Schweißnahtbemessung

In IDEA StatiCa Connection stehen allen Benutzern zwei Strategien zur Schweißnahtbemessung zur Verfügung:

• auf volle Tragfähigkeit
• mit Überfestigkeit

Für Eurocode-Benutzer gibt es zwei weitere:

• auf Kapazitätsabschätzung
• auf minimale Duktilität

Die Schweißnahtbemessungsmethode wird im Operationen-Dialog festgelegt.

Bei der Ausführung der Schweißnahtbemessung wird jede Kehlnaht im Modell entsprechend der Schweißnahtbemessungsmethode angepasst. Im Allgemeinen nimmt die Schweißnahtgröße in dieser Reihenfolge zu:

1. Auf Kapazitätsabschätzung
2. Auf minimale Duktilität
3. Volle Tragfähigkeit
4. Mit Überfestigkeit

Die Methoden werden nachfolgend im Detail beschrieben. 

Auf Kapazitätsabschätzung

Die Schweißnahtbemessung auf Kapazitätsabschätzung liefert automatisch Schweißnahtgrößen, die gerade stark genug sind, um die festgelegten Lasten zu übertragen. 

Die Schweißnahtkapazitätsabschätzung ist der erste Einsatz von maschinellem Lernen in IDEA StatiCa. Derzeit ist sie nur für den Eurocode implementiert. Der Schweißnahtwiderstand wird anhand des am stärksten beanspruchten Schweißnahtelements bestimmt. Daher ist die Schweißnahtausnutzung stark nichtlinear. Der Widerstand der gesamten Länge wird durch einen Algorithmus des maschinellen Lernens auf Basis der Spannungsverteilung entlang der Schweißnahtlänge abgeschätzt.

Die Schweißnahtbemessung auf Kapazitätsabschätzung erfordert Berechnungsergebnisse. Die Größe der Kehlnähte wird gemäß folgender Formel angepasst:

$$a_{new} = a \cdot Ut_c / Ut_{target}$$

wobei:

• $a_{new}$ – angepasste Kehlnahtgröße
• $a$ – zuvor festgelegte Kehlnahtgröße
• $Ut_c$ – Kapazitätsabschätzung basierend auf dem Algorithmus des maschinellen Lernens, sichtbar bei der Schweißnahtprüfung 
• $Ut_{target}$ – Zielausnutzung in Einstellungen → Bemessung → Automatische Bemessung → Schweißnahtbemessung

Der resultierende Wert $a_{new}$ wird gemäß Einstellungen → Anwendungseinheiten → Rundung neuer Elemente → Schweißnahtgröße aufgerundet. 

Zu beachten ist, dass Schweißnahtgrößen durch konstruktive Regeln begrenzt sind, z. B. darf die Schweißnahtgröße nicht kleiner als 3 mm sein (EN 1993-1-8 – 4.5.2). Diese konstruktiven Regeln werden eingehalten. Außerdem ist zu beachten, dass mehrere Schweißnähte in IDEA StatiCa häufig durch einen einzigen Wert festgelegt werden. In diesen Fällen wird die Größe anhand der am stärksten ausgenutzen Schweißnaht bestimmt.

Darüber hinaus steht eine Berechnungsschleife zur Verfügung. Wenn die Schweißnahtbemessungsmethode auf Kapazitätsabschätzung eingestellt ist, wird Folgendes ausgeführt:

1. Bemessung der Kehlnähte auf volle Tragfähigkeit
2. Berechnung des Modells
3. Bemessung der Kehlnähte auf Kapazitätsabschätzung
4. Berechnung des Modells

Die Schweißnähte werden dann mit nur einem Klick auf oder unterhalb der Zielausnutzung eingestellt.

Auf minimale Duktilität

Die Schweißnahtbemessung auf minimale Duktilität liefert automatisch geschweißte Verbindungen, die stark genug sind, um Sprödbrüche zu verhindern. Die Schweißnahttragfähigkeit ermöglicht das anfängliche Fließen des Blechs, letztendlich versagt jedoch die Schweißnaht.

Die Anforderung an die minimale Duktilität von Schweißverbindungen ist in FprEN 1993-1-8:2023 – 6.9(4) geregelt. Sie entstammt dem niederländischen nationalen Anhang von EN 1993-1-8, in dem das feste Verhältnis von Schweißnahttragfähigkeit zu Blechtragfähigkeit 0,8 beträgt. Sie ist auch in den weit verbreiteten Green Books aus dem Vereinigten Königreich, insbesondere in den Kapiteln C2 und C3, enthalten. Das feste Verhältnis ist jedoch nur für die Stahlgüte S355 geeignet. In der zweiten Generation des Eurocodes wird dies auf alle Stahlgüten ausgeweitet.

