Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erforderliche Schweißnahtqualitäten zur Einhaltung des Sicherheitsstandards bei wechselnd beanspruchten Stahlbaukonstruktionen

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, mit vereinfachten Fertigungsverfahren und Ausführungsarten den bestehenden Sicherheitsstandard geschweißter, wechselnd beanspruchter Stahlbaukonstruktionen einzuhalten und nachzuweisen und für die zugehörigen Ausführungsarten und Ausführungsqualitäten Bemessungsansätze zu entwickeln und zu verifizieren.

In diesem Vorhaben werden die auftretenden Unregelmäßigkeiten bei von der Industrie gewünschten Schweißnahtausführungen analysiert und deren Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit der Stahlbaukonstruktionen ermittelt. Im Fokus stehen dabei die Schweißungänzen Wurzelkerbe, ungenügender Durchschweißung, Einbrandkerbe und Versatz. Anhand der Untersuchungen sollen in Abhängigkeit von auftretenden Unregelmäßigkeiten neue Kerbfallklassen festgelegt werden. Zudem wird für konkrete Ausführungsverfahren die erreichbare Schweißnahtqualität und dazu gehörige Ermüdungsfestigkeit ermittelt.

Auf Basis der im Projekt versuchstechnisch ermittelten Schwingfestigkeitswerte für verschiedene Fertigungsimperfektionen sollen die Anwendungsgrenzen geltender Regelwerte überprüft und die rechnerischen Methoden bei Bedarf angepasst werden. Neben den effizienten Nenn- und Strukturspannungskonzepten werden Erkenntnisse aus dem örtlichen Kerbspannungskonzept miteinbezogen.

Als Ergebnis wird ein Vorschlag für ein Nachweisverfahrens auf Basis von Nenn-, Struktur- und lokalen Spannungen vorliegen und in den Gremien zur Diskussion vorgestellt.

Durch die vorliegenden Projektergebnisse können Stahlbauunternehmen mit niedrigerem Fertigungsaufwand als bislang ressourcenschonend konstruieren und den erforderlichen Sicherheitsstandard nachweislich einhalten. Personalintensive Arbeiten können reduziert werden, da derzeit aufgrund der hohen Anforderungen an die Ausführungsqualität der Schweißnähte erforderliche Nacharbeiten entfallen können. Stahlbaufirmen (vorrangig kmUs) und verwandte Industriezweige erzielen national und international deutliche Wettbewerbsvorteile.

Ergebniszusammenfassung:

Durch die vorliegenden Projektergebnisse können Stahlbauunternehmen mit niedrigerem Fertigungsaufwand als bislang ressourcenschonend konstruieren und den erforderlichen Sicherheitsstandard nachweislich einhalten. Personalintensive Arbeiten können reduziert werden, da derzeit aufgrund der hohen Anforderungen an die Ausführungsqualität der Schweißnähte erforderliche Nacharbeiten entfallen können. Stahlbaufirmen (vorrangig kmUs) und verwandte Industriezweige erzielen national und international deutliche Wettbewerbsvorteile.

Einseitig oder zweiseitig nicht voll durchgeschweißte Stumpfstöße, welche bislang für ermüdungsbeanspruchte Schweißverbindungen nicht zulässig waren, können auf Basis der Untersuchungen in Zukunft bewertet werden. Für Spaltmaße h<10%t der untersuchten Blechdicke von t=20 mm sind für DY-Nähte Ermüdungsfestigkeiten unter zugschwellender Beanspruchung (R=0,1) von ΔσC=71 MPa, für h<20%t von ΔσC=63 MPa bestimmt worden. Für Y-Nähte mit h<10%t konnte ein Kerbfall ΔσC=71 MPa bestimmt werden. Torsionsprüfkörper mit Rohrquerschnitt und nicht voll durchgeschweißter HV-Naht mit Kehlnaht und einem Spaltmaß von h=1,5 und 3mm, lieferten unter wechselnder Schwingbeanspruchung (R=-1) eine Ermüdungsfestigkeit von ΔσC=63 MPa. Für zwei Ausführungsvarianten der einseitig voll durchgeschweißte Kreuzstöße mit HV-Naht, mit Versatz und Verzug (v=2,5 mm, β=1° bzw. v=4 mm, β=2°) erreichten einen Kerbfall von ΔσC=71 MPa bzw. mit keramischer Badsicherung der Wurzellage einen Kerbfall von ΔσC=63 MPa. Für Biege-Normalkraft-Proben mit großem Versatz von e=80 mm konnten für unterschiedlicher Ausführungsvarianten von HV-Nähten erste Ergebnisse zur Bewertung der Ermüdungsfestigkeit geliefert werden. Für bislang nicht klassifizierte Anschlussdetails von Fachwerkträgern, liegen nun Ermüdungsfestigkeitskennwerte vor. Die Anwendbarkeit des Kerbspannungskonzept zur Bewertung der unterschiedlichen Kerbdetails kann gezeigt werden.