AiF / IGF 16097 N

Tragfähigkeit von Kehlnahtverbindungen höherfester Baustähle S690 im Stahlbau

AiF / IGF 16097 N, FOSTA P812

Schwerpunkt der Untersuchungen zur Tragfähigkeit von Schweißverbindungen höherfester Baustähle waren Flanken- und Stirnkehlnähte. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden daher insgesamt 78 Versuche zur Tragfähigkeit, sowie umfangreiche Begleituntersuchungen in Form von Zugversuchen, Mikroschliffen und Härtemessungen durchgeführt.

Neben dem Einfluss der geometrischen Abmessungen, der Schweißparameter sowie der Kraftrichtung lag der Schwerpunkt der Untersuchungen auf dem Einfluss der Festigkeit des Schweißzusatzwerkstoffs auf die Tragfähigkeit der Schweißverbindung höherfester Stähle S690.

Die Untersuchungen hatten das Ziel, auf experimentellen und numerischen Weg die aktuellen normativen Regeln in EN 1993-1-8 und EN 1993-1-12 hinsichtlich der Tragfähigkeit von Schweißverbindungen höherfester Baustähle S690 anzupassen. Um die Tragfähigkeit der Schweißverbindungen zu ermitteln, wurden die Versuchskörper so konzipiert, dass das Versagen immer im Schweißgut und nicht im Grundwerkstoff auftrat.

Die Ergebnisse der durchgeführten experimentellen Untersuchungen können im Hinblick auf die untersuchten Parameter wie folgt zusammengefasst werden:

• Durch die experimentellen Untersuchungen der Parameter Nahtdicke, Nahtlänge und Schweißparameter konnte die Tragfähigkeit von Flankenkehlnahtverbindungen mit dem Grundwerkstoff S690 und passendem Schweißzusatzwerkstoff bestimmt werden. Der Einfluss der Nahtlänge auf die Tragfähigkeit ist gering. Bei den mehrlagigen Nähten ist eine Abnahme der Tragfähigkeit von bis zu 15 % zu beobachten.
• Vergleichend wurden Versuche mit dem Grundwerkstoff S460 betrachtet. Die Versuchsergebnisse zeigten eine höhere Tragfähigkeit bei Schweißverbindungen mit dem Stahl S690 im Vergleich mit Verbindungen mit dem Stahl S460.
• Als weiterer Parameter wurde der Einfluss von Unter- und Überfestigkeiten des Schweißzusatzwerkstoffs auf die Tragfähigkeit der Verbindung S690 ermittelt. Bei Verwendung von niederfesten Schweißzusatzwerkstoffen wurde die Tragfähigkeit nur wenig geringer, durch Verwendung von höherfesten Schweißzusatzwerkstoffen konnte eine Steigerung der Tragfähigkeit festgestellt werden.
• Die Tragfähigkeit von Kreuzstößen wurde an Verbindungen gleicher und unterschiedlicher Schweißzusatzwerkstoffe ermittelt. Die Untersuchung des Einflusses der Festigkeit des Schweißzusatzwerkstoffs für Kreuzstöße mit dem Stahl S700A zeigt eine ansteigende Tragfähigkeit mit zunehmender Festigkeit des Schweißzusatzwerkstoffs.
• Die durchgeführten Werkstoffuntersuchungen haben gezeigt, dass die Festigkeit des reinen Schweißgutes sich deutlich von der Zugfestigkeit der mehrlagigen Kehlnaht unterscheidet. Insbesondere für den Schweißzusatzwerkstoff G46 wurde für die mehrlagige Kehlnaht eine Steigerung von 12-14 % festgestellt. Mit Hilfe dieser Ergebnisse konnte eine gute Korrelation zwischen der Tragfähigkeit und der Zugfestigkeiten festgestellt werden.

Zusätzliche numerische Untersuchungen wurden durchgeführt, um die Versuche nachzubilden. Es konnte gezeigt werden, dass durch genaue Modellierung der Geometrie der Schweißnaht und genaue Kenntnis der Festigkeit im Volumen der Naht die numerische Berechnung der Traglast möglich zur Übereinstimmung mit den Versuchen führt.

Zur werkstofftechnischen Abbildung der Naht standen die Ergebnisse von Zugversuchen am reinen Schweißgut und Zugversuche, die aus mehrlagigen Kehlnähten gefertigt wurden, zur Verfügung. Die Berechnungen mit diesen unterschiedlichen Zugfestigkeiten haben eindeutig ergeben, dass mit der Zugfestigkeit aus der Kehlnaht Traglasten erreicht werden, die denen aus dem Versuch sehr ähnlich sind.

Die numerischen Betrachtungen zum Tragverhalten haben gezeigt, dass ein Plastizieren der Naht eintritt. Die Kraft kann nicht weiter gesteigert werden, wenn die Vergleichsspannung in der Naht erreicht ist. Der Vergleich der Kraft-Verformungsdiagramme zeigt, dass das Tragverhalten gut abgebildet wird. Es wird davon ausgegangen, dass kein vorzeitiges Versagen durch Dehnungsüberschreitungen auftritt.

Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Leiterin der Forschungsstelle:
Prof. Dr.-Ing. U. Kuhlmann

Projektbearbeiterin: Dipl.-Ing. C. Schmidt-Rasche

Dieses IGF-Vorhaben der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Von 2009 bis 2011

AiF / IGF 14195 BG