7.1 Schweißverbindungen

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1 7.1 Schweißverbindungen 1

2 Inhalt Grundlagen FEM Regelwerke / Richtlinien en Konzept der IIW Strukturspannungskonzept IIW FEM Modellierung IIW Alternative Modellierungsmöglichkeiten Fazit FEM Modellierung Alternaive Konzepte Fazit zu Berechnungskonzepten Messung von Spannungen nach IIW Beanspruchbarkeiten nach IIW Beispiele Literatur 2

3 Elementtypen 1D Stabelemente (Übertragung Kraft) Balkenelement (Übertragung Kraft und Biegung) 2D Schalenelemente (Berücksichtigen Krümmungen) 3D Volumenelemente Vernetzung Schalenstrukturen: Vernetzung in Schalenmitte Länge / Dicke > 20 Krümmungsradius /Dicke > 10 Lineare Elemente bei Biegung zu steif quadratische Elemente 3 Quelle: m/

4 FE-Modellierung mit Schalen Keine Modellierung der Naht! Feinere Modellierung im Kerbgrund Berücksichtigung der Zusatzspannungen aus Lastübertragung und Verformung Ziel: Direkte Verwendung der Spannungen Auswertung der größten Hauptspannung Rohrknoten Quelle: Haibach, nach Robert, Burdon, Meziere 4

6 Regelwerke/Richtlinien (Auswahl) spezielle Regelwerke/Richtlinien (Auswahl) DIN (Stahlbau) DIN (Krane), Nachfolgenorm DIN EN AD 2002 (Druckbehälter TÜV) DIN EN (Druckbehälter) DS 804 (Eisenbahnbrücken) DS 952 (Eisenbahnfahrzeuge) Güteanforderungen nach DIN 6700 BS 7608 (Stahlbau, GB) BS 5400 (Brückenbau, GB) BS 8118 (Behälterbau, GB) GL (Germanischer Lloyd, Schiffbau) ASME (Behälterbau, div. Codes USA) allgemeine Regelwerke und Richtlinien (Auswahl) DIN EN 1993 (Eurocode EC3 Stahl, Rohrleitungen, Silos, Tanks, Kranbahnen, Brücken, Türme, Masten, Stahlhochbauten) FKM 183 (Maschinenbau, Stahl) IIW-Empfehlungen (Stahl, Aluminium) 6

8 Wöhlerversuche an Stumpfnähten in Normalgüte, Stahl S690Q (St E 70) 8

9 Wöhlerkurven von Schweißverbindungen St E 355 / St E 690V nach Müsgen / Hoffmann 9

10 Wöhlerkurven von Schweißstählen St E 355 / St E 690V nach Müsgen / Hoffmann 10

11 Gültigkeit IIW Gültigkeitsbereich geschweißte Bauteile aus ferritisch-perlitischem oder vergütetem Baustahl mit Streckgrenze Rp0,2 = f y 960 MPa, oder schweißbaren Al-Legierungen Überlebenswahrscheinlichkeit Werkstoffdaten P Ü = 95 % nicht gültig, falls Kurzzeitermüdung mit Nennspannungsschwingbreite Δσ nom > 1,5 f y oder Betriebstemperatur Kriechen erwarten lässt 11

12 Definition von Spannungen Definition und Berechnung der Strukturspannungen IIW-Empfehlungen Dok. IIW (12/2008) 12

13 Vorgehen IIW-Empfehlungen Teil 1 tabelliertes konstruktive Detail vorhanden? nein Strukturspannungskonzept geeignet? nein effektives Kerbspannungskonzept geeignet? ja ja ja Nennspannung bestimmen Strukturspannung bestimmen effektive Kerbspannung bestimmen FAT-Klasse, d.h. Ermüdungswiderstand aus Kerbfalltabelle suchen Wöhlerlinie für Strukturspannung aufsuchen Wöhlerlinie für effektive Kerbspannung aufsuchen weiter mit weiter mit weiter mit A A A nein Risse oder rissartige Imperfektionen vorhanden? ja Spannungsintensitätsfaktor bestimmen Widerstandsparameter gegen Rissausbreitung aufsuchen weiter mit B nein Schwingversuch des Bauteils oder konstruktiven Details Teil-Sicherheitsfaktor γ M für Ermüdung bestimmen Mit Versuchsergebnis von vorn beginnen 13

