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StoffschlStoffschlssige Verbindungenssige Verbindungen
MotivationMotivation
Wir vertrauen darauf, dass Ingenieure und Ingenieurinnen zuverlssige Dimensionierungen durchfhrt haben.
In vielen Produkten unseres Lebens sind Bauteile verschweisst und bertragen grosse Krfte.
LernzieleLernziele
Die Studierenden sollen Schnittkrfte und momente in den Schweissnhten
bestimmen, Festigkeitsrechnungen (ruhend und wechselnd) an
geschweissten Konstruktionen durchfhrenknnen.
Systematik: stoffschlssige Verbindungen mit- arteigenem Zusatzwerkstoff (Schweissen)- artfremdem Zusatzwerkstoff (Lten, Kleben)
Vorschriften und NormenVorschriften und Normen
DIN 15018: Berechnung von Kranen: statische und dynamische Festigkeit DASt Richtlinie 01: Spannungsnachweis fr Feinkornbausthle StE47 und StE70, bertragung von DIN 15018 auf den allgemeinen Stahlbau
DIN 18800: Grundstze zur Dimensionierung im Stahlbau, statische Belastung DIN ENV 1993, Eurocode 3: auf DIN 18800 abgestimmt, verschiedene Werkstoffe, Schweissverfahren und Nahtarten
FKM Richtlinie: Festigkeitsauslegung allgemein und fr geschweisste Konstruktionen
IIW / IIS Empfehlungen: Diemensionierung gegen Ermdung von Stahl und Alu Legierungen
Dimensionierung von geschweissten Stahlkonstruktionen gut verstanden, kaum Dimensionierung von Nichteisenmetallen
NahtgeometrieNahtgeometrie
Einteilung hinsichtlich:- Stossart: Kriterium ist die Lage der Teile zueinander: Stumpfstoss, T Stoss, berlappstoss
- Nahtart: Stumpfnhte oder Kehlnhte- Nahtform: beschreibt Geometrie der Fuge, insbesondere von deren Vorbereitung (Fgeform)
StossartStossart
NahtgeometrieNahtgeometrie
Schweissen erzeugt eine stoffschlssige VerbindungNahtformen und Symbole nach EN 22553
NahtgeometrieNahtgeometrie
Nahtformen und Symbole nach EN 22553
Wirkende BeanspruchungWirkende Beanspruchung
Wirkende Beanspruchungen:- im Schweissnahtbergangsquerschnitt- im Schweissnahtquerschnitt
ussere Belastung Schnittkrfte Fx, Fy, FzSchnittmomente Mx, My, Mz
Nahtquerschnitt: a = s bzw.a = s1s1 (dnneres Blech)
StumpfnahtStumpfnaht
- Festlegung des tragenden Querschnitts einer SchweissnahtNahtlnge / Nahtbreite
Nahtlnge: l = L 2a (Endkraterabzug) bzw.l = L mit Auslaufblech geschweisst
Bemerkung: Endkraterabzug entfllt bei Rundumnaht (l = Umfang) und Schweissnahtdicke a ist bei Stumpfnhten die kleinste Blechdicke smin
Stumpfnaht: Spannungskomponenten am Beispiel Stumpfnaht: Spannungskomponenten am Beispiel FlachstabFlachstab
A a l= xxZugFA
=
tt
yx(M )t
MW
=
y
yx(M )
y
M
W =
2
yL a
W6
=
2
za L
W6
=
Quernaht kann keine Schubspannung bertragen
yyx
F
A =
zz
x(M )z
MW
=
Schweissquerschnitt und Schnittkrfte
gilt fr dnne Profile L>>s
2
ta L
W3
=
0=AFz
xy
Stumpfnaht: Spannungskomponenten am Beispiel Stumpfnaht: Spannungskomponenten am Beispiel KreisrohrKreisrohr
( )2 2a iA d d4
=
A / 2: nur Segmente links und rechts rechnen
A / 2: nur Segmente oben und unten rechnen
( ) zx zB
MM
W =
4 4a i
Ba
d dW
32 d
=
( ) yx yB
MM
W =
2a i
md d
A4 2
+ =
t
rm
M2 A a
= siehe Bredtsche Formel
xxZug
FA
=
zzx
FA /2
=
yyx
F
A /2 =
Stumpfnaht: BeispielStumpfnaht: Beispiel
Schnittkrfte in Schweissnaht Fx= K Fy= 0 Fz= F My= - F l1 Mz= 0 Mt= T
Querschnitt
Widerstandsmoment
Widerstandsmoment
( )A a l a L 2 a ; a s= = =
6)2( 2aLaWy
=
3)2(2 aLaWt
=
Stumpfnaht: BeispielStumpfnaht: Beispiel
zzx
F FA a (L 2a)
= =
xxZug
F KA a (L 2a)
= =
21
)2(6
aLaFl
WM
y
yxb
==
)2(3
2 aLaT
WM
t
ttxy
==
Zug - Druck
Schub
Biegung
Torsion
Verschweisste ProfileVerschweisste Profile
In verschweissten Profilen knnen, falls dx/ dx 0, auch Schubspannungen in Lngsnhten auftreten
xyy
F HI (2a)
=
xyy
F H(z)I b(z)
=
H/2
Gurth/2
h H H h2 2H dA f A c2 2
+ = = =
Die rechnerische Nahthhe a einer Kehlnaht ist die Hhe des theoretischen einbeschriebenen Dreiecks dessen Spitze den Wurzelpunkt berhrt
Die Nahthhe a wird umgeklappt in die Anschlussflche
Die Mindestnahtstrke ist fr a > 3 mm:
Die maximale Strke ist (bei dicken Blechen)
