Querbelastete Stumpfstöße als kritisches Kerbdetail bei Stahlrohrtürmen und Monopiles - Einfluss der geometrischen Kerbwirkung auf die Ermüdungsfestigkeit

Immer größere Abmessungen stellen die gesamte Wertschöpfungskette der Windindustrie vor große Herausforderungen. Eine effiziente Fertigung wird für die Unternehmen immer wichtiger, um dem steigenden Kostendruck standzuhalten und auch auf dem internationalen Markt konkurrenzfähig zu bleiben. Im schweren Stahlbau ist das Schweißen die am weitesten verbreitete Fügetechnik. Durch den Einsatz neuartiger Hochleistungsfügeverfahren sollen zukünftig die Lagenanzahl und die Durchlaufzeit in der Fertigung verringert werden. Für diese alternativen Verbindungen ist nachzuweisen, dass die mechanisch-technologischen Nahteigenschaften vergleichbar oder sogar besser sind. In diesem Beitrag liegt der Fokus insbesondere auf einer Beurteilung der Ermüdungsfestigkeit. Dabei werden sowohl konventionell Unterpulver (UP)-geschweißte Stumpfstöße als auch Verbindungen, gefügt mit einer Verfahrenskombination aus UP- und Elektronenstrahlschweißen an Atmosphäre, experimentell und analytisch untersucht. Motiviert durch die Frage nach einer optimierten Ermüdungsbemessung mit Berücksichtigung lokaler Nahteigenschaften wurde die Nahtgeometrie aller Schwingproben zunächst vermessen. Um eine allgemeine Vergleichbarkeit dieser Messungen zu gewährleisten, werden Standards für diese Messaufgabe und die anschließende Aufbereitung der Daten vorgeschlagen. Die gemessenen Profile wurden in FE-Modelle überführt und elastische Kerbfaktoren ermittelt. Bei ausreichender Profilanzahl entlang der Naht kann der spätere Anrissort eindeutig prognostiziert werden. Die statistische Auswertung der Kerbfaktoren in Kombination mit den Schwingversuchen zeigt abschließend einen direkten Zusammenhang zwischen geometrischer Kerbwirkung und Lebensdauer.

Transverse butt welds as fatigue critical detail of steel towers and monopiles - Influence of the geometrical notch effect on the fatigue resistance.
The large dimensions of wind turbines and their components become more and more challenging for the entire supply chain in the wind industry. An efficient manufacturing of components is of an increasing importance in order to withstand the cost pressure and to be competitive on the international market. Welding is the most common joining technique in heavy steel construction. Newly developed high-performance welding techniques may contribute to reduce the number of weld passes and by this the manufacturing time. These alternative welds have to show comparable or even better mechanical-technological properties than the conventionally welded seams. This paper mainly focuses on the evaluation of the fatigue resistance. Samples welded by a newly developed combination of nonvacuum electron beam and submerged arc welding are numerically and experimentally checked against conventionally submerged arc welded samples. Motivated by the question of an optimized fatigue design process as part of a serial production process for tubular tower and monopile, the weld geometry was measured. In order to ensure a wide comparability, measurement standards regarding accuracy and data processing were defined. The measured weld profiles were prepared for FE-simulations of the theoretical notch factor Kt. It is possible to predict the fatigue critical weld transition by means of the maximum Kt. Combining the test results with the statistical evaluation of the notch factors, a definite correlation between fatigue life and geometrical notch effect can be shown.