ULCF of welded joints under variable multi-axial strains
Final Report Abstract
Im Rahmen des (D-A-CH) Kooperationsprojekts „Ultra Low Cycle Fatigue (ULCF) of welded joints under variable multi-axial strains“ wurden ausgehend von der Problemstellung unverankerter Flachbodentanks unter Erdbebeneinwirkungen werkstoffliche Grundlagenuntersuchungen und deren Anwendung auf reale Bauwerke durchgeführt. Ein werkstoffliches Versagen durch ULCF wird im Erdbebenfall durch große plastische Dehnungen innerhalb von weniger als 10-20 Beanspruchungszyklen hervorgerufen. In insgesamt 192 Versuchen an Prüfkörpern aus normal- bzw. höherfesten Baustählen (S355 und S770) wurde durch das Aufbringen unterschiedlicher Beanspruchungszustände und Lastfolgen gezeigt, dass die Versagenszyklenzahl für Bemessungssituationen hinreichend genau durch die akkumulierte plastische Dehnung, bzw. in Form eines linearen Zusammenhangs in doppellogarithmischer Betrachtung zwischen Dehnungsamplitude und Versagenszyklenzahl abgebildet werden kann. Eine ausgeprägte Abhängigkeit vom Spannungszustand, die sich in monotonen Versuchen oder zyklisch beanspruchten Kleinproben zeigt, konnte nicht bestätigt werden. Die bisher in den europäischen Bemessungsnormen pauschal festgelegten, wissenschaftlich unbegründeten Grenzzustände der Beanspruchbarkeit können auf Grundlage dieser Untersuchungen angepasst werden. Die umfangreiche Bestimmung von realen Beanspruchungszuständen im Tankfuß an vier Beispieltanks zeigte ein sehr überkonservatives Verhalten der im EC 8 zugrundeliegenden Modelle für das Abhebeverhalten unverankerter Flachbodentanks. Die im Rahmen dieses Projekts erarbeiteten Ersatzmodelle zur Bestimmung der schädigungsrelevanten Beanspruchungen im Erdbebenfall lieferten jedoch unzuverlässige Ergebnisse, sodass stets aufwendige Berechnungsmodelle angewendet werden müssen. Eine messtechnische Erfassung der inelastischen Dehnungen zur Beurteilung der Schädigungsmodelle lässt sich durch Infrarot Thermografie nur bedingt realisieren. Eine qualitative Aussage zu den höchstbeanspruchten Bereichen lässt sich nur innerhalb der ersten Zyklen treffen. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Anwendung von 3D-Bildkorrelationssystemen hier eine zuverlässige Alternative bietet. Ausprägung, Richtung und Verteilung der Dehnungen lassen sich unabhängig von Umwelteinflüssen an Kleinproben und Bauteilen quantifizieren. Die bei Raumtemperatur durchgeführten Versuche zeigen ein deutlich gutmütigeres Verhalten und höheren Widerstand des niederfesten Werkstoffs im Vergleich zum untersuchten Stahl S770. Ein Zusammenhang zwischen werkstofflichen Kenngrößen aus den üblichen etablierten mechanisch technologischen Prüfungen und dem Werkstoffwiderstand gegen ULCF konnte nicht festgestellt werden und motiviert die Entwicklung neuer Testverfahren für die Anwendung auf Stähle in Bauwerken an erdbebengefährdeten Standorten. Damit müssen an die Werkstoffe von Tragwerken, die nach einer hohen Duktilitätsklasse ausgelegt werden, Sonderanforderungen gestellt und nachgewiesen werden.
