Gkatzogiannis, Stefanos

Ummenhofer, Thomas

Weidner, Philipp

German

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Conference Paper, Published VersionUmmenhofer, Thomas; Gkatzogiannis, Stefanos; Weidner, PhilippEinfluss der Korrosion auf die Ermüdungsfestigkeit vonKonstruktionen des StahlwasserbausVerfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/102447Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Ummenhofer, Thomas; Gkatzogiannis, Stefanos; Weidner, Philipp (2017): Einfluss derKorrosion auf die Ermüdungsfestigkeit von Konstruktionen des Stahlwasserbaus. In:Bundesanstalt für Wasserbau (Hg.): Korrosionsschutz und Tragfähigkeit bestehenderStahlwasserbauverschlüsse. Karlsruhe: Bundesanstalt für Wasserbau. S. 80-86.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigenNutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte.Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license isapplicable. Under CC BY 4.0 commercial use and sharing, remixing, transforming, and building upon the materialof the work is permitted. In some cases a different, more restrictive license may apply; if applicable the terms ofthe restrictive license will be binding.Bundesanstalt für Wasserbau Kolloquium Korrosionsschutz und Tragfähigkeit bestehender Stahlwasserbauverschlüsse 8. und 9. Februar 2017  - 80 - Einfluss der Korrosion auf die Ermüdungsfestigkeit von Konstruktionen des Stahlwasserbaus  Prof. Dr.-Ing. Thomas Ummenhofer, S. Gkatzogiannis, P. Weidner  (KIT - Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine)  Kurzfassung Der Einfluss verschiedener korrosiver Umgebungsbedingungen auf die Ermüdungsfestigkeit wurde anhand von Ermüdungsversuchen an vorkorrodierten Proben aus einem Baustahl S355J2+N un-tersucht. Geprüft wurden in Süß- und Meerwasser korrodierte Proben sowie nicht korrodierte Refe-renzproben. Es wurden die Kerbfälle Grundmaterial und geschweißter Stumpfstoß untersucht. Die erzielten Ergebnisse wurden mit den entsprechenden Kerbfällen des Eurocode 3 Teil 1 - 9 vergli-chen. Für die Grundmaterialproben wurde eine korrosionsbedingte Reduktion der Ermüdungsfes-tigkeit festgestellt. Für die Stumpfstöße wurde im Gegensatz dazu eine infolge der Korrosion er-höhte Ermüdungsfestigkeit ermittelt. Mögliche Gründe dafür werden nachfolgend diskutiert.  1 Einleitung und theoretischer Hintergrund Die Überlagerung von Korrosion und Ermüdungsbeanspruchungen bei metallischen Strukturen kann zu einer beschleunigten Bauteilermüdung führen. Bei Stahl- und Stahlwasserbaukonstruktio-nen sind deshalb die Korrosion wesentlich beeinflussende Umgebungseinflüsse, wie die aus Meer- und Süßwasser zu berücksichtigen. In einer korrosiven Umgebung kann unter Ermüdungsbean-spruchung sowohl die Rissinitiierung, die Entstehung von Mikrorissen durch erhöhte Oberflächen-rauigkeit, als auch das Risswachstum durch Korrosionseffekte an der Rissspitze beschleunigt wer-den. Als maßgebende Einflussparameter sind neben der Kerbschärfe des Schweißdetails und der wirksamen Beanspruchung der verwendete Werkstoff und die korrosiven Randbedingungen zu nennen. Obwohl die die Ermüdungsfestigkeit beeinflussenden Korrosionseinflüsse seit geraumer Zeit untersucht werden [1], sind keine normativen Ansätze vorhanden und die bisher erarbeiteten Ansätze zu den maßgebenden Kerbklassen unzureichend. Der Grund hierfür ist die Komplexität dieses Phänomens, das von unterschiedlichen Faktoren beeinflusst wird (pH-Wert, Salzgehalt, chemische Einflüsse, Bakterien, Temperatur, chemische Zusammensetzung etc.). Breining gibt Abminderungsfaktoren für die Zeit- und Dauerfestigkeit verschiedener Stähle bei korrosiven Um-gebungsbedingungen an [2]. Mit diesen Abminderungsfaktoren kann unter Verwendung der FKM-Richtlinie [3] die Zeitfestigkeit für Eisenwerkstoffe in korrosiver Umgebung für beliebige Schwing-spielzahlen abgeleitet werden. Da keine Beschreibung der zugrunde liegenden Versuchsdaten erfolgt, erscheint deren Anwendbarkeit auf geschweißte Kerbdetails als fragwürdig.  Der Einfluss von Korrosion lässt sich