Consideration of runouts on the evaluation of fatigue experiments
Final Report Abstract
Im Rahmen des durchgeführten Forschungsprojekts wurde die Anwendung der auf dem Ansatz einer Weibull-Verteilung basierenden CFC-Methode zur Ermittlung des Ermüdungswiderstands bei der Auswertung von Schwingversuchen untersucht. Hierzu wurden die entsprechenden theoretischen Hintergründe aufbereitet. Die zu bestimmenden Parameter werden durch die Lösung eines nichtlinearen Optimierungsproblems definiert und die Weibull-Parameter können durch die Anwendung der Probability Weighted Moments (PWM) geschätzt werden. Die entsprechenden Algorithmen und Berechnungen wurden in Matlab implementiert und angewendet. Die Verwaltung der Daten wird mit einer MySQL Datenbank durchgeführt. Anschließend wurden Schwingversuche mit ungeschweißten und geschweißten Probekörpern aus S355 sowie auch an Versuchkörpen aus austenitischem Stahl 1.4301 mit einer geometrischen Kerbe (Bohrung) durchgeführt. Es wurden gezielt Durchläufer erzeugt, die nach dem Erreichen des Abbruchkriteriums bei höheren Schwingbreiten weiter bis zum Bruch beansprucht wurden. Die CFC-Methode erlaubt auch die Nutzung der Versuchsdaten von Durchläufern. Damit wird es möglich, bisher nicht nutzbare, aufwändig erzeugte Versuchsdaten mit in die statistische Auswertung einzubeziehen. Zudem werden bei Verwendung des neuen Auswerteverfahrens stetig differenzerbare Verläufe, d.h. „echte“ Wöhlerkurven erzeugt. Die in den verfügbaren Regelwerken angegebenen und zu hinterfragenden Abknickpunkte sind somit nicht mehr vorhanden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Weibull-Methode eine geeignete Alternative ist, um die gewonnenen Ermüdungsdaten zu analysieren und den Zusammenhang zwischen Spannungsschwinbreite und ertragbarer Schwingspielzahl in Form von im doppeltlogarithmischem Massstab nichtlinearen Wöhlerkurven darzustellen. Die mit der neuen Auswertemethodik erhaltenen Quantilen der Spannungsschwingbreiten sind eindeutig höher und ihre entsprechenden Vertrauensintervalle sind schmaler im Vergleich zu den Quantilen und Vertrauensintervallen des Basquin-Modells, welches derzeit im Eurocode 3 und anderen Regelwerken Anwendung findet. In fachlicher Hinsicht zeigen die Resultate, dass die Anwendung der Methode von Castillo und Fernández- Canteli zu einer genaueren und zuverlässigeren statistischen Schätzung der Lebensdauer bzw. ertragbaren Schwingspielzahl im HCF-Bereich führt und eine allgemeinere Abbildung der Wöhlerkurven ermöglicht. Auf dieser Basis sollte die Überarbeitung der bestehenden Regelwerke zur Bemessung ermüdungsbeanspruchter Kerbdetails angedacht werden
Publications
- A probabilistic Stüssi function for modelling the S-N curves and its application on specimens made of steel S355J2+N. International Journal of Fatigue, 117:121–134, 2018
Paul Dario Toasa Caiza and Thomas Ummenhofer
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2018.07.041) - Consideration of the runouts and their subsequent retests into S-N curves modelling based on a three-parameter Weibull distribution. International Journal of Fatigue, 106:70–80, 2018
Paul Dario Toasa Caiza and Thomas Ummenhofer
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2017.09.010) - Consideration of runouts by the evaluation of fatigue experiments. PhD thesis, KIT Scientific Publishing, 2019
Paul Dario Toasa Caiza
(See online at https://doi.org/10.5445/KSP/1000091208) - Applying the Weibull and Stüssi Methods that Derive Reliable Wöhler Curves to Historical German Bridges. Practice Periodical on Structural Design and Construction, 25(4):04020029, 2020
Paul Dario Toasa Caiza, Thomas Ummenhofer, José Antonio Correia, and Abilio de Jesús
(See online at https://doi.org/10.1061/(ASCE)SC.1943-5576.0000506) - Probabilistic relationships between strain range, stress range and loading cycles. Application on ASTM A969 steel. International Journal of Fatigue, 137:105626, 2020
Paul Dario Toasa Caiza, Thomas Ummenhofer
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2020.105626)
