Diplomarbeit - Kehlnähte - TGL - DIN - EC

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A

Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis ........................................................................................................3 II Tabellenverzeichnis ............................................................................................................4 III Abkürzungsverzeichnis .....................................................................................................4 IV Hinweise zu den Flussdiagrammen .................................................................................5 0 Einleitung ........................................................................................................................6 1 Allgemeines zur Kehlnaht..............................................................................................8

1.1 Aufbau, Formen und Anordnung ..................................................................................8

1.2 Kraftlinien, Spannungsverteilung und Kräftefluss.......................................................10

1.3 Beanspruchungen einer Kehlnaht ..............................................................................12

1.4 Bezeichnung und Beschriftung...................................................................................14

2 Normenentwicklung von der TGL zum EC.................................................................18 3 Bemessungskonzept nach ZIS - Mitteilungen ...........................................................28 4 Bemessungskonzept für Mismatch - Verbindungen.................................................33 5 Darstellung von Kehlnahtbemessungskonzepten ....................................................38

5.1 Kehlnahtbemessung nach TGL, DIN und EC............................................................38

5.1.1 TGL 13500 / 01 ...............................................................................................39 5.1.2 DIN 18800 Teil 1 .............................................................................................42 5.1.3 EC 3 Teil 1-1 ...................................................................................................45 5.1.4 EC 3 Teil 1-1- Anhang M.................................................................................47 5.1.5 Gegenüberstellung der Ergebnisse und Bewertung der verwendeten

Bemessungskonzepte.....................................................................................49

5.2 Kehlnahtbemessung nach dem Konzept für Mismatch - Verbindung und nach ZIS - Mitteilungen .......................................................................................................52

5.2.1 Bemessungskonzept nach ZIS - Mitteilungen.................................................53 5.2.2 Bemessungskonzept für Mismatch - Verbindungen........................................58 5.2.3 Gegenüberstellung der Ergebnisse und Bewertung der verwendeten

Bemessungskonzepte.....................................................................................65

5.3 Gegenüberstellung aller Ergebnisse der vorgestellten Bemessungskonzepte ..........68

6 Programm zur Kehlnahtbemessung nach ZIS-Richtlinien .......................................70

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Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A 7 Versuchstechnischer Hintergrund und Auswertung zum Korrelationsfaktor βw bei der Kehlnahtbemessung .......................................................................................76

7.1 Zugversuch.................................................................................................................76

7.1.1 Allgemeines zum Zugversuch ........................................................................76 7.1.2 Prüfstücke für Kehlnahtprüfung.......................................................................79 7.1.3 Anordnung von Messtechnik am Prüfstück.....................................................81

7.2 Versuche der Background Documentations des EC 3 ...............................................82

7.2.1 Versuchsanordnung ........................................................................................82 7.2.2 Versuchsdurchführung und Aufzeichnung ......................................................85

7.3 Statistische Herleitung des Korrelationsfaktor βw .......................................................87

8 Zusammenfassung und Ausblick ...............................................................................91 9 Literaturverzeichnis .....................................................................................................93 Anhang..................................................................................................................................96

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I Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 - Kehlnahtaufbau [3] ............................................................................................................ 8 Abbildung 2 - Arten der Kehlnaht [4] ....................................................................................................... 8 Abbildung 3 - Kehlnahtformen [3]............................................................................................................ 8 Abbildung 4 - Anordnung der Kehlnaht am Bauteil [2] ............................................................................ 9 Abbildung 5 - Kraftfluss der a) Stirnkehlnaht, b) Flankenkehlnaht [2] ................................................... 10 Abbildung 6 - Kraftlinienverlauf und Spannungsverteilung einer Doppelkehlnaht [5] ........................... 11 Abbildung 7 - Kraftlinienverlauf und Spannungsverteilung bei einseitigen Kehlnähten [5]................... 11 Abbildung 8 - innere Schweißnahtspannungen [10] ............................................................................. 12 Abbildung 9 - Spannungskomponenten infolge äußerer Lasten [9] ...................................................... 12 Abbildung 10 - Spannungskomponenten an einer Stirn - und Flankenkehlnaht [13]........................... 13 Abbildung 11 - Spannungskomponenten an einem T - Stoß mit Doppelkehlnaht [13] ......................... 13 Abbildung 12 - Reihenfolge der Schweißnahtangaben nach DIN - und DIN EN -Vorschriften [5, l]..... 14 Abbildung 13 - Pfeifliniendarstellung [l] ................................................................................................. 15 Abbildung 14 - Grundsymbol für Kehlnaht nach TGL 14904 Bl.3 und DIN EN 22553 [4...................... 15 Abbildung 15 - Zusatzsymbole nach TGL 14904 und DIN EN 22553 [4].............................................. 15 Abbildung 16 - Bezeichnung der Kehlnaht l] ......................................................................................... 16 Abbildung 17 - Schweißnahtpositionen [5] ............................................................................................ 16 Abbildung 18 - Beispiel zur Beschriftung einer unterbrochenen Doppelkehlnaht [6] ........................... 16 Abbildung 19 - Beispiel zur Beschriftung einer unterbrochenen versetzten Doppelkehlnaht [6] .......... 17 Abbildung 20 - Beispiel zur Beschriftung einer unterbrochenen Kehlnaht [l] ....................................... 17 Abbildung 21 - Beispiel zur Beschriftung einer unterbrochenen versetzten Doppelkehlnaht [l] ........... 17 Abbildung 22 - Ausführungsklassen nach TGL 13500 / 01 [6].............................................................. 20 Abbildung 23 - a) Stirnkehlnahtanordnung, b) Flankenkehlnahtanordnung [g]..................................... 21 Abbildung 24 - Bezugsmaße nach ZIS - Richtlinien [18]....................................................................... 29 Abbildung 25 - Geometrie und System für das vergleichende Beispiel nach TGL, DIN, EC................ 38 Abbildung 26 - Geometrie und System für das vergleichende Beispiel nach

Mismatch-Verbindungen und ZIS-Mitteilungen ............................................................................ 52 Abbildung 27 - 3D - Diagramm zu Ermittlung des Korrekturbeiwertes k1 ............................................. 70 Abbildung 28 - 3D - Diagramm zur Ermittlung des Verhältnisses a/s1.................................................. 71 Abbildung 29 - 3D - Diagramm zu Ermittlung des Korrekturbeiwertes k2 ............................................. 71 Abbildung 30 - 3D - Diagramm zur Ermittlung des Verhältnisses a/s1.................................................. 72 Abbildung 31 - Eingabeaufforderung an den Nutzer............................................................................. 74 Abbildung 32 - Beispiel für erfüllte Verhältnis- und Nachweisbedingungen.......................................... 75 Abbildung 33 - Beispiel für Erfüllung und Nichterfüllung eines Verhältnisses....................................... 75 Abbildung 34 - Kraft - Verlängerungs - Schaubild [20].......................................................................... 77 Abbildung 35 - Spannung - Dehnungs - Kurve [20] .............................................................................. 77 Abbildung 36 - wahre und scheinbare Spannung - Dehnungs - Kurve [21].......................................... 78 Abbildung 37 - verschiedene Prüfkörperausführungen - Variante 1 ..................................................... 79 Abbildung 38 - verschiedene Prüfkörperausführungen - Variante 2 ..................................................... 79 Abbildung 39 - Kehlnahtprüfstück und Probenlage [f]........................................................................... 80 Abbildung 40 - mögliche Anordnung von Messstreifen an einem Prüfstück......................................... 81 Abbildung 41 - Kehlnahtanordnung nach [g] ......................................................................................... 82 Abbildung 42 - Vergleich der experimentellen mit den theoretischen Werten [h] ................................ 85 Abbildung 43 - Vergleichsdiagramm rei - rti für Probe 11.10 [g]............................................................. 86

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II Tabellenverzeichnis Tabelle 1 - Entwicklung der Kehlnahtbemessung von der TGL bis zum EC ........................................ 19 Tabelle 2 - TSF nach TGL 13500 / 01 und TSBW nach DIN 18800 T.1 und EC 3 T.1-1 ..................... 20 Tabelle 3 - Beiwert der Grenzschweißnahtspannung - αw [b] .............................................................. 21 Tabelle 4 - Korrelationsfaktor βw [c]....................................................................................................... 21 Tabelle 5 - Vergleich der Bemessungskonzepte nach TGL, DIN und EC ............................................ 49 Tabelle 6 - Vergleich der Bemessungskonzepte nach ZIS-Mitteilungen und für

Mismatch-Verbindungen............................................................................................................... 65 Tabelle 7 - Vergleich aller vorgestellten Bemessungskonzepte - 1 ..................................................... 68 Tabelle 8 - Vergleich aller vorgestellten Bemessungskonzepte - 2 ..................................................... 68 Tabelle 9 - Grenzen zu Berechnung der Korrekturbeiwerte k1 und k2 .................................................. 73 Tabelle 10 - Grenzen zur Berechnung der Verhältnisse a1/s1 und a2/s1 .............................................. 73 Tabelle 11 - Fraktilenwert kn [h]............................................................................................................. 89 Tabelle 12 - Fraktilenwert kd,n [h]........................................................................................................... 89

III Abkürzungsverzeichnis Abb. - Abbildung AK - Ausführungsklasse bzw. - beziehungsweise EC3 - DIN EN 1993 Ggf. - gegebenenfalls GW - Grundwerkstoff Inf. - infolge k. A. - keine Angabe TSF - Teilsicherheitsfaktoren TSBW - Teilsicherheitsbeiwerte u. B. - unter Beachtung Z. - Zeile z. B. - zum Beispiel ZIS - Zentralinstitut für Schweißtechnik der DDR

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IV Hinweise zu den Flussdiagrammen

Beginn oder Ende bzw. Eingabe oder Ausgabe Anweisung und Operationen

nein Entscheidungsfrage mit „ja“ – oder „nein“ – Entscheidung

ja

Konnektor 1

Flusslinie

nein EM1 Entscheidungsmöglichkeit 1 um eine „nein“ – Entscheidung zu korrigieren

nein EM 2 Entscheidungsmöglichkeit 2 um eine „nein“ – Entscheidung

zu korrigieren

(1) Arbeitsschritte

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0 Einleitung Die Hauptaufgabe dieser Diplomarbeit ist es, verschiedene Kehlnahtbemessungen zu unter-suchen und miteinander zu vergleichen. Zusätzlich sollen allgemeine Aspekte zur Kehlnaht sowie die Durchführung und Auswertung von Versuchen an Kehlnähten erläutert werden. Zunächst wird im ersten Abschnitt die Kehlnaht erläutert. Dabei wird sich auf ihren Aufbau, ihre Formen sowohl auf ihre Anordnung im Abschnitt 1.1 bezogen. In den Abschnitten 1.2 und 1.3 werden neben den Kraftlinien, dem Spannungsverlauf und dem Kräftefluss die ver-schiedenen Beanspruchungsarten der Kehlnaht vorgestellt. Der Abschnitt 1.4 befasst sich mit den Bezeichnungen und Beschriftungen von Kehlnähten, wobei auf die verschiedenen Normen und Richtlinien eingegangen wird. Der zweite Abschnitt befasst sich ausschließlich mit der Normenentwicklung der Kehlnaht-bemessung. Dabei werden folgende Normen und Richtlinien betrachtet:

- TGL 13500 / 01 Stahlbau - Stahltragwerke. Grundlagen der Berechnung nach Grenzzuständen mit Teilsicherheitsfaktoren, Bauliche Durchbildung. Ausgabe März 1988,

- DIN 18800 Teil 1 Stahlbauten. Bemessung und Konstruktion. Ausgabe November 1990,

- DIN V ENV 1993 Teil 1-1Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten. Allge-meine Bemessungsregeln, Bemessungsregeln für den Hochbau, Ausgabe April 1993.

Anhand einer Gegenüberstellung der eben genannten Normen und Richtlinien in Tabellen-form soll die Entwicklung dargestellt werden. Zusätzlich wird zu jedem einzelnen Bemes-sungskonzept ein Flussdiagramm erstellt, um den Ablauf der entsprechenden Berechnungen logisch schlüssig aufzuzeigen. Im dritten Abschnitt dieser Arbeit wird ein Bemessungskonzept vorgestellt, welches im Jahre 1986 vom ZIS entwickelt wurde. Dabei wurde die folgende Norm zu Grunde gelegt:

- TGL 14915 / 01 Festigkeitsnachweis für geschweißte Konstruktionen. Schmelz-schweißverbindungen an Baustählen. Ausgabe Januar 1986.

Auch hier wird ein Flussdiagramm entwickelt, welche alle Bestandteile der Kehlnahtbemes-sung aufzeigt. Der vierte Abschnitt erläutert ein Bemessungskonzept für Mismatch - Verbindungen, welches in dem Projekt „Innovative Konstruktionen für den Maschinen- und Stahlbau durch Kombina-tion neuartiger Stahlwerkstoffe“ des Thüringer Ministeriums für Wissenschaft, Forschung und

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Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Kunst entwickelt wurde. Zusätzlich zur Erläuterung dieses Konzeptes wird wiederum ein Flussdiagramm zu Verdeutlichung des Bemessungsablaufes erstellt. Innerhalb des fünften Abschnittes werden anhand von ausgewählten Kriterien zunächst die im Abschnitt zwei vorgestellten Bemessungskonzepte in Form einer Beispielrechnung mit-einander verglichen. Des Weiteren erfolgt ein Vergleich des Bemessungskonzeptes nach den ZIS - Mitteilungen aus dem Abschnitt drei mit dem Bemessungskonzept für Mismatch - Verbindungen aus dem vierten Abschnitt. Wiederum erfolgt der Vergleich nach ausgewähl-ten Kriterien mit einer vorhergehenden Beispielrechnung. Beendet wird der Abschnitt fünf mit dem Vergleich der Ergebnisse aller vorgestellten Bemessungskonzepte. Im sechsten Abschnitt wird die Kehlnahtbemessung nach den Mitteilungen des ZISs mittels dem Programm Microsoft Excel in ein Anwenderprogramm umgesetzt. Der siebte Abschnitt dieser Diplomarbeit beschäftigt sich mit Versuchen und deren Auswer-tung aus den Hintergrundberichten des EC 3. Dabei werden speziell Zugversuche betrachtet, um die statistische Ermittlung des Korrelationsfaktors βW zu erläutern. Schließlich soll im letzten Abschnitt eine kurze Zusammenfassung und ein Ausblick auf zu-künftige Kehlnahtbemessungen gegeben werden. Es sei an dieser Stelle auf den Anhang zu dieser Arbeit verwiesen. Zum einem befindet sich dort eine eigens erstellte Stahlsortenübersicht, die den Umgang mit den im Laufe der Zeit wechselnden Stahlbenennungen erleichtern soll. Des Weiteren sind im Anhang Tabellen und Abbildungen hinterlegt, die zum Durchlaufen der erstellten Flussdiagramme benötigt werden.

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1 Allgemeines zur Kehlnaht Zur Verbindung zweier senkrecht (oder nahezu senkrecht) zueinander stehenden Konstruk-tionsteile mittels einer Schweißverbindung können verschiedenste Nahtformen gewählt wer-den. Die Kehlnaht ist dabei die am häufigsten in der Praxis verwendete Art. Dieses begrün-det sich im Wegfall der Fugenvorbereitung und der geringen Passarbeit, was zu einer un-komplizierten und wirtschaftlich günstigen Anwendung in der Werkstatt wie auch auf der Baustelle führt.

1.1 Aufbau, Formen und Anordnung

Den grundsätzlichen Aufbau der Kehlnaht zeigt die nachstehende Abbildung.

Abbildung 1 - Kehlnahtaufbau [3]

Unterschieden wird zwischen der Doppelkehlnaht und der einseitigen Kehlnaht, wie die Ab-bildung 2 zeigt.

a) Doppelkehlnaht b) einseitige Kehlnaht

Abbildung 2 - Arten der Kehlnaht [4]

Anhand der Nahtform kann die Kehlnaht, wie die folgende Abbildung 3 darstellt, weiter ein-geteilt werden.

a) Flachnaht b) Wölbnaht c) Hohlnaht

Abbildung 3 - Kehlnahtformen [3]

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Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Allgemein gilt die Kehlnaht in ihrer Kerbwirkung als ungünstig, wobei sich für die einzelnen Formen folgende Aussagen treffen lassen:

- Hohlnaht: besitzt die geringste Kerbwirkung, auf Grund des allmähliche

Überganges zum Grundwerkstoff der Schweißinhalt ist höher als bei der Flachkehlnaht bei gleicher

Nahtdicke

- Flachnaht: die Kerbwirkung liegt zwischen der der Hohl- und der Wölbkehlnaht der Schweißinhalt wird bei gleicher Nahtdicke am wirtschaftlichsten

beurteilt

- Wölbnaht: die Kerbwirkung wird durch den abrupten Übergang zum Grund-

werkstoff nachteilig beeinflusst bei gleicher Nahtdicke kommt es zu einem übergroßen Schweißin-

halt Neben der Einteilung nach der Nahtform an sich kann zusätzlich noch nach gleichschenkli-ger und ungleichschenkliger Kehlnaht unterschieden werden. Nach der Anordnung am Bauteil wird von der Stirnkehlnaht und der Flankenkehlnaht gespro-chen. Die nachstehende Abbildung 4 zeigt die prinzipielle Anordnung am Bauteil.

Abbildung 4 - Anordnung der Kehlnaht am Bauteil [2]

Dabei kann die Kehlnaht als durchgängige oder unterbrochene Schweißnaht (auch mit Ver-satz möglich) ausgebildet werden. Bei nicht durchgeschweißten Nähten ist eine erhöhte Kor-rosionsbeanspruchung zu beachten.

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1.2 Kraftlinien, Spannungsverteilung und Kräftefluss

Die Schweißnaht als Bestandteil einer Stahlkonstruktion dient neben der Verbindung einzel-ner Bauteile auch zur Kraftweiterleitung bzw. Kraftübertragung. Die Belastung der Konstruk-tion und somit auch der Schweißnaht ergeben innere und äußere Kraftverläufe. Der äußere Kräfteverlauf ist von der Anordnung der Kehlnaht am Bauteil abhängig. Die Abbildung 5 zeigt den unterschiedlichen Verlauf bei Stirn- und Flankenkehlnähten.

a) b)

Abbildung 5 - Kraftfluss der a) Stirnkehlnaht, b) Flankenkehlnaht [2]

Bei den Stirnkehlnähten zeigt sich ein ebener Kraftverlauf, bei den Flankenkehlnähten ein räumlicher Kraftfluss. Zu beachten ist weiterhin, dass es bei allein tragenden Stirnkehlnähten zu einer ungünstigen Beanspruchung infolge von Momenten kommen kann. Bei den Flan-kenkehlnähten ist die Beanspruchung innerhalb der Naht verschieden. Der Nahtanfang wie auch das Nahtende werden sofort zur Kraftübertragung herangezogen. Das Nahtmittelstück beteiligt sich erst nach einer elastischen Dehnung des angeschlossenen Bauteils an der Kraftübertragung. Im Inneren der Schweißnaht ergeben sich durch die äußere Belastung Kraftlinien und Span-nungszustände, die sich anhand der Kehlnahtform unterscheiden lassen können. Die Kraftübertragung bei Kehlnähten ist im Vergleich zu Stumpfnähten nachteilig. Es entste-hen ungünstige Kraftflüsse und ungleichmäßige Spannungsverteilung innerhalb der Schweißnaht. Mit dieser ungleichmäßigen Spannungsverteilung entsteht eine ungünstige Kerbwirkung. Die im folgenden dargestellten Kraftlinien resultieren aus einer angenommen Zug- bzw. Druckbelastung der Schweißnaht. Des Weiteren wird die Kerbspannung σK in ihrem Verlauf aufgezeigt, durch die innere Kerbwirkung der einzelnen Schweißnähte entstehen Span-nungsspitzen. Für eine Doppelkehlnaht mit Flachnahtausbildung zeigt sich folgender, in Abbildung 6 darge-stellter, Kraftlinienverlauf mit entsprechender Spannungsverteilung.

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Abbildung 6 - Kraftlinienverlauf und Spannungsverteilung einer Doppelkehlnaht [5]

Die Abbildung 7 stellt die Kraftlinienverläufe und Spannungsverteilungen anhand der Ausbil-dung der Nahtform für einseitige Kehlnähte dar.

Wölbnahtausbildung

Flachnahtausbildung

Hohlnahtausbildung

Abbildung 7 - Kraftlinienverlauf und Spannungsverteilung bei einseitigen Kehlnähten [5]

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1.3 Beanspruchungen einer Kehlnaht

Innerhalb der Kehlnaht kommt es unabhängig von Normen und Richtlinien zu folgenden Be-anspruchungen infolge äußere Belastung:

a) Beanspruchung parallel zur Naht (z. B. infolge Längskraft N), b) Beanspruchung senkrecht zur Naht (z. B. infolge Querkraft Q), c) Beanspruchung parallel zur Längsnahtachse (infolge Schub) und d) Beanspruchung senkrecht zur Längsnahtachse (infolge Schub).

