Schweißen unter einachsiger, zyklischer Beanspruchung – Experimentelle und numerische Untersuchungen

Wichers, Michael

Erhaltungs- und Erneuerungsmaßnahmen an Bauwerken werden in unmittelbarer Zukunft an erheblicher Bedeutung gewinnen. Bereits heute übersteigen in Deutschland die Investitionen für den Erhalt und/oder die Verstärkung bestehender Bausubstanz die Neubauinvestitionen. Bei den notwendigen Verstärkungs- oder Sanierungsmaßnahmen ist es im Allgemeinen wirtschaftlich entscheidend, ob an einer unter Last stehenden Konstruktion geschweißt werden kann, oder ob eine Entlastung der Konstruktion vorgenommen werden muss. Bis heute wird davon ausgegangen, dass unter Lastbeanspruchung, insbesondere unter veränderlicher Last – wie z.B. im Brücken- und Offshorebau – eine Schweißung unter sich bewegenden Nahtflanken nicht möglich ist. Ziel der vorliegenden Forschungsarbeit ist die Untersuchung und Bewertung von Schweißverbindungen an Baustählen S355 J2 G3, welche unter Betriebsbeanspruchung, d.h. unter Bewegung der Nahtflanken, verschweißt wurden. Basierend auf durchgeführten Schweißversuchen werden Randbedingungen und Grenzen zur technisch sinnvollen Machbarkeit derartiger Schweißverbindungen vorgestellt. Vorrangiges Ziel bildet die Schaffung von Beurteilungskriterien, welche den planenden Ingenieur in die Lage versetzen, eine Aussage über die statische Tragfähigkeit einer unter Betriebsbeanspruchung hergestellten Schweißnaht zu treffen. Den Abschluss der Arbeit bildet eine theoretische Untersuchung des Schweißprozesses mittels der FE-Methode. Der aufgezeigte numerische Lösungsansatz soll eine Prognose über die sich infolge des Schweißprozesses einstellende Wärme- und Spannungsverteilung im Bauteil erlauben. Ansätze zur Beschreibung des Wärmeeintrages durch den Schweißlichtbogen sowie des Wärmeübergangs werden vorgestellt und diskutiert. Um im Rahmen der numerischen Simulation eine realistische Abbildung des Schweißprozesses sowie des thermischen Bauteilverhaltens zu gewährleisten, wurden Versuche zur experimentellen Bestimmung der temperaturabhängigen Werkstoffkennwerte durchgeführt.

The importance of measures for rehabilitation and revitalization of buildings will increase significantly in the near future. Already today the investment in structural maintenance and structural reinforcement in Germany exceeds the amount spent for new constructions. In evaluating necessary concepts for renovation and strengthening it is in general economically crucial to decide, if welding is possible at a structure excited by service loads, or whether the construction has to be unloaded. Up to now it is assumed that under loading conditions, especially under varying loads – e.g. in Bridge and Offshore construction – a welding with moving seams is not possible. Thus, the goal of this research is the examination and evaluation of welded connections with mild steel S355 J2 G3, which were welded under service loads, i.e. with moving seams. Based on experimental tests, constraints and limitations for applying such connections within technical and reasonable feasibility are presented. Main objective is the creation of evaluation criteria, which enable the planning engineer to give a statement about the static capacity of a connection welded under service loads. Finally, a theoretical simulation of the welding process by means of the Finite Element Method is shown. The presented numerical approach intends to allow a prognosis about the occurring heat and stress distributions in the structural component due to the welding process. Proposals for the description of the heat input of the welding arc as well as for the heat transfer are introduced and discussed. To be able to represent the welding process and the thermal behaviour of the structure realistically, experiments for determining the temperature dependent material properties were carried out.

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Wichers, Michael: Schweißen unter einachsiger, zyklischer Beanspruchung – Experimentelle und numerische Untersuchungen. 2006.

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