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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
6.2- Regelwerke
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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
Allgemeine Regelwerke ohne Bezug zu Branchenanwendungen für ungeschweißte
Strukturen
- DIN 743 1 - 4 Tragfähigkeit von Achsen und Wellen
Allgemeine Regelwerke ohne Bezug zu Branchenanwendungen für ungeschweißte
und geschweißte Strukturen
- FKM 183 Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile
Branchenbezogene Regelwerke für ungeschweißte und geschweißte Strukturen
- DIN EN 13445 1 - 6 Unbefeuerte Druckbehälter aus Stahl
- KTA 3201.2 Komponenten des Primärkreises von Leichtwasserreaktoren,
Teil 2 Auslegung, Konstruktion und Berechnung
Allgemeine Regelwerke ohne Bezug zu Branchenanwendungen für geschweißte
Strukturen
- IIW Recommendations IIW Document Dok. IIW-1823-07 (12/2008)
Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and
Components
- DIN EN 1993 (Eurocode EC3 Stahl, Rohrleitungen, Silos, Tanks,
Kranbahnen, Brücken, Türme, Masten, Stahlhochbauten)
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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
spezielle Regelwerke und Richtlinien (weitere Auswahl ohne Anspruch auf
Vollständigkeit)
- DIN 18 800 ( Stahlbau )
- DIN EN 13001 1 - 5 ( Krane ) ersetzt DIN 15018
- AD 2002 ( Druckbehälter TÜV )
- DS 804 ( Eisenbahnbrücken )
- DS 952 ( Eisenbahnfahrzeuge ) Güteanforderungen nach DIN 6700
- BS 7608 ( Stahlbau, GB )
- BS 5400 ( Brückenbau, GB )
- BS 8118 ( Behälterbau, GB )
- GL ( Germanischer Lloyd, Schiffbau )
- ASME ( Behälterbau, div. Codes USA )
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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
Anwendung
- überwiegend HCF - Bereich ( ≥ 104 Lastwechsel )
Softwareunterstützung
- FKM 183 durch - AutoFENA 3D ( ihf: teilweise integriert in ANSYS Workbench )
- RiFest Plus ( IMA: Auswertungshilfe für je einen Nachweispunkt )
- Kisssoft ( Kisssoft: Auswertungshilfe für je einen Nachweispunkt )
- MDesign ( Tedata: Auswertungshilfe für je einen Nachweispunkt )
- DIN 743 - Kisssoft ( Kisssoft: Auswertungshilfe für je einen Nachweispunkt )
- MDesign ( Tedata: Auswertungshilfe für je einen Nachweispunkt )
Weitere Softwareunterstützung für andere Regelwerke nicht vorhanden bzw.
bekannt!
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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
LCF – Nachweise ( ≤ 104 Lastwechsel )
- in Regelwerken größtenteils nicht enthalten außer:
- DIN EN 13445 1 - 6 mit fiktiven Spannungen bei linear - elastischer FE-Rechnung
- KTA 3201.2 mit fiktiven Spannungen bei linear - elastischer FE-Rechnung
- beide Regelwerke sind branchenbezogen
Software für Betriebsfestigkeitsnachweise unabhängig von Regelwerken nach Stand der
Technik
- DesignLife ( HBM/nCode: weitgehend integriert in ANSYS Workbench, umfangreiche Module )
- FEMFAT ( ECS: Datenaustausch mit FE-Software möglich über ASCII,
umfangreiche Module; HCF-orientiert )
- FAT4FEM ( Safe-FEM: Datenaustausch mit FE-Software möglich über ASCII,
