [5] (s. uner ) und Eurocode 3 [3] (s. uner 12.7). Im Mschinen- und hrzeugu gi es keine llgemeinverindliche Berechnungsvorschrif. In llen ällen wird uf die Normen und Richlinien des Shlus, des Krnus und der Deusche Bhn AG verwiesen Amessungen der Schweißnähe 12.1 Amessungen der Schweißnähe Bei Sumpfnähen wird die rechnerische Schweißnhdicke gleich der Bueildicke gesez. Die meisens vorhndene Nhüerhöhung lei dei unerücksichig (Bild 12-1). Bei unerschiedlichen Blechdicken is die kleinere mßgeend (Bild 12-1d).Wechsel in einem Sumpfsoß die Blechdicke, so sind ei vorwiegend ruhender Benspruchung ei Dickenunerschieden von mehr ls 10 mm die vorsehenden Knen im Verhälnis 1:1 oder flcher zu rechen (DIN ) [5] oder ei dynmischer Benspruchung ereis ei einem Dickenunerschied von mehr ls 3 mm mi einer Neigung nich seiler ls 1:4 zureien (DS 952, s. Bild 12-1e). Wird eine Nh nich völlig durchgeschweiß, so drf nur die sächlich erreiche ) = ) = 1 c) e) 1:4 < = 1 1 d) = 1 Bild 12-l Sumpfsöße, Nhdicke ) Bördelnh (Bördel vollsändig niedergeschmolzen), ) durchgeschweiße V-Nh, c) nich durchgeschweiße I-Nh, d) Bleche verschiedener Dicke ls einseiig ündiger Soß, e) zenrischer Soß, vorsehende Knen geschräg.

2 Schweißnherechnung Nhdicke in die Berechnung eingesez werden (Bild 12-1c). Bei dynmisch enspruchen oder einem esonderen Korrosionsngriff usgesezen Konsrukionen dürfen nich durchgeschweiße Nähe nich ngewnd werden. Bei Kehlnähen is die Nhdicke gleich der is zum heoreischen Wurzelpunk gemessenen Höhe des einschreiren gleichschenkligen Dreiecks, Bild Die jeweilige Schenkellänge wird mi z ngegeen. Diese errechne sich ei gleichschenkligen Nähen us z = 2, ei ungleichschenkligen Nähen gil = 0,5 2 z 2, wenn z 2 die kürzere Schenkellänge is (Bild 12-2d). Bei Kehlnähen mi iefem Einrnd is e für jedes Schweißverfhren (z. B. eil- oder vollmechnische UP- oder Schuzgsverfhren) in einer Verfhrensprüfung zu esimmen. Nch DIN eräg dnn die rechnerische Nhdicke = + e, vgl. Bild 12-2f. Ülich is die lchkehlnh (Bild 12-2), ews unwirschflicher, er mi sehr günsigen dynmischen Eigenschfen m Nhüergng is die Hohlkehlnh (Bild 12-2c). Wölnähe (Bild 12-2) sind nur m Ecksoß sinnvoll. Grundsäzlich wird unerschieden zwischen Nähen mi durch- oder gegengeschweißer Wurzel und Nähen mi nich durchgeschweißer Wurzel. Zu den durchgeschweißen Nähen zählen neen der Sumpfnh, die DHV-Nh (K-Nh) und die HV-Nh mi oder ohne geschweiße Gegenlge (Bild 12-3). Dei is die rechnerische Nhdicke gleich der nzuschließenden Bueildicke ) ) c) z 1 e z2 Bild 12-2 d) e) f) Kehlnähe ) lchnh (1 heoreischer Wurzelpunk = Sirn-Längskne, Nhdicke), ) Wölnh, c) Hohlnh, d) Nhdicke ei ungleichschenkliger Kehlnh: = 0,5 2 z 2 für z 1 > z 2, e) Nhdicke ei gleichschenkliger Kehlnh m Schrägsoß, f) Doppelkehlnh mi iefem Einrnd: = + e

