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Beitrag zur Entwicklung der Bemessungskonzepte für Dauerfestigkeitsberechnungen von Reparaturschweißungen auf Basis kleiner Konstruktionsdetails

Contribution for supplementing the assessment concepts of fatigue strength calculations for small-scale construction details with repaired welds

  • Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Analyse der Dauerfestigkeit von Schweißverbindungen nach erfolgter Reparatur des vorhandenen Ermüdungsrisses. In den aktuellen Regelwerken (wie Eurocode bzw. International Institute of Welding) liegen bis heute keine normativen Bemessungskonzepte für sanierte Schweißverbindungen vor. Diesbezüglich werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit die herkömmlichen Ermüdungsfestigkeitsnachweise (nach Nenn-, Struktur- und Kerbspannungskonzept) um die ermittelten FAT-Klassen für sanierte bzw. nachbehandelte Schweißverbindungen ergänzt. Die Analyse betrachtet ein typisches kleinmaßstäbliches Bauteilelement des Stahlbaus, d.h. das Konstruktionsdetail der Quersteife. Dabei handelt es sich um nicht „belastungstragende“ Kehlnähte, die eine bevorzugte Ausgangsstelle für Ermüdungsrisse an Nahtübergängen darstellen und daher stark ermüdungsfestigkeitsmindernd wirken. Die experimentellen Ermüdungsuntersuchungen in Form von klassischen Wöhlerversuchen verfügen über drei Gruppen von Versuchsprüfkörpern. DieDie vorliegende Arbeit befasst sich mit der Analyse der Dauerfestigkeit von Schweißverbindungen nach erfolgter Reparatur des vorhandenen Ermüdungsrisses. In den aktuellen Regelwerken (wie Eurocode bzw. International Institute of Welding) liegen bis heute keine normativen Bemessungskonzepte für sanierte Schweißverbindungen vor. Diesbezüglich werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit die herkömmlichen Ermüdungsfestigkeitsnachweise (nach Nenn-, Struktur- und Kerbspannungskonzept) um die ermittelten FAT-Klassen für sanierte bzw. nachbehandelte Schweißverbindungen ergänzt. Die Analyse betrachtet ein typisches kleinmaßstäbliches Bauteilelement des Stahlbaus, d.h. das Konstruktionsdetail der Quersteife. Dabei handelt es sich um nicht „belastungstragende“ Kehlnähte, die eine bevorzugte Ausgangsstelle für Ermüdungsrisse an Nahtübergängen darstellen und daher stark ermüdungsfestigkeitsmindernd wirken. Die experimentellen Ermüdungsuntersuchungen in Form von klassischen Wöhlerversuchen verfügen über drei Gruppen von Versuchsprüfkörpern. Die Gruppe I bezieht sich auf fehlerfreie Schweißnähte, d.h. im Schweißzustand belassene Prüfkörper. Die Gruppe II betrifft die fehlerhaften Schweißnähte, die durch Ausschleifen der potenziellen Risse und Wiederschweißen saniert wurden. Bei der Gruppe III werden die Prüfkörper zusätzlich durch eine Schweißnahtnachbehandlungsmethode, d.h. mit höherfrequentem Hämmern bearbeitet. Neben den klassischen Ermüdungsversuchen werden die Kerbwirkungen in ermüdungskritischen Stellen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode analysiert. Somit können die FAT-Klassen nach Nenn-, Struktur- und Kerbspannungskonzept für Reparaturschweißungen ermittelt werden. Um die relevante Vergleichbarkeit der entsprechenden Schweißnahtzustände bzw. Effektivität solcher Reparaturmaßnahmen sicherzustellen wird zusätzlich eine ganze Serie von sog. Begleituntersuchungen durchgeführt. Dabei handelt es sich um Temperatur-, Verzugs- und Härtemessungen, röntgenografische Eigenspannungsbestimmungen sowie metallographische Untersuchungen zur Bestimmung der Schmelzbadgeometrie bzw. des Nahtprofils. Vor allem wird im Rahmen dieser Arbeit ein Fokus auf die Eigenspannungsanalyse gelegt, um die tatsächliche Eigenspannungsverteilung in den entsprechenden Reparaturzuständen zu ermitteln und somit eine Basis für verbesserte Bemessungsmodelle von sanierten und nachbehandelten Schweißnähten zu erarbeiten. Bei den Gruppen I und II der Versuchsprüfkörper betrifft die Eigenspannungsanalyse ebenso die Schweißsimulation.show moreshow less