Leistungsumfang gegenüber DesignLife und FEMFAT deutlich
geringer )
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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
Einflussgrößen
- K2F statische Stützwirkung ( plastischer Stützfaktor )
- K1(deff) technologischer Größenfaktor
- K2(d) geometrischer Größenfaktor ( ungekerbte Rundprobe )
- K3(d) geometrischer Größenfaktor ( Kerbwirkungszahl )
Anwendungsbereich
- Nachweis gegen Dauerbruch ( Betriebsfestigkeit ) und bleibende Verformung
- geeignet für stabförmige Bauteile aus Stahl ( ungeschweißt )
- konstante ( ggfls. auch veränderliche ) Amplituden
- Zug / Druck, Biegung, Torsion im Wechsel- oder Schwellbereich
- Temperaturbereich - 40 °C bis 150 °C
- keine Unterscheidung zwischen Umlauf- und Flachbiegung
- korrosionsfreie Umgebungsmedien
- Grenzlastspielzahl NG = 107
E DIN 743 Okt. 2008: Anwendungsbereich und Einflußgrößen
Nachweis Betriebsfestigkeit:
- Kollektivanteile rechts von ND
werden nicht berücksichtigt
( Miner - erweitert )
- Berechnung schädigungs-
äquivalenter Spannungs-
amplitude
Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
E DIN 743 Okt. 2008: Einflussgrößen und Überlastungsfälle
Einflussgrößen
- KF, KF Oberflächeneinfluss
- αK Formzahl
- β, β Kerbwirkungszahl
- KV Randschichtverfestigung
- G‘ Bezogenes Spannungsgefälle
- K, K Mittelspannungsempfindlichkeit
- F Erhöhungsfaktor Fließgrenze
Überlastungsfälle
- F1 Mittelspannung konstant, Amplitude steigt an
- F2 Mittelspannung und Amplitude steigen proportional zueinander an
Mindestsicherheitsfaktor
- Smin Smin = 1,2, aktuelle Sicherheitsfaktoren nach Erfahrung des Anwenders
σADKF1 dauerfeste Amplitude
für Überlastfall 1
σADKF2 dauerfeste Amplitude
für Überlastfall 2
σmv, σa Betriebspunkt
Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
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E DIN 743 Okt. 2008:
Dauerfestigkeitsschaubild
Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
Anwendungsbereich
- Maschinenbau und verwandte Bereiche der Industrie
- rechnerischer Nachweis der statischen Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit
- geeignet für Bauteile aus Walz- und Schmiedestahl, auch nichtrostend
- Gußeisen und Aluminiumwerkstoffe
- Bauteile mit und ohne spanabhebende Bearbeitung, auch geschweißt
- Einstufen- oder Kollektivbeanspruchung
- Temperaturbereich - 40 °C bis 500 °C
- korrosionsfreie Umgebungsmedien
statischer Festigkeitsnachweis
Ermüdungsfestigkeitsnachweis
- Dauerfestigkeitsnachweis
- Betriebsfestigkeitsnachweis
- Festigkeitsnachweis mit experimentell bestimmten Bauteilfestigkeitswerten
FKM – Richtlinie Bericht 183: Festigkeitsnachweise
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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
Nennspannungskonzept
Konzept mit örtlichen Spannungen ( linear – elastisch )
Nachweis für mehrachsige Spannungen: Spannungsdifferenzierung nach
- proportional
- synchron ( Amplituden proportional, Mittelspannungen nicht proportional )
- nicht proportional ( Amplituden weder synchron noch proportional, Mittelspannungen
nicht proportional )