3 12.1 Amessungen der Schweißnähe Kpplge ) ) c) Bild 12-3 Sonsige (zusmmengeseze) Nähe mi durchgeschweißer Wurzel ( = 1 ) ) DHV-Nh mi Doppelkehlnh (K-Nh), ) HV-Nh mi Kehlnh, Kpplge gegengeschweiß, c) HV-Nh mi Kehlnh, Wurzel durchgeschweiß. 1 1 evl. Kpplge < 60 < 60 < 60 ) ) Bild 12-3 Sonsige Nähe mi nich durchgeschweißer Wurzel ) HY-Nh mi Kehlnh, ) DHY-Nh mi Doppelkehlnh Alle ürigen Nähe, einschließlich der Kehlnähe, zählen zu den nich durchgeschweißen Nähen. ür die häufig usgeführe HY- und DHY-Nh mi Kehlnh zw. Doppelkehlnh nch Bild 12-3 is die rechnerische Nhdicke gleich dem Asnd vom heoreischen Wurzelpunk zur Nhoerfläche. Sie dürfen nch DIN nur in Posiion PA und PB mi Schuzgsschweißung usgeführ werden. Sons is die Nhdicke um 2 mm zu vermindern oder durch eine Verfhrensprüfung feszulegen. Um ein Missverhälnis von Nhquerschni und verundenen Querschniseilen zu vermeiden, müssen im Shl- und Krnu ei Bueildicken 3 mm für die Schweißnhdicke von Kehlnähen folgende Grenzwere eingehlen werden: 2 mm 0,7 min (12.1) mx 0,5 mm (12.2) mi min zw. mx ls kleinser zw. größer nzuschließender Bueildicke in mm. Eine Auslegung der Nhdicke nch Bedingung (12.2) führ ei Bueildicken üer 25 mm zu unwirschflichen Nhdicken. In Ahängigkei von den gewählen Schweißedingungen (Vorwärmen, esonders schweißgeeigneer Werksoff) drf uf die Einhlung der Bedingung (12.2) verziche werden, jedoch solle für Blechdicken 30 mm die Schweißnhdicke mi

4 Schweißnherechnung 5 mm gewähl werden. Die Vorschrifen DS 804 und DS 952 der Deusche Bhn AG [1,2] fordern ls Mindesdicken für Kehlnähe noch 3,5 mm zw. 3 mm. Die rechnerische Länge 1 einer Schweißnh is ihre geomerische Länge. Bei Sumpfnähen is 1 lso gleich der Mindesreie der zu schweißenden Bueile. ür Kehlnähe is sie die Länge der Wurzellinie. Krer, Nhnfänge und Nhenden, die die verlnge Nhdicke nich erreichen, zählen nich zur Nhlänge. Im Shlu müssen hinsichlich der Nhlänge esimme Bedingungen eingehlen werden. Kehlnähe dürfen eim esigkeisnchweis nur erücksichig werden, wenn 1 6, mindesens jedoch 30 mm, is. In unmielren Lschenund Snschlüssen erfolg die Besimmung der rechnerischen Schweißnhlänge Σl nch Bild Dei is 1 der einzelnen lnkenkehlnähe uf 150 egrenz. ür Eisenhnrücken (DS 804) gil für lnkenkehlnähe: Bei koninuierlicher Krfeinleiung üer die Anschlusslänge is eine oere Begrenzung nich erforderlich. Endkrer unzulässig l1 l1 ) l=2l 1 ) l=+2l 1 l 2 l 2 l 1 l 1 e e c) l=l 1+l 2+2 d) l=2l +2 1 Bild 12-4 Rechnerische Schweißnhlänge ei unmielren Snschlüssen im Shlu (DIN ) ) mi lnkenkehlnähen, ) mi Sirn- und lnkenkehlnähen, c) mi ringsumlufender Kehlnh: Schwerchse näher zur längeren Nh (e < /2), d) mi ringsumlufender Kehlnh: Schwerchse näher zur kürzeren Nh (e < /2).

5 12.2 Berechnung der Schweißnhspnnungen Berechnung der Schweißnhspnnungen 12.2 Berechnung der Schweißnhspnnungen Die Schweißnhnennspnnungen werden us den Belsungen nch den Regeln der elemenren esigkeislehre ermiel. Dei werden ewuss vereinfchende Annhmen geroffen. Soßhf ufreende Lsen sind durch Soßfkoren und Schwingeiwere (Beriesfkoren) zu erücksichigen. Zum Teil sind die Lsnnhmen und die nzuwendenden Gleichungen in Regelwerken fesgeleg. Die zu ermielnden Schweißnhspnnungen lssen sich nch Bild 12-5 unerscheiden in: Normlspnnungen σ in Nhrichung. Sie hen geringe Bedeuung und werden eispielsweise ei Shluen mi ruhender Belsung nich erücksichig. Normlspnnungen σ quer zur Nhrichung. Sie sind mßgeend für die Berechnung der Sumpf- und Kehlnähe. Schuspnnungen τ in Nhrichung. Sie reen in Hls- und lnkenkehlnähen und ei Querkrfnschlüssen uf (z. B. Bild 12-6 und 12-7). Schuspnnungen τ quer zur Nhrichung. Sie reen in Sirnkehlnähen uf. Allgemein gil für eine durch die Längskrf 1 zw. die Querkrf q je für sich llein enspruche Schweißverindung die Norml- zw. Schuspnnung σ, τ, τ = A = (12.3) w Σ l mi = l zw. = q Bild 12-5 Kennzeichnung der Schweißnhspnnungen ) in Sumpfnähen, ) in Kehlnähen Dei sind nur die lächen Σ 1 derjenigen Schweißnähe nzusezen, die ufgrund ihrer Lge vorzugsweise imsnde sind, die vorhndenen Kräfe und Momene zu üerrgen. So z. B. eim Trägernschluss nch Bild 12-6 zur Üerrgung der Querkrf nur die Segnschlussfläche A w = 2 S l ws. Durchgeschweiße Nähe ller Nhgüen ei Druckenspruchung und mi nchgewiesener Nhgüe ei Zugenspruchung ruchen nich nchgewiesen zu werden, d der Bueilwidersnd mßgeend is. Die Ermilung von Σ 1 ei unmielren Snschlüssen erfolg nch Bild 12-4.

