stoffschlüssige verbindungen - n.ethz.chn.ethz.ch/~webemarc/download/4. semester/dimensionieren...

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Stoffschl Stoffschl ü ü ssige Verbindungen ssige Verbindungen

Author: vandieu

Post on 17-Aug-2018

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  • StoffschlStoffschlssige Verbindungenssige Verbindungen

  • MotivationMotivation

    Wir vertrauen darauf, dass Ingenieure und Ingenieurinnen zuverlssige Dimensionierungen durchfhrt haben.

    In vielen Produkten unseres Lebens sind Bauteile verschweisst und bertragen grosse Krfte.

  • LernzieleLernziele

    Die Studierenden sollen Schnittkrfte und momente in den Schweissnhten

    bestimmen, Festigkeitsrechnungen (ruhend und wechselnd) an

    geschweissten Konstruktionen durchfhrenknnen.

    Systematik: stoffschlssige Verbindungen mit- arteigenem Zusatzwerkstoff (Schweissen)- artfremdem Zusatzwerkstoff (Lten, Kleben)

  • Vorschriften und NormenVorschriften und Normen

    DIN 15018: Berechnung von Kranen: statische und dynamische Festigkeit DASt Richtlinie 01: Spannungsnachweis fr Feinkornbausthle StE47 und StE70, bertragung von DIN 15018 auf den allgemeinen Stahlbau

    DIN 18800: Grundstze zur Dimensionierung im Stahlbau, statische Belastung DIN ENV 1993, Eurocode 3: auf DIN 18800 abgestimmt, verschiedene Werkstoffe, Schweissverfahren und Nahtarten

    FKM Richtlinie: Festigkeitsauslegung allgemein und fr geschweisste Konstruktionen

    IIW / IIS Empfehlungen: Diemensionierung gegen Ermdung von Stahl und Alu Legierungen

    Dimensionierung von geschweissten Stahlkonstruktionen gut verstanden, kaum Dimensionierung von Nichteisenmetallen

  • NahtgeometrieNahtgeometrie

    Einteilung hinsichtlich:- Stossart: Kriterium ist die Lage der Teile zueinander: Stumpfstoss, T Stoss, berlappstoss

    - Nahtart: Stumpfnhte oder Kehlnhte- Nahtform: beschreibt Geometrie der Fuge, insbesondere von deren Vorbereitung (Fgeform)

  • StossartStossart

  • NahtgeometrieNahtgeometrie

    Schweissen erzeugt eine stoffschlssige VerbindungNahtformen und Symbole nach EN 22553

  • NahtgeometrieNahtgeometrie

    Nahtformen und Symbole nach EN 22553

  • Wirkende BeanspruchungWirkende Beanspruchung

    Wirkende Beanspruchungen:- im Schweissnahtbergangsquerschnitt- im Schweissnahtquerschnitt

    ussere Belastung Schnittkrfte Fx, Fy, FzSchnittmomente Mx, My, Mz

  • Nahtquerschnitt: a = s bzw.a = s1s1 (dnneres Blech)

    StumpfnahtStumpfnaht

    - Festlegung des tragenden Querschnitts einer SchweissnahtNahtlnge / Nahtbreite

    Nahtlnge: l = L 2a (Endkraterabzug) bzw.l = L mit Auslaufblech geschweisst

    Bemerkung: Endkraterabzug entfllt bei Rundumnaht (l = Umfang) und Schweissnahtdicke a ist bei Stumpfnhten die kleinste Blechdicke smin

  • Stumpfnaht: Spannungskomponenten am Beispiel Stumpfnaht: Spannungskomponenten am Beispiel FlachstabFlachstab

