Beschreibung
P 1195 – Zur Berücksichtigung von Reihenfolgeeffekten bei der Lebensdauerabschätzung von Hohlprofilkonstruktionen
Die Verwendung von Hohlprofilen zur Ausbildung von Leichtbaukonstruktionen ist in den gängigen stahlverarbeitenden Branchen wie dem Kran-, Nutzfahrzeug-, Stahlbrückenund Landmaschinenbau weit verbreitet. Die Hohlprofile werden dabei vorwiegend als Fachwerk- oder Rahmenkonstruktion, teilweise unter Verwendung hoch- und höherfester Stähle, ausgeführt, um eine optimale Ausnutzung von Bauteil und Werkstoff zu erreichen. Jedoch unterliegen alle diese Tragkonstruktionen zyklischen veränderlichen Beanspruchungen und sind gegenüber diesen zu bemessen.
In den gängigen Normen und Richtlinien erfolgt die Bemessung hinsichtlich Werkstoffermüdung durch die Umrechnung der auftretenden variablen Spannungen auf ein schadensäquivalentes Rechteckkollektiv auf Grundlage der Palmgren-Miner-Regel. Die maximal ertragbare Schadenssumme variiert hierbei je nach angewandter Norm oder Bemessungsempfehlung zwischen D = 0,2 -1,0. Bei der Bestimmung der Schadenssumme werden dabei Einflussfaktoren wie die Kollektivform, der Einfluss von Überlasten, Schweißeigenspannungen und deren Abbau durch Betriebslasten sowie mögliche Reihenfolgeeffekte nur unzureichend berücksichtigt und weisen daher starke Streuungen auf, die mitunter zu unwirtschaftlichen Konstruktionen führen können. Gegenstand dieses Forschungsvorhabens war die Anwendung der linearen Schadensakkumulation anhand einer breiten Versuchsbasis zu überprüfen und Einflussfaktoren wie die Kollektivform, den Eigenspannungsabbau, das Auftreten von Überlasten sowie mögliche Reihenfolgeeffekte bei unterschiedlichen Betriebslastkollektiven bei Hohlprofilkonstruktionen zu berücksichtigen und anhand der Versuchsergebnisse modifizierte Bemessungsempfehlungen auf Basis bestehender Ansätze zu erarbeiten.
Hierzu wurden im Rahmen dieses Forschungsprojekts umfangreiche Untersuchungen zu typischen geschweißten Hohlprofilknoten aus dem Anwendungsbereich des Kranbaus (insgesamt 108 Probekörper unter Zugbeanspruchung) und des Nutzfahrzeugbaus (insgesamt 88 Versuche unter Biegebeanspruchung) durchgeführt. Durch die Verwendung unterschiedlicher Profiltypen (KHP und QHP), Abmessungsverhältnisse, Kollektive (p(1/3)-Kollektiv, q-Kollektiv entsprechend FOSTA P 778, High-Low, Low-High, und weitere), Versuchsdurchführung (Block- und Randomzeitfolgen), Werkstoffgüten und Fertigungsbedingungen (hand- und automatengeschweißt) konnte eine umfassende experimentelle Datenbasis und umfangreiche Erkenntnisse über die Einflussfaktoren auf die Lebensdauer gewonnen werden. Außerdem wurde durch ergänzende Eigenspannungsmessungen die Eigenspannungsänderungen unter Belastung analysiert. Numerische Simulationen liefern Spannungskonzentrationsfaktoren für das Struktur- und Kerbspannungskonzept.
Die gewonnen Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden:
Die Kollektivform sowie die Belastungsreihenfolge haben einen deutlichen Einfluss auf die Lebensdauer gezeigt. Je größer die Kollektivvölligkeit, umso kürzer ist die Lebensdauer. Ähnliches zeigen die Ergebnisse auch bei der Belastungsreihenfolge. Randomversuche führen in Abhängigkeit der Kollektivvölligkeit zu kürzeren Lebensdauern. Auch Überlasten beeinflussen die Lebensdauer. Drucküberlasten führen dabei zu einer deutlichen Verkürzung der Lebensdauer. Zugüberlasten hingen haben nur geringen Einfluss auf die Lebensdauer. Dieser Einfluss ist aber auch von der Höhe des Überlastfaktors abhängig.
Bei der Bewertung der Versuche mit der Schadensakkumulationshypothese wurden die minimal auftretenden Schadenssummen nach Miner-elementar im Rahmen des Forschungsvorhabens mit effektiven Schadenssummen aus Regelwerken verglichen. In allen Fällen erfasst eine effektive Schadenssumme von Deff = 0; 2 eine sichere Bemessung In den meisten Fällen, speziell bei den Blockversuchen mit sehr hohen Schadenssummen, kann die Auslegung mit einer effektiven Schadenssumme von Deff = 0; 2 allerdings sehr konservativ sein und erhebliches Leichtbaupotenzial verschenken. Dies gilt es zu vermeiden. Sind möglichst viele Informationen über die auftretenden Lastfolgen bekannt können mitunter effektive Schadenssummen Deff > 1; 0 verwendet werden. Betrachtet man die Schadenssummen im Mittel führt in vielen Fällen eine Auslegung mit Deff = 1; 0 zu einer sicheren Bemessung.
Veröffentlichung:
2021
Autoren:
Prof. Dr.-Ing. A. Dürr, M.Eng. J. Roth, Prof. Dr.-Ing. K. Rother, M.Sc. J. Neuhäusler
