BN Grundlagen Stahlbaukonstruktion. 1. Allgemeine Gestaltungsgrundsätze für die Erstellung von Schweißkonstruktionen

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1 BN Grundlagen Stahlbaukonstruktion 1. Allgemeine Gestaltungsgrundsätze für die Erstellung von Schweißkonstruktionen 2. Tragwerke, Träger, usw. 3. Blechbau, Kastenträger 4. Zeichnungserstellung 5. Übliche Schweißnähte bei Brötje- Automation Anhang Anhang 2 Alternativen zum Schweißen im kaltgeformten Bereich Zwei Beispiele 0

2 Änderungsstand und Freigabe Änderungsstand: 04 Änderung Freigabemodul Sebasatian Otholt Logo geändert Lüder Wilken 02 Kap. 1.6 Text geändert; Kap. 5 hinzu; Anhang 1 entfällt Lüder Wilken Erstellung Version 1 Lüder Wilken Index Benennung Name Datum Freigabe: Diese Werksnorm ist nur im Intranet der Broetje Automation gültig und freigegeben. Ausdrucke und lokal gespeicherte Kopien sind zu prüfen. Sie unterliegen nicht dem Änderungsdienst. Die Internetseite dient als zusätzliche Quelle für Werksnormen für Externe. 1

3 1. Allgemeine Gestaltungsgrundsätze für die Erstellung von Schweißkonstruktionen 1.1 Möglichst wenig Schweißnähte anordnen! Walz- und Kaltprofile verwenden Teile Teile 2

4 1.2 Auf stetigen Kraftfluss achten! Jede Richtungsänderung des Kraftflusses führt zum Entstehen von Spannungsspitzen (Kerbwirkung), die umso höher sind, je stärker der Kraftfluss gestört ist. Bei ruhender Belastung können durch Kerben entstandene Spannungsspitzen durch Plastisierbarkeit des Werkstoffes abgebaut werden. Bei dynamischer Beanspruchung ist dies jedoch nicht möglich. Die Kerbe kann zum Ausgangspunkt eines Dauerbruchs führen. Stumpfnähte sind vorzuziehen. Kehlnähte am T-Stoß als Doppelnaht ausführen. Krasse Querschnittssprünge sind zu vermeiden. Ungünstiger Kraftfluss besserer Kraftfluss ( 1:4 oder flacher) 1.3 Schweißnähte möglichst symmetrisch anordnen! Einseitiger Verzug bzw. Verdrehung wird vermieden und damit notwendige Richtarbeiten minimiert. 3

5 1.4 Nahtanhäufungen und Nahtkreuzungen sind zu vermeiden! Es treten sonst durch Schrumpfspannungen erzeugte mehrachsige Spannungszustände auf, die eine Verformungsbehinderung verursachen und zur Rissbildung führen können. günstiger 1.5 Ausschnitte Einspringende Ecken und Ausschnitte sind mit mindestens 8 mm Radius auszurunden 1.6 Schweißnahtvorbereitung Bei der Schweißnahtvorbereitung ist die DIN EN ISO 9692 zu beachten. 4

6 1.7 Trägerausteifungen Die wirtschaftliche Ausnutzung des Werkstoffes erfordert bei Biegeträgern die Verwendung dünner Stegbleche. Die damit verbundene Gefahr des Beulens wird durch die Anordnung von Aussteifungen behoben. An Aussteifungs- und Eckblechen ist ein genügend großer Freischnitt zu lassen. Ein kreisförmiger Freischnitt ist einem geraden Eckabschnitt vorzuziehen, weil dieser leichter zu umschweißen und Spannungsgünstiger ist. R 35mm 5

7 5 * t t 1.8 Schweißen in kaltgeformten Bereichen Wenn in kaltgeformten Bereichen einschließlich der angrenzenden Bereiche der Breite 5*t geschweißt wird, sind die Grenzwerte min (r/t) nach unten stehender Tabelle einzuhalten. Zwischen den Werten der Zeilen 1 bis 5 darf linear interpoliert werden. Die Werte der Umformgrade nach unten stehender Tabelle brauchen nicht eingehalten werden, wenn kaltgeformte Teile vor dem schweißen normalgeglüht werden. 1 2 max t mm min (r/t) , < 4 1 r 5 * t Siehe auch Anhang 2 6

8 1.9 Randabstand e Der Randabstand sollte e 2 x a betragen 1.10 Langlochschweißungen, Langlochbreite c Bei Kehlnähten in Langlöchern ist eine Langlochbreite von c 3 x t vorzusehen 7