    A a l= xxZugFA

    =

    tt

    yx(M )t

    MW

    =

    y

    yx(M )

    y

    M

    W =

    2

    yL a

    W6

    =

    2

    za L

    W6

    =

    Quernaht kann keine Schubspannung bertragen

    yyx

    F

    A =

    zz

    x(M )z

    MW

    =

    Schweissquerschnitt und Schnittkrfte

    gilt fr dnne Profile L>>s

    2

    ta L

    W3

    =

    0=AFz

    xy

  • Stumpfnaht: Spannungskomponenten am Beispiel Stumpfnaht: Spannungskomponenten am Beispiel KreisrohrKreisrohr

    ( )2 2a iA d d4

    =

    A / 2: nur Segmente links und rechts rechnen

    A / 2: nur Segmente oben und unten rechnen

    ( ) zx zB

    MM

    W =

    4 4a i

    Ba

    d dW

    32 d

    =

    ( ) yx yB

    MM

    W =

    2a i

    md d

    A4 2

    + =

    t

    rm

    M2 A a

    = siehe Bredtsche Formel

    xxZug

    FA

    =

    zzx

    FA /2

    =

    yyx

    F

    A /2 =

  • Stumpfnaht: BeispielStumpfnaht: Beispiel

    Schnittkrfte in Schweissnaht Fx= K Fy= 0 Fz= F My= - F l1 Mz= 0 Mt= T

    Querschnitt

    Widerstandsmoment

    Widerstandsmoment

    ( )A a l a L 2 a ; a s= = =

    6)2( 2aLaWy

    =

    3)2(2 aLaWt

    =

  • Stumpfnaht: BeispielStumpfnaht: Beispiel

    zzx

    F FA a (L 2a)

    = =

    xxZug

    F KA a (L 2a)

    = =

    21

    )2(6

    aLaFl

    WM

    y

    yxb

    ==

    )2(3

    2 aLaT

    WM

    t

    ttxy

    ==

    Zug - Druck

    Schub

    Biegung

    Torsion

  • Verschweisste ProfileVerschweisste Profile

    In verschweissten Profilen knnen, falls dx/ dx 0, auch Schubspannungen in Lngsnhten auftreten

    xyy

    F HI (2a)

    =

    xyy

    F H(z)I b(z)

    =

    H/2

    Gurth/2

    h H H h2 2H dA f A c2 2

    + = = =

  • Die rechnerische Nahthhe a einer Kehlnaht ist die Hhe des theoretischen einbeschriebenen Dreiecks dessen Spitze den Wurzelpunkt berhrt

    Die Nahthhe a wird umgeklappt in die Anschlussflche

    Die Mindestnahtstrke ist fr a > 3 mm:

    Die maximale Strke ist (bei dicken Blechen)

    Endkraterabzug fr offene Nhte.z.B. Nahtanfang und Nahtende:L = geschweisste Lnge

    KehlnahtKehlnaht

    [ ]mmmmsa 5.0maxmin >minmax 7.02 samm

  • MehrfachschweissnMehrfachschweissnhtehte

    Bei Mehrfachschweissnhten in einem Querschnitt werden: Einzelflche und Gesamtflche berechnet (Endkraterabzug)

    Einzelschwerpunkte und Gesamtschwerpunkte bestimmt

    Flchenmomente berechnet (Steiner)

    i i iA a l=

    i i ii i

    A A a l= =

    i ii

    si

    i

    x A

    xA

    =

    i i

    is

    ii

    y A

    yA

    =

    21 1,i i i

    i iI I y A= + 22 2,i i i

    i iI I x A= +

  • Angeschweisster TrAngeschweisster Trger (Spannungskomponenten)ger (Spannungskomponenten)

    Querschnitt: A = 2 a l = 2 a (L - 2 a)Widerstandsmoment (Biegung): Wy = 2 a (L-2a)2 / 6Krfte aus Torsion: T = Ft (s+a)

    tT

    F(s a)

    =+

  • Spannungen des angeschweissten TrSpannungen des angeschweissten Trgersgers

    Vergleichsspannung, dynamisch:

