7.1 Schweiß- verbindungen -...

Kapitel 7_1 Schweißnahtberechnung

1

7.1 Schweiß-

verbindungen


2

Beanspruchungen

Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung

Plastizität und Neuber Regel

Der Statische Nachweis Kapitel 1 (Schadensmechanismus: Gewaltbruch)

Beanspruchbarkeit

plastische Stützzahl npl

Sicherheitsfaktor

Beanspruchungen

Spannung, Zeit und Temperatur

Thermomechanik Kapitel 2 (Schadensmechanismus Kriechen wenn T > 0,35 * Tm)

Beanspruchbarkeit

Zeitstandskurven

Larson Miller Parameter PLM

Sicherheit:

Schadensakkumulation D

Beanspruchungen Kapitel 5

Rainflowzählung

Lastkollektive

Extrapolation von Lastkollektiven

Betriebsfestigkeit Kapitel 3-6 (Schadensmechanismus Schwingbruch)

Beanspruchbarkeit

Dauerfestigkeit Kapitel 4

Bauteilwöhlerlinie HCF Kapitel 3

Neigung k

Knickpunktzyklenzahl ND

Dauerfestigkeit sD

Dehnungswöhlerlinie LCF

Neuber-Regel

Schadensakkumulation

Kapitel 6:

Miner-Regel

Schadenssumme D

Ausfallwahrscheinlichkeit PARegelwerke Kapitel 7

Beanspruchungen

Strukturspannungen, R1 Spannungen

Dehnungen

Schweißverbindungen Kapitel 8 (Schadensmechanismus: Schwingbruch)

Beanspruchbarkeit

FAT Klasse (Wöhlerlinie)

Zulässige Dehnungen Schadensakkumulation


Inhalt

• Regelwerke / Richtlinien

• Beanspruchungen von Schweißnähten berechnen• Strukturspannungskonzept IIW inkl. FEM

• R1 Konzept (Kerbspannungskonzept)

• Strukturdehnungskonzept

• Beanspruchbarkeiten nach IIW• Strukturspannungskonzept IIW inkl. FEM



• Auf den Punkt

• Literatur

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Regelwerke/Richtlinien (Auswahl)spezielle Regelwerke/Richtlinien (Auswahl)

• DIN 18 800 (Stahlbau)

• DIN 15018 (Krane), Nachfolgenorm DIN EN 13001

• AD 2002 (Druckbehälter TÜV)

• DIN EN 13445 (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)

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Inhalt








• Auf den Punkt

• Literatur

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


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Wöhlerkurven von Schweißverbindungen St E 355 / St E 690Vnach Müsgen / Hoffmann


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Wöhlerkurven von Schweißstählen St E 355 / St E 690Vnach Müsgen / Hoffmann


Gültigkeit IIW• Gültigkeitsbereich

• geschweißte Bauteile aus ferritisch-perlitischem oder vergütetem Baustahl

• mit Streckgrenze Rp0,2 = fy 960 MPa, oder schweißbaren Al-Legierungen

• Überlebenswahrscheinlichkeit Werkstoffdaten PÜ = 95 %

• nicht gültig, falls

• Kurzzeitermüdung mit Nennspannungsschwingbreite Δσnom > 1,5 • fy oder

• Betriebstemperatur Kriechen erwarten lässt

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Definition von Spannungen

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Definition und Berechnung der Strukturspannungen

IIW-Empfehlungen Dok. IIW-1823-07 (12/2008)


Inhalt








• Auf den Punkt

• Literatur

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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!

