Autor: Olaf Doerk

1 Einleitung Schiffe und meerestechnische Konstruktionen werden heutzutage nahezu ausschließlich in Form von geschweißten Konstruktionen gefertigt. Als Werkstoff kommt dabei überwiegend Stahl zum Einsatz. Unter dem Einfluss des internationalen Wettbewerbes werden möglichst fertigungsgünstige Konstruktionen angestrebt, was im Allgemeinen zu hohen Auslastungsgraden führt. Neben statischen Belastungen treten gerade bei Schiffen und meerestechnischen Konstruktionen große zyklische Beanspruchungen auf, die maßgeblich durch den Seegang und unterschiedliche Beladungszustände hervorgerufen werden. Der Nachweis einer ausreichenden Betriebsfestigkeit der Konstruktion spielt dabei eine entscheidende Rolle und gewinnt mit höheren Auslastungsgraden und fertigungsgünstigeren Konstruktionsdetails bzw. Verbindungsformen einhergehend immer mehr an Bedeutung. Dies spiegelt sich in den Regelwerken Z.B. DNV (2003) und Germanischer Lloyd (2002) wider, in denen für Konstruktionsdetails in ermüdungskritischen Bereichen Betriebsfestigkeitsnachweise gefordert werden. Die Betriebsfestigkeitsnachweise basieren vornehmlich auf dem Nennspannungskonzept und dem Strukturspannungskonzept (Hot-Spot-Konzept), das insbesondere bei komplexen Verhältnissen oder für detailliertere Untersuchungen herangezogen wird. Um die Fertigungskosten zu minimieren, werden die Schweißverbindungen wenn immer es möglich ist als Kehlnahtverbindungen ausgeflihrt. In typischen Schiffskonstruktion bestehen beispielsweise über 90 % der Kreuz- bzw. T-Stoßverbindungen aus Kehlnahtverbindungen. Bei dieser Verbindungsform entfällt eine aufwendige Nahtvorbereitung und im Allgemeinen wird weniger Schweißgut als bei einer entsprechenden durchgeschweißten Verbindung benötigt. Nicht durchgeschweißte Kreuzstöße (Doppel- T-Stöße) ergeben sich hieraus als nicht zu vermeidende Konstruktionsdetails. Im Gegensatz zu durchgeschweißten Verbindungen weisen Kehlnahtverbindungen unter zyklischer Beanspruchung zwei grundsätzlich verschiedene anrisskritische Stellen, mit entsprechend unterschiedlichen Versagensformen auf. Es können sowohl von den Nahtübergängen (Einbrandkerben) als auch vom unverschweißten Wurzelspalt ausgehende Ermüdungsrisse auftreten. Welche der genannten Stellen anrisskritisch ist, hängt von den jeweiligen Geometrieparametern wie Z.B. Nahtdicke, Plattendicke und Einbrand sowie von der Belastungsart ab. Gegenüber Rissen an Nahtübergängen weisen vom unverschweißten Wurzelspalt ausgehende Risse im Allgemeinen ein schlechtes Betriebsfestigkeitsverhalten auf. Diese Versagensform tritt insbesondere bei axial belasteten Kreuzstößen auf und ist im einschlägigen Regelwerk entsprechend scharf bewertet. Die Tatsache, dass vom unverschweißten Wurzelspalt ausgehende Ermüdungsrisse erst detektiert werden können nachdem sie die Nahtoberfläche erreicht haben, ist aus praktischer Sicht besonders negativ zu bewerten. In Abhängigkeit der betreffenden Konstruktion bzw. des betreffenden Konstruktionsdetails und der Belastungsart kann die Restlebensdauer zu diesem Zeitpunkt nur noch sehr gering sein. Die Frage, welchen Anteil vom unverschweißten Wurzel spalt ausgehende Ermüdungsrisse an den insgesamt bei Kehlnahtverbindungen festgestellten Ermüdungsrissen haben, kann nicht abgesichert beantwortet werden. Es ist jedoch davon auszugehen, dass viele vom unverschweißten Wurzelspalt ausgehende Risse in der Praxis nicht als solche erkannt werden und dementsprechend die Gefahr bzw. die Häufigkeit eines derartigen Versagens unterschätzt wird. Derzeit beschränkt sich die Betriebsfestigkeitsbewertung von Ermüdungsrissen, die von unverschweißten Wurzelspalten ausgehen, auf Fälle, in denen in Nahtlängsrichtung konstante Verhältnisse hinsichtlich der Geometrie und der Beanspruchung vorliegen. Kreuzstöße werden dabei als zweidimensionales Problem behandelt. Dies gilt bislang sowohl für die im Regelwerk implementierten Bewertungsverfahren als auch für die Forschung auf dem Gebiet der Betriebsfestigkeit. In der Praxis treten häufig Fälle auf, die umschweißte Enden oder Spannungskonzentrationen in Nahtlängsrichtung bzw. eine Kombination von beiden aufweisen. In Abb. 1.2 sind exemplarisch, durch schwarze Kästchen gekennzeichnet, die zahlreichen anrisskritischen Stellen an den Schweißverbindungen einer Spantdurchführung dargestellt. Wie ersichtlich befinden sich diese Stellen vornehmlich an um schweißten Steifen- bzw. Knieblechenden und stehen unter dem Einfluss von Spannungskonzentrationen. In diesem Zusammenhang sind die Arbeiten von Paetzold et al. (2001) und von Kim et al. (2001) zu nennen, in denen von unerwarteten, vom unverschweißten Wurzelspalt ausgehenden Rissen an umschweißten Knieblech- bzw. Steifenenden berichtet wird. Eine abgesicherte Bewertung des Betriebsfestigkeitsverhaltens derartiger Fälle ist zur Zeit nicht möglich. An dieser Stelle setzt die vorliegende Arbeit an, wobei sich diese auch auf geschweißte Konstruktionen des allgemeinen Stahlbaus bezieht, was den fachübergreifenden Charakter der Arbeit unterstreicht.