    ( ) ( ) ( )( )22 F 1 2

    V xZug xBieg zx quer zx TorsionF

    v v3

    S

    = + + +

    xzugKA

    =

    ( )zx querFA

    =

    B 1xBieg 2

    y

    M 3 F lW a L

    = =

    ( ) ( ) ( )t

    zx TorsionF T

    A /2 a+s a L 2a = =

    Dimensionierung bedarf der berechnung der Schweissnaht und der Schweissnaht-bergangsquerschnitte, d.h. der Querschnitte des ungeschweissten Bauteils

  • Komplexere NahtbilderKomplexere Nahtbilder

    Berechnung Totalflche A (Endkraterabzug)Berechnung des FlchenschwerpunktesBerechnung Trgheitsmomente I (Steinerscher Satz)Spannungskomponentenberechnung an kritischen StellenBestimmung Ort grsster VergleichsspannungFestigkeitsnachweis

  • Schubspannungen infolge QuerkraftSchubspannungen infolge Querkraft

    Bei schlanken Trgern l > h knnen die Schubspannungen vernachlssigt werdenBei kurzen Trgern auf Schweissnhte in Richtung der Kraft reduzieren

  • KreisfKreisfrmige rmige NNhtehte

    Bei kreisfrmigen Nhten Segmente modellieren

    ( )ada2

    A a +

    =

    xx

    y

    y

    d a

    F

    ( )ada2

    A a +=

  • Dimensionierung bei statischer BeanspruchungDimensionierung bei statischer Beanspruchung

    berblick Bauteile dimensionieren ussere Belastung F, M auf

    Schnittkrfte der Schweissnaht reduzieren Spannungskomponenten xZug, xBiegung, xyQuer, xyTorsion

    bestimmen Vergleichsspannung an verschiedenen Orten der Naht

    berechnen Maximale Vergleichsspannung bestimmen Festigkeitsnachweis

  • Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis

    NahtgtebeiwertBeanspruchungsbeiwert fr statische FestigkeitGrssenfaktor0.2 % - Dehngrenze

    2.032

    2.032

    2.032

    2.032

    ,pdpFtF

    pdpFFsF

    pdpFbF

    pdpFzdF

    RKvvRKvv

    RKvvRKvv

    ====

    ====

    Zug - Druck

    BiegungSchubTorsion

    Festigkeitswerte fr die Schweissnaht gegen Einzelbeanspruchungen

    2.0

    3

    2

    p

    dpRKvv

  • Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis

    Nahtgtebeiwert nach DIN 8563T3 fr Stahl

    Sondergte, ganz durchstrahlt (frei von Rissen und Binde- und Wurzelfehlern und Einschlssen, alle beteiligten Schweisser gleichmssig erfasst, mind. Nahtgte blau nach IIW - Katalog

    AS, AK1.0

    Normalgte, stichprobenweise durchstrahlt (wenig Poren und Schlackeneinschlsse)

    BS, BK0.9

    SichtprfungCS, CK0.8-0.5

    Anforderungen an Ausfhrung und KontrolleBewertungsgrup-pe Stahl nach DIN 8563T3

    v2

  • Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis

    Beanspruchungsbeiwert fr statische Festigkeit

    0.650.8alleKehl0.650.8Torsion1.01.0Biegung1.01.0Druck1.01.0ZugStumpfAluStahl v3v3BeanspruchungsartNahtform

    Grssenfaktor nach folgenden TabellendpK

  • Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis

    Grssenfaktor und bei Fliessen nach folgenden TabellendpK dmK

  • Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis

    Grssenfaktor und bei Fliessen nach folgenden TabellendpK dmK

  • Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis

    Grssenfaktor und bei Fliessen nach folgenden TabellendpK dmK

  • Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis

  • Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis

    Sicherheit gegen Fliessen fr gut verformbare Sthle SFmin = (1.2),...,1.7,..., 2.0Hochfeste Sthle, schlechter verformbar als S355Erhhung der Sicherheiten um Faktor 1.1 bis 1.2

