Die Abbildungen und Tabellen zu diesem Artikel finden Sie im Daumenkino oben.
Der Schweißexperte Duane Miller hat zwei hervorragende Artikel für die Februar- und Märzausgabe 2024 des STRUCTURE Magazine geschrieben. In den Artikeln wurden 10 Bedingungen beschrieben, unter denen Schweißnähte einer ungleichmäßigen Belastung ausgesetzt sein können. Diese Bedingungen können problematisch sein, wenn sie nicht vermieden oder bei der Konstruktion nicht besonders berücksichtigt werden. Die allgemeine Annahme, dass aufgebrachte Lasten gleichmäßige Spannungen in einer Schweißnaht verursachen, gilt für diese Bedingungen nicht. Was aber, wenn Sie einen Designansatz verwenden, der niemals eine solche Annahme macht? Beim Verbindungsdesign durch inelastische Analyse, beispielsweise unter Verwendung der komponentenbasierten Finite-Elemente-Methode (CBFEM), wie sie in IDEA StatiCa Connection implementiert ist, werden keine allgemeinen Annahmen über die Spannungsverteilung in Schweißnähten oder anderen Komponenten getroffen. Spannungen entstehen bei der Analyse naturgemäß aufgrund der Steifigkeit der verschiedenen Komponenten der Verbindung. In diesem Artikel geht es um jede der 10 Bedingungen von Miller, um herauszufinden, welche besondere Aufmerksamkeit sie beim Entwurf mittels inelastischer Analyse erfordern.
Zehn am häufigsten auftretende Bedingungen mit ungleichmäßig belasteten Schweißnähten
In seiner zweiteiligen STRUCTURE-Reihe 2024 über ungleichmäßig belastete Schweißnähte (Februar- und Märzausgabe) fasste der Autor Duane Miller die folgenden häufig auftretenden Bedingungen zusammen.
Zustand 1: Ungleichmäßige Belastung aufgrund von Biegung um die Wurzel von Kehl- oder PJP-Nutschweißnähten
Zustand 2: Ungleichmäßige Belastung aufgrund einer einzelnen Querschweißnaht in einer endbelasteten Überlappungsverbindung
Bedingung 3: Ungleichmäßige Belastung aufgrund kurzer Abstände zwischen Querschweißnähten bei endbelasteten Verbindungen
Bedingung 4: Ungleichmäßige Belastung aufgrund von Scherverzögerung
Bedingung 5: Ungleichmäßige Belastung aufgrund einer langen Schweißnaht in einer endbelasteten Verbindung
Bedingung 6: Ungleichmäßige Belastung, da die Schweißgruppe ungleichmäßig belastet ist
Bedingung 7: Ungleichmäßige Belastung, da die Schweißnaht ein starres Element mit einem flexiblen Element verbindet
Bedingung 8: Ungleichmäßige Belastung, da Querschweißnähte mit Längsschweißnähten kombiniert werden
Bedingung 9: Ungleichmäßige Belastung, da die Schweißnaht Teil einer Rohrverbindung ist
Zustand 10: Ungleichmäßige Belastung, weil Schweißnähte mit Bolzen oder Nieten kombiniert sind
Die erste Bedingung ist eine ungleichmäßige Belastung aufgrund einer Biegung um die Wurzel einer Kehlnaht oder einer PJP-Nutnaht. Die zweite Bedingung ist eine einzelne Querschweißung in einer an den Enden belasteten Überlappungsverbindung, bei der aufgrund der Biegung um die Wurzel herum die Möglichkeit einer ungleichmäßigen Belastung besteht, wenn die Durchbiegung der überlappten Teile nicht ausreichend eingeschränkt wird. Die Modellierung von Schweißnähten variiert in den inelastischen Analyseansätzen, aber in der CBFEM werden Kehlnähte und PJP-Nutschweißnähte mithilfe von Mehrpunktbeschränkungen und einem äquivalenten Schweißschalenelement modelliert, das das elastoplastische Verhalten der Schweißnaht annähert. Ein wichtiger Aspekt dieses Modellierungsansatzes besteht darin, dass er zu einer Biegesteifigkeit von Null um die Schweißnahtwurzel führt. Dadurch können keine Biegespannungen entstehen und für die in Millers Artikel dargestellten Details wird die Analyse nicht durchgeführt, da die fehlende Biegesteifigkeit das Modell instabil macht. In einigen Fällen ist die Stabilität der Verbindung jedoch möglicherweise nicht auf die Biegesteifigkeit der Schweißnaht angewiesen, und es kann zu Biegeverformungen an der Schweißnahtwurzel kommen. Biegeverformungen sollten vermieden werden, indem die gebogene Form anhand des Analysemodells überprüft und die Verbindung ordnungsgemäß detailliert beschrieben wird.