FKM – Richtlinie Bericht 183: Spannungsermittlung
- Nenn – Biegespannung Sb - örtliche Biegespannung bn
- Nenn – Schubspannung Tt - örtliche Schubspannung tn
- Formzahl Kt - Kerbwirkungszahl Kf
verwendete Bezeichnungen in Anlehnung an anglo-amerikanische Bezeichnungen
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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
FKM – Richtlinie Bericht 183: Statischer Festigkeitsnachweis
Vermeidung von Dehnungen Formdehngrenze
Werkstoff
- technologischer Größenfaktor Kd,p , Kd,m
- Anisotropiefaktor KA
- Temperaturfaktor KT,p , KT,m
Konstruktion
- Einfluss konstruktiver Gestaltung KSK
- Schweißnahtfaktor W
- Graugussfaktor, nichtlin. - Verhalten von GG
bei Zug / Druck oder Biegung ( örtl. Spannungen ) KNL,E
- plastische Stützzahl npl
Sicherheit ( Fließen ) jp 1,5 ( Stahl ) jm 2,1 ( Guß )
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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
FKM – Richtlinie Bericht 183: Betriebsfestigkeitsnachweis
Faktorielle Modifikation der Wechselfestigkeit des Werkstoffs
Werkstoff - technologischer Größenfaktor Kd,p , Kd,m
- Anisotropiefaktor KA
- Temperaturfaktor KT,p , KT,m
Konstruktion - Kerbwirkungszahl Kt
- Stützzahl n
- Oberflächenrauhigkeitsfaktor für Rz KR
- Randschichtfaktor / Schutzschichtfaktor KV / KS
- Graugussfaktor KNL,E
Sicherheit Schwingfestigkeit jD ≈ 1,5 (Stahl)
Dauerfestigkeit - Mittelspannungsfaktor KAK
- Mittelspannungsempfindlichkeit M
Betriebsfestigkeit - Zyklenzahl Nquer
- Kollektivform (Völligkeitsmaß) V
- Minersumme DM
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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
Klassierverfahren: Rainflowzählung empfohlen
Spannungskollektive
- experimentell ermittelt
- Normkollektiv
- Beanspruchungsgruppen
- Äquivalentspannungsamplitude
FKM – Richtlinie Bericht 183: Betriebsfestigkeitsnachweis
Bauteilwöhlerlinie k, NDI,II
Schadensakkumulation
- Betriebsfestigkeitsfaktor KBK
- Miner konsequent
- Miner elementar
- Minersumme Stahl, Al, GS ( ungeschweißt / geschweißt ) 0,3 / 0,5
GGG, GT, GG 1,0
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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
FKM – Richtlinie 183: Beschreibung von Lastkollektiven
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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
FKM – Richtlinie Bericht 183: Festigkeitsnachweis mit experimentell bestimmten
Bauteilfestigkeitswerten; Berücksichtigung statistischer Eigenschaften
- Bauteil – Dauerfestigkeit mit
- Treppenstufenverfahren
- Abgrenzungsverfahren o.ä.
- Bauteil – Zeitfestigkeit mit
- einem Lasthorizont: k, ND aus Ri.
- zwei Lasthorizonten: ND aus Ri.
- Bauteil – Betriebsfestigkeit s. Bauteil - Zeitfestigkeit: ND durch Ngef. ersetzen
- Prüfung auf Bauteil – Zeit – oder Betriebsfestigkeit mit erhöhten Lasten zur
Prüfzeitverringerung
- Überlebenswahrscheinlichkeit PÜ = 97,5 %
- Festigkeitsnachweis nach FKM – Richtlinie Bericht 183 für Wellen z.B. mit
Rechenprogramm WELLE des IMA Dresden möglich. Für flächenförmige oder
kompakte Bauteile wird vom IMA Dresden das Rechenprogramm RIFESTplus
angeboten.
