Ermüdung von Stahl durch zyklische Belastung

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Ermüdung – Bildung und Ausbreitung von Rissen im Material aufgrund zyklischer Belastungen, ist eine der gefährlichsten Arten von Stahlversagen. Hierbei handelt es sich um einen Versagenstyp, wenn ein Material wiederholten Spannungs- oder Dehnungszyklen ausgesetzt ist und sogar bei einer geringeren Belastung als der Materialstreckgrenze auftritt.


Einige Fakten über Ermüdung

  • Der erste veröffentlichte Artikel über Ermüdung stammt aus dem Jahr 1837
  • Ermüdung führt zu irreversible Schäden; das Material kann sich nicht erholen
  • Stahl hat eine theoretische Ermüdungsgrenze; Dauerbelastung unterhalb dieser Grenze führt nicht zum Versagen durch Ermüdung
  • Hauptsächlich verursachen Zugspannungen die Ermüdung, aber auch Druckbelastungen können die Ursache sein
  • Ein umfangreicher Spannungsbereich führt zu einer kürzeren Lebensdauer der Struktur
  • Temperatur, Oberflächenrauheit, Eigenspannung und andere Faktoren beeinflussen die Ermüdungslebensdauer

Phasen der Ermüdung

Grundsätzlich unterscheiden wir drei Phasen:

  • Phase eins – Entstehung von Rissen

Um spannungskonzentrierende geometrische Formationen wie Kanten beginnen sich Mikrorisse zu bilden. Wenn die Breite eines Bruchs 10 µm überschreitet, können wir von einem Riss sprechen.

  • Phase zwei – Zunahme von Rissen

Die Risszunahme hängt vom Bereich der zyklischen Belastung, der mittleren Beanspruchung, aber auch von Über- und Unterlasten ab. Das Risswachstum kann sogar stoppen, wenn die Lasten unter einem bestimmten Schwellenwert liegen.

  • Phase drei – Ausbreitung von Rissen

Rissausbreitung tritt auf, wenn die Mikrorisse, und die damit verbundenen Spannungen, eine bestimmte Größe erreichen. Überschreitet die Spannung diesen Wert, der als Bruchzähigkeit bezeichnet wird (eine quantitative Möglichkeit, die Tragfähigkeit eines Materials gegen Sprödbruch auszudrücken, wenn ein Riss vorhanden ist), tritt der nicht nachhaltige Bruch auf.  

Wie verhindert man Risse?

Ermüdung kann mit geeigneten technischen Überlegungen verringert oder vollständig vermieden werden. Für Stahlkonstruktionen gibt es zwei Hauptmöglichkeiten, um Ermüdungsfehler zu vermeiden. 

1. Spannung unter der Ermüdungsschwelle halten (Konzept der unendlichen Lebensdauer)

Die Ermüdungslebensdauer Nf ist die Anzahl der Spannungszyklen eines bestimmten Eigenschaften, die eine Struktur aufrechterhält, bevor ein Versagen auftritt. Für Stahl gibt es einen theoretischen Wert für die Spannungsamplitude, unterhalb dessen das Material für eine beliebige Anzahl von Zyklen nicht versagt. Dieser Wert wird als Ermüdungsgrenze oder Ausdauergrenze bezeichnet.

Von AndrewDressel im englischen Wikipedia,
CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6319461

2. Ausführen einer Software-Ermüdungsanalyse für Strukturbemessungen

Die Softwareanalyse könnte Bereiche entdecken, in denen Ermüdung ein Problem darstellt. Es kann dabei helfen, die Struktur neu zu bemessen, z.B. den Fokus auf bestimmte Bereiche der Belastungen zu legen, Abmessungen und Positionen von Löchern zu ändern, usw. 

Unsere Lösung

Der erste Schritt dieser umfangreichen Aufgabe wurde in der IDEA StatiCa V21 durchgeführt. Lesen Sie diesen Artikel, in dem die Analyse nach EN 1993-1-9 beschrieben wird.

Die Analyse finden Sie neben den anderen Typen unter dem oberen Programmbereich.

Die Berechnungsart dient zur Ermittlung des Normal- und Schubspannungsbereichs zwischen zwei Lastfällen. Die Spannungen entsprechen den Nennspannungen und müssen mit Bemessungsmethoden der Norm weiter untersucht werden. Es wird angenommen, dass es für die Bemessung von Ermüdungsdetails mit hoher Zyklenzahl verwendet wird, bei denen kein Fließen erwartet wird.

Der Analysetyp Ermüdung liefert keine endgültigen Tragfähigkeit oder die Anzahl der Zyklen, die das Detail aufnehmen kann. Es stellt nur Eingaben für weitere Berechnungen gemäß den Normen bereit.

Die Nennspannung kann berechnet werden für:

  • Schrauben – unter Zug und Schub
  • Schweißnähte – automatisch erzeugt in einem Plattenabschnitt neben der Schweißnaht
  • Platten – in benutzerdefiniertem Bereich

Die Nennspannung wird ermittelt, indem die Spannungen des Bezuglastfalls von einem anderen Lastfall abgezogen werden.

Um einen genaueren Einblick in diese Art der Analyse zu erhalten, besuchen Sie unser Support Zentrum:

Theoretischer Hintergrund: Analysetyp Ermüdung

Ermüdungsanalyse  – Stumpfnähte bei I-Profilen

Diese Art der Analyse steht unseren Nutzern sowohl in Expert- als auch in der Enhanced Version zur Verfügung.