Untersuchungen zum Mittelspannungseinfluss auf die Ermüdungsfestigkeit von geschweißten Hohlprofilknoten

Bei der Bemessung zyklisch belasteter, geschweißter Hohlprofilkonstruktionen wird aufgrund der geringen Ermüdungsfestigkeit der Ermüdungsnachweis oft maßgebend. Ein positiver Einfluss aus Druckspannungsanteilen der Spannungsschwingbreite wird bei nicht spannungsarm geglühten Konstruktionen in den Regelwerken meist vernachlässigt, da von hohen Zugeigenspannungen am Schweißnahtübergang ausgegangen wird. Ermüdungsversuche an im Schweißzustand belassenen, bauteilähnlichen Probekörpern zeigen allerdings auch einen nicht zu vernachlässigenden Mittelspannungseinfluss. Um den Effekt der Mittelspannung auf das Ermüdungsverhalten von geschweißten Hohlprofilknoten systematisch zu untersuchen, wurden im Rahmen des Forschungsprojekts P 1603 am Institut für Bau‐ und Materialforschung der Hochschule München 152 Ermüdungsversuche an bauteilähnlichen Hohlprofil‐X‐Knoten mit hohen Schweißeigen‐ und Einbauspannungen durchgeführt. Dabei wurden verschiedene Wandstärken, Geometrieparameter, Werkstoffe und Mittelspannungsniveaus – von   =  0,5 (hohe Zugmittelspannung) bis hin zu druckschwellenden Lasten – untersucht. Aus den experimentellen Daten wurde in Verbindung mit ergänzenden Untersuchungen wie Dehungsmessungen, Eigenspannungsmessungen und numerischen Simulationen ein Bemessungsvorschlag zur Berücksichtigung des Mittelspannungseinflusses formuliert. Durch die vorgeschlagene Mittelspannungskorrektur können die Wirtschaftlichkeit und die Ressourceneffizienz von ermüdungsbelasteten Hohlprofilkonstruktionen erhöht werden.

In the assessment of cyclically loaded welded tubular joints like vehicle frames or bridges the fatigue verification often becomes decisive due to the low fatigue strength. Current design codes do not consider the positive effect of compressive parts of the stress range on the fatigue strength of structures in as‐welded condition. This is based on the assumption of high tensile residual stresses at the weld toe. However, fatigue tests show a non‐negligible mean stress effect in as‐welded component tests. To systematically investigate this effect, the Institute for Building and Material Research conducted within the P 1603 research project 152 fatigue tests on component‐like tubular X‐joints in as‐welded condition with high residual welding and clamping stresses. Different wall thicknesses, steel grades, chord‐to‐brace ratios, and four different mean stress levels – from   =  0.5 to fully compressive stress ranges – were investigated. On the basis of experimental data and additional investigations like strain gauge measurements, residual stress measurements and numerical simulations, a design recommendation was developed enabling the consideration of the mean stress effect in fatigue design and thus increase the economic and resource efficiency of welded tubular structures.