FG Baustatik, Stahlbau, FEM
Es wird eine Vereinfachte Fließzonentheorie zum Nachweis gegen Ratcheting (progressive Deformation) vorgestellt. Sie beruht auf der Zarka-Methode und gestattet nicht nur festzustellen, ob die Struktur infolge zyklischer Belastung elastisch oder plastisch einspielt (qualitativer Nachweis), sondern auch die Bestimmung der mit dem Einspielen verbundenen elastisch-plastischen Dehnungen und Verformungen (quantitativer Nachweis). Der vorliegende Bericht stellt eine Erweiterung zum Vorgängervorhaben SR 2221 dar, das (unter anderem) bereits eine Variante der Zarka-Methode zur Berechnung elastisch-plastischer Dehnschwingbreiten (Faktor Ke) zum Inhalt hatte. Die der Vereinfachten Fließzonentheorie zugrunde liegenden Annahmen und die Vorgehensweise bei ihrer Anwendung für einen Ratcheting-Nachweis werden dargestellt und kritisch diskutiert. Umfangreiche Beispielrechnungen erläutern die Methode.
Es wird der Stand der Entwicklung der Vereinfachten Fließzonentheorie dargestellt, und wie die VFZT konform mit dem KTA-Regelwerk angewendet bzw. weiter ausgebaut werden könnte. Dies betrifft die Ermittlung des Faktors Ke für vereinfachte Ermüdungsanalysen sowie die Ratcheting-Nachweisführung, um erstmals bestehende Lücken im Regelwerk schließen zu können, weil die VFZT unabhängig ist von der speziellen Bauteilgeometrie und der Belastungsart.
According to the relevant KTA-Rules, e.g. KTA 3201.2, strain correction factors — Ke-factors — have to be used in the fatigue analysis of pressurised components if the strain intensity ranges are determined by elastic analyses, and if in this case the range of primary plus secondary stress intensity exceeds a certain limit. This limit is three times the design stress intensity value, Sm, and thus approximately corresponds to twice the value of the 0.2% strain limit. The relations given in the above-mentioned rules to determine the Ke-factors for considering plastification have proved to be very conservative in many cases compared with the strain intensity ranges that were determined by complete elastic–plastic analyses. In order to improve the validity of the fatigue analysis, the topic of `Performance of fundamental work to prepare concrete proposals for realistic Ke,r-factors (strain correction factors) to consider plastification at large strain amplitudes' was one of the subjects of the BMU project SR 2063. In summary, the result was that the proposed realistic Ke,r-factors present a real alternative to the Ke-factors of the regulations; the latter serve a mostly conservative registration of the observed elastic–plastic strain but cannot be explained in terms of physics and are not formulated in a manner adequately specific of any material. The exemplary verification calculations that have been performed so far show, furthermore, that the proposed realistic Ke,r-factors can be easily determined and also deliver sufficiently conservative results. This new method therefore has great potential which, however, still has to continue to be verified by further calculations before it can be included in the KTA-Rules.
Es werden drei vereinfachte Methoden zur Berechnung elastisch-plastischer Dehnschwingbreiten infolge zyklischer Belastung von Komponenten der Kerntechnik vorgestellt. Es handelt sich um die Methoden von Roche, Seshadri und Zarka. Diese werden mit dem Faktor Ke des KTA-Regelwerks sowie dem im Vorhaben SR 2063 unterbreiteten Vorschlag zu seiner Modifikation verglichen. Die ihnen zugrunde liegenden Annahmen werden kritisch durchleuchtet. Ihre Anforderungen an das Werkstoffgesetz im plastischen Bereich sowie der erforderliche Berechnungsaufwand werden herausgestellt. Einfache Beispielrechnungen zeigen, durch Gegenüberstellung mit den exakten Werten, die erzielbare Genauigkeit.
Es werden Ke,r-Faktoren als Dehnungserhöhungsfaktoren für vereinfachte elastisch-plastische Ermüdungsanalysen vorgeschlagen, die realistischer sind als in Regelwerken vorhandene Ke-Faktoren. Letztere dienen einer meistens konservativen Erfassung der auftretenden elasto-plastischen Dehnungen, sie sind aber weder physikalisch nachvollziehbar, noch werkstoffgerecht formuliert. Die bisher exemplarisch durchgeführten Verifikationsrechnungen belegen, dass die vorgeschlagenen realistischen Ke,r-Faktoren leicht bestimmbar sind und zudem ausreichend konservative Ergebnisse liefern. Somit liegt mit dieser neuen Methode ein beachtenswertes Potential vor, das jedoch noch durch weitere Verifikationsrechnungen abgesichert werden muss, bevor es in das KTA-Regelwerk eingebunden werden kann.
Im Zuge einer Ermüdungsanalyse plastisch beanspruchter Komponenten von Kernkraftwerken werden Dehnungserhöhungsfaktoren Ke zur Ermittlung der plastischen Dehnschwingbreite aus elastisch berechneten Beanspruchungen verwendet. Ausgehend von einer Kritik an der derzeit üblichen Vorgehensweise nach ASME Code wird eine Modifikation vorgeschlagen.
Der Vorschlag basiert wie der Ke-Faktor des ASME Code (der auch von diversen KTA-Regeln übernommen worden ist) auf dem Konzept eines einfachen Faktors. Er beseitigt die potentielle Unkonservativität des ASME Code bei Kerben (Rundungsradien) und reduziert gleichzeitig dessen Überkonservativität in vielen anderen Anwendungsbereichen, indem drei unterschiedliche Effekte berücksichtigt und individuelles Werkstoffverhalten erfasst werden können. Zudem beruht er im Gegensatz zu Ke-ASME auf möglichst realitätsnahen Werkstoffdaten, die eher den Charakter von Mittel- als von Mindestwerten besitzen. Ferner ist die Anwendung dieses Vorschlages insofern einfacher als die des ASME Code, als die Suche nach der ungünstigsten Orientierung eines Schnittes durch die Wand, die i. allg. nicht einfach zu identifizieren ist, entfällt.
Eine Reihe detaillierter elastisch-plastischer Vergleichsrechnungen für hinsichtlich Bauteilgeometrie und Belastung typische Problemstellungen bei schnellen und Leichtwasserreaktoren bestätigen die Konservativität des Vorschlages.
Es wird ein Potential zur weiteren Reduzierung der Konservativität bei Anwendung auf Bauteile von Leichtwasserreaktoren im Rahmen eventueller zukünftiger Entwicklungsarbeiten aufgezeigt.