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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software 6.2- Regelwerke 1

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

6.2- Regelwerke

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

Allgemeine Regelwerke ohne Bezug zu Branchenanwendungen für ungeschweißte

Strukturen

- DIN 743 1 - 4 Tragfähigkeit von Achsen und Wellen

Allgemeine Regelwerke ohne Bezug zu Branchenanwendungen für ungeschweißte

und geschweißte Strukturen

- FKM 183 Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile

Branchenbezogene Regelwerke für ungeschweißte und geschweißte Strukturen

- DIN EN 13445 1 - 6 Unbefeuerte Druckbehälter aus Stahl

- KTA 3201.2 Komponenten des Primärkreises von Leichtwasserreaktoren,

Teil 2 Auslegung, Konstruktion und Berechnung

Allgemeine Regelwerke ohne Bezug zu Branchenanwendungen für geschweißte

Strukturen

- IIW Recommendations IIW Document Dok. IIW-1823-07 (12/2008)

Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and

Components

- DIN EN 1993 (Eurocode EC3 Stahl, Rohrleitungen, Silos, Tanks,

Kranbahnen, Brücken, Türme, Masten, Stahlhochbauten)

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

spezielle Regelwerke und Richtlinien (weitere Auswahl ohne Anspruch auf

Vollständigkeit)

- DIN 18 800 ( Stahlbau )

- DIN EN 13001 1 - 5 ( Krane ) ersetzt DIN 15018

- AD 2002 ( Druckbehälter TÜV )

- DS 804 ( Eisenbahnbrücken )

- DS 952 ( Eisenbahnfahrzeuge ) Güteanforderungen nach DIN 6700

- BS 7608 ( Stahlbau, GB )

- BS 5400 ( Brückenbau, GB )

- BS 8118 ( Behälterbau, GB )

- GL ( Germanischer Lloyd, Schiffbau )

- ASME ( Behälterbau, div. Codes USA )

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

Anwendung

- überwiegend HCF - Bereich ( ≥ 104 Lastwechsel )

Softwareunterstützung

- FKM 183 durch - AutoFENA 3D ( ihf: teilweise integriert in ANSYS Workbench )

- RiFest Plus ( IMA: Auswertungshilfe für je einen Nachweispunkt )

- Kisssoft ( Kisssoft: Auswertungshilfe für je einen Nachweispunkt )

- MDesign ( Tedata: Auswertungshilfe für je einen Nachweispunkt )

- DIN 743 - Kisssoft ( Kisssoft: Auswertungshilfe für je einen Nachweispunkt )

- MDesign ( Tedata: Auswertungshilfe für je einen Nachweispunkt )

Weitere Softwareunterstützung für andere Regelwerke nicht vorhanden bzw.

bekannt!

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

LCF – Nachweise ( ≤ 104 Lastwechsel )

- in Regelwerken größtenteils nicht enthalten außer:

- DIN EN 13445 1 - 6 mit fiktiven Spannungen bei linear - elastischer FE-Rechnung

- KTA 3201.2 mit fiktiven Spannungen bei linear - elastischer FE-Rechnung

- beide Regelwerke sind branchenbezogen

Software für Betriebsfestigkeitsnachweise unabhängig von Regelwerken nach Stand der

Technik

- DesignLife ( HBM/nCode: weitgehend integriert in ANSYS Workbench, umfangreiche Module )

- FEMFAT ( ECS: Datenaustausch mit FE-Software möglich über ASCII,

umfangreiche Module; HCF-orientiert )

- FAT4FEM ( Safe-FEM: Datenaustausch mit FE-Software möglich über ASCII,

Leistungsumfang gegenüber DesignLife und FEMFAT deutlich

geringer )

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

Einflussgrößen

- K2F statische Stützwirkung ( plastischer Stützfaktor )

- K1(deff) technologischer Größenfaktor

- K2(d) geometrischer Größenfaktor ( ungekerbte Rundprobe )

