Rechnerische Ermüdungsnachweise für geschweißte Bauteile

SLV Mannheim GmbH Geschweite BauteileFortbildung fr SAP 25.-26.01.06 ErmdungsnachweiseGruppe 3 Stahlbau Seite 1/39

Ingenieurbro Dr. Kndel Bearbeiter: Dr.-Ing. Peter KndelPforzheimer Str. 53, D-76275 Ettlingen Bearbeitungsstand: 18.02.2006Tel. +49(0) 7243 5422 40, Fax 55 Druck 18.02.06 14:[email protected] Ermdung_06-02-18.doc

Rechnerische Ermdungsnachweise

fr geschweite Bauteile

Dr.-Ing. Peter Kndel, SFI/IWE. b. u. v. Sachverstndiger (IHK KA) fr

Schweitechnik Sonderbauten in Metallwww.peterknoedel.de

Fortbildung fr Schweiaufsichtspersonen

25.-26.01.2006

Gruppe 3 Stahlbau

Schweitechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mannheim GmbH

Kthe-Kollwitz-Str. 19, D-68169 Mannheim

www.slv-mannheim.de



0. Inhalt

0. Inhalt 2

1. Vorwort 3

2. Namen und Geschichten 4

3. Begriffe 6

4. Einflugren 84.1 Lasten 84.1.1 Allgemeines 84.1.2 Zeitlich vernderliche Belastung 84.1.3 Mehrachsige Belastung / Beanspruchung 104.1.4 Kollektive 134.1.5 Lineare Schadensakkumulation 144.1.6 Belastungsfrequenz 164.2 Werkstoff 164.3 Geometrie 204.4 Oberflchenzustand 244.5 Eigenspannungen 254.6 Zusammenfassung 27

5. Rechenverfahren 305.1 Nennspannungskonzept 305.2 Kerbspannungskonzept 305.3 Bruchmechanik 31

6. Regelwerke 32

7. Offene Fragen 34

8. Literatur 358.1 Normen, Regelwerke, Richtlinien 358.2 Standardwerke und Klassiker 368.3 Fachliteratur 37



1. VorwortMeine ursprngliche Idee bei der Konzeption des Vortragsthemas war es, eben mal schnell in ei-

nem 60- bis 90-mintigen Vortrag den derzeitigen Stand der Technik sowie die neuesten Entwick-

lungen der Wissenschaft zum Thema

Rechnerische Ermdungsnachweise fr geschweite Bauteile

bersichtlich strukturiert zusammenzustellen.

Bereits bei der Aufarbeitung der Grundlagen nmlich der magebenden Einflugren musste

ich erkennen, da dieses Fachgebiet, auf dem ich mich seit langem mit Freude bewege, derart kom-

plex ist, da im Rahmen der hier zur Verfgung stehenden Zeit schon die Grundlagen nur ziemlich

oberflchlich umrissen werden knnen. Erst recht ist es in diesem Rahmen unmglich, die vielen

Rechenverfahren, d.h. Anstze zur quantifizierenden Beschreibung des Phnomens Ermdung

metallischer Werkstoffe aufzuzhlen oder gar deren Finessen darzustellen und gegeneinander ab-

zuwgen.

Auf der anderen Seite ist klar, da wenn der Ingenieur in wissenschaftlichem Sinne die wesentli-

chen Einflugren so verstanden hat, da sie einer aus Sicht des Werkstoffwissenschaftlers

mglicherweise groben aus Sicht des planenden oder begutachtenden Ingenieurs jedoch gengend

genauen Beschreibung zugnglich sind, er auch wei, was im jeweiligen Fall zu rechnen ist, um der

gesuchten Wirklichkeit gengend nahe zu kommen. Die Schwerpunkte des Vortrages haben sich

daher gegenber der ursprnglichen Absicht verschoben und liegen jetzt mehr auf der Beschreibung

und Erluterung der Einflugren als auf den daraus abgeleiteten Rechenrezepten.

Zitat:

90 % aller versagenden Teile sind auf Ermdungsschden zurckzufhren, so eine Studie des ame-

rikanischen Energieministeriums. Blick durch die Wirtschaft, 02.12.1997, zitiert nach Rother /

Wang / Rust (1998) in [58].

Anm. d. Verf.: Es knnte aber sein, da damit nur versagende Teile im Bereich der amerikani-

schen Energiewirtschaft gemeint sind.

Anmerkung:

Das vorliegende Skript wurde gegenber der am 26.01.06 von der SLV-Mannheim verteilten Fas-

sung inhaltlich ergnzt und redaktionell berarbeitet. Ich bedanke mich bei der SLV-Mannheim fr

die Verffentlichungsgenehmigung.



2. Namen und Geschichten

August Whler

August Whler, geb. am 22.06.1819 in Soltau (Lneburger Heide), gest. am 21.03.1914 in Hanno-

ver, untersuchte als erster ca. 1860 systematisch gebrochene Eisenbahnachsen [32] und gilt daher

als Vater der Materialermdung (1901 Dr.-Ing. e.h. durch TU Berlin). Tatschlich gibt es bereits

seit 1820 einzelne Erkenntnisse anderer Forscher ber Materialermdung.

Whlerlinie fr eine Stumpfnaht mit Blechdickensprung, S960

(Versuchsanstalt fr Stahl, Holz und Steine, Universitt Karlsruhe, 2006 [53])



Die Whlerlinie beschreibt die ertragbare Zyklenzahl (=Bruchlastspielzahl) eines (metallischen)

Werkstoffes bei Beanspruchung zwischen immer der gleichen Ober- und Unterspannung, d.h. in ei-

nem sogenannten Ein-Stufen-Kollektiv. Sie verknpft in doppeltlogarithmischem Mastab die

Spannungsausschlge auf der y-Achse mit der Zyklenzahl auf der x-Achse.

Quellen zu Whler:

www.tu-berlin.de/presse/125jahre/festschrift/woehler_e.htm (14.01.06)

http://de.wikipedia.org/wiki/Whlerversuch

Die Arbeiten von A. Palmgren (1924) [28] und M.A. Miner (1945) [27] gelten heute als Grundlage

der Linearen Schadensakkumulations-Hypothese (hierauf wird im folgenden Text noch nher

eingegangen).

(Die Geschichte der Bruchmechanik wird hier nicht beleuchtet.)

Zeitgenssische Namen, die einem bei Literaturstudien hufig begegnen, sind (subjektive Aus-

wahl):

Erwin Haibach, LBF Darmstadt;

Adolf F. Hobbacher, FH Wilhelmshaven;

T. Seeger, LBF Darmstadt;

Cetin Morris Sonsino, LBF Darmstadt;

Das LBF Darmstadt heit offiziell:

Fraunhofer-Institut fr Betriebsfestigkeit und Systemzuverlssigkeit LBF, Darmstadt (frher Labo-

ratorium fr Betriebsfestigkeit), www.lbf.fraunhofer.de .



