Herleitung einer Master-Kerbspannungswöhlerlinie fur freie Korrosion unter Berücksichtigung des Kerb- und Versprödungseffekts

Abstract

Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) können einen entscheidenden Beitrag zur ressourcenschonenden Energiegewinnung leisten. Offshore-Stahlstrukturen sind jedoch nicht nur den harschen Umweltbedingungen, sondern auch den dynamischen Lasten aus Wind, Wellen und dem Betrieb der Anlage ausgesetzt. Die bemessungsrelevante Einwirkung ist daher in der Regel die Korrosionsermüdung. Die kritischsten Bereiche stellen die Schweißnähte dar, da die vorhandenen Kerben zu lokalen Spannungskonzentrationen führen. Für eine kosteneffiziente Nutzung der Stahlstrukturen können lokale Konzepte zur Berechnung der Ermüdungsfestigkeit der Schweißnähte herangezogen werden. Besonders verbreitet ist das Kerbspannungskonzept, dieses ist jedoch eigenständig nur für die Umgebungsbedingung Luft hergeleitet. Für künstliches Seewasser erfolgt die Berücksichtigung des korrosiven Einflusses bislang über einen pauschalen Umweltreduktionsfaktor von 3. Dieser Faktor wurde auf der Basis des Nennspannungskonzeptes errechnet und auf das Kerbspannungskonzept übertragen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Kerbspannungs-Wöhlerlinie für künstliches Seewasser hergeleitet. Hierzu wurden zunächst Literaturdaten aus Korrosionsermüdungsversuchen an geschweißten Stahlverbindungen gesammelt, aufbereitet und in einer Datenbank dokumentiert. Die zugehörigen Schweißnahtgeometrien wurden anschließend auf Basis der verfügbaren Informationen numerisch modelliert. Die Schweißnähte wurden dabei im Rahmen der deterministischen Analyse mit einem fiktiven Radius von 0,05 mm und 1 mm abgebildet. Die Bewertung der Ermüdungsfestigkeit erfolgte mithilfe des Kerbspannungskonzepts und der Theorie der kritischen Distanzen (TCD) sowie des R1-Konzepts nach Radaj. Zusätzlich wurden die Unsicherheiten der Schweißnahtgeometrien im Rahmen der probabilistischen Analyse berücksichtigt. Mithilfe der deterministischen Analyse unter Anwendung der R1-Methode nach Radaj zeigt sich eine gute Übereinstimmung mit der vorgeschlagenen Wöhlerlinie FAT 225. Die Reduktion der Festigkeitsklasse unter der Umgebungsbedingung künstliches Seewasser liegt nur zwischen 1,44 und 1,52 und damit deutlich unter dem vorgeschlagenen Wert. Die Streuung der Daten ist unter der Umgebungsbedingung freie Korrosion geringer als an Luft. Die Ergebnisse der probabilistischen Analyse zeigen, dass sich die kritische Länge, bei der das Streuungsminimum auftritt, infolge des Vorhandenseins eines korrosiven Mediums verringert. Die vorliegende Arbeit liefert damit eine kritische Analyse der aktuellen normativen Berücksichtigung korrosiver Einflüsse im Kerbspannungskonzept und zeigt mögliche Ansatzpunkte für dessen Weiterentwicklung auf.