- K3(d) geometrischer Größenfaktor ( Kerbwirkungszahl )

Anwendungsbereich

- Nachweis gegen Dauerbruch ( Betriebsfestigkeit ) und bleibende Verformung

- geeignet für stabförmige Bauteile aus Stahl ( ungeschweißt )

- konstante ( ggfls. auch veränderliche ) Amplituden

- Zug / Druck, Biegung, Torsion im Wechsel- oder Schwellbereich

- Temperaturbereich - 40 °C bis 150 °C

- keine Unterscheidung zwischen Umlauf- und Flachbiegung

- korrosionsfreie Umgebungsmedien

- Grenzlastspielzahl NG = 107

E DIN 743 Okt. 2008: Anwendungsbereich und Einflußgrößen

Nachweis Betriebsfestigkeit:

- Kollektivanteile rechts von ND

werden nicht berücksichtigt

( Miner - erweitert )

- Berechnung schädigungs-

äquivalenter Spannungs-

amplitude

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

E DIN 743 Okt. 2008: Einflussgrößen und Überlastungsfälle

Einflussgrößen

- KF, KF Oberflächeneinfluss

- αK Formzahl

- β, β Kerbwirkungszahl

- KV Randschichtverfestigung

- G‘ Bezogenes Spannungsgefälle

- K, K Mittelspannungsempfindlichkeit

- F Erhöhungsfaktor Fließgrenze

Überlastungsfälle

- F1 Mittelspannung konstant, Amplitude steigt an

- F2 Mittelspannung und Amplitude steigen proportional zueinander an

Mindestsicherheitsfaktor

- Smin Smin = 1,2, aktuelle Sicherheitsfaktoren nach Erfahrung des Anwenders

σADKF1 dauerfeste Amplitude

für Überlastfall 1

σADKF2 dauerfeste Amplitude

für Überlastfall 2

σmv, σa Betriebspunkt

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

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E DIN 743 Okt. 2008:

Dauerfestigkeitsschaubild

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

Anwendungsbereich

- Maschinenbau und verwandte Bereiche der Industrie

- rechnerischer Nachweis der statischen Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit

- geeignet für Bauteile aus Walz- und Schmiedestahl, auch nichtrostend

- Gußeisen und Aluminiumwerkstoffe

- Bauteile mit und ohne spanabhebende Bearbeitung, auch geschweißt

- Einstufen- oder Kollektivbeanspruchung

- Temperaturbereich - 40 °C bis 500 °C

- korrosionsfreie Umgebungsmedien

statischer Festigkeitsnachweis

Ermüdungsfestigkeitsnachweis

- Dauerfestigkeitsnachweis

- Betriebsfestigkeitsnachweis

- Festigkeitsnachweis mit experimentell bestimmten Bauteilfestigkeitswerten

FKM – Richtlinie Bericht 183: Festigkeitsnachweise

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

Nennspannungskonzept

Konzept mit örtlichen Spannungen ( linear – elastisch )

Nachweis für mehrachsige Spannungen: Spannungsdifferenzierung nach

- proportional

- synchron ( Amplituden proportional, Mittelspannungen nicht proportional )

- nicht proportional ( Amplituden weder synchron noch proportional, Mittelspannungen

nicht proportional )

FKM – Richtlinie Bericht 183: Spannungsermittlung

- Nenn – Biegespannung Sb - örtliche Biegespannung bn

- Nenn – Schubspannung Tt - örtliche Schubspannung tn

- Formzahl Kt - Kerbwirkungszahl Kf

verwendete Bezeichnungen in Anlehnung an anglo-amerikanische Bezeichnungen

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

FKM – Richtlinie Bericht 183: Statischer Festigkeitsnachweis

Vermeidung von Dehnungen Formdehngrenze

Werkstoff

- technologischer Größenfaktor Kd,p , Kd,m

- Anisotropiefaktor KA

- Temperaturfaktor KT,p , KT,m

Konstruktion

- Einfluss konstruktiver Gestaltung KSK

- Schweißnahtfaktor W

- Graugussfaktor, nichtlin. - Verhalten von GG

bei Zug / Druck oder Biegung ( örtl. Spannungen ) KNL,E

- plastische Stützzahl npl

Sicherheit ( Fließen ) jp 1,5 ( Stahl ) jm 2,1 ( Guß )

