Plastizität in Schweißnähten in IDEA StatiCa

Fragen wie:

• Ist eine plastische Verteilung in Schweißnähten erlaubt und normkonform?
• Führt die Art, wie Schweißnähte in IDEA modelliert werden, nicht zu einem zu hohen Widerstand?
• Wie geht IDEA mit den Anforderungen von Kl. 4.9 der EN 1993-1-8 um, die besagen, dass man sich nicht auf die Duktilität der Schweißnähte verlassen sollte?
• Wie geht IDEA mit der Anforderung um, dass Schweißnähte ausreichend stark sein sollten, um nicht vor dem allgemeinen Fließen im angrenzenden Grundmaterial zu versagen?

In diesem Artikel geben wir Antworten auf diese Fragen.

Tatsächliches Verhalten einer Schweißnaht

Es ist hilfreich, zunächst das reale Verhalten einer Schweißnaht zu betrachten. Die tatsächliche Spannungsverteilung oder Dehnungsverteilung in einer Kehlnaht unter verschiedenen Lastkombinationen ist jedoch schwer präzise zu bestimmen. Außerdem können die Materialeigenschaften im Grundmaterial nahe der Schweißnaht und in der Schweißnaht selbst nicht als homogen betrachtet werden. Um Einblick in das Versagensverhalten von Schweißnähten zu gewinnen, wurde daher weltweit eine große Anzahl experimenteller Tests durchgeführt.

Betrachten Sie zum Beispiel die folgende Überlappungsverbindung, die in Längsrichtung belastet wird. Ähnlich wie bei Schraubverbindungen, die in Längsrichtung belastet werden, wird die Spannungsverteilung nicht gleichmäßig sein. Dennoch kann man qualitativ angeben, wie die Spannungsverteilung aussehen würde. Die höchsten Spannungen treten an den Enden auf

Abbildung 1 - Ungleichmäßige Verteilung von Schubspannungen in einer Überlappungsverbindung

Bei weiterer Laststeigerung zeigt sich, dass die Schweißnaht Verformungskapazität aufweist und lokales Fließen auftreten kann (Abbildung 2).

Abbildung 2 - Ungleichmäßige Spannungsverteilung von Schubspannungen mit lokalem Fließen in einer Überlappungsverbindung

Eurocode-Methode

Verschiedene Schweißnahtkonfigurationen und Lastkombinationen können zu unterschiedlichen Spannungsverteilungen führen. Ein semi-empirischer Ansatz wurde als Grundlage für die Bemessungsregeln des Eurocodes gewählt. Anstatt den Versagensmechanismus im Mikromaßstab zu prüfen, werden die Schweißnähte als Ganzes im Makromaßstab geprüft. Ein vereinfachtes Versagensmodell wurde angenommen, basierend aufPlastizität. Durch Rückrechnung zu den experimentellen Testergebnissen wurde ein Versagenskriterium (Schweißnahtformel) bestimmt.

EN 1993-1-8 Kl. 4.5.3 beschreibt zwei Methoden zur Bestimmung des Bemessungswiderstands von Kehlnähten, die Richtungsmethode und die Vereinfachte Methode. Die Vereinfachte Methode ist eine vereinfachte Version der Richtungsmethode. Bei der Richtungsmethode werden die von einer Einheitslänge der Schweißnaht übertragenen Kräfte in Komponenten parallel und quer zur Längsachse der Schweißnaht sowie normal und quer zur Ebene ihrer Wurzel zerlegt. Der Bemessungswert des Widerstands der Schweißnaht ist ausreichend, wenn beide folgenden Gleichungen erfüllt sind:

Wobei:

 
Bei der Schweißnahtberechnung statisch belasteter Strukturen ist es dann erlaubt, eine gleichmäßige Spannungsverteilung über die Dicke und entlang der Länge der Schweißnaht anzunehmen. Hier wird jedoch auch implizit angenommen, dass plastische Dehnungen auftreten können, um eine Umverteilung der Spannungen zu ermöglichen. Die benötigte Verformungskapazität steigt mit zunehmender Schweißnahtlänge. Die Grenzdehnung wird jedoch immer noch als begrenzt betrachtet, daher muss in bestimmten Situationen eine wirksame Breite b_eff berücksichtigt werden, zum Beispiel bei einer Verbindung, wo eine Querplatte (oder Trägerflansch) an einen tragenden unverstärkten Flansch eines I-Profils geschweißt wird (Abbildung 3).

Abbildung 3 - Wirksame Breite einer unverstärkten T-Verbindung

CBFEM-Methode

Im Gegensatz dazu besteht bei dem in IDEA StatiCa verwendeten CBFEM(Component Based Finite Element Model) Ansatz eine Schweißnaht aus mehreren kleineren Elementen nebeneinander. Die Schweißnahtdicke, Position und Orientierung der Schweißnaht wird berücksichtigt. Spannungen und Dehnungen in jedem Element können voneinander abweichen. Daher entwickelt sich im Modell automatisch eine ungleichmäßige Spannungsverteilung, die realistischer ist als die idealisierte gleichmäßige Spannungsverteilung nach den Normen (Abbildung 4).

