Neufassung: DVS-Merkblatt „Industrielle Anwendung des Kerbspannungs-konzeptes“

Neufassung: DVS-Merkblatt „Industrielle Anwendung des Kerbspannungskonzeptes“

Mit Ausgabedatum Mai 2021 ist eine aktaualisierte Fassung des Merkblatts DVS 0905 „Industrielle Anwendung des Kerbspannungskonzeptes für den Ermüdungsfestigkeitsnachweis von Schweißverbindungen“ erschienen. Die neue Fassung ersetzt die Vorgängerausgabe vom Februar 2017.

Das Merkblatt enthält umfassende Vorgaben zur industriellen Nutzung des Kerbspannungskonzeptes für die ermüdungsfeste Bemessung von Schweißkonstruktionen. Darin sind einerseits Forschungsergebnisse zu diesem Nachweiskonzept der letzten Jahre berücksichtigt worden, andererseits wurden maßgebende Inhalte von Dokumenten des International Institute of Welding zu dieser Thematik erfasst, die unter anderem als internationale Empfehlungen zur Anwendung des Kerbspannungskonzepts (IIW-Guideline) vorliegen.

Das Merkblatt enthält umfassende Vorgaben zur industriellen Nutzung des Kerbspannungskonzeptes für die ermüdungsfeste Bemessung von Schweißkonstruktionen. Im Merkblatt wurden alle notwendigen Angaben zusammengestellt, um zwischen Auftraggeber und Auftragnehmer die umfassende Anwendung des Kerbspannungskonzeptes für den Nachweis ermüdungsbeanspruchter Schweißkonstruktionen unabhängig von der Produktform zu vereinbaren.

Mit diesem Merkblatt werden also umfassende Vorgaben für den Ermüdungsfestigkeitsnachweis von Schweißkonstruktionen mit dem Kerbspannungskonzept bereitgestellt. Damit sind die Voraussetzungen gegeben, mit diesem Konzept alle in der Praxis auftretenden schmelzgeschweißten oder widerstandsgeschweißten Konstruktionen aus Stahl und Aluminiumlegierungen bewerten zu können, die zyklischen Belastungen mit hohen Schwingspielen (N ≥ 10 4) unterliegen. Die Bewertung der niederzyklischen Schwingfestigkeit (Kurzzeitschwingfestigkeit) ist damit ausgeschlossen.

Die Ermittlung von Beanspruchungen in geschweißten Konstruktionen erfolgt im Allgemeinen mit numerischen Berechnungsverfahren, wobei hierfür vor allem die Finite-Elemente-Methode bzw. Finite-Elemente-Programme eingesetzt werden. Für die Bewertung bzw. für den Festigkeitsnachweis der auf diese Weise ermittelten Beanspruchungen ist das herkömmliche Nennspannungskonzept aus verschiedenen Gründen allerdings nur bedingt geeignet. Unter anderem gibt es keine allgemeingültigen Ansätze für die Bestimmung der maßgebenden Nennspannung, oder die für bestimmte Kerbfälle ermittelten Schwingfestigkeitswerte sind auf die zu untersuchende Struktur nicht ohne weiteres übertragbar. Eine umfassende Festigkeitsbewertung ist in solchen Fällen nur mit örtlichen Konzepten möglich wie mit dem Kerbspannungskonzept, das bereits häufig in verschiedenen Industriebranchen genutzt wird. In einem großen, von der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e. V. des DVS initiierten Forschungsverbundprojekt wurde die industrielle Anwendbarkeit dieses Konzeptes an Bauteilen aus unterschiedlichen industriellen Anwendungsgebieten nachgewiesen, wie aus dem Automobilbau, dem Schiff- und Schienenfahrzeugbau sowie dem Maschinenbau.