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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
FKM – Richtlinie 183: Ablauf des Ermüdungsfestigkeitsnachweises und modifiziertes
Dauerfestigkeitsschaubild
Mittelspannungsabhängigkeit
FKM 183
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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
Vereinfachte Berechnung der Ermüdungslebensdauer
- linearelastische Berechnung ( pseudoelastische Spannungsschwingbreite )
- ferritische und austenitische Stähle
- Bauteile außerhalb Fließbereich betrieben
- Minersumme Dkrit = 1
- Kennzeichnung kritischer Bereiche f(D)
Ausführliche Berechnung der Ermüdungslebensdauer
- Verwendung von Kerbspannungen bzw. alternativ Strukturspannungen
- Auswertung von Druckschwankungen nach Rainflow-Verfahren
- ferritische ( δ ≤ 380 °C ) und austenitische Stähle ( δ ≤ 500 °C )
- Mittelspannungskorrektur bei ungeschweißten Bauteilen für N ≥ 2•106 Zyklen
- Minersumme Dkrit = 1
- Kennzeichnung kritischer Bereiche f(D)
- Ermüdungslebensdauer für Schraubenverbindungen
Kennzeichnung kritischer Bereiche für beide
Berechnungsmethoden nach:
Dmax = 0,8 für 500 < neq ≤ 5000 neq Anzahl Druckzyklen über
Dmax = 0,5 für 1000 < neq ≤ 10000 volle Schwingbreite, verur-
Dmax = 0,3 für neq > 10000 sacht gleiche Schädigung
wie nkoll Zyklen über Δpkoll.
DIN EN 13445 - 3
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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
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Klassifizierung von
Schweißverbindungen
Berechnungsermüdungskurven
für vereinfachte BerechnungUW: ungeschweißter Werkstoff
DIN EN 13445 - 3
Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
Verlauf Ermüdungskurve
für geschweißte Bauteile
bei veränderlicher
Amplitudenbelastung
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Berechnungsermüdungskurven für geschweißte Bauteile
bei ausführlicher Berechnung1 veränderliche Amplitudenbelastung 2 konstante Amplitudenbelastung
ΔσD bei ND = 5 • 106
Δσcut bei Ncut = 108
DIN EN 13445 - 3
Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
Ermüdungskurven für ungeschweißte Probestäbe aus ferritischen und
austenitischen Schmiede- und Walzstählen ( R= -1, d.h. keine Mittelspannung ) bei
ausführlicher Berechnung
DIN EN 13445 - 3
Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
Berechnungsansätze
- Nennspannungsnachweis
- Strukturspannungsnachweis
- Kerbspannungsnachweis
- bruchmechanischer Sicherheitsnachweis
Gültigkeitsbereich
- geschweißte Bauteile aus ferritisch-perlitischem oder vergütetem Baustahl
mit Streckgrenze Rp0,2 = fy 960 MPa, oder schweißbaren Al-Legierungen
nicht gültig, falls
- Kurzzeitermüdung mit Nennspannungsschwingbreite Δσnom > 1,5 • fy oder
- Betriebstemperatur Kriechen erwarten lässt
Schwingfestigkeitsnachweis nicht erforderlich, falls maximale
Nennspannungsschwingbreite
- Stahl ΔσS,d 36 [ MPa ] / γm mit Teil-Sicherheitsfaktor für
- Aluminium ΔσS,d 12 [ MPa ] / γm Ermüdungswiderstand γm nach Regelwerken
Schwingfestigkeitsnachweis nach IIW-Empfehlungen IIW Dok. IIW-1823-07 (12/2008)
Gültigkeitsbereich und Grenzen
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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
ergänzende Festlegungen
- Minersumme D = 0,5, wenn eine Schwingfestigkeitsklasse von FAT 36 für
Stahl oder FAT 14 für Aluminium auf eine Lebensdauer > 5 • 106 Schwingspiele
führt.