3. BegriffeIch mchte an dieser Stelle einige Begriffe definieren bzw. kommentieren, die hufig im Zusam-

menhang mit Materialermdung verwendet werden.

nicht vorwiegend ruhende Belastung

... ist eine gute Definition, nur die Negativ-Beschreibung gefllt mir nicht

schwingende Belastung

... ist im Bauwesen meistens vllig unzutreffend, es sei denn, wir betrachten einen Stahl-

schornstein unter karmanscher Wirbelerregung im Resonanzzustand;

... aber auch im Maschinenbau: die sinusfrmigen nderungen der Beanspruchung in einer

umlaufend gebogenen Welle sehen zwar aus wie eine Schwingung, aber die Welle schwingt

doch nicht!

zyklische Belastung

... pat eigentlich nur, wenn die Belastung tatschlich zyklisch erfolgt. Unter Zyklen ver-

steht man Zeitabschnitte etwa gleicher Lnge, in denen etwa das gleiche passiert. Demzu-

folge pat zyklische Belastung weder fr Brcken noch fr Krane.

dynamische Belastung

... ist ganz falsch, weil Dynamik etwas mit Massentrgheiten und Krften zu tun hat.

vernderliche Belastung

... ist nicht schlecht, aber eigentlich zu einschrnkend auch im Zugversuch bringt man eine

vernderliche Belastung auf den Probekrper

hufig vernderte Belastung

... ist meiner Ansicht nach der beste Begriff

Dauerschwingversuch

... halte ich fr einen zutreffenden Begriff, weil die Probe aus prftechnischen Grnden tat-



schlich mit sinusfrmig vernderlichen Lasten beansprucht wird, sie wird also im weitesten

Sinne vor allem bei relativ hohen Prffrequenzen schwingend belastet.

Hinweis:

Selbstverstndlich habe auch ich in jungen Jahren hufig und mit Begeisterung die Begriffe

schwingende Belastung und dynamische Belastung verwendet. Die Begriffe klingen ja

auch sehr gut!



4. Einflugren

4.1 Lasten

4.1.1 Allgemeines

Mit Ermdung bezeichnet man ein Phnomen, das nur bei mehrfach oder hufig vernderter Bela-

stung eines Bauteiles auftritt.

Zeitabhngig vernderliche Tragfhigkeit eines Bauteiles unter unvernderter Last bezeichnet man

als Kriechen oder Relaxieren, wenn die Hhe der ertragbaren Last gemeint ist oder als Alterung,

wenn Duktilittsverlust, d.h. Zunahme der Sprde gemeint ist.

4.1.2 Zeitlich vernderliche Belastung

Da die ersten Ermdungsbrche aus dem Bereich des Maschinenbaus stammen, z.B. Generator-

oder Turbinenwellen, Eisenbahnachsen, war die Beschreibung der Lasteinflugren sehr einfach:

Bei umlaufender Biegebelastung ist der Last-Zeit-Verlauf in einer bestimmten (mitgedrehten) Faser

des Bauteils sinusfrmig. In der betrachteten Faser entstehen aus der Umlaufbiegung Normalspan-

nungen, die zwischen einem betragsgleichen Maximal- und Minimalwert variieren. Die Mittelspan-

nung ist daher Null, der Grtwert der auftretenden Spannung ist gleich der Spannungsamplitude.

(Schubspanungen werden vernachlssigt). Man bezeichnet diesen Zeitverlauf als Wechselbean-

spruchung.



Wechselbeanspruchung Linie c

(aus Seeelberg 2005 [57])

Eine Stufe komplizierter wird die Charakterisierung der Last, wenn die Mittelspannung nicht gleich

Null ist.

Beispiel 1: Kranbrcke

Die Unterseite der Kranbrcke erfhrt schon durch das Eigengewicht der Kranbrcke eine

konstante Zugbeanspruchung (wenn man z.B. das Wippen der Kranbrcke vernachlssigt).

Durch das Hin- und Herfahren der Katze mit der Nennlast wird eine weitere, vernderliche

Zugspannung berlagert.

Beispiel 2: Zweifeldriger Kranbahntrger

Die Unterseite des Kranbahntrgers in Feld 1 erfhrt eine (hohe) Zugspannung wenn das

Fahrwerk der Kranbrcke in der Mitte von Feld 1 steht. Wenn die Kranbrcke im Feld 2

steht, treten an der Unterseite von Feld 1 Druckspannungen auf. Die Beanspruchung wech-

selt das Vorzeichen.

Der zeitliche Spannungsverlauf in den beiden Beispielen lt sich charakterisieren durch die Wer-

tepaare Oberspannung / Unterspannung, oder durch Oberspannung / Spannungsverhltnis R, wobei

R als Verhltnis von Unterspannung zu Oberspannung definiert ist.



Rein rechnerisch kann man natrlich auch hier eine Mittelspannung und eine Spannungs-

Amplitude angeben, das fhrt meiner Ansicht nach aber zu einem falschen Bild im Kopf, da es

einen zyklischen Belastungsverlauf suggeriert.

Neben diesen Beispielen gibt es noch eine Menge anderer Bauteile oder Konstruktionen, die tat-

schlich einer regellosen Beanspruchung unterliegen, z.B. Straenbrcken, Baumaschinen und

Konstruktionen, die dem Wind ausgesetzt sind (ohne Betrachtung von wirbelerregten Querschwin-

gungen, diese werden wieder regelmig-zyklisch-harmonisch).

4.1.3 Mehrachsige Belastung / Beanspruchung

Schon bei Bauteilen mit vermeintlich sehr einfachem statischen System knnen unerwartet kompli-

zierte Kombinationen von Belastungen auftreten.

Antriebswelle (schematisch)

Die in der Skizze gezeigte Antriebswelle aus einem Rohr mit Durchmesser ca. 200 mm fr zwei

Frderketten ist an den beiden Enden aufgelagert. Sie wird ber eine Antriebsscheibe U angetrie-

ben, und treibt ber die beiden Abtriebsscheiben V und W zwei Frderketten an. Die Frderketten

frdern Gegenstnde irgendwo durch, wo an den Gegenstnden unterschiedliche Widerstnde auf-

treten. In den Frderkrften entstehen daher zeitlich vernderliche Ketten-Zugkrfte.

In der geschweiten Antriebswelle treten daher zunchst vernderliche Torsionsschubspannungen

auf (im nchsten Bild als grne durchgezogene Linie dargestellt). Die Torsionsschubspannungen



haben um den ganzen Rohrumfang den gleichen Betrag. Aus den Kettenkrften in den An- und

Abtriebsketten treten im Rohr Biegemomente in unterschiedlichen Ebenen auf, weil die Ketten in

unterschiedlichen Richtungen von der Welle weglaufen. Die daraus entstehenden Biegenormal-

spannungen in der Welle haben den maximalen Betrag = M/W . Fr einen festen Punkt auf der

Welle (d.h. mitgedrehtes Koordinatensystem), dessen Ermdungsbeanspruchung zu untersuchen ist,

variieren die auftretenden Biegespannungen cosinus-frmig zwischen + und , je nachdem,

in welcher Position der umlaufenden Welle sich dieser Punkt gerade befindet, wenn die maximale

Torsion auftritt (rote gestrichelte Linie). Auerdem tritt aus der Biegebeanspruchung der Welle

noch Schub aus Querkraft auf, wobei die Schubspannungen sinusfrmig um den Rohrumfang ver-

laufen, und dort Null sind, wo gerade die maximale Biegebeanspruchung herrscht (schwarze

gepnktelte Linie).

Antriebswelle: Zeitverlauf der Spannungen

(Auslegungsberechnung der Frderkrfte)

Aus dem Zeitverlauf der Spannungen ist zu erkennen, da die Torsionsbeanspruchung in der Welle

sich zyklisch nach jeweils 60 Frderschritten wiederholt. Durch die Geometrie der Abtriebsrder

bedingt, tritt fr einen mitgedrehten Punkt auf der Welle aber erst nach 13 dieser Zyklen wieder die

identische Lastsituation auf. Es sind daher 13 * 60 = 780 Schritte zu betrachten, dieser Grozy-

klus wiederholt sich dann bis zum Ende der Lebensdauer.