Im dritten Zustand ist die ungleichmäßige Belastung auf kurze Abstände zwischen den Querschweißnähten bei endbelasteten Verbindungen zurückzuführen. Bei Verwendung des CBFEM hat der Abstand nur minimale Auswirkungen auf die Festigkeit der Schweißnähte. Betrachten Sie die in Abbildung 1 dargestellte Verbindung. Ohne geometrische Nichtlinearität führen die Randbedingungen und die Exzentrizität zu einer erheblichen Biegung der Platten. Durch die geometrische Nichtlinearität aufgrund von Membraneffekten wird die Biegung verringert, der kurze Abstand hat jedoch keine Auswirkungen auf die Schweißnähte. Bei sehr kurzen Abständen (z. B. einer Überlappung von 1/2 Zoll) geben die Platten nach, was die Festigkeit begrenzt, aber auch hier wird die Bewertung der Schweißnähte nicht beeinträchtigt. Durch die Bewertung der Festigkeit durch eine inelastische Analyse entfällt die Notwendigkeit, bestimmte vom Modell erfasste Grenzzustände zu überprüfen, es entfällt jedoch nicht die Notwendigkeit, detaillierte Anforderungen wie die Anforderung in Abschnitt J2.2b(f) der AISC-Spezifikation zu erfüllen, die einen Mindestüberlappungsabstand vorschreibt.
In der vierten Bedingung ist die Scherverzögerung das Problem. Während bei Verbindungen wie der in Abbildung 2 gezeigten endbelasteten Überlappungsverbindung eine Scherverzögerung auftritt, ist unklar, ob die Scherverzögerung die Festigkeit der Verbindung beeinflusst. CBFEM-Analysen lassen für diese Verbindung keine Verringerung der Schweißnahtfestigkeit aufgrund der Scherverzögerung erkennen, ebenso wenig wie eine kürzlich vom Autor durchgeführte Reihe physikalischer Experimente. Nichtsdestotrotz müssen, genau wie bei der dritten Bedingung, die detaillierten Anforderungen der American Welding Society (AWS) erfüllt werden, auch wenn die Festigkeit mithilfe einer inelastischen Analyse beurteilt wird. Insbesondere legt AWS D1.1 Abschnitt 4.9.2 fest, dass die Länge jeder Kehlnaht nicht kleiner als der senkrechte Abstand zwischen ihnen sein darf, wenn Längskehlnähte allein in Überlappungsverbindungen von Endverbindungen von Flachstangen- oder Plattenelementen verwendet werden.
Lange Schweißnähte in endbelasteten Verbindungen unterliegen aufgrund der Spannungskompatibilität zwischen den verbundenen Teilen einer ungleichmäßigen Belastung. Die Spannung in der Nähe der Enden der Schweißnähte ist größer als in der Nähe der Mitte, wobei der Unterschied von der relativen Steifigkeit zwischen den Schweißnähten und den verbundenen Teilen abhängt. In der traditionellen Konstruktion wird dieser fünfte Zustand einer ungleichmäßig belasteten Schweißnaht durch die Verwendung einer reduzierten effektiven Länge für lange Schweißnähte behoben. Bei der Konstruktion durch inelastische Analyse werden die Steifigkeiten der Schweißnähte und verbundenen Teile explizit modelliert und die Dehnungskompatibilität erzwungen. Daher erfassen die Ergebnisse den Effekt einer ungleichmäßigen Belastung genauer als die Näherungsgleichung. Ein Vergleich zwischen den Ergebnissen von CBFEM-Analysen und traditionellem Design ist in Abbildung 3 dargestellt, basierend auf einer größeren Studie.
Die sechste Bedingung liegt vor, wenn die Schweißgruppe ungleichmäßig oder exzentrisch belastet ist. Im herkömmlichen Design wird dieser Zustand häufig mithilfe der Methode des momentanen Rotationszentrums über Tabellen in Teil 8 des AISC-Handbuchs behoben. Die Methode des momentanen Rotationszentrums ist selbst eine nichtlineare Analysemethode, die sicherstellt, dass Gleichgewicht und Dehnungskompatibilität erfüllt sind, und gleichzeitig die vorteilhafte Wirkung des Richtungsfestigkeitserhöhungsfaktors berücksichtigt. Vergleiche zwischen der Methode des momentanen Rotationszentrums und dem CBFEM für Halterungsplattenverbindungen haben gezeigt, dass das CBFEM die ungleichmäßige Belastung konservativ erfasst.
Die Bedingungen 7 bis 10 weisen mehrere mögliche Lastpfade auf, wobei eine ungleichmäßige Belastung auftritt, da einige Pfade steifer oder stärker sind als andere. Der Entwurf durch inelastische Analyse eignet sich gut zur ordnungsgemäßen Bewertung dieser Bedingungen, da die Steifigkeit aller Komponenten explizit modelliert wird und Dehnungskompatibilität und Gleichgewicht erzwungen werden.