9 1.11 Kehlnahtdicke, Nahtdickenbegrenzung Die Nahtdicke von Kehlnahtverbindungen sollte im Allgemeinen der statischen Berechnung entnommen werden und in der technischen Dokumentation (Zeichnungen) angegeben sein. Es sind bestimmte Grenzmaße zu beachten: Mindestnahtdicken a min a min 2mm a min t max a min 5mm 0,5 mm Maximale Nahtdicke a max Kleinste Nahtdicke (DIN 18800; DIN 15018) Für t 30 mm Für t > 30 mm a max 0,7 * t min Bei der Ausführung von Kehlnähten ist zu beachten, dass diese Nähte nicht nach dem Grenzmaß a max ausgerichtet werden, sondern nur die notwendige rechnerische Dicke aufweisen sollten. Für a > 4,0 mm muss mehrlagig geschweißt werden. Auf Zugänglichkeit achten! 8

10 1.12 Beanspruchung in Dickenrichtung Beanspruchung in Dickenrichtung, Terassenbruch Bei Beanspruchung in Dickenrichtung von Walzerzeugnissen ist häufig das Formänderungsvermögen gegenüber den Längs- oder Querrichtung vermindert. Ursache hierfür sind beim Walzen entstehende schichtweise Anordnungen von nichtmetallischen Einschlüssen parallel zur Oberfläche. Diese Einschlüsse nehmen bei Beanspruchung an der Formänderung nicht im gleichen Maß wie die metallische Matrix teil. Daraus resultiert die Gefahr von Brüchen parallel zur Oberfläche von Walzerzeugnissen. 9

11 a. Konstruktive Maßnahmen zur Vermeidung von Terrassenbrüchen (beste Lösung) Vermeidung von unnötigen Nahtvolumen: Anschluss über die Dicke des Bleches besser besser Vergrößern der Schweißnahtbasis: besser Vergrößern der Schweißnahtbasis: besser b. Werkstoffbezogene Maßnahmen zur Vermeidung von Terrassenbrüchen (teuer & unsicher) Die werkstoffbezogenen Maßnahmen zielen darauf ab, das Formänderungsvermögen bei Beanspruchung in Dickenrichtung zu verbessern. Insbesondere Stähle mit geringer Brucheinschnürung in Dickenrichtung sind durch Terrassenbruch gefährdet. 10

12 Beanspruchung in Dickenrichtung, Dopplungen Bleche und Breitflachstähle in Haupttragteilen der Klasse E (nicht vorwiegend ruhend beansprucht), die in Dickenrichtung auf Zug beansprucht werden, müssen ab einer Nenndicke von 10 mm ultraschallgeprüft sein. Beispiel 1 : U180 Treppenwange mit Zwischenbleche Beispiel 2: Datum 11

13 2. Rahmen und Rahmentragwerke Rahmen bestehen aus folgenden Bauteilen: - horizontale oder geneigte Träger = Riegel oder Binder. - vertikale Träger, deren Fußpunkte gelenkig gelagert werden = Stiel oder Stütze. -Verbindung zwischen Riegel und Stütze = Rahmenecke. Stütze und Riegel sind Biegeträger und werden durch Normal-, Querkraft und Biegemoment beansprucht. Rahmenecken sind biegesteife Verbindungen, die keine Verdrehung der Enden von Stütze und Riegel zulassen. Rahmenecken werden als vollständig geschweißte oder als teilweise geschweißte und geschraubte Verbindung ausgeführt. Rahmen und deren Bauteile bedürfen einer statischen Auslegung (Dimensionierung) auf die hier nicht weiter eingegangen wird. 2.1 gestalterische Ausführungen von Rahmen und Rahmenecken Konstruktion aus offenen Querschnitten (für vorwiegend ruhende Beanspruchung). Vorteile: - Anschlüsse können einfach konstruiert und gefertigt werden. - leere Kammern können für Installationen genutzt werden. -Standartwalzprofile können oftmals genutzt werden. (z.b. DIN bis 4) Nachteile: -geringes Flächen- bzw. Widerstandsmoment in einer Richtung. -Konservierung aufwendiger. - 12

14 Konstruktives Beispiel für geringe Moment- und Querkraftbeanspruchung Die Schweißnähte bedürfen keine weiteren Nachweise, wenn folgend Bedingungen erfüllt werden: a F = 0,7 * t F a S = 0,7 * t S 13

15 Anordnung von Aussteifungen (siehe auch 1.7). Quersteifen sind im Bereich großer Querkräfte und an Stellen großer Krafteinleitungen anzuordnen. Längssteifen sind bei Trägern mit großen Steghöhen im Bereich großer Biegemomente anzuordnen. Beispiel eines verstärkten Biegeträgers mit Flächenlast Quersteifen Längssteifen z.b. Flächenlast Querkraftverlauf Biegemomentenverlauf Datum 14

