Was ist eine Nennspannung?

Die Spannung, die sich aus den Schnittgrößen und den Querschnittswerten des Bauteils ergibt — also aus N/A und M/W —, ohne jede lokale Spannungserhöhung durch die Naht selbst oder durch die Kerbwirkung des Details. Strukturelle Effekte wie eine außermittige Krafteinleitung gehören dagegen in die Nennspannung hinein, wenn sie nicht schon in der Kerbfallklasse enthalten sind.

Darf ich die Spannung aus meinem FE-Modell als Nennspannung verwenden?

Nur, wenn das Modell die Kerbe an der Naht gar nicht abbildet — also bei einem hinreichend groben Schalen- oder Balkenmodell. Liest man den Wert dagegen aus einem fein vernetzten Volumenmodell direkt am Nahtübergang ab, enthält er bereits die Kerbwirkung. Zusammen mit der FAT-Klasse, die dieselbe Kerbwirkung ein zweites Mal berücksichtigt, wird der Nachweis dann unnötig konservativ und im Ergebnis falsch begründet.

Was passiert, wenn mein Detail nicht im Kerbfallkatalog steht?

Dann ist das Nennspannungskonzept nicht anwendbar, weil die Zuordnung einer FAT-Klasse fehlt. In diesem Fall führt der Weg über das Strukturspannungskonzept oder das Kerbspannungskonzept.

Sind FAT-Klassen zwischen den Konzepten austauschbar?

Nein. Die Kerbfallklassen sind konzeptspezifisch. Eine FAT-Klasse aus dem Nennspannungskatalog auf eine Strukturspannung anzuwenden — oder umgekehrt — führt systematisch zu falschen Ergebnissen, weil beide Größen unterschiedlich viel Kerbwirkung bereits enthalten.

Nennspannungskonzept: Kerbfälle EN 1993-1-9

Was das Nennspannungskonzept leistet

Beim Nennspannungskonzept wird die Beanspruchung aus den Schnittgrößen und den Querschnittswerten ermittelt — also aus Normalkraft geteilt durch Fläche und Biegemoment geteilt durch Widerstandsmoment. Die gesamte Kerbwirkung der Schweißverbindung steckt nicht in dieser Spannung, sondern in der Kerbfallklasse, die dem Konstruktionsdetail zugeordnet wird.

Das ist die eigentliche Idee des Verfahrens: Man trennt die globale Beanspruchung, die man einfach rechnen kann, von der lokalen Kerbwirkung, die man schwer rechnen, aber gut katalogisieren kann. Die Kataloge stammen aus jahrzehntelangen Schwingversuchen an realen Details.

Kerbfallklassen: was die FAT-Zahl bedeutet

Eine Kerbfallklasse — auch Detailkategorie oder FAT-Klasse — bezeichnet die ertragbare Spannungsschwingbreite Δσ_C bei zwei Millionen Lastspielen, angegeben in N/mm². FAT 80 heißt also: Dieses Detail erträgt bei 2·10⁶ Lastspielen eine Schwingbreite von 80 N/mm². EN 1993-1-9 führt die Detailkategorien in Tabellen nach Bauteilgruppen: ungeschweißte Bauteile, geschweißte Längsnähte, Quernähte, Anschlüsse mit Steifen und Blechen und so weiter.

Die Zuordnung ist der eigentliche Fachschritt. Sie hängt nicht nur an der Nahtform, sondern an der Geometrie des ganzen Details, an der Beanspruchungsrichtung, an der Nahtgüte und teils an der Blechdicke — für dickere Bleche ist eine Abminderung über den Dickenbeiwert vorgesehen.

Der häufigste Fehler: die falsche Spannung eingesetzt

In der Praxis liegt der Fehler selten in der Wöhlerlinie, sondern in der Frage, welche Spannung überhaupt eingesetzt wird. Wer ein fein vernetztes Volumenmodell aufbaut und die Spannung direkt am Nahtübergang abliest, hat dort keine Nennspannung, sondern eine lokal überhöhte Spannung — die Kerbe ist im Modell ja abgebildet.

Setzt man diesen Wert dann gegen eine FAT-Klasse aus dem Nennspannungskatalog, wird dieselbe Kerbwirkung zweimal erfasst: einmal im Modell, einmal in der Katalogzahl. Das Ergebnis ist nicht nur unnötig konservativ, es ist auch nicht mehr durch die Norm gedeckt, weil der Nachweisweg nicht mehr dem entspricht, für den die Klassen ermittelt wurden.

Die Regel dahinter ist einfach: Das Modell, aus dem die Spannung stammt, muss zum Konzept passen. Für Nennspannungen ist das ein Balken- oder Schalenmodell, das die Naht nicht auflöst.

Wann das Konzept an seine Grenze kommt

Das Nennspannungskonzept setzt zwei Dinge voraus: Es muss eine sinnvoll definierbare Nennspannung geben, und das Detail muss im Katalog stehen. Beides fällt weg, sobald die Geometrie unregelmäßig wird — bei komplexen Knotenblechen, bei Rohrverbindungen mit veränderlichem Anschlusswinkel oder bei Details, die schlicht nicht katalogisiert sind.

Dann führt der Weg über das Strukturspannungskonzept, das die strukturelle Kerbwirkung aus dem Modell zieht, oder über das Kerbspannungskonzept, das auch die Nahtkerbe selbst modelliert. Eine Gegenüberstellung der drei Wege finden Sie in der Übersicht der Spannungskonzepte.

Nennspannung im statischen Nachweis

Für den statischen Nachweis der Kehlnaht nach EN 1993-1-8 gilt dasselbe Prinzip: Die Spannungskomponenten σ⊥, τ⊥ und τ∥ werden auf die wirksame Nahtfläche bezogen, nicht auf eine lokal überhöhte Stelle. Wie man sie aus Kraft und Nahtgeometrie ableitet, zeigt die Seite Kehlnaht berechnen.

Häufige Fragen

Was ist eine Nennspannung?: Die Spannung, die sich aus den Schnittgrößen und den Querschnittswerten des Bauteils ergibt — also aus N/A und M/W —, ohne jede lokale Spannungserhöhung durch die Naht selbst oder durch die Kerbwirkung des Details. Strukturelle Effekte wie eine außermittige Krafteinleitung gehören dagegen in die Nennspannung hinein, wenn sie nicht schon in der Kerbfallklasse enthalten sind.
Darf ich die Spannung aus meinem FE-Modell als Nennspannung verwenden?: Nur, wenn das Modell die Kerbe an der Naht gar nicht abbildet — also bei einem hinreichend groben Schalen- oder Balkenmodell. Liest man den Wert dagegen aus einem fein vernetzten Volumenmodell direkt am Nahtübergang ab, enthält er bereits die Kerbwirkung. Zusammen mit der FAT-Klasse, die dieselbe Kerbwirkung ein zweites Mal berücksichtigt, wird der Nachweis dann unnötig konservativ und im Ergebnis falsch begründet.
Was passiert, wenn mein Detail nicht im Kerbfallkatalog steht?: Dann ist das Nennspannungskonzept nicht anwendbar, weil die Zuordnung einer FAT-Klasse fehlt. In diesem Fall führt der Weg über das Strukturspannungskonzept oder das Kerbspannungskonzept.
Sind FAT-Klassen zwischen den Konzepten austauschbar?: Nein. Die Kerbfallklassen sind konzeptspezifisch. Eine FAT-Klasse aus dem Nennspannungskatalog auf eine Strukturspannung anzuwenden — oder umgekehrt — führt systematisch zu falschen Ergebnissen, weil beide Größen unterschiedlich viel Kerbwirkung bereits enthalten.