7.1 Schweißverbindungen

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1 7.1 Schweißverbindungen 1

2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber Regel 2 Der Statische Nachweis Kapitel 1 (Schadensmechanismus: Gewaltbruch) Beanspruchungen Spannung, Zeit und Temperatur Sicherheitsfaktor Beanspruchbarkeit plastische Stützzahl n pl Thermomechanik Kapitel 2 (Schadensmechanismus Kriechen wenn T > 0,35 * T m ) Beanspruchungen Kapitel 5 Rainflowzählung Lastkollektive Extrapolation von Lastkollektiven Regelwerke Kapitel 7 Sicherheit: Schadensakkumulation D Beanspruchbarkeit Zeitstandskurven Larson Miller Parameter P LM Betriebsfestigkeit Kapitel 3-6 (Schadensmechanismus Schwingbruch) Schadensakkumulation Kapitel 6: Miner-Regel Schadenssumme D Ausfallwahrscheinlichkeit P A Beanspruchungen Strukturspannungen, R1 Spannungen Dehnungen Schadensakkumulation Beanspruchbarkeit Dauerfestigkeit Kapitel 4 Bauteilwöhlerlinie HCF Kapitel 3 Neigung k Knickpunktzyklenzahl N D Dauerfestigkeit s D Dehnungswöhlerlinie LCF Neuber-Regel Schweißverbindungen Kapitel 8 (Schadensmechanismus: Schwingbruch) Beanspruchbarkeit FAT Klasse (Wöhlerlinie) Zulässige Dehnungen

3 Inhalt Regelwerke / Richtlinien Beanspruchungen von Schweißnähten berechnen Strukturspannungskonzept IIW inkl. FEM R1 Konzept (Kerbspannungskonzept) Strukturdehnungskonzept Beanspruchbarkeiten nach IIW Strukturspannungskonzept IIW inkl. FEM R1 Konzept (Kerbspannungskonzept) Strukturdehnungskonzept Auf den Punkt Literatur 3

4 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) 4

6 Wöhlerversuche an Stumpfnähten in Normalgüte, Stahl S690Q (St E 70) 6

7 Wöhlerkurven von Schweißverbindungen St E 355 / St E 690V nach Müsgen / Hoffmann 7

8 Wöhlerkurven von Schweißstählen St E 355 / St E 690V nach Müsgen / Hoffmann 8

9 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 9

10 Definition von Spannungen Definition und Berechnung der Strukturspannungen IIW-Empfehlungen Dok. IIW (12/2008) 10

12 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! 12

13 Allgemeine Vorgehensweise 13

14 Gültigkeit Strukturspannungskonzept Randbedingungen: gilt nur für Risse ausgehend vom Nahtübergang (a)-e)), nicht für Risse in der Nahtwurzel FE-Netze; Quelle: IIW 08 14

15 Definition der Spannungen σ mem Membranspannung: konstante Durchschnittsspannung über Wanddicke σ ben 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 Definition Spannungsanteile - IIW-Empfehlungen Dok. IIW (12/2008) 15

16 Beispiele Strukturspannungen Beispiele für makrogeometrische Effekte modifizierte (örtliche) Nennspannung in der Nähe von Punktlasten Modifizierte Nennspannungen - IIW-Empfehlungen Dok. IIW (12/2008) 16

17 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 17

18 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. Max. Elementgröße w = Plattendicke + 2*Schweißnahtwurzel Volumenelemente 3-D, 20 Knoten inkl. Seitenmittenknoten Biegung muss linear ausgewertet werden können Max. Elementgröße w = Plattendicke + 2*Schweißnahtwurzel FE-Netze; Quelle: IIW 08 18

19 Vergleich der Referenzpunkte FE-Netze; Quelle: IIW 08 19

20 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 20

21 Beispiel Modellierung Quelle: Akhlaghia 21

22 Alternative: Messung mit 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) 22

23 Beispiel Modellierung Quelle: Akhlaghia 23

25 Örtliches Konzept (R1 Radius) FAT 225 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) 25

26 Inhalt Regelwerke / Richtlinien Beanspruchungen von Schweißnähten berechnen Strukturspannungskonzept IIW inkl. FEM R1 Konzept (Kerbspannungskonzept) Strukturdehnungskonzept Beanspruchbarkeiten nach IIW Strukturspannungskonzept IIW inkl. FEM R1 Konzept (Kerbspannungskonzept) Strukturdehnungskonzept Auf den Punkt Beispiele Literatur 26

