Zum Ermüdungsverhalten HFH-behandelter Schweißverbindungen in korrosiver Umgebung

Durch die Anwendung höherfrequenter Hämmerverfahren (HFH) kann die Ermüdungsfestigkeit geschweißter Bauteile gesteigert werden. Richtlinien erlauben daher erhöhte Widerstandswerte in der Ermüdungsbemessung, wodurch Stahlkonstruktionen wirtschaftlicher ausgelegt werden können. Ein großes Anwendungspotenzial besteht an den geschweißten Strukturen von Offshore- und Stahlwasserbauwerken. Neben der Ermüdungsbeanspruchung sind deren Tragwerksteile zeitgleich einer korrosiven Umgebung ausgesetzt, so dass bei fehlendem Korrosionsschutz Korrosionsermüdung auftreten kann. Bisherige Forschungsarbeiten belegen, dass die HFH-Behandlung die Ermüdungsfestigkeit gegenüber dem unbehandelten Zustand auch in korrosiver Umgebung deutlich erhöhen kann. ... mehrAllerdings ist noch unklar, welche verzögernden Effekte die Ermüdungsfestigkeitssteigerung trotz Korrosion hervorruft und inwiefern die Phasen der Rissentstehung und des Rissfortschritts im behandelten Zustand korrosiv beeinflusst werden.
Vor diesem Hintergrund werden in der vorliegenden Arbeit experimentelle, numerische und bruchmechanische Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten und zur Wirksamkeit von HFH-behandelten Quersteifen in korrosiver Umgebung durchgeführt. Darüber hinaus werden bestehende Kerbfallempfehlungen verifiziert, indem sie gegen potenziell ungünstige Einflüsse abgesichert werden. Neben Einflüssen aus Korrosion werden auch solche aus der Belastungsart und der Bauteilsymmetrie berücksichtigt, die sich auf die Phasen der Ermüdungslebensdauer auswirken können. Auf diese Weise soll eine solide Grundlage für die Bemessung von geschweißten und HFH-behandelten Quersteifen in korrosiver Umgebung und für die zukünftige Integration in Regelwerke geschaffen werden.
Die Bewertung des Ermüdungsverhaltens basiert auf umfangreichen experimentellen Untersuchungen an 77 Probekörpern des Konstruktionsdetails Quersteife mit einseitig aufgeschweißter Steife. Diese werden entweder in Salzsprühnebel oder in künstlichem Meerwasser vorkorrodiert, wodurch eine erhöhte Rauheit und eine oberflächennahe Abrostung entsteht. Durch Ermüdungsversuche an Luft oder in künstlichem Meerwasser wird der Korrosionseinfluss auf das Ermüdungsverhalten unter Berücksichtigung der beiden Vorkorrosionsmethoden und getrennt für die Rissentstehungs- und Rissfortschrittsphase untersucht. Zudem geben Rastlinienuntersuchungen Aufschluss über das Ermüdungsrissverhalten: Die Entwicklung der Rissgeometrie variiert je nach Behandlungszustand und -verfahren, ist jedoch unabhängig vom Einfluss der Korrosion. Minimal detektierbare Risstiefen betonen die Relevanz beider Lebensdauerphasen bei der Bewertung der Ermüdungsfestigkeit. Obwohl die Rissfortschrittsrate infolge der Korrosion erhöht wird, weisen HFH-behandelte Probekörper eine längere Lebensdauer in der Rissfortschrittsphase auf als unbehandelte an Luft. Dies belegt die Wirksamkeit der Behandlung auch unter simultanen Korrosionsbedingungen.
Die Ermüdungsfestigkeit wird nach dem Nennspannungs-, Kerbspannungs- und Rissfortschrittskonzept bewertet. Eine erste Bewertung erfolgt auf Nennspannungsebene, basierend auf Bruchschwingspielzahlen und unter Einbeziehung von Literaturdaten. Zur Bewertung der Versuche auf Kerbspannungsebene werden Kerbformzahlen mithilfe numerischer Modelle ermittelt. Diese Modelle quantifizieren zudem den Einfluss unterschiedlicher Belastungsarten und Bauteilsymmetrien auf die Rissentstehung. Für die Bewertung nach dem Rissfortschrittskonzept wird ein Modell auf Grundlage der linear-elastischen Bruchmechanik (LEBM) entwickelt. Es berücksichtigt Einflüsse von Belastungsart, Behandlungszustand und Korrosion auf das Makrorisswachstum. Neben analytischen Lösungen wird dazu ein numerisches Modell eingesetzt, welches reale Rissformen erfassen kann.
