Zum Ermüdungsverhalten einseitig geschweißter Stumpfstöße von Kreishohlprofilen
Creators: name: Weidner, Philipp
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: Stahlbau
Offshore-Tragstrukturen
Ermüdung
Schweißverbindung
Einseitenschweißungen
Hohlprofil
Stumpfstoß
Wurzelversagen
Ermüdungsfestigkeit
Bemessungskonzepte
Kerbfall
Bruchmechanik

description: Das Ermüdungsverhalten zahlreicher Konstruktionsdetails im Stahlbau ist hinreichend erforscht und gültige Regelwerke geben Kerbfälle für den Ermüdungsnachweis an, die durch umfassende experimentelle Untersuchungen abgesichert sind. Bei einseitig geschweißten Stumpfstößen von Kreishohlprofilen (KHP) ist dies nicht der Fall. Bezugnehmend auf den EC 3 Teil 1-9 zeigt sich, dass dem Kerbfallkatalog für dieses Detail lediglich eine unzureichend kleine Datenbasis zugrunde liegt. Der Vergleich mit weiteren Regelwerken zeigt, dass die Ermüdungsfestigkeit des Konstruktionsdetails nicht einheitlich bewertet wird und die angegebenen Kerbfälle erheblich variieren. Die vorliegende Arbeit zeigt diesbezüglich den Forschungsbedarf auf und stellt experimentel-le sowie numerische Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten einseitig geschweißter Stumpfstöße von KHP vor. Kern dieser Arbeit stellt eine Bewertung der Ermüdungsfes-tigkeit anhand verschiedener Konzepte dar, auf deren Basis eine zutreffende Kerbfall-empfehlung für dieses Konstruktionsdetail abgeleitet wird. Grundlage für die Bewertung sind im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte umfangreiche experimentelle Untersuchungen an einseitig geschweißten Stumpfstößen mit offshore-relevanten Abmessungen. Anhand von 40 Ermüdungsversuchen wird eine Datenbasis geschaffen und gezeigt, dass die Ermüdungsfestigkeit dieser Schweißverbindungen maßgeblich durch geometrische Imperfektionen und Schweißnahtunregelmäßigkeiten beeinflusst wird. Herstellungsbedingt geht das Versagen von der ermüdungskritischen Schweißnahtwurzel aus. Zur Bewertung der Ermüdungsfestigkeit wird die Nahtgeometrie in diesem Bereich erfasst, vorliegende Unregelmäßigkeiten werden dokumentiert und die bruchmechanischen Werkstoffkennwerte bestimmt. Die Bestimmung des Kerbfalls erfolgt nennspannungsbasiert auf Basis eigener Ergebnis-se und unter Hinzunahme einer erstellten Datenbank, die aus recherchierten Versuchser-gebnissen einseitig geschweißter Stumpfstöße von KHP besteht. Basierend auf numeri-schen Analysen und unter Anwendung des Struktur- und des Kerbspannungskonzeptes wird die Streuung reduziert und es werden Kerbfälle für diese Konzepte angegeben. Für den strukturspannungsbasierten Ermüdungsnachweis wird zudem ein Spannungskonzent-rationsfaktor für die Nahtwurzel des Konstruktionsdetails entwickelt. Durch Rückrech-nung der Struktur- und Kerbspannungswerte wird nachgewiesen, dass Versätze in be-grenztem Maße durch den für das Nennspannungskonzept angegebenen Kerbfall abgedeckt werden. Der Einfluss von Unregelmäßigkeiten und vorliegender Fehler wird bruchmechanisch auf Grundlage der linear-elastischen Bruchmechanik abgeschätzt. Dazu wird ein Ansatz zur bruchmechanischen Lebensdauerberechnung entwickelt, der auf Grundlage numerisch berechneter Korrekturfaktoren eine gute und konservative Näherung an die experimentel-len Ergebnisse des Konstruktionsdetails darstellt. Anhand bruchmechanisch bestimmter Rissfortschrittswöhlerlinien wird der maßgebliche Einfluss von vorliegenden Fehlern, zu denen überwiegend Bindefehler gehören, aufgezeigt. Abschließend erfolgt die Angabe von Kerbfällen, die für definierte Fehlergrößen abhängig vom vorhandenen Versatz eingehalten werden.