16 2.1.2 Geschlossener Querschnitt, Rohrkonstruktionen Für Schweißkonstruktionen müssen grundsätzlich warmgefertigte Hohlprofile (DIN EN 10210) verwendet werden. Vorteile: - nahezu gleiches Flächenträgheits- und Widerstandsmoment in beide Richtung. - Konservierung einfacher. - Nachteile: - Anschlüsse sind aufwendig zu Konstruieren und zu fertigen. - Hohe Materialkosten (um Faktor 2 höher als bei Walzprofilen) Konstruktive Einzelheiten Anschlüsse sollten über den gesamten Umfang als Stumpfnaht, als Kehlnaht oder als eine Kombination aus diesen Nahtarten hergestellt werden. Bei aufgesetzten Hohlprofilen mit Wanddicken ta 3 mm muss die Schweißnahtdicke mindestens gleich des aufgesetzten Profils sein: a = ta Bei aufgesetzten Hohlprofilen mit Wanddicken > 3 mm muss die Schweißnahtdicke mindestens gleich der Wanddicke des aufgesetzten Profiles sein: a ta, mindestens jedoch 3 mm Aus konstruktiven Gründen kann eine größere Schweißnahtdicke erforderlich sein. Gültigkeitsbereich: Rohrdurchmesser: d 500 mm Hohlprofilmaße: b 400 mm / h 400 mm 0,5 h/b 2,0 t 1,5 mm (für S355) t 25 mm (für S355) d/t 67 (für S355) b/t 36 (für S355) Aufgesetztes Hohlprofil 15

17 bu ba Ausführung der Schweißnähte Bei Anschlüssen von Hohlprofilen untereinander sind die Bereiche A, B und C zu unterscheiden. Bei Anschlüssen von Rechteckhohlprofilen untereinander gelten folgende Festlegungen: B A B C α Breitenverhältnis γ ba bu Im Bereich A: Die Schweißnaht soll bei Anschlusswinkeln α < 45 als HV-Naht ausgebildet werden (Bild 1). Bei α 45 ist auch eine Kehlnaht möglich (Bild 2). A Bild 1 Bild 2 A 16

18 Im Bereich B Für γ 0,8: Die Schweißverbindungen dürfen als Kehlnähte ausgeführt werden (Bild 3). Für γ > 0,8: Schweißen ist aufgrund der Eck-Radien nicht immer möglich (Bild 4) und sollte vermieden werden. Bei kleinen Eckradien kann ein sicheres Durchschweißen nicht sichergestellt werden. Die Schweißnähte müssen als V-Naht ausgebildet werden (Bild 5). B Bild 3 Bild 4 Bild 5 B B Bereich C Die Schweißnähte im spitzen Winkel dürfen nur als Kehlnähte ausgeführt werden (Bild 6). 17

19 Biegesteife Rahmenecken aus Rechteckhohlprofilen Die Gestaltfestigkeit bzw. Tragfähigkeit wird nach DIN bestimmt Gültigkeitsbereich: b 300 mm h 300 mm 0,33 h/b 3,5 t 2,5 mm t 25 mm (für S355) d/t 67 (für S355) b/t 36 (für S355) Auf den Schweißnahtnachweis kann verzichtet werden, wenn folgende Tabellen gilt: für hochkant stehende Rechteck- Hohlprofile h/b b/t ,2 15,5 1,4 16,5 1,6 17,5 1, ,5 für flachliegende Rechteck-Hohlprofile h/b b/t ,2 14,5 1,4 14 1,6 14,5 1, ,5 18

20 3. Blechbau, Kastenträger Wenn große Bauteildicken notwendig sind, empfiehlt sich eine Ausführung in Kasten- oder Zellenbauweise, bei der die Querschnitte der einzelnen Bleche verkleinert werden können. Vorteile: - kleinere Schweißnahtdicken d.h. Einsparung von Schweißgut - dem Werkstück wird weniger Wärme beim Schweißen zugeführt d.h. weniger Verzug - Kostensenkung durch Wegfall von Dickenaufpreise bei Verwendung von Blechstärken bis t = 25 mm - die Gefahr des Sprödbruches infolge mehrachsiger Spannungszustände in großen Blechquerschnitten wird entgegengewirkt - Gewichtsersparnis Ungünstige Querschnittsgestaltung bei Zugbeanspruchung Günstigere Querschnittsgestaltung bei Zugbeanspruchung 19