Diese Beanspruchungen werden über die entsprechende Spannung wie folgt definiert: Zu a) Normalspannung parallel zur Naht σII

Zu b) Normalspannung senkrecht zur Naht σ┴

Zu c) Schubspannung parallel zur Längsnahtachse τII

Zu d) Schubspannung senkrecht zur Längsnahtachse τ┴ Die Wirkungsrichtung der einzelnen Spannungen zeigt die Abbildung 8.

Abbildung 8 - innere Schweißnahtspannungen [10]

Die Abbildung 9 zeigt den direkten Zusammenhang zwischen den äußeren Belastungen und den Spannungskomponenten in der winkelhalbierenden Ebene der Schweißnaht.

Abbildung 9 - Spannungskomponenten infolge äußerer Lasten [9]

Neben den Spannungen infolge äußerer Lasten besitzt die Schweißnaht auch Spannungen aus dem Fertigungsprozess. Bei der Abkühlung der Schweißnaht entstehen hohe Eigen-spannungen, die jedoch in einem Gleichgewicht stehen.

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Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Die so entstandenen Spannungen bewirken eine Spannungsumverteilung. Deren Span-nungsniveau siedelt sich im Bereich der Fließgrenze an. Nachstehend werden zwei Beispiele mit ihren Spannungskomponenten zur Verdeutlichung dargestellt. Dabei werden nur die für die Verbindung maßgeblichen Spannungskomponenten berücksichtigt. Die folgende Abbildung 10 zeigt als erstes Beispiel die maßgeblichen Span-nungskomponenten bei einer Stirn- und Flankenkehlnaht infolge einer Zugbeanspruchung auf.

Abbildung 10 - Spannungskomponenten an einer Stirn - und Flankenkehlnaht [13]

Als zweites Beispiel wurde ein T - Stoß mit Doppelkehlnaht gewählt. In der Abbildung 11 sind die einzelnen möglichen Spannungskomponenten infolge der jeweiligen äußeren Beanspru-chung dargestellt.

Abbildung 11 - Spannungskomponenten an einem T - Stoß mit Doppelkehlnaht [13]

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1.4 Bezeichnung und Beschriftung

Neben der Berechnung und Bemessung der Kehlnaht ist auch eine konkrete Bezeichnung der Kehlnähte von großer Bedeutung. Die Kommunikation des Schweißfachingenieurs mit dem Schweißfachpersonal findet über Schweißpläne statt, auf denen genaue Daten für die korrekte Ausführung aufgeführt werden. In diesem Abschnitt sollen daher die grundlegenden Bezeichnungen und ihre entsprechenden Beschriftungen für eine Kehlnaht aufgezeigt wer-den. Eine korrekte Bezeichnung einer Schweißnaht beinhaltet mindestens folgende grundlegende Angaben:

- Nahtdicke a, - Symbol (Grundsymbol und eventuell Zusatz- und Ergänzungssymbole), - Schweißnahtlänge l.

Zusätzlich können folgende Angaben hinzugefügt werden:

- Schweißverfahren, - Bewertungsgruppe bzw. Ausführungsklassen, - Zusatzwerkstoffe, - Schweißposition.

Die Reihenfolge und Anordnung der einzelnen Schweißnahtangaben unterscheiden sich in den einzelnen Normen, so zeigt die Abbildung 12 die Vorgabe laut alten DIN 1912 und den entsprechenden Bezeichnungen nach der neuen DIN EN 22553.

4 - Schweißprozess z. B. ISO 4063 5 - Bewertungsgruppe z. B. ISO 5817, ISO 10042 6 - Arbeitsposition z. B. ISO 6947 7 - Zusatzwerkstoffe z. B. ISO 544,

ISO 2560, ISO 3581

Abbildung 12 - Reihenfolge der Schweißnahtangaben nach DIN - und DIN EN -Vorschriften [5, l]

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Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Unabhängig, ob nach TGL-, DIN- oder EC-Vorschriften eine Schweißnaht bezeichnet wird, gelten für alle drei die gleichen Schweißnahtsymbole. Für den EC wurde 1994 die DIN EN 22553 erlassen, die den kompletten Inhalt der DIN 1912 (damit ungültig) übernom-men hat. Damit kommt es zu neuen normativen Verweisen wie es in der Abbildung 12 dar-gestellt ist. Für die Beschriftung von Kehlnähten ergeben sich keine gravierenden Änderun-gen. Es wurde im Bereich der Pfeillinie ein Bezugs - Strichlinie eingeführt, die die Position von Gegenlagen eindeutiger bezeichnen soll. Die folgende Abbildung zeigt der prinzipiellen Aufbau der Pfeiflinien.

Abbildung 13 - Pfeifliniendarstellung [l]

Folgende Abbildung zeigt das Grundsymbol für Kehlnähte, welches für alle erwähnten Nor-men und Richtlinien gültig ist.

Abbildung 14 - Grundsymbol für Kehlnaht nach TGL 14904 Bl.3 und DIN EN 22553 [4

Die Abbildung 15 zeigt die für die Kehlnaht möglichen Zusatzsymbole.

Abbildung 15 - Zusatzsymbole nach TGL 14904 und DIN EN 22553 [4]

Die nachstehende Abbildung zeigt die Möglichkeiten der Bezeichnung einer Kehlnaht nach der DIN EN 22553 anhand der Nahtdicke a oder der Schenkellänge z.

15


Abbildung 16 - Bezeichnung der Kehlnaht l]

Auch die Angaben zu den Schweißnahtpositionen sind über die Normen hinweg gleich blei-bend. Die Abbildung 17 zeigt die wichtigsten Schweißnahtpositionen nach TGL 14904 Bl.3 und DIN 1912 T.2 bzw. DIN EN 22553 auf.

Abbildung 17 - Schweißnahtpositionen [5]

Bei unterbrochenen Kehlnähten sind folgende Angaben zu machen:

- Anzahl der Einzelnähte n, - Nahtdicke a, - Nahtlänge l, - und Zwischenraum e bzw. Teilung t.

Die folgenden Abbildungen 18 und 19 zeigen diese Angaben nach der TGL 14904 an zwei Beispielen.

Abbildung 18 - Beispiel zur Beschriftung einer unterbrochenen Doppelkehlnaht [6]

16


Abbildung 19 - Beispiel zur Beschriftung einer unterbrochenen versetzten Doppelkehlnaht [6]

Mit der DIN EN 22553 lassen sich unterbrochene Kehl- und Doppelkehlnähte nach dem Schemen in den Abbildung 20 und 21 wie folgt beschriften.

Abbildung 20 - Beispiel zur Beschriftung einer unterbrochenen Kehlnaht [l]

Abbildung 21 - Beispiel zur Beschriftung einer unterbrochenen versetzten Doppelkehlnaht [l]

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2 Normenentwicklung von der TGL zum EC Im folgenden Abschnitt soll zunächst in kurzer und prägnanter Form die grundsätzliche Nachweisführung und Bemessung bei Kehlnähten innerhalb der verschiedenen Normen und Richtlinien im Rahmen der Tabelle 1 erörtert werden. Es werden dabei die TGL 13500 / 01 aus dem Jahre 1988, die DIN 18800 T.1 aus dem Jahre 1990 und der EC 3 T.1-1 aus dem Jahre 1993 gegenübergestellt und miteinander ver-glichen. Dazu wird innerhalb der Tabelle auf folgende Aspekte besonderen Wert gelegt:

- Nachweiskonzept: Erörterung der im jeweiligen Bemessungskonzept berücksichtigten

Nahtspannungen und Kräfte,

- Sicherheitskonzept der Einwirkungen: Teilsicherheitsfaktoren und Teilsicherheitsbeiwerte der jeweiligen

Norm bzw. Richtlinie auf der Seite der Einwirkungen,

- Sicherheitskonzept der Tragfähigkeit: Teilsicherheitsfaktoren und Teilsicherheitsbeiwerte der jeweiligen

Norm bzw. Richtlinie zur Berücksichtigung der Streuung von Mate-rialkennwerten,

- Beachtung weiterer Faktoren:

Berücksichtigung von Faktoren wie Fertigung, Werkstoff und Nahtgüte,

Erläuterung zur Beachtung dieser Faktoren innerhalb der jeweili-gen Norm bzw. Richtlinie,

- Konstruktive Regeln:

Erläuterung zu vorgegebenen konstruktiven Regeln der jeweiligen Norm bzw. Richtlinie für Nahtlänge l und Nahtdicke a,

- Sonderheiten:

bemessungsrelevante Sonderheiten innerhalb des jeweiligen Be-messungskonzeptes.

Im Anschluss an die nun folgende Tabelle 1 sind Anmerkungen zu dieser tabellarischen Ge-genüberstellung sowie weitere Erläuterungen zu finden. Abgeschlossen wird dieser Abschnitt mit einem zu jeder Norm bzw. Richtlinie eigens entwi-ckelten Flussdiagramm zur Kehlnahtbemessung.

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Tabelle 1 - Entwicklung der Kehlnahtbemessung von der TGL bis zum EC

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Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Zur Tabelle 1 - Entwicklung der Kehlnahtbemessung von der TGL bis zum EC gehören nach-folgende Anmerkungen.

Tabelle 2 - TSF nach TGL 13500 / 01 und TSBW nach DIN 18800 T.1 und EC 3 T.1-1

TGL 13500 / 01 DIN 18800 T.1 EC 3 T.1-1

Tragsicherheit Teilsicherheits- Teilsicherheits- Teilsicherheits-

faktoren TSF beiwerte TSBW beiwerte TSBW

Last bzw. Einwirkung

ständige 3,11,1f −=γ 35,1F =γ 35,1G =γ

veränderliche 4,12,1f −=γ 50,1F =γ 50,1Q =γ

außergewöhnliche 00,1F =γ

Kombination

eine Veränderliche 0,1=ψ 0,1=ψ 0,1=ψ

zwei oder drei Veränderliche 9,0=ψ

mehr als zwei Veränderliche 9,0≤ψ

mehr als drei Veränderliche 8,0=ψ

mehrere Veränderliche 9,0=ψ 9,0=ψ

Material der Schweißnaht 15,1m =γ 1,1M =γ 25,1Mw =γ

Wertigkeit

Endzustand 0,1n ≠γ

Montagezustand 0,1n =γ

Anpassung 0,1d ≠γ

- zur TGL 13500 / 01 A II B II III

Abbildung 22 - Ausführungsklassen nach TGL 13500 / 01 [6]

Anmerkung 1: AK A II - für hohe dynamische Beanspruchungen AK B II - für hohe Beanspruchungen AK III - für mittelbeanspruchte Konstruktionen mit meist überdimensionierten Kehlnähten

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Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A - zur DIN 18800 T.1

Tabelle 3 - Beiwert der Grenzschweißnahtspannung - αw [b]

Nahtart Nahtgüte Beanspru- Tabelle 1 – Anhang Tabelle 1 – Anhang chungsart Zeile 3, 5 Zeile 6,10 Druck, Zug

Kehlnaht alle Nahtgü-

ten 0,95 0,80 Schub

- zum EC 3 T. 1-1

Tabelle 4 - Korrelationsfaktor βw [c]

Stahlsorte nach Zeile Zeile Zeile Zeile Zeile Tabelle 1 - Anhang 3, 4 5 6 9 10 Zugfestigkeit fu [N/mm²] 360 430 510 390 490 Korrelationsfaktor βw 0,8 0,85 0,9 0,8 0,9

- zum EC 3 T. 1-1 Anmerkung 2 Nach den Hintergrund Berichten [g] kann nach den Stirn- und Flankenkehlnähten wie folgt unterschie-den werden.

Abbildung 23 - a) Stirnkehlnahtanordnung, b) Flankenkehlnahtanordnung [g]

Dabei wird bei einer Schweißverbindung mit Flankenkehlnähten die zweifache Zugkraft angesetzt. Damit erhält sowohl die Stirnkehlnaht als auch eine Flankenkehlnaht die gleiche Beanspruchung aus der Zugkraft der Probe. Die Beanspruchung F innerhalb der Stirnkehlnaht teilt sich dabei in folgende Komponenten auf.

F2*F*21 2*F*

21

21

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Nach der Alternativmethode der Bemessung des EC 3 T.1-1 Anhang M kann die Stirnkehlnaht und eine Flankenkehlnaht wie folgt anhand der Beanspruchung F verglichen werden. Es handelt sich dabei um eine Betrachtung ohne Berücksichtigung von Teilsicherheitsbeiwerten. a) Stirnkehlnaht b) Flankenkehlnaht

- Beanspruchung in der Kehlnaht

l*aF0

0b*a

F*2*21

0b*a

F*2*21

IIII =τ=τ

=τ=τ

=σ=σ

⊥⊥

⊥⊥

- nach EC 3 T.1-1 Anhang M

l*a3*Ff

b*a2*Ff

l*aF*3

fb*a

F*21

*3b*a

F*21

f

)(*3f

)(*3f

w

u

w

u

22

2

w

u22

2

22

2

w

u

2II

22

w

u2II

22

w

u

≥β

≥β

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛≥

β⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

+≥β

τ+τ+σ≥β

τ+τ+σ≥β ⊥⊥⊥⊥

- umgestellt zur Zugkraft F

23

FF

3A

*f

F2

A*

fF

b

a

2

w

ub

1

w

ua

=

β=

β=

Somit kann eine Stirnkehlnaht gegenüber einer Flankenkehlnaht um das 23 -fach belastet bzw.

ausgenutzt werden. Des Weiteren gilt diese erhöhte Beanspruchbarkeit von 23 auch im Ver-

gleich der Alternativbemessungsmethode nach EC 3 T.1-1 Anhang M zur Bemessungsmethode nach EC 3 T.1-1 jedoch immer im Bezug auf die Stirnkehlnähte.

22

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Die Tabelle 1 zeigt deutlich die Entwicklung der Kehlnahtbemessung innerhalb kürzester Zeit auf. Dabei spielt der politische Faktor eine wesentliche Rolle. So hat bzw. hatte jeder Staat seine eigenen Vorschriften und Normen oder Regelungen. In der Zeit der Europäisierung wurden wiederum Angleichungen vorgenommen. Auch wenn die Grundidee der vorgestellten Bemessungskonzepte gleich ist, sprich sich auf einen Spannungsvergleich reduzieren lässt, können doch Unterschiede festgestellt werden. Der offensichtlichste Unterschied stellt sich in den verschiedenen Nachweisformeln dar. Dabei änderten sich neben den Bezeichnungen der einzelnen Spannungskomponenten auch die Zusammenfassung zu einer Nachweisformel. Des Weiteren haben sich die Sicherheitskonzepte der Einwirkungen verändert. So wurden in der TGL 13500 / 01 noch Teilsicherheitsfaktoren in Bereichsgrenzen angegeben, womit dem Anwender die Entscheidung für den Wert an sich oblag. Für die DIN 18800 T.1 und den EC 3 T.1-1 wurden dagegen feste Teilsicherheitsbeiwerte eingeführt. Das Sicherheitskon-zept der Tragfähigkeit hat sich dagegen nur innerhalb der Bezeichnung und gering bei den Werten geändert. Alle drei Bemessungskonzepte haben ihre eigene Art und Weise zur Berücksichtigung von Fertigung, Werkstoffe und Nahtgüte. Bei der TGL 13500 / 01 unterschied man noch nach Ausführungsklassen, die sowohl Belastung, Ausführung und Güte der Naht berücksichtigten. So wurden bei der DIN 18800 T.1 und dem EC 3 T.1-1 Beiwerte zur Berücksichtigung des Werkstoffes eingeführt. Mit dem Beiwert zur Grenzschweißnahtspannung berücksichtigt

die DIN 18800 T.1 lediglich den Werkstoff in Abhängigkeit der Streckgrenze. Der EC 3 T.1-1 dagegen führte den Korrelationsbeiwert

wα

wβ ein, welcher in Abhängigkeit zur Zugfestigkeit des

Werkstoffes steht. Innerhalb der konstruktiven Regeln ergaben sich Neuerungen, die auf Versuche und Weiterentwicklungen der Werkstoffe zurückzuführen sind. Der EC 3 T.1-1 hat sich dabei auf minimale Angaben festgelegt. Schließlich sind noch Sonderheiten der einzelnen Bemessungskonzepte zu erwähnen. So wurde lediglich bei der TGL 13500 / 01 ein Zusammenwirken unterschiedlicher Nahtarten bedacht, auf die innerhalb dieser Arbeit nicht weiter eingegangen wird. Für die DIN 18800 T.1 und der EC 3 T.1-1 besteht die Möglichkeit nach, speziellen Einzelzulassun-gen für den Stahlwerkstoff, auch Kehlnahtverbindungen mit höherfesten Feinkornbaustählen zu bemessen. Zusätzlich gibt der EC 3T.1-1 Anhang M einen alternativen Kehlnahtnachweis an. Mit diesem Alternativmethode des EC 3 T.1-1 kann den Stirnkehlnähten eine höhere Beanspruchbarkeit als den Flankenkehlnähten zu gewiesen werden. Im Abschnitt 5 werden nochmals die Unterschiede und Gemeinsamkeiten dieser Bemes-sungskonzepte anhand eines Beispiels erläutert. Zur Verdeutlichung der Bemessungskon-zepte nach TGL, DIN und EC sind hier im Anschluss jeweils entwickelte Flussdiagramme aufgeführt. Es sei hier auf entsprechende Tabellen und Abbildungen im Anhang verwiesen, die beim Durchlaufen der Bemessung nötig werden.

23


Flussdiagramm zur Kehlnahtbemessung nach TGL 13500 / 01

(1) Ermittlung der Bemessungswerte der Schnittgrößen

(2) Festlegung der Ausführungsklasse und Stahlsorte

(3) Konstruktive Festlegung der Nahtlänge l und der Nahtdicke a

Überprüfung der Nahtlänge l bei Flankenkehlnähten unter Beachtung der Art der Belastung

dynamische Belastung 15*a ≤ l ≤ 60*a (Stabanschluss) statische Belastung 10*a ≤ l ≤ 100*a (Stabanschluss)

nein

Überprüfung der Nahtdicke a

smin*7,0amax ≤ mm25,0smaxamin ≥−≥

ja

nein

(4) Ermittlung der Nahtspannung IIII21 und,, τσσσ ⊥⊥

nach Abb. A1, kann dabei vernachlässigt werden IIσ

ja

(5) Ermittlung der Normtragfähigkeit niR

m

dnin

i*RRγγ

=

niR in Abhängigkeit der Ausführungsklasse, Belastung und Streckgrenze Re nach

Tabelle A2, TSF md, γγ nach Tabelle 2

Kehlnaht nachgewiesen

ja

(6) Nachweis der Kehlnaht nein

1,1RR*R

*RR

2

nII

nn21

2

n2

2

n1

II2121

≤⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ τ+

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ σσ−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ σ+

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ σ

τσσ

⊥⊥

σ

⊥

σ

⊥

⊥⊥⊥⊥

24


Flussdiagramm zur Kehlnahtbemessung nach DIN 18800 T.1

(1) Ermittlung der Bemessungswerte der Schnittgrößen

(2) Festlegung der Stahlsorte


Überprüfung der Nahtlänge l unter Beachtung der Stahlsorte nach Tabelle A1

mm30a*6lmin ≥≥

Zeile 3,4,5,6,9,10,13,14 max l ≥ 150 * a (Stabanschluss) Zeile 11,12,15,16 max l = 50 * a (Stabanschluss)

nein

Überprüfung der Nahtdicke a t ≥ 3 mm: tmin*7,0amm2 ≤≤

5,0tmaxa −≥ t ≥ 30 mm: mm5a ≥

ja

nein

(4) Ermittlung der Nahtspannung 2

II22

v,w τ+τ+σ=σ ⊥⊥

IIII und,, ττσσ ⊥⊥ nach Abb. A1, IIσ darf dabei vernachlässigt werden

ja

(5) Festlegung des Beiwertes der Grenzschweißnahtspannung αwunter Beachtung der Stahlsorte nach Tabelle A1

Stahlsorte Zeile 3, 4, 5 Zeile 6, 10 Zeile 11, 14, 16

αw 0,95 0,80 0,60

(6) Ermittlung der Grenzschweißnahtspannung

M

k,ywd,R,w

f*γ

α=σ

Streckgrenze fy,k nach Herstellerunterlagen, TSBW nach Tabelle 2 Mγ


(7) Nachweis der Kehlnaht nein 1

d,R,w

v,w ≤σσ

ja

25


Flussdiagramm zur Kehlnahtbemessung nach EC 3 T.1-1 Abs. 6.6.5.3


(2) Ermittlung des Bemessungswertes der Schnittgrößen in der Naht FSdaus den Systemschnittgrößen