Die siebte Bedingung ist das Verschweißen eines starren Elements mit einem flexiblen Element. Eine unter Spannung stehende Platte, die über den Flansch eines I-förmigen Abschnitts geschweißt ist, wie in Abbildung 4 dargestellt, ist ein klassisches Beispiel für Bedingung 7. Die Schweißnaht zwischen der Platte und dem Flansch wird ungleichmäßig belastet, da ein größerer Teil der Last auf den steiferen Pfad direkt durch den Flansch und in den Steg gezogen wird. Bei der Modellierung mit CBFEM sind die Schweißspannungen am Steg des I-förmigen Elements am höchsten. Diese Schweißnähte erreichen zuerst ihre volle Auslastung und signalisieren damit, dass die Festigkeit der Verbindung erreicht wurde, auch wenn die Teile der Schweißnaht in der Nähe der Flanschspitzen nicht ihre volle Kapazität erreichen. Die neunte Bedingung, Schweißnähte, die Teil einer Rohrverbindung sind, ist ein weiteres Beispiel für das Schweißen eines starren Elements an ein flexibles Element. Auch hier ist CBFEM in der Lage, die ungleichmäßige Belastung zu erfassen und die Ausnutzung der Schweißnähte entsprechend zu berechnen.
In der achten Bedingung werden Querschweißnähte mit Längsschweißnähten kombiniert und es kommt zu einer ungleichmäßigen Belastung, da Schweißverbindungen mit Querschweißnähten fester, aber weniger duktil sind als ähnliche Verbindungen mit Längsschweißnähten. Die AISC-Spezifikation stellt Gleichung J2-6 für konzentrisch belastete Schweißgruppen wie diese bereit. Auch ohne Implementierung dieser Gleichung erfasst das CBFEM den Effekt gut, da das zugrunde liegende Verhalten modelliert und in die Festigkeitsprüfungen einbezogen wird (Abb. 5).
Der zehnte und letzte Zustand ungleichmäßiger Belastung tritt auf, wenn Schweißnähte mit Bolzen oder Nieten kombiniert werden. In Abschnitt J1.8 der AISC-Spezifikation können Schrauben und Schweißnähte nur bei der Konstruktion von Scherverbindungen auf einer gemeinsamen Stoßfläche als Lastverteilung betrachtet werden, wobei die Dehnungskompatibilität zwischen den Schrauben und Schweißnähten berücksichtigt wird. Die Festigkeitsprüfungen für Schrauben und Schweißnähte erfolgen im CBFEM unabhängig voneinander, ohne dass eine besondere Behandlung der Lastverteilung zwischen Schrauben und Schweißnähten erfolgt. Aufgrund der expliziten Modellierung der Steifigkeit von Schrauben, Schweißnähten, Stäben und Verbindungselementen wird in der CBFEM stets die Dehnungsverträglichkeit berücksichtigt. Wenn sich Schrauben und Schweißnähte die Last teilen, basiert die erforderliche Festigkeit beider Elemente auf ihrer relativen Steifigkeit. Das Ergebnis sind Gesamtfestigkeiten, die denen ähneln, die mit der Näherungsmethode erhalten werden, die ebenfalls in Abschnitt J1.8 der AISC-Spezifikation vorgestellt wird. Die CBFEM verbietet jedoch grundsätzlich nicht die Lastverteilung zwischen Schrauben und Schweißnähten in Zugverbindungen. Solche Fälle muss der Anwender vermeiden, indem er entweder Bolzen oder Schweißnähte in Zugverbindungen modelliert, auch wenn beides in der physikalischen Verbindung vorhanden ist.
Ungleichmäßig belastete Schweißnähte, wie sie in Millers Originalartikeln bewertet und hier erneut behandelt werden, verdienen besondere Aufmerksamkeit, da sie weniger effizient sein können als gleichmäßig belastete Schweißnähte und weil sie gegen allgemeine Annahmen traditioneller Konstruktionsansätze verstoßen. Die Konstruktion durch inelastische Analyse bietet einen Weg nach vorne für diese Schweißnähte, da wohldefinierte Analysemodelle niemals davon ausgehen, dass die Schweißnähte gleichmäßig belastet sind. Darüber hinaus kann die inelastische Analyse verwendet werden, um festzustellen, ob Maßnahmen zur Abmilderung der Auswirkungen ungleichmäßiger Belastung erforderlich sind, und bei Bedarf dabei zu helfen, die beste Abhilfestrategie zu ermitteln. ■
Über den Autor
Mark Denavit ist außerordentlicher Professor am Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen der University of Tennessee, Knoxville.
Referenzen
https://www.ideastatica.com/support-center/long-bolted-and-welded-connections-aisc
https://www.ideastatica.com/support-center/bracket-plate-connections-aisc
