Fostabericht P 983 - Entwicklung von Methoden zur Bewertung von Eigenspannungen an Montagestößen bei Stahl-GroßstrukturenFostabericht P 983 - Entwicklung von Methoden zur Bewertung von Eigenspannungen an Montagestößen bei Stahl-Großstrukturen

P 983 – Entwicklung von Methodiken zur Bewertung von Eigenspannungen an Montagestößen bei Stahl-Großstrukturen

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P983

ISBN: 978-3-942541-95-4 Artikelnummer: P983 Kategorien: ,

Beschreibung

P 983 – Entwicklung von Methodiken zur Bewertung von Eigenspannungen an Montagestößen bei Stahl-Großstrukturen

Die Schwingfestigkeitsbewertung geschweißter Strukturen des Stahl- oder Schiffbaus ist immer noch mit Unsicherheiten behaftet. Ursachen hierfür sind Verformungen sowie Schweißeigenspannungen. Diese Effekte können durch die Wahl  geeigneter Schweißprozesse und –folgen reduziert werden. Die Montagestöße beim Fügen von ganzen Sektionen im Schiffbau müssen jedoch weiterhin mit konventionellen Schweißprozessen durchgeführt werden. Hinzu kommen  Imperfektionen der Vorfertigung, die insgesamt zu sehr großen Verformungen und Eigenspannungen führen müssen, die die Schwingfestigkeit negativ beeinflussen sowie hohen Richtaufwand bedeuten können. Um die Auswirkungen von  Schweißverzug und Eigenspannungen positiv zu beeinflussen, müssen die zu erwartenden Größen bekannt sein. Ein weiterer Aspekt ist der schwingfestigkeitsmindernde Einfluss der Schweißeigenspannungen. Für die Auslegung empfiehlt das  International Institute of Welding (IIW) die Reduktion der ertragbaren Spannungen in Abhängigkeit des vorliegenden Eigenspannungsniveaus. Kennt man das bei zyklischer Belastung stabilisierte Eigenspannungsniveau nicht, führt das zu  überkonservativer Auslegung.
Die messtechnische Bestimmung von Eigenspannungen ist nur mit einem hohen experimentellen Aufwand realisierbar und oftmals nicht möglich oder zielführend. Eigenspannungen können aber auch numerisch mit der Methode der finiten  Elemente bestimmt werden. Hierbei wird in einer Wärmeleitungsberechnung ein Temperaturprofil bestimmt, das im zweiten Schritt als thermische Last auf die Struktur aufgebracht wird. Diese Berechnungen bedürfen oftmals nicht  vorhandener, temperaturabhängiger Werkstoffkennwerte und müssen stets kalibriert sowie durch Experimente verifiziert werden. Aufgrund der Nichtlinearitäten sind die Berechnungen komplex und zeitintensiv. Insbesondere ist die  Berechnung großer Strukturen mit einem hohen Modellierungsaufwand sowie hohen Rechenzeiten verbunden. Aus diesem Grund ist der Anwender bemüht geeignete Vereinfachungen am Modell vorzunehmen, die jedoch häufig zu falschen  Ergebnissen führen müssen. Der Bedarf an praxistauglichen Ansätzen ist somit evident.
In der vorliegenden Arbeit wurden Schweißeigenspannungen in Montagestößen an zwei Maßstäben experimentell und numerisch (SYSWELD, ANSYS) untersucht. Die zugrundeliegenden Verbindungen wurden aus einer Schiffsrahmenecke abgeleitet. Die untersuchte Verbindung enthielt zwei typische Schweißdetails, einen Kreuzstoß sowie eine aufgeschweißte Längssteife. Die berechneten Ergebnisse wurden mit röntgenographisch bestimmten Eigenspannungen verifiziert. Weiterhin wurden numerisch Vereinfachungsansätze betrachtet, die bei reduziertem Aufwand und verkürzten Rechenzeiten zu zuverlässigen Ergebnissen führen sollten. Um den Einfluss der Eigenspannungen auf die Schwingfestigkeit herauszustellen, wurden Schwingfestigkeitsuntersuchungen in zwei Zuständen durchgeführt, im Schweißzustand sowie im spannungsarmgeglühtem Zustand.
Die Eigenspannungszustände am Kreuzstoß waren für beide Maßstäbe vergleichbar. Am Nahtübergang der aufgeschweißten Längssteife hingegen wurden signifikante Unterschiede vorgefunden, was mit der sich ändernden Wärmeableitung bei unterschiedlichen Blechdicken sowie mit dem zwangsläufig abweichenden Nahtaufbau erklärt werden kann.  Wiederholende Eigenspannungsmessungen währen der zyklischen Belastung zeigten eine Eigenspannungsumlagerung sowie einen  weitestgehend stabilisierten Zustand bereits nach dem ersten Lastwechsel.
Schwingfestigkeitsuntersuchungen im Schweißzustand sowie im spannungsarmgeglühten Zustand haben keinen eindeutigen Eigenspannungseifluss auf die Schwingfestigkeit der untersuchten Proben gezeigt. Wenngleich die   Schweißeigenspannungen einen Einfluss auf die Rissentstehung gehabt haben könnten, war die Spannungskonzentration am Nahtübergang der Längssteife verhältnismäßig hoch und schließlich verantwortlich für das Bauteilversagen. Bei  Berücksichtigung der Phasenumwandlungen in den numerischen Modellen zeigten die Vergleiche zwischen berechneten und experimentell bestimmten Ergebnissen gute Übereinstimmungen.

Veröffentlichung:
2016

Autoren:
N. Pagel, J. Klassen, W. Fricke, J. Friedrich