Überprüfung der Nahtlänge l

min l ≥ 6*a ≥ 40 mm (Stabanschluss)

nein


min a = 3 mm

ja

nein

(4) Festlegung des Korrelationsfaktors βw unter Beachtung der Stahlsorte nach Tabelle A1

Stahlsorte Zeile 3,4 ,9 Zeile 5 Zeile 6, 10 Zeile 11,12,15,16

βw 0,8 0,85 0,9 1,0

(5) Ermittlung der Grenzkraft n*a*fF d,vwRd,w =

mit der Grenzscherfestigkeit fvw,d

Mww

k,ud,vw

**3

ff

γβ=

Zugfestigkeit fu des schwächeren verbundenen Bauteils nach Herstellerunterlagen,

TSBW Mwγ nach Tabelle 2


ja

ja

(6) Nachweis der Kehlnaht nein 1

FF

Rd,w

Sd ≤

26


Flussdiagramm zur Kehlnahtbemessung nach EC 3 T.1-1 Anhang M



Überprüfung der Nahtlänge l

mm30a*6lmin ≥≥ (Stabanschluss)

nein


min a = 3 mm

ja

nein

(5) Auswahl des Korrelationsfaktors βw unter Beachtung der Stahlsorte nach Tabelle A1

Stahlsorte Zeile 3,4 ,9 Zeile 5 Zeile 6, 10 Zeile 11,12,15,16

βw 0,8 0,85 0,9 1,0


ja

(7) Nachweis der Kehlnaht

( ) Rd,wII f²²*3² ≤τ+τ+σ ⊥⊥

und Mw

k,ufγ

≤σ ⊥

nein

ja

(4) Ermittlung der Nahtspannung IIII und,, ττσσ ⊥⊥ nach Abb. A1

darf dabei vernachlässigt werden IIσ

(6) Ermittlung der Grenzkraft

Mww

k,uRd,w *

ff

γβ=

Zugfestigkeit fu,k des schwächeren verbundenen Bauteils nach Herstellerunterlagen, TSBW Mwγ nach Tabelle 2

(1) Ermittlung Bemessungswert der Schnittgrößen

27


3 Bemessungskonzept nach ZIS - Mitteilungen

Dieser Abschnitt befasst sich mit einem Bemessungskonzept für Kehlnähte, welches sich aus der TGL 14915 / 01 und den Forschungsergebnissen des Zentralinstitutes für Schweiß-technik der DDR (ZIS) in Halle ableiten lässt. Die TGL 14915 / 01 - Festigkeitsnachweis für geschweißte Konstruktion befasst sich mit Schmelzschweißverbindungen an Baustählen und ist getrennt von der TGL 13500 / 01 zu betrachten. Zum Nachweis der Festigkeit von Kehlnähten wurde dort ein Nennspannungs-konzept entwickelt. Es werden ertragbare mit vorhandenen Spannungen verglichen ohne die Berücksichtigung von Teilsicherheitsfaktoren. Das ZIS hat anhand des in der TGL 14915 / 01 vorgestellten Bemessungskonzeptes eine Reihe von Experimenten und Untersuchungen durchgeführt. Ein Ergebnis dieser Untersu-chung war, dass das Nennspannungskonzept der TGL 14915 / 01 nicht für eine sichere Be-messung von Schweißverbindungen geeignet ist. Begründet wurde diese Aussage durch Beispiele, an denen aufgezeigt wurde, dass eine Schweißverbindung bereits vor dem Errei-chen der ertragbaren Grundwerkstoffspannung einen Bruch im Grundwerkstoff erleidet. Da-bei wurden jedoch nur Proben untersucht, bei denen das Schweißgut bzw. die Schweißzu-satzwerkstoffe eine höhere Festigkeit besaßen als der Grundwerkstoff. Es ist also davon auszugehen, dass bei einer umkehrten Festigkeitsverteilung der Bruch im Nahtgut entsteht. Basierend auf den Grundgedanken der TGL 14915 / 01 entwickelte das ZIS Spannungs-nachweise für den Nahtübergang und die Nahtwurzel infolge einer Zugkraft F (Prüflast). In beiden Nachweisen hat der Grundwerkstoff lediglich durch seine geometrischen Größen (Dicke s, Breite b) einen Einfluss auf das Ergebnis. Hauptaugenmerk wurde auf die tatsächli-chen Spannungen und Festigkeiten innerhalb der Kehlnaht gelegt. Zu erwähnen ist die Ein-führung der Korrekturfaktoren k1 für den Nachweis am Nahtübergang und k2 für den Nach-weis an der Nahtwurzel. Diese berücksichtigen den experimentell ermittelten Extremwert der Belastungsverteilung im gefährdeten Querschnitt des Nahtgutes mit einer Abminderung durch nutzbare plastische Verformungsanteile. Diese Korrekturfaktoren werden über das Verhältnis der Kehlnahtdicke a zur Dicke der Grundwerkstoffes s und dem Verhältnis der Kehlnahtdicke a zum Tiefeneinbrand a tief bestimmt. Dabei sei hier an die Abbildungen A2 und A3 im Anhang verwiesen. Die Entwicklung der Spannungsnachweise für das Nahtgut beruhen auf Ergebnissen von Experimenten und somit auf den dort vorhandenen geometrischen Angaben der Kehlnaht. Bei der Entwicklung des Bemessungskonzeptes wurden Überschlagsformeln für die Ermitt-lung der Kehlnahtdicke a aus der TGL 13500 / 01 übernommen, jedoch mit den Grenzen aus der TGL 14915 / 01. Die für den Tiefeneinbrand a tief verwendete Überschlagsformel ergibt sich aus den dokumentierten Probenabmessungen der Untersuchungsreihe des ZIS.

28

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Zu beachten ist für das Bemessungskonzept nach dem ZIS, dass sich hier der Tiefenein-brand a tief aus der Nahtdicke a und dem Einbrand zusammensetzt. Zur Verdeutlichung zeigt die Abbildung 24 die Bezugsmaße für den Festigkeitsnachweis anhand der ZIS - Richtlinien.

Abbildung 24 - Bezugsmaße nach ZIS - Richtlinien [18]

Das entwickelte Konzept der ZIS umfasst neben dem Festigkeitsnachweis von Kehlnähten auch eine Optimierung der Kehlnahtdicke a. So kann durch das Umstellen der Spannungs-formel für den Nahtübergang bzw. die Nahtwurzel eine erforderliche Nahtdicke a1 bzw. a2 ermittelt werden. Beide Kehlnahtdicken entsprechen jeweils der gesamten Kehlnahtdicke a. Maßgebend für die Optimierung ist der mathematische größere Wert von a1 und a2. Die Bemessung und Optimierung von Kehlnähten nach dem Konzept des ZISs beinhaltet als Einflussgröße den Tiefeneinbrand a tief, dieser muss durch ständige Kontrollen (z. B. Ultra-schallprüfung) bei der Herstellung überprüft werden. Kann eine ständige Kontrolle jedoch nicht gewährleistet werden, so ist bei der Bemessung und bei der Optimierung von einem Verhältnis der Nahtdicke a zum Tiefeneinbrand a tief von 1,0 auszugehen. Im Anschluss wurde ein Flussdiagramm zur Bemessung von Kehlnähten anhand der For-schungsergebnisse des ZISs mit Bezug auf die TGL 14915 / 01 entwickelt. Wiederum sei hier auf entsprechende Tabellen und Abbildungen im Anhang verwiesen, die beim Durchlau-fen der Bemessung nötig werden.

29


(2) Festlegung der Grundwerkstoffe mit der Dicke si, der Breite b und der Streckgrenze RE , weiterhin die Ausführungsklasse der Verbindung

1

(3) Ermittlung der vorhandenen Spannung GWσ im Grundwerkstoff

b*sF

AF

1GW ==σ

(4) Ermittlung der ertragbaren Spannung ertrGWσ im schwächeren Grundwerkstoff anhand Tabelle A3 nach TGL 14915 / 01 in Abhängigkeit der Ausführungsklasse

(5) Vergleich mit den vorhandenen Spannungen mit den ertragbaren Spannungen im Grundwerkstoff

ertrGWGW σ≤σ

ja

nein

(1) Ermittlung der vorhandenen Belastung F

Grundwerkstoff der Schweißverbindung nachgewiesen

(6) Ermittlung der ertragbaren Belastung F ertr des Grundwerkstoffes nach TGL 14915 / 01

b*s*A*F 1ertrGWertrGWertr σ=σ=

30


1

(7) Festlegung des Schweißverfahrens und der Schweißzusatzwerkstoffe


Überprüfung der Nahtlänge l bei Flankenkehlnähten

unter Beachtung der Art der Belastung

dynamische Belastung 15*a ≤ l ≤ 60*a (Stabanschluss) statische Belastung 10*a ≤ l ≤ 100*a (Stabanschluss)


smin*7,0amaxmm3 ≤≤

mm5,15,0smaxamin ≥−≥

ja

nein

nein

ja

(9) Abschätzung des Tiefeneinbrandes a tief

a tief = a + z mit Annahme z = 2 - 4 mm

(11) Ermittlung der Korrekturbeiwerte k1 und k2in Abhängigkeit der Nahtdicke a, Anschlussdicke s1 und Tiefeneinbrand a tief

nach Abb. A2 und A3

(12) Ermittlung der vorhandenen Spannungen 1σ am Nahtübergang und σ an der Nahtwurzel 2

b*s*1572,0k*F

b*s*1572,0k*F

1

22

1

11

=σ

=σ

2

(10) Ermittlung und Überprüfung des Verhältnisses von Nahtdicke a zu Tiefeneinbrand a tief

5,0a

a0,1tief

≥≥

nein EM1ja

nein EM2

31


2

(13) Ermittlung der ertragbaren Spannungen des Schweißgutes ertr1σ am Nahtübergang und ertr2σ an der Nahtwurzel

Eertr2ertr1 Rmin=σ=σ

RE - Streckgrenze des Schweißzusatzes anhand von Herstellerunterlagen in Abhängigkeit des Schweißverfahrens

nein EM1 (14) Vergleich mit den vorhandenen Spannungen mit den ertragbaren Spannungen am Nahtübergang und an der Nahtwurzel

ertr22

ertr11

undσ≤σ

σ≤σ

(15) Ermittlung der erforderlichen Kehlnahtdicke a1 am Nahtübergang und a2 an der Nahtwurzel

ertr

122

ertr

111 F

b*s*1572,0*kF

b*s*1572,0*k σ=

σ=

nach Abb. A2 und A3 und unter der Annahme: 7,0a

a

tief=

Ermittlung von a über die Dicke s1

)a,a(maxaerf 21=

ja

nein EM2

Nahtgut der Schweißverbindung nachgewiesen

Optimierung der Kehlnahtdicke a

(16) Vergleich von der vorhandenen Nahtdicke a mit der erforderlichen Nahtdicke erf a ja

erf a ≤ a

nein

Kehlnahtdicke a optimiert

32


4 Bemessungskonzept für Mismatch - Verbindungen Im folgenden Abschnitt soll das Bemessungskonzept für Mismatch - Verbindungen (Verbin-dungen von Werkstoffen unterschiedlicher Festigkeit) aus dem Projekt „Innovative Konstruk-tionen für den Maschinen- und Stahlbau durch Kombination neuartiger Stahlwerkstoffe“ des Thüringer Ministeriums für Wissenschaft, Forschung und Kunst vorgestellt werden. Bekannte Normen und Richtlinien (Abschnitt 2) beziehen sich bei der Kehlnahtbemessung auf die statische Beanspruchbarkeit der Schweißnaht. Dabei werden jedoch die Material-kenngrößen des Grundwerkstoffes mit der geringeren Festigkeit für die Schweißnaht maß-gebend. Die Materialkennwerte des Schweißgutes erlangen keinerlei Bedeutung. Beim Konzept für Mismatch - Verbindungen wird der Bemessungsablauf in einen statischen (Nachweis des Grundwerkstoffes) und in einen schweißtechnologischen Bereich (Vergleich der benötigten Abkühlzeit t8/5 mit der empfohlen Abkühlzeit t8/5) geteilt. Der grundlegende Unterschied zu anderen Normen und Richtlinien besteht darin, dass die Schweißnaht und die beteiligten Grundwerkstoffe jeweils als einzelne Bauteile betrachtet werden. Aus diesem Aspekt heraus sind alle Bereiche einer Schweißnahtverbindung an der Übertragung der Be-anspruchung beteiligt. Gleichzeitig ergibt sich eine gegenseitige Abhängigkeit. So werden neben den Materialkennwerten der Grundwerkstoffe auch die des Nahtgutes sowie Schweißparameter und Schweißzusatzwerkstoffe zur Bemessung herangezogen. Die für dieses Bemessungskonzept gefahrenen Versuche ergaben, dass die Festigkeit des Schweißgutes die charakteristische Festigkeit des Bauteils erreicht. Es wird bei dem Bemes-sungskonzept für Mismatch - Verbindung auf das Ansetzen von Abminderungsfaktoren, wie aus der DIN 18800 T.1 ( ) oder dem EC 3 T.1-1 (wα wβ ) bekannt, verzichtet. Es werden le-

diglich Bemessungswerte durch das Ansetzen der Teilsicherheitsbeiwerte nach EC 3 T.1-1 gebildet. Erfolgt der Kehlnahtnachweis in Bezug auf die zu übertragende Kraft FEd infolge der Schnittgrößen und nicht auf die maximal übertragbare Kraft FüK,Ek des Grundwerkstoffes, so ist der Festigkeitsnachweis der Grundwerkstoffe explizit nach dem Nachweisverfahren des EC 3 T.1-1 zu führen. Im weiteren Verlauf des Bemessungskonzeptes erfolgt kein Spannungsnachweis, wie dies in den zuvor vorgestellten Konzepten zur Kehlnahtbemessung der Fall war. Vielmehr wird hier aus den Schweißparametern (wie Schweißspannung), Schweißzusatzwerkstoffe (wie HD) und den Materialkennwerten (wie CET) die benötigte Abkühlzeit t8/5 für die Schweißverbin-dung ermittelt und mit einem empfohlenen Temperaturbereich verglichen. Ein eigentlicher Nachweis der Grundwerkstoffe erfolgt dabei nicht. Berücksichtigt werden die Festigkeit bzw. die Materialeigenschaften der Grundwerkstoffe bei der Ermittlung der maximal zu übertrag-baren Kraft FüK,Ek.

33

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Besonderen Wert legt das Bemessungskonzept für Mismatch - Verbindungen auf die Ver-bindungen mit hoch- und höchstfesten Feinkornbaustählen, womit neben einer höheren Be-anspruchung eine geringere Kehlnahtdicke aw ermöglicht werden kann. Die Grundvoraussetzung zur Anwendung des Bemessungskonzeptes für Mismatch - Verbin-dungen liegt in der ständigen Kontrolle bei der Fertigung der Schweißverbindungen. Zu diesen Kontrollen muss neben der Festigkeit auch die Qualität höchsten Anforderungen genügen. Von den Verfassern dieses Bemessungskonzeptes wird explizit darauf hingewiesen, dass bei einer nicht ausreichenden Qualitäts- und Festigkeitssicherung die Kehlnahtbemessung nach den gültigen Normen und Richtlinien zu führen ist. Im Vergleich zu den Bemessungskonzepten der TGL 13500, der DIN 18800 und des EC3, die sich aus Vereinfachungen, Idealisierungen und Annahmen ergeben, kommt es bei diesem Bemessungskonzept zu einem erhöhten Aufwand für den Benutzer. Dieser Aufwand wird jedoch mit höheren Belastbarkeiten der Schweißverbindung und geringeren Nahtdicken belohnt. Es ist folglich nach dem Zeit-Nutzen-Faktor zu entscheiden, ob eine vereinfachte Bemessung oder aber eine individuelle, konkrete Bemessung für das Bauteil bzw. Bauwerk vonnöten ist. Im Folgenden ist als Zusammenfassung des vorgestellten Bemessungskonzeptes ein Fluss-diagramm gegeben. Verwiesen sei an dieser Stelle auf die im Anhang vorhandenen Tabellen und Abbildungen, die zum Durchlaufen des Flussdiagramms benötigt werden.

34


(1) Angabe der Werkstoffdicke d1 und d2 sowie der Streckgrenze fy,k1 und fy,k2 der Grundwerkstoffe GW1 und GW2

(2) Bemessungswert der zu übertragenden Kraft FEd [N/mm] vorhanden

Anmerkung: Ergibt sich die zu übertragende Kraft Fw,Rd der Schweißverbindung aus dem Bemessungswert der Kraft FEd, ist der Tragfähigkeitsnachweis für den schwächsten Grundwerkstoff gesondert nach dem EC 3 zu führen.

neinja

(2-1) FüK,Ed = FEd (2-2a) Ermittlung der maximal übertragbaren Kraft des Grundwerkstoffes

FüK,1,Ek = fy,k1 * d1 FüK,2,Ek = fy,k2 * d2

(2-2b) Ermittlung der minimal übertragbaren Kraft der Schweißverbindung

FüK,Ek = min (FüK,1,Ek ; FüK,2,Ek)

0M

Ek,üKEd,üK

FF

γ=

TSBW = 1,1 nach EC 3 0Mγ

(3) zu übertragende Kraft der Schweißverbindung

Fw,Rd = FüK,Ed

1

35


1

(4) Abschätzung der Kehlnahtdicke aw nach DIN 18800 T.1

iw dmin*7,0amm2 ≤≤

5,0dmaxa iw −≥

(5) Festlegung des geeigneten Schweißzusatz-werkstoffes nach Tabelle A4

(6) Ermittlung der Grenzkraft Fw,Rd [N/mm²] in Abhängigkeit der 0,2 % - Dehngrenze fy,k des Schweißschutzgases nach Hersteller-

unterlagen

Fw,Rk = fy,k * [1mm]

0M

Rk,wRd,w

FF

γ=

TSBW = 1,1 nach EC 3 Mwγ

(8) Ermittlung der Kehlnahtquerschnittsfläche für eine Seite der Verbindung

Aw = 0,5774*aw²

(10) Abschätzung des Raupenquerschnittes ARin Abhängigkeit von I, U, vw sowie des Drahtdurchmessers und des Schutzgases

nach Abb. A8

(7) Ermittlung der notwendigen Gesamtkehlnahtdicke waΣ

Rd,w

Ed,üKw F

Fa =Σ

(8) Auswahl des Schweißstroms I [A], -spannung U [V], -geschwindigkeit vw [cm/min] bzw. des Drahtvorschubes nach Abb. A4, A5 und Abb. A6, A7

(11) Ermittlung der Lagenanzahl der Kehlnaht

R

wL A

AschnittRaupenquer

nittahtquerschlnKehnhlLangenanza ===

Neuauswahl

2

36


(12) Ermittlung der Wärmeeinbringung Q

(13) Ermittlung der Mindestvorwärmtemperatur Tp bzw. Ti

( ) 330Q*32CET*53HD*6235dtanh160CET*700oderTT 35,0

iP −−++⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+=

- Kohlenstoffäquivalent CET anhand Werkstoffblatt des Stahls mit der höheren Festig-keit ermitteln siehe Anmerkungen im Anhang zu Abschnitt 3

- Wasserstoffgehalt HD des Schweißgutes auswählen siehe Anmerkung im Anhang zu Abschnitt 3

- bei verschiedener Blechdicke ist der Mittelwert d zu ermitteln, 10 mm90dmm ≤≤

wvI*U*kQ =

mit therm. Wirkungsgrad k nach Tabelle A5 in Abhängigkeit des Schweißverfahrens

(14) Vorwärmtemperatur T0

(15) Ermittlung der Abkühlzeit für Wärmeableitung - dreidimensional

( ) 300

0D3,5/8 F*T800

1T500

1*Q*T*56700t ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−−

−=

- zweidimensional

( ) 2

2

0

2

02

25

0D2,5/8 F*T800

1T500

1*dQ*10*T*3,44300t

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−=

Nahtfaktoren F3 und F2 nach Tabelle A6

T0 ≥ TP bzw. Ti

(16) Ermittlung der maximalen Abkühlzeit t8/5

t8/5 = max (t8/5,2D ; t8/5,3D)

(17) Nachweis der Kehlnaht durch Vergleich der maximalen Abkühlzeit max t8/5 mit

der empfohlenen Abkühlzeit t8/5 nach Tabelle A7

max t8/5 im Bereich von t8/5

nein EM1

nein EM2

2

ja


37


5 Darstellung von Kehlnahtbemessungskonzepten Der folgende Abschnitt soll einen Vergleich der vorgestellten Bemessungskonzepte ermögli-chen. Anhand einer vorgegebenen Beispielaufgabe sollen im Abschnitt 5.1 die Bemessungs-konzepte der TGL, DIN und EC 3 miteinander verglichen werden. Im Abschnitt 5.2 das Be-messungskonzept für Mismatch - Verbindung mit dem Konzept nach den ZIS - Mitteilungen.