14 Vorgehen IIW-Empfehlungen Teil 2 A noch nicht berücksichtigte Effekte durch Modifikation Wöhlerlinie erfassen Minerregel geeignet? nein ja Bemessungs- Wöhlerlinie mit γ M berechnen Schadenssumme und Lebensdauer bestimmen. Bewertung? Parameter der dimensionslosen Rissausbreitung aus Wöhlerlinie mit γ M bestimmen B Bemessungswerte der Rissausbreitungsdaten berechnen Lebensdauer mit Rissausbreitungsberechnung bestimmen. Bewertung? 14

16 Strukturspannungskonzept IIW Empfehlungen sind Weiterentwicklung der EKS Richtlinien FKM nahezu deckungsgleich mit IIW Kein statistischer Größeneinfluss bei IIW Bewertung ist begrenzt auf Bewertung des Nahtübergangs Keine Bewertung der Nahtwurzel! 16

17 Allgemeine Vorgehensweise 17

18 Gültigkeit Strukturspannungskonzept Randbedingungen: gilt nur für Risse ausgehend vom Nahtübergang (a)-e)), nicht für Risse in der Nahtwurzel FE-Netze; Quelle: IIW 08 18

19 Definition der Spannungen σ mem Membranspannung: σ ben konstante Durchschnittsspannung über Wanddicke Schalenbiegespannung: linear über Wanddicke verteilt. Geht durch Punkt O, in dem Membranspannung Mittellinie schneidet. Steigung so gewählt, dass nichtlinearer Rest im Gleichgewicht σ nlp nichtlineare Spannungsspitze: verbleibender Spannungsanteil 19 Definition Spannungsanteile - IIW-Empfehlungen Dok. IIW (12/2008)

20 Beispiele Strukturspannungen Beispiele für makrogeometrische Effekte modifizierte (örtliche) Nennspannung in der Nähe von Punktlasten Modifizierte Nennspannungen - IIW-Empfehlungen Dok. IIW (12/2008) 20

21 Spannungen Üblicherweise wird 1. Hauptspannung ausgewertet Bei Mehrachsigkeit analog Bild vorgehen: Quelle: IIW 08 21

23 Strukturspannungsermittlung (IIW) FEM modelliert oft ideal! Über Faktoren systemat. Einflüsse berücksichtigen von Kantenversätzen Rückfedern von Blechen Verzug der Bauteile Modellierung mittels Schalen oder Volumenelementen möglich Unterscheidung in Type a) und Type b) Hot spots Typ a: In Plattenebene Typ b: an Plattenkante Auswertung von Knotenspannungen! FE-Netze; Quelle: IIW 08 23

24 Modellierungsempfehlungen (IIW) Schalenelemente 2-D, 8 Knoten inkl. Seitenmittenknot Biegung muss linear ausgewertet werden können Schweißnaht wird nicht modelliert, ausser bei zusätzl. Biegung durch Versatz der Platten. Min. Elementgröße w = Plattendicke + 2*Schweißnahtwurzel Volumenelemente 3-D, 20 Knoten inkl. Seitenmittenknoten Biegung muss linear ausgewertet werden können Min. Elementgröße w = Plattendicke + 2*Schweißnahtwurzel FE-Netze; Quelle: IIW 08 24

25 Vergleich der Referenzpunkte FE-Netze; Quelle: IIW 08 25

27 Alternative Modellierungsmöglichkeiten Modellierung der Schweißnaht mit 2D Elemente: bei Plattenmodellierungen mit schräg gestellten Platten arbeiten 3D Elemente: Unbedingt mit Tetraeder oder prismatischen Elementen Naht modellieren. Isoparametrische Elemente mit Zwischenknoten. FE-Netze Quelle: Fricke, Selle 27

28 Alternative Modellierungsmöglichkeiten Aygül untersucht anhand Schiffsstrukturen alternative Modellierungsrichtlinien für Schalenstrukturen. Abbildung der Steifigkeit der Schweißnaht Quelle: Aygül 28

29 Alternative Modellierungsmöglichkeiten Aygül untersucht anhand Schiffsstrukturen alternative Modellierungsrichtlinien für Schalenstrukturen. Abbildung der Steifigkeit der Schweißnaht 29

30 Alternative Modellierungsmöglichkeiten Fazit Aygül: Volumenelemente mit Schweißnaht sind sehr gut. Hexaeder mit Seitenmittenknoten Schalenelemente mit Oblique shell elements 8- Konten Elemente 30

32 Beispiel Modellierung Quelle: Akhlaghia 32

33 Beispiel Modellierung Quelle: Akhlaghia 33

34 Inhalt Grundlagen FEM Regelwerke / Richtlinien en Strukturspannungskonzept IIW FEM Modellierung IIW Alternative Modellierungsmöglichkeiten Fazit FEM Modellierung Alternaive Konzepte Fazit zu Berechnungskonzepten Messung von Spannungen nach IIW Beanspruchbarkeiten nach IIW Beispiele Literatur 34