    1

    1

    1

    1

    >=

    >=

    >=

    >=

    t

    tFtF

    s

    sFsF

    b

    bFbF

    zd

    zdFzdF

    S

    S

    S

    S

    Zug - Druck

    Biegung

    Schub

    Torsion

    Sicherheitsbeiwerte fr die Schweissnaht bei Einzelbeanspruchungen

    Achtung: Nachweis erforderlich fr - Schweissnahtquerschnitt- Schweissnahtbergangsquerschnitt

  • Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis

    22

    222222

    222

    )(3)()(3

    3

    stzdbv

    zxyzxyxzzyyxzyxv

    xyyxyxv

    +++=

    +++++=

    ++=

    Die GEH liefert eine quivalente Zugspannung und ist daher mit den Festigkeitswerten auf Zug und Druck zu vergleichen.Abweichung von den Vergleichsspannungsberechnungen, da die Beanspruchungsart ber Nahtformbeiwert und Beanspruchungsbeiwert bercksichtigt wird. Reziproke Sicherheiten

    Vergleichsspannungen nach der GEH

    22

    1 1111)(

    ++

    +=

    tFsFbFzdFF SSSS

    S

    Normalspannungen Schubspannungen

  • Dimensionierung bei dynamischer BeanspruchungDimensionierung bei dynamischer Beanspruchung

    berblick Bauteile dimensionieren ussere Belastung F, M auf

    Schnittkrfte der Schweissnaht reduzieren Spannungskomponenten xZug, xBiegung, xyQuer, xyTorsion

    bestimmen Vergleichsspannung an verschiedenen Orten der Naht fr die

    Mittelspannung berechnen Vergleichsspannung an verschiedenen Orten der Naht fr den

    Spannungsausschlag berechnen Smith Diagramm zeichnen Entnahme zur Mittelspannung Festigkeitsnachweis Stelle mit kleinstem Sicherheitsbeiwert bestimmen und

    nachweisen, dass dieser immer noch ausreichend ist.

    )( mAA =

  • Dynamischer FestigkeitsnachweisDynamischer Festigkeitsnachweis

    Nahtformbeiwert fr dynamische BeanspruchungNahtgtebeiwertGrssenfaktor fr BruchAusschlagfestigkeit fr die ungekerbte polierte Normprobe, z.B. aus einem Smith Diagramm fr Dauerfestigkeit oder einer Whlerlinie fr Zeitfestigkeit

    NzdAdmAtA

    NzdAdmAAsA

    NzdAdmAbA

    NzdAdmAzdA

    KvvKvv

    KvvKvv

    21

    21

    21

    21

    ,==

    ======

    Zug - DruckBiegungSchubTorsion

    Festigkeitswerte fr die Schweissnaht gegen Einzelbeanspruchungen

    NzdA

    dmKvv

    2

    1

  • Dynamischer Festigkeitsnachweis: Beiwert vDynamischer Festigkeitsnachweis: Beiwert v11

    v1: Beiwert fr Festigkeitsminderung abhngig von der Nahtform und Beanspruchungsartbei mehrachsigen Spannungszustnden mitteln

  • Dynamischer FestigkeitsnachweisDynamischer Festigkeitsnachweis

    Nahtgtebeiwert nach DIN 8563T3 fr Stahl (wie statisch)

    Sondergte, ganz durchstrahlt (frei von Rissen und Binde- und Wurzelfehlern und Einschlssen, alle beteiligten Schweisser gleichmssig erfasst, mind. Nahtgte blau nach IIW - Katalog

    AS, AK1.0

    Normalgte, stichprobenweise durchstrahlt (wenig Poren und Schlackeneinschlsse)

    BS, BK0.9

    SichtprfungCS, CK0.8-0.5

    Anforderungen an Ausfhrung und KontrolleBewertungsgrup-pe Stahl nach DIN 8563T3

    v2

    Grssenfaktor fr Bruch nach den Tabellen fr statischen NachweisdmK

  • Dynamischer FestigkeitsnachweisDynamischer Festigkeitsnachweis

    Sicherheit gegen Fliessen fr gut verformbare Sthle SDmin = (1.5),...,2.5,..., 3.0