5.1 Kehlnahtbemessung nach TGL, DIN und EC

Abbildung 25 - Geometrie und System für das vergleichende Beispiel nach TGL, DIN, EC

Eingangsgrößen: Schnittgrößen in den Nahtachsen aus den Systemschnittgrößen: F = N = 120 kN V = Q = 100 kN M = 10 kNm Geometrische Größen: GW 1 → s1 = t1 = 12 mm GW 2 → s2 = t2 = 16 mm l = b = 250 mm Stahlauswahl nach Tabelle A1:

GW 1 → Zeile 3 Streckgrenze 240 N/mm² Zugfestigkeit 360 N/mm² GW 2 → Zeile 6 Streckgrenze 355 N/mm² Zugfestigkeit 510 N/mm Teilsicherheitsfaktoren und Teilsicherheitsbeiwerte nach Tabelle 2 38


5.1.1 TGL 13500 / 01 Die Berechnung erfolgt nach den gegebenen Teilschritten innerhalb des Flussdiagramms im Ab-schnitt 2.

Beispiel entsprechend Flussdiagramm

Bemessungswerte der Schnittgrößen

kNm111,1*kNm10*MS

kN1101,1*kN100*QS

kN1321,1*kN120*FS

fM

fQ

fF

==γ=

==γ=

==γ=

1

Festlegung der Ausführungsklasse und Stahlsorte

AK B II für hohe Beanspruchungen Stahlauswahl nach Tabelle A1: GW 1 → Zeile 3 Streckgrenze 240 N/mm² Zugfestigkeit 360 N/mm² GW 2 → Zeile 6 Streckgrenze 355 N/mm² Zugfestigkeit 510 N/mm²

2

konstruktive Festlegung der Nahtdicke a und Nahtlänge l

sowie deren Überprüfung

Nahtdicke a:

mm4,8amaxmm12*7,0amaxsmin*7,0amax

≤≤≤

mm0,2mm5,3aminmm0,25,0mm16amin

mm0,25,0smaxamin

≥≥

≥−≥

≥−≥

→ Auswahl a = 6 mm

Nahtlänge l: l=250 mm gegeben

mm600mm250mm60mm6*100lmm6*10

a*100la*10

≤≤≤≤

≤≤

3

39


Ermittlung der Nahtspannungen

e*IS

AS

W

M

W

F1 +=σ⊥

2W

W

W

W

mm3000A

mm250*mm6*2Al*a*2A

mm125el*aA

=

=

=

=Σ=

46W

3

W

3

W

mm10*625,15I

2*12

)mm250(*mm6I

n*12

h*bI

=

=

=

21

46

6

2

3

1

mm/N132

mm125*mm10*625,15

Nmm10*11mm3000

N10*132

=σ

+=σ

⊥

⊥

2II

2

3

II

W

QII

mm/N67,36mm3000

N10*110

AS

=τ

=τ

=τ

4

Ermittlung der Normtragfähigkeiten n

iR

m

dnin

i*RRγγ

=

inf. Zug / Druck, N ≤ 1000 2n mm/N240R

1=

⊥σ

inf. Schub, N ≤ 1000 2n mm/N168RII=τ

2n

2n

m

dn

n

mm/N7,208R

15,10,1*mm/N240R

*RR

1

1

1

1

=

=

γ

γ=

⊥

⊥

⊥

⊥

σ

σ

σσ

5

40


41

2n

2n

m

dn

n

mm/N09,146R

15,10,1*mm/N168R

*RR

II

II

II

II

=

=

γ

γ=

τ

τ

ττ

5

Nachweis der Kehlnaht

ennachgewiesahtlnKeh1,168,0

1,1mm/N09,146mm/N67,36

mm/N7,208mm/N132

1,1RR

2

2

22

2

2

2

nII

2

n1

II1

≤

≤⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

≤⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ τ+

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ σ

τσ

⊥

⊥

6


5.1.2 DIN 18800 Teil 1 Die Berechnung erfolgt nach den gegebenen Teilschritten innerhalb des Flussdiagramms im Ab-schnitt 2.



kNm5,1335,1*kNm10*MMkN13535,1*kN100*VVkN16235,1*kN120*NN

Fd

Fd

Fd

==γ=

==γ=

==γ=

1

Festlegung der Stahlsorte

Stahlauswahl nach Tabelle A1: GW 1 → Zeile 3 Streckgrenze 240 N/mm² Zugfestigkeit 360 N/mm² GW 2 → Zeile 6 Streckgrenze 355 N/mm² Zugfestigkeit 510 N/mm²

2


sowie deren Überprüfung Nahtdicke a:

mm4,8amm2mm12*7,0amm2tmin*7,0amm2

≤≤≤≤≤≤

→ Auswahl a = 6 mm Nahtlänge l: l=250 mm gegeben

mm900lmaxmm6*150lmax

a*150lmax

mm30mm36lminmm30mm6*6lmin

mm30a*6lmin

≤≤≤

≥≥≥≥

≥≥

3 mm5,3amin5,0mm16a

5,0tmaxa

≥

−≥

−≥

min

min

42



e*IM

AN

W

d

W

d +=σ⊥

2W

W

W

W

mm3000A

mm250*mm6*2Al*a*2A

mm125el*aA

=

=

=

=Σ=

46W

3

W

3

W

mm10*625,15I

2*12

)mm250(*mm6I

n*12

h*bI

=

=

=

2

46

6

2

3

mm/N162

mm125*mm10*625,15

Nmm10*5,13mm3000

N10*162

=σ

+=σ

⊥

⊥

2II

2

3

II

W

dII

mm/N45

mm3000N10*135

AV

=τ

=τ

=τ

2v,w

2222v,w

2II

2v,w

mm/N13,168

)mm/N45()mm/N162(

=σ

+=σ

τ+σ=σ ⊥

4

Festlegung des Beiwertes der Grenzschweißnahtspannung wα

95,0w =α

5

Ermittlung der Grenzschweißnahtspannung d,R,wσ

M

k,ywd,R,w

f*γ

α=σ

2d,R,w

2

d,R,w

mm/N27,2071,1mm/N240*95,0

=σ

=σ

6

43



ennachgewiesahtlnKeh181,0

1mm/N27,207mm/N13,168

1

2

2

d,R,w

v,w

≤

≤

≤σ

σ

7

44


5.1.3 EC 3 Teil 1-1 Die Berechnung erfolgt nach den gegebenen Teilschritten innerhalb des Flussdiagramms im Ab-schnitt 2.




1


2Sd,II

2Sd,Sd

GSd

GSd

GSd

VNF


+=

==γ=

==γ=

==γ=

⊥

mm/N540Vmm250

N10*135V

lV

V

mm/N1944N6/)mm250(

Nmm10*5,13mm250

N10*162N

6/lM

lN

N

Sd,II

3

Sd,II

SdSd,II

Sd,

2

63

Sd,

2SdSd

Sd,

=

=

=

=

+=

+=

⊥

⊥

⊥

mm/N61,2017F)mm/N540()mm/N1944(F

Sd

22Sd

=

+=

2



mm3amin ≥ → Auswahl a = 6 mm

3

45

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Nahtlänge l: l=100 mm gegeben


mm40a*6lmin

≥≥≥≥

≥≥

3

Festlegung des Korrelationsfaktors wβ

8,0w =β

4

Ermittlung der Grenzkraft Rd,wF

n*a*fF d,vwRd,w =

2d,vw

2

d,vw

2k,u

Mww

k,ud,vw

mm/N85,207f25,1*8,0*3

mm/N360f

mm/N360f

**3

ff

=

=

=

γβ=

mm/N15,2494F2*mm6*mm/N85,207F

Rd,w

2Rd,w

=

=

5



1mm/N15,2494mm/N61,2017

1FF

Rd,w

Sd

≤

≤

≤

6

46


5.1.4 EC 3 Teil 1-1- Anhang M Die Berechnung erfolgt nach den gegebenen Teilschritten innerhalb des Flussdiagramms im Ab-schnitt 2.




Gsd

Gsd

Gsd

==γ=

==γ=

==γ=

1



2



mm3amin ≥

→ Auswahl a = 6 mm Nahtlänge l: l=250 mm gegeben


mm40a*6lmin

≥≥≥≥

≥≥

3


e*I

MAN

W

sd

W

sd +=σ⊥

2W

W

W

W

mm3000A

mm250*mm6*2Al*a*2A

mm125el*aA

=

=

=

=Σ=

4

47


46W

3

W

3

W

mm10*625,15I

2*12

)mm250(*mm6I

n*12

h*bI

=

=

=

2

46

6

2

3

mm/N162

mm125*mm10*625,15

Nmm10*5,13mm3000

N10*162

=σ

+=σ

⊥

⊥

2II

2

3

II

W

sdII

mm/N45

mm3000N10*135

AV

=τ

=τ

=τ

4

Festlegung des Korrelationsfaktors wβ

8,0w =β

5

Ermittlung der Grenzkraft Rd,wf

Mww

k,uRd,w *

ff

γβ=

2k,u mm/N360f =

2Rd,w

2

Rd,w

mm/N360f25,1*8,0mm/N360f

=

=

6


ennachgewiesahtlnKehmm/N288mm/N16225,1

mm/N360

f

1499,0mm/N360

mm/N78,179mm/N360mm/N78,179

f)mm/N45(*3)mm/N162(

f*3

22

2Mw

k,u

2

222

Rd,w2222

Rd,w2II

2

≤

≤σ

γ≤σ

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡≤=≤

≤+

≤τ+σ

⊥

⊥

⊥

7

48


5.1.5 Gegenüberstellung der Ergebnisse und Bewertung der ver-wendeten Bemessungskonzepte

In diesem Abschnitt sollen die Ergebnisse der vorhergehenden Bemessungen in einer Tabel-le zusammengefasst und gegenübergestellt werden. Dabei werden die einzelnen Bemes-sungskonzepte zusätzlich anhand der aufgeführten Kriterien beurteilt.

Tabelle 5 - Vergleich der Bemessungskonzepte nach TGL, DIN und EC

EC 3 T.1-1 Bewertungskriterien

TGL 13500 / 01

DIN 18800 T.1 EC 3 T.1-1 Anhang M

Abbildung vorhandener Beanspruchung

+ + + +

Sicherheitsfaktoren und Beiwerte

-/+ + + +

konstruktive Annahmen + + -- -- Entscheidungs-

möglichkeiten innerhalb der Bemessung

- - - -

Aufwand zur Überprüfung getroffener Annahmen

+ + + +

Abbildung höherfester Feinkornbaustähle

-- - - -

Abbildung von Mismatch - Verbindungen

-- -- -- --

ermittelter Ausnutzungs-grad

68% + 81% ++ 81% ++ 50% --

Fehleranfälligkeit + + + + Anzahl der Arbeitsschritte 6 7 6 7

Zeitaufwand + + + ++ ++ - sehr gut bzw. sehr gering -- - sehr schlecht bzw. sehr hoch + - gut bzw. gering - - schlecht bzw. hoch Anhand des in Tabelle 5 aufgestellten Vergleiches stellte sich heraus, dass alle Bemes-sungskonzepte in verfahrensspezifischen Kriterien wie Zeitaufwand, Anzahl der Arbeits-schritte und Fehleranfälligkeit, eine gleich gute Stellung einnehmen. Das alternative Bemes-sungskonzept des EC 3 T.1-1 Anhang M zeigt dabei einen Vorteil im Zeitaufwand gegenüber den anderen Konzepten auf. Die Aufwendigkeit der einzelnen Berechnungen sowie der Aufstellung und Überprüfung von Annahmen innerhalb der Bemessungskonzepte erwies sich bei allen als gleichmäßig gering.

49

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Innerhalb der zutreffenden konstruktiven Annahmen erwiesen sich die Konzepte zur Bemes-sung nach TGL 13500 01 und DIN 18500 T.1 als vorteilhaft. Hier werden ausreichende Mög-lichkeiten zur Festlegung geometrischer Größen, wie z. B. die Nahtdicke a, gegeben. Bei beiden Bemessungskonzepten des EC 3 werden für den Anwender nur mangelhafte Vorga-ben aufgeführt. Weiterhin ist dem Anwender bei der Nutzung der einzelnen Konzepte keine Möglichkeit ge-geben, während der Bemessung auf das Ergebnis an sich einzuwirken. Dies bedeutet, alle Annahmen die getroffen werden, egal ob geometrisch oder materialspezifisch, können inner-halb der Berechnung nicht revidiert werden. Aus statischer Sicht, das heißt in Bezug auf die Beachtung der Beanspruchungen, zeigt sich, dass alle Bemessungskonzepte gleichmäßig gut die Beanspruchungen der Kehlnaht abbil-den. Im Bereich der Sicherheitsfaktoren (TSF und TSBW siehe Tabelle 2) erwies sich das Bemessungskonzept nach TGL 13500 / 01 als einziges nachteilig. Der Grund für diese Aus-sage folgt aus den Bereichsangaben der Teilsicherheitsfaktoren, somit ist es dem Anwender überlassen, den TSF festzulegen. Alle Bemessungskonzepte beinhalten bestimmte Beiwerte zur Berücksichtigung der Materialeigenschaften des Grundwerkstoffes. Bei der TGL 13500 / 01 sind diese bereits in der Normfestigkeit Ri

n beinhaltet. Die übrigen Bemes-sungskonzepte führten Abminderungsfaktoren ( wα , wβ ) ein.

Auf Grund der ständigen Entwicklung innerhalb der Stahlherstellung ist es wichtig, die Mög-lichkeit zur Beachtung neuer, das heißt höherwertiger, Stahlwerkstoffe innerhalb der Bemes-sungskonzepte zu beurteilen. Hierzu wurden die Kriterien zur Möglichkeit der Einbringung von Feinkornbaustählen und Mismatch - Verbindungen aufgestellt. Innerhalb der hier aufge-führten Bemessungskonzepte zeigt sich nicht eins, welches für die Verwendung von höher-festen bzw. höchstfesten Feinkornbaustählen generell geeignet wäre. Es besteht allerdings die Möglichkeit, durch spezielle Einzelzulassungen für höherfesten bzw. höchstfesten Fein-kornbaustähle eine Kehlnahtbemessung nach dem Konzept der DIN 18800 T.1 und auch beider Konzepte des EC 3 T.1-1 zu führen. Neben der Beachtung höherfesten bzw. höchstfesten Feinkornbaustähle erlangen auch so genannte Mismatch - Verbindungen immer mehr an Bedeutung im Stahlbau. Allerdings können alle vier Bemessungskonzepte diese Art von Verbindungen nicht berücksichtigen. Dies äußert sich durch den Nachweis des Grundwerkstoffes, der stets mit den Kennwerten des Stahls mit der niedrigeren Streckgrenze geführt wird. Aus statischer, aber vor allem ökonomischer Sicht wurde der Ausnutzungsgrad als ein weite-res Kriterium mit aufgeführt. Dieses Kriterium ist im Vergleich der einzelnen Bemessungs-konzepte am wirkungsvollsten. Somit konnte erkannt werden, dass die Konzepte der Kehl-nahtbemessung nach DIN 18800 T.1 und EC 3 T.1-1 gleichwertig sind. Das Bemessungs-konzept der TGL 13500 / 01 ist mit einer geringeren Auslastung nachteiliger, wobei der Un-terschied im Zeitpunkt der Entwicklung des Bemessungskonzeptes dabei seinen Anteil trägt.

50

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Der EC 3T.1-1 hat ein Alternativverfahren zur Bemessung erarbeitet, welches jedoch zu einem sehr geringen Auslastungsgrad führt, aber geringere Schweißnahtdicken zulässt. So-mit kommt es innerhalb des EC 3 T.1-1 zu zwei unterschiedlichen Ergebnissen für die glei-che Bemessung. Es bleibt dem Anwender überlassen, welches der beiden Verfahren des EC 3 T.1-1 er anwendet. Abschließend lässt sich feststellen, dass die Bemessungskonzepte der DIN 18800 T.1 und des EC 3 T.1-1 in der Summe der Bewertung gleichwertig gut sind und zu Bemessung einer Kehlnaht empfohlen werden. Dagegen ist das Konzept nach TGL 13500 / 01 und das Alter-nativkonzept nach EC 3 T.1-1 Anhang M, auf Grund der erwähnten Nachteile weniger zu empfehlen.

51


5.2 Kehlnahtbemessung nach dem Konzept für Mismatch - Ver-bindung und nach ZIS - Mitteilungen

Abbildung 26 - Geometrie und System für das vergleichende Beispiel nach Mismatch - Verbin-dungen und ZIS - Mitteilungen

Eingangsgrößen: Schnittgröße in der Nahtachse aus der Systemschnittgröße: F = N = 200 kN Geometrische Größen: GW 1 → s1 = d1 = 12 mm GW 2 → s2 = d2 = 16 mm

l = b = 80 mm Stahlauswahl nach Tabelle A1: GW 1 → Zeile 6 Streckgrenze 355 N/mm² Zugfestigkeit 510 N/mm²

GW 2 → Zeile 16 Streckgrenze 460 N/mm² Zugfestigkeit 530 N/mm² Schweißverfahren und Schweißzusatzwerkstoff:

MAG - Schweißen mit G 50 3 M G4Si1 nach EN 440 [19] Streckgrenze 500 N/mm² Zugfestigkeit 560 N/mm² 0,2 % Dehngrenze 420 N/mm² Teilsicherheitsfaktoren und Teilsicherheitsbeiwerte nach Tabelle 2

52


5.2.1 Bemessungskonzept nach ZIS - Mitteilungen Die Berechnung erfolgt nach den gegebenen Teilschritten innerhalb des Flussdiagramms im Ab-schnitt 3.


vorhandene Belastung F kN200F =

1

Festlegung der Grundwerkstoffe und Ausführungsklasse

Geometrische Größen: GW 1 → s1 = 12 mm GW 2 → s2 = 16 mm

b = 80 mm Stahlauswahl nach Tabelle A1: GW 1 → Zeile 6 Streckgrenze 355 N/mm² Zugfestigkeit 510 N/mm² GW 2 → Zeile 16 Streckgrenze 460 N/mm² Zugfestigkeit 530 N/mm² AK B II für hohe Beanspruchungen

2

Ermittlung der vorhandenen Spannung GWσ im Grundwerk-

stoff

2GW

3

GW

1GW

mm/N33,208mm80*mm12N10*200

b*sF

AF

=σ

=σ

==σ

3

Ermittlung der ertragbaren Spannung ertrGWσ im schwäche-

ren Grundwerkstoff

2ertrGW mm/N280=σ

4

53


Nachweis des schwächeren Grundwerkstoffes

ennachgewiestoffGrundwerks174,0

1mm/N280

mm/N33,208

1

2

2

ertrGw

GW

ertrGWGW

≤

≤

≤σσ

σ≤σ

5

Ermittlung der ertragbaren Kraft Fertr des schwächeren

Grundwerkstoffes

N10*8,268F

mm80*mm12*mm/N280F

b*s*A*F

3ertr

2ertr

1ertrGWertrGWertr

=

=

σ=σ=

6

Festlegung des Schweißverfahrens und Schweißzusatzwerk-

stoffe MAG - Schweißen mit G 50 3 M G4Si1 nach EN 440 [19] Streckgrenze 500 N/mm²

7

konstruktive Festlegung der Nahtdicke a und Nahtlänge l so-

wie deren Überprüfung

Nahtdicke a:

mm4,8amaxmm3mm12*7,0amaxmm3smin*7,0amaxmm3

≤≤≤≤≤≤

mm5,1mm5,3aminmm5,15,0mm16amin

mm5,15,0smaxamin

≥≥

≥−≥

≥−≥

→ Auswahl a = 5 mm Nahtlänge l: l = 80 mm gegeben

mm500mm100mm50mm5*100lmm5*10

a*100la*10

≤≤≤≤

≤≤

8

54


Abschätzung des Tiefeneinbrandes a tief

mm7amm2mm5a

zaa

tief

tief

tief

=

+=

+=

9

Ermittlung und Überprüfung des Verhältnisses der Naht- di-

cke a zum Tiefeneinbrand a tief

5,071,00,1

5,0mm7mm50,1

5,0a

a0,1tief

≥≥

≥≥

≥≥

10

Ermittlung der Korrekturbeiwerte k1 und k2

42,0mm12mm5

sa

71,0a

a

1

tief

==

=

→ k1 ≈ 0,18 → k2 ≈ 0,16

11

Ermittlung der vorhandenen Spannung 1σ am Nahtübergang

und 2σ an der Nahtwurzel

21

3

1

1

11

mm/N55,238mm80*mm12*1572,0

18,0*N10*200

b*s*1572,0k*F

=σ

=σ

=σ

22

3

2

1

22

mm/N04,212mm80*mm12*1572,0

16,0*N10*200

b*s*1572,0k*F

=σ

=σ

=σ

12

55

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Ermittlung der ertragbaren Spannung des Schweißgutes am

Nahtübergang ertr1σ und an der Nahtwurzel ertr2σ

2ertr2ertr1

Eertr2ertr1

mm/N500

Rmin

=σ=σ

=σ=σ

13


148,0

1mm/N500

mm/N55,238

1

2

2

ertr1

1

ertr11

≤

≤

≤σσ

σ≤σ


1mm/N500

mm/N04,212

1

2

2

ertr2

2

ertr22

≤

≤

≤σσ

σ≤σ

14

Ermittlung der erforderlichen Korrekturfaktoren k1 und k2

13,0kN10*8,268

mm80*mm12*1572,0*mm/N55,238k

Fb*s*1572,0*

k

1

3

2

1

ertr

111

=

=

σ=

12,0kN10*6,225

mm80*mm12*1570,0*mm/N04,212k

Fb*s*1572,0*

k

2

3

2

2

ertr

122

=

=

σ=

15

56

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A optimales Verhältnis von Nahtdicke a zu Tiefeneinbrand a tief

7,0a

a

tief=

Ermittlung des Verhältnisses der Nahtdicke a zur Proben-

dicke s1 nach [17]

3433,0sa

6997,013,0*7811,313,0*444,913,0*079,8sa

6997,0k*7811,3k*4442,9k*079,8sa

1

1

23

1

1

121

31

1

1

=

+−+−=

+−+−=

4470,0sa

8196,012,0*210,412,0*1805,1012,0*2952,9sa

8196,0k*210,4k*1805,10k*2952,9sa

1

2

23

1

2

222

32

1

2

=

+−+−=

+−+−=

Ermittlung der erforderlichen Nahtdicke a1 am Nahtübergang

und a2 an der Nahtwurzel

mm12,4amm12*3433,0a

s*3433,0a

1

1

11

=

=

=

mm36,5amm12*4470,0a

s*4470,0a

2

2

12

=

=

=

Ermittlung erforderliche Nahtdicke erf a

mm4,5aerf

mm36,5aerf)mm36,5;mm12,4max(aerf

)a,a(maxaerf 21

=

==

=

15

Optimierung der Kehlnaht über die Nahtdicke a

gOptimierunkeinemm5mm4,5aaerf≥

≤

16

57


5.2.2 Bemessungskonzept für Mismatch - Verbindungen Die Berechnung erfolgt nach den gegebenen Teilschritten innerhalb des Flussdiagramms im Ab-schnitt 4.


