Kerbfallkombinationsmodell zur Berücksichtigung von Schweißnahtimperfektionen beim Ermüdungsnachweis

Fertigungsbedingte Imperfektionen treten in jeder Schweißnaht auf, die insbesondere in ermüdungsbeanspruchten Stahlkonstruktionen, wie z. B. Stahlbrücken, eine große Rolle spielen. Denn diese Schweißnahtimperfektionen beeinflussen die Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindung. Die Verknüpfung der Ermüdungsfestigkeitswerte mit dem Qualitätsniveau der Schweißverbindungen ist jedoch bisher nur unzureichend geschehen. Die Größen tolerierbarer Schweißnahtimperfektionen sind zwar gemäß DIN EN 1090‐2, DIN EN 1993‐1‐9 und DIN EN ISO 5817 vorgegeben, doch sie wurden ohne wissenschaftlichen Hintergrund festgelegt. Die wahren Grenzwerte sind unbekannt. Dies bot den Anlass, eine Methode zu entwickeln, mit der Kerbfälle abhängig von der Größe der Schweißnahtimperfektionen bestimmt werden können. Auf Basis von Ermüdungsversuchen geschweißter Details des Kreuzstoßes und der Quersteife mit Imperfektionen wurden numerische Untersuchungen mithilfe der Finite‐Elemente‐Methode und lokaler Ermüdungskonzepte durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Berechnungen liefern einen quantitativen Zusammenhang zwischen Ermüdungsfestigkeit und Größe einzelner Schweißnahtimperfektionen. Zusätzlich wurde das Kerbfallkombinationsmodell entwickelt, mit dem mehrere Imperfektionen auf probabilistische Weise im Kerbfall effizient berücksichtigt werden können. Da bei Anwendung des vorgestellten Verfahrens zeitaufwendige Überarbeitungen von Schweißnähten in Zukunft entfallen können, wird das Nachweiskonzept für ausreichende Sicherheit gegen Ermüdungsversagen hinsichtlich der Kosten‐ und Ressourceneffizienz verbessert.

Fabrication‐related imperfections occur in every weld, and these play a particularly important role in steel structures subject to fatigue loading. These weld imperfections influence the fatigue strength of the welded joint. However, the link between the fatigue strength values and the quality level of the welded joints has so far been inadequate. The sizes of tolerable weld imperfections are specified acc. to EN 1090‐2, EN 1993‐1‐9 and EN ISO 5817, but they have been determined without scientific background. The true limit values are unknown. This provided the occasion to develop a methodology to determine FAT classes depending on the size of the weld imperfections. Based on fatigue tests of welded details of the cruciform joint and the transverse stiffener with imperfections, numerical investigations were carried out using the finite element method and local fatigue concepts. The results of these calculations provide a quantitative relationship between fatigue strength and size of individual weld imperfections. In addition, the fatigue class combination model was developed in a probabilistic way to efficiently account for multiple imperfections in the FAT class. Since time‐consuming rework of welds can be eliminated in the future when the presented method is applied, the verification concept for sufficient safety against fatigue failure is improved in terms of cost and resource efficiency.