Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Berücksichtigung der höchstbeanspruchten Schweißnahtlänge im Kerbspannungskonzept

Der statistische Größeneinfluss (sGE) berücksichtigt einen Schwingfestigkeitsabfall bei großen höchstbeanspruchten Bereichen in der Nähe des Spannungsmaximums bzw. einen Schwingfestigkeitsgewinn bei kleinen höchstbeanspruchten Bereichen von Bauteilen. Diese höchstbeanspruchten Bereiche bilden sich durch inhomogene Spannungsverteilungen aus.

Bei den meisten Schweißnähten kommt es aufgrund von Steifigkeitsänderungen zu solchen inhomogenen Spannungsverteilungen entlang der Naht. Bei nichtgeschweißten Bauteilen ist der sGE mittlerweile anerkannt und in den gängigen Regelwerken zur Auslegung gegen Schwingbeanspruchungen berücksichtigt. Für Schweißverbindungen ist dies bisher nicht der Fall, auch wenn er durch eine Reihe von Veröffentlichungen bestätigt wird.

Im beantragten Forschungsprojekt soll der sGE bei Schweißnähten nicht nur qualitativ sondern auch quantitativ nachgewiesen und damit für die Berücksichtigung in Regelwerken zur Verfügung gestellt werden. Hierzu werden unterschiedliche Schweißdetailproben mit verschieden langen höchstbeanspruchten Bereichen entworfen und an ihnen Kerbspannungs-Wöhlerlinien ermittelt. Der Fokus des Projekte soll auf dem Kerbspannungskonzept liegen, da sich dieses als örtliches Konzept besonders für die Anwendung des sGE eignet. Mithilfe der Ergebnisse der Schwingversuche soll eine statistisch gut belegte Methode zur Berücksichtigung des sGE im Kerbspannungskonzept abgeleitet werden. Es wird erwartet, dass sich durch die Berücksichtigung des sGE für die überwiegende Zahl der Schweißnahtgeometrien ein bisher nicht genutztes Potenzial bei der Auslegung mit Kerbspannungen freilegen lässt.

Gerade KMU sind auf Richtlinien angewiesen, mit denen sich Bauteile sicher und dennoch effizient auslegen lassen, da für sie kosten- und zeitintensive Bauteilversuche oft nicht möglich sind. Die Effizienz der gängigen Regelwerke wie FKM oder IIW soll durch die Ergebnisse des Projektes gesteigert werden.

Ergebniszusammenfassung:

Das Forschungsvorhaben dient dem Nachweis der Wirksamkeit des statistischen Größeneinflusses (GE) in geschweißten Bauteilen. Der statistische GE stellt einen Zusammenhang zwischen der Größe eines höchstbelasteten Bereichs in einem Bauteil und der Schwingfestigkeit des Bauteils her. Je größer der höchstbelastete Bereich ist, desto niedriger ist die Schwingfestigkeit. Für geschweißte Bauteile fehlte bisher der systematische Nachweis und ein Ansatz sowie ein Ansatz, auf welche Art der höchstbelastete Bereich in Berechnungen berücksichtigt werden kann.

Im Rahmen des Vorhabens wurde nachgewiesen, dass ein geeignetes Maß zur Ermittlung des höchstbelasteten Bereichs bei dem rechnerischen Nachweis die höchstbelastete Schweißnahtlänge ist. Diese kann im Kerbspannungskonzept ermittelt werden. Zum Nachweis der Wirksamkeit des statistischen GE wurden Schwingversuche an Proben mit unterschiedlichen höchstbelasteten Bereichen im Rahmen des Vorhabens durchgeführt. Zusätzlich wurden Daten aus der Literatur numerisch abgebildet und hinsichtlich des Zusammenhangs zwischen der höchstbelasteten Schweißnahtlänge und der ertragbaren Schwingfestigkeit ausgewertet. Aus den Untersuchungen resultiert zum einen der Nachweis, dass der statistische GE auch bei geschweißten Konstruktionen wirksam ist, zum anderen wurde der Zusammenhang zwischen der höchstbelasteten Schweißnahtlänge und der ertragbaren Schwingfestigkeit so beschrieben, dass er vom Konstrukteur durch die Berücksichtigung eines einfachen Berechnungsschrittes genutzt werden kann. Dies führt in vielen Fällen zu einer besseren Auslastung von geschweißten Konstruktionen. Durch das Implementieren der Empfehlungen in Normen ergibt sich insbesondere für KMU ein Wettbewerbsvorteil, weil diese häufig in der Auslegung von Konstruktionen tätig sind und auf Grund ihrer Unternehmensgröße auf keine eigene Forschung durchführen, sodass sie auf Angaben in Normen und Richtlinien zurückgreifen müssen.