Berechnung von Schweißverbindungen

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1 03-01 Berechnung von Schweißverbindungen Schweißverbindungen werden häufig ngewendet in den Bereichen Sthlbu und Brückenbu ördertechnische Anlgen, u.. Krnbu Apprtebu, (Behälter- u. Druckbehältersowie Rohrleitungsbu) Mschinenbu Die Anforderungen n Bugruppen und Schweißverbindungen in den verschiedenen Anwendungsbereichen sind unterschiedlich. ME DS

2 03-02 Regelwerke Verschiedene technische Regelwerke sind bei der Gestltung und Berechnung von Schweißverbindungen je nch Anwendung zu bechten. Sthlhochbu (Buvorschriften, Normen) Merkmle: Belstung oft ruhend Stöße sind mit Stoßfktor zu berücksichtigen Lstnnhmen durch Normen geregelt Werkstoffe sind festgelegt: St 37-2 (S235JR); St 52-3N (S335J2G3) zulässige Spnnungen in der Schweißverbindung sind festgelegt (σzul). Ziel der Berechnung: Spnnungsnchweis nch DIN σ vorh σ zul ME DS

3 03-03 Geschweißte rgwerke im Krnbu Vorschriften für die Berechnung und Gestltung einschließlich Qulitätssicherung nch DIN , 1 und 2. Belstungen: Sttisch/dynmisch us Nutzlst und Eigengewicht, Windlsten, dynmische Kräfte Stoßfktoren nch Norm ermitteln. Wegen dynmischer Belstungen Berechnung nch den Regeln der Betriebsfestigkeit unter Berücksichtigung der Schwere des Betriebs und der täglichen Einstzduer. Werkstoffe, vorzugweise St 37-2 (S235JR), St 52-3N (S335J2G3). ME DS

4 03-04 Schwingfestigkeit - Übersicht Duerfestigkeit Zeitfestigkeit ˆσ < σ D N> 10 6 ˆσ > σ D 10 N ˆσ > σ D 10 N σ(log) ˆσ σ D σ(log) ˆσ σ D σ(log) ˆσ σ D 10 6 N(log) 10 6 N(log) 10 6 N(log) Betriebsfestigkeitsberechnung (DIN ) 1 σ/σ^ 0 N/N ges 1 S0, S1...S3 Einstufenbenspruchung Kollektivbenspruchung Kollektivbenspruchung Benspruchungsgruppe B1,B2... B6 Werkstoff St 37, St 52 zul. Spnnung zul σ D (-1) Kerbfll K0, K1,...W0,W1 Spnnungsspielbereich Grenzspnnungsverhältnis κ σ zul mx σ σ 0 zul ME DS

5 03-05 Druckbehälterbu Merkmle Belstungen überwiegend ruhend Meistens erhöhte empertur / häufig wrmfeste Werkstoffe Korrosionseinflüsse Regelwerke: Druckbehälter-Verordnung, AD-Merkblätter, RD-Regeln Ziel der Berechnung: Spnnungsnchweis: Vergleich der vorhndenen und der zulässigen Spnnung. σ vorh σ zul ME DS

6 03-06 Mschinenbu Im Mschinen- und Anlgenbu gelten lle vorgennnten Regelwerke mit, soweit sie zutreffen. Im engeren Sinne werden im Mschinenbu solche Schweißverbindungen verstnden, deren Belstungen dynmisch sind. Merkmle Keine Vorschriften dynmische Belstungen Lstnnhmen us Erfhrung/Messung keine Einschränkungen bezüglich des Werkstoffes keine Sicherheiten festgelegt Der Konstrukteur trägt eine hohe Verntwortung. Ziel der Berechnung: Sicherheitsnchweis ν vorh ν zul ME DS

7 03-07 Gemeinsmkeiten bei der Berechnung von Schweißverbindungen in den verschiedenen Anwendungsbereichen Ermittlung der größten uftretenden Belstungen (Kräfte und Momente) Berechnung der Nennspnnung, für jede Belstungsrt einzeln. Buteil und Nht Berechnung der Vergleichsspnnung us der Belstungskombintion, soweit es sinnvoll ist. Buteil und Nht Spnnungsnchweis, sofern zulässige Spnnungen gegeben sind (sttisch). Sicherheitsnchweis, wenn von Duerfestigkeitswerten uszugehen ist. σ vorh <σzul ν vorh > νerf ME DS