Man erkennt sofort, da in dem obigen Beispiel die Normal- und Schubspannungen in der Welle

nicht nur mehrachsig sondern auch noch phasenverschoben verlaufen. Das, was wir blicherweise

bei mehrachsigen Spannungszustnden tun, nmlich Vergleichsspannungen oder Vergleichswerte

bilden, scheint damit an Sinn zu verlieren:



Antriebswelle: Zeitverlauf der Vergleichsspannungen nach DIN 15018

- Wenn wir zu dem obigen Bild die Vergleichsspannungen bilden, klappen wir alle negativen

Spannungsausschlge nach oben (durch Quadrieren und Wurzelziehen). Damit verlieren wir

z.B. die Information, da das Grenzspannungsverhltnis nahe bei R = 1 liegt, bzw. da

die maximalen Spannungsausschlge bei mindestens 100 N/mm2 liegen.

- Auerdem dreht sich mit der Phasenverschiebung der Spannungskomponenten und auch

die Orientierung der Hauptspannungen von Schritt zu Schritt.

Aus diesem Grund ist in DIN 15018 festgelegt, jeweils getrennt fr sich die Ausnutzungsgrade der

Normalspannungen und der Schubspannungen zu ermitteln und dann in einer quadratischen Inter-

aktionsformel zu berlagern. Damit erhlt man die Ausnutzungsgrade im folgenden Diagramm:

Antriebswelle: Ausnutzungsgrade und Interaktion nach DIN 15018



4.1.4 Kollektive

Derartig komplexe Beanspruchungen versucht man dadurch zu charakterisieren, da man ein

Lastkollektiv bildet. Hierzu gibt es viele Verfahren, die (natrlich) alle zu unterschiedlichen Er-

gebnissen fhren. Die sogenannte Reservoir-Methode ist im folgenden Bild dargestellt.

aus Seeelberg 2005 [57]

Alle Verfahren zum Bilden von Kollektiven haben gemeinsam, da man den komplexen Span-

nungs-Zeit-Verlauf auf irgend eine Weise (knstlich und willkrlich) in einzelne Spannungsaus-

schlge zerlegt. Diese sortiert man dann der Gre nach von links nach rechts. Gegebenenfalls bil-

det man Klassen, z.B. 0-20 N/mm2 ; 20-40N/mm2 ; 40-60 N/mm2 und zhlt, wie viele Spannungs-

ausschlge z.B. in der Klasse 40-60 aufgetreten sind. Das Ergebnis ist ein Stufenkollektiv.

Man hat nun die Vorstellung, da man ein derartig analysiertes Bauteil im Bauteilversuch dadurch

simulieren kann, wenn man zunchst alle Spannungsausschlge in der grten Stufe aufbringt, dann

die der zweiten usw.

Das Kollektiv der Normalspannungen fr die oben dargestellten 780 Frderschritte ist im folgenden

Diagramm dargestellt. Man erkennt, da das Kollektiv ziemlich gut mit S1 nach DIN 15018 ber-

einstimmt. Der zunchst wirr erscheinende Beanspruchungsverlauf ist damit einer rationalen Be-

wertung zugnglich gemacht.



Normiertes Kollektiv der Normalspannungen zur obigen Antriebswelle

4.1.5 Lineare Schadensakkumulation

Das Bilden von Kollektiven, d.h. das Entwirren der mglicherweise regellos auftretenden Span-

nungsnderungen, das Sortieren derselben nach Gre setzt stillschweigend voraus, da ein linearer

Zusammenhang besteht zwischen einer Spannungsnderung im Bauteil und einer (Vor- oder Teil-)

Schdigung im Hinblick auf ein spteres Ermdungsversagen (der Werkstoff merkt sich, wieviel

Zyklen er schon erlebt hat). Wenn die Summe der Schdigungen den Wert 1 (oder 100 %) erreicht,

versagt das Bauteil. Diese Annahme ist bekannt als lineare Schadensakkumulations-Hypothese

oder Palmgren-Miner-Hypothese.

Schon frh war bekannt, da die Lineare Schadensakkumulation so nicht stimmt. Versuche zeigen,

da es nicht egal ist, in welcher Reihenfolge, Gruppierung und Durchmischung kleine und groe

Spannungsausschlge auftreten. Einige hhere Spannungsausschlge zum richtigen Zeitpunkt kn-

nen eine materiell bereits eingetretene Ermdung teilweise wieder heilen bzw. verzgern.



Bild B1.153 aus [31]

Anm. zu fehlerhafter Beschriftung siehe folgender Abschnitt

Hinweise zum vorigen Diagramm:

Wenn man in der Abszisse bei Number of stress cycles als Einheit [103] ergnzt, dann er-

hlt man eine Rifortschrittsgeschwindigkeit von ca. 3*10-4 mm je Lastschritt.

Wenn man weiterhin die Angabe Kmax als

KI = 22 MN/m3/2 = 700 N/mm3/2

interpretiert, dann passen die beiden Werte mit den gngigen Angaben fr Rifortschrittsge-

schwindigkeiten zusammen.

Man erkennt aus dem Diagramm, da der Rifortschritt durch die hheren Spannungsausschlge

deutlich verlangsamt wird. Erst nach einer relativ groen Zyklenzahl (ca. 20000) wird die ur-

sprngliche Rifortschrittsgeschwindigkeit wieder erreicht. Man erklrt dies damit, da die weni-

gen hheren Spannungsspiele in der Rispitze Flieerscheinungen hervorrufen, welche die im Ge-

fge bereits vorhandene Ermdung wieder nahezu aufheben. Der Werkstoff bentigt erst wieder

20000 Lastwechsel, um an der Rispitze wieder aufs neue zu ermden.



Eine rechnerische Bercksichtigung dieses Effektes ist bisher nicht mglich. Im Flugzeugbau oder

Fahrzeugbau werden Bauteile aber nicht in den sonst blichen Stufen-Kollektiven geprft, sondern

ber numerisch gesteuerte Prfmaschinen mit quasi-regellosen Beanspruchungsfolgen, die wieder-

um im Fahrversuch bzw. whrend typischer Flugphasen aufgezeichnet wurden (mir ist aus den

spten 70er Jahren noch das Kollektiv FALSTAFF (Fighter Aircraft Loading Standard for Fatigue)

in Erinnerung, siehe z.B. im Internet random / spectrum loading software for fatigue systems).

4.1.6 Belastungsfrequenz

Der technische Laie nimmt geht blicherweise davon aus, da die Frequenz der Belastungswechsel

eine Rolle spielen msse. Dies ist tatschlich nicht so. Nur die Anzahl der Belastungswechsel spielt

eine Rolle. Deswegen treten am geschweiten Untergestell eines unwuchtig laufenden Generators

die Schden eben schon nach einigen Tagen oder Wochen auf und an einer geschweiten Straen-

brcke erst nach 5 bis 10 Jahren.

Es gibt allerdings eine Grenze, die zum Beispiel bei Ermdungsversuchen (Dauerschwingversu-

chen) mit Hochfrequenz-Pulsern zu beachten sind: die Probe darf nicht warm werden. Das tritt

dann auf, wenn in der Probe in mikrospopischem Mastab Plastizierungen stattfinden. Eine Prf-

frequenz von 100 bis 150 Hz ist jedoch im allgemeinen kein Problem.

