FEM-gestützter Ermüdungsfestigkeitsnachweis von Schweißnähten an Ladekranen

Abstract

Ermüdungsfestigkeit spielt bei Schweißnähten im Kranbau eine große Rolle. Aus diesem Grund wurde der Ermüdungsfestigkeit große Aufmerksamkeit in der neuen Kranbaunormreihe DIN EN 13001 geschenkt. Allerdings wird nur die Seite des Widerstandes in der DIN EN 13001 sehr genau behandelt. Für die Beanspruchungsseite werden drei Verfahren vorgeschlagen. Das Nennspannungsverfahren ist eine allgemein bekannte Methode, welche sehr einfach durchzuführen ist. Das Verfahren der geometrischen Spannung (Hot-Spot Verfahren) und das Verfahren der effektiven Kerbung sind weniger bekannt, können aber deutlich realitätsnähere Ergebnisse für die Betrachtung von Schweißnähten als das Nennspannungsverfahren liefern. Alle drei Methoden werden durch eine Literaturrecherche vorgestellt. Durch anschließendem Vergleich der drei Methoden soll sich ein Verfahren hervorheben, welche in Sachen Qualität der Ergebnisse und Aufwand zur Durchführung die beste Möglichkeit für die Spannungsermittlung darstellt. Weiters soll auch die Seite des Widerstandes der Norm mit der FKM-Richtlinie verglichen werden, um etwaige Gemeinsamkeiten herauszufinden oder festzustellen, welche der beiden Ansätze konservativer ist. Beim Vergleich der drei Methoden wurde herausgearbeitet, dass das Verfahren der geometrischen Spannung die beste Möglichkeit zur Spannungsermittlung darstellt. Weiters konnte festgestellt werden, dass die DIN EN 13001 und die FKM-Richtlinie für die gleichen Voraussetzungen ähnliche Ergebnisse liefern. Abschließend wurde die Durchführung des Verfahrens der geometrischen Spannung mittels einer Finite-Elemente-Analyse an einem beispielhaften Querschnitt von einem Holzladekran durchgeführt. Besonderer Fokus wurde auf die Vorbereitung und Nachbereitung des Modells für die Ermittlung der Spannung gelegt.

Fatigue strength for welded joints in cranes plays an important role. So therefore in the new crane design standard DIN EN 13001 is also a big chapter about fatigue strength. The resistance side is explained well in the new standard but for the load side there are three methods recommended. The first one is the nominal stress approach which is often used and known in common very well. The other two are the structural hot-spot stress approach and the effective notch stress approach. These two can deliver more realistic results for welded joints than the nominal stress approach. All three methods are presented based on literature review. Afterward all three methods are compared and furthermore one method should stand out in terms of quality of the results and the effort required for its application. The resistance side should also be compared to the FKM standards and this should point out if there are any similarities or which method is more conservative. The method which stand out in terms of quality of the results and the effort required for its application is the structural hot-spot stress approach. Furthermore, it could be determined that the resistance side of the standard delivers similar results to the FKM standards for the same requirements. Finally the implementation of the structural hot-spot stress approach was carried out using a finite element analysis on a representative cross section of a timber loading crane. Special attention was given to the model preparation and post processing required for stress evaluation.