Das Nennspannungskonzept auf globaler Ebene

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Parameter für Ermüdungsfestigkeitskurven
Parameter für Ermüdungsfestigkeitskurven

Das Nennspannungskonzept (NSK) ist das am häufigsten angewendete Verfahren zur Beurteilung der Ermüdungsfestigkeit für metallische Konstruktionen. Als kennzeichnende Größe von vorhandenen und ertragbaren Beanspruchungen wird dabei die Nennspannung des betrachteten Bauteils angenommen. Wenn dieses Bauteil signifikante Querschnittsänderungen aufweist, existieren Bereiche mit Spannungskonzentrationen aufgrund der geometrischen Änderungen. Trotzdem werden bei einer statischen Bemessung weiterhin die Nennspannungen basierend auf der Nettoquerschnittsfläche angesetzt, da im Grenzzustand der Tragfähigkeit die Spannungsspitzen gewöhnlich durch eine plastische Umlagerung abgebaut werden. Bei dynamischen Beanspruchungen ist dies jedoch nicht der Fall, weshalb die örtlichen Spannungsspitzen infolge von strukturellen Diskontinuitäten berücksichtigt werden müssen.

Beim Nennspannungskonzept (globales Konzept) werden diese Spannungsspitzen im Gegensatz zu den lokalen Konzepten nicht rechnerisch, sondern auf der Widerstandsseite des zu beurteilenden Kerbdetails erfasst. Deshalb werden für die Anwendung des Nennspannungskonzepts Bauteil-WÖHLER-Linien benötigt, die auf der Grundlage von Experimenten basieren. Diese sind zu Ehren von WÖHLER benannt, weil er die ersten systematischen experimentellen Untersuchungen unter zyklischer Belastung in den Jahren um 1860 durchgeführt hat.

Beim WÖHLER-Versuch werden auf verschiedenen Spannungshorizonten mit einstufiger Nennspannungsschwingbreite ??N und vorgegebenem Beanspruchungsverhältnis (?m = konst. oder R = konst.) mehrere Schwingversuche durchgeführt und die Schwingspielzahl N bis zum definierten Versagen ermittelt. Da die Versuchsergebnisse sehr großen Streuungen unterliegen, wird bei der Auswertung angenommen, dass die Logarithmen der Versuchsergebnisse (?sN und N) durch eine Gaußsche Normalverteilung erfasst werden können. In der Regel wird eine Überlebenswahrscheinlichkeit PÜ von 95% festgelegt, die bezüglich der Auswertung der Versuchsergebnisse an eine bestimmte Vertrauenswahrscheinlichkeit gebunden ist.

Im Allgemeinen wird das Wöhler-Diagramm in folgende drei Bereiche unterteilt:

  • Kurzzeitfestigkeit (Low Cycle Fatigue, LCF):         Bereich für N < 104
  • Zeitfestigkeit:                                                        Bereich zw.  N = 104 bis 107
  • Dauerfestigkeit (High Cycle Fatigue, HCF):           Bereich für N > 107

Die SKI Ingenieurgesellschaft besitzt Möglichkeiten, um Schweißverbindungen und Schraubenverbindungen bis in den Giga-Cycle-Fatigue Bereich (GCF) zu testen, d.h. bis zu 109 Schwingspielen mit konstanter oder variabler Amplitude.