Schwingfestigkeitsbewertung geschweißter Bauteile aus offenen Stahlprofilen

Offene und geschlossene Profile werden in der Automobilindustrie, im Schienenfahrzeugbau, im Anlagenbau und in weiteren Branchen für die wirtschaftliche Konstruktion von schwingend beanspruchten geschweißten Strukturen eingesetzt. Für die Bemessung und Auslegung dieser Konstruktionen und Bauteile stehen verschiedene Nachweiskonzepte zur Verfügung. Auf Basis der verschiedenen Nachweiskonzepte wird der Beanspruchung der meist sicherheitsrelevanten Schweißverbindungen ermittelt und bewertet, zudem sind Vorgaben für die Beanspruchbarkeit der Fügeverbindungen gegeben. Ein Vergleich der unterschiedlichen Festigkeitskonzepte untereinander, insbesondere eine Bewertung der eventuell unterschiedlichen Ergebnisse bei der Anwendung der Konzepte auf eine Bauteilstruktur, fehlt.

Innerhalb der Arbeit werden das Nenn-, Struktur- und Kerbspannungskonzept aufbauend auf dem Stand der Technik und Forschung auf eine aus dem Schienenfahrzeugbau abgeleitete Querträgeranbindung aus dem Untergestell eines Wagenkastens angewendet. Anhand dieses Musterbauteils wird der Forschungsbedarf dieser Thematik entwickelt. Das methodische Vorgehen der Arbeit gliedert sich in Untersuchungen auf Basis von Bauteilen, sowie auf Kleinprobenversuchen, sogenannte Detailproben, die in ihrer Komplexität der Beanspruchung abgestuft sind. Schwerpunkte der Arbeit liegen zum einen auf den experimentellen Schwingfestigkeitsversuchen und der Ermittlung der Beanspruchungen mit Hilfe von Dehnungsanalysen, zum anderen auf der Modellierung und Berechnung der unterschiedlichen Probenformen mit Finite- Element-Methoden. Konzeptbezogen werden somit die Beanspruchungen sowohl experimentell als auch rechnerisch ermittelt. Die Einführung eines Schwingfestigkeitsverhältnisses macht den Vergleich der einzelnen Versuchsreihen der Schwingfestigkeitsversuche, aufbauend auf den einzelnen Detail- und Bauteilproben, untereinander, sowie unter den Festigkeitskonzepten, auf Basis der in dieser Arbeit abgeleiteten Referenzwöhlerlinien, möglich. Im Anschluss sind die Anwendungsmöglichkeiten und –grenzen der in dieser Arbeit vertieft untersuchten Festigkeitskonzepte aufgezeigt.

Durch die Erweiterung der Datenbasis mit aktuellen Forschungsergebnissen der Literatur erfolgt eine Übertragung der Ergebnisse auf weitere Musterbauteile, die weitere Anwendungsmöglichkeiten repräsentieren. Die Arbeit stellt somit umfassend vergleichende Betrachtungen der Schwingfestigkeit von geschweißten Stahlverbindungen im Blechdickenbereich von 2,7 – 20 mm dar. Fokus der Forschungsarbeiten liegt dabei auf dem in den Regelwerken nicht abgedeckten Blechdickenbereich von < 5 mm. Die Auswertung der Schwingfestigkeitsversuche ergibt konzeptunabhängig flachere Neigungen im Zeitfestigkeitsbereich der Referenzwöhlerlinien als in den Regelwerken angegeben, was zu einer unsicheren Bemessung der Bauteile führen kann. Die Einbeziehung der erarbeiteten Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen zukünftig eine bessere Prognose der Schwingfestigkeitsbewertung.