Endkraterabzug fr offene Nhte.z.B. Nahtanfang und Nahtende:L = geschweisste Lnge
KehlnahtKehlnaht
[ ]mmmmsa 5.0maxmin >minmax 7.02 samm
MehrfachschweissnMehrfachschweissnhtehte
Bei Mehrfachschweissnhten in einem Querschnitt werden: Einzelflche und Gesamtflche berechnet (Endkraterabzug)
Einzelschwerpunkte und Gesamtschwerpunkte bestimmt
Flchenmomente berechnet (Steiner)
i i iA a l=
i i ii i
A A a l= =
i ii
si
i
x A
xA
=
i i
is
ii
y A
yA
=
21 1,i i i
i iI I y A= + 22 2,i i i
i iI I x A= +
Angeschweisster TrAngeschweisster Trger (Spannungskomponenten)ger (Spannungskomponenten)
Querschnitt: A = 2 a l = 2 a (L - 2 a)Widerstandsmoment (Biegung): Wy = 2 a (L-2a)2 / 6Krfte aus Torsion: T = Ft (s+a)
tT
F(s a)
=+
Spannungen des angeschweissten TrSpannungen des angeschweissten Trgersgers
Vergleichsspannung, dynamisch:
( ) ( ) ( )( )22 F 1 2
V xZug xBieg zx quer zx TorsionF
v v3
S
= + + +
xzugKA
=
( )zx querFA
=
B 1xBieg 2
y
M 3 F lW a L
= =
( ) ( ) ( )t
zx TorsionF T
A /2 a+s a L 2a = =
Dimensionierung bedarf der berechnung der Schweissnaht und der Schweissnaht-bergangsquerschnitte, d.h. der Querschnitte des ungeschweissten Bauteils
Komplexere NahtbilderKomplexere Nahtbilder
Berechnung Totalflche A (Endkraterabzug)Berechnung des FlchenschwerpunktesBerechnung Trgheitsmomente I (Steinerscher Satz)Spannungskomponentenberechnung an kritischen StellenBestimmung Ort grsster VergleichsspannungFestigkeitsnachweis
Schubspannungen infolge QuerkraftSchubspannungen infolge Querkraft
Bei schlanken Trgern l > h knnen die Schubspannungen vernachlssigt werdenBei kurzen Trgern auf Schweissnhte in Richtung der Kraft reduzieren
KreisfKreisfrmige rmige NNhtehte
Bei kreisfrmigen Nhten Segmente modellieren
( )ada2
A a +
=
xx
y
y
d a
F
( )ada2
A a +=
Dimensionierung bei statischer BeanspruchungDimensionierung bei statischer Beanspruchung
berblick Bauteile dimensionieren ussere Belastung F, M auf
Schnittkrfte der Schweissnaht reduzieren Spannungskomponenten xZug, xBiegung, xyQuer, xyTorsion
bestimmen Vergleichsspannung an verschiedenen Orten der Naht
berechnen Maximale Vergleichsspannung bestimmen Festigkeitsnachweis
Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis
NahtgtebeiwertBeanspruchungsbeiwert fr statische FestigkeitGrssenfaktor0.2 % - Dehngrenze
2.032
2.032
2.032
2.032
,pdpFtF
pdpFFsF
pdpFbF
pdpFzdF
RKvvRKvv
RKvvRKvv
====
====
Zug - Druck
BiegungSchubTorsion
Festigkeitswerte fr die Schweissnaht gegen Einzelbeanspruchungen
2.0
3
2
p
dpRKvv
Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis
Nahtgtebeiwert nach DIN 8563T3 fr Stahl
Sondergte, ganz durchstrahlt (frei von Rissen und Binde- und Wurzelfehlern und Einschlssen, alle beteiligten Schweisser gleichmssig erfasst, mind. Nahtgte blau nach IIW - Katalog
AS, AK1.0
Normalgte, stichprobenweise durchstrahlt (wenig Poren und Schlackeneinschlsse)
BS, BK0.9
SichtprfungCS, CK0.8-0.5
Anforderungen an Ausfhrung und KontrolleBewertungsgrup-pe Stahl nach DIN 8563T3
v2
Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis
Beanspruchungsbeiwert fr statische Festigkeit
0.650.8alleKehl0.650.8Torsion1.01.0Biegung1.01.0Druck1.01.0ZugStumpfAluStahl v3v3BeanspruchungsartNahtform
Grssenfaktor nach folgenden TabellendpK
Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis
Grssenfaktor und bei Fliessen nach folgenden TabellendpK dmK
Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis
Grssenfaktor und bei Fliessen nach folgenden TabellendpK dmK
Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis
Grssenfaktor und bei Fliessen nach folgenden TabellendpK dmK
Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis
Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis
Sicherheit gegen Fliessen fr gut verformbare Sthle SFmin = (1.2),...,1.7,..., 2.0Hochfeste Sthle, schlechter verformbar als S355Erhhung der Sicherheiten um Faktor 1.1 bis 1.2
1
1
1
1
>=
>=
>=
>=
t
tFtF
s
sFsF
b
bFbF
zd
zdFzdF
S
S
S
S
Zug - Druck
Biegung