27 Strukturdehnungskonzept (Haibach) Plattendicke DMS Länge Abstand Naht ~ 10 mm 3 mm 2 mm < 5 mm 1,5 mm 0,75..1 mm Quelle: Haibach 27

29 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 29

30 Nahtformfehler äußere Nahtformfehler Nahtüberhöhung Decklagenunterwölbung Kantenversatz Einbrand- und Randkerben Wurzelüberhöhung Wurzelrückfall Wurzelkerbe Randkerbe innere Nahtformfehler Poren Schlackeneinschlüsse Endkraterlunker Bindefehler 30

31 Allgemeine Vorgehensweise 31

32 Beispiel FAT 90 32

33 Beanspurchbarkeit Strukturspannungen 33

34 Verbesserung der Schweißnaht nach Müsgen / Hoffmann Wöhlerkurven von nachbehandelten Schweißverbindungen St E 690V 34

35 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. 35

36 Verbesserung der Schweißnaht Schleifen (ausrunden des Nahtübergangs) Tungsten Inert Gas (TIG) aufschmelzen (ausrunden Nahtübergang) 36

37 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 37

38 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) 38

39 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 39

40 Modifikation der Wöhlerlinie (Stahl) für die Schadensakkumulation 40

41 Modifikation der Wöhlerlinie (Aluminium) für die Schadensakkumulation 41

42 Beispiel Nennspannungen gegeben: gesucht: 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 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 42

44 FAT 225 FAT 225 Standardanwendung k = 3 High-Cycle-Anwendung k = 3 bzw. k = 22 Belastung durch konstante Amplituden Wöhlerkurven für Normalspannungen (Stahl), 44

45 Werkstoffgrenze FAT225 für Stahl FAT 225 Wöhlerlinien für Kerbspannungskonzept (R1 Konzept) FAT225 45

46 Beispiel Kerbspannungen gegeben: gesucht: innendruckbelasteter Behälter aus S235, p i = 15 bar, durchgeschweisste Stumpfnaht mit aufgesetzter Kehlnaht; Δσ 1 = 99 MPa 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 46

48 Strukturdehnungskonzept (Haibach) Plattendicke DMS Länge Abstand Naht ~ 10 mm 3 mm 2 mm < 5 mm 1,5 mm 0,75..1 mm Quelle: Haibach 48

50 Auf den Punkt (1/2) Schalenelemente Orientierung an IIW 8 Knotenelemente Keine Steifigkeit Schweißnaht Volumenelemente 20 Knotenelemente Berücksichtigung Schweißnaht durch 45 Schräge Generell gelten Volumenelemente als robuster ggü Schalenelementen (wg. Berücksichtigung d. Steifigkeit Schweißnaht) Allgemein gute Übereinstimmung des Strukturspannungskonzeptes zw. Rechnung und Messung (Haibach) Weitere Verfeinerung Volumenelemente muss nicht zielführend sein, da ansonsten Naht störend wirkt 50

51 Auf den Punkt (2/2) FEM modelliert meist ideal! Vergleichsspannung nach Von Mises ist immer positiv! Druckspannungen werden nicht erkannt. Besser vorzeichenbehaftete Von Mises Effektive Identifikation kritischer Stellen Erfahrung Grobe FEM und dann Fokus auf hot spots Messung mehrerer Punkte Strukturspannungskonzept effektiv für große Modelle Kerbspannungskonzept sehr robust ggü Modellierung 51

53 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 53

54 Zusätzliche Bilder 54 EINBOCK AKADEMIE UG (haftungsbeschränkt) 2015 Claus von Stauffenberg Strasse Vaihingen kontakt@einbock-akademie.de

55 Ermüdungswiderstand konstruktiver Details (Auszug - 1) IIW-Empfehlungen Dok. IIW (12/2008) 55

58 58 Ermüdungswiderstand konstruktiver Details (Auszug - 4) IIW-Empfehlungen Dok. IIW (12/2008)

67 Ermüdungswiderstand konstruktiver Details (Auszug 13) IIW-Empfehlungen Dok. IIW (12/2008) 67

75 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) 75

77 Ermüdungswiderstand gegen Strukturspannungen (Auszug - 23) IIW-Empfehlungen Dok. IIW (12/2008) 77

78 Ermüdungswiderstand gegen Strukturspannungen (Auszug - 24) IIW-Empfehlungen Dok. IIW (12/2008) 78