Angaben zu den Grundwerkstoffen

Stahlauswahl nach Tabelle A1: GW 1 → Zeile 6 Streckgrenze 355 N/mm² GW 2 → Zeile 16 Streckgrenze 460 N/mm²

1

Bemessungswert der zu übertragenden Kraft FEd

mm/N3375Fmm80

N10*270F

lF

F

kN27035,1*kN200*FF

Ed

3

Ed

EdEd

GEd

=

=

=

==γ=

2-2

zu übertragende Kraft der Schweißverbindung Fw,Rd

mm/N3375FFF EdEd,üKRd,w ===

3

Abschätzung der Kehlnahtdicke aw

mm4,8amm2mm12*7,0amm2dmin*7,0amm2

w

w

w

≤≤

≤≤

≤≤

mm5,3a5,0mm16a

5,0dmaxa

w

w

w

≥

−≥

−≥

→ Auswahl aw = 5 mm

4

Schweißverfahren und Schweißzusatzwerkstoff:

MAG - Schweißen mit G 50 3 M G4Si1 nach EN 440 [19] 0,2 % Dehngrenze 420 N/mm²

5

58


Ermittlung der Grenzkraft Fw,Rd in Abhängigkeit der 0,2% Dehngrenze des Schweißgutes

mm/N82,381F1,1

mm/N420F

FF

mm/N420Fmm1*mm/N420F

]mm1[*fF

Rd,w

Rd,w

Mo

Rk,wRd,w

Rk,w

2Rk,w

k,yRk,w

=

=

γ=

=

=

=

6

Ermittlung der notwendigen Gesamtkehlnahtdicke waΣ

mm84,8amm/N82,381mm/N3375a

FF

a

w

w

Rd,w

Ed,üKw

=Σ

=Σ

=Σ

mm42,4a2mm84,8a

na

a

w

w

ww

=

=

Σ=

→ Auswahl notwendige Nahtdicke aw = 5 mm

7

Ermittlung der Kehlnahtquerschnittsfläche Aw (einseitig)

2w

2w

2ww

mm435,14A

)mm5(*5774,0A

a*5774,0A

=

=

=

8

Auswahl von Schweißparametern

Drahtdurchmesser Ø = 1,2 Schweißstrom I = 300 A Schweißspannung U = 30 V Drahtvorschub vz = 10,5 m/min Schweißgeschwindigkeit vw = 35 cm/min

9

59


Abschätzung des Raupenquerschnittes AR

2R mm34A =

10

Lagenanzahl der Kehlnaht

4,0nmm34

mm435,14n

AA

n

L

2

2

L

R

wL

=

=

=

→ Schweißnaht in einer Lage geschweißt

11

Ermittlung der Wärmeeinbringung Q

mm/kJ2343,1Qcm/J9,12342Q

60*min/cm35

A300*V30*8,0Q

vI*U*kQ

w

==

=

=

→ vw in cm/s

12

Ermittlung der Mindestvorwärmtemperatur Tp (einlagige

Kehlnaht)

( ) 330Q*32CET*53.....

.....HD*6235dtanh160CET*700T 35,0

P

−−

++⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+=

mm14d2

mm16mm12d

2ddd

4HD

2684,0CET400291,0

2500151,00485,0

10005,038,1126,0CET

40Ni

20CuCr

10MoMnCCET

21

=

+=

+=

=

=

++

++

+=

++

++

+=

13

60


61

( )

C54,2T

330s/kJ2343,1*322684,0*53.....

.....4*6235mm14tanh1602684,0*700T

p

35,0P

°−=

−−+

++⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+=

→ keine Mindestvorwärmtemperatur nötig

13

Vorwärmtemperatur T0

p0 TT ≥

→ Tp nicht nötig, Raumtemperatur wird maß- gebend

C20T0 °≥

→ Auswahl T0 = 20 °C

14

Ermittlung der Abkühlzeit t8/5

- dreidimensional

F3 = 0,67

( )

s374,4t

67,0*C20800

1C20500

1*.....

.....*s/kJ2343,1*C20*56700t

D3,5/8

D3,5/8

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛°−

−°−

°−=

- zweidimensional

( )

2

2

0

2

0

2

25

0D2,5/8

F*T800

1T500

1.....

.....*dQ*10*T*3,44300t

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−=

F2 = 0,67

15

( ) 300

0D3,5/8 F*T800

1T500

1*Q*T*56700t ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−−

−=


( )

s918,5t

67,0*C20800

1C20500

1*.....

.....*)mm14(

)s/kJ2343,1(*10*C20*3,44300t

D2,5/8

22

2

25

D2,5/8

=

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛°−

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛°−

°−=

15

Ermittlung der maximalen Abkühlzeit t8/5

( )

s6t

s918,5tt;tmaxt

5/8

5/8

D2,5/8D3,5/85/8

=

=

=

16

Nachweis der Kehlnaht maximale Abkühlzeit t8/5 = 6 s empfohlene Abkühlzeit für GW 2 t8/5 = 5 s – 25 s → s25s6s5 ≤≤ Kehlnaht nachgewiesen

17

Nachweis des schwächeren Grundwerkstoffes (GW1) erfolgt nach dem Bemessungskonzept des EC 3 T.1-1-Anhang M.


Bemessungswert der Schnittgröße

kN27035,1*kN200*NN Gsd ==γ=

1



2

62


konstruktive Festlegung der Nahtdicke a und Nahtlänge l sowie deren Überprüfung

Nahtdicke a: → Auswahl a = 5 mm entspricht Nahtdicke aw im Punkt 3 und 6 Nahtlänge l: l = 80 mm gegeben


mm40a*6lmin

≥≥≥≥

≥≥

3


W

sd

AN

=σ⊥

2W

W

W

W

mm800A

mm80*mm5*2Al*a*2A

l*aA

=

=

=

Σ=

2

2

3

mm/N5,337mm800

N10*270

=σ

=σ

⊥

⊥

4

Ermittlung der Grenzkraft für GW 1 Rd,wf

Mw

k,uRd,w

ff

γ=

2Rd,w

2

Rd,w

mm/N408f25,1

mm/N510f

=

=

Anmerkung: ohne Korrelationsfaktor wβ , zum Festigkeitsnachweis des Grund-werkstoffes

6

63



ennachgewiestoffGrundwerksmm/N408mm/N5,337

f22

Rd,w

≤

≤σ⊥

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡≤= 183,0

mm/N408mm/N5,337

2

2

7

64


5.2.3 Gegenüberstellung der Ergebnisse und Bewertung der ver-wendeten Bemessungskonzepte

In diesem Abschnitt sollen die Ergebnisse der vorhergehenden Bemessungen in einer Tabel-le zusammengefasst und gegenübergestellt werden. Dabei werden die einzelnen Bemes-sungskonzepte zusätzlich anhand der aufgeführten Kriterien beurteilt.

Tabelle 6 - Vergleich der Bemessungskonzepte nach ZIS - Mitteilungen und für Mismatch - Verbindungen

Bewertungskriterien ZIS - Mitteilung Mismatch - Verbindungen

Abbildung vorhandener Beanspruchung

+ +

Sicherheitsfaktoren und Beiwerte

-/+ +/-

konstruktive Annahmen + + Entscheidungsmöglichkeiten

innerhalb der Bemessung - -

Aufwand zur Überprüfung getroffener Annahmen

+ +

Abbildung höherfester Feinkornbaustähle

- ++

Abbildung von Mismatch - Verbindungen

- ++

ermittelter Ausnutzungsgrad im Grundwerkstoff

74% 83% (nach EC 3 T.1-1)

ermittelter Ausnutzungsgrad im Schweißgut

Ø 45% k. A.

Fehleranfälligkeit -- + Anzahl der Arbeitsschritte 16 17

Zeitaufwand + - ++ - sehr gut bzw. sehr gering -- - sehr schlecht bzw. sehr hoch + - gut bzw. gering - - schlecht bzw. hoch Anhand des in Tabelle 6 ausgestellten Vergleiches stellte sich heraus, dass sich beide Be-messungskonzepte in der Berücksichtigung der vorhandenen Beanspruchung als gleichwer-tig erweisen. Dagegen zeigen sich bei der Betrachtung der verwendeten Sicherheitsfaktoren und Beiwerte einige Unterschiede auf. Während beim Bemessungskonzept nach den ZIS - Mitteilungen

65

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Beiwerte zur Berücksichtigung von Materialeigenschaften der Grundwerkstoffe bereits in den ertragbaren Spannungen nach TGL 14915 / 01 bedacht sind, werden im Konzept für

die Mismatch - Verbindungen keine Abminderungsbeiwerte vorgesehen. Sicherheitsfaktoren sind dagegen im Bemessungskonzept nach den ZIS - Mitteilungen nicht berücksichtigt. Bei dem Mismatch - Verbindungen werden die Teilsicherheitsbeiwerte nach EC 3 T.1-1 verwen-det. Zusätzlich beinhaltet das Bemessungskonzept nach ZIS - Mitteilungen noch Korrektur-beiwerte k

ertrGWσ

1 und k2, um experimentell ermittelte Extremwerte der Belastungsverteilung im gefährdeten Querschnitt des Nahtgutes mit einer Abminderung durch nutzbare plastische Verformungsanteile zu berücksichtigen. Wiegt man die angesetzten Sicherheitsfaktoren und Beiwerte beider Konzepte miteinander auf, so stellen sich beide als gleichwertig dar. Jedoch sei im Bezug auf die Korrekturbeiwerte k1 und k2 darauf hingewiesen, dass die dazu gege-benen Diagramme (Abbildung A2 und A3) und die darin beinhalteten Formeln nicht in sich stimmig sind (siehe dazu Abschnitt 6). Konstruktive Annahmen werden sowohl im Bemessungskonzept nach ZIS - Mitteilungen als auch für Mismatch - Verbindungen beiderseits gut angeführt. Bei der Berechnung nach den einzelnen Konzepten zeigt sich, dass bei Beiden getroffene Annahmen mit geringem Aufwand überprüft werden können. Nachteilig zeigt sich bei jedem Bemessungskonzept der Sachverhalt, dass eigens getroffene Annahmen (wie Schweißver-fahren, Schweißzusatzwerkstoffe) nicht ohne großen Aufwand bei der Berechnung geändert werden können. Wie auch im Abschnitt 5.1.5 wurden hier die Kriterien zur Beurteilung der Verwendung von neueren höherwertigeren Werkstoffen (z. B. höherfeste Feinkornbaustähle) und deren Ver-bindung mit geringerwertigen Werkstoffen (Mismatch - Verbindungen) vorgesehen. Jedoch ist eine objektive Bewertung nicht möglich. Begründet wird dies, wenn man die Entstehungs-zeiten der beiden Bemessungskonzepte berücksichtigt. So stellte das ZIS sein Bemes-sungskonzept im Jahre 1986 vor. Dagegen wurde die Untersuchung und Bemessung von Mismatch - Verbindungen im Jahre 2003 veröffentlicht und wurde auch aus den eben ge-nannten Kriterien beauftragt. Verfahrensspezifische Kriterien zeigten nur in der Anzahl der Arbeitsschritte eine annähern-de Gleichwertigkeit. Betrachtet man die Fehleranfälligkeit, so ist das Konzept nach den ZIS - Mitteilungen nachteilig behaftet. Begründet ist dies in der Bestimmung der Korrekturbeiwerte k1 und k2 durch die Ablesung aus den Diagrammen innerhalb eines kleinen Wertebereiches. Dagegen muss erwähnt werden, dass es beim Konzept für Mismatch - Verbindungen zu einem erhöhten Zeitaufwand kommt. Aus statischer, aber vor allem ökonomischer Sicht wurde auch hier der Ausnutzungsgrad als ein weiteres Kriterium mit aufgeführt. Dabei zeigt sich bei der Kehlnahtbemessung nach den ZIS - Mitteilungen eine relativ gute Auslastung des Grundwerkstoffes, aber eine nur mangel-hafte Auslastung des Schweißgutes.

66

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Beim Bemessungskonzept für Mismatch - Verbindungen können solche Aussagen nicht ge-troffen werden, da sich keinerlei solcher Angaben innerhalb des Konzeptes ergeben. Die in der Tabelle 6 aufgeführte Auslastung ist dem EC 3 T.1-1 gutzuschreiben. Zu erwähnen ist weiterhin, dass das Bemessungskonzept nach den ZIS - Mitteilungen als einziges eine Optimierungsrechnung der Schweißnaht anbietet. Jedoch greift diese Optimie-rung nur bei ganz bestimmten Konstellationen aller Parameter und bei Dickblechdicken. Aus der heutigen Sicht zeigt das Bemessungskonzept für Mismatch - Verbindungen deutlich mehr Vorteile für den Benutzer auf. Anzumerken ist jedoch, dass die Überlegungen des ZISs gute Ansätze enthält, die nicht komplett verworfen werden sollten.

67


5.3 Gegenüberstellung aller Ergebnisse der vorgestellten Bemes-sungskonzepte

In diesem Abschnitt sollen alle vorgestellten Bemessungskonzepte entsprechend zu den Abschnitten 5.1.5 und 5.2.3 anhand der Tabellen 7 und 8 miteinander verglichen werden. Unter der Beachtung der Ausführungen in den genannten Abschnitten wird hier eine ab-schließende Wertung vorgenommen.

Tabelle 7 - Vergleich aller vorgestellten Bemessungskonzepte - 1

Abbildung von

Bewertungskriterium Abbildung vor-handener Be-anspruchung

Sicherheits-faktoren und

Beiwerte

konstruktive Annahmen

höherfesten Feinkorn-

baustählen

Mismatch - Verbindungen

TGL 13500 / 01 + -/+ + -- -- DIN 18800 T.1 + + + - -- EC 3 T.1-1 + + -- - -- EC 3 T.1-1-Anhang M + + -- - -- ZIS - Mitteilungen - -/+ + - - Mismatch - Verbin-dungen - +/- + ++ ++ ++ - sehr gut bzw. sehr gering -- - sehr schlecht bzw. sehr hoch + - gut bzw. gering - - schlecht bzw. hoch

Tabelle 8 - Vergleich aller vorgestellten Bemessungskonzepte - 2

Anzahl der Bewertungskriterium Fehleranfälligkeit Zeitaufwand

Arbeitsschritte Auslastungsgrad

TGL 13500 / 01 + + 6 (68%) - DIN 18800 T.1 + + 7 (81%) ++ EC 3 T.1-1 + + 6 (81%) ++ EC 3 T.1-1 - Anhang M + ++ 7 (50%) -- ZIS - Mitteilungen -- + 16 (74%) + Mismatch - Verbindungen + - 17 k. A. ++ - sehr gut bzw. sehr gering -- - sehr schlecht bzw. sehr hoch + - gut bzw. gering - - schlecht bzw. hoch Für die im Stahlbau gängigen Anforderungen an die Schweißverbindungen sind die Bemes-sungskonzepte der DIN 18800 T.1 und des EC 3 T.1-1 besonders empfehlenswert. Die Be-messung nach dem EC 3 T.1-1 - Anhang M ist im Groben gleichwertig gegenüber den bei-den zuvor genannten Bemessungskonzepten. Jedoch ist es auf Grund seiner geringen Aus-lastung nicht zu empfehlen. Das Konzept der TGL 13500 / 01 wurde hier zwar mitbetrachtet, jedoch besteht keinerlei Gültigkeit mehr für eine Anwendung.

68

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Die Bemessungskonzepte nach ZIS - Mitteilungen und für Mismatch - Verbindungen sind vielmehr als Anregungen zu verstehen, da keine gesetzlichen Bindungen vorhanden sind. Beide zeigen neue Ansatzpunkte für eine konkretere Bemessung von Kehlnahtverbindungen auf. Abschließend ist nochmals zu erwähnen, dass die heute gültigen Bemessungskonzepte (DIN und EC) sich bei der Bemessung der Kehlnaht auf die Werkstoffeigenschaften der Grund-werkstoffe beziehen und dabei weder die Materialkennwerte des Schweißgutes noch Schweißparameter und Schweißzusatzwerkstoffe hinzuziehen. Diese Aspekte werden jedoch in dem Bemessungskonzept des ZISs und für Mismatch - Verbindungen bedacht. Der Idealfall eines Bemessungskonzeptes sollte alle Bestandteile einer Schweißverbindung betrachten. Dabei sollte dem Anwender die Möglichkeit geboten werden, je nach Bedeutung der Schweißverbindung zu wählen, ob eine überschlägige, idealisierte Bemessung be-schränkt auf die statische Festigkeit (TGL, DIN, EC) ausreicht oder ob eine konkrete Bemes-sung unter Berücksichtigung von statischen und schweißtechnologischen Aspekten (ZIS, Mismatch - Verbindungen) nötig wird. Abzuschätzen ist in jedem Fall der Zeit-Nutzen-Faktor. Dies bedeutet, neben dem Konstrukteur wird zum Beispiel bei dem Bemessungskonzept für Mismatch - Verbindungen die Anwesenheit eines Schweißfachingenieurs nötig. Der Zeitauf-wand ist bei den herkömmlichen Bemessungsverfahren (TGL, DIN, EC) wesentlich geringer als bei denen des ZISs oder des für Mismatch - Verbindungen. Zusätzlich zu den durch die Normen geforderten Prüfungen von Schweißverbindungen müssen sowohl beim Bemes-sungskonzept des ZISs als auch bei Konzept für Mismatch - Verbindungen ständige Quali-tätskontrollen während der Fertigung geführt werden. Des Weiteren müssen bei der Verwen-dung von höherfesten Feinkornbaustählen die bestehenden Normen und Richtlinien erweitert und verbessert werden. Gleichermaßen wichtig ist die Erweiterung auf Verbindungen mit erheblichen Unterschieden in den Festigkeiten der zu verbindenden Bauteile (Mismatch - Verbindungen).

