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BTU
This article presents experimental and numerical results of the fabrication of welded plate girders under workshop conditions. Main concerns are the prediction of imperfections with the aid of simulation tools and/or simplified engineering models. Their impact on the component design is evaluated in a case study. Special focus is put on the effect of residual welding stress. For this, different simplified distributions are compared with results from welding simulation. The findings confirm the thesis that present recommendations on the implementation of weld-induced imperfections must be rated conservative. This suggests that it is necessary to establish new models. Guidance on future problems in this context will be given.
Beim Aufbau großer Stahlstrukturen im Brücken- oder Stahlhochbau wird heute vermehrt auf modulare Fabrikfertigung gesetzt. Ein Fügen dieser Module auf der Baustelle zu einer Gesamtstruktur ist aber weiterhin notwendig. Als Fügeverfahren wird hier häufig das MAG-Mehrlagenschweißen eingesetzt. Gerade an dicken Blechen stellen Baustellenschweißungen nicht nur besondere Anforderungen an den ausführenden Betrieb, die Bauleitung und Bauüberwachung, sondern auch an den Konstrukteur. Wichtig für den Konstrukteur ist die Kenntnis der sich durch Schweißungen einstellenden Schrumpfung der Bauteile, der auftretenden Verzüge und Eigenspannungen. Gerade bei Baustellenschweißungen müssen diese Aspekte in der Konstruktionsphase der Einzelkomponenten mit berücksichtigt werden, um die erforderlichen Toleranzen bei der Montage einzuhalten. Eine genaue Kenntnis der durch Schweißungen verursachten Phänomene ist in den Konstruktions- und Montagebetrieben oft nur aus mehrjährigen Erfahrungen vorhanden. Ein grundlegendes, vollständiges Bild der Abläufe beim Schweißen auf der Baustelle, das es ermöglicht, dieses Wissen auf neue Konstruktionen zu übertragen, fehlt bisher. Insbesondere für die immer öfter im Brücken- und Stahlhochbau eingesetzten höherfesten Feinkornbaustähle (z.B. S460) ist die Kenntnis des Verhaltens bei Baustellenschweißungen notwendig.
Hier setzt der Forschungsantrag an. Mit Hilfe der Schweißsimulation können die Auswirkungen von Schweißnähten, wie die Entstehung von Verzügen und Eigenspannungen am Bauteil, global dargestellt werden. Eine anschließende Struktursimulationen (Festigkeits- und Steifigkeitsberechnungen) mit aus der Schweißsimulation integrierten Ergebnissen bildet die Basis für ergänzende Untersuchungen.
Montagestöße sind außerdem durch Verschmutzung und Witterung negativ beeinflusst. Die Montage kann beispielsweise bei niedrigen Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts durchgeführt werden müssen. Diese Situation wurde in einer Klimakammer simuliert und die Auswirkungen der Umgebungstemperatur bei der Montage auf das Tragverhalten der Verbindung untersucht. Für die im Rahmen des Vorhabens untersuchten Fälle ist kein Einfluss variierender Umgebungstemperaturen bis -10 °C auf die resultierenden Schweißeigenspannungen festzustellen. Der Vergleich von Verzug und Eigenspannung gegenüber normativ vorgegeben Toleranzwerten sowie vereinfachten Ingenieurmodellen für die Approximation des Eigenspannungsverlaufs zeigt große Defizite. Bei realitätsnaher Implementierung der Eigenspannungen in die Traglastberechnung können z.T. große Reserven im Rahmen der nichtlinearen Traglastberechnung ausgenutzt werden.
This article presents the latest results of an ongoing national research project on improved models for the prediction of welding residual stresses of thick-plated welded I-girders. The experimental program is presented and the importance of different influencing factors on the residual stresses is discussed in detail. All results are compared for mild (S355J2+N) and high strength (S690QL) steel. Finally, conclusions for further works are drawn.
Measurement and numerical modeling of residual stresses in welded HSLA component-like I-girders
(2016)
The present contribution shows the residual stress results obtained from experiments with the sectioning method in comparison to global (structural) welding simulation models on component-like (i.e., large scale) I-girders made of structural steel grades S355 and S690QL. Plates were welded by conventional gas metal arc welding using two different heat inputs. In addition, the base material was assumed to be approximately stress-free. Based on these results, conclusions and recommendations for the design of welded I-girders are drawn.
