Ermüdungsverhalten mechanisch nachbehandelter Schweißverbindungen in Abhängigkeit des Randschichtzustands

Weich, Imke

In den letzten Jahren hat die Bedeutung der Lebensdauer von Bauwerken neben der Optimierung des Konstruktionsgewichts zur Reduzierung der Herstellungskosten an Bedeutung gewonnen. Entscheidend für die Lebensdauer zyklisch beanspruchter geschweißter Stahlkonstruktionen sind hoch beanspruchte Schweißnahtdetails. Durch eine Anhebung der Ermüdungsfestigkeit dieser Kerbdetails kann die Lebensdauer der Gesamtkonstruktion verlängert werden. Eine Vielzahl von Veröffentlichungen zeigt die positive Wirkung von gezielt angewendeten Schweißnahtnachbehandlungsmethoden, insbesondere von mechanischen. Neuere Untersuchungen bestätigen die besondere Wirkung höherfrequenter Hämmerverfahren. In dieser Dissertation wird die Wirkungsweise und die die Lebensdauer steigernde Wirkung experimentell und numerisch analysiert und quantifiziert. Basierend auf den Ergebnissen wird ein Bemessungskonzept entwickelt, dass die Berücksichtigung der die Ermüdungsfestigkeit steigernden Wirkung bei der Bemessung von Stahlkonstruktionen erlaubt. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass die positive Wirkung der höherfrequenten Hämmerverfahren auf durch die plastische Verformung des Nahtübergangs erzeugten Druckeigenspannungen und Randschichtverfestigungen beruht. Die Rissinitiierungsphase wird verlängert und die Rissfortschrittsphase in der bis zu 1,5 mm dicken Druckeigenspannungsbehafteten Randschicht durch Rissschließeffekte verzögert, so dass die experimentell ermittelte Ermüdungsfestigkeit um 80 bis 100 Prozent gegenüber einer unbehandelten Schweißnaht erhöht wird. Dieselbe Verbesserung wird bei vorgeschädigten Makrorissfreien Schweißnähten erzielt. Die erhöhte Ermüdungsfestigkeit wird in einem lokalen Bemessungskonzept durch die Einführung von Verbesserungsfaktor für die lokale Ermüdungsfestigkeit bewertet. Bei der Bewertung werden die lokal erzeugten Druckeigenspannungen sowie das lokale Spannungsverhältnis berücksichtigt.

In the last years optimization of life time of constructions besides optimization of material consumption in order to reduce the production costs gained more importance. For cyclic loaded welded steel structures the fatigue strength of highly stressed welded details is decisive for the fatigue life. By enhancing the fatigue strength of these details the fatigue life of the whole structure can be increased. The benefit of a systematically applied improvement methods, especially mechanical improvement methods, is reported in numerous research studies. Recent investigations prove that especially high frequent peening methods are effective means to improve the fatigue strength. In this thesis the mode of functioning and the beneficial effects on the fatigue strength of these methods are experimental and numerical analysed and quantified. Based on the findings a design model for post weld treated welds is developed, which allows considering the beneficial effect of the post weld treatment for the design of steel structures. The results of the experimental studies show that the benefit of high frequent peening methods relies on compressive residual stresses and surface hardening caused by plastic deformation of the edge layers at the weld toes. Crack initiation phase is increased and crack propagation velocity in the field of compressive residual stresses up to 1.5 mm depth is reduced due to crack closure so that the experimentally determined fatigue strength is improved up 80 to 100 percent compared to the as welded condition. The same improvement can be gained for fatigue affected welds, which do not exhibit macro cracks. The increased fatigue strength is considered in a local design concept by introducing improvement factors for the local fatigue strength. The local compressive stresses are considered as well as the local stress ratio.

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Weich, Imke: Ermüdungsverhalten mechanisch nachbehandelter Schweißverbindungen in Abhängigkeit des Randschichtzustands. 2008.

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