Strukturspannungskonzept (Hot-Spot) für Schweißnähte: Extrapolation, Vernetzung, FAT-Klassen

Wozu das Konzept gebraucht wird

Das Nennspannungskonzept funktioniert nur, solange das Detail im Katalog steht. Sobald die Geometrie davon abweicht — ein Knotenblech mit ungewöhnlichem Zuschnitt, ein Anschluss mit veränderlicher Steifigkeit, eine Rohrverbindung mit variablem Winkel —, gibt es keine passende Kerbfallklasse mehr.

Das Strukturspannungskonzept löst das, indem es die strukturelle Kerbwirkung nicht mehr aus einer Tabelle nimmt, sondern aus dem Modell zieht. Was das Modell weiterhin nicht abbilden muss, ist die Naht selbst: Deren lokale Kerbwirkung steckt in der FAT-Klasse, gegen die anschließend nachgewiesen wird.

Warum extrapoliert wird

Direkt am Nahtübergang lässt sich die Spannung im Modell nicht sinnvoll ablesen. Dort trifft die Naht auf das Blech, die Geometrie hat einen einspringenden Winkel, und die berechnete Spannung wächst mit jeder Netzverfeinerung weiter — sie konvergiert nicht. Ein Wert, der von der Elementgröße abhängt, ist als Nachweisgröße unbrauchbar.

Deshalb wird der Hot-Spot-Wert aus Stützstellen vor dem Übergang ermittelt, wo die Spannungsverteilung noch von der Struktur und nicht von der Singularität bestimmt wird, und von dort auf den Übergang extrapoliert.

Typ a und Typ b: zwei verschiedene Regeln

Die Unterscheidung ist praktisch wichtig, weil sie die Auswerteregel bestimmt:

• Typ a — der Riss geht von der Blechoberfläche aus. Die Stützstellen liegen relativ zur Blechdicke, gebräuchlich bei 0,4·t und 1,0·t, mit linearer Extrapolation auf den Nahtübergang.
• Typ b — der Riss geht von der Blechkante aus, etwa an einer aufgeschweißten Lasche. Hier skaliert die Spannungsverteilung nicht mit der Blechdicke, deshalb werden feste Abstände in Millimetern verwendet — typischerweise 4, 8 und 12 mm — und quadratisch extrapoliert.

Wer die Typ-a-Regel auf einen Typ-b-Hot-Spot anwendet, weil beide „Hot-Spot“ heißen, bekommt bei dünnen Blechen einen deutlich zu kleinen Wert.

Netz und Auswertung gehören zur Nachweisgröße

Der wichtigste Punkt in der Praxis: Die Strukturspannung ist keine Eigenschaft des Bauteils allein, sondern eine Eigenschaft von Bauteil und Auswerteverfahren. Elementtyp (Schale oder Volumen), Elementgröße, Lage der Stützstellen, lineare oder quadratische Extrapolation und die Frage, ob Oberflächen- oder linearisierte Spannungen ausgewertet werden — all das verschiebt das Ergebnis.

Zwei Kollegen, die dasselbe Bauteil mit demselben Solver rechnen, können deshalb spürbar verschiedene Ausnutzungsgrade erhalten, ohne dass einer von beiden einen Fehler gemacht hat. Genau deshalb gehören Netzfeinheit und Extrapolationsregel in die Nachweisdokumentation — sonst ist das Ergebnis später nicht reproduzierbar.

Abgrenzung zum Kerbspannungskonzept

Sobald auch der Hot-Spot nicht mehr eindeutig definierbar ist — etwa weil der Riss von der Nahtwurzel und nicht vom Nahtübergang ausgeht —, bleibt das Kerbspannungskonzept, das die Naht mit einem Referenzradius modelliert. Es ist genauer, kostet aber deutlich mehr Modellierungs- und Rechenzeit. Die Gegenüberstellung aller drei Wege steht in der Übersicht der Spannungskonzepte.

Häufige Fragen

Was ist eine Strukturspannung?

Die Spannung am Nahtübergang, in der die strukturelle Kerbwirkung des Details enthalten ist — also die Steifigkeitssprünge, die Blechgeometrie und die Lasteinleitung —, aber nicht die lokale Kerbwirkung der Naht selbst. Weil sich dieser Wert direkt am Übergang wegen der Singularität nicht ablesen lässt, wird er aus Stützstellen davor auf den Übergang extrapoliert.

Welche Extrapolationspunkte gelten?

Für einen Hot-Spot vom Typ a, der auf der Blechoberfläche liegt, sind Stützstellen im Abstand 0,4·t und 1,0·t vom Nahtübergang gebräuchlich, mit linearer Extrapolation. Für Typ b, wo der Riss von der Blechkante ausgeht, werden feste Abstände in Millimetern verwendet, typischerweise 4, 8 und 12 mm mit quadratischer Extrapolation, weil die Spannungsverteilung dort nicht mit der Blechdicke skaliert.

Wie fein muss ich vernetzen?

Die Elementgröße richtet sich nach den Stützstellen: Bei Typ a ist eine Kantenlänge in der Größenordnung der Blechdicke üblich, damit die Auswertepunkte auf Knoten oder Integrationspunkte fallen. Entscheidend ist weniger die absolute Feinheit als die Konsistenz — Netz und Extrapolationsregel gehören zusammen zur FAT-Klasse, gegen die Sie nachweisen.

Warum bekomme ich mit demselben Modell verschiedene Ergebnisse?

Weil das Ergebnis von der Auswertung abhängt, nicht nur vom Modell: Lineare oder quadratische Extrapolation, die Lage der Stützstellen, Schalen- oder Volumenelemente und die Frage, ob Sie Oberflächen- oder Membranspannungen auswerten, verschieben den Hot-Spot-Wert spürbar. Deshalb gehören Extrapolationsregel und Netzfeinheit in die Dokumentation des Nachweises.