vorlesung f%c3%bcgetechnik 2-2

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2.6.1 Stahlauswahl nach Eurocode 3

2.6.2 Stahlauswahl nach DASt 009- die alte DASt 009- die neue DASt 009

2.6.3 Vermeidung von Terassenbrüchen DASt 014

2.6 Sprödbruchverhalten vonSchweißverbindungen

2

2.6 Sicherheit gegen Sprödbruch

• Sprödbruchfördende Faktoren:

 – tiefe Temperaturen

 – mehrachsige Spannungszustände – hohe Beanspruchungsgeschwindigkeit

• Bei Schweißverbindungen:

 – Schweißeigenspannungen Mehrachsigkeit• Längsspannungen

• Querspannungen

• Spannungen in Dickenrichtung

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3

Kennwerte des Zugversuches in Abhängigkeit von derMehrachsigkeit π nach Schnadt

200

400

600

800

1000

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

ππππ

   R   [   M   P  a   ]

Fließgrenze

Zugfestigkeit

 −

 −

 ⋅

 −

 −

 −=

1

3

1

2

1

3

1

2

2

1

3

2

1

21σ  

σ  

σ  

σ  

σ  

σ  

σ  

σ  

σ  

σ  

σ  

σ  π  

σ1

σ2

σ3

4

Beispiele für Eigenspannungen E-Hand

Nahtart σ1

längs

σ2

quer

σ3

Dickenrichtung

10... 30 mm

30... 60 mm60...200 mm

1,0 Re

2,0 Re

2,5 Re

0,5 Re

0,8 Re

1,0 Re

0

0,3 Re

0,5 Re

3...10 mm10...30 mm30...60 mm

0,5 Re

1,0 Re

1,5 Re

0,3...0,5 Re

0,5 Re

0,7 Re

00

0,2 Re

a

tπ

0,50,450,35

0,20,320,5

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2.6.1 Sprödbruchsicherheitskonzept nachEUROCODE III

• Konstruktionsdetail wird bruchmechanisch bewertet

• Ergebnis ist eine erforderlich Bruchzähigkeit Kmat

• Aus der Bruchzähigkeit Kmat wird über die Masterkurve von Wallindie erforderliche bruchmechanische Übergangstemperatur T100 undeine Temperaturverschiebung ∆Tσ =f (Blechdicke, Kmat) abgeleitet

• Über eine Korrelation T100 zu T27J folgt die Stahlgüte

TCd = ∆Tσ+T100

Stahlgüte(Werkstoffwiderstand)

T100=T27J -18

T27J

6

Bruchmechanische Analyse

Bruchmechanisches Modell

Platte mit Oberflächenriß

σ σ2cd

ad

Längssteife

Ermittlung des Spannungsintensitätsfaktors:

K d  I  M Y aK  ⋅⋅⋅⋅= π  σ  

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Versagensarten

Fließ

 Bruttor 

 Lσ  

σ  =

 mat 

 I r 

K 

K K  =

Bruch plastischer Kollaps

Bewertung imFAD

8

Das Fehlerbewertungsdiagramm FAD

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,20

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

K r

L r

sprödes Versagen

duktiles Versagen

a ↑↑↑↑

sichererBereich

A

V

Aus dem FAD folgtr 

 I mat 

K 

K K  =

mat 

 I r 

K 

K K  =

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Temperaturverlauf der Bruchzähigkeit (Masterkurve)8 mm dicke Proben

0

50

100

150

200

250

300

-60 -40 -20 0 20 40 60T-T100 [K]

   K   J   I   [   M   P  a

  m   ]

10

-200

-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-160 -140 -120 -100 -80 -60

T27 J [°C]

   T   1   0   0

   [   °   C   ]

T100 = T27J -18

Festlegen der Übergangstemperatur T27J

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ANNEX C des Eurocode

Konstruktives Detail Eingangsgrößen:a) Spannungen (primär + sekundär)b) tiefste Einsatztemperaturc) Beanspruchungsgeschwindigkeitd) Blechdickee) hypothetischer Riß

Bewertung:a) bruchmechanisches Konzeptb) erforderliche Bruchzähigkeit

Ergebnis: Bruchzähigkeit T27J Stahlgüte

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T-T100

   K   J   C

Kr

Lr

unsicher

sicher

Zähigkeitsanforderungfür Versagen Kmat

Zähigkeitsanforderungals Temperaturdifferenzaus der Masterkurve

ZähigkeitsanforderungT27J aus einer Korrelation

T27 J

   T   1   0   0

T100 = T27J -18

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Beispielrechnung S 355 M (80 mm Platte)

