CMT-Bericht 19/2012: Schwingfestigkeitsverhalten von Bolzenschweißungen in der tragenden Schiffskonstruktion (Bolzenschweißen)

Technische Universität Hamburg-Harburg – Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen
Prof. Dr.-Ing. W. Fricke, Didi Tchuindjang

Das IGF-Vorhaben 16271 N der Forschungsvereinigung Center of Maritime Technologies e.V. (CMT) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Der Bericht kann beim FSM bestellt werden. Bitte senden Sie eine E-Mail an info(at)fsm-net.org

Zusammenfassung

In dem Forschungsprojekt wurde die Frage untersucht, ob das Bolzenschweißen in zyklisch belasteten Hauptverbänden von Schiffen, insbesondere auf den relativ dicken Wulsten der Hollandprofile, eingesetzt werden kann. Im Vordergrund stand das Schweißen von M8- und M12-Bolzen mit Hubzündung und Keramikring. Schiffsseitig wurden Hollandprofile der Serien HP100 und HP200 aus höherfestem Schiffbaustahl (AH36) ausgewählt. Zur Überprüfung des Ermüdungsverhaltens wurden umfangreiche Schwingfestigkeitsversuche durchgeführt. Der überwiegende Teil betraf eine Längsbelastung der Hollandprofile, bei denen die Profilgröße, der Bolzendurchmesser, die Bolzenposition auf dem Wulst, die Schweißposition, die Schweißparameter, der Eigenspannungszustand sowie die statische Bolzenbelastung variiert wurden. Die einzelnen Faktoren üben nur einen geringen Einfluss auf die Schwingfestigkeit aus, die deutlich über der Detailkategorie FAT80 bzgl. Nennspannung liegt. Als Versagenskriterium wurde ein Anriss von der Länge des Bolzendurchmessers angenommen. Außerdem wurden Versuche mit zyklischer Axiallast der Bolzen durchgeführt, deren Schwingfestigkeit über der Kerbfallklasse FAT36 liegt. Somit ist die untersuchte Bolzenschweißung für den Einsatz auf Hollandprofilen in den Hauptverbänden von Schiffen geeignet. Im Vergleich zu Bolzenschweißverbindungen auf Platten zeigte sich sogar eine höhere Schwingfestigkeit, was angesichts der Wulstdicke und möglichen Walzeigenspannungen nicht erwartet wurde. Voraussetzung ist natürlich eine ausreichende Qualität entsprechend Normvorgaben. Zur Übertragung der Ergebnisse auf andere Geometrien und Lastsituationen wurde die Anwendbarkeit des Kerbspannungskonzeptes nach Radaj untersucht. Hierzu wurden 14 verschiedenartige Schweißverbindungen vollständig aufgemessen und daraus Parameter zur Beschreibung einer idealisierten Nahtkontur abgeleitet. Finite-Elemente-(FE)- Berechnungen mit dem Referenzradius von 1 mm im Nahtübergang zeigten nur einen relativ geringen Einfluss der Geometrie auf die Kerbspannung, so dass eine Nenngeometrie der Nahtkontur für die M8- und M12-Bolzen vorgeschlagen wurde. Die damit ermittelten Kerbspannungen lagen für die einzelnen Versuchsserien über der Entwurfswöhlerlinie FAT225 für das Kerbspannungskonzept, so dass dieses auch für Bolzenschweißungen anwendbar ist. Da zumeist viel kleinere Nahtübergangsradien vorlagen, wurden zur Absicherung der Berechnungen die tatsächlichen Nahtgeometrien in FE-Modelle umgesetzt und die lokalen Spannungen berechnet. Eine Bewertung erfolgte mit dem Mikrostützwirkungskonzept von Neuber, indem die lokale Spannung über die Ersatzstrukturlänge des Materials gemittelt wurde. Mit einer entsprechend reduzierten Wöhlerlinie ist die Übereinstimmung mit dem Radaj-Konzept gut.