4.2 Werkstoff

Es ist naheliegend, anzunehmen, da die Ermdungsfestigkeit eine Werkstoffeigenschaft ist, die

sich zum Beispiel dann zeigt, wenn man z.B. einen polierten, quasi fehlerfreien Rundstab im Um-

laufbiegeversuch prft. Alle anderen Einflugren, die diese Grund-Ermdungsfestigkeit abmin-

dern, msste man dann z.B. geometrischen Kerben zuordnen (siehe Abschnitt weiter unten).

Bei den uns zur Verfgung stehenden technischen Metallen mssen wir jedoch feststellen, da auch

Unregelmigkeiten im Gefgezustand, wie z.B. Versetzungen, von vorne herein beteiligt sind. Bei

der Betrachtung geschweiter Bauteile relativiert sich die Betrachtung einer reinen Werkstoffeigen-

schaft, weil geschweite Bauteile von vorne herein als eher stark gekerbt betrachtet werden knnen.

Klassisch wird die Ermdungsfestigkeit von Bauteilen als Whlerlinie dargestellt. Man erkennt,

da mit steigender Lastwechselzahl zunchst ein deutlicher Festigkeitsabfall auftritt, der sich dann

aber schwcher fortsetzt (siehe folgendes Diagramm).



Whler-Daten fr ungekerbte und gekerbte Probe, lineare Darstellung (siehe Anhang A)

Deutlicher wird dieser Sachverhalte, wenn doppelt-logarithmisch aufgetragen wird. Dann zeigt sich

auch die Whlerlinie.

Hinweis:

Die Whlerlinie gilt jeweils nur fr ein bestimmtes Grenzspannungsverhltnis R.

Whler-Daten fr ungekerbte und gekerbte Probe (siehe Anhang A)



Fr die Darstellung des Mittelspannungseinflusses eignet sich das Smith-Diagramm (siehe folgende

Darstellung).

(Smith-Diagramm, Bild B1.136 aus [31])

Eine andere hufige Darstellung ist das Haigh-Diagramm, das z.B. in der FKM-Richtlinie verwen-

det wird (siehe folgende Darstellung).



Haigh-Diagramm aus FKM-Richtlinie [16]

Es gilt als Stand von Forschung und Wissenschaft, da zutreffende Aussagen ber die Ermdungs-

festigkeit von Werkstoffen (bzw. Kerbfllen) nur im Versuch gewonnen werden knnen. So gibt es

z.B. fr unlegierte Sthle, hochlegierte Sthle, Gu, Aluminium, Vergtungssthle jeweils unter-

schiedliche Daten, auf die man beim Bemessen zurckgreifen mu. Bei fehlen solcher Daten ver-

sucht man natrlich entsprechend vorsichtig, bekannte Daten auf unbekannte Werkstoffe zu ber-

tragen.

Nach einer unter Fachleuten immer wieder gehrten Hypothese (aber keiner kann sich dann erin-

nern, wo ers gehrt oder gelesen hat), haben kubisch-flchenzentrierte Werkstoffe keine Dauerfe-

stigkeit. Das bedeutet, da die Whlerlinie nach dem Knick nicht waagerecht verluft, sondern

mit geringer Neigung zu immer kleineren Spannungsausschlgen verluft. Das bedeutet im Um-

kehrschlu, da man ein Bauteil aus diesen Werkstoffen auf jeden Fall kaputt bekommt, wenn nur

die Lastwechselzahl hoch genug ist (siehe folgende Abbildung).



(Bild 94 aus Petersen Stahlbau [29], Abs. 2.6.2.5.6

leider ist zu diesem Diagramm keine eindeutige Quelle angegeben)

4.3 Geometrie

Da die globale Gestalt eines Bauteiles eine wichtige Einflugre ist, liegt auf der Hand. Eine ein-

springende Ecke fhrt bei einem sprden Werkstoff schon unter statischer Beanspruchung zu vor-

zeitigem Versagen, d.h. die einspringende Ecke reduziert das Tragverhalten.



Spannungsverlauf an Kerben

(aus Seeelberg 2005 [57])

In gleicher Weise wurden Kerben, d.h. lokale Einschnitte in den Kraftflu, als wichtigste Ein-

flugre identifiziert, nach dem die Charakteristik der zeitlichen Vernderung der Last bei der

Bemessung eines Bauteiles eine Zielgre darstellt, nmlich die einer mglichst hohen ertragbaren

Last.

Branchentypisch gab es in der Folge unterschiedlichen Umgang mit Kerben:

- Eine eher mikroskopisch orientierte Betrachtung eines effektiven Kerbradius, den man bei

genauem Hinsehen auch im Kerbgrund einer eingefrsten V-Nut finden kann.

In diesem Zusammenhang beschreibt der Begriff Neubersche Kerbspannungslehre (erst-

mals erschienen 1937) heute ein theoretisches Gebude, da uns heute unerllich fr das

Verstndnis des Tragverhaltens metallischer Strukturen steht.

- Eine eher makroskopisch orientierte Betrachtung von Kerbfllen, wie z.B. ein Quer-

schnittsteil mit aufgeschweiter Lngsrippe. Diese erfuhren wiederum eine feinere Eintei-

lung in verschiedene Ausfhrungsgten, d.h. die Begrenzung innerer Fehler in den



Schweinhten und die Sicherstellung einer kraftflugnstigen Oberflche durch Beschlei-

fen. Die Kerbflle sind im brigen stark branchenorientiert, sie finden in jedem der unten

angefhrten Regelwerke andere Kerbflle, mit z.T. deutlich abweichenden Angaben zur

Tragfhigkeit bei hnlichen oder gleichen Kerbfllen.

Als Beispiel sind im folgenden Bild einige Grund-Kerbflle aufgefhrt, die von links nach rechts

zunehmende Kerbschrfe aufweisen.

(Bild 94 aus Petersen Stahlbau [29], Abs. 3.7.3)

Bereits seit lngerer Zeit im Zusammenhang mit Dehnungsmestreifen aber auch im Zusammen-

hang mit FEM-Rechnungen benutzt man heute blicherweise das Konzept der Strukturspannun-

gen anstelle der rtlichen Spannungen oder Kerbspannungen. Die Strukturspannung ist eine

gegenber der tatschlichen Kerbspannung rechnerisch knstlich reduzierte Spannung, die als tech-

nologische Vergleichs- und Bewertungsgre dient. Dies hat praktische Grnde:

- Klebt man einen Dehnungsmestreifen (DMS) so nah wie technisch mglich an den Fu ei-

ner Kehlnaht, so ist der Mittelpunkt des Megitters immer noch mindestens 3 bis 5 mm vom

Nahtfu entfernt. Man kann also die Kerbspannung nicht messen, sondern mu ohnehin ex-

trapolieren mit allen mglichen Fehlern, die das mit sich bringt.

- Mit der Finite-Elemente-Methode als Werkzeug der elastischen Festigkeitslehre erhlt man

an einer einspringenden, nicht ausgerundeten Ecke (wie z.B. einem Nahtfu) per definitio-

nem unendlich hohe Spannungen. Wenn man nicht die Spannungen, sondern Dehnungen

betrachtet, sind auch diese unendlich hoch. Falls man materiell nichtlinear rechnet, d.h. Pla-



stizieren an der Kerbe rechnerisch bercksichtigt, dann erhlt man zwar endliche Dehnun-

gen, hat sich aber von der Definition der Kerbspannung entfernt.

Strukturspannungen x, Kerbspannungen Kx(aus FKM-Richtlinie [16])

P. Kndel, Vorlesungsmitschrift bei Prof. Fahrenwaldt, SLV Fellbach, 09.12.05.

Zum Teil stellt man aber auch fest, da beim Vergleich unterschiedlicher Quellen (Normen, Fach-

literatur) die gleiche Kerbe mit sehr unterschiedlichen Dauerfestigkeitswerten belegt wird.



