Zum Ermüdungsverhalten einseitig geschweißter Stumpfstöße von Kreishohlprofilen

Das Ermüdungsverhalten zahlreicher Konstruktionsdetails im Stahlbau ist hinreichend erforscht und gültige Regelwerke geben Kerbfälle für den Ermüdungsnachweis an, die durch umfassende experimentelle Untersuchungen abgesichert sind.
Bei einseitig geschweißten Stumpfstößen von Kreishohlprofilen (KHP) ist dies nicht der Fall. Bezugnehmend auf den EC 3 Teil 1-9 zeigt sich, dass dem Kerbfallkatalog für dieses Detail lediglich eine unzureichend kleine Datenbasis zugrunde liegt. Der Vergleich mit weiteren Regelwerken zeigt, dass die Ermüdungsfestigkeit des Konstruktionsdetails nicht einheitlich bewertet wird und die angegebenen Kerbfälle erheblich variieren. ... mehrDie vorliegende Arbeit zeigt diesbezüglich den Forschungsbedarf auf und stellt experimentel-le sowie numerische Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten einseitig geschweißter Stumpfstöße von KHP vor. Kern dieser Arbeit stellt eine Bewertung der Ermüdungsfes-tigkeit anhand verschiedener Konzepte dar, auf deren Basis eine zutreffende Kerbfall-empfehlung für dieses Konstruktionsdetail abgeleitet wird.
Grundlage für die Bewertung sind im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte umfangreiche experimentelle Untersuchungen an einseitig geschweißten Stumpfstößen mit offshore-relevanten Abmessungen. Anhand von 40 Ermüdungsversuchen wird eine Datenbasis geschaffen und gezeigt, dass die Ermüdungsfestigkeit dieser Schweißverbindungen maßgeblich durch geometrische Imperfektionen und Schweißnahtunregelmäßigkeiten beeinflusst wird. Herstellungsbedingt geht das Versagen von der ermüdungskritischen Schweißnahtwurzel aus. Zur Bewertung der Ermüdungsfestigkeit wird die Nahtgeometrie in diesem Bereich erfasst, vorliegende Unregelmäßigkeiten werden dokumentiert und die bruchmechanischen Werkstoffkennwerte bestimmt.
Die Bestimmung des Kerbfalls erfolgt nennspannungsbasiert auf Basis eigener Ergebnis-se und unter Hinzunahme einer erstellten Datenbank, die aus recherchierten Versuchser-gebnissen einseitig geschweißter Stumpfstöße von KHP besteht. Basierend auf numeri-schen Analysen und unter Anwendung des Struktur- und des Kerbspannungskonzeptes wird die Streuung reduziert und es werden Kerbfälle für diese Konzepte angegeben. Für den strukturspannungsbasierten Ermüdungsnachweis wird zudem ein Spannungskonzent-rationsfaktor für die Nahtwurzel des Konstruktionsdetails entwickelt. Durch Rückrech-nung der Struktur- und Kerbspannungswerte wird nachgewiesen, dass Versätze in be-grenztem Maße durch den für das Nennspannungskonzept angegebenen Kerbfall abgedeckt werden.
Der Einfluss von Unregelmäßigkeiten und vorliegender Fehler wird bruchmechanisch auf Grundlage der linear-elastischen Bruchmechanik abgeschätzt. Dazu wird ein Ansatz zur bruchmechanischen Lebensdauerberechnung entwickelt, der auf Grundlage numerisch berechneter Korrekturfaktoren eine gute und konservative Näherung an die experimentel-len Ergebnisse des Konstruktionsdetails darstellt. Anhand bruchmechanisch bestimmter Rissfortschrittswöhlerlinien wird der maßgebliche Einfluss von vorliegenden Fehlern, zu denen überwiegend Bindefehler gehören, aufgezeigt. Abschließend erfolgt die Angabe von Kerbfällen, die für definierte Fehlergrößen abhängig vom vorhandenen Versatz eingehalten werden.

The fatigue behaviour of numerous constructional details has been sufficiently studied and applicable standards and recommendations specify fatigue classes (FAT-classes) for fatigue design, which have been verified by comprehensive experimental investigations.
This is not the case for tubular girth welds which are usually manufactured from the outside only. With reference to the EC 3 Part 1-9, it can be seen that the FAT-class for this detail is only based on a questionably small database. A comparison with other standards and recommendations shows that the fatigue strength of girth welds is not assessed consistently and that the specified FAT-classes vary considerably. ... mehrThe present thesis shows the need for research in this respect and presents experimental and numeri-cal investigations on the fatigue behaviour of tubular girth welds. The main part of this thesis is an evaluation of fatigue strength using different design approaches, based on which an appropriate recommendation of FAT-class is given.
Basis for the evaluation are extensive experimental investigations on tubular girth welds with offshore-relevant dimensions that have been performed in the context of this work. As a result of 40 large-scale fatigue tests, a database is established and it is shown that the fatigue strength of these joints is significantly influenced by geometric imperfections and weld flaws at the weld root. As a consequence, the failure initiates at the fatigue-critical weld root. To evaluate the fatigue strength, the geometric profile at the weld root is recorded, existing flaws are documented and the material constants for a fracture me-chanics approach are determined.
Regarding the nominal stress approach, the determination of the FAT-class is based on nominal stress at the weld root. Therefore, an additional database consisting of test results of girth welded tubulars is developed within the scope of a literature review. Based on numerical analyses and using the structural stress and notch stress approach, a reduction of the scatter of the test results is received and FAT-classes for these approaches are specified. In addition, a stress concentration factor for the weld root of girth welds is developed for the structural stress approach. By recalculating the structural stress and notch stress values, it is proven that axial misalignment is covered to a limited extent by the FAT-class which has been specified for the nominal stress approach.
The influence of weld flaws and existing defects is assessed by a fracture mechanics approach based on linear-elastic fracture mechanics. For this purpose, an approach for fracture mechanics service life calculation is developed, which represents a good and conservative approximation to the experimental results. This approach is based on numerically calculated magnification factors for the weld root by capturing the typical weld profile at the weld root of tubular girth welds. The significant influence of existing flaws is shown by means of SN-curves which are derived based on fracture mechanics calcula-tions. Finally, FAT-classes for defined flaw sizes depending on the existing amount of misalignment are specified.