SB_18848LP

2020
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Beanspruchungsreihenfolgeeinfluss
auf
bearbeitungsbedingte
Verfestigungen und
Eigenspannungen und
die Betriebsfestigkeit
nachbehandelter
Kerbdetails

Beanspruchungsreihenfolgeeinfluss
auf
bearbeitungsbedingte
Verfestigungen und
Eigenspannungen und die
Betriebsfestigkeit
nachbehandelter Kerbdetails
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 18.848 N
DVS-Nr.: 09.081
Technische Universität Braunschweig,
Institut für Füge- und Schweißtechnik
Hochschule München,
Fakultät Bauingenieurwesen Labor für
Stahl- und Leichtmetallbau
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 18.848 / DVS-Nr.: 09.081 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF
im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2020 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 455
Bestell-Nr.: 170564
ISBN: 978-3-96870-454-8
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

Schlussbericht 18848 N
Beanspruchungsreihenfolgeeinfluss auf
bearbeitungsbedingte Verfestigungen und
Eigenspannungen und die Betriebsfestigkeit
nachbehandelter Kerbdetails
Technische Universität Braunschweig
Institut für Füge- und Schweißtechnik
Hochschule München
Labor für Stahl- und Leichtmetallbau
Ausgabedatum: 20.06.2021
Paul Diekhoff, M. Sc.
Daniel Löschner, M. Eng.
Richard Schiller, M. Eng.
Prof. Dr.-Ing. Imke Engelhardt
Dr.-Ing. Thomas Nitschke-Pagel
Prof. Dr.-Ing. Klaus Dilger

Abstract
The competitiveness of primarily small and medium-sized companies in steel construction
can be increased by innovative methods that enable a reduction in the material
costs for steel structures. The competitiveness of primarily small and medium-sized
companies in steel construction can be increased by innovative methods that enable a
reduction of material costs for steel structures. In many areas, the fatigue strength under
constant or variable loading of notch details is relevant for the design of steel structures.
The fatigue strength of the details can be significantly increased by the posttreatment
of weld seams with high frequency mechnical impact treatment (HFMI process),
so that by use of HFMI resource-saving and economical designs of welded constructions
are possible.
For this reason, the fatigue strength of welded details under variable loading was investigated
within the scope of this research project. The influence of the load sequence
and the collective shape on the effectiveness of HFMI-treated welded joints was analysed
for the notch detail transverse attachement. The service life extension and the
effectiveness of the HFMI-treated transverse stiffeners under constant and variable
loading could be proven and quantified. An additional increase in operational strength
through the use of higher strength steels was also demonstrated.
The investigations also showed that the stability of the compressive residual stress introduced
by HFMI-treatment is significantly dependent on the maximum applied stress
and not on the load duration or sequence. This means that in many applications in
which the stress level is lower than the limit stress, a service life extension can be
achieved by HFMI post-treatment. This means that in many applications in which the
stress level is lower than the limit stress, a service life extension can be achieved by
HFMI post-treatment.
By experimentally and computationally evaluating of the HFMI post-treated notch detail
transverse stiffness, more efficient and economical welded structures under fatigue
loading can be fabricated. With the provision of evaluation and design proposals, as
well as recommendations and proposals for codes of practice for the design of HFMItreated
welded structures under fatigue and service loading, an economically reasonable
application of HFMI posttreatment is possible while maintaining the safety standard.
The research results make a significant contribution to extending the service life or
reducing the material consumption of welded alternately stressed steel structures. In
addition, higher-strength steels can be used in an economically sensible way both for
the "as-welded" condition and for the "HFMI-treated" condition due to their higher fatigue
strengths.
The industrial use of HFMI-treatment processes on notch details to improve the fatigue
strength can be recommended. The industrial use of HFMI-treatment processes on
notch details to improve the fatigue strength can be recommended.
The objective of this research project has been achieved.

Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses
mit den Zielen
Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen.
Durchgeführte Arbeiten
nach Projektantrag
AP1
Bewertung und Auswahl
der Kerbdetails
(Quersteife, Längssteife),
Kollektivform
sowie Versuchsabfolge
und Fertigung
der Probekörper
AP2
Ermüdungsversuche
zur Analyse von Reihenfolgeeinflüssen
von Betriebslasten
Ziel nach Projektantrag
Endgültige Festlegung
des Versuchsprogramms
unter
Berücksichtigung
der in der Praxis auftretenden
Anwendungsfälle
in Abstimmung
mit PA sowie
Fertigstellung der
Probekörper
Ermittlung von
Gaßnerlinien unter
Berücksichtigung
von Reihenfolgeeinflüssen
und Analyse
des Einflusses von
Betriebslasten auf
das Rissinitiierungsund
Rissfortschrittsverhalten
mittels
Thermographie
Ergebnis
In Abstimmung mit dem PA
wurde festgelegt, das Kerbdetail
Quersteife zu untersuchen.
Die Probekörper
wurden gefertigt. Das Versuchsprogramm
und die
Versuchsabfolge wurden in
Abstimmung mit dem PA
festgelegt.
Für zwei Stahlgüten (S355
und S700M) wurden jeweils
zwei Kollektive (p(1/3) und
linear) mit je drei verschiedenen
Lastfolgen (random,
high-low, low-high), für den
Zustand „wie geschweißt“
und „HFH-nachbehandelt“
untersucht. Zusätzlich, im
Antrag nicht enthalten, wurden
Referenzwöhlerlinien
für beide Stahlgüten im jeweiligen
Schweißnahtzustand
erzeugt. In Summe
wurden damit 28 Versuchsreihen
durchgeführt.
Der Einfluss der Betriebslasten
auf das Rissinitiierungs-
und Rissfortschrittsverhalten
wurde an Ausgewählten
Probekörpern
durchgeführt.
Status
Ziel erreicht
Ziel erreicht

AP3
Eigenspannungs- und
Verfestigungsanalyse
Ziel ist es, den Ausgangszustand
der
Probekörper hinsichtlich
geometrischer
Imperfektionen
und des Eigenspannungs-
und
Verfestigungszustands
zu analysieren,
sowie Ergebnisse
zum Eigenspannungsabbau
und Verfestigungsabbau
in Abhängigkeit
der Belastungsreihenfolge
aufzuzeigen.
Der Ausgangszustand der
Probekörper wurde analysiert.
Für die unterschiedlichen
Versuchsreihen wurde
an ausgewählten Probekörpern
der Eigenspannungszustand
in Abhängigkeit der
Belastungsreihenfolge mittels
röntgenographischer
Untersuchungen analysiert.
Es wurden zudem Eigenspannungstiefenverläufe
durch schrittweise elektrolytischen
Oberflächenabtrag
und anschließender Eigenspannungsmessungen
durchgeführt.
Ziel erreicht
AP4
Lokale Analyse der
Stabilität durch Randschichtverfestigung
(HF-Hämmern, Strahlen)
eingebrachter Eigenspannungen
und
Verfestigungen in Abhängigkeit
von aufgebrachten
Beanspruchungen
Ziel ist anhand numerischer
Untersuchungen
die lokalen
Beanspruchungen
für die Kerbdetails
und aufgebrachten
Belastungen zu ermitteln,
die lokale
Streckgrenze und
den Einfluss der Reihenfolge
auf die Eigenspannungsstabilität,
das zyklische
lokale Werkstoffverhalten
sowie die
Auswirkungen auf
das Rissinitiierungsund
Rissfortschrittverhalten
zu analysieren.
Aufgrund dessen, dass die
HFH-nachbehandelten Probekörper,
für beide Stahlgüten
S355 und S700M, fast
ausschließlich im Grundmaterial
versagten, konnten
die Untersuchungen und
Analysen des lokalen Werkstoffverhaltens
in der nachbehandelten
Zone der
Schweißnaht nicht herangezogen
werden, um Lastwechselzahlen
für den experimentell
ermittelten Rissausgangsort
zu berechnen.
Dennoch wurden numerische
Untersuchungen und
lokale Analysen durchgeführt,
so dass das lokale
Werkstoffverhalten in der
nachbehandelten Zone beschrieben
werden kann.
Ziel der Beschreibung
des lokalen
Werkstoffverhaltens
ist erreicht.
AP5
Analyse von Scha-
densakkumulations-
Überprüfung der
Reihenfolgeeffekte
und Ermittlung des
Einflusses der HFHnachbehandlung
auf
Mittels linearer Schadensakkumulationsrechnung,
wie sie in den aktuell
geltenden Regelwerken
festgelegt sind, wurden für
Ziel erreicht