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Ermüdungsverhalten von Schweißverbindungen aus höchstfestem Stahl im Kurzzeitfestigkeitsbereich

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Inhalt

Größer, höher, weiter… so lauten die Anforderungen an den konstruktiven Ingenieurbau der heutigen Zeit. Zur Umsetzung dieser Ziele im modernen Stahlleichtbau spielt die Weiterentwicklung hochfester Baustähle eine entscheidende Rolle. Stahlsorten mit Streckgrenzen von bis zu 1300 N/mm² bieten hohe Festigkeiten in Kombination mit ausreichender Zähigkeit und guter Schweißeignung. Für den Kran- und Anlagenbau werden dadurch höhere Beanspruchbarkeiten bei gleichzeitig geringerem Eigengewicht der Konstruktion ermöglicht. Durch den Einsatz höchstfester Feinkornbaustähle können die Traglast und damit auch die Wirtschaftlichkeit der Konstruktion erhöht werden. Für die Ermüdungsbemessung kann die höhere statische Festigkeit nach derzeit gültigen Normen und Regelwerken nicht zum Ansatz gebracht werden. Insbesondere im Kranbau wird für die Ermüdung der Lastspielzahlbereich unter 50.000, aber dafür mit verhältnismäßig hohen einzelnen Beanspruchungen, maßgebend. Hier stellt sich die Frage, ob die höhere statische Festigkeit der höchst- und ultrahochfesten Stähle im Kurzzeitfestigkeitsbereich zum Tragen kommt und in wie weit diese angesetzt werden kann. Innerhalb dieser Arbeit wird das so genannte Low-Cycle-Fatigue-Verhalten moderner höchst- und ultrahochfester Feinkornbaustähle mit Nennfestigkeiten bis 1100 N/mm² im Schweißzustand untersucht und beschrieben. Eine wichtige Rolle spielen dabei die Abgrenzung des elastischen zum vorwiegend plastischen Materialverhalten und die Grenzen der Anwendbarkeit der rein elastischen Bemessung. Am Ende werden Empfehlungen zur Bemessung auf Basis der Nennspannungs-, Strukturspannungs- und Kerbspannungsmethode ausgesprochen. Damit können Schweißdetails aus höchstfestem Stahl im Kurzzeitfestigkeitsbereich elastisch bemessen werden. Die gewonnenen Erkenntnisse erlauben eine genauere Bemessung, die eine wirtschaftliche Anwendung höchstfester Feinkornbaustähle ermöglicht.; Higher, wider, further... so are the requirements for structural engineering today. To achieve these objectives in modern steel lightweight construction, the development of high-strength steels plays a crucial role. Steel grades with yield strengths up to 1300 N/mm² provide the necessary high strength. Combined with good toughness and sufficient weldability they enable higher load capacity and at the same time a lower weight of the construction. The load bearing capacity and hence the efficiency of the structure can be increased through the use of high-strength fine-grain structural steels. For the fatigue design the higher static strength cannot be used according to current standards and regulations. Particularly in crane construction, fatigue is governed by the load cycle range below 50,000 and high single loads. This raises the question of whether the higher static strength of ultra-high strength steels in the low-cycle fatigue range comes into play, and how far this can be applied. Within this work, the low-cycle fatigue behavior of modern high strength and ultra-high strength fine-grain structural steels with nominal strengths up to 1100 N/mm² in welded condition is investigated and described. An important role is played by the differentiation of the elastic to predominantly plastic material behavior and the limits of the applicability of elastic design rules. At the end design recommendations are given on the basis of the nominal stress approach as well as the structural notch stress approach. Thus, welded details made of high-strength steels can be designed for low-cycle fatigue applications. Furthermore, a more accurate assessment can be done, allowing for an economical application of high-strength fine-grain structural steels.

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