    1

    1

    1

    1

    >=

    >=

    >=

    >=

    ta

    tAtD

    sa

    sAsD

    ba

    bAbD

    zda

    zdAzdD

    S

    S

    S

    S

    Zug - Druck

    Biegung

    Schub

    Torsion

    Sicherheitsbeiwerte fr die Schweissnaht bei Einzelbeanspruchungen

    Achtung: Nachweis erforderlich fr - Schweissnahtquerschnitt- Schweissnahtbergangsquerschnitt

  • Dynamischer FestigkeitsnachweisDynamischer Festigkeitsnachweis

    22

    222222

    222

    )(3)()(3

    3

    stzdbv

    zxyzxyxzzyyxzyxv

    xyyxyxv

    +++=

    +++++=

    ++=

    Die GEH liefert eine quivalente Zugspannung und ist daher mit den Festigkeitswerten auf Zug und Druck zu vergleichen. Die Vergleichsspannung ist getrennt fr die Spannungsausschlge und die Mittelspannungen zu berechnen. Abweichung von den Vergleichsspannungsberechnungen, da die Beanspruchungsart ber Nahtformbeiwert und Beanspruchungsbeiwert bercksichtigt wird. Reziproke Sicherheiten

    Vergleichsspannungen nach der GEH

    22

    1 1111)(

    ++

    +=

    tDsDbDzdDD SSSS

    S

    NormalspannungenSchubspannungen

    vavm

  • Kraftfluss

    Punktschweissungen sollten auf Scherung beansprucht werden.

    PunktschweissPunktschweiss--VerbindungenVerbindungen

  • PunktschweissanlagePunktschweissanlage

    Schweissroboter fhrt Punktschweissungen an BMW Seitenwand durch

  • 2.8 Schweissspalt2.8 Schweissspalt

    neu

    Spalt zwischen B

    lechen fhrt -bei knapper Eindringtiefe zu ungengendem

    A

    nschmelzen,

    -in jedem Fall zu N

    ahteinfall

  • Analogie StiftverbindungenAnalogie Stiftverbindungen

    Schweisspunktgrsse abhngig vom dnnsten Blech unabhngig vom tatschlichen DurchmesserPunktdurchmesser:

    s 1

    min25 smmd =

    einschnittig zweischnittig

  • KrKrfteverteilung auf mehrere Schweisspunktefteverteilung auf mehrere Schweisspunkte

    Meist erfolgt die Verbindung mit Punkte-Feldern

    S: Flchenschwerpunkt n = Anzahl Schweisspunkte i = einzelner Schweisspunkt

    Vorgehen: Berechnung des Flchenschwerpunktes ussere Kraft auf Schweisspunkt reduzieren: M, Qy, Qx Kraft Q gleichmssig auf Punkte verteilen

    Moment M proportional zum Abstand verteilen

    Gesamtkraft auf Schweisspunkt= ri iF c r 2

    ii

    Mc

    r=i

    ri iM F r=

    xxi

    QQ

    n=

    yyi

    QQ

    n=

    i xi yi riF Q Q F= + +ur uuur uuur uur

  • SchweissnahtgestaltungSchweissnahtgestaltung

  • SchweissnahtgestaltungSchweissnahtgestaltung

  • LLtverbindungentverbindungen

  • MotivationMotivation

    Meist werden Nichteisen-Metalle geltet (z.B. CU)

  • LernzieleLernziele

    Die Studierenden sollen die unterschiedlichen Belastungsarten und die elementare Festigkeitsrechnung

    von Ltverbindungen kennen.

