Zum Einfluss von Schweißnahtimperfektionen auf die Ermüdungsfestigkeit von Stahlbauteilen

Bartsch, Helen; Ummenhofer, Thomas; Feldmann, Markus

doi:10.18154/RWTH-2023-11029

Zum Einfluss von Schweißnahtimperfektionen auf die Ermüdungsfestigkeit von Stahlbauteilen = On the influence of weld imperfections on the fatigue strength of steel components

Bartsch, Helen^RWTH*

2023

VerantwortlichkeitsangabeHelen Bartsch

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Verlag Mainz 2023

Umfangix, 174, XV Seiten : Illustrationen

ISBN978-3-95886-512-9

ReiheSchriftenreihe Stahlbau - RWTH Aachen University ; 95

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Druckausgabe: 2023. - Zweitveröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Feldmann, Markus (Thesis advisor)^RWTH* ; Ummenhofer, Thomas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-11-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-11029
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/973853/files/973853_ZV.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Stahl- und Leichtmetallbau und Institut für Stahlbau (311710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bemessungsmodell (frei) ; Ermüdung (frei) ; Ermüdungsversuche (frei) ; Finite-Elemente-Methode (frei) ; Kerbfallkombinationsmodell (frei) ; Kerbspannungskonzept (frei) ; Schweißnahtimperfektionen (frei) ; design model (frei) ; effective notch stress concept (frei) ; fatigue (frei) ; fatigue class combination model (frei) ; fatigue testing (frei) ; finite-element-method (frei) ; weld imperfections (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
In jeder Schweißnaht treten fertigungsbedingte Schweißnahtimperfektionen auf, die in ermüdungsbeanspruchten Stahlkonstruktionen eine größere Rolle spielen als in vorwiegend ruhend beanspruchten Stahlbauten. Denn die Imperfektionen haben in der Regel einen Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindung. Die Ermüdungsfestigkeitswerte geschweißter Stahlbaudetails in Form von Kerbfällen sind jedoch nur unzureichend mit dem Qualitätsniveau der Schweißverbindungen verknüpft. Obwohl der Hintergrund der Kerbfallklassifizierung in der Bemessungsnorm für ausreichende Sicherheit gegen Ermüdungsversagen, DIN EN 1993-1-9, kaum Auskunft über Größe und Umfang zu berücksichtigender Schweißnahtimperfektionen gibt, schränkt die Ausführungsnorm für Stahltragwerke, DIN EN 1090-2, die Größen tolerierbarer Schweißnahtimperfektionen für ermüdungsbeanspruchte Konstruktionen i. d. R. gemäß Bewertungsgruppe B der Qualitätsnorm DIN EN ISO 5817 ein. Dabei wird vereinfacht davon ausgegangen, dass diese Größeneinschränkung der Schweißnahtimperfektionen mit den Effekten der Kerbfälle der DIN EN 1993-1-9 harmonisiert. Die Grenzwerte der Bewertungsgruppen sind allerdings ohne wissenschaftlichen Hintergrund festgelegt worden, sodass die tatsächlichen Grenzwerte unbekannt sind, und es zeigt sich, dass der der quantitative Einfluss von Schweißnahtimperfektionen auf die Ermüdungsfestigkeit von Stahlbaudetails bislang unzureichend erforscht ist. Dies ist der Grund für die vorliegende Dissertation, eine Methodik zu entwickeln, mit der Kerbfälle in Abhängigkeit von der Größe der Schweißnahtimperfektionen bestimmt werden können. Nach einer kurzen Einführung in die Zuverlässigkeitsmethoden des Bauwesens wird ein Überblick über die normative Situation im Hinblick auf die Berücksichtigung von Schweißnahtimperfektionen bei ermüdungsbeanspruchten Bauteilen gegeben. Zusammen mit der Betrachtung vorangegangener Forschungsaktivitäten wird gezeigt, dass Einflüsse von Schweißnahtimperfektionen auf die Ermüdungsfestigkeit von Stahlbauteilen nur spärlich bekannt sind und folglich in der Bemessung nur unzureichend berücksichtigt werden. Aus diesem Grund wurden zunächst experimentelle Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit geschweißter Details durchgeführt. Die Ermüdungsversuche umfassen 30 Kreuzstoßprüfkörper und 15 Quersteifenprüfkörper mit äußeren und inneren Schweißnahtimperfektionen. Ausführliche 3D-Laserscans und Ultraschallprüfmethoden dienen der genauen Erfassung der Schweißnahtimperfektionen in den Stahlbauteilen. Numerische Untersuchungen unter Anwendung des Kerbspannungskonzepts erweitern den experimentell betrachteten Untersuchungsraum. Mit validierten Finite-Elemente-(FE-)Modellen lassen sich zunächst Geometrieeinflüsse auf die Ermüdungsfestigkeit der Details des Kreuzstoßes und der Quersteife bestimmen. Durch eine umfassende Versuchsdatenbank, die die Basis der aktuellen Kerbfallklassifizierung der DIN EN 1993-1-9 darstellt, lassen sich sodann numerisch bestimmte Geometrieeinflüsse überprüfen. Des Weiteren dienen die validierten FE-Modelle unter Anwendung des Kerbspannungskonzepts der Bestimmung des Einflusses von Schweißnahtimperfektionen auf die Ermüdungsfestigkeit der verschiedenen Details. Dabei werden Einflüsse infolge ungenügender Durchschweißung, Wurzelbindefehler, schlechter Passung bei Kehlnähten, Einbrandkerbe, Schweißnahtüberhöhung, schroffen Übergangs, übermäßiger Asymmetrie der Kehlnaht und Kantenversatz jeweils einzeln betrachtet. Um mehrere Imperfektionen in effizienter Weise im Kerbfall zu berücksichtigen, wurde des Weiteren das Kerbfallkombinationsmodell (englisch: Fatigue Class Combination Model – FCCM) entwickelt. Ausgehend vom Basiskerbfall eines Details, der durch einen leitenden Imperfektionseinfluss abgemindert wird, kann ein zweiter Imperfektionseinfluss berücksichtigt werden. Dessen ermüdungsreduzierende Wirkung wird jedoch nicht voll angesetzt, sondern durch einen Kombinationsbeiwert ψImp kleiner eins abgemindert. Der Kombinationsbeiwert ψImp für die begleitende Imperfektionsgröße wird sicherheitstheoretisch hergeleitet. Er basiert auf statistischen Verteilungen der gemessenen Imperfektionsverläufe und berücksichtigt die vergleichsweise geringe Wahrscheinlichkeit des gemeinsamen Auftretens zweier Imperfektionsextrema an einem Ort. Das erforderliche Sicherheitsniveau des vorgestellten Ansatzes wird durch zahlreiche Zufallsbeispiele bestätigt. Damit kann nicht nur ein Zusammenhang zwischen Ermüdungsfestigkeitswerten und Schweißnahtimperfektionsgrößen hergestellt werden: Es steht so zusätzlich eine Methodik zur Verfügung, mit der Imperfektionskerbfälle für beliebige Geometrien und Imperfektionen bestimmt werden können, sofern der Einfluss der Imperfektion bekannt ist. Da bei Anwendung des vorgestellten Verfahrens zeitaufwändige Überarbeitungen von Schweißnähten mit bestimmten Imperfektionsgrößen in Zukunft entfallen können, wird das Nachweiskonzept für ausreichende Sicherheit gegen Ermüdungsversagen hinsichtlich der Kosten- und Ressourceneffizienz verbessert.

In every weld, manufacturing-related weld imperfections occur, which play a greater role in fatigue-loaded steel structures than in predominantly statically loaded steel structures. This is because the imperfections typically have an influence on the fatigue strength of the welded joint. However, the fatigue strength values of welded structural steel details in terms of fatigue-classes (FAT-classes) are insufficiently well linked to the quality level of the welded joints. Although the background of the detail classification in the design standard for sufficient safety against fatigue failure, EN 1993-1-9, hardly provides any information on the size and extent of weld imperfections to be taken into account, the design standard for steel structures, EN 1090-2, generally restricts the sizes of tolerable weld imperfections for fatigue-stressed structures in accordance with quality standard EN ISO 5817, quality level B. In a simplified way, it is assumed that this size limitation of the weld imperfections harmonizes with the effects of the FAT-classes of EN 1993-1-9. However, the limit values of the quality levels have been determined without scientific background, so that the actual limit values are unknown. It turns out that the quantitative influence of weld imperfections on the fatigue strength of structural steel details has been insufficiently researched so far. This is the reason for this dissertation to develop a methodology to determine FAT-classes as a function of weld imperfection size. After a brief introduction to reliability methods in civil engineering, an overview of the normative situation with regard to the consideration of weld imperfections in fatigue-stressed structures is given. Together with the review of previous research activities, it is shown that the influence of weld imperfections on the fatigue strength of steel components is sparsely known and, consequently, is insufficiently considered in the design. For this reason, experimental investigations on the fatigue strength of welded details were conducted first. The fatigue tests include 30 cruciform specimens and 15 transverse stiffener specimens with external and internal weld imperfections. Detailed 3D laser scans and ultrasonic testing methods are utilised to accurately measure weld imperfections in the steel members. Numerical investigations using the effective notch stress concept serve to extend the experimentally considered investigation scope. With validated finite-element (FE) models, geometry influences on the fatigue strength of the details of the cruciform joint and the transverse stiffener can first be determined. By means of a comprehensive fatigue test database, which represents the basis of the current fatigue detail classification of EN 1993-1-9, it is then possible to check numerically determined geometry influences. Furthermore, the validated FE models serve to determine the influence of weld imperfections on the fatigue strength of the various details using the effective notch stress concept. In doing so, influences resulting from lack of penetration, lack of root fusion, incorrect root gap for fillet welds, undercut, excessive convexity, incorrect weld toe, excessive asymmetry of fillet welds and linear misalignment were considered individually. To efficiently consider multiple imperfections in the FAT-class, the Fatigue Class Combination Model (FCCM) has been developed. Starting from the basic FAT-class of a detail, which is reduced by a leading imperfection influence, a second imperfection influence can be considered. Its fatigue reducing effect, however, is not fully applied, but reduced by a combination coefficient ψImp smaller than one. The combination coefficient ψImp for the accompanying imperfection size is derived from safety theory. It is based on statistical distributions of the measured imperfections and considers the comparatively low probability of the occurrence of two imperfection extremes at one location. The required safety level of the presented approach is confirmed by numerous random examples. Thus, not only can a relationship be established between FAT-classes and weld imperfection sizes, but a methodology is provided for determining Imperfection-FAT-classes for arbitrary geometries and imperfections, provided that the influence of the imperfection is known. Since time-consuming reworking of welds with specific imperfection sizes can be omitted in the future, the verification for sufficient safety against fatigue failure can be optimized in terms of cost and resource efficiency.

OpenAccess:
PDF