Schwingfestigkeitsnachweis ebenfalls nicht erforderlich,
- falls für konstruktives Detail Dauerschwingfestigkeit ΔσR.L angegeben und alle
Schwingbreiten ΔσS,d :
ΔσS,d ΔσR.L / γm
mit Teil-Sicherheitsfaktor für Ermüdungswiderstand γm nach Regelwerken
- an Rissen, falls alle Bemessungswerte der Spannungsintensitätsschwingbreite unter
dem Bemessungswert ( bruchmechanische Dauerfestigkeit ) ΔKth der Rissausbreitung
liegen:
ΔKS,d ΔKth / γm Stahl ΔKth = 2,0 MPa • m1/2
Aluminium ΔKth = 0,7 MPa • m1/2
Schwingfestigkeitsnachweis nach IIW-Empfehlungen IIW Dok. IIW-1823-07 (12/2008)
Bedarf einer Schwingfestigkeitsbewertung
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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
Wöhlerkurven für Normalspannungen (Stahl), IW Dok. IIW-1823-07 (12/2008)
seit update 04-2006
Belastung durch konstante Amplituden
High-Cycle-Anwendung m = 3 bzw. m = 22Standardanwendung m = 3
Normzahlreihe R20
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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
Ermüdungswiderstand konstruktiver Details ( Auszug )
IIW-Empfehlungen IIW Dok. IIW-1823-07 (12/2008)
Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
Wöhlerkurven für Normalspannungen (Stahl), IIW Dok. IIW-1823-07 (12/2008)
variable Amplituden (Schadensakkumulation nach Miner modifiziert seit update 04-2006
Zeitfestigkeit HCF: m1 = 3
variable Amplitude VHCF m2 = 2m1-1 = 5
(konstante Amplitude VHCF m2 = 22)
m1 = 3
m2 = 5
Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
Überblick über aktuelle Regelwerke im Bereich Schwingfestigkeit, Teil 1
Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
Überblick über aktuelle Regelwerke im Bereich Schwingfestigkeit, Teil 2
Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
Überblick über aktuelle Regelwerke im Bereich Schwingfestigkeit, Teil 3
Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
Überblick über aktuelle Regelwerke im Bereich Schwingfestigkeit, Teil 4
Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
Überblick über Software zum Ermüdungsfestigkeitsnachweis
mit FEM-Anbindung ohne FEM-Anbindung spezielle Anwendungen
ENDUREEMRC, Wölfel Techn. Programme
ÖK, RK
ERAAS-FATIGUEProf. Kosteas, TU München
NK
FENAProf. Wünsch, Uni Duisburg
Dauerfestigkeitsnachweis
FALIXLBF, Teknon, Darmstadt
NK, ÖK, RK, Expertensystem-Shell
FILIPPProf. Seeger, TH Darmstadt
ÖK
WELLE / RIFEST+IMA, Dresden
Festigkeitsberechnung FKM-Richtlinie 183
FALANCSLMS, Leonberg
ÖK, NK
LEBEN2000Ing. Büro Sigwart, TU Clausthal
NK
WOLIN (LELIN / RAINC)GTWD
Synthetische Wöhlerlinien
FEMFATECS Engineering Center Steyr GmbH
Mischkonzept, TMF
LIFECarl Schenk AG, Darmstadt
NK integriert in Prüfstandssteuerung LABSITE
MDesignTEDATA, Bochum
Auslegung von Maschinenelementen
NCODE, Ansys DesignLifeHBM
NK, ÖK, RK
kein EigennameMTS Systems GmbH, Berlin
ÖK integirert in Prüfstandssteuerung RPCIII
PROBATDVO, Oberhausen
Festigkeitsberechnung von Behältern
AutoFENA 3DIng. Büro Huss & Feickert, Liederbach
FKM 183
FASTAN / FASTAN2LBF, Teknon, Darmstadt
KISSsoftKissling, Zürich
Auslegung von Maschinenelementen
FE-SAFESafe technology ltd.
NK, ÖK, TMF
WINLIFESteinbeis TZ Verkehrstechnik Ulm
NK, ÖK
NK: Nennspannungskonzept
ÖK: Örtliches Konzept RK: Rissfortschrittskonzept
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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software
Allgemeine Kontakte:
Testumgebungen:
- SyncoTec (Prüfung und Testen von Bauteilen)
- LBF (Fraunhoferinstitut fürBetriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit)
-Steinbeis-Transferzentrum Bauteilfestigkeit und –sicherheit, Werkstoff- und Fügetechnik an
der Hochschule Esslingen
Tagungen:
- DVM (Deutscher Verband für Materialforschung und Prüfung e.V.)
- Anwendungstreffen der Softwarefirmen (z.B. CADFEM User Meeting, Kisssoft)
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