Abbildung 4 - Spannungen in Blechen und Schweißnähten in einer geschweißten Träger-Stütze-Verbindung IDEA

Das Ziel des angewendeten Materialmodells in IDEA ist jedoch immer noch nicht, die Realität perfekt zu erfassen. Eigenspannungen oder Schweißschrumpfung werden vernachlässigt. Das Materialmodell mit seinem plastischen Grenzdehnungswert wird so gewählt, dass der Gesamtwiderstand der Schweißnaht in einem IDEA-Modell gut mit dem Widerstand nach den Normen übereinstimmt. Um dies zu erreichen, hat IDEA StatiCa viele Validierungen durchgeführt. Im CBFEM-Buch (geschrieben von Prof. Frantisek Wald et al. der Tschechischen Technischen Universität in Prag) und in nachfolgender Forschung wurde eine große Anzahl von Vergleichen zwischen verschiedenen Typen von Schweißnähten gemacht, die in IDEA berechnet und nach den Normen berechnet oder in Experimenten belastet wurden (siehe Abbildung 5). Auf unserer Website können viele Validierungsdokumente zu diesem Thema gefunden werden - Support Center Verifikationen

Abbildung 5 - Schubspannung-Verformungsdiagramme aus Experimenten von Kleiner (2018) im Vergleich zu CBFEM

Dies zeigt, dass die verwendete Dehnungsgrenze zu einem sicheren Gesamtwiderstand der Schweißnaht führt, der auch gut mit dem nach den relevanten Normen berechneten Widerstand übereinstimmt. Dies ist der Grund, warum eine plastische Umverteilung in Schweißnähten im IDEA-Modell als akzeptabel betrachtet wird. Ohne Plastizität in den Schweißnähten könnte man niemals dem nach den Normen von Hand berechneten Widerstand nahekommen.

Zusätzliche Anforderungen aus EN 1993-1-8 Art. 4.9

EN 1993-1-8 in Kl. 4.9(4)-(6) gibt weitere zusätzliche Anforderungen für Schweißnähte in Verbindungen an. Die Idee hinter diesen Regeln ist, dass eine Verbindung daran gehindert werden sollte, ohne ausreichende Warnung zu versagen. Auch wenn man zeigen kann, dass plastische Dehnungen in Schweißnähten auftreten können und dass die Schweißnaht grundsätzlich ausreichend stark ist, um den auftretenden Kräften zu widerstehen, die in einer allgemeinen (statischen) Berechnung bestimmt werden, kann es dennoch der Fall sein, dass die auftretenden Kräfte größer sind als erwartet und zum Versagen der Verbindung als Ganzes ohne ausreichende Warnung führen könnten. Dies liegt daran, dass die Gesamtverlängerungen in einer Schweißnaht in absolutem Sinne immer noch klein sein können. Ausreichende Warnwirkung kann dann durch die Auslegung der Verbindung so erzielt werden, dass die angeschlossene Platte fließen kann, bevor die Schweißnaht bricht. Dies kann durch Anwendung eines minimalen Verhältnisses von Schweißnahtdicke zu Plattendicke erreicht werden. Daher beinhaltet IDEA StatiCa Detailprüfungen, um zu verifizieren, ob eine Schweißnaht im Modell eine ausreichende Schweißnahtdicke für eine gegebene Plattendicke hat.

Die spezifische Regel, die IDEA hierfür implementiert hat, basiert auf Kl. 6.9(4) der Konzeptversion des kommenden neuen Eurocodes (FprEN 1993-1-8:2023(E)), die besagt, dass zur Erfüllung ausreichender Duktilität die Schweißnaht so bemessen werden muss, dass ihr Widerstand mindestens gleich ist:

• 1,1 f_y/f_u mal dem Bemessungswiderstand der schwächsten angeschlossenen Platte
• aber nicht mehr als der Bemessungswiderstand der schwächsten angeschlossenen Platte sein muss

Unter Annahme des folgenden Standard-T-Verbindungsbeispiels (Abbildung 6):

Abbildung 6 - T-Verbindung mit Normalkraft auf die angeschlossene Platte gleich der Streckgrenzenkraft der Platte

wobei die Größe von F_s,d so gewählt wird, dass F_s,d = f_y,plate ∙ t ∙ l, führt dies zur Ableitung der folgenden Formel, die für die Detailprüfung in IDEA für doppelseitige Kehlnähte verwendet wird:

Wobei:

 
Für die folgenden Standard-Stahlsorten führt dies zu den folgenden minimalen Schweißnahtdicken - Plattendicken-Verhältnissen (Tabelle 1).

Tabelle 1 - Minimale Schweißnahtdicke für Duktilität

 
Für einseitige Kehlnähte muss der abgeleitete Wert mit 2 multipliziert werden. Der Benutzer von IDEA erhält eine Warnung, wenn die angewendete Schweißnahtdicke den Mindestwert nicht erfüllt (Abbildung 7). Der Benutzer erhält auch eine Fehlermeldung, wenn Schweißnähte mit einer Wurzeldicke kleiner als 3,0 mm angewendet werden, was nach EN 1993-1-8 Kl. 4.5.2(2) nicht erlaubt ist.

Abbildung 7 - Warnung bei Anwendung zu geringer Schweißnahtdicke in IDEA

 
Dennoch kann es Situationen geben, in denen man argumentieren kann, dass es nicht notwendig ist, die Mindestschweißnahtdickenanforderung für Duktilitätszwecke zu erfüllen. Zum Beispiel bei Schweißnähten einer Stützenfußplattenverbindung, die hauptsächlich Druckkräfte übertragen. Oder wenn man zeigen könnte, dass ein anderer Teil in der Gesamtstruktur existiert, der ohnehin mit ausreichender Warnung versagen würde. Das Programm sollte immer als Werkzeug betrachtet werden, es liegt am Ingenieur, sein ingenieurmäßiges Urteilsvermögen zu nutzen, um eine fundierte Entscheidung über die endgültige Bemessung zu treffen.