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

FKM – Richtlinie Bericht 183: Betriebsfestigkeitsnachweis

Faktorielle Modifikation der Wechselfestigkeit des Werkstoffs

Werkstoff - technologischer Größenfaktor Kd,p , Kd,m

- Anisotropiefaktor KA

- Temperaturfaktor KT,p , KT,m

Konstruktion - Kerbwirkungszahl Kt

- Stützzahl n

- Oberflächenrauhigkeitsfaktor für Rz KR

- Randschichtfaktor / Schutzschichtfaktor KV / KS

- Graugussfaktor KNL,E

Sicherheit Schwingfestigkeit jD ≈ 1,5 (Stahl)

Dauerfestigkeit - Mittelspannungsfaktor KAK

- Mittelspannungsempfindlichkeit M

Betriebsfestigkeit - Zyklenzahl Nquer

- Kollektivform (Völligkeitsmaß) V

- Minersumme DM

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

Klassierverfahren: Rainflowzählung empfohlen

Spannungskollektive

- experimentell ermittelt

- Normkollektiv

- Beanspruchungsgruppen

- Äquivalentspannungsamplitude

FKM – Richtlinie Bericht 183: Betriebsfestigkeitsnachweis

Bauteilwöhlerlinie k, NDI,II

Schadensakkumulation

- Betriebsfestigkeitsfaktor KBK

- Miner konsequent

- Miner elementar

- Minersumme Stahl, Al, GS ( ungeschweißt / geschweißt ) 0,3 / 0,5

GGG, GT, GG 1,0

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

FKM – Richtlinie 183: Beschreibung von Lastkollektiven

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

FKM – Richtlinie Bericht 183: Festigkeitsnachweis mit experimentell bestimmten

Bauteilfestigkeitswerten; Berücksichtigung statistischer Eigenschaften

- Bauteil – Dauerfestigkeit mit

- Treppenstufenverfahren

- Abgrenzungsverfahren o.ä.

- Bauteil – Zeitfestigkeit mit

- einem Lasthorizont: k, ND aus Ri.

- zwei Lasthorizonten: ND aus Ri.

- Bauteil – Betriebsfestigkeit s. Bauteil - Zeitfestigkeit: ND durch Ngef. ersetzen

- Prüfung auf Bauteil – Zeit – oder Betriebsfestigkeit mit erhöhten Lasten zur

Prüfzeitverringerung

- Überlebenswahrscheinlichkeit PÜ = 97,5 %

- Festigkeitsnachweis nach FKM – Richtlinie Bericht 183 für Wellen z.B. mit

Rechenprogramm WELLE des IMA Dresden möglich. Für flächenförmige oder

kompakte Bauteile wird vom IMA Dresden das Rechenprogramm RIFESTplus

angeboten.

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

FKM – Richtlinie 183: Ablauf des Ermüdungsfestigkeitsnachweises und modifiziertes

Dauerfestigkeitsschaubild

Mittelspannungsabhängigkeit

FKM 183

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

Vereinfachte Berechnung der Ermüdungslebensdauer

- linearelastische Berechnung ( pseudoelastische Spannungsschwingbreite )

- ferritische und austenitische Stähle

- Bauteile außerhalb Fließbereich betrieben

- Minersumme Dkrit = 1

- Kennzeichnung kritischer Bereiche f(D)

Ausführliche Berechnung der Ermüdungslebensdauer

- Verwendung von Kerbspannungen bzw. alternativ Strukturspannungen

- Auswertung von Druckschwankungen nach Rainflow-Verfahren

- ferritische ( δ ≤ 380 °C ) und austenitische Stähle ( δ ≤ 500 °C )