69


6 Programm zur Kehlnahtbemessung nach ZIS-Richtlinien Ziel dieses Abschnittes ist es, nach den Richtlinien des ZISs ein Programm zu schreiben, um die Kehlnahtbemessung vereinfacht zu durchlaufen. Dafür wurde das Programm Microsoft Excel gewählt. Wie schon im Abschnitt 5.2.3 erwähnt, galt es hier besonders die Unstimmigkeiten innerhalb der Ermittlung der Korrekturbeiwerte k1 und k2 im Zusammenhang mit der Ermittlung des optimierten Verhältnisses a/s1 zu korrigieren. In den Diagrammen (Abb. A2 und A3) des ZISs können die Korrekturbeiwerte abgelesen werden und durch gegebene Formeln das Verhält-nis a/s1 ermittelt werden. Durch eingehende Prüfungen der Formeln und der dargestellten Kurven wurden starke Unstimmigkeiten entdeckt. Im Einzelnen ergaben dabei z.B. die um-gestellten Formeln von a/s1 zu k1, nicht annährend gleiche Werte wie bei der Ablesung aus dem Diagramm. Des Weiteren führt eine Diagrammablesung stets zu einer subjektiven Feh-lerquelle. Aus diesen Aspekten heraus wurde versucht, die durch das ZIS aufgestellten Dia-gramme mit ihren darin gegebenen Formeln durch Formeln mithilfe des Programms Tabelcurve 3D 4.0 der Firma SYSTAT Software Inc. zu ersetzen, um die Ermittlung der Bei-werte für den Nutzer zu erleichtern. Anhand der gegebenen Formeln des ZISs ließen sich nur die Verhältnisse von a/s1 an der Nahtwurzel bzw. am Nahtübergang berechnen. So wurden neue Formeln und daraus 3D - Diagramme zur Ermittlung der Korrekturbeiwerte k1, k2 und der entsprechenden Ver-hältnisse a/s1 entwickelt. Dabei wurden die Grenzen des Verhältnisses von a/a tief entspre-chend der ZIS Vorgaben übernommen. Weiterhin wurde versucht, die Bereiche von a/s1 und jeweils k1 bzw. k2 zu berücksichtigen. Die folgende Abbildungen 27 und 28 zeigen die 3D - Diagramme zur Ermittlung von k1 mit Hilfe der Vorgaben von a/a tief, a/s1 und zur Ermitt-lung von a/s1 (a1/ s1) mithilfe der Vorgaben von a/a tief und k1.

Abbildung 27 - 3D - Diagramm zu Ermittlung des Korrekturbeiwertes k1

70


Abbildung 28 - 3D - Diagramm zur Ermittlung des Verhältnisses a/s1

Entwickelt haben sich diese Diagramme aus den folgenden Formeln:

02,0j10,0i03,0h04,0g17,0f01,0e24,0d14,0c46,0b47,0a

a/aykx

y)x(ln*j

yxln*i

yh)x(ln*g

yxln*f

ye)x(ln*d

ycxln*baza/s

08,0j09,0i02,0h22,0g47,0f33,0e42,0d48,1c36,1b23,2a

s/aya/ax

yx*j

yx*i

yhx*g

yx*f

yex*d

ycx*bazk

tief1

2

233

22

1

1tief

2

233

22

1

====−===−===

==

+++++++++==

−====−=−=−===−=

==

+++++++++==

Die folgenden Abbildungen 29 und 30 zeigen die 3D - Diagramme zur Ermittlung von k2 mit-hilfe der Vorgaben von a/a tief und a/s1 und zur Ermittlung von a/s1 (a2/s1) mithilfe der Vorga-ben von a/a tief und k2.

Abbildung 29 - 3D - Diagramm zu Ermittlung des Korrekturbeiwertes k2

71


Abbildung 30 - 3D - Diagramm zur Ermittlung des Verhältnisses a/s1

Entwickelt haben sich diese Diagramme aus den folgenden Formeln:

( )( )

39,2j09,1i23,0h08,10g59,2f47,0e65,11d82,0c12,5b07,1a

a/aykx

yln*x*j)y(ln*x*i)y(ln*h...

...x*gyln*x*f)y(ln*ex*dyln*cx*baza/s

4,49j58,0i89,0h76,0g74,0f11,1e16,0d35,0c52,0b66,0a

s/aya/ax

y*jy*i)x(ln*hxln*g1y*fy*e)x(ln*d)x(ln*cxln*bazk

tief2

223

3221

1tief

22

232

2

=−==−=−====−==

==

+++

+++++++==

=−====−=====

==

+++++++++

==

Im weiteren Verlauf wurden die Ergebnisse der Ermittlung des Verhältnisses a/s1 (an der Nahtwurzel und am Nahtübergang) nach den Vorgaben des ZISs und der neuen Formeln, miteinander verglichen. Dabei wurden nur die in den Diagrammen gegebenen Bereiche für den Korrekturbeiwert (k1 bzw. k2) und das Verhältnis a/a tief betrachtet. Es ergab sich bei dem Vergleichen im Durchschnitt eine maximale Abweichung der Werte von 10 %. Somit konnte angenommen werden, dass die neu entwickelten Formeln für die Ermittlung der Korrektur-beiwerte k1 und k2, in gegebenen und dargestellten Grenzen des ZISs anwendbar sind. Die neuen Formeln zeigen jedoch Grenzen auf, die sich bei der genauen Kontrolle der Anwend-barkeit aufzeigten. Es gibt keine ausreichende wissenschaftliche Begründung für diese Grenzen in der Anwendbarkeit, da sich keine Hintergrundinformationen zu den Diagrammen und Formeln des ZISs finden ließen. Die folgenden Tabellen 9 und 10 zeigen diese Grenzen zur Benutzung der neuen Formeln für die Berechnung der Korrekturbeiwerte k1, k2 und der Verhältnisse von a1/s1 und a2/s1 auf.

72


Tabelle 9 - Grenzen zu Berechnung der Korrekturbeiwerte k1 und k2

Grenzen für k1 Grenzen für k2

a/s1 a/s1a/a tiefmin max

a/a tiefmin max

0,5 0,17 0,24 0,5 0,18 0,4 0,6 0,18 0,29 0,6 0,18 0,4 0,7 0,19 0,32 0,7 0,18 0,4 0,8 0,20 0,32 0,8 0,18 0,4 0,9 0,20 0,33 0,9 0,19 0,4 1 0,21 0,33 1 0,22 0,4

Tabelle 10 - Grenzen zur Berechnung der Verhältnisse a1/s1 und a2/s1

Grenzen für a1 / s1 Grenzen für a2 / s1

k1 k2a/a tiefmin max

a/a tiefmin max

0,5 0,16 0,32 0,5 0,06 0,25 0,6 0,15 0,33 0,6 0,1 0,32 0,7 0,14 0,33 0,7 0,14 0,37 0,8 0,15 0,33 0,8 0,17 0,41 0,9 0,15 0,36 0,9 0,2 0,44 1 0,15 0,33 1 0,22 0,46

Nachdem die Berechnung der Korrekturbeiwerte k1 und k2 sowie die zur Optimierung benö-tigten Verhältnisse a1/s1 und a2/s1 sichergestellt waren, konnte die Kehlnahtbemessung mit dem Programm Excel umgesetzt werden. Dabei wird dem Nutzer die Möglichkeit gegeben, alle wählbaren Größen eigenständig ein-zugeben. Alle Berechnungen und Nachweise werden danach automatisch geführt. Alle durch den Nutzer eingegebenen Größen sind innerhalb des Programms blau gekennzeichnet. Des Weiteren sind für den Fall der Nichterfüllung von Nachweisen oder Verhältnisbedingungen Buttons eingesetzt, um den Nutzer an die Stelle des Bemessungsablaufes zu bringen, an dem eine Eingabe zur Erfüllung des Nachweises bzw. Verhältnisses vorgenommen werden kann . Bei bestimmten Eingaben durch den Nutzer (z. B. Nahtdicke a) wird bei der Nichteinhaltung von vorhergehenden Bereichen eine Fehlermeldung angezeigt. Die Nichteinhaltung von Grenzbereichen für die Berechnung der Korrekturbeiwerte k1, k2 und der Verhältnisse a1/s1 und a2/s1 erfolgt eine rote Fehlermeldung. Das Gleiche erfolgt bei der Nichterfüllung von Nachweisen. Diese Fehlermeldungen gelten als Hinweise, das heißt, das Programm stoppt nicht die automatische Berechnung. Das Programm zur Kehlnahtbemessung nach den ZIS - Richtlinien ist dieser Arbeit in Form einer CD - ROM beigefügt. Zu erwähnen ist dabei, dass bei PCs ohne Autocad es zu fehler-haften Darstellungen einiger Abbildungen kommen kann. Zur Verdeutlichung der zuvor ge-troffenen Aussagen sind im Folgenden die drei Abbildungen 31, 32 und 33 angefügt.

73


Abbildung 31 - Eingabeaufforderung an den Nutzer

74


Abbildung 32 - Beispiel für erfüllte Verhältnis- und Nachweisbedingungen

Abbildung 33 - Beispiel für Erfüllung und Nichterfüllung eines Verhältnisses

75


7 Versuchstechnischer Hintergrund und Auswertung zum Korrelationsfaktor βw bei der Kehlnahtbemessung

In diesem Abschnitt sollen Versuche sowie deren Auswertung, die im Weiteren zum Korrela-tionsfaktors βw führen, der während der Kehlnahtbemessung nach dem EC 3 T.1-1 benötigt wird, beschrieben werden. Zur Erläuterung des EC 3 wurden Background Documentations aufgestellt, in denen sich Erläuterungen zu verschiedenen Teilen und Schwerpunkte befin-den. Zusätzlich wurden dort auch verschiedene Experimente und Auswertungen vorgestellt. So werden Zugversuche für verschiedene Schweißproben aufgeführt, die zur späteren Er-mittlung des Korrelationsfaktors βw benötigt werden. Die folgenden Ausführungen sollen dabei die experimentellen Untersuchungen und deren Auswertung darstellen.

7.1 Zugversuch Dieser Abschnitt soll zuerst den grundlegenden Zugversuch im Bereich des Stahlbaus als Grundlage für folgende Abschnitte vorstellen.

7.1.1 Allgemeines zum Zugversuch Der Zugversuch dient der Bestimmung von Festigkeits- und Verformungskennwerten. Die Festigkeitskennwerte sind die Streckgrenze und die Zugfestigkeit des Materials. Als Verfor-mungskennwerte lassen sich aus dem Zugversuch die Bruchdehnung, die Brucheinschnü-rung und die Gleichmaßstellung ermitteln. Zusätzlich kann der Elastizitätsmodul des Stahls bestimmt werden. Im Bereich des Stahlbaus kann für metallische Werkstoffe, verschiedene Verbindungsformen und verschiedene Verbindungsmittel der Zugversuch geführt werden. Bei allen Zugversu-chen sind stets nur genormte Prüfstücke zu verwenden, da die Geometrie der Prüfproben sich entscheidend auf die Ergebnisse der Zugversuche auswirkt. Um den Zugversuch im Allgemeinen zu erläutern, soll der Zugversuch für metallische Werkstoffe nach DIN EN 10002-1 hier kurz beschrieben werden. Der Zugversuch kann sowohl als Wegge-steuertes als auch Kraftgesteuertes Experiment angewandt werden. Beim Kraftgesteuerten Versuch wird eine stabförmige Probe einer langsam und stetig zunehmenden Kraft, die zuvor festgelegt wurde, unterworfen, die eine Längenänderung der Probe bis zum Bruch dieser hervorruft. Dagegen wird bei der Weggesteuerten Versuchdurchführung die stabförmige Probe einer langsam stetigen Verformung bis zur Zerstörung dieser unterworfen. Während des Zugversuches wird generell die (einwirkende) Kraft und die vollzogene Längenänderung aufgezeichnet. Im Bezug auf die Ausgangslänge der Probe lässt sich nach dem Versuch ein Kraft - Verlängerungs - Schaubild erstellen.

76

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Die folgende Abbildung zeigt sowohl eine Kraft - Verlängerungs - Kurve mit a) ausgeprägter Fließgrenze und b) unausgeprägter Fließgrenze. Bei beiden Verläufen wird der lineare Teil des Verlaufes als Hookesche Gerade bezeichnet.

a) b)

Abbildung 34 - Kraft - Verlängerungs - Schaubild [20]

Aus der Kraft - Verlängerungs - Kurve lässt sich das Spannung - Dehnungs - Schaubild auf-stellen, aus dem dann alle zuvor genannten Materialkennwerte weiter ermittelt werden kön-nen. Jede Stahlsorte hat ihre eigene Spannung - Dehnungs - Kurve. An dieser Stelle soll eine allgemeine Abbildung alle wichtigen Bereiche einer solchen Kurve aufzeigen.

Abbildung 35 - Spannung - Dehnungs - Kurve [20]

Die Zugfestigkeit, die Streckgrenze, die Bruchdehnung und auch die Gleichmaßdehnung sind Werte, die aus dem Spannung - Dehnungs - Schaubild entnommen werden können. Die Brucheinschnürung bezieht sich auf die gezogene bzw. gerissene Probe. Das heißt es wird gemessen, inwieweit sich der Probenquerschnitt während des Versuches geändert hat.

77

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Der Elastizitätsmodul E kennzeichnet die elastische Verformbarkeit des Werkstoffes. Es er-gibt sich aus Spannung σ (Kraft bezogen auf den Anfangsquerschnitt) zur elastischen Deh-nung εe (Längenänderung im Gebiet der reinen elastischen Verformung), wie es sich in der folgenden Formel darstellt

eE

εσ

= .

Die in der Abbildung 35 dargestellte Spannung - Dehnungs - Kurve gilt als idealisiert, da sie im Zugversuch entstehende Querkontraktionen vernachlässigt. Man unterscheidet demnach in scheinbare Spannung - Dehnungs - Kurven und in wahre Spannung - Dehnungs - Kurven. Der maßgebliche Unterschied beider Kurven zeigt sich im plastischen Bereich der Kurven, welcher in der folgenden Abbildung dargestellt ist.

Abbildung 36 - wahre und scheinbare Spannung - Dehnungs - Kurve [21]

Die scheinbaren Spannungen und Dehnungen werden auch als technische Werte bezeich-net und werden wie folgt nach [22] definiert

.l

lundAF

00

∆=ε=σ

Dagegen ergeben sich die wahren Spannungen und Dehnungen unter der Annahme von Volumenkonstanz und gleichmäßiger Dehnungsänderung über die Messlänge während der Verformung (A0*l0=A*l=constant), wie folgt nach [22]

( ) ( ).1lnund1* wahrwahr ε+=εε+σ=σ

78


7.1.2 Prüfstücke für Kehlnahtprüfung Wie bereits erwähnt, muss ein Zugversuch stets an genormten Prüfstücken erfolgen, um eine Vergleichbarkeit der Versuchergebnisse zu gewährleisten. Dabei gibt es die verschie-densten Ausführungen an Prüfstücken. Die folgenden Abbildungen 37 und 38 zeigen zwei mögliche Varianten. Bei beiden Abbildungen sind sowohl die Seiten- wie auch die möglichen Vorderansichten dargestellt.

Abbildung 37 - verschiedene Prüfkörperausführungen - Variante 1

Innerhalb der ersten Variante besteht zusätzlich die Möglichkeit, die Anzahl der zu verbin-denden Bleche bzw. Konstruktionsteile zu variieren.

Abbildung 38 - verschiedene Prüfkörperausführungen - Variante 2

Bei der zweiten Variante entstehen neben den Kehlnähten mit rechtwinklig zueinander ste-henden Schenkeln auch Kehlnähte mit einem stumpfen Öffnungswinkel.

79

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Nachfolgend wird eine weitere spezielle Prüfkörperausführung detaillierter vorgestellt, die für die Prüfung von Kehlnähten an einem Kreuzstoß (Kreuzzugprobe) vorgeschrieben ist. Die DIN EN 876 behandelt den Längszugversuch am Schweißgut innerhalb von Schmelz-schweißverbindungen. Zusätzlich hat der DVS eine Richtlinie 1702 in Anlehnung an die eben genannte Norm herausgegeben, die sich explizit mit den Verfahrensprüfungen im konstrukti-ven Ingenieurbau befasst. Dabei wurde eine detaillierte Abbildung (Abb. 39) zur Ausführung eines genormten Prüfköpers mit entsprechenden Probenlagen für die Verfahrensprüfung von Kehlnähten geliefert.

Abbildung 39 - Kehlnahtprüfstück und Probenlage [f]

Wie die Abbildung 39 zeigt, sind neben dem für den Kreuzzugversuch benötigten Proben auch andere Prüfungen und somit Proben notwendig. An dieser Stelle soll das Augenmerk jedoch nur auf den Kreuzzugversuch gelegt werden. Der Kreuzzugversuch muss mit mindes-tens drei Proben, entsprechend der Abbildung 39, gefahren werden. Ergibt sich bei dieser Art des Zugversuches ein Bruch im Grundwerkstoff der Probe, ist die Mindestzugfestigkeit des Grundwerkstoffes erreicht, die Kehlnaht versagt demnach nicht. Erfolgt jedoch der Bruch im Nahtquerschnitt, ist die Bruchspannung unter Berücksichtigung der tatsächlich vorhande-nen Nahtgeometrie (Nahtdicke und ggf. Nahteinbrand) zu ermitteln. Diese ermittelte Bruch-spannung der Schweißnaht muss dabei mindestens 80 % der Zugfestigkeit des Grundwerk-stoffes betragen. Ist diese Bedingung erfüllt, kann mit den Ergebnissen des Kreuzzugversu-ches weiter gearbeitet werden.

80


7.1.3 Anordnung von Messtechnik am Prüfstück Bei dem Zugversuch kann die aufnehmbare Kraft und Längenänderung nur für das gesamte Prüfstück bestimmt werden. Aus diesem Grund sollten bei Schweißverbindungen zum Bei-spiel Dehnungsmessstreifen (DMS) angeordnet werden. Somit kann das Verhalten der ein-zelnen Bestandteile der Verbindung aufgenommen werden. Im Folgendem soll an einem Beispiel eine mögliche Anordnung dargestellt und kurz erläutert werden. Anhand der Varian-te V1d aus der Abbildung 37 soll eine mögliche Anordnung von Dehnungsmessstreifen in der Abbildung 40 gezeigt werden.

Abbildung 40 - mögliche Anordnung von Messstreifen an einem Prüfstück

Bei diesem Beispiel werden DMS - Streifen zur Messung der Längs- und Querdehnung im Bereich der Schweißnaht angeordnet. In den Bereichen der Wärmeeinflusszonen der Schweißnähte, in denen es zur Vermischung der Werkstoffeigenschaften des Grundwerk-stoffes und des Schweißgutes kommt, werden Kreuz - DMS angeordnet. Diese können so-wohl die Längs- als auch die Querdehnung aufnehmen. Um das Verhalten der beiden Grundwerkstoffe zu beurteilen, werden in einem ausreichenden Abstand zum Verbindungs-bereich zusätzliche Kreuz - DMS vorgesehen. Die Anwendung, die Anordnung und die Art der Messtechnik sind individuell gestaltbar und nach den jeweilig gewünschten Ergebnissen des Zugversuches auszuwählen. Zu beachten ist jedoch generell, dass jeder beteiligte Werkstoff und jede Vermischung von verschiedenen Werkstoffen (z. B. durch Wärmeeinflusszone) betrachtet werden sollte. Nur mit der entspre-chenden Anordnung von Messtechnik können Versuchsergebnisse konkret einem Werkstoff zugeordnet werden.

81


7.2 Versuche der Background Documentations des EC 3 Erläuternd zum EC 3 wurden Background Documentations verfasst, in denen die Hinter-gründe zu zum Beispiel Annahmen, Berechnungen und Beiwerten des EC 3 dargelegt wer-den. Im Kapitel 6 [g] dieser Hintergrundinformationen befinden sich Aufzeichnungen zu den Nachweisen von Schweißnähten mit speziellen Untersuchungen des Verhaltens von Kehlnähten. Dabei wird sowohl der Schweißnahtnachweis nach dem EC 3 T.1-1 als auch das alternative Verfahren (EC 3 T.1-1 Anhang M) beleuchtet. Speziell soll sich hier mit Korrelationsfaktor βw befasst werden. Der Korrelationsfaktor be-rücksichtigt die Materialeigenschaften des Grundwerkstoffes beim Nachweis der Schweiß-naht. Es gibt keine direkte Ermittlungsmethode für diesen Faktor. Jedoch wurden innerhalb der Hintergrundberichte Zugversuche gefahren, mit denen vordergründig der festgelegte Teilsicherheitsbeiwert bestätigt werden sollte. Aus den Ergebnissen dieser Versuche

kann über eine statistische Auswertung nach der DIN EN 1990 der Korrelationsfaktor βMγ

w her-geleitet werden. Aus diesem Grund wird sich dieser Abschnitt zunächst mit den Zugversu-chen der Hintergrundberichte beschäftigen.

7.2.1 Versuchsanordnung Um repräsentative Ergebnisse durch die Zugversuche zu erhalten, wurden Kombinationen aus Nachweismethode, Werkstoffeinfluss, Material und Kehlnahtanordnung gebildet. Inner-halb der Nachweismethoden wird dabei zwischen dem Bemessungskonzept des EC 3 T.1-1 und des EC 3 T.1-1 Anhang M unterschieden. Mit dem Werkstoffeinfluss werden Werkstoff-eigenschaften in der Berechnung in Form von früher ermittelten Korrekturbeiwerten erfasst. Bei den Materialien kann zwischen FeE235 und FeE355 gewählt. Die möglichen Kehlnaht-anordnungen werden in der folgenden Abbildung dargestellt.

Abbildung 41 - Kehlnahtanordnung nach [g]

82

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Es ergeben sich zwei Versuchsreihen, die im Folgenden vorgestellt werden.

