Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von Schweißnähten und ihrer Nachbehandlung im Brückenbau

Abstract

Bei der Bemessung zyklisch beanspruchter Stahlkonstruktionen ist in vielen Fällen der Nachweis der Ermüdung bemessungsmaßgebend, weshalb eine Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit i.d.R. zu einer deutlich wirtschaftlicheren / nachhaltigeren Konstruktion führt. Eine Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit geschweißter Konstruktionen hinsichtlich der Bemessung kann zum einen durch eine vorteilhaftere Kerbfallklasseneinordnung erfolgen. Da die vorliegenden Kerbfallklassen eine Vielzahl anwendungsrelevanter Möglichkeiten abdecken sollen, können für einzelne Beanspruchungszustände teilweise konservative Werte entstehen. Im Rahmen differenzierterer und detaillierterer Untersuchungen können verbesserte Kerbdetaileinstufungen erreicht werden. Zum anderen kann bei geschweißten Verbindungen eine gezielte Verbesserung der geometrischen und metallurgischen Kerbe durch eine Form der Schweißnahtnachbehandlung erfolgen. Zu diesem Zweck werden innerhalb dieser Arbeit die Höherfrequenten Hämmerverfahren (HFH) als moderne Methode der Schweißnahtnachbehandlung an gängigen Kerbdetails untersucht. Gezielte experimentelle Untersuchungen zum Bauteileinfluss und zum Einfluss des einwirkenden Spannungsverhältnisses führen zu weiterführenden Erkenntnissen, die mitunter zur Entwicklung der Bemessungsempfehlung für die DASt-Richtlinie 026 beitragen. Die Sicherstellung einer entsprechenden Nachbehandlungsqualität und deren Überprüfbarkeit werfen in Bezug auf die HFH-Anwendung in der Baupraxis Fragen auf. In diesem Zusammenhang werden Möglichkeiten zur Qualitätssicherung bei der Anwendung der HFH-Verfahren untersucht und deren Effektivität beurteilt. Gezielte experimentelle Untersuchungen am Detail der unbelasteten Quersteife gestützt durch Eigenspannungsmessungen, klären den Einfluss etwaiger vom Optimum abweichender Nachbehandlungszustände auf die Ermüdungsfestigkeitsverbesserung. Am Beispiel der modernen Eisenbahntrogbrücken mit dickem Fahrbahnblech wird die Effektivität der Schweißnahtnachbehandlung für die unbelastete Quersteife betrachtet und die bemessungstechnische Anwendbarkeit entsprechend der DASt-Richlinie 026 unter Betriebsbeanspruchung überprüft. Die Ermüdungsbemessung des Eisenbahnbrückentyps Dickblech-Trogbrücke wird sowohl auf der Widerstandsseite als auch auf der Einwirkungsseite detailliert betrachtet. Umfangreiche experimentelle und numerische Untersuchungen zum Kerbdetail der querbiegebelasteten Doppelkehlnaht führen zur differenzierten Einstufung dieses Schweißdetails. In Hinblick auf die Verwendung des Schweißdetails bei diesem speziellen Brückentyp mit dicken Blechen wird der Maßstabseffekt identifiziert und darüber hinaus die Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit durch eine HFH-Anwendung untersucht. Weiter werden mit Abwicklung der Trogbrückenversuche und einem entsprechenden numerischen Modell der Versagensmodus des gesamten Brückentyps detailliert beschrieben und kritische Stellen identifiziert. Hinsichtlich der kritischen Schweißdetails werden Empfehlungen zur Ermittlung der Bemessungsspannungen mithilfe von Grenzbetrachtungen gegeben. Abweichend von aktuellen Regelungen wird für das kritische Kerbdetail eine Überlagerung der einzelnen gleichzeitig einwirkenden Spannungskomponenten als Hauptspannungsbetrachtung empfohlen.