- Mittelspannungskorrektur bei ungeschweißten Bauteilen für N ≥ 2•106 Zyklen

- Minersumme Dkrit = 1

- Kennzeichnung kritischer Bereiche f(D)

- Ermüdungslebensdauer für Schraubenverbindungen

Kennzeichnung kritischer Bereiche für beide

Berechnungsmethoden nach:

Dmax = 0,8 für 500 < neq ≤ 5000 neq Anzahl Druckzyklen über

Dmax = 0,5 für 1000 < neq ≤ 10000 volle Schwingbreite, verur-

Dmax = 0,3 für neq > 10000 sacht gleiche Schädigung

wie nkoll Zyklen über Δpkoll.

DIN EN 13445 - 3

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

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Klassifizierung von

Schweißverbindungen

Berechnungsermüdungskurven

für vereinfachte BerechnungUW: ungeschweißter Werkstoff

DIN EN 13445 - 3

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

Verlauf Ermüdungskurve

für geschweißte Bauteile

bei veränderlicher

Amplitudenbelastung

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Berechnungsermüdungskurven für geschweißte Bauteile

bei ausführlicher Berechnung1 veränderliche Amplitudenbelastung 2 konstante Amplitudenbelastung

ΔσD bei ND = 5 • 106

Δσcut bei Ncut = 108

DIN EN 13445 - 3

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

Ermüdungskurven für ungeschweißte Probestäbe aus ferritischen und

austenitischen Schmiede- und Walzstählen ( R= -1, d.h. keine Mittelspannung ) bei

ausführlicher Berechnung

DIN EN 13445 - 3

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

Berechnungsansätze

- Nennspannungsnachweis

- Strukturspannungsnachweis

- Kerbspannungsnachweis

- bruchmechanischer Sicherheitsnachweis

Gültigkeitsbereich

- geschweißte Bauteile aus ferritisch-perlitischem oder vergütetem Baustahl

mit Streckgrenze Rp0,2 = fy 960 MPa, oder schweißbaren Al-Legierungen

nicht gültig, falls

- Kurzzeitermüdung mit Nennspannungsschwingbreite Δσnom > 1,5 • fy oder

- Betriebstemperatur Kriechen erwarten lässt

Schwingfestigkeitsnachweis nicht erforderlich, falls maximale

Nennspannungsschwingbreite

- Stahl ΔσS,d 36 [ MPa ] / γm mit Teil-Sicherheitsfaktor für

- Aluminium ΔσS,d 12 [ MPa ] / γm Ermüdungswiderstand γm nach Regelwerken

Schwingfestigkeitsnachweis nach IIW-Empfehlungen IIW Dok. IIW-1823-07 (12/2008)

Gültigkeitsbereich und Grenzen

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

ergänzende Festlegungen

- Minersumme D = 0,5, wenn eine Schwingfestigkeitsklasse von FAT 36 für

Stahl oder FAT 14 für Aluminium auf eine Lebensdauer > 5 • 106 Schwingspiele

führt.

Schwingfestigkeitsnachweis ebenfalls nicht erforderlich,

- falls für konstruktives Detail Dauerschwingfestigkeit ΔσR.L angegeben und alle

Schwingbreiten ΔσS,d :

ΔσS,d ΔσR.L / γm

mit Teil-Sicherheitsfaktor für Ermüdungswiderstand γm nach Regelwerken

- an Rissen, falls alle Bemessungswerte der Spannungsintensitätsschwingbreite unter

dem Bemessungswert ( bruchmechanische Dauerfestigkeit ) ΔKth der Rissausbreitung

liegen:

ΔKS,d ΔKth / γm Stahl ΔKth = 2,0 MPa • m1/2

Aluminium ΔKth = 0,7 MPa • m1/2

Schwingfestigkeitsnachweis nach IIW-Empfehlungen IIW Dok. IIW-1823-07 (12/2008)