1. Versuchsreihe Schweißnahtbemessung nach EC 3 T.1-1

Material 1

alle Kehl-nähte

II ¯ П □

11.10 11.11 11.12 11.13 11.14Material 2

12.10 12.11 12.12 12.13 12.14

alle Kehl-nähte

II ¯ П □

11.20 11.21 11.22 11.23 11.2412.20 12.21 12.22 12.20 12.24

2. Versuchsreihe Schweißnahtbemessung nach EC 3 T.1-1 Anhang M

Material 1

alle Kehl-nähte

II ¯ П □

21.10 21.11 21.12 21.13 21.14Material 2

22.10 22.11 22.12 22.13 22.14

alle Kehl-nähte

II ¯ П □

21.20 21.21 21.22 21.23 21.2422.20 22.21 22.22 22.20 22.24

83

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Zusammenfassend lässt sich jede untersuchte Probe wie folgt kennzeichnen.

X X .X

Bemessungskonzept 1 - EC 3 T.1-1 2 - EC 3 T.1-1 Anhang M

Werkstoffeinfluss 1 - β = 0,7 für Material 1

β = 1,0 für Material 2 2 - β = 0,74 für Material 1

β = 0,77 für Material 2

Material 1 - FeE 235 2 - FeE 355

X

Kehlnahtanordnung nach Abb. 38 0 - alle Kehlnahtanordnungen 1 - II (zwei Flankenkehlnähte) 2 - ¯ (eine Stirnkehlnaht) 3 - П (zwei Flanken- , eine Stirnkehlnaht) 4 - □ (zwei Flanken- , zwei Stirnkehlnähte)

84


7.2.2 Versuchsdurchführung und Aufzeichnung Innerhalb der Hintergrunduntersuchungen wurden verschiedene Zugversuche durchgeführt. Dabei wurde jeweils die Zugkraft entsprechend der Abbildungen 37 und 38 am unteren und oberen Ende der Probekörper angesetzt. Laut der DIN EN 1990 müssen mittels Versuche charakteristische Werte re ermittelt werden, die die tatsächlichen Eigenschaften des Werkstoffes widerspiegeln. Mit diesen charakteristi-schen Werten sollen dann die theoretisch vorhandenen Werte rt berechnet werden. Nach-dem beide Werte des Widerstandes ermittelt sind, werden sie anhand eines Diagramms mit-einander verglichen. Die folgende Abbildung zeigt ein solches allgemeines Diagramm.

Abbildung 42 - Vergleich der experimentellen mit den theoretischen Werten [h]

Theoretisch ist anzunehmen, dass alle ermittelten Wertepaare des Widerstandes sich auf der Winkelhalbierenden der beiden Achsen befinden. Die Praxis zeigt aber deutlich auf, dass es in der Realität zu Streuungen kommt. Zur Sicherstellung der Richtigkeit des Vergleiches muss jede Abweichung von der Winkelhalbierenden überprüft werden. Dabei ist zu untersu-chen, ob es sich um einen Fehler im Versuch oder in der Widerstandsfunktion handelt. Nachdem die Richtigkeit der Ergebnisse geprüft ist, kann die Mittelwertabweichung b ermit-telt werden, welche ein Ausgangswert für spätere statistische Auswertungen ist. Zunächst sollen noch einige Ausführungen zu den Zugversuchen der Background Documen-tations des EC 3 erfolgen. Innerhalb des Document 6.05 [g] wurden anhand der im Abschnitt 7.2.1 vorgestellten Versuchsreihen Zugversuche zur Ermittlung des charakteristischen Wi-derstandes rei gefahren. Durch die so ermittelten tatsächlich vorhandenen Eigenschaften des Werkstoffes (Spannung - Dehnungs - Kurve) wird der theoretische Wert des Widerstandes tti berechnet. Dabei wurden die theoretischen Widerstände jeweils entsprechend der Kehlnaht-anordnung berechnet, dies bedeutet, es werden genaue Berechnungen für Stirn- und Flan-kenkehlnähte und deren Kombination aufgestellt.

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Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Für jede Kombination der einzelnen Versuchsreihen wird folglich ein Vergleichsdiagramm erstellt. Als Verdeutlichung sei hier nur ein Beispiel aufgeführt. Die folgende Abbildung zeigt das Vergleichsdiagramm von rei zu rti für die Versuchsprobe 11.10. Nach den Ausführungen in 7.1.2 bedeutet dies eine Probe aus FeE 235 mit β = 0,7 und allen Kehlnahtanordnungen, wobei die Kehlnähte nach dem Bemessungskonzept des EC 3 T.1-1 bemessen werden.

Abbildung 43 - Vergleichsdiagramm rei - rti für Probe 11.10 [g]

Innerhalb dieser Vergleichsdiagramme ist neben der Winkelhalbierenden bereits die ermittel-te Verhältnisgerade (rei/rti), die die vorhandenen Abweichungen bzw. Streuungen darstellt, eingefügt. Aus allen Ergebnissen, charakteristische und theoretische Widerstände, der jeweiligen Ver-suchsreihen wurden weitere Werte für die statistische Bestimmung bzw. Überprüfung des Teilsicherheitsbeiwertes = 1,25 ermittelt. Diese statistische Auswertung und weiterhin die

Ermittlung des Korrelationsfaktors βMγ

w werden im folgenden Abschnitt eingehend erläutert.

86


7.3 Statistische Herleitung des Korrelationsfaktor βw Dieser Abschnitt zeigt den Weg von den Versuchsergebnissen der Zugversuche des Ab-schnittes 7.2 über die statistische Auswertungsmethoden nach der DIN EN 1990 Anhang D zum Korrelationsfaktor βw. In der DIN EN 1990 Anhang D.8 wird die statistische Bestimmung eines Widerstandmodells erläutert, wie es auch innerhalb der Background Documentations des EC 3 angewandt wurde. Zunächst soll die prinzipielle Vorgehensweise dargelegt wer-den. Im Anschluss ist der Ablauf dieser statistischen Auswertung anhand von Formeln in Übersichtsform angefügt. Die Grundidee besteht darin, ein Bemessungsmodell aus versuchstechnischen oder theore-tischen Überlegungen aufzustellen und es statistisch anhand von verfügbaren Versuchsda-ten zu überprüfen. Ziel des Bemessungsmodells ist die Entwicklung einer theoretischen Wi-derstandsfunktion. Dabei ist das aufgestellte Bemessungsmodell so lange zu verbessern, bis es zu einer ausreichenden guten Wechselbeziehung (Korrelation) zwischen den theoreti-schen und versuchstechnischen Ergebnissen kommt. Damit erklärt sich auch die Bedeutung des Korrelationsfaktors βw. Er relativiert die Unterschiede zwischen den Theoriewerten und den tatsächlich möglichen Werten im Bezug auf die Werkstoffeigenschaften. Innerhalb dieser Auswertungsmethode sind alle möglichen Streuungen der Ergebnisse zu beachten, abzuschätzen und innerhalb der Widerstandsfunktion zu kombinieren. Beachtet werden folgende Streuungen:

- Streuung der Vorhersage anhand der Versuchsergebnisse, - Streuung der Baustoffeigenschaften und Steifigkeiten, - Streuung der geometrischen Eigenschaften.

Der grundsätzliche Ablauf der statistischen Bestimmung einer Widerstandsfunktion stellt sich wie folgt dar:

1. Schritt: Einwicklung eines Bemessungsmodells, 2. Schritt: Vergleich der experimentellen und theoretischen Werte bzw. Widerstände, 3. Schritt: Schätzung der Mittelabweichung b, 4. Schritt: Schätzung des Variationskoeffizienten der Streugröße δ , δV

5. Schritt: Bestimmung der Widerstandsfunktion.

Die Schritte 1 und 2 werden kurz im Abschnitt 7.2 dargestellt. In diesem speziellen Fall wer-den im 5. Schritt sowohl der charakteristische Wert als auch der Bemessungswert der Wi-derstandsfunktion bestimmt. Zusätzlich erfolgt ein 6. Schritt, indem anhand des im EC 3 fest-gelegten Teilsicherheitsbeiwertes 25,1M =γ der gesuchte Korrelationsfaktor βw ermittelt wird.

Den Ablauf ab dem 3. Schritt zeigt die folgende Zusammenstellung.

87


Formeln Erläuterungen

Indizes

i - Eigenschaften bzw. Einfluss- größen j - Summe bzw. Anzahl der Eigen- schaften bzw. Einflüsse n - Anzahl der Proben

3. Schritt: Ermittlung der Mittelwertabweichung b

2ti

tiei

rr*r

bΣ

Σ=

rei - experimentell ermittelte charakteristische Widerstands- funktion rti - rechnerisch bestimmte theoretisch ermittelte Widerstandsfunktion

4. Schritt: Ermittlung des Variationskoeffizienten der Streu-

größe δV

δ - Streugröße iδ

ti

eii r*b

r=δ

- Schätzwert i∆

( )ii ln δ=∆ - Schätzwert ∆

∑∆=∆=

n

1ii*

n1

- Schätzwert 2s∆

( )∑ ∆−∆−

==

∆

n

1i

2i

2 *1n

1s

- Variationskoeffizient δV

1)sexp(V 2 −= ∆δ

- Streugröße bezogen auf jede Probe - Schätzwert der Streuung für jede Probe - Schätzwert für den Mittelwert der Streuung )(E ∆ - Schätzwert für die Standardab- weichung im Bezug auf die 2

∆σ Streuung - Variationskoeffizient infolge der Streuung

5. Schritt: Bestimmung des charakteristischen Wertes der

Widerstandsfunktion rk und des Bemessungswertes der Widerstandsfunktion rd

- Schätzwert sX

∑ −−

==

n

1i

2Xi

2X )mx(*

1n1s

- Schätzwert für den Variations- koeffizienten VX im Bezug auf die Basisvariablen des Versuches - xi entspricht der im Versuch betrachteten Eigenschaften - mX entspricht dem Mittelwert der durch xi festgelegten Größe

88

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A - Variationskoeffizient VXi

X

XXi m

sV =

- Variationskoeffizient 2

rV

( ) ( ) 11V*1VVj

1i

2Xi

22r −⎥⎦

⎤⎢⎣⎡∏ ++==

δ

- Standardabweichung Q

( )1VlnQ 2r)rln( +=σ=

- theoretischer Wert der Widerstandsfunktion rm bezogen auf den Mittelwert mX

δ=

)X(*r*br mtm

- Fraktienwert und Fraktienwert ∞k ∞,dk

Tabelle 11 - Fraktilenwert kn [h]

n VX bekannt VX unbekannt 1 2,31 - 2 2,01 - 3 1,89 3,37 4 1,83 2,63 5 1,80 2,33 6 1,77 2,18 8 1,74 2,00 10 1,72 1,92 20 1,68 1,76 30 1,67 1,73 ∞ 1,64 1,64

Tabelle 12 - Fraktilenwert kd,n [h]

n VX bekannt VX unbekannt 1 4,36 - 2 3,77 - 3 3,56 - 4 3,44 11,4 5 3,37 7,85 6 3,33 6,36 8 3,27 5,07 10 3,23 4,51 20 3,16 3,64 30 3,13 3,44 ∞ 3,04 3,04

- Variationskoeffizient der Basis- variablen - Variationskoeffizient der Widerstandsfunktion infolge der Streuung und Basisvariablen - Vereinfachung )rln(Q σ=

- Fraktilenfaktor kn für charakteristische Werte unter Beachtung der Probenanzahl n - 64,1k =∞ - Fraktilenfaktor kd,n für den Bemessungswert für Tragfähigkeits- nachweise und der Probenanzahl n - 04,3k ,d =∞

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Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A - charakteristischer Wert der Widerstandsfunktion rk

( ) ( )2

r

mrtk Q*5,0Q*kexp*X*g*brm

−−= ∞4434421

- Bemessungswert der Widerstandsfunktion rd

( ) ( )2,d

r

mrtd Q*5,0Q*kexp*X*g*brm

−−= ∞4434421

- gültig für eine Versuchsanzahl n > 100 - gültig für eine Versuchsanzahl n > 100

6. Schritt: Ermittlung des Korrelationsfaktors βw

- Teilsicherheitsbeiwert Mγ

d

km r

r=γ

- Verhältnis k∆

k

n

rr

k =∆

- modifizierter Teilsicherheitsbeiwert *

Mγ

k*M*M ∆γ=γ

- gemittelter modifizierter Teilsicherheitsbeiwert *

Mγ

n

n

1i

*M

*M

∑ γ=γ =

- Verhältnis *β

M

*M*

γγ

=β

- Korrelationsfaktor βw

*altw * ββ=β

- TSBW infolge der statistisch ermittelten Widerstandsfunktionen - Verhältnis vom charakteristischen zum theoretisch möglichen Wert des Widerstandes - Nennwert rn entspricht der Zug- festigkeit fu des Werkstoffes - TSBW infolge statistischer Sicher- heit ( ) und Werkstoffsicherheit Mγ ( k∆ ) - Mittelwert des für jede Probe ermittelten modifizierten TSBW *

Mγ - Verhältnis des modifizierten TSBW zum im Vorfeld festgelegten TSBW - TSBW 25,1M =γ - Korrelationsfaktor infolge des in den Versuchsreihen festgelegten Materialbeiwertes β (7.2.1) abge- mindert durch das Verhältnis *β

90


8 Zusammenfassung und Ausblick Während der Betrachtung der einzelnen Bemessungsmethoden zeigten sich viele Gemein-samkeiten innerhalb der Kehlnahtbemessung nach der TGL, DIN und EC auf. Alle drei Kon-zepte basieren auf Idealisierungen und Annahmen. Dabei kommt es auf Grund der unter-schiedlichen Zusammenstellung der einzelnen Beanspruchungen ( ⊥⊥⊥ σστσ ,,, II ) zu ver-

schiedenen Auslastungsgraden in der Kehlnaht. Besonders zu erwähnen ist, dass keines dieser Bemessungskonzepte die Tragfähigkeit der Schweißnaht an sich beachtet, sondern stets von der Tragfähigkeit (Streckgrenze bzw. Zugfestigkeit) des Grundwerkstoffes ausgeht. Dabei hat das Bemessungskonzept der TGL 13500 / 01 eine besonders gute Aufarbeitung der ertragbaren Belastung des Grundwerkstoffes durch die Einführung der Normtragfähigkeit

niR erstellt. Hierbei wird neben dem Grundwerkstoff der durch seine Streckgrenze beachtet

wird, die Kehlnaht durch Ihre Ausführungsklasse zusätzlich die Art der Belastung betrachtet. So kann zwischen statischer und dynamischer Belastung genauso unterschieden werden wie zwischen einer Druck-, Schub- oder mehrachsigen Belastungen. Bei dem Bemessungskonzept des ZISs wurde dieser Aspekt bedacht und zusätzlich zum Nachweis der Tragfähigkeit des Grundwerkstoffes auch der des Schweißgutes beachtet. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, nach der Bemessung eine Optimierung zu durchlaufen, um die Auslastung zu verbessern und demzufolge die Nahtdicke zu reduzieren. Ein Problem zeigt sich in der Ermittlung der zur Bemessung benötigten Korrekturbeiwerte k1 sowie k2. Für beide sind Diagramme vom ZIS vorgegeben, die jedoch nicht verlässlich sind. Dies ergab sich aus den Betrachtungen der gegebenen Formeln innerhalb der Diagramme, die bei der Anwendung zu einer Diskrepanz entgegen der Ablesung führen. Auch dies war ein Grund, dieses Bemessungskonzept in ein Programm anhand von Excel umzusetzen. Innerhalb der Entwicklung wurden die Bereiche für die Korrekturbeiwerte zwar weiter eingeschränkt, aber die subjektive Fehlerquelle des Ablesens ausschließt. Neue Bemessungskonzepte wie das für Mismatch - Verbindungen sind umfangreicher und individueller. Dabei werden sowohl statische als auch schweißtechnische Aspekte beachtet. Dieses führt zu geringeren Nahtdicken und höheren Belastungen. Weiterhin ist es das einzi-ge Konzept, was die Wirkung von Mismatch - Verbindungen und besonders die Anwendung von Feinkornbaustählen beachtet. Probleme bei diesem Bemessungskonzept ergeben sich aus den Aspekten, dass kein Nachweis des Grundwerkstoffes beachtet wird und explizit kein Auslastungsgrad bestimmt wird. Dem Nutzer ist somit die Möglichkeit des Vergleiches ge-genüber anderen Bemessungskonzepten genommen. Jedoch ist zu erwähnen, dass dieses Bemessungskonzept besonders ökonomische Ergebnisse liefert. Bestimmt ist es für eine überschlägige Bestimmung von Schweißnähten nicht geeignet, dafür aber besonders bei Bauteilen, an denen eine Masse an Schweißnähten mit hoher Belastung nachzuweisen ist.

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Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Nachteilig ist beim Bemessungskonzept des ZISs und des für Mismatch - Verbindungen, dass nur Zugbeanspruchungen berücksichtigt werden. Die Konzepte der TGL, DIN und EC beachten dagegen sowohl Normalkräfte (Druck-, Zugkräfte), Querkräfte als auch Momente. Um ein neues entsprechendes Bemessungsmodell zu erstellen bleiben bestimmte versuch-technische Betrachtungen nicht aus. So sollten beim Nachweis des Grundwertstoffes Bei-werte zur Beachtung der Materialeigenschaften, wie bereits in der DIN durch den Grenz-schweißnahtspannungsbeiwert αw und im EC durch den Korrelationsfaktors βw, vorgesehen werden. Einen Ansatz dafür bietet der Abschnitt 7. Entsprechend dem Bemessungskonzept der TGL kann anstatt der Materialbeiwerte eine Analyse über die ertragbaren Spannungen bzw. Beanspruchungen im Grundwerkstoff anhand von verschiedenen Belastungen erstellt werden. Betrachtet man alle Bemessungskonzepte in der Gesamtheit, so lässt sich aus jedem ein-zelnen ein Vorteil gewinnen. Diese in einem neuen Konzept zu vereinen würde ein weitaus effektiveres, individuelles und ökonomisches Bemessungsverfahren hervorbringen. So wäre es zu empfehlen, folgende Parameter und Einflüsse zu beachten:

- die Naht- und Stoßgeometrie, - die Festigkeit des Schweißgutes infolge der Schweißzusatzwerkstoffe, - die Festigkeit der (verschiedenen) Grundwerkstoffe, - das Schweißverfahren mit seinen verfahrensspezifischen Eigenschaften

(Schweißparameter) - Abbildung der vorhandenen Beanspruchung.

Die oben aufgeführten Sachverhalte stellen eine komplexe Betrachtung von Bemessungs-konzepte dar. Es sollte dem Nutzer die Möglichkeit gegeben werden zu entscheiden, ob eine überschlägige oder aber genauere Bemessung vonnöten ist. Entscheidend dabei ist, dass sich zuverlässige und anwendbare Resultate sowie Bemessungsabläufe für den gegebenen Beanspruchungszustand ergeben.

92


9 Literaturverzeichnis Verwendete und zitierte Normen und Richtlinien: [a] TGL 13500 / 01 Stahlbau - Stahltragwerke. Grundlagen der Berechnung nach Grenz-

zuständen mit Teilsicherheitsfaktoren, Bauliche Durchbildung. Ausgabe März 1988 [b] DIN 18800 Teil 1 Stahlbauten. Bemessung und Konstruktion. Ausgabe November

1990 [c] DIN V ENV 1993 Teil 1-1Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten. Allgemeine

Bemessungsregeln, Bemessungsregeln für den Hochbau, Ausgabe April 1993 [d] TGL 14915 / 01 Festigkeitsnachweis für geschweißte Konstruktionen. Schmelz-

schweißverbindungen an Baustählen. Ausgabe Januar 1986 [e] DIN EN 876. Zerstörende Prüfung von Schweißverbindungen an metallischen Werk-

stoffen. Längszugversuch an Schweißgut in Schmelzschweißverbindungen. Ausgabe 1995

[f] Richtlinie DVS 1702. Verfahrensprüfungen im konstruktiven Ingenieurbau. Ausgabe

Mai 2003 [g] Eurocode No.3 Design of Steel Structures. Background Documentation. Chapter 6.

Document 6.05, 6.06, 6.7. Ausgabe März / April 1989 [h] DIN EN 1990. Eurocode: Grundlagen der Tragwerksplanung. Ausgabe Oktober 2002 [i] TGL 14904 Blatt 3. Schweißtechnik. Terminologie. Schmelzschweißen - Verbin-

dungsschweißen. Grundbegriffe, Sinnbilder, Darstellungsweise. Ausgabe November 1962

[j] DIN 1912 Teil 5. Zeichnerische Darstellung Schweißen, Löten. Symbole, Bemaßung.

Ausgabe Dezember 1984 [k] DIN EN 10002-1. Metallische Werkstoffe. Teil 1: Prüfverfahren bei Raumtemperatur.

