Formoptimierung von aufgeschweißten Lamellen unter Ermüdungsbeanspruchung

Aufgrund wirtschaftlicher und ökologiscer Gesichtspunkte ist die Gewichtsreduzierung und eine optimal angepasste Ausnutzung der Konstruktion an die auftretenden Belastungen seit jeher ein wichtiger Aspekt bei der Bemessung und der Konstruktion von Bauteilen. Eine Standardausführung stellt hierbei das Detail der aufgeschweißten Lamelle dar, das in nahezu allen stahlverarbeitenden Branchen, wie im Stahl- und Stahlbrückenbau, aber auch im Maschinenbaubereich Anwendung findet, siehe Abbildung 1. Allen diesen Konstruktionen ist gemein, dass diese aufgrund wechselnder Beanspruchung auf Materialermüdung zu bemessen sind.

Besonders das Lamellenende dieses Kerbdetails spielt aufgrund der hohen Kerbschärfe am Schweißnahtübergang eine bedeutende Rolle und kann unter Umständen der limitierende Faktor bei der Bemessung sein. Insbesondere die schlechte Kerbfalleinordnung auf Nennspannungsniveau macht eine Optimierung der Lamellenform hin zu einer kerbärmeren Ausführung erstrebenswert. Es wurden deshalb bereits vielversprechenden Untersuchungen zu Variation des Lamellenendes im Vergleich zur Standardausführung im Stahlbau durchgeführt. Eine Formoptimierung des Details der aufgeschweißten Lamelle findet sogar bereits im Maschinenbau häufig Anwendung. Hierbei wird zumeist eine angespitzte Lamellenform mit auslaufender Schweißnaht verwendet.

Die steigenden Belastungen auf die Brückenkonstruktionen durch ein erhöhtes Verskehrsaufkommen führte in den vergangenen Jahren zu einer vermehrten Verwendung von Stahlblechen mit größeren Wanddicken. Diese führen bei einigen Kerbdetails zu einer Reduzierung der Ermüdungsfestigkeit. Dieser Effekt ist unter den Begriff des Größeneinflusses bekannt. Der Einfluss größere Wanddicken auf die Ermüdungsfestigkeit bei formoptimierten Lamellen soll daher mit betrachtet werden. Neben der Verwendung größerer Blechdicken nimmt auch die Verwendung von hoch und höherfesten Stahlsorten immer mehr zu, deren hohe Festigkeit aufgrund der schlechten Einteilung des Kerbdetails beim Ermüdungsnachweis keine Berücksichtigung findet. Eine Optimierung des Lamellenendes auch für höherfeste Werkstoffe ist daher wünschenswert.

Eine weitere Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit für das Detail der aufgeschweißten Lamelle kann die Anwendung von höherfrequenten Hämmerverfahren (HFMI) darstellen, die bereits in mehreren Untersuchungen an anderen Kerbdetails zu einer deutlichen Steigerung der Ermüdungsfestigkeit und der Lebensdauer führte. Bei diesem Verfahren werden durch einen Pin, der mit bis zu 200 Hz und 10 bar auf den Schweißnahtübergang hämmert, plastische Verformungen am Schweißnahtübergang erzeugt, die mit einem Einbringen von Druckeigenspannungen einhergehen. Diese müssen zunächst durch die ermüdungsrelevanten Zugspannungen abgebaut werden, um zu einer Rissinitiierung und zu einem anschließenden Risswachstum zu führen.

Im Zuge dieses Forschungsprojektes soll daher die Ausführung und die Ausgestaltung des Lamellenendes genauer untersucht und optimiert werden. Hierzu sollen anhand von bereits bestehenden Forschungsergebnissen und numerischen Voruntersuchungen verschieden kerbarme Lamellenauslaufformen identifiziert und bezüglich der Kerbschärfe optimiert werden. Die ausgewählten Lamellenformen werden anschließend versuchstechnisch überprüft. Insgesamt sind hierzu ca. 70 Versuche geplant, die sich neben der Lamellenform auch in der verwendeten Stahlgüte, Blechdicke und Nachbehandlungsmethode unterscheiden. Zusätzlich soll die Einbausituation bei Brückenbauwerken berücksichtigt werden. Es sind deshalb Versuche sowohl mit Trägern, als auch mit Blechen als Grundblech durchgeführt werden.

Zusammenfassung der Forschungsziele:

• Optimierung des Lamellenendes in Bezug auf die Ermüdungsfestigkeit durch Variation der Form
• Einfluss der Schweißnahtnachbehandlung Höherfrequentes Hämmern auf die Ermüdungsfestigkeit bei aufgeschweißten Lamellen
• Untersuchungen zum Größeneinfluss bei aufgeschweißten formoptimierten Lamellen
• Berücksichtigung der Einbausituation durch Versuche an Trägern und Blechen mit aufgeschweißten Lamellen