Bedarf einer Schwingfestigkeitsbewertung

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

Wöhlerkurven für Normalspannungen (Stahl), IW Dok. IIW-1823-07 (12/2008)

seit update 04-2006

Belastung durch konstante Amplituden

High-Cycle-Anwendung m = 3 bzw. m = 22Standardanwendung m = 3

Normzahlreihe R20

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

Ermüdungswiderstand konstruktiver Details ( Auszug )

IIW-Empfehlungen IIW Dok. IIW-1823-07 (12/2008)

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

Wöhlerkurven für Normalspannungen (Stahl), IIW Dok. IIW-1823-07 (12/2008)

variable Amplituden (Schadensakkumulation nach Miner modifiziert seit update 04-2006

Zeitfestigkeit HCF: m1 = 3

variable Amplitude VHCF m2 = 2m1-1 = 5

(konstante Amplitude VHCF m2 = 22)

m1 = 3

m2 = 5

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

Überblick über aktuelle Regelwerke im Bereich Schwingfestigkeit, Teil 1

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

Überblick über aktuelle Regelwerke im Bereich Schwingfestigkeit, Teil 2

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

Überblick über aktuelle Regelwerke im Bereich Schwingfestigkeit, Teil 3

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

Überblick über aktuelle Regelwerke im Bereich Schwingfestigkeit, Teil 4

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

Überblick über Software zum Ermüdungsfestigkeitsnachweis

mit FEM-Anbindung ohne FEM-Anbindung spezielle Anwendungen

ENDUREEMRC, Wölfel Techn. Programme

ÖK, RK

ERAAS-FATIGUEProf. Kosteas, TU München

NK

FENAProf. Wünsch, Uni Duisburg

Dauerfestigkeitsnachweis

FALIXLBF, Teknon, Darmstadt

NK, ÖK, RK, Expertensystem-Shell

FILIPPProf. Seeger, TH Darmstadt

ÖK

WELLE / RIFEST+IMA, Dresden

Festigkeitsberechnung FKM-Richtlinie 183

FALANCSLMS, Leonberg

ÖK, NK

LEBEN2000Ing. Büro Sigwart, TU Clausthal

NK

WOLIN (LELIN / RAINC)GTWD

Synthetische Wöhlerlinien

FEMFATECS Engineering Center Steyr GmbH

Mischkonzept, TMF

LIFECarl Schenk AG, Darmstadt

NK integriert in Prüfstandssteuerung LABSITE

MDesignTEDATA, Bochum

Auslegung von Maschinenelementen

NCODE, Ansys DesignLifeHBM

NK, ÖK, RK

kein EigennameMTS Systems GmbH, Berlin

ÖK integirert in Prüfstandssteuerung RPCIII

PROBATDVO, Oberhausen

Festigkeitsberechnung von Behältern

AutoFENA 3DIng. Büro Huss & Feickert, Liederbach

FKM 183

FASTAN / FASTAN2LBF, Teknon, Darmstadt

KISSsoftKissling, Zürich

Auslegung von Maschinenelementen

FE-SAFESafe technology ltd.

NK, ÖK, TMF

WINLIFESteinbeis TZ Verkehrstechnik Ulm

NK, ÖK

NK: Nennspannungskonzept

ÖK: Örtliches Konzept RK: Rissfortschrittskonzept

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Kapitel 6_2 Regelwerke und Software

Allgemeine Kontakte:

Testumgebungen:

- SyncoTec (Prüfung und Testen von Bauteilen)

- LBF (Fraunhoferinstitut fürBetriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit)

-Steinbeis-Transferzentrum Bauteilfestigkeit und –sicherheit, Werkstoff- und Fügetechnik an

der Hochschule Esslingen

Tagungen:

- DVM (Deutscher Verband für Materialforschung und Prüfung e.V.)

- Anwendungstreffen der Softwarefirmen (z.B. CADFEM User Meeting, Kisssoft)

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