35 Örtliches Konzept (R1 Radius) Berechnung mittels FEM oder BEM. Falls Nahtgeometrie ohne spezielle Angaben: Empfehlung bei Stumpfnähten Flankenwinkel von 30 und bei Kehlnähten von 45 annehmen. Annahme Kerbradius r = 1 mm, Methode begrenzt auf t 5 mm. Bestimmung der effektiven Kerbspannung IIW-Empfehlungen Dok. IIW (12/2008) 35

36 Strukturdehnungskonzept (Haibach) Plattendicke DMS Länge Abstand Naht ~ 10 mm 3 mm 2 mm < 5 mm 1,5 mm 0,75..1 mm Quelle: Haibach 36

38 Fazit zu Alternativen Konzepten Oftmals noch nicht ausgereift, oder Möglichkeit zur Vereinheitlichung gegeben (z.b. Dong) In Richtlinien noch nicht verankert kein Stand der Technik! Anwendbarkeit der Konzepte z.t. noch offen (Xiao, Yamada) Nur sinnvoll, wenn starke Änderungen der Spannungen in Kraftichtung oder bei dickwandigen Strukturen Anwendung eines dieser Konzepte muss validiert werden! Nennspannungskonzept sehr robust ggü. Modellierung 38

40 Position und Auswertung DMS Position DMS abhängig von der Plattendicke Auswertung der Dehnungen: Typ a hot spots: e HS = 1,67*e 0,4*t 0,67*e 1,0*t e HS = 2,52*e 0,4*t 2,24*e 0,9*t + 0,72*e 1,4*t Typ b hot spots: e HS = 3*e 4mm - 3*e 8mm + e 12mm Spannungsberechnung s HS = E*e HS (einachsig) s HS = E*e x * (1+n *e y /e x )/(1-n 2 ) (zweiachsig) 40

42 Wöhlerlinien In den Wöhlerlinien sind bereits folgende Einflüsse berücksichtigt: Spannungskonzentrationen der Strukturspannungen durch das abgebildete Schweißdetail Lokale Spannungskonzentrationen duch die Schweißgeometrie Schweißfehler unter normalen Fertigungsstandards Lastrichtung Hohe Eigenspannungen Metallurgische Randbedingungen Schweißprozess (Schmelzschweißen) Nahtinspektionen zerstörungsfrei geprüft (falls angegeben) Nahtbehandlungen (falls angegeben) Kantenversatz 42

43 Nahtformfehler äußere Nahtformfehler Nahtüberhöhung Decklagenunterwölbung Kantenversatz Einbrand- und Randkerben Wurzelüberhöhung Wurzelrückfall Wurzelkerbe Randkerbe innere Nahtformfehler Poren Schlackeneinschlüsse Endkraterlunker Bindefehler 43

44 Beispiel FAT 90 44

45 Beanspurchbarkeit Strukturspannungen 45

46 Einfluss Spannungsverhältnis (IIW) Gleiches Vorgehen für Stahl und Aluminium empfohlen. Bereich I :Grundwerkstoff und Walzprodukte mit vernachlässigbaren Eigenspannungen ( < 0,2 f y ) f(r) = 1,6 für R < -1; f(r) = -0,4 R + 1,2 für 1 R 0,5; f(r) = 1,0 für R > 0,5 Bereich II :dünnwandige geometrisch einfache Bauteile mit kurzen Schweißnähten f(r) = 1,3 für R < -1; f(r) = -0,4 R + 0,9 für 1 R -0,25; f(r) = 1,0 für R > -0,25 Bereich III :komplexe zwei- oder dreidimensionale Bauteile mit globalen Eigenspannungen, dickwandige Bauteile f(r) = 1,0 keine Erhöhung 46

47 Einfluss Wanddicke (IIW) Dickenreduktionsfaktor f(t): f(t) = ( 25 / t eff ) n wobei t > 25 mm Falls L / t 2 dann t eff = 0,5 L sonst t eff = t Gleiches Vorgehen für Stahl und Aluminium empfohlen. Art der Verbindung Behandlung n Querbelastete Kreuz- und T - Stöße, Bleche mit Quersteifen Querbelastete Kreuz- und T - Stöße, Bleche mit Quersteifen Querbelastete Stumpfstöße Stumpfstöße, blecheben geschliffen, Grundwerkstoff, längsbeanspruchte Schweißnähte oder Anschweißteile wie geschweißt Nahtübergang beschliffen wie geschweißt 0,3 0,2 0,2 alle 0,1 47