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Allgemeine Vorgehensweise

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Gültigkeit Strukturspannungskonzept

• Randbedingungen:

gilt nur für Risse ausgehend vom Nahtübergang (a)-e)),

nicht für Risse in der Nahtwurzel

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FE-Netze; Quelle: IIW 08


Definition der Spannungen

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σmem Membranspannung: konstante Durchschnittsspannung über Wanddicke

σben Schalenbiegespannung: linear über Wanddicke verteilt. Geht durch Punkt “O“, in dem

Membranspannung Mittellinie schneidet. Steigung so gewählt, dass

nichtlinearer Rest im Gleichgewicht

σnlp nichtlineare Spannungsspitze: verbleibender Spannungsanteil

Definition Spannungsanteile - IIW-Empfehlungen Dok. IIW-1823-07 (12/2008)


Beispiele Strukturspannungen

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Beispiele für makrogeometrische

Effekte

modifizierte (örtliche) Nennspannung

in der Nähe von Punktlasten

Modifizierte Nennspannungen - IIW-Empfehlungen Dok. IIW-1823-07 (12/2008)


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!

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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

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Volumenelemente

• 3-D, 20 Knoten inkl.

Seitenmittenknoten

• Biegung muss linear ausgewertet

werden können

• Max. Elementgröße w = Plattendicke +

2*Schweißnahtwurzel

FE-Netze;

Quelle: IIW 08


Vergleich der Referenzpunkte

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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.

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FE-Netze

Quelle: Fricke, Selle


Beispiel Modellierung

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Quelle: Akhlaghia


Alternative: Messung mit DMS• Position DMS

abhängig von der Plattendicke

• Auswertung der Dehnungen:Typ a hot spots:eHS = 1,67*e0,4*t – 0,67*e1,0*t

eHS = 2,52*e0,4*t – 2,24*e0,9*t + 0,72*e1,4*t

Typ b hot spots:

eHS = 3*e4mm- 3*e8mm + e12mm

• Spannungsberechnung

sHS = E*eHS (einachsig)

sHS = E*ex * (1+n *ey/ex)/(1-n2) (zweiachsig)

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Beispiel Modellierung

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Quelle: Akhlaghia


Inhalt








• Auf den Punkt

• Literatur

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Bestimmung der effektiven Kerbspannung


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.

Örtliches Konzept (R1 Radius) FAT 225


Inhalt








• Auf den Punkt

• Beispiele

• Literatur

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Strukturdehnungskonzept (Haibach)Plattendicke DMS Länge Abstand Naht

~ 10 mm 3 mm 2 mm

< 5 mm 1,5 mm 0,75..1 mm

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Quelle: Haibach


Inhalt








• Auf den Punkt

• Literatur

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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

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Nahtformfehler

• äußere Nahtformfehler• Nahtüberhöhung

• Decklagenunterwölbung

• Kantenversatz

• Einbrand- und Randkerben

• Wurzelüberhöhung

• Wurzelrückfall

• Wurzelkerbe

• Randkerbe

• innere Nahtformfehler• Poren

• Schlackeneinschlüsse

• Endkraterlunker

• Bindefehler

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Allgemeine Vorgehensweise

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Beispiel FAT 90

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Beanspurchbarkeit Strukturspannungen

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Wöhlerkurven von nachbehandelten Schweißverbindungen St E 690Vnach Müsgen / Hoffmann

Verbesserung der Schweißnaht


Verbesserung der SchweißnahtVerbesserung 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.

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Verbesserung der Schweißnaht• Schleifen (ausrunden des Nahtübergangs)

• Tungsten Inert Gas (TIG) aufschmelzen (ausrunden Nahtübergang)

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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

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Bewertung Schwingfestigkeit mit Wöhlerlinien: Teil-Sicherheitsfaktoren


Teil-Sicherheitsfaktor γM

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

Sicherheitsfaktoren


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li

di1

nD 0,5...1,0

N

Dd Schadenssumme

i Index für Blocknummer im Beanspruchungskollektiv

ni Zyklenzahl im Block i der Spannungsschwingbreite Δσi,S,d

Ni Zyklenzahl, nach der der Bemessungswert Δσi,S,d der

Schwingbreite zum Schaden führt

SchadensakkumulationEinschränkungen

• Bemessungswert der größten Schwingbreite Δσmax,S,d kleiner als der Bemessungswert der Dauerschwingfestigkeit der Wöhlerlinie oder des Ermüdungswiderstands ΔσD,R,d

• kleiner als der Bemessungswiderstand der Ausschlussgrenze ( cut off limit ) Δσcut,R,d falls keine Dauerfestigkeit angegeben:

Lebensdauer kann als unendlich angenommen werden,

keine weitere Schadensakkumulation erforderlich.