8 03-08 Nhtquerschnitt l t = t A W =. l l = rechnerische Nhtlänge Nhtstärke m Querschnittsübergng 1:4... 1:5 t 1 t 2 = t ; 1 = t min ME DS

9 03-09 Rechnerische Nhtnschlusslänge l k! rechnerische Endkrterlänge: k = t Endkrter bziehen l = b - k; l = b - Bei Rundumschweißung kein Endkrterbzug b 2 l 2 b = l 2 2 b1 bei einem Endkrter l = b - 2 k; l = b - 2 bei zwei Endkrtern l 1 b = l 1 1 ME DS

10 03-10 Schweißnht ohne Endkrter Stumpfstoß mit Vorstzstück für Schweißnhtusluf b l = b Vorstzstück btrennen ME DS

11 03-11 Benennung von Spnnungen in Schweißverbindungen mit Stumpfnähten σ τ II (Q ) II σ II II QII QII τ II σ (Q ) II II ME DS

12 03-12 Nennspnnungen in Stumpfnähten (Definitionen) Belstungsgröße Belstungsschem Spnnung (ormel) Zug- (Druck-) Normlkrft ( ) σ = ± l Biegung hochknt Mb M σ =± b 6 2 l Biegung flchknt M b Mb σ =± 6 2 l Abscherkrft prllel τ Q II zur Nht = Q l ME DS

13 03-13 Spnnungen im Stumpfnähten l t = t A W = l = t l Zug- / Druckspnnungen σ = ± A W ME DS

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15 03-16 Abscherbenspruchung τ = II A W τ II τ II Querkrftschub II τ II ( ) Q y τ II ( o ) um90 Q verdreht gezeichnet τ II ( ) Q II II ( ) τ = II I II wy S y ME DS

16 03-17 Kehlnähte n einem Überlppungsstoß II A - A Stirnkehlnht II A A lnkenkehlnht II II Krftflussbilder von Kehlnähten verschiedener Ausführung lchkehlnht Wölbkehlnht Hohlkehlnht ME DS

17 03-18 Rechnerisch trgende Querschnitte von Kehlnähten Hohlkehlnht C h A B h = Höhe des einbeschriebenen Dreiecks ABC Wölbkehlnht C h t 1 A B t1 hmx = 0,7 t1 = mx 2 h = ME DS

18 03-19 Nhtnschlußquerschnitt bei Kehlnähten A = b w b Lge der Anschlußfläche im Sthlbu: τ Die Mittellinie der Nht wird uf die Nhtwurzellinie gelegt. Erforderlich nur für us Biegung. b τ σ τ'' σ σ τ'' τ'' σ σ τ τ τ'' V V Lge der Anschlußfläche im Mschinenbu b = l, wenn keine Endkrter vorhnden sind, sonst Abzug erforderlich! ME DS

19 03-20 Bezeichnungen von Nennspnnungen in der Kehlnht σ II 45 2 σ τ II τ σ II Mögliche Spnnungsrichtungen in der Kehlnht ME DS

20 03-21 Nennspnnungen in Kehlnähten (Definitionen) Belstungsgröße Belstungsschem Spnnung (ormel) Zug- (Druck) Krft m Steg σ ( ) = ± ( l) i i Schubkrft längs zur Nht lnkenkehlnht QII QII τ II = QII ( l) i i Schubkrft quer zur Nht Stirnkehlnht Moment senkrecht zum Steg Q t Q M b l τ σ = Q ( l) = t, wenn > t w i i M 6 b =± 2 l W w M orsionsmoment τ = M W wp, Moment zum Steg prllel zur Nht M b σ =± M b W ME DS

21 03-22 Normlspnnungen in Kehlnähten us Normlkräften σ = ± A W l l 1 2 ( ) AW = l = 1+ 2 t l ( ) AW = l = t, wenn > t ME DS

22 03-23 Normlspnnungen in Kehlnähten us Biegung hochknt σ = ±M b W x M b l x x l 2 W= (Σ) = Σ Mschinenund Sthlbu M b l 2 W x = t, 6 wenn > t - l x + x t ME DS

