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Ultra Low-Cycle Fatigue of welded joints under variable multi-axial strains

Ultra Low-Cycle Fatigue of welded joints under variable multi-axial strains
Ansprechpartner:

Sven Nagel M.Sc.

Förderung:

DFG

Partner:

École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) Prof. Dr. A. Nusbaumer, Dr. A. de Castro e Sousa

Technische Universität Graz (TUG) Prof. Dr. A. Taras, Prof. Dr. H. Unterweger,  Dr. C. Tappauf

Laufzeit:

2012 - 2016

dynamische Reaktion der Tragstruktur

Kurzbeschreibung

Im Erdbebenfall unterliegen Bauwerke unregelmäßigen Bodenbewegungen. Diese werden auf das Bauwerk übertragen und lösen eine dynamische Reaktion der Tragstruktur aus. Auch bei einfachen statischen Systemen können diese Bewegungen komplexe multiaxiale Beanspruchungszustände in einzelnen Bauteilen hervorrufen. Die derzeitige Strategie für eine erdbebensichere Bauwerksauslegung besteht darin, die aus der Eigendynamik des Bauwerks resultierenden Beanspruchungen zu reduzieren. Dies geschieht durch den Einsatz dissipativer Elemente aus Stahl oder dem Zuweisen bestimmter Bereiche mit selbiger energie-umwandelnder Wirkung durch konstruktive Vorkehrungen. In diesen Bereichen treten große plastische Deformationen in mehreren Zyklen mit unterschiedlichen Amplituden auf.

Die Schädigungsentwicklung unter zyklischen plastischen Deformationen ist als Ultra-Low-Cycle-Fatigue (ULCF) bekannt und scheint nach aktuellen wissenschaftlichen Erkenntnissen von dem vorliegenden multiaxialen Spannungszustand abzuhängen. Mikromechanische Schädigungsmodelle, die auf dem Phänomen der Porenbildung, deren Wachstum und Verschmelzung basieren, betrachten die Zeitverläufe von Triaxialität (Mehrachsigkeit des Spannungszustandes =σm/σv), Lodewinkel (Winkel zwischen Spannungsvektor und nächstgelegener Hauptachse) und der akkumulierten plastischen Dehnung.

Darüber hinaus wurden in den letzten 20 Jahren empirische Ansätze entwickelt, deren Gültigkeit sich genau wie entsprechende Bauteilversuche auf die individuellen Problemstellungen beschränken. Vor dem Hintergrund der Kalibrierungsmethoden, die sich jeweils nur auf einen geringen Bereich der Spannungsmehrachsigkeit beschränken, die Ansätze jedoch in der Folge auf das gesamte Feld extrapoliert werden, muss die praktische Anwendbarkeit sowie die allgemeine Gültigkeit der mikromechanischen Schädigungsmodelle für die gesamte Bandbreite von real auftretenden Spannungszuständen in Frage gestellt oder bewiesen werden. Im Falle eines Erdbebens treten beide Situationen auf - komplexe multiaxiale plastische Deformationen treffen auf das vom Spannungszustand und der Dehnungsgeschichte abhängige Phänomen des ULCF. Um die ausreichende Sicherheit gegen den Versagensfall der ULCF-Rissbildung nachzuweisen, unterstützen Bemessungsnormen den Ingenieur durch eine Begrenzung von plastischen Dehnungen. Die zugrundeliegenden Ansätze basieren jedoch nicht auf materialwissenschaftlich fundierten Fakten, sondern sind pauschale Annahmen.

Ziel dieses Vorhabens war, auf Basis umfangreicher experimenteller Untersuchungen die fehlenden Erkenntnisse zum Verhalten geschweißter Verbindungen mit zwei typischen Baustählen (S355 und S690) zu erlangen und geeignete Degradationsmodelle validieren zu können. In Kombination mit im Projekt zu erstellenden realen Beanspruchungs-Zeitverläufen kann dies die Basis für fundierte Bemessungsvorschriften liefern.