  • KurzzusammenfassungKurzzusammenfassung

    Lten ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlssigen Fgen und Beschichten von WerkstoffenEinteilung nach Liquidustemperatur des Lotes Weichlten: T 450 C Hochtemperaturlten: T>900 C (mit Vakuum oder

    Schutzgas)Flussmittel: nichtmetallisch, um Oxide zu beseitigen und zu vermeidenBedingt lsbare Verbindung

  • GelGeltete Schleifktete Schleifkrner rner

    Schleifwerkzeug mit definiert angeordneten Krnern

    Kor

    n b

    erst

    and

    Korn-abstand

    Grundkrper

    Lot

    Titanaktivlot auf Cu BasisTLt = 950C

  • VorVor-- und Nachteileund Nachteile

    Vorteile: Fgen von verschiedenartigen Metallen Keine Querschnittsschwchung durch Lcher Unzugngliche Ltstellen mglich Kaum thermische Schdigung des Bauteils Gut gas- und flssigkeitsdichtend Gut elektrisch leitend Gut automatisierbar Verzinnte Bleche knnen ohne Lot verbunden werden

  • VorVor-- und Nachteileund Nachteile

    Nachteile: Geringe statische und dynamische Festigkeit Weichltungen neigen zum Kriechen Ltgerechte Konstruktion oft aufwendig Aufwendige Vorarbeiten berlappung ntig hheres Gewicht Kerbwirkung bei Hartltungen Aluminium: Gefahr elektrochemischer Zerstrung der

    Ltstelle

  • Gestaltung von LGestaltung von Ltverbindungentverbindungen

  • Berechnung von LBerechnung von Ltverbindungentverbindungen

    Grundstzlich soll im Bauteil und im Lot dieselbe Tragfhigkeit angestrebt und das Lot auf Scherung belastet werden.

    Es werden zwei Beanspruchungsflle unterschieden Zug-/Druck- Beanspruchung vermeiden Scherbeanspruchung bevorzugen

    Die Festigkeitswerte fr das Lot in einer Ltverbindung mit hherfesten Fgepartnern sind deutlich hher als die Festigkeitswerte am freien Lt Zusatzwerkstoff, was mit der Verformungsbehinderung durch den angrenzenden Grundwerkstoff zusammenhngt. Die angegebenen Festigkeitswerte bercksichtigen dies und berschtzen das Lot, bei bermssiger Schichtdicke

  • ZugZug-- // DruckDruck--BeanspruchungBeanspruchung

    Zug- / Druck-Beanspruchung: sollte vermieden werden.

    : Lastfaktor = 0.5 (wechselnd) SB: SicherheitB: Zugfestigkeit = 0.75 (schwellend) gegen Bruch

    des Lots = 1 (ruhend) (1.25 - 4)

    z,d Bz,d zul

    B

    F

    b h S

    = =

    =FF

    h b= max FF h bBelastbarkeit Blech:

  • ScherbeanspruchungScherbeanspruchung

    Scherbeanspruchung bevorzugenberlappung bei gleicher Belastbarkeit

    Festigkeitsnachweis:

    = =

    max maxB

    B

    F F; l

    b l bB

    zul B

    Fb l S

    = =

  • Schubbeanspruchung bei WelleSchubbeanspruchung bei Welle--NabeNabe--LLtverbindungtverbindung

    = = =

    T T B

    zul2B

    M 2Md SA d l2

    l

    = = = Td F

    M F ; ; A d l2 A

  • SchSchlbeanspruchunglbeanspruchung

    Analogie: Abziehen eines Klebestreifens

  • ZulZulssige Spannungenssige Spannungen

    B = Zugfestigkeit des Lots (alle Werte in N /mm2 )

    0,1 B0,18 B0,35 B-0,60,8 BL-AlSiAluminiumlot

    55658090340380

    250320L-CuNiNeusilberlot

    30405070300400

    150280L-AgSilberlot

    55658090250300

    250300L-CuZnMessinglot 15-25

    30405070200300

    150220L-CuKupferlot

    zul(wechselnd)

    zul(schwellend)

    zul(ruhend)

    BBLot

  • ZulZulssige Spannungenssige Spannungen