Ausgabe Dezember 2001 [l] DIN EN 22553. Schweiß- und Lötnähte. Symbolische Darstellung in Zeichnungen.

Ausgabe März 1994

93

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Verwendete und zitierte Literatur: [1] D. Radaj: Gestaltung und Berechnung. Ermüdungsfestigkeit. DVS - Verlag GmbH,

Düsseldorf. 1985. [2] B. Sahling / K. Latzin: Die Schweißtechnik des Bauingenieurs. Friedr. Vieweg & Sohn

Verlag, Braunschweig. 2. Auflage 1952. [3] V. Schuler: Schweißtechnisches Konstruieren und Fertigen. Friedr. Vieweg & Sohn

Verlag, Braunschweig / Wiesbaden. 1992. [4] Hofmann / Sahmel / Veit: Grundlagen der Gestaltung geschweißter Stahlkonstruktio-

nen. DVS - Verlag GmbH, Düsseldorf. 9. Auflage 1993. [5] H. Scheermann: Leitfaden für den Schweißkonstrukteur. DVS - Verlag GmbH, Düs-

seldorf. 1986. [6] A. Neumann: Schweißtechnisches Handbuch für Konstrukteure. Teil1 Grundlagen,

Tragfähigkeit, Gestaltung. VEB Verlag Technik, Berlin. 3. Auflage 1976.

[7] K.-J. Schneider: Bautabellen für Ingenieure mit Berechnungshinweisen und Beispie-

len. Werner Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf. 13. Auflage 1998. [8] F. Werner: Strahlbaunachweise im Normenvergleich. DIN-TGL-EC 3-SNIP. Bauver-

lag GmbH, Wiesbaden / Berlin. Beuth Verlag, Berlin / Köln. 1992. [9] P. Wenk: Dissertation. Traglastuntersuchungen an vorwiegend ruhend beanspruch-

ten langen Flankenkehlnähten. Universität Dortmund. 1988. [10] Czech Technical University in Prague, Ed. Wald F: CD of Work Package Dissemina-

tion, Version 2, Project Continuing Education in Structural Connections. 2004

[11] G. Hünersen / E. Fritzsche: Stahlbau in Beispielen. Berechnungspraxis nach DIN

18800 Teil 1 bis Teil 3. Werner-Verlag GmbH, Düsseldorf. 3. Auflage 1995. [12] Dilliger Hütte GTS (Hersg.): Werkstoffblätter für DILLIMAX 460, DILLIMAX 500,

DILLIMAX 550, DILLIMAX 620, DILLIMAX 690. AG der Dillinger Hüttenwerke, Dillingen. 2003

[13] R. Fritsch / H. Pasternak: Stahlbau. Grundlagen und Tragwerke. EC 3. Friedr.Vieweg

& Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig / Wiesbaden. 1999.

94

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A [14] Vorhaben B 409 - 01001: Innovative Konstruktionen für den Maschinen- und Stahlbau

durch Kombination neuartiger Stahlwerkstoffe. Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Forschung und Kunst. 2003

[15] Merkblatt DVS 0916 November 1997. Metall-Schutzgasschweißen von Feinkornbau-

stählen [16] H.-U. Pomaska: MAG - Schweißen von Feinkornbaustählen. Linde - AG Werksgruppe

Technische Gase, Höllriegelskreuth. 1982. [17] W. Möbius / W. Seyffarth / K. Birke: Anwendungsempfehlungen zur Kehlnahtberech-

nung nach ZIS - Richtlinien. ZIS - Mitteilungen, Halle. 1986 [18] G. Schulze / H. Krafka / P.Neumann: Schweißtechnik. Werkstoffe - Konstruieren -

Prüfen. VDI - Verlag GmbH, Düsseldorf. 1992. [19] Elga Deutschland Schweißtechnik GmbH: Schweißzusätze. [20] Deutscher Stahlbau – Verband: Stahlbau Handbuch. Für Studium und Praxis Band 1.

Stahlbau – Verlags – GmbH, Köln. 1982. [21] K.-H. Lisiecki: Metallische Werkstoffe. In: Baustoffpraktikum: Spezielle Untersuchun-

gen und Querschnittsversuche. Schriften des F.A. Fingerinstituts für Baustoffkunde Band 3, Weimar. 1999

[22] T. Seeger / M. Schön: Autofrettage I. Forschungsberichte. Verbrennungkraft-

maschnen FVV. Heft 550. 1994 Zusätzlich verwendete Programme:

Excel 2002; Microsoft Corporation

Autocad 2002; Autodesk Inc. Tabelcurve 3D 4.0; SYSTAT Software Inc.

95


Anhang

Abbildungsverzeichnis Zu Abschnitt 2 Abbildung A1 - Ermittlung der Schweißnahtspannung [11]................................................................... 99 Zu Abschnitt 3 Abbildung A2 - Korrekturbeiwert k1 [17] .............................................................................................. 101 Abbildung A3 - Korrekturbeiwert k2 [17] .............................................................................................. 102 Zu Abschnitt 4 Abbildung A4 - Richtwert zur Einstellung von Schweißstrom I, Schweißspannung U bzw.

Drahtvorschub in Abhängigkeit verschiedener Schutzgase [15] ................................................ 105 Abbildung A5 - Richtwert zur Einstellung von Schweißstrom I, Schweißspannung U bzw.

Drahtvorschub in Abhängigkeit verschiedener Schutzgase [15] ................................................ 105 Abbildung A6 - Streckenenergie E in Abhängigkeit der Schweißgeschwindigkeit vw für

Massivdrahtelektroden [15]......................................................................................................... 106 Abbildung A7 - Streckenenergie E in Abhängigkeit der Schweißgeschwindigkeit vw für

Fülldrahtelektroden [15] .............................................................................................................. 106 Abbildung A8 - Raupenquerschnitt in Abhängigkeit von Drahtvorschub und

Schweißgeschwindigkeit vw [16] ................................................................................................. 106

Tabellenverzeichnis Zu Abschnitt 2 Tabelle A1 - Stahlsortenübersicht ......................................................................................................... 97 Tabelle A2 - Normfestigkeit Ri

n nach TGL 13500 / 01 [8]................................................................... 100 Zu Abschnitt3 Tabelle A3 - ertragbare Spannung σGW ertr nach [d]............................................................................. 101 Zu Abschnitt 4 Tabelle A4 - Empfohlener Schweißzusatz bei verschiedenen GW – Kombinationen [14] ................. 104 Tabelle A5 - Thermischer Wirkungsgrad k nach verschiedenen Schweißverfahren [14] ................... 104 Tabelle A6 - Nahtfaktoren F2 und F3 in Abhängigkeit der Nahtart [14] ............................................... 104 Tabelle A7 - Empfohlener Bereich der Abkühlzeit t8/5 in Abhängigkeit von der Stahlsort [14] ............ 104

96


Zum Abschnitt 2

Stahlsortenübersicht Folgende Tabelle stellt einen Auszug an Bezeichnungen der einzelnen Stahlsorten innerhalb der verschieden Normen und Richtlinien dar. Diese Übersicht beschränkt sich dabei auf die allgemeinen Baustähle und Feinkornbaustäh-le. Wetterfeste Baustähle, Stähle für den Druckbehälter- und Rohrleitungsbau sowie Maschi-nenbaustähle werden hier nicht erfasst.

Tabelle A13 - Stahlsortenübersicht

gültig für TGL 13500 für DIN 18800 für DIN / EC (neu) für EC 3 (alt) Zeile Stahl TGL Stahl DIN Stahl DIN prEN Stahl DIN EN

1 St 33 7960 St 33 17100 S185 10025-2 Fe 310-0 10025 RSt 38-2 9413 St 37-0 1629

2 RSt 38b-2 9413 St 37-0 17100 St 37-2 17100 S235JR 10025-2 Fe 360 B 10025 St 38u-2 7960 USt 37-2 17100 Fe 360 BFU 10025 3 ST38b-2 7960 RSt 37-2 17100 Fe 360 BFN 10025 St 38-3 7960 St 37-3 17100 St 37-3 U 17100 S235JO 10025-2 Fe 360 C 10025 St 37-3 N 17100 Fe 360 D1 10025

4

S235J2 10025-2 Fe 360 D2 10025 St 44-2 7960 St 44-2 17100 S275JR 10025-2 Fe 430 B 10025 St 44-3 7960 St 44-3 17100 St 44-3 U 17100 S275JO 10025-2 Fe 430 C 10025 St 44-3 N 17100 Fe 430 D1 10025

5

S275J2 10025-2 Fe 430 D2 10025 St 355 22426 St 52-3 17100

S355JR 10025-2 Fe 510 B 10025 St 52-3 U 17100 S355JO 10025-2 Fe 510 C 10025 St 52-3 N 17100 Fe 510 D1 10025 S355J2 10025-2 Fe 510 D2 10025 Fe 510 DD1 10025

6

S355K2 10025-2 Fe 510 DD2 10025 St 50-2 7960 St 50-2 17100 E295 10025-2 Fe 490-2 10025 St 60-2 7960 St 60-2 17100 E335 10025-2 Fe 590-2 10025

BA

US

TAH

L

7 St 70-2 17100 E360 10025-2 Fe 690-2 10025

97


Tabelle A1 - Stahlsortenübersicht – Fortsetzung

gültig für TGL 13500 für DIN 18800 für DIN / EC (neu) für EC 3 (alt) Zeile Stahl TGL Stahl DIN Stahl prEN Stahl EU

8 St 315 22426 St E 315 17102 StE 285 17102 S275N 10025-3 FeE 275 KG N 113-72

9 TStE 285 17102 S275NL 10025-3 FeE 275 KT N 113-72 StE 355 17102 S355N 10025-3 FeE 355 KG N 113-72

10 St 355 T 22426 TStE 355 17102 S355NL 10025-3 FeE 355 KT N 113-72St 440 22426 StE 420 17102 S420N 10025-3 FeE 420 KG N 113-72

11 TStE 420 17102 S420NL 10025-3 FeE 420 KT N 113-72 StE 460 17102 S460N 10025-3 FeE 460 KG N 113-72

12 St 460 T 22426 TStE 460 17102 S460NL 10025-3 FeE 460 KT N 113-72 S275M 10025-4 FeE 275 KG TM 113-72

13 S275ML 10025-4 FeE 275 KT TM 113-72 StE 355 TM 17102 S355M 10025-4 FeE 355 KG TM 113-72

14 TStE 355 TM 17102 S355ML 10025-4 FeE 355 KT TM 113-72 StE 420 TM 17102 S420M 10025-4 FeE 420 KG TM 113-72

15 TStE 420 TM 17102 S420ML 10025-4 FeE 420 KT TM 113-72 StE 460 TM 17102 S460M 10025-4 FeE 460 KG TM 113-72

16 TStE 460 TM 17102 S460ML 10025-4 FeE 460 KT TM 113-72 S460 Q 10025-6 FeE 460 V 137 TStE 460 V 17102 S460 QL 10025-6 FeE 460 V KT 137 17 S460 QL1 10025-6 StE 500 V 17102 S500Q 10025-6 FeE 500 V 137 TStE 500 V 17102 S500QL 10025-6 FeE 500 V KT 137 18 EStE 500 V 17102 S500QL1 10025-6 StE 550 V 17103 S550Q 10025-6 FeE 550 V 137 TStE 550 V 17103 S550QL 10025-6 FeE 550 V KT 137 19 EStE 550 V 17103 S550QL1 10025-6 StE 620 V 17103 S620 Q 10025-6 FeE 620 V 137 TStE 620 V 17103 S620QL 10025-6 FeE 620 V KT 137 20 EStE 620 V 17103 S620QL1 10025-6 StE 690 V 17103 S690Q 10025-6 TStE 690 V 17103 S690QL 10025-6 FeE 690 V KT 137

FEIN

KO

RN

BAU

STÄ

HLE

21 EStE 690 V 17103 S690QL1 10025-6

98


Ermittlung der Schweißnahtspannungen

Die folgende Abbildung zeigt die grundsätzlich Ermittlung der entstehenden Schweißnaht-spannungen infolge der Einwirkung von Bemessungswerten.

Abbildung A44 - Ermittlung der Schweißnahtspannung [11]

Die Abbildung bezieht sich auf die DIN 18800, ist aber auch auf die TGL 13500 und den EC 3 entsprechend anwendbar.

99


Normfestigkeiten Rin nach TGL 13500 / 01

Die zum Nachweis der Schweißnaht benötigte Normfestigkeit Ri

n ergibt sich aus der Ausfüh-rungsklasse und Beanspruchung der Schweißnaht, sowie der Streckgrenze des Grundwerk-stoffes Re.

Tabelle A2 - Normfestigkeit Rin nach TGL 13500 / 01 [8]

Ausfüh- Beanspruch- Streckgrenze Re des Grundwerkstoffes rungs- ung N / mm² klasse AK 240 275 315 355 440 460

Zug N≤1000 ⊥σ 240 248 270 284 293 307 Zug N≥1000 ⊥σ

Schub N≤1000 τ204 208 212 216 224 226

Schub N≥1000 τ 168 168 168 168 168 168 Schub N≤1000 τ

Stabanschluss 204 208 212 216 224 226 Schub N≥1000 τ

Stabanschluss 168 168 168 168 168 168 Druck ⊥σ 240 248 270 284 293 307 mehrachsig: -Zug, Schub , ⊥σ τ 229 236 257 271 279 293

II A, II B

-Druck ⊥σ 229 262 300 338 420 439 Zug, Schub , ⊥σ τ 96

III Druck ⊥σ 144

KE

HLN

AHT

II A, II B, III Zug, Druck IIσ 240 275 315 355 440 460

Anmerkung: N entspricht auf der Seite der Beanspruchung der Spannungsspielzahl.

100


Zum Abschnitt 3

Tabelle A3 - ertragbare Spannung σGW ertr nach [d]

Ausführ- Beanspruch- Streckgrenze Re des Grundwerkstoffes ungs- ung N / mm² klasse AK 235 255 290 350 440

Zug N≤1000 ⊥σ 235 255 265 280 294 Zug N≥1000 ⊥σ 198 200 206 214 221

Schub N≤1000 τ 198 200 206 214 221 Schub N≥1000 τ 165 165 165 165 165 Druck ⊥σ 235 235 265 280 294 mehrachsig: -Zug, Schub ,⊥σ τ 235 255 290 350 440

II A, II B

-Druck ⊥σ 235 235 265 280 294 Zug, Schub , ⊥σ τ 94 98 118 141 177

KE

HLN

AHT

III Druck ⊥σ 141 147 177 212 265

Abbildung A2 - Korrekturbeiwert k1 [17]

101


Abbildung A3 - Korrekturbeiwert k2 [17]

Anmerkung: Zur Berechnung des Verhältnis der Nahtdicke a zur Probendicke s1 bei der Op-timierung der Kehlnaht können folgende Formeln angewendet werden. - in Abhängigkeit des Korrekturfaktors k1 und des Verhältnis von Nahtdicke a zu Tiefenein-brand a tief

6683,0k*2711,3k*9489,7k*9092,6sa

0,1a

a1

21

31

1

1

tief+−+−=→=

7080,0k*8237,3k*0282,10k*2481,9sa

9,0a

a1

21

31

1

1

tief+−+−=→=

7491,0k*39179,4k*1285,12k*656,11sa

8,0a

a1

21

31

1

1

tief+−+−=→=

6997,0k*7811,3k*4442,9k*079,8sa

7,0a

a1

21

31

1

1

tief+−+−=→=

6875,0k*1148,4k*2496,11k*424,10sa

6,0a

a1

21

31

1

1

tief+−+−=→=

5493,0k*192,3k*9724,8k*4397,8sa5,0

aa

121

31

1

1

tief+−+−=→=

102

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A - in Abhängigkeit des Korrekturfaktors k2 und des Verhältnis von Nahtdicke a zu Tiefenein-brand a tief

1263,1k*01515,6k*0892,15k*821,13sa

0,1a

a2

22

32

1

2

tief+−+−=→=

0439,1k*6862,5k*6487,14k*827,13sa

9,0a

a2

22

32

1

2

tief+−+−=→=

9054,0k*6419,4k*3371,11k*324,10sa

8,0a

a2

22

32

1

2

tief+−+−=→=

8196,0k*210,4k*1805,10k*2952,9sa

7,0a

a2

22

32

1

2

tief+−+−=→=

7094,0k*638,3k*7071,8k*1966,8sa

6,0a

a2

22

32

1

2

tief+−+−=→=

57054,0k*6818,2k*4114,5k*9926,4sa

5,0a

a2

22

32

1

2

tief+−+−=→=

103


Zum Abschnitt 4

Tabelle A4 - Empfohlener Schweißzusatz bei verschiedenen GW – Kombinationen [14]

Stahl nach Tabelle 1 - Anhang empfohlener GW 1 GW 2 Schweißzusatz

G46 4M G4Si1 EN 440 Zeile 4, 14 Zeile 12, 16

G60 5M G3Ni1 EN 440

Zeile 4, 14 Zeile 21 G50 5M G3Ni1 EN440

G50 5M G3Ni1 EN 440 Zeile 4, 14 S960QL

G60 5M NiMo G50 5M G3Ni1 EN 440

Zeile 12, 16 Zeile 21 G60 5M NiMo G60 5M NiMo

Zeile 12, 16 S960QL G70 4M NiMoCr

Tabelle A5 - Thermischer Wirkungsgrad k nach verschiedenen Schweißverfahren [14]

thermischer Schweißverfahren

Wirkungsgrad k Unterpulverschweißen 1,0 Lichtbogenhandschweißen mit Stabelektrode 0,8 Metall - Aktivgasschweißen 0,8 Metall - Inertgasschweißen 0,8 Wolfram - Inertgasschweißen mit Argon oder Helium 0,8

Tabelle A6 - Nahtfaktoren F2 und F3 in Abhängigkeit der Nahtart [14]

Nahtart Nahtfaktor zweidimensionale Wärme- dreidimensionale Wärme-

Kehlnaht ableitung F2 ableitung F3

einlagig am Eckstoß 0,90 bis 0,67 0,67 einlagig am T-Stoß 0,45 bis 1,67 0,67

Tabelle A7 - Empfohlener Bereich der Abkühlzeit t8/5 in Abhängigkeit von der Stahlsort [14]

Stahl nach empfohlener Bereich empfohlener Bereich Tabelle 1 - Anhang der Abkühlzeit t8/5 der Abkühlzeit t8/5

Zeile nach [14] nach [14] 14 - 5 s - 25 s 15 - - 16 - 5 s - 25 s 17 8 s - 35 s 5 s - 20 s 18 10 s - 30 s - 19 10 s - 25 s - 20 10 s - 22 s - 21 15 s 15 s

S890Q / QL / QL1 12 s 12 s S965Q / QL 10 s 12 s

S1100Q 8 s 10 s

104

Bauhaus Universität Weimar Anna-Maria Schmidt Fakultät Bauingenieurwesen 980334 Professur Stahlbau B/98/A Anmerkung zum Kohlenstoffäquivalent CET des Stahls:

[ ]

[ ]%5,0CET2,0

%40Ni

20CuCr

10MoMnCCET

≤≤

++

++

+=

Anmerkung zum Wasserstoffgehalt HD des Schweißgutes: HD nach DIN 8572 wie folgt auswählen 20HD1 ≤≤

Drahtdurchmesser 1,0 mm Drahtdurchmesser 1,2 mm

Abbildung A45 - Richtwert zur Einstellung von Schweißstrom I, Schweißspannung U bzw. Drahtvorschub in Abhängigkeit verschiedener Schutzgase [15]


Abbildung A5 - Richtwert zur Einstellung von Schweißstrom I, Schweißspannung U bzw. Drahtvorschub in Abhängigkeit verschiedener Schutzgase [15]

Anmerkung * nach [15] Die Zuordnung von Drahtvorschub und Strom stimmt nur für M21 überein. Bei Verwendung von M22 ist bei gleichem Drahtvorschub der Strom um etwa 5 % höher, bei C1 um etwa 5 % niedriger zu wählen. Für die folgenden Abb. A4 und A5 ist vorher stehende Anmerkung ebenfalls zu beachten.

105


106


Abbildung A6 - Streckenenergie E in Abhängigkeit der Schweißgeschwindigkeit vw für Massiv-drahtelektroden [15]


Abbildung A7 - Streckenenergie E in Abhängigkeit der Schweißgeschwindigkeit vw für Füll-drahtelektroden [15]

Abbildung A8 - Raupenquerschnitt in Abhängigkeit von Drahtvorschub und Schweißgeschwin-digkeit vw [16]


Selbständigkeitserklärung

Ich erkläre, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbständig und nur unter Verwendung der

angegebenen Quellen und Hilfsmittel angefertigt habe.

Weimar, den 15.02.2005 .................................... Anna-Maria Schmidt

107

Documents

Diplomarbeit - Kehlnähte - TGL - DIN - EC