K d  I  M Y aK  ⋅⋅⋅⋅= π  σ  

 MPa MPa f  y 5,2771005,0 =+⋅=σ  

mit

ad = 50 mm, Y = 0,8 und MK =1 wird:

m MPaK  I  886,31 / 18,0505,277 =⋅⋅⋅⋅= π  

σ σ

2cd

ad

14

Ermittlung der Werkstoffzähigkeit S355

TCd =T100+∆Tσ+∆Tε+∆Ta

Mit TEd =- 20°∆Tσ =+ 8°∆Tε = 0°∆Ta = -7°ergibt sichT100 =- 21°

T27J = T100+18 =-21+18=- 3°C

∆Tσ: Kmat Blechdicke∆Tε: Dehnrate

∆Ta: Sicherheitselement

T100 =TEd -∆Tσ-∆Tε-∆TaTCd<=TEd

T27J = T100+18 =-66+18=-48°C

38°C

-66°C

0

50

100

150

200

250

300

-60 -40 -20 0 20 40 60

T-T100 [K]

   K   J   I   [   M   P   a

   m

   ]

Normwerte Meßwerte

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Beispielrechnung S 460 M (80 mm Platte)

K d  I  M Y aK  ⋅⋅⋅⋅= π  σ  

 MPa MPa f  y 3301005,0 =+⋅=σ  

mit

ad = 50 mm, Y = 0,8 und MK =1 wird:

m MPaK  I  1056,31 / 18,050330 =⋅⋅⋅⋅= π  

σ σ

2cd

ad

16

Ermittlung der Werkstoffzähigkeit S460

TCd =T100+∆Tσ+∆Tε+∆Ta

Mit TEd =- 30°∆Tσ =+ 20°∆Tε = 0°∆Ta = -7°ergibt sichT100 =- 43°

T27J = T100+18 =-43+18=-25°C

0

50

100

150

200

250

300

-60 -40 -20 0 20 40 60

T-T100 [K]

   K   J   I   [   M   P   a

   m

   ]

∆Tσ: Kmat Blechdicke∆Tε: Dehnrate

∆Ta: Sicherheitselement

T100 =TEd -∆Tσ-∆Tε-∆TaTCd<=TEd

T27J = T100+18 =-88+18=-70°C

38°C

-88°C

Normwerte Meßwerte

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2.6.2 Sprödbruchsicherheitskonzept DASt 009

• Gleiches Grundkonzept wie Eurocode III

• Auswahl des Beanspruchungsniveaus

 – σEd = 0,25 fy +100 MPa

 – σEd = 0,50 fy +100 MPa

 – σEd = 0,75 fy +100 MPa

• Berücksichtigung der Eigenspannungen mitσE = 100 MPa

• Festlegen der tiefsten Einsatztemperatur

• Ableitung zulässiger Blechdicken f(Stahlgüte)

18

Zulässige Blechdicken und Einsatztemperaturen nachDASt 009

Stahlgüte 0°C -30°C -50°C

S235JR

S235J0S235J2

50 mm

70 mm100 mm

30 mm

40 mm60 mm

20 mm

30 mm40 mm

S355JRS355J0S355J2

35 mm50 mm70 mm

15 mm25 mm40 mm

10 mm15 mm25 mm

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Zulässige Blechdicken nach DASt 009 undZähigkeitsanforderungen S 355 M

Einsatztemperatur -30°

0

20

40

60

80

100

120

140

160

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40

T27J

   B   l  e  c   h   d   i  c   k  e

σEd = 0,75 fy(t) +100 MPa

EN 10113-3

20

Zulässige Blechdicken nach DASt 009 undZähigkeitsanforderungen S 355 M

EN 10113-3

Einsatztemperatur -30°

0

20

40

60

80

100120

140

160

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40

T27J

   B   l  e  c   h   d   i  c   k  e

σEd = 0,5 fy(t) +100 MPa

EN 10113-3

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Stahlgütewahl nach DASt 009 (alte Version)

maximale Blechdicke [mm]

Tmin statisch zyklisch / dynamisch

<-30° unzulässig unzulässig

U -30 16 5

15 20 12

R <-30° 20 12

-30° 30 20

RR universell universell

22

In welchen Normen und Regelwerken wird dieSprödbruchsicherheit bruchmechanisch bewertet ?

Stahlbau: Eurocode III , DASt 009

Druckbehälter : CENT/TC 54

Reaktordruckbehälter : KTA Regelwerk, ASME-Code

Gasfernleitungen: EPRG-Richtlinie,Anlehnung an PD6493

Offshoretechnik: firmeninterne Regeln

Schiffe: KlassifizierungsgesellschaftenRissauffangkonzept

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2.6.3 Vermeidung von Terrassenbrüchen DASt 014

Z = Za+Zb+Zc+Zd+Ze

Za = 0,3*aeff

Zb = f(Schweißnahtposition + -form)8 bis -25

Zc = 0,2*s

Zd = 0 (freie Schrumpfung)3 (mittlere Schrumpfbehinderung)5 (hohe Schrumpfbehinderung)

Ze = 0 (ohne Vorwärmen)-8 mit 100°Vorwärmen

11... 20: Z 1521... 30: Z 25>30 : Z 35Einschnürung in Dickenrichtung

aeff

s