Zur Bestimmung der Tragfähigkeit von Kehlnahtverbindungen höherfester Baustähle

Abstract

Im Stahlbau gibt es einen Trend zu zunehmend schlankeren und leichten Konstruktionen aus Baustählen mit höherer Festigkeit. Für die Verwendung dieser Stähle spricht neben rein ästhetischen Gründen das Einsparpotential beim Material und damit einhergehend die Reduktion des Gewichts. In den letzten Jahren wurden hierzu moderne Stähle entwickelt, die neben einer hohen Festigkeit gute Schweißeigenschaften und eine hohe Zähigkeit besitzen. Trotz der guten Schweißeigenschaften ist die normative Tragfähigkeit von Kehlnahtverbindungen dieser Stähle gering. In den meisten bisher geltenden Normen wird für die Tragfähigkeit der Schweißnaht nur die Festigkeit des Grundwerkstoffs und nicht die des Schweißzusatzwerkstoffs berücksichtigt. Für normalfeste Baustähle S235 und S355 ist diese Vereinfachung sinnvoll, da die zur Verfügung stehenden Schweißzusatzwerkstoffe immer höhere Festigkeiten als diese normalfesten Stähle besitzen. Für höherfeste Stähle S460 und S690 kann für die Fertigung oder in Abhängigkeit von der Beanspruchung sowohl der Einsatz von Schweißzusatzwerkstoffen mit geringerer als auch mit höherer Festigkeit sinnvoll sein. Um diese Werkstoffkombinationen verwenden zu können, müssen die Bemessungsregeln neben der Festigkeit des Grundwerkstoffs auch die Festigkeit des Schweißzusatzwerkstoffes berücksichtigen. Voraussetzung dafür ist die genaue Kenntnis des Einflusses, den die Festigkeit des Schweißzusatzwerkstoffs auf die Tragfähigkeit von Kehlnahtverbindungen höherfester Baustähle hat. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung eines erweiterten Bemessungsmodells zur Bestimmung der Tragfähigkeit von Kehlnahtverbindungen für höherfester Baustähle S460 und S690 unter Berücksichtigung der Festigkeit des Schweißzusatzwerkstoffs. In einem ersten Schritt werden im Rahmen dieser Arbeit die vorhandenen Bemessungskonzepte und experimentellen Untersuchungen aus der Literatur analysiert. Für höherfeste Stähle existiert nur eine sehr begrenzte Anzahl an Versuchsergebnissen. Aus diesem Grund bilden die experimentellen Untersuchungen zur Tragfähigkeit von Schweißverbindungen mit den Grundwerkstoffen S460 und S690 unter Variation der Festigkeit des Schweißzusatzwerkstoffs den Schwerpunkt dieser Arbeit. Je nach Belastungsrichtung werden die untersuchten Schweißverbindungen in Flankenkehlnahtverbindungen und Kreuzstöße mit Stirnkehlnähten unterteilt. Eine detaillierte Analyse des Tragverhaltens der Schweißverbindungen in den Versuchen erfolgt über numerische Berechnungen. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen einen deutlichen Einfluss des Schweißzusatzwerkstoffs sowie einen geringeren Einfluss des Grundwerkstoffs auf die Tragfähigkeit von Kehlnahtverbindungen. Eine Abhängigkeit der Belastungsrichtung lässt sich durch eine höhere Tragfähigkeit von Kreuzstößen mit Stirnkehlnähten gegenüber Flankenkehlnahtverbindungen nachweisen. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen der experimentellen und numerischen Untersuchungen und auf Basis hieraus gewonnener statistischer Kennwerte erfolgt die Entwicklung des erweiterten Bemessungsmodells, das die Festigkeit von Grund- und Schweißzusatzwerkstoff berücksichtigt. Mit diesem Bemessungsmodell ist eine sichere und wirtschaftliche Auslegung von Kehlnahtverbindungen insbesondere höherfester Baustähle mit unterschiedlichen Schweißzusatzwerkstoffen möglich.

In recent years a trend towards an increasing number of slim and lightweight steel constructions using high-strength steels can be observed. Beside aesthetic reasons the material and thus the weight saving potential increasingly leads to an application of these steels. Therefore, modern high-strength steels have been developed, which comprise aside high strength, good welding characteristics and high ductility. Despite the good welding characteristics there is a low normative load-bearing capacity of welded joints of high-strength steels. In most current standards, in which the load-bearing capacity of the weld is regulated, only the base metal strength is taken into consideration. The filler metal strength is not taken into account. For the steel grades S235 and S355 this simplification is reasonable, since the applicable filler metals always exhibit a higher strength than the base metals. For high-strength steels S460 and S690 it can be useful in some cases to choose filler metals with higher or with lower strength, dependent on the applied loading or the manufacturing process. To be able to consider different combinations of materials the design rules have to take the base metal strength as well as the filler metal strength into account. For design reasons it is important to have the exact knowledge about the effect of the filler metal strength on the load-bearing capacity of fillet welded joints of high-strength steels. Thus, the main goal of this thesis is the development of an expanded design model to determine the load-bearing capacity of fillet welded joints of high-strength steels S460 and S690 that explicitly considers the filler metal strength. In a first step the existing design concepts and experimental investigations from literature are analyzed. For high-strength steels only a limited number of test results exists. Therefore the experimental investigations on the load-bearing capacity of fillet welds with the base metals S460 and S690 and the variation of the filler metal strength are in the main focus. Dependent on the load-direction the welded joints can be divided into longitudinal fillet welded connections or cruciform joints with transverse welds. A detailed analysis of the load-bearing behaviour of the welded joints in the tests is done by numeric investigations. The test results show a dominant influence of the filler metal and in addition a minor influence of the base metal on the load-bearing capacity of fillet welded connections. The dependence on the load direction is evident in a higher load-bearing capacity of cruciform joints with transverse fillet welds in comparison with longitudinal fillet welded connections. Basing on experimental and numerical investigations and on statistic criteria applied on these results an expanded design model is developed, which considers both, the strength of the base and the filler metal. With this model a safe and economic design of fillet welded joints particularly of high-strength steels and different filler metals is possible.