• Dauerschwingfestigkeit bei weniger als 108 Schwingspielen

Modifikation der Wöhlerlinie erforderlich.


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Modifikation der Wöhlerlinie (Stahl) für die Schadensakkumulation


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Modifikation der Wöhlerlinie (Aluminium) für die Schadensakkumulation


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Beispiel: Dauerfestigkeitsnachweis mit Nennspannungskonzept nach IIW

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 γF = 1,0; Sicherheit Material γM = 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 ΔσR,k = 24 MPa

Nachweis: ΔσS,d = ΔσS,k x γF = σ┴ = 14 MPa

ΔσR,d = ΔσR,k / γM = 24 / 1,4 = 17 MPa

ΔσS,d < ΔσR,d : dauerfest!

Beispiel Nennspannungen


Inhalt








• Auf den Punkt

• Literatur

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High-Cycle-Anwendung k = 3 bzw. k = 22

Wöhlerkurven für Normalspannungen (Stahl),

Standardanwendung k = 3

Belastung durch konstante Amplituden

FAT 225 FAT 225


Werkstoffgrenze FAT225 für Stahl

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Wöhlerlinien für Kerbspannungskonzept (R1 Konzept) FAT225

FAT 225


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Beispiel: Ermüdungsfestigkeitsnachweis mit Kerbspannungskonzept (R1MS) nach IIW

gegeben: innendruckbelasteter Behälter aus S235, pi = 15 bar,

durchgeschweisste Stumpfnaht mit aufgesetzter Kehlnaht;

Δσ1 = 99 MPa

gesucht: Ermüdungsfestigkeitsnachweis nach IIW

Lösung: Annahme Sicherheit Last γF = 1,0; Sicherheit Material γM = 1,3

Zuordnung der FAT-Kurve: FAT 225 MPa nach IIW

Nachweis: ΔσS,d = ΔσS,k x γF = Δσ1 = 99 MPa

ΔσR,d = ΔσR,k / γM = 140 / 1,3 = 107 MPa

ΔσS,d < ΔσR,d : dauerfest!

Betriebsfestigkeit: ΔσR,d,erf = Δσ1 x 1,3 = 129 MPa

ca. N = 8E7 Zyklen!

Beispiel Kerbspannungen


Inhalt








• Auf den Punkt

• Literatur

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Strukturdehnungskonzept (Haibach)Plattendicke DMS Länge Abstand Naht

~ 10 mm 3 mm 2 mm

< 5 mm 1,5 mm 0,75..1 mm

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Quelle: Haibach


Inhalt








• Auf den Punkt

• Literatur

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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 ggüSchalenelementen (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

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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

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Inhalt








• Auf den Punkt

• Literatur

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Literatur• IIW Empfehlung: Hobbacher, A. et al.: Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and

Commponents IIW Document XIII-1965-03 / XV-1127-03, Paris (2003), France

• FKM Richtlinie: Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile. Frankfurt a.M., VDMA-Verlag: 6. Aufl. 2012.

• 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. 865 – 876

• 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. 1277 – 1293

• 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. 489-500

• 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

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Zusätzliche Bilder


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Ermüdungswiderstand konstruktiver Details (Auszug - 1)



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Ermüdungswiderstand konstruktiver Details (Auszug – 13)



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Strukturspannung nach der Methode der Bezugsdetails: FATbewert = ( σstru, ref / σstru, bewert ) • FATref


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Ermüdungswiderstand gegen Strukturspannungen (Auszug - 23)



78

Ermüdungswiderstand gegen Strukturspannungen (Auszug - 24)


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