Smith-Diagramm fr Schrauben (Bild 71 aus Petersen Stahlbau [29], Abs. 9.8)

Man erkennt, da die kleinste Amplitude der Dauerfestigkeit fr alle Schraubengten und durch-

messer bei ,a = 40 N/mm2 liegt. Das entspricht einer Spannungsdoppelamplitude bzw. einem

Spannungsausschlag von = 80 N/mm2 . Nach EC3, und darauf harmonisiert auch DIN 4133, ist

zwischenzeitlich ein Spannungsausschlag von = 36 N/mm2 zugelassen !!!

4.4 Oberflchenzustand

Besonders im Maschinenbau wird dem Oberflchenzustand eine groe Aufmerksamkeit geschenkt.

Man erkannte schon frh (eher intuitiv), da eine polierte Oberflche die Dauerfestigkeit z.B. von

Wellen, oder Turbinenschaufeln) stark erhht, bzw. eine entsprechende Lebensdauer erst sicher-

stellt.

Aus meiner Sicht kann das mit der Brille der Kerbspannungslehre gesehen werden, dann wird klar,

da Oberflchenkerben als Riauslser wirken. Interessant wren z.B. Daten ber den Zusammen-



hang zwischen Oberflchen-Rauhtiefe und Dauerfestigkeit, solche Daten sind mir jedoch nicht be-

kannt.

hnliches gilt fr alle Arten der Oberflchenbehandlung, wie z.B. Nitrieren, Hrten, Kugelstrahlen

usw. Die ursprngliche Veranlassung fr diese Oberflchenbehandlung liegt vielleicht daran, eine

hhere Standzeit fr die Lagerflchen zu erreichen. Nach heutigem Verstndnis werden bei allen

diesen Verfahren zum Teil betrchtliche Druck-Eigenspannungen in der Oberflche erzeugt, was

wiederum die Erstribildung verzgert.

4.5 Eigenspannungen

(Bild 10 aus [40])

Nach gngiger Lehrmeinung sind in jeder Schweinaht Eigenspannungen in Hhe der Streckgrenze

des Grundmaterials zu erwarten. Dies gilt bei genauem Hinsehen vielleicht nicht in dieser Aus-

schlielichkeit fr Eigenspannungen quer zu einer einlagig geschweiten Stumpfnaht, in Lngs-

richtung einer Naht trifft dies jedoch sicher zu.



Damit lt sich die immer wieder aufkommende Streitfrage klren, ob ein Bauteil unter Druck-

Schwellbeanspruchung deutlich weniger ermdet, d.h. ob es eine starke Vorzeichenabhngigkeit

oder letztendlich Mittelspannungsabhngigkeit gibt, oder ob das Vorzeichen der zeitlich vernderli-

chen Beanspruchung vllig egal ist, es somit nur auf den Spannungsausschlag ankommt (das nennt

man Mittelspannungsunabhngigkeit).

Man erklrt den Effekt mit folgender Modellvorstellung:

- Eine Schweinaht hat Zugeigenspannungen in Hhe der Streckgrenze. Diesen Spannungen

wird eine Zug-Schwellbeanspruchung berlagert. Whrend der ersten Lastwechsel tritt eine

berlastung der Schweinaht auf, durch Flieen reduziert sich der Eigenspannungszustand

so weit, da am Schlu eine Zug-Schwellbeanspruchung mit der Streckgrenze als Hchst-

wert vorliegt.

- Eine Schweinaht hat Zugeigenspannungen in Hhe der Streckgrenze. Diesen Spannungen

wird eine Druck-Schwellbeanspruchung berlagert. Nach Addition der Spannungen entsteht

in der Schweinaht eine Zug-Schwellbeanspruchung mit der Streckgrenze als Hchstwert.

Aufgrund dieser Erklrung ist also verstndlich, warum das Ermdungsverhalten von geschweiten

Bauteilen tatschlich nur von den Spannungsausschlgen abhngt. Dies lt sich natrlich durch

Spannungsarmglhen des Bauteils (siehe obiges Diagramm) positiv beeinflussen.

Eine schon lang bekannte Methode, die in letzter Zeit offenbar wieder verstrkt an Bedeutung ge-

winnt, ist das teilmechanisierte Hmmern der Naht. Ermdungsversuche zeigen vielversprechende

Ergebnisse.



(aus Gerster/Poel 2005 [35])

4.6 Zusammenfassung

blicherweise wird die Ermdungsfestigkeit eines Bauteiles mit Hilfe einer kerbfallbezogenen

Whlerlinie beschrieben.



Bemessungskurven fr Stahl nach Eurocode 3 [1])

Man unterscheidet die Kurzzeitfestigkeit mit hchstens 104 Lastwechseln, die ausreichend genau

auch als vorwiegend ruhende Beanspruchung behandelt werden kann, die Dauerfestigkeit fr

mehr als 5*106 oder 108 Lastwechsel und die Zeitfestigkeit dazwischen.

Der Knick als bergang zur Dauerfestigkeit wird inzwischen nicht mehr bei 2*106 Lastwechseln

angenommen, alle Referenzwerte fr Kerfall- oder FAT-Klassen beziehen sich jedoch nach wie vor

auf 2*106 .

Bei geschweiten Bauteilen arbeitet man mit einer normierten Whlerlinie im log-log-Diagramm,

die im Zeitfestigkeitsbereich eine Steigung m = 3 bei Stahl hat. Dadurch verlaufen die Kurven fr

unterschiedlich scharf gekerbte Bauteile parallel. Es werden nur noch Spannungsausschlge SR



(sigma-range) bewertet, d.h. es wird jeweils der ungnstigste Eigenspannungszustand und Mit-

telspannungsunabhngigkeit angenommen. Die niedrigste Kerbfallklasse bei Stahl ist36 N/mm2 .

Hinweis:

Fr Schubspannungen gibt es jeweils eigene Whlerlinien.

Die Vorgehensweise bei Alumnium ist methodisch gleich, nur da dort eine Vielzahl unterschiedli-

cher Steigungen der Whlerlinien bercksichtigt wird.

Bemessungskurven fr Aluminium nach Eurocode 9 [3])



5. Rechenverfahren

5.1 Nennspannungskonzept

Das klassische Verfahren ist das Betrachten von Nennspannungen in einem Bauteil. Die Kerbwir-

kung wird dadurch erfat, da das vorhandene Detail mit den Bildern in einem Kerbfallkatalog ver-

glichen wird und mglichst zutreffend zugeordnet.

Aus dem zugrunde gelegten Regelwerk ergibt sich dann ein Referenzwert fr zwei Millionen Last-

wechsel.

Diesen rechnet man dann um auf die Lastwechselzahl, fr die man eine zulssige Spannung be-

ntigt. Man benutzt dazu die Steigung m = 3 der Whlerlinie fr geschweite Bauteile (oder an-

ders, wie z.B. bei Aluminium).

Die Formel zum Umrechnen zweier Wertepaare auf der log-log-Linie mit der Steigung m lautet:

,B / ,A = (N,A / N,B)1/m

oder

(,B / ,A)m = (N,A / N,B)

Aus Sicht des Maschinenbaus (nicht geregelter Bereich) bietet sich an, sich das Regelwerk heraus-

zusuchen, nach dem man die gnstigsten Ergebnisse bekommt. Die im Falle eines Schadens zu

stellende Frage nach der Einhaltung der anerkannten Regeln der Technik msste man

wahrscheinlich so beantworten, da diese im Moment durch EC3 und EC9 beschrieben sind.

