Modellierungsvarianten und Empfehlungen bei der Ermittlung von Struktur- und Kerbspannungen auf Basis Finiter Element-Berechnungen

Bei Einsatz von hochfesten Baustählen im Kran- und Brückenbau gewinnen Betriebsfestigkeitsuntersuchungen zunehmend an Bedeutung. Während beispielsweise im Offshore-Sektor die Beurteilung des Ermüdungsverhaltens von Bauteilen mittels numerischer Methoden etabliert ist, werden Finite-Element-Berechnungen zur Bestimmung von Struktur- bzw. Kerbspannungen im Bauwesen oder auch im Kranbau seltener herangezogen. Hier dominierten bisher Nennspannungskonzepte mit einer Vielzahl an Kerbdetails. Mittlerweile weisen jedoch bereits gängige Computersysteme Leistungsressourcen auf, mit denen auch komplexeste Geometrien mit angemessenem Rechenaufwand simuliert werden können. Anhand zweier einfacher Beispiele (Stumpfstoß, Längssteife) werden wesentliche Anforderungen an das FE-Modell und die maßgeblichen Modellierungsparameter unter Berücksichtigung von IIW-Empfehlungen aufgezeigt. Insbesondere wird dabei auf die Vernetzung und die Elementanforderungen eingegangen. Für geschweißte Stumpfstoßverbindungen wurden darüber hinaus aus umfangreichen Parameteruntersuchungen Näherungsformeln zur Berechnung von Kerbformzahlen abgeleitet.

Modeling variations and recommendations for the evaluation of structural and notch stresses based on finite element simulations.
Structural durability analyses become increasingly important when using high strength structural steels in crane- and bridge construction. While the numerical based assessment of the fatigue behavior is established in the offshore-sector, finite element computations for the derivation of structural and notch stresses are rarely used in civil engineering and in crane construction. Nominal stress concepts with a variety of notch details are dominating here until now. However, in the meantime common computer systems exhibit acceptable capabilities that allow for the simulation of the most complex geometries with reasonable efforts. Two simple examples (butt joint, longitudinal attachment) will demonstrate the essential requirements of the FE-model and the relevant model parameters by taking the IIW-recommendations in consideration. In particular, meshing details and element specifications are addressed. Furthermore, approximation formulas derived from parametric studies have been developed for the estimation of notch stress concentration factors for welded butt joints.