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24 03-25 Hlsnähte n geschweißten Biegeträgern σ II Hlsnht (Kehlnht) y M b σ II M I b σ IIy = Normlspnnung in einer Kehlnht eines geschweißten Biegeträgers y ME DS

25 03-26 Abscherspnnungen im Mschinenbu (Die Nhtrichtung spielt keine Rolle) τ = A W Stegnschluß τ II = II A W II q l A W = (Σ) l Gilt uch für Sthlbu! Lochschweißung τ = q A W A W = (Σ) l Im Sthlbu nicht berücksichtigt! l τ = A W A W = l Nicht zulässig im Sthlbu! ME DS

26 03-27 Schubspnnung us Querkrft in Kehlnähten prllel zur Nhtrichtung (Sthl- und Mschinenbu) Krft in Richtung der Nht günstig! mx τ II τ II =τ nenn Größe Q t1 Q Richtung τ II Abscherspnnung τ Q II = mx τ = AW II Im Sthlbu: Schubspnnung us Querkrft S Q J (Σ) W A W = (Σ) l, wenn Σ = t, sonst A W = t l < 1 1 ME DS

27 03-28 Schubspnnung in Kehlnähten us orsionsbelstungen M τ II = M W t M Sthlbu Mschinenbu für ruhende Belstungen für dynmische Belstungen Nhtwurzelpunkt Nhtwurzelpunkt d i d d d i ME DS

28 03-29 Berechnung des polren Widerstndsmomentes von Kreisquerschnitten W p = J p e = D d D Jp π 32 π 32 π 32 = 4 D 4 Jp = d ( 4 4 Jp = D d ) e = D D d W π p = 16 D ormelsmmlung ME DS

29 03-30 Bredtsche ormel Widerstndsmomente bliebig geformter Nhtnschlussflächen rechnerische Nhtmittellinie A m Bredtsche ormel: W tw = Am 2 b A M h Mschinenbu A M =(b+) (h+) W w,t =(b+) (h+) 2 M A M h Sthlbu A M = b h W w,t =b h 2 M ME DS

30 03-31 Schubfeste Verbindungen und Gurtungen Biegeträger us zusmmengesetzten Profilen unter Querbelstung. Werden Biegeträger us eilquerschnitten zusmmengesetzt, so sind diese miteinnder schubfest zu verbinden, um die Vorteile der größeren rägerhöhe us-nutzen zu können. Beispiel mit zwei Brettern. Bretter nebeneinnder. Iges = I1 + I2 = 2 I1 Bretter übereinnder gelegt, ohne Verbindung. Iges = I1 + I2 = 2 I1 Bretter ufeinnder gelegt und schubfest miteinnder verngelt. Iges = 8 I1 = 4 (2 I 1) ME DS

31 03-32 Schubfluss Biegeträger mit einer Längsnht τ x ( ξ ) τ z ( ξ ) z ξ y x ME DS

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33 03-34 Symmetrische Gurtung s 2 s 1 x x e I ges = I 1 +2 I 2(s) + 2 A 2 2 W ges = I ges e Steinernteil, nur bei schubfestem Anschluss ME DS

34 03-35 Unsymmetrische Gurtung b 2 (Querkrft) 2 t 2 z 2 z E 1 z h 1 y ges y ges y 1 y 1 Schubspnnung in der Gurtnschlussebene (Schubfluss) τ II = I ges S 2 2 I = I + z A + ges 1( y1) 2 1 b2 t2 3 + z2 2 b2 t2 12 z = h1 t A + t b ( t b ) 2 2 h1 z z t 2 ; 2 = + ; 2 2 ( ) S = z t b Biegespnnung σ II in der Gurtnschlussebene σ II M = W b 12 / W12 / = Iges Z Mximle Biegespnnung m Rnd σ = M b W E 1 t2 2 ; z z E = 2 t 2 2 ME DS

35 03-36 Bemessung von Kehlnähten DIN Nhtstärke min mx min min 0,7 t 2mm t 0,5mm; tinmm, inmm mx t min mx = 0,7 t min Längen trgender Kehlnähte 15 < l < 100 ME DS