5.2 Kerbspannungskonzept

Bei komplexen Bauteilen kann oft eine Nennspannung im klassischen Sinne nicht definiert werden,

deswegen bietet sich in diesen Fllen eine FEM-Berechnung und ein Vorgehen nach der FKM-

Richtlinie [16] an. Da auf der Einwirkungsseite die Erhhung der Spannungen rechnerisch explizit

bercksichtigt wird, erfolgt die Bewertung gegen entsprechend hohe Werkstoffwiderstnde.

Ein Anwendungsbeispiel in der FKM-Richtlinie beschreibt einen Lochstab mit quer durch das Loch

verlaufender Stumpfnaht. Als Werkstoffwiderstand wird eine Mittelspannung von ca. 800 N/mm2

mit einer ertragbaren Spannungsamplitude von ca. 420 N/mm2 ermittelt. Der Werkstoff ist brigens



ein S235. Ich habe daher (vorerst) noch etwas Schwierigkeiten, mich fr dieses Verfahren zu er-

wrmen.

5.3 Bruchmechanik

Die Bruchmechanik gilt inzwischen als eigenes Wissens- und Lehrgebiet (siehe z.B. Kndel 2004

[39]). Mir persnlich fllt es schwer, die Methoden der Bruchmechanik als normales Bemes-

sungsverfahren zu betrachten, da man dafr erst Fehler bestimmter Gre im Bauteil voraussetzen

mu. Auf bruchmechanische Methoden gehe ich daher im Rahmen des vorliegenden Vortrages

nicht nher ein.

Selbstverstndlich halte ich Grundkenntnisse der Bruchmechanik bei der Betrachtung von Erm-

dungsproblemen fr wichtig, da sie uns eine detailliertere Vorstellung davon vermittelt, welche

Mechanismen sich beim Rifortschritt bis zum (sprden) Bruch tatschlich abspielen.



6. RegelwerkeIn der folgenden Tabelle sind die bei uns gngigen Regelwerke fr Ermdungsnachweise zusam-

mengestellt. Vollstndigere Angaben, z.B. zu berlebenswahrscheinlichkeit und statistischer Absi-

cherung durch Versuchswerte, sind in Jaenicke 1998 [36] enthalten.

Branche Bezeichnung Erstver-ffentli-chung

Werkstoff Bemerkungen

Maschinenbau DIN 15018Krane

1974 unlegierte Sthle k = 3,3ND = 2*106mittelspannungsabhngig

Stahlbau DIN 4132Kranbahnen

1980 unlegierte Sthle wie DIN 15018 ?

Stahlbau DIN 4131Antennentragwer-ke aus Stahl

1991 unlegierte Sthle k = 3,0ND = 5*106mittelspannungsunabhngig

Stahlbau DIN 4133Schornsteine ausStahl

1991 unlegierte Sthle k = 3,0ND = 5*106mittelspannungsunabhngig

Stahlbau DS 804, DS952 unlegierte Sthle k = 3,75ND = 2*106mittelspannungsabhngig

Fahrzeugbau DIN 6700Stahlbau DASt-Ri 011 Feinkornbausthle

bis S690wie DIN 15018 ?

Stahlbau EC3 1993 unlegierte Sthle k = 3,0ND = 5*106mittelspannungsunabhngig

Aluminiumbau EC9 Aluminium k = 3,4 bis 7,0ND = 1*108mittelspannungsunabhngig

Druckbehlter AD-S1, AD-S2 vor 1986?

unlegierte, hochle-gierte Sthle

undurchsichtig

Maschinenbau FKM-Richtlinie 1993 unlegierte undhochlegierte Sthle,Stahlgu, Alumini-um;(zum Teil mitWarnvermerk)

wahlweise Nenn- oder rt-liche Spannungenfr Stahl:k = 3,0ND = 5*106Mittelspannungsabhngig-keit kann individuell be-rcksichtigt werden



hier nicht enthalten:

Regeln aus der Luft- und Raumfahrttechnik (die es sicher gibt)



7. Offene Fragen- Haben kubisch flchenzentrierte Werkstoffe, d.h. austenitische Chrom-Nickel-Sthle oder

Aluminium, eine Dauerfestigkeit? Oder geht die Whlerlinie, wenn auch mit deutlich ver-

ringerter Neigung, unendlich weit bergab?

(die einen sagen so, die anderen so)

- Stimmt die Hypothese, da Ermdung dann auftritt, wenn irgendwo zumindest mikrosko-

pisch Plastizieren auftritt (als irreversibler, dissipativer Vorgang)? Das klingt eigentlich sehr

schlssig, passt auch mit der Bruchmechanik zusammen.

Warum wird dann in einem Beispiel der FKM-Richtlinie fr ein Bauteil aus S235 mit einer

lokalen Kerbspannung von ca. 800 N/mm2 (!) Mittelspannung und ca. 320 N/mm2 (!) Span-

nungsamplitude ausreichende Dauerfestigkeit ausgewiesen?

- Warum mu ich bei einer FEM-Berechnung eine Radaj-Kerbe mit einem Kerbradius von

1,0 mm (!!!) ansetzen, um zutreffende Ergebnisse zu bekommen?

Ich folgere daraus, da entweder tatschlich im Kerbgrund plastische Verformungen auf-

treten knnen, ohne da das ermdungsrelevant wird, oder da im Kerbgrund nichtlineare,

aber reversible Verformungen auftreten mssen. Das wiederum wrde aber einer Hysterese

ohne Flcheninhalt im statischen Versuch entsprechen so was gibts doch gar nicht ...



8. Literatur

8.1 Normen, Regelwerke, Richtlinien

[1] DIN V ENV 1993 (EC3): Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten.prEN 1993-1-9:2002-02: Fatigue strength of steel structures final draft.

[2] DIN V ENV 1999 (EC9): Eurocode 9: Bemessung und Konstruktion von Aluminiumbauten.Teil 2: Ermdungsanfllige Tragwerke. 2001-03.

[3] prEN 1999 (EC9): Eurocode 9: Design of aluminium structures.Part 1-3: Structures susceptible to fatigue. (Draft August 2004)

[4] DIN 4131: Antennentragwerke aus Stahl. November 1991. Steel radio towers and masts.(In LTB 2004 Baden-Wrttemberg aufgefhrt)

[5] DIN 4132: Kranbahnen. Stahltragwerke; Grundstze fr Berechnung, bauliche Durchbil-dung und Ausfhrung. Februar 1980. (Ersatz fr DIN 120)

[6] DIN 4132: Kranbahnen. Stahltragwerke; Grundstze fr Berechnung, bauliche Durchbil-dung und Ausfhrung. Februar 1981. Beiblatt 1: Erluterungen. Februar 1981.(In LTB 2004 Baden-Wrttemberg aufgefhrt)

[7] DIN 4133: Schornsteine aus Stahl; Statische Berechnung und Ausfhrung. August 1973.

[8] DIN 4133: Schornsteine aus Stahl. November 1991.(In LTB 2004 Baden-Wrttemberg aufgefhrt)

[9] DIN 15018 Krane. Grundstze fr Stahltragwerke. (Ersatz fr DIN 120)Blatt 1: Berechnung. April 1974.Blatt 2: Grundstze fr die bauliche Durchbildung und Ausfhrung. April 1974.

[10] DIN 15018 Krane. Grundstze fr Stahltragwerke.Teil 1: Berechnung. November 1984.Teil 2: Grundstze fr die bauliche Durchbildung und Ausfhrung. November 1984.Teil 3: Berechnung von Fahrzeugkranen. November 1984.

