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7. Sicherheitsbewertung von hybridlasergeschweißten Bauteilen
Eine weitere Möglichkeit, die Genauigkeit der Sicherheitsanalyse zu erhöhen, stellt die numerische
Modellierung des Bruchverhaltens dar. Die Ergebnisse der Analyse mit der FITNET-Prozedur zeigen,
dass eine sichere Abschätzung des Bruchverhaltnes von hybridlasergeschweißten Bauteilen mit den
kritischen Zähigkeitskennwerten möglich ist, die aus der numerischen Modellierung des spröden und
duktilen Bruchverhaltens resultieren. Der wesentliche Vorteil der Schädigungsmodellierung liegt in der
direkten Bestimmung des Bruchwiderstandes und somit der Belastung- und Verformungskapazität für
beliebige Bauteilkonfigurationen mit unterschiedlicher Fehlergeometrie und Fehlergröße. Die
Constraintunterschiede zwischen den Bruchmechanikproben und dem Bauteil werden automatisch
durch die Abhängigkeit der Schädigungsentwicklung vom Spannungszustand berücksichtigt. Mit der
Verwendung des Ji-Wertes, der z.B. mit dem GTN-Modell für die DE(T) Proben des Stahls EH36-15I
berechnet wird, wird eine verbesserte Prognose des duktilen Bruchversagens ermöglicht. Basierend auf
diesen Ergebnissen wird das duktile Bruchverhalten von ausgewählten Bauteilen mit der HLSV
untersucht und anschließend bewertet. Das Ziel hierbei ist, die Vorteile der Schädigungsmodellierung
bei der sicheren und wirtschaftlichen Bemessung von Stahlbauteilen mit der HLSV zu demonstrieren.
7.4.1 Träger-Stütze Verbindung
In den letzten Jahren wird das Hybridlaserschweißverfahren aufgrund wesentlicher Vorteile gegenüber
den konventionellen Schweißverfahren zunehmend in verschiedenen Industriebereichen, wie z.B. der
Schiffbauindustrie eingesetzt. Ein weiteres Einsatzgebiet für dieses Verfahren kann auch im
Stahlhochbau gefunden werden. Insbesondere bei den Stahlbauanschlüssen, die einer starken
seismischen Belastung ausgesetzt werden, können die reduzierten Eigenspannungen aufgrund des
niedrigen Wärmeeintrags beim Hybridlaserschweißverfahren die Wahrscheinlichkeit zum Auftreten
des Spaltbruchversagens senken. Der starke Einfluss von Eigenspannungen auf das Bruchverhalten von
Stahlbauanschlüssen, die bis zu 30% der vorhandenen Bruchzähigkeit verbrauchen können, wird in
[MAT00] demonstriert.
Um das duktile Bruchverhalten eines typischen Stahlbauanschlusses mit der HLSV untersuchen zu
können, wird das 3D FE Modell von einer Träger-Stütze-Verbindung (TSV) erstellt und anschließend
die Schädigungsanalyse mit dem GTN-Modell durchgeführt, s. Bild 7.10. Unter Ausnutzung der
Symmetrie in Längsrichtung wird nur die Hälfte der TSV modelliert. Davor wird eine reine elastischplastische
Analyse ohne Berücksichtigung von Schädigung durchgeführt, um die Bereiche mit der
höchsten Spannungskonzentration zu identifizieren. Wie erwartet, befinden sich die höchsten
Spannungen am Schweißnahtübergang, der sowohl eine geometrische als auch eine
Werkstoffdiskontinuität darstellt. Unter Annahme möglicher Defekte, die während des
Schweißprozesses (z.B. Erstarrungsrisse) entstehen können, wird von einem semi-elliptischen
Oberflächenriss am Nahtübergang und im Zentrum des Zugflansches des Biegeträgers ausgegangen.
Die Geometrie des Oberflächenrisses ist durch die Tiefe a=3.15mm und die Breite 2c=8.75mm
definiert, woraus sich das Verhältnis der Halbachsen zu a/c=0.8 ergibt. Für den Biegeträger wird ein
IPE400 Profil mit einer Flanschdicke von tf=13.5mm (a/t=0.26) gewählt, während ein HEM300 Profil
als Stütze dienen soll. Als Werkstoff für die Profile wird der Baustahl S355 verwendet, wobei die
Schädigungsparameter sowohl für den GW als auch das SG dieses Werkstoffs in Kap. 5 bestimmt sind.
Der Träger der TSV wird auf Biegung beansprucht, die über die Verschiebung der Stütze senkrecht
zum Träger realisiert wird. Da der Träger auf beiden Enden gelenkig gelagert ist, tritt das größte
Biegemoment in der Trägermitte und somit in der Schweißverbindung.
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