Einschränkungen für die Ermüdungsanalyse nach der Hot-Spot-Spannungsmethode (HSS)

Obwohl die Software eine lokale Netzverfeinerung und Spannungsvisualisierung ermöglicht, die oberflächlich einer Hot-Spot-Bewertung ähneln kann, erfüllt die zugrunde liegende CBFEM-Formulierung nicht die methodischen Anforderungen des Strukturspannungsansatzes. 

Designphilosophie von CBFEM und ihre Auswirkungen

Die in IDEA StatiCa implementierte Component-Based Finite Element Method (CBFEM) wurde für einen bestimmten Zweck entwickelt: plastische GZT-Nachweise von Verbindungen gemäß EN 1993-1-8. Die folgenden Modellierungsentscheidungen spiegeln diesen Anwendungsbereich wider:

Jede dieser Entscheidungen ist für den GZT-Nachweis auf Bauteilebene geeignet, jedoch unvereinbar mit der Strukturspannungsmethodik, die voraussetzt, dass die geometrische Spannungskonzentration an der Schweißnahtzehe explizit durch das FE-Modell erfasst wird.

Methodische Anforderungen des Hot-Spot-Spannungsansatzes

Zur Orientierung: EN 1993-1-9 Anhang B und die IIW-Empfehlungen fordern:

• Netzgröße von t × t an der Hot-Spot-Position, mit geeigneter Verfeinerung innerhalb der Extrapolationszone.
• Oberflächenspannungsermittlung an den Referenzpunkten 0,4·t und 1,0·t von der Schweißnahtzehe (für Hot-Spots vom Typ „a").
• Eine geometrisch definierte Schweißnahtzehe — entweder explizit mit Nahtdicke und Zehe modelliert oder an der theoretischen Zehenposition auf der Oberfläche des Grundwerkstoffs verortet.
• Lineare (oder quadratische) Extrapolation der Hauptspannung, die innerhalb von ±60° zur Normalen der Schweißnahtzehe ausgerichtet ist.

Keine dieser Bedingungen wird durch das IDEA StatiCa Connection-Modell von Grund auf erfüllt.

Was in IDEA StatiCa teilweise möglich ist

Im Interesse der Transparenz sind die folgenden Operationen technisch möglich, obwohl sie keinen normkonformen HSS-Nachweis darstellen:

Lokale Netzverfeinerung

• Die Elementgröße einzelner Bleche kann über Netzeinstellungen → Elementgröße gesteuert werden.
• Eine Verfeinerung bis auf ~2–4 mm in kritischen Bereichen ist erreichbar.
• Bei einer repräsentativen Blechdicke von t = 15–25 mm bleibt dies hinter der für eine zuverlässige Extrapolation erforderlichen Auflösung von vier bis sechs Elementen zurück.

Spannungsvisualisierung

• Die Vergleichsspannung (σ_eq, von Mises) ist auf der Blechoberfläche verfügbar.
• Spannungswerte an ungefähren Positionen entsprechend 0,4·t und 1,0·t können manuell mit dem Cursor oder dem Schnitt-Werkzeug abgelesen werden.
• Von Mises ist jedoch nicht das korrekte Spannungsmaß für die HSS-Extrapolation; erforderlich ist die Hauptspannungskomponente senkrecht zur Schweißnahtzehe.

Was nicht funktioniert

• Schweißnahtgeometrie: Schweißnähte werden als MPC-Randbedingungen mit Kraft-/Spannungsermittlung an einer virtuellen Nahtdicke dargestellt. Das Blech endet an der Verbindungsfläche, sodass keine Schweißnahtzehe vorhanden ist, zu der hin extrapoliert werden könnte.
• Knotenplatzierung an Extrapolationspunkten: Der Netzgenerator erlaubt keine explizite Knotenplatzierung bei 0,4·t und 1,0·t. Spannungen werden an Integrationspunkten ermittelt und auf Knoten extrapoliert, deren Positionen vom Netzgenerator vorgegeben werden.
• Nachbearbeitung: Es gibt keine integrierte lineare/quadratische Extrapolationsfunktion, keine Prüfung der Hauptspannungsausrichtung relativ zur Schweißnahtzehe und kein Ermüdungsausgabemodul für den Strukturspannungs- oder Kerbspannungsansatz.

Erläuterung zur nicht-physischen Schweißnahtdarstellung

Es ist wichtig, dass Anwender verstehen, dass die Stumpfnahtoption in IDEA StatiCa eine nicht-physische Modellierungsabstraktion ist. Die verbundenen Bleche sind über Zwangsbedingungsgleichungen entlang ihrer Mittellinien gekoppelt, und die Schweißnaht selbst hat keine diskrete geometrische Darstellung im FE-Netz. Ohne eine physisch modellierte Schweißnahtzehe — und ohne Verifikation anhand eines verfeinerten Voll- oder Schalensubmodells — kann keine definitive Aussage über die Gültigkeit eines aus diesem Modell entnommenen HSS-Wertes gemacht werden.

Empfohlener Arbeitsablauf für ermüdungskritische Verbindungen

IDEA StatiCa Connection führt GZT-Bemessungsnachweise gemäß EN 1993-1-8 durch. Ermüdung ist keine Standardausgabe. Für durch Ermüdung maßgebende Verbindungen wird folgender Arbeitsablauf empfohlen:

1. IDEA StatiCa Connection verwenden, um:

• Die GZT-Tragfähigkeit der Verbindung nachzuweisen.
• Schnittgrößen und Nennspannungszustände an den relevanten Blechen und Schweißnähten weit entfernt vom Diskontinuitätsbereich zu extrahieren. 

1. Den Ermüdungsnachweis extern durchführen unter Verwendung von:

• Dem Nennspannungsansatz gemäß EN 1993-1-9 mit der entsprechenden Kerbfallklasse, sofern die Geometrie einem tabellierten Detail entspricht. 

1. Für nicht standardmäßige Details oder wenn der Nennspannungsansatz nicht anwendbar ist (komplexe Geometrie, Anschlüsse ohne tabellierte Kerbfallklasse, sehr dicke Bleche):

• Ein dediziertes FEA-Programm (z. B. Abaqus oder ANSYS) verwenden, um ein Schalen- oder Vollkörper-Submodell zu erstellen, das die IIW-Anforderungen an Netz und Schweißnahtmodellierung erfüllt.
• Den Strukturspannungs-(Hot-Spot-)Ansatz oder den effektiven Kerbspannungsansatz je nach Eignung anwenden.
• Das Submodell über äquivalente Randkräfte oder aufgezwungene Verschiebungen an die IDEA-Ergebnisse koppeln.

Für ermüdungskritische oder nicht standardmäßige Details sollte der Ermüdungsnachweis extern durchgeführt werden, entweder mit dem Nennspannungsansatz oder einem dedizierten FE-Submodell, das für die Strukturspannungs-/Kerbspannungsmethodik erstellt wurde.