48 Einfluss Temperatur (IIW) Reduktionsfaktor für hohe Temperaturen ( Stahl ) 48

49 Verbesserung der Schweißnaht nach Müsgen / Hoffmann Wöhlerkurven von nachbehandelten Schweißverbindungen St E 690V 49

50 Verbesserung der Schweißnaht Verbesserung der Nahtform Mechanische Bearbeitung / Schleifen der Stumpfnaht (eben) Mechanische Bearbeitung / Schleifen des Nahtübergangs (rund) Aufschmelzen des Nahtübergangs durch TIG-, plasma oder laser Bearbeitung Verbesserung des Eigenspannungszustandes Peening (hammer-, needle-, shot-, brush-peening or ultrasonic treatment) Überlasten Spannungsrelaxieren Verbesserung der Umgebungsbedingungen: lackieren Beschichten Maßnahmen vor allem wirksam, bei niedrigeren Lasten. Ein Versuch zum Nachweis der Wirksamkeit wird empfohlen. 50

51 Verbesserung der Schweißnaht Schleifen (ausrunden des Nahtübergangs) Tungsten Inert Gas (TIG) aufschmelzen (ausrunden Nahtübergang) 51

52 Verbesserung der Schweißnaht Hammer Peening (plastische Verformung des Nahtübergangs) Needle Peening (plastische Verformung des Nahtübergangs) Es gilt beidesmal: wenn R < 0 dann eff. Spannungsrange = angewandte Ds wenn 0 < R <=0.4 dann eff. Spannungsrange = max. angewandte σ wenn R > 0.4 dann gibt es keinen Benefit 52

53 Sicherheitsfaktoren Teil-Sicherheitsfaktor γ M Versagensfolgen Ausfallsichere und schadenstolerante Bauweise Bemessung auf sichere Lebensdauer oder auf Dauerschwingfestigkeit Verlust sekundärer Bauteile 1,00 1,15 Verlust des gesamten Tragwerks 1,15 1,30 Verlust menschlichen Lebens 1,30 1,40 Bewertung Schwingfestigkeit mit Wöhlerlinien: Teil-Sicherheitsfaktoren IIW-Empfehlungen Dok. IIW (12/2008) 53

54 Schadensakkumulation Einschränkungen Bemessungswert der größten Schwingbreite Δσ max,s,d kleiner als der Bemessungswert der Dauerschwingfestigkeit der Wöhlerlinie oder des Ermüdungswiderstands Δσ D,R,d kleiner als der Bemessungswiderstand der Ausschlussgrenze ( cut off limit ) Δσ cut,r,d falls keine Dauerfestigkeit angegeben: Lebensdauer kann als unendlich angenommen werden, keine weitere Schadensakkumulation erforderlich. Dauerschwingfestigkeit bei weniger als 10 8 Schwingspielen Modifikation der Wöhlerlinie erforderlich. l ni Dd 0,5...1,0 N 1 i D d i n i N i Schadenssumme Index für Blocknummer im Beanspruchungskollektiv Zyklenzahl im Block i der Spannungsschwingbreite Δσ i,s,d Zyklenzahl, nach der der Bemessungswert Δσ i,s,d der Schwingbreite zum Schaden führt 54

55 1E7 konstante Amplitude: m 2 = 22 variable Amplitude: m 2 = 2m 1-1 = 5 Modifikation der Versuchswöhlerlinie für die Schadensakkumulation 55

56 Modifikation der Wöhlerlinie (Stahl) für die Schadensakkumulation 56

57 Modifikation der Wöhlerlinie (Aluminium) für die Schadensakkumulation 57

58 FAT 225 FAT 225 Standardanwendung m = 3 High-Cycle-Anwendung m = 3 bzw. m = 22 Belastung durch konstante Amplituden Wöhlerkurven für Normalspannungen (Stahl), 58

60 Beispiel Nennspannungen gegeben: querkraftbelastetes T-Profil (Kragbalken) aus S690Q geschweisst mit umlaufender Kehlnaht; schwellend belastet σ = 14 MPa, τ = 0,24 MPa, Profildicke t = 20 mm, a = 14 mm gesucht: Ermüdungsfestigkeitsnachweis nach IIW (Dauerfestigkeit) Lösung: Annahme Sicherheit Last γ F = 1,0; Sicherheit Material γ M = 1,4 τ = 0,24 MPa < 0,15 x σ = 2,1 MPa, daher Schubspannung τ vernachlässigbar! Zuordnung der FAT-Kurve: No. 414 FAT 36 MPa mit Dauerfestigkeit Δσ R,k = 24 MPa Nachweis: Δσ S,d = Δσ S,k x γ F = σ = 14 MPa Δσ R,d = Δσ R,k / γ M = 24 / 1,4 = 17 MPa Δσ S,d < Δσ R,d : dauerfest! Beispiel: Dauerfestigkeitsnachweis mit Nennspannungskonzept nach IIW 60