  • This work deals with the analysis of the fatigue strength of welded joints after the repair of an existing fatigue crack. In the current regulations, such as Eurocode or the International Institute of Welding, there are still no standard fatigue design concepts for repaired welded joints. Therefore, this work supplements the conventional fatigue strength classes by the determined FAT classes, according to the nominal, structural and notch stress concept, for repaired or post-treated welded joints. The analysis investigates typical small-scale steel specimens of transverse attachments. Those elements have non-load-carrying fillet welds. Such weld seams cause local concentration of stresses at weld toes, which can lead to initiation of fatigue cracks and reduce the fatigue resistance of the whole construction detail. The experimental fatigue strength tests, based on classic Wöhler analysis, were divided into three groups of specimens. The group I refers to specimens with flawless welds, i.e. they were left in the as-welded state. TheThis work deals with the analysis of the fatigue strength of welded joints after the repair of an existing fatigue crack. In the current regulations, such as Eurocode or the International Institute of Welding, there are still no standard fatigue design concepts for repaired welded joints. Therefore, this work supplements the conventional fatigue strength classes by the determined FAT classes, according to the nominal, structural and notch stress concept, for repaired or post-treated welded joints. The analysis investigates typical small-scale steel specimens of transverse attachments. Those elements have non-load-carrying fillet welds. Such weld seams cause local concentration of stresses at weld toes, which can lead to initiation of fatigue cracks and reduce the fatigue resistance of the whole construction detail. The experimental fatigue strength tests, based on classic Wöhler analysis, were divided into three groups of specimens. The group I refers to specimens with flawless welds, i.e. they were left in the as-welded state. The group II concerns the flawed welds renovated by grinding the existed crack at weld toe and re-welding. The specimens in the group III were additionally supplemented by post-weld treatment methods. Besides the fatigue strength tests the notch effects at the critical location were analyzed by means of the finite element method. Thus, according to the nominal, structural and notch stress concepts for repair welds the FAT classes can be determined. In order to assure the relevant comparability of the corresponding weld states and the effectiveness of such repair methods, a whole series of so-called accompanying examinations were carried out. The temperature, distortion and hardness measurements, x-ray residual stress determination as well as the metallographic examination were taken into account to determine the weld geometry and the seam profile. This work focuses specifically on the residual stress analysis in order to determine the actual residual stress distribution in the appropriate repair states and thus to develop a basis for the replenishment of fatigue design concepts for construction details with repaired and post-treated weld seams. The residual stress analysis of the test specimens in groups I and II also contains the welding simulation.show moreshow less

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Metadaten
Author: Agnieszka Chwastek
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-51608
ISSN:1611-5023
Series (Serial Number):Schriftenreihe Stahlbau (17)
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing.habil. Hartmut Pasternak, Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Gerhard Lener, Prof. Dr.-Ing. Karsten Geißler
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2020
Date of final exam:2019/12/06
Release Date:2020/05/25
Tag:Eigenspannung; Ermüdungsfestigkeit; Kerbwirkung; Nahtnachbehandlungsverfahren; Reparaturschweißung
Fatigue strength; Notch factor; Post-weld treatment; Repair of welds; Residual stress
GND Keyword:Stahlbau; Dauerfestigkeit; Ermüdungsriss; Bemessung; Schweißverbindung; Reparaturschweißen
Institutes:Fakultät 6 Architektur, Bauingenieurwesen und Stadtplanung / FG Stahl- und Holzbau
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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