[11] Richtlinie 804: Eisenbahnbrcken (und sonstige Ingenieurbauwerke) planen, bauen und in-stand halten. DB Netz, 01.05.03 - V01.

[12] DS 804 (B6): Vorschrift fr Eisenbahnbrcken und sonstige Ingenieurbauwerke (VEI) mitBekanntgaben B1 bis B6, gltig ab 25.09.2000. September 2000.

[13] DS 952: Schweien metallischer Werkstoffe an Schienenfahrzeugen und maschinentechni-schen Anlagen. Deutsche Bahn AG.

[14] DIN Fachbericht 103: Stahlbrcken. Ausgabe Mrz 2003.

[15] ECCS: European Recommendations for Aluminium Alloy Structures Fatigue Design.ECCS-TC2, No 68, 1992.

[16] Hnel, B., Haibach, E., Seeger, T., Wirthgen, G., Zenner, H.: FKM - Richtlinie: Rechneri-scher Festigkeitsnachweis fr Maschinenbauteile aus Stahl, Eisengu- und Aluminiumwerk-stoffen. 5. Auflage, VDMA Verlag, Forschungskuratorium Maschinenbau, Frankfurt, 2003.



[17] Verband der Technischen berwachungs-Vereine e.V. (Hrsg):AD-Merkblatt S1: Abgrenzung zwischen der Berechnung gegen vorwiegend ruhende In-nendruckbeanspruchung und der Berechnung gegen Schwellbeanspruchung. Mai 1988.Zitierte Ausgabe davor: Juni 1986.

[18] Verband der Technischen berwachungs-Vereine e.V. (Hrsg):AD-Merkblatt S1: Vereinfachte Berechnung auf Wechselbeanspruchung. Mai 1998.

[19] Verband der Technischen berwachungs-Vereine e.V. (Hrsg):AD-Merkblatt S2: Berechnung auf Schwingbeanspruchung. Mai 1988.Zitierte Ausgabe davor: Juni 1986.

[20] Verband der Technischen berwachungs-Vereine e.V. (Hrsg):AD-Merkblatt S2: Berechnung auf Wechselbeanspruchung. Mai 1998.

[21] DASt Richtlinie 011: Hochfeste schweigeeignete Feinkornbausthle mit Mindeststreck-grenzenwerten von 460 und 690 N/mm2 Anwendung fr Stahlbauten (02/88).

[22] N.N.: DVS Merkblatt 2401: Bruchmechanische Bewertung von Fehlern in Schweiverbin-dungen.Teil 1: Grundlagen und Vorgehensweise. Oktober 1982.Teil 2: Praktische Anwendung. April 1989.Teil 3: Beispielsammlung. August 1996.enthalten in: Fachbuchreihe Schweitechnik Band 101. 2. Auflage, DVS-Verlag Dsseldorf1996.

8.2 Standardwerke und Klassiker

[23] Beitz, W., Grothe, K.-H. (Hrsg.): Dubbel. Taschenbuch fr den Maschinenbau. 20. neubear-beitete und erweiterte Auflage. Springer, Berlin 2001.

[24] Deutscher Stahlbau Verband (Hrsg.): Stahlbau Handbuch, Fr Studium und Praxis, 2. Auf-lage, Stahlbau-Verlags-GmbH, Kln. Band 1 (1982), Band 2 (1985).

[25] Deutscher Stahlbau Verband (Hrsg.): Stahlbau Handbuch - Fr Studium und Praxis. 3. Auf-lage, Band 1 Teil A, Stahlbau-Verlags-GmbH, Kln 1993.

[26] Neuber, Heinz: Kerbspannungslehre. Theorie der Spannungskonzentration. Genaue Berech-nung der Festigkeit. 4. Aufl. Springer, Berlin 2001. (erstmals erschienen 1937)

[27] Miner, M.A.: Cumulative damage in fatigue. Journal of Applied Mechanics, Vol. 12 (1945),No. 3, pp 159-164. (zitiert nach [41]).

[28] Palmgren, A.: Die Lebensdauer von Kugellagern. Zeitschrift des Vereins Deutscher Inge-nieure, Band 58 (1924), Nr. 14, S. 339-341. (zitiert nach [41]).

[29] Petersen, Chr.: Stahlbau. Vieweg, Braunschweig 1988.

[30] Petersen, Chr.: Dynamik der Baukonstruktionen. Vieweg, Wiesbaden, 1996.

[31] Verein deutscher Eisenhttenleute (ed.): Steel. A Handbook for Materials Research and En-gineering.Volume 1: Fundamentals. Springer, Berlin 1992.Volume 2: Applications. Springer, Berlin 1993.



[32] Whler, A.: ber die Versuche zur Ermittlung der Festigkeit von Achsen, welche in denWerksttten der Niederschlesich-Mrkischen Eisenbahn zu Frankfurt a.d.O. angestellt sind.Z. f. Bauwesen 13 (1863), S. 233-258. (zitiert nach [41]).

8.3 Fachliteratur

[33] von Berg, Dietrich: Krane und Kranbahnen. Berechnung, Konstruktion, Ausfhrung, 2.Auflage. Teubner, Stuttgart 1989.

[34] Deutscher Verband fr Materialforschung und prfung e.V. (Hrsg.): Schdigungsmecha-nismen und Bruch. 28. Tagung des DVM-Arbeitskreises Bruchvorgnge, 26.-27.02.96 inBremen, DVM-Bericht 228, Berlin 1996. ISSN 0943-3473

[35] Gerster, P., van der Poel, H.: Ultrasonic Impact Technology Eine Mglichkeit zur Erh-hung der Lebensdauer von Schweikonstruktionen? Groe Schweitechnische Tagung Es-sen 2005, DVS-Berichte Band 237, Dsseldorf 2005.

[36] Jaenicke, B.: Festigkeitsnachweis fr ermdungsbeanspruchte Schweiverbindungen nachdeutschen und europischen Regelwerken. Seite 135 ff in [58].

[37] Kndel, P.: Schweinhte am Ausleger einer "Betonpumpe". Skriptum zur Vorlesung Fall-beispiele im Rahmen der Schweifachingenieurausbildung an der SLV-Fellbach. Seit De-zember 2003 laufend aktualisiert.

[38] Kndel, P.: Strabspannungen fr Stahlschornsteine.Stahlbau 73 (2004), Heft 4, S. 254-261.

[39] Kndel, P.: Bruchmechanik. Skriptum zur Vorlesung im Rahmen der Schweifachinge-nieurausbildung an der SLV-Mannheim. Seit April 2004 laufend aktualisiert.

[40] Krebs, J., Hbner, P., Kaner, M.: Eigenspannungseinfluss auf Schwingfestigkeit und Be-wertung in geschweiten Bauteilen. DVS-Berichte Band 234. DVS-Verlag GmbH, Dssel-dorf 2004.

[41] Kuhlmann, U.: K 4.2 Modellierung und Auslegung von Tragwerken unter ruhender undwechselnder Beanspruchung. Skript Teil IV, Ermdung und Betriebsfestigkeit, Institut frKonstruktion und Entwurf, Universitt Stuttgart, WS 2004 / 2005. (siehe Palmgren / Miner)(www.uni-stuttgart.de/ke/Lehre/Vorlesungen/K42/Teil4.pdf am 17.01.06)

[42] Lacher, G., Hedenkamp, A.: Betriebsfestigkeit von hochfesten vorgespannten Schrauben inStirnplattensten von Kranbahnen. Stahlbau 63 (1994), Heft 11, S. 343-346.