Die Bewertung der Ermüdungsfestigkeit zeigt, dass Korrosion sowohl die Phase der Rissentstehung als auch die des Rissfortschritts HFH-behandelter Quersteifen beeinflusst. Obwohl das Verbesserungspotenzial gegenüber dem unkorrodierten Zustand limitiert ist, bleiben positive Einflüsse der Behandlung in beiden Phasen der Ermüdungslebensdauer erhalten. Dies führt zu einer deutlich erhöhten Ermüdungsfestigkeit, selbst unter korrosiven Bedingungen. Die erzielten Untersuchungsergebnisse unterstützen zudem die Verifizierung der bestehenden Kerbfallempfehlungen. Dabei werden ungünstige Einflüsse durch ein rechnerisch erweitertes Streuband erfasst. Auf Basis der ausführlichen experimentellen und rechnerischen Untersuchungen wird schließlich der Kerbfall 125 auf Nenn- und der Kerbfall 320 auf Kerbspannungsebene als Ansatz für die Bemessung von HFH-behandelten Quersteifen in korrosiver Umgebung bestätigt.

The use of high-frequency mechanical impact (HFMI) treatment has proven to be an effective method for improving the fatigue strength of welded components. As a result, guidelines now allow the use of higher resistance values in fatigue assessment. This enables a more economical design of steel structures. Among other applications, there is great potential for welded structures in the offshore sector and in hydraulic steel construction. However, their components are simultaneously exposed to corrosive environments, so there is a risk of corrosion fatigue if corrosion protection is lacking. ... mehrExisting research results show that HFMI-treatment can significantly increase fatigue strength compared to untreated com-ponents, even in corrosive environments. However, it remains unclear which delaying effects contribute to this increase in fatigue strength despite corrosion. It is also not known to what extent the respective stages of crack initiation and crack propagation under HFMI-treated conditions are influenced by corrosion.
In this context, experimental, numerical, and fracture mechanical investigations on the fatigue behaviour and effectiveness of HFMI-treated transverse attachments in corrosive environments are carried out in this work. Furthermore, an existing FAT class recommendation is reviewed regarding other potentially unfavourable influences. In addition to corrosion, influences of the load type and joint symmetry on the fatigue life stages are also taken into account in these analyses. The aim is to create a solid basis for the design of welded and HFMI-treated transverse attachments in corrosive environments and for future integration into codes and standards.
The assessment of fatigue behaviour is based on extensive experimental investigations on 77 specimens representing one-sided transverse attachment joints. These are pre-corroded either in salt spray or in artificial seawater, resulting in increased roughness and near-surface rusting. Fatigue tests, conducted in air or artificial seawater, evaluate the influence of corrosion on fatigue behaviour. This consideration includes both pre-corrosion methods and separates the analysis for the crack initiation and crack propagation stages. Additionally, beach mark investigations provide insights into fatigue crack behaviour: The development of crack geometry varies depending on the treatment condition and device but remains independent of corrosion influence. Minimum detectable crack depths emphasise the relevance regarding both stages of fatigue life when assessing fatigue strength. While expo-sure to corrosion increases the crack propagation rate, HFMI-treated specimens demonstrate a longer fatigue life in the crack propagation stage compared to untreated specimens tested in air. This proves the effectiveness of the treatment even under simultaneous corrosion conditions.
The fatigue strength is assessed using the nominal stress, notch stress and crack propagation approach. An initial assessment is carried out based on nominal stresses, using the number of fatigue cycles to failure, and incorporating literature data. To evaluate the tests on a notch stress level, elastic stress concentration factors are determined using numerical models. These models also quantify the influence of different load types and varying joint symmetry on crack initiation. A model based on linear-elastic fracture mechanics (LEFM) is developed for the evaluation according to the crack propagation approach. This model accounts for influences of load type, treatment condition, and corrosion on macrocrack growth. Alongside analytical solutions, a numerical model capable of accommodating actual crack forms is also employed.
The assessment of fatigue strength demonstrates that corrosion affects both the crack initiation and the crack growth stage of HFMI-treated welds. Despite limited improvement potential compared to the uncorroded state, the treatment maintains positive effects in both fatigue life stages, leading to significantly increased fatigue strength, even in corrosive conditions. Additionally, the research results support the verification of the existing fatigue class recommendations, capturing unfavourable influences through a computationally extended scatter band. The extensive experimental and computational investigations have validated FAT 125 for the nominal stress approach and FAT 320 for the notch stress approach as suitable for the design of HFMI-treated transverse attachments in corrosive environments.