Stoffschlüssige Verbindungen - n.ethz.chn.ethz.ch/~webemarc/download/4. semester/Dimensionieren II... ·

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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