6 Schweißnherechnung I rechn. Lge der Nhfläche Profil, Wurzellinie S s Seg M q h X X lnsch s ) ) c) s S Bild 12-6 Zusmmengeseze Benspruchung m iegeseifen Trägernschluss (I-Schweißräger) ) Durch Biegemomen und Querkrf elsee umlufende Kehlnh ) rechnerische Nhlge: Nhfläche konzenrier in der Wurzellinie c) Verluf der Schweißnhspnnungen ür eine durch ein Biegemomen M enspruche Schweißverindung ensprechend Bild 12-6 is die Normlspnnung M M σ = y = (12.4) Iw Ww Die Berechnung der lächenmomene 2. Grdes des meis us Recheckflächen zusmmengesezen Nhquerschnis (Nhild) erfolg mi Hilfe des Verschieeszes (Sz von Seiner). Die Schweißnhfläche der Kehlnähe denk mn sich dei in der Wurzellinie konzenrier (vgl. Bild 12-6). ür den symmerischen Trägernschluss nch Bild 12-6 wird I w z. B. wie folg esimm: IW= 2 S (h 2) /12+ 2 (h/2) + 2 ( s) (h/2 ) /12+ 4 (h [ )2] Trägernschlüsse mi I-Trägern dürfen im Shlu ohne weieren Trgsicherheisnchweis usgeführ werden, wenn die Dicken der Doppelkehlnähe 0,5 (S 235) zw. 0,7 (S 355) eingehlen werden ( = lnsch- zw. Segdicke). ür eine Längsnh des durch die Querkrf q enspruchen Biegeräger ergi sich nch Bild 12-7 die Schuspnnung q H τ = (12.5) I Σ q Querkrf H lächenmomen 1. Grdes der ngeschlossenen Querschnisflächen. In Bild 12-7 z. B. zur Berechnung der Hlsnh: H = A y I lächenmomen 2. Grdes des Gesmquerschnis Σ Summe der Schweißnhdicken für die ngeschlossenen Querschnisflächen. ür die Hlsnh in Bild 12-7 z. B. Σ = 2

7 12.2 Berechnung der Schweißnhspnnungen 231 Bild 12-7 Schweißnhschuspnnungen ei Querkrfiegung Bei unerrochenen Nähen (Bild 12-7) is die nch Gl. (12.5) erechnee Schuspnnung mi dem kor (e + 1)/l zu erhöhen. Geh die Wirkungslinie der Belsung nich durch den Schumielpunk oder ri ein Torsionsmomen M uf, so wird die Schweißverindung uf Verdrehung enspruch. Im olgenden werden uch die sischen Torsionsmomene M mi T ezeichne. Beim Kreisquerschni nehmen die Schuspnnungen τ liner mi dem Rdius r zu (Bild 12-8) T d T τ = = (12.6) I 2 W p p Bild 12-8 Mßgeende Amessungen zur Berechnung der Torsionsflächenmomene 2. Grdes ) Kreisförmiger Hohlquerschni, ) dünnwndiger Hohlquerschni, c) dünnwndiger offener Querschni (h/» 1) Ds polre lächenmomen 2. Grdes eräg für den Kreisquerschni I p = π d 4 /32 und für den kreisförmigen Hohlquerschni I p = π (d 4 d i 4 )/32. Ds polre Widersndsmomen W p ergi sich us W p = I p /(d /2). Bei dünnwndigen geschlossenen Querschnien knn mn mi gleichmäßiger Schuspnnungsvereilung üer die Wnddicke rechnen. Is die Wnddicke (Nhdicke) nich konsn,