Damit ist das Kerbspannungskonzept eine wichtige Grundlage für die generelle rechnerinterne Auswertung von numerischen Festigkeitsberechnungen bzw. Finite-Elemente-Berechnungen geschweißter Bauteile im regelbasierten Anwendungsbereich und betrifft insbesondere abnahmepflichtige Schweißkonstruktionen, wie im Stahl- und Brückenbau sowie im Fahrzeug-, Behälter- und Kranbau.

Im Anhang A dieses Merkblattes sind unterschiedliche Anwendungsbeispiele aufgeführt, mit denen die industrielle Nutzung des Kerbspannungskonzeptes unterstützt bzw. erleichtert wird. Der Anhang B enthält ein Ablaufschema zur Durchführung des Kerbspannungsnachweises.

Inhaltsverzeichnis (Auszug):

• Allgemeines
• Anwendungs- bzw. Geltungsbereich
• Begriffe und Formelzeichen
  • Definitionen 
  • Formelzeichen
• Grundlagen des Kerbspannungskonzeptes
  • Festlegungen für die Berechnung der Kerbbeanspruchungen
  • Entwicklung des Kerbspannungskonzepts in der hier dargestellten Form
  • Vorteile des Kerbspannungskonzepts und Abgrenzung zu anderen Konzepten
  • Ermittlung von ertragbaren Kerbspannungen auf Basis von Schwingfestigkeitsversuchen
  • Imperfektionen und Vorverformungen
  • Nachbearbeitete Nähte
• Ermittlung der Beanspruchungen
  • Kerb- bzw. Referenzradius zur Erfassung von Schweißnahtkerben
  • Idealisierung von Schweißverbindungen
  • Berechnungsmöglichkeiten für Kerbspannungen
    • Allgemeines
    • 2D- oder 3D-Analyse
    • Netzverfeinerung
    • Verwendung von Submodellen
    • Widerstandspunktschweißungen
  • Kerbspannungsberechnung von Schweißnähten mit geringer Kerbwirkung
  • Zusätzliche Spannungsermittlung im Bereich vor dem Nahtübergang
  • Beanspruchungsermittlung bei Widerstandspunktschweißungen
• Beanspruchbarkeit
  • Kennwerte der Schwingfestigkeit
  • Modifizierung der Schwingfestigkeit
    • Berücksichtigung von Mittel- und Eigenspannungseinfluss
    • Wanddicken- und Größeneinfluss
    • Verbesserung der Schwingfestigkeit durch Nachbehandlungen
• Berücksichtigung von Qualitätsanforderungen
• Sicherheitsbeiwerte und Nachweisführung
  • Sicherheitsbeiwerte
  • Nachweis der Spannungskomponenten
    • Schwingfestigkeitsnachweis bei konstanter Spannungsamplitude
    • Schwingfestigkeitsnachweis bei variablen Spannungsamplituden
  • Bewertung von mehrachsigen Spannungszuständen
    • Bewertung mit Interaktionsgleichung
    • Vereinfachte Bewertung mit Hauptspannungen
• Anhang A: Anwendungsbeispiele
• Anhang B: Ablaufschema zur Durchführung des Kerbspannungsnachweises
• Anhang C: Experimentelle Ermittlung von Schwingfestigkeitswerten für das Kerbspannungskonzept
• Anhang D (informativ) Spannungsmittelungsansatz nach Neuber
• Anhang E (informativ): Mittelspannungsabhängigkeit der Ermüdungsfestigkeit geschweißter Verbindungen nach FKM-Richtlinie
• Anhang F (informativ): Normative Grenzwerte für Unregelmäßigkeiten der Nahtgeometrie von Schweißverbindungen

Die Neufassung des Merkblatts DVS 0905 „Industrielle Anwendung des Kerbspannungskonzeptes für den Ermüdungsfestigkeitsnachweis von Schweißverbindungen“ ist als PDF-Datei im DVS-Regelwerksportal erhältlich. DVS-Mitglieder haben kostenfreien Zugriff auf die Dokumente.