ULCF geschweißter Verbindungen unter variablen multi-axialen Dehnungen

Das Phänomen der Ultrakurzzeitermüdung (Engl.: Ultra Low Cycle Fatigue - ULCF) geschweißter Verbindungen unter multi-axialer Dehnungen variabler Amplitude ist komplex und nicht vollständig wissenschaftlich erfasst. Dieses Phänomen ist besonders bedeutend bei sicherheits- und umweltrelevanten Strukturen (Erdöltanks,. Mastkonstruktionen für Windkraftanlagen, Öl- und Gasleitungen, Druckbehälter), die außergewöhnlichen Lastszenarien - wie Erdbeben und extremen Windböen - ausgesetzt sind. Im Falle oberirdischer Tankbauwerke können starke Erdbeben ein Abheben des (unverankerten) Behältermantels vom Untergrund verursachen. Dieses Verhalten führt zur Entwicklung großer plastischer Dehnungen im Bereich der Verbindung zwischen Bodenblech und Behälterwand, wobei diese Dehnungen mit sehr variabler und stochastisch verteilter Amplitude erfolgen. Durch ULCF verursachte Rissausbildung und Bruch wurde weiters bei zylindrischen Bauteilen wie Pipelines, Mastkonstruktionen und kreisrunden Brückenpfeilern beobachtet. Es liegt sehr wenig Information bezüglich der ULCF Antwort geschweißter Komponenten unter multi-axialer Beanspruchung vor. Bestätigtes, konsolidiertes Wissen und neue ingenieurmäßige Bemessungsmodelle würden eine Steigerung der Sicherheit der erwähnten Strukturen unter außergewöhnlichen Lastszenarien verursachen, welche hohe zyklische und multi-axiale Dehnungsausschläge hervorrufen. Zielsetzung Die Zielsetzung des beantragten Projekts kann wie folgt aufgelistet werden: Entwicklung eines tieferen Verständnisses des ULCF-Verhaltens geschweißter Verbindungen unter multi- axialer Beanspruchung. Untersuchung der realistischen zeitlichen Deformationsentwicklung in typischen, sicherheitsrelevanten geschweißten Verbindungen unter seismischen und anderen außergewöhnlichen Lastszenarien, die zu ULCF führen können. Entwicklung einer Ingenieurmodells, welches die Rissinitiierung und Ausbreitung in geschweißten Verbindungen bei ULCF abbilden kann, mit einem Fokus auf konventionellen sowie hochfesten Stahlgüten. Entwicklung eines Schadensindexes und -kriteriums für das ULCF Versagen geschweißter Verbindungen. Anwendung des Schadenskriteriums zur Vorhersage der ULCF-Tragfähigkeit von Komponenten unter kombinierter Schub- und Normaldehnungen. Anwendung der Infrarot-Thermographie zur detaillierten Untersuchung der Ausbreitung plastischer Dehnungen in geschweißten Verbindungen unter ULCF-Bedingungen. Vorgeschlagenes Forschungsvorhaben Die geplante Forschung besteht aus experimentellen und numerischen Untersuchungen des ULCF (d.h. 10 oder weniger Lastwechsel) Verhaltens zweier verschiedener geschweißter Bauteilkonfigurationen, welche multi-axialen Dehnungen ausgesetzt werden. Die Versuche werden unter konstanter sowie variabler Dehnungs-Zeitabläufen durchgeführt. Die erste Versuchskonfiguration, eine geschweißte T-Verbindung zwischen Wand- und Bodenblech in Behältern, wird in verschiedenen Dicken und Stahlgüten untersucht, um den Einfluss von mittleren Dehnungen, Blechdicke und Stahlgüte auf die ULCF-beanspruchbarkeit festzustellen. Die zweite Konfiguration, eine Verbindung zwischen Rohr und Blech, wird zur Untersuchung des Verhaltens unter kombinierten Schub- und Normaldehnungen herangezogen, sowie wiederum der Stahlgüte. Diese Konfigurationen werden unterschiedlichen multi-axialen Dehnungssequenzen ausgesetzt. Insgesamt werden über 150 Versuche für die beiden Konfigurationen durchgeführt, wodurch eine Datenbank zur Validierung von Ingenieurmodellen zur Schadensentwicklung bei ULCF entstehen wird. Unterschiedliche lokale Kontinuums-basierte Hohlraumentwicklungs- sowie Schadensausbreitungsmodelle werden angewandt und verglichen. Detaillierte nicht- lineare Finite-Elemente Untersuchungen (FEA) auf Struktur- und Konstruktionsdetailebene werden angewandt. Die Lage, Entwicklung und Ausbreitung plastischer Zonen während der Rissentwicklung und Rissausbreitung wird mittels thermographischer Infrarot-basierter (IR) Bildgebungsverfahren untersucht und mit den detaillierten numerischen Berechnungen verglichen.

Das Phänomen der Ultrakurzzeitermüdung (Engl.: Ultra Low Cycle Fatigue - ULCF) geschweißter Verbindungen unter multi-axialer Dehnungen variabler Amplitude ist komplex und nicht vollständig wissenschaftlich erfasst. Dieses Phänomen ist besonders bedeutend bei sicherheits- und umweltrelevanten Strukturen (Erdöltanks, Mastkonstruktionen für Windkraftanlagen, Öl- und Gasleitungen, Druckbehälter), die außergewöhnlichen Lastszenarien - wie Erdbeben und extremen Windböen - ausgesetzt sind. Im Falle oberirdischer Tankbauwerke können starke Erdbeben ein Abheben des (unverankerten) Behältermantels vom Untergrund verursachen. Dieses Verhalten führt zur Entwicklung großer plastischer Dehnungen im Bereich der Verbindung zwischen Bodenblech und Behälterwand, wobei diese Dehnungen mit sehr variabler und stochastisch verteilter Amplitude erfolgen. In diesem Forschungsvorhaben wurden Verzerrungsverläufe an kritischen, geschweißten Konstruktionsdetails in großen, oberirdischen Flüssigkeitsbehältern mit Hilfe realistischer, spezifischer numerischer Berechnungsmodelle abgeleitet. Dabei konnten verschiedene Modellierungsstrategien zur Abbildung des komplexen Verhaltens des Flüssigkeitsbehälters im Erdbebenfall miteinander verglichen und erweitert werden. Die dabei entwickelten Dehnungsverläufe wurden den Ergebnissen von Bauteilversuchen an multiaxial beanspruchten Schweißnahtdetails verglichen. Die daraus entwickelten Erkenntnisse führen zu einem besseren Verständnis der ingenieurmäßigen Auslegung sicherheitsrelevanter Behälter im Falle großer Erdbebenereignisse.