[43] Mang, F., Kndel, P.: Schweien und Schweiverbindungen. Abschnitt 9.3 in: StahlbauHandbuch - Fr Studium und Praxis. 2. Auflage, Band 1, Stahlbau-Verlags-GmbH, Kln1982. S. 427-444.

[44] Mang, F., Bucak, ., Kndel, P.: Neuere Erkenntnisse zum Entwurf und zur Berechnungvon Stahlschornsteinen. Studiengesellschaft Stahlanwendung e.V. (Hrsg.): Stahlschorn-steinbau fortschrittliche Lsungen. Tagungsband, Fachtagung Aachen 03.04.92, Dresden08.05.92.

[45] Mang, F., Kndel, P.: Schweien und Schweiverbindungen. Abschnitt 10.3 in: StahlbauHandbuch - Fr Studium und Praxis. 3. Auflage, Band 1 Teil A, Stahlbau-Verlags-GmbH,Kln 1993. S. 577-612.



[46] Mang, F., Kndel, P.: Neuere Erkenntnisse zum Entwurf und zur Qualittssicherung beiStahlschornsteinen. Tagungsbericht 20, Freudenstadt 1993, Landesvereinigung der Prfin-genieure fr Baustatik Baden-Wrttemberg e.V., S. 65-97.

[47] Nitschke-Pagel, Th., Wohlfahrt, H.: Residual stress distributions after welding as a conse-quence of the combined effect of physical, metallurgical and mechanical sources.pp 123-134 in Karlsson, L., Lindgren, L.E., M.Jonsson, M. (eds): Mechanical Effects ofWelding. Proc., IUTAM Symposium 10.-14.06.1991, Lulea (Sweden). Springer Verlag,Berlin 1992.

[48] Nitschke-Pagel, Th.: Eigenspannungen und Schwingfestigkeitsverhalten geschweiter Fein-kornsthle. Diss. TU Braunschweig 1994.

[49] Nitschke-Pagel, Th., Wohlfahrt, H.: Residual Stresses in Welded Joints Sources and Con-sequences.pp 215-225 in Dias, A.M., Pina, J., Batista, A.C., Diogo, E. (eds): Proc., 6th Europ. Conf. onResidual Stresses. Trans Tech Publications, Switzerland 2002.

[50] Nitschke-Pagel, Th., Wohlfahrt, H.: Residual Stresses in Welded Joints Sources and Con-sequences.pp 70-78 in Lu, Jian (ed): Handbook on Residual Stress, 2nd Edition, Vol. 1. Society forExperimental Mechanics, Inc., American Institute of Physics, 2005.

[51] Peil, U.: Baudynamik. Kapitel 7 in: Stahlbau Handbuch - Fr Studium und Praxis. 3. Aufla-ge, Band 1 Teil A, Stahlbau-Verlags-GmbH, Kln 1993. S. 379-451.

[52] Petersen, Chr.: Schwingungsdmpfer im Ingenieurbau.Herausgeber: Maurer Shne GmbH & Co. KG, Mnchen 2001, anllich des 125jhrigenFirmenjubilums. ISBN 3-00-008059-7

[53] Puthli, R., Herion, S.: Beurteilung des Ermdungsverhaltens von Krankonstruktionen beiEinsatz hoch- und ultrahochfester Sthle. Projekt P512 - Forschungsvereinigung frStahlanwendung e.V., Dsseldorf, Schlubericht erscheint voraussichtlich Anfang 2006.

[54] Radaj, D.: Gestaltung und Berechnung von Schweikonstruktionen. Ermdungsfestigkeit.DVS-Verlag, Dsseldorf 1986.

[55] Radaj, D., Sonsino, C.M.: Ermdungsfestigkeit von Schweiverbindungen nach lokalenKonzepten. DVS-Verlag Dsseldorf 2000.

[56] Radaj, D.: Ermdungsfestigkeit. Grundlagen fr Leichtbau, Maschinen- und Stahlbau. 2.Auflage. Springer Verlag Berlin 2003.

[57] Seeelberg, Christoph: Kranbahnen. Bemessung und konstruktive Gestaltung. BauwerkVerlag, Berlin 2005.

[58] Verein deutscher Ingenieure (Hrsg.): Festigkeitsberechnung metallischer Bauteile. Empfeh-lungen fr Entwicklungsingneieure und Konstrukteure. Tagung Fulda 22.-23.09.98. VDI-Berichte 1442. VDI-Verlag Dsseldorf 1998.UB-KA 98A4252

[59] Verein deutscher Ingenieure (Hrsg.): Festigkeitsberechnung metallischer Bauteile. Empfeh-lungen fr Entwicklungsingneieure und Konstrukteure. Tagung Fulda 05.-06.06.2002. VDI-Berichte 1689. VDI-Verlag Dsseldorf 2002.



[60] Wohlfahrt, H., Nitschke-Pagel, Th., Kaner, M.: Schweibedingte Eigenspannungen Ent-stehung und Erfassung, Auswirkung und Bewertung. DVS-Berichte Band 187, DVS-Verlag,Dsseldorf 1997.

SLVMannheim GmbHFortbildung SAP 26.01.06Ermdung S235

V0340Anhang ASeite 1/1

Ermdungsfestigkeit S235(Formular pk_05-09-04.xls)

Wechselfestigkeit (Wikipaedia-Whlerversuch)Mittelspannung Null

Spannungs-amplitude

Bruch-Lastspiel-zahl

360 1350 4.252250 21.987200 70.355180 108.664160 10.000.000

Wechselfestigkeit (Kndel, fiktiv aus EC3: FAT 36, m=2,5)Mittelspannung Null

Spannungs-amplitude

Bruch-Lastspiel-zahl

360 1240 3.000150 10.00078 50.00060 100.00013 5.000.00012 100.000.000

Zulssige Spannungen (statisch)160 1160 50.000.000

Lin-Lin

0

100

200

300

400

0,0E+00 2,0E+04 4,0E+04 6,0E+04 8,0E+04 1,0E+05 1,2E+05

Bruch-Lastspielzahl

S

p

a

n

n

u

n

g

s

a

m

p

l

i

t

u

d

e

Log-Log

1

10

100

1.000

1,0E+00 1,0E+02 1,0E+04 1,0E+06 1,0E+08

Bruch-Lastspielzahl

S

p

a

n

n

u

n

g

s

a

m

p

l

i

t

u

d

e

Ingenieurbro Dr. KndelPforzheimer Str. 53, D-76275 [email protected]

Bearbeiter: Dr.-Ing. Peter KndelTel. +49(0) 7243 - 5422 - 40, Fax - 55

A-Whler_06-01-21.xls Druck: 21.01.2006 10:22

SLV Mannheim GmbH Geschweite BauteileFortbildung fr SAP am 26.01.06 Anhang BGruppe 3 Stahlbau Seite 1/1

Ingenieurbro Dr. Kndel Bearbeiter: Dr.-Ing. Peter KndelPforzheimer Str. 53, D-76275 Ettlingen Bearbeitungsstand: 21.01.2006Tel. +49(0) 7243 5422 40, Fax 55 Druck 21.01.06 10:[email protected] Ermdung_Anh-B_06-01-21.doc

Whlerlinie aus aktueller Forschung zu Krandetails bei S960

Quelle: Dr. Herion, Versuchsanstalt fr Stahl, Holz und Steine, Universitt Karlsruhe, 16.01.06

Rechnerische Ermüdungsnachweise für geschweißte Bauteile

Documents

Transcript of Rechnerische Ermüdungsnachweise für geschweißte Bauteile