61 Beispiel Kerbspannungen gegeben: innendruckbelasteter Behälter aus S235, p i = 15 bar, durchgeschweisste Stumpfnaht mit aufgesetzter Kehlnaht; Δσ 1 = 99 MPa gesucht: Ermüdungsfestigkeitsnachweis nach IIW Lösung: Annahme Sicherheit Last γ F = 1,0; Sicherheit Material γ M = 1,3 Zuordnung der FAT-Kurve: FAT 225 MPa nach IIW Nachweis: Δσ S,d = Δσ S,k x γ F = Δσ 1 = 99 MPa Δσ R,d = Δσ R,k / γ M = 140 / 1,3 = 107 MPa Δσ S,d < Δσ R,d : dauerfest! Betriebsfestigkeit: Δσ R,d,erf = Δσ 1 x 1,3 = 129 MPa ca. N = 8E7 Zyklen! Beispiel: Ermüdungsfestigkeitsnachweis mit Kerbspannungskonzept (R1MS) nach IIW 61

63 Literatur IIW Empfehlung: Hobbacher, A. et al.: Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Commponents IIW Document XIII / XV , Paris (2003), France FKM Richtlinie: Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile. Frankfurt a.m., VDMA-Verlag: 6. Aufl EKS Empfehlungen Fricke W.; Selle, H.: Formzahlermittlung für komplexe schiffbauliche Strukturdetails und Einbindung in die Betriebsfestigkeitsanalysen. In: Fortschritte bei der Konstruktion und Berechnung geschweißter Bauteile, DVS Band 187, Deutscher Verlag für Schweißtechnik, Düsseldorf (1997) Morgenstern: Kerbgrundkonzepte für die schwingfeste Auslegung vonaluminiumschweißverbindungen am Beispiel der naturharten Legierung AlMg4,5Mn (AW- 5083) und der warmausgehärteten Legierung AlMgSi1 T6 (AW-6082 T6); Dissertation TU Darmstadt; 2006 Mustafa Aygül Fatigue Analysis of Welded Structures Using the Finite Element Method; Department of Civil and Environmental Engineering Division of Structural Engineering, Steel and Timber Structures CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Gothenburg, Sweden 2012 Dong, P.: A Structural Stress Definition and Numerical Implementation for Fatigue Analyses Int. J. Fatigue, 23 (2001), S Xiao, Z.-G.; Yamada, K.: A Method of Determining Geometric Stress for Fatigue Strength Evaluation of Steel Welded Joints Int. J. Fatigue, 26 (2004), S Fermer, M.; Svensson, H.: Industrial Experiences of FE-Based Fatigue Life Prediction of Welded Automotive Structures Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures 24 (2001), Nr 7, S F. Z. Akhlaghia, M. Al-Emrania, L. Frýbab, S. Urushadze. Fatigue testing and analysis of an orthotoropic bridge welded detail using structural hot spot stress method. Fatigue design 2009 November 25 & 26 CETIM, Senlis - France 63

64 Zusätzliche Bilder 64 EINBOCK AKADEMIE UG (haftungsbeschränkt) 2015 Claus von Stauffenberg Strasse Vaihingen [email protected]

65 Ermüdungswiderstand konstruktiver Details (Auszug - 1) IIW-Empfehlungen Dok. IIW (12/2008) 65

68 68 Ermüdungswiderstand konstruktiver Details (Auszug - 4) IIW-Empfehlungen Dok. IIW (12/2008)

77 Ermüdungswiderstand konstruktiver Details (Auszug 13) IIW-Empfehlungen Dok. IIW (12/2008) 77

85 Strukturspannung nach der Methode der Bezugsdetails: FAT bewert = ( σ stru, ref / σ stru, bewert ) FAT ref Ermüdungswiderstand konstruktiver Details (Auszug - 21) IIW-Empfehlungen Dok. IIW (12/2008) 85

87 Ermüdungswiderstand gegen Strukturspannungen (Auszug - 23) IIW-Empfehlungen Dok. IIW (12/2008) 87

88 Ermüdungswiderstand gegen Strukturspannungen (Auszug - 24) IIW-Empfehlungen Dok. IIW (12/2008) 88