Diese Anforderung wird für beidseitige Kehlnähte wie folgt überprüft:

$$a/t=\frac{\beta_w\gamma_{M2} f_y}{\sqrt{2} f_u \gamma_{M0} } \cdot \min \left \{1.0, 1.1\frac{f_y}{f_u} \right \}$$

wobei:

• $a$ – Schweißnahtdicke (Kehlnahtdicke)
• $t$ – Dicke des randseitig angeschlossenen Blechs 
• $\beta_w$ – Korrelationsbeiwert für Schweißnähte 
• $\gamma_{M2}$ – Sicherheitsbeiwert für Schrauben und Schweißnähte; im Code-Setup bearbeitbar
• $f_y$ – Streckgrenze des Blechs
• $f_u$ – Zugfestigkeit des Schweißguts
• $\gamma_{M0}$ – Sicherheitsbeiwert für Bleche; im Code-Setup bearbeitbar

Die Schweißnahtdicke für eine einseitige Kehlnaht ist doppelt so groß wie die für eine beidseitige Kehlnaht.

Zu beachten ist, dass die Methode für quer beanspruchte Schweißnähte geeignet ist und funktioniert, wenn das Blech über seine volle Breite angeschlossen ist.

Auf volle Tragfähigkeit

Die Schweißnahtbemessung auf volle Tragfähigkeit liefert automatisch Schweißnähte, die tragfähiger sind als das angeschlossene Blech. Bei der Berechnung wird angenommen, dass die Bleche auf Zug beansprucht und die Schweißnähte quer belastet werden, was den ungünstigsten Fall für Schweißnahttragfähigkeit und Duktilität darstellt. Diese Bemessung ist nützlich, um Sprödbrüche von Schweißnähten bei statischer Belastung zu vermeiden.

Dieser Ansatz ist auch in den weit verbreiteten Green Books aus dem Vereinigten Königreich, insbesondere in Kapitel C1, enthalten.

Diese Anforderung wird für beidseitige Kehlnähte wie folgt überprüft:

$$a/t=\frac{\beta_w\gamma_{M2} f_y}{\sqrt{2} f_u \gamma_{M0} }$$

wobei:

• $a$ – Schweißnahtdicke (Kehlnahtdicke)
• $t$ – Dicke des randseitig angeschlossenen Blechs 
• $\beta_w$ – Korrelationsbeiwert für Schweißnähte 
• $\gamma_{M2}$ – Sicherheitsbeiwert für Schrauben und Schweißnähte; im Code-Setup bearbeitbar
• $f_y$ – Streckgrenze des Blechs
• $f_u$ – Zugfestigkeit des Schweißguts
• $\gamma_{M0}$ – Sicherheitsbeiwert für Bleche; im Code-Setup bearbeitbar

Zu beachten ist, dass die Methode für quer beanspruchte Schweißnähte geeignet ist und funktioniert, wenn das Blech über seine volle Breite angeschlossen ist.

Mit Überfestigkeit

Die Schweißnahtbemessung mit Überfestigkeit liefert automatisch Schweißnähte, die deutlich tragfähiger sind als das angeschlossene Blech. Der Überfestigkeitsfaktor wird in Einstellungen → Bemessung → Automatische Bemessung → Schweißnahtbemessung festgelegt. Der Standardwert von 1,4 ist EN 1993-1-8 – 6.2.3 (5) entnommen, um ein plastisches Gelenk auszubilden. 

Bei der Berechnung wird angenommen, dass die Bleche auf Zug beansprucht und die Schweißnähte quer belastet werden, was den ungünstigsten Fall für Schweißnahttragfähigkeit und Duktilität darstellt. Diese Bemessung ist nützlich, um Sprödbrüche von Schweißnähten bei plastischer Bemessung oder zyklischer Belastung zu vermeiden. Zu beachten ist, dass eine große Schweißnahtgröße allein keine hohe Duktilität garantiert. Im Gegenteil kann sie zu übermäßigen Eigenspannungen und Verformungen infolge von Schweißverzug führen.

Diese Anforderung wird für beidseitige Kehlnähte wie folgt überprüft:

$$a/t=\frac{\beta_w\gamma_{M2} f_y}{\sqrt{2} f_u \gamma_{M0} } \cdot f_{overstrength}$$

wobei:

• $a$ – Schweißnahtdicke (Kehlnahtdicke)
• $t$ – Dicke des randseitig angeschlossenen Blechs 
• $\beta_w$ – Korrelationsbeiwert für Schweißnähte 
• $\gamma_{M2}$ – Sicherheitsbeiwert für Schrauben und Schweißnähte; im Code-Setup bearbeitbar
• $f_y$ – Streckgrenze des Blechs
• $f_u$ – Zugfestigkeit des Schweißguts
• $\gamma_{M0}$ – Sicherheitsbeiwert für Bleche; im Code-Setup bearbeitbar
• $f_{overstrength}$ – Überfestigkeitsfaktor, festgelegt in Einstellungen → Bemessung → Automatische Bemessung → Schweißnahtbemessung

Zu beachten ist, dass die Methode für quer beanspruchte Schweißnähte geeignet ist und funktioniert, wenn das Blech über seine volle Breite angeschlossen ist.