21 Ungünstige Querschnittsgestaltung bei Biegebeanspruchung Günstigere Querschnittsgestaltung bei Biegebeanspruchung Hinweis: Bei Brötje Automation wird in vielen Fällen nicht nach dem Grundsatz der der zulässigen Spannung, d.h. der zulässigen Beanspruchung, entworfen, sondern nach dem Grundsatz der zulässigen Verformung. Es muss also eine möglichst große Formsteifigkeit gegeben sein. Dies wird durch große Querschnittsflächen bzw. große Flächenträgheitsmomente erreicht. 20

22 4. Zeichnungserstellung Es sind alle Schweißnähte darzustellen. Hierbei ist die Symbolik nach DIN EN zu verwenden. Die Zeichnungen sind fertigungsgerecht aufzubauen und zu vermaßen. Das Gewicht des Schweißteiles ist auf der Schweißteilzeichnung zu vermerken. Bei Einzelteilzeichnungen ist die Schweißnahtvorbereitung darzustellen. Maßzahlen sind möglichst auf ganze Millimeter zu runden. Um Symmetrien u.ä. auszunutzen 1/10 Millimeter. Im Unterschied zum Maschinenbau ist es üblich (geschlossene) Maßketten einzutragen. Bezugsbemaßung ist im Stahlbau oftmals wenig fertigungsgerecht. 21

23 Bei gebogenen Teilen ist es häufig sinnvoll Bogenmaße zu setzen. Der Krümmungsradius, auf den sich das Bogenmaß oder die Bogenmaßkette bezieht, muss in Klammern hinter das Bogenmaß oder die Bogenmaßkette gesetzt werden. Ansicht eines gebogenen Trägers (Walzprofil) mit Anbauteilen Fertigungsgerecht vermasst. Ansicht eines gebogenen Trägers (Walzprofil) mit Anbauteilen nicht Fertigungsgerecht vermasst. 22

24 5. Übliche Schweißnähte bei Brötje Automation 5.1 Kehlnaht / Kehlnahtdarstellung a-min a-max zulässige Kehlnahtstärken bei BA zu bevorzugender Bereich BA 2 mm 15 mm (Rückspr. SFI) 3 mm 8 mm Beispiel Doppelkehlnaht Beispiel Umlaufende Kehlnaht Keine Schweißnahtvorbereitung. a-maße zwischen 2 und 15 mm möglich. Bevorzugte Auswahl zwischen 3 und 8 mm. Auswahl ist abhängig von der Blechstärke und der statischen Betrachtung. Umlaufende Kehlnähte sind zu bevorzugen. Siehe Kap Achtung: Kehlnähte mit einem a-maß über 4 mm werden durch einen mehrlagigen Aufbau erzeugt (Aufwand). Beispiel mehrlagige Kehlnaht a = 10 mm, Anzahl der Lagen ca. 4 bis 5 Erklärende Darstellung 23

25 5.2 V-Naht / V-Nahtdarstellung Beispiel halbe V-Naht Beispiel V-Naht Einzelteil 02 α = 50 bis 60 bei kleinen Wandstärken a = 45 möglich c = 1 bis 2 mm Für Blechstärken t zwischen 3 mm und 20 mm Achtung bei großen Blechstärken werden V-Nähte mit vielen Lagen aufgebaut (Aufwand). Beispiel Blechstärke t = 15 mm, Anzahl der Lagen ca. 5 bis 6. 1 Erklärende Darstellung 24

26 t C C 5.3 Y-Naht / Y-Nahtdarstellung Beispiel halbe Y-Naht Beispiel Y-Naht Einzelteil 02 C = Nahttiefe. C wird als Zahlenwert (in mm) vor das Y-Symbol geschrieben. α = 60 bei kleinem C ist α = 45 möglich. C ist allein Abhängig von statischen Anforderungen. 5.4 I-Naht / I-Nahtdarstellung Keine Schweißnahtvorbereitung. Für Blechstärken bis 3 mm. Beispiel I-Naht 25

27 5.5 Versetzte, unterbrochene Schweißnaht Am Beispiel von Kehlnähten Symbol Erklärende Darstellung Die zu verschweißende Naht muss aufgeteilt (siehe erklärende Darstellung) und das Symbol entsprechend ausgefüllt werden. Die Enden sind zu umschweißen. Beispiel 26

28 2 Anhang Alternativen zum Schweißen im kaltgeformten Bereich d12 (4) Übliche Schottblechkonstruktion bei BA. Hier wird im kaltgeformten Bereich geschweißt. Es gilt die Tabelle Kap. 1.8 R t min 1,5 12mm 1,5 8mm zulässig 27