Welding is the most important joining technique and offers the advantage of customizable plate thicknesses. On the other hand, welding causes residual stresses and deformations influencing the load carrying capacity. Their consideration in the design requires simple and fast models. Though welding simulation has contributed to accurately access to these values nowadays, their application to large components remains still in a less practicable range. Nevertheless, many studies emphasized the need to make corrections in recently available simplified models. Especially the influence of residual stresses seems somewhat overestimated in many cases if comparing conventional structural steel S355 and high-strength steel S690. In times of computer-aided design, an improved procedure to implement weld-inducted imperfections appears overdue. This will be presented in two parts. The first part illustrates the potential influence of post-welding imperfections exemplified for weak axis buckling in comparison with the general method in accordance with Eurocode 3. Residual stresses and initial crookedness were varied systematically in order to produce a scatter band of capacities. An approach to characterize the borders of these imperfections was undertaken before that. The excessive scattering of reduction factors for the load bearing capacity demonstrates the importance of these variables. Results were finally evaluated against advanced simulation models which will be further detailed in part two of this contribution.
This article provides an impression on potentials in applying nowadays welding simulation tools in construction design. This is carried out exemplary on plate girders from two structural steel grades. The calculated residual stresses are compared with measurements by sectioning method. It has been repeatedly stated that present Eurocode models fail to approximate the residual stresses. Especially for high strength steel (HSS) only limited information is available on realistic occurring residual stresses in typical I-girders. The investigations are aimed to give further guidance on these values. A few proposals on advanced models are discussed.
Several approaches on geometrical and structural imperfections are given in the literature for I sections and rectangular box girders. Those approximations of the residuals stress state can be implemented into the structural analysis using multi-purpose FEM program packages. The knowledge of the stress state of free forming cross sections has still to be determined. To fulfil a safe design, the assumptions mostly will be very conservative due to the lack of the assumed stress state. This will result directly to increased thicknesses or additional stiffening of the plates. Not only the material cost will rise, but also the fabrication costs like welding will be affected. This paper aims to provide an overview on the possibilities in the numerical prediction of weld residual stresses and weld induced deformations for cross sections with unique shapes. With the obtained values the tendencies of the residual stress state and deformations will be used to optimize the design. A representative example on a section used in a steel compression ring of a realized roof is described and analyzed using a simplification of a numerical welding simulation. The reduced simulation of the originally transient weld procedure was held to a practically reasonable level and can be reproduced for similar problems. The calculations used the Abaqus Welding Interface (AWI) to automate working steps in conjunction with the definition of weld passes and their sequencing. The field of the method that is discussed also a need of further investigations to prove its applicability. Some experimental back up is requires to verify the result quality. Nonetheless, this method could already help to show up tendencies or to identify potential critical spots in the design.
Welded tubular joints are widely used in structural engineering due to their excellent resistance and stiffness in contrast to open sections, as well as simpler end preparation. Welding residual stresses that occur in these joints after the welding process can affect their structural behavior. Some recent experimental studies have shown that this effect can be considerable. This study numerically evaluates the influence of welding residual stresses on the behavior of rectangular hollow section T joints. The paper consists of two parts. Part I develops and validates a finite element model for the joints directly taking into account welding residual stresses by means of an upstream thermomechanical simulation of the welding process. It is proven that particular attention needs to be paid to the discretization of the model, the material properties and the adequate description of the weld heat input. The validation with experimental results shows that the developed numerical model properly captures the local structural behavior of tubular joints and can be efficiently used for further investigations. Part II employs the constructed model to investigate the effect of welding residual stresses on the resistance and initial stiffness of the considered joints.
Weld residual stresses effects in the design of welded plate girders: Simulation and Implementation
(2017)
Eurocode 3 offers different possibilities on a numerically-aided design of welded plate girders. In this, a geometrically and materially nonlinear analysis of the imperfect structure (GMNIA) provides the theoretically highest possible degree of realism. A correct implementation of “imperfections” is of critical importance in the practical application of this method. The current design rules are based on long term experience in terms of traditional (“old”) welding procedures and regular (“low strength”) steel grades. Thus, they provide very approximate (but safe) rules for these structures. With the introduction of modern shop welding operations and materials, many of these assumptions seem to be over-conservative. A revision of these rules is being processed in different national and international research projects. This particular study focusses on the weld residual stresses and their effects in conventional steel S355 and high strength steel S690. Metal active gas (MAG) welding under shop welding conditions was used. The measurement of weld residual stresses on component-like samples (carried out by the BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin) has been widely published. The hereupon based (simplified) welding simulation as part of a subsequent structural analysis is shown here. A novel numerical approach how to directly incorporate the results into large structural components models is presented. The capacity analysis is performed on a simple example for weak-axis buckling. The results indicate significant improvements in the utilization of load-bearing capacity and underline the superior buckling assignment for the S690 compared to conventional S355. The experimental validation of the findings is currently being prepared.
For standard sections including I-girders and rectangular box girders, several approaches on geometrical and structural imperfections are given in the literature, which can be implemented in a numerical analysis. For complex sections, as found in many of today's lightweight roof structures, these assumptions are conservative due to the sections typically unique shape, which leads to increased thicknesses or additional stiffening of the plates. This, on the other hand, can significantly affect fabrication costs. This paper aims to provide an overview on the possibilities in the numerical prediction of weld residual stresses and weld-induced deformations for these sections. The obtained values can be used in a subsequent numerical analysis to understand the structural behavior and optimize the design. A representative example on a section used in a steel compression ring is described and analyzed using the numerical welding simulation. A simplification of the originally transient weld procedure is used in order to reduce computation times to a practically reasonable level. In this context, the Abaqus Welding Interface (AWI) helps to automate working steps in conjunction with the definition of weld passes and their sequencing, which shall be shown in here. The applicability of this method is discussed showing also a need of further investigations in this field. This is especially with regard to result quality, which requires some experimental back-up. Nonetheless, this method could already help to show up tendencies or to identify potential critical spots in the design.
Die Festigkeitsberechnung von Strukturen, zum Beispiel Platten oder Schalen, mittels der Finite-Elemente-Methode gehört schon seit längerem zum Stand der Technik. Berücksichtigt werden bei der Berechnung sowohl geometrische Nichtlinearitäten als auch das nichtlineare Verhalten des Werkstoffs. Die geometrischen und strukturellen Imperfektionen werden bei der Ermittlung der Festigkeit zumeist in ausschließlich geometrischen Imperfektionen, wie bspw. Kombinationen aus Fertigungstoleranzen und den Ergebnissen von Beulanalysen zusammengefasst. Zur Rechtfertigung dieser Vorgehensweise werden die geometrischen Imperfektionen gemäß DIN EN 1993-1-5 erhöht. In einem Kommentar zur selben Norm findet
sich ebenfalls eine Empfehlung zur Berücksichtigung von Schweißimperfektionen in Form von vereinfachten Längseigenspannungsverläufen. Diese werden in Abhängigkeit der
Fließgrenzspannung des Werkstoffs bei Raumtemperatur und der Dicken der Fügepartner angenommen. Sowohl die Annahme rein geometrischer Imperfektionen als auch die Berücksichtigung vereinfachter Eigenspannungszustände, sind mit Sicherheitszuschlägen
behaftet. Durch eine realitätsnähere Berücksichtigung von strukturellen und geometrischen Imperfektionen, hervorgerufen durch Schweißprozesse, kann die tatsächliche Tragfähigkeit einer Struktur wesentlich exakter bestimmt werden. Inhalt dieses Artikels ist die Anwendung eines analytisch-numerischen Hybridmodells zur
Schweißimperfektionsberechnung an einer doppelt versteiften Platte und einer anschließenden Festigkeitsanalyse. Eingangs wird das analytische Modell vorgestellt und auf die grundlegenden
physikalischen Zusammenhänge eingegangen. Es folgt die Erläuterung des Kopplungsalgorithmus zwischen analytischem Modell und der numerischen Berechnung. Angewendet an der doppelt versteiften Platte, wird ein realitätsnaher geometrischer und
struktureller Imperfektionszustand berechnet. Eine anschließende Traglastanalyse gibt Aufschluss über das Verformungsverhalten unter achsialer Krafteinwirkung. Zur Bewertung der Ergebnisse wird ein Modell gleicher geometrischer Abmessungen und Werkstoffkennwerte aus
der Literatur herangezogen. Berechnet wurden die ersten 6 Eigenformen mittels analytischer und numerischer Modelle sowie die Last-Verformungskurven unter der Annahme unterschiedlicher geometrischer Imperfektionen. Um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu sichern, wird eingangs die Lagerung des Modells sowie der Kraftangriffspunkt in Längsrichtung invers, durch den Vergleich der ersten 6 Beulformen sowie der Last-Verformungskurven dreier
Imperfektionen, bestimmt. Darauf aufbauen wird die Last-Verformungskurve für einen überlagerten Imperfektionszustand berechnet, wobei die geometrischen Imperfektionen aus den
Fertigungstoleranzen abgeleitet und die strukturellen idealisiert, gemäß DIN EN 1993-1-5, gewählt werden. Abschließend werden alle Last-Verformungskurven einander gegenübergestellt.
Anhand des Vergleichs kann quantifiziert werden, wie konservativ die einzelnen angenommenen Imperfektionen sind und wie sich der Verformungsverlauf darstellt, berechnet man diesen unter
Verwendung realitätsnaher geometrischer und struktureller Imperfektionen.
Welding residual stresses that occur in tubular joints after the welding process affect their structural behavior. To ensure that these stresses do not negatively act on the load-bearing capacity of joints, their influence should be carefully investigated. This paper represents the second part of a study that numerically evaluates the structural behavior of rectangular hollow section T joints taking into account welding residual stresses. The finite element model developed in Part 1 is now used to evaluate their effect on the resistance and initial stiffness of tubular joints. The conducted parametric analyses show that welding residual stresses have a positive influence of 1–19 % on the plastic resistance of tubular joints and insignificantly reduce their initial stiffness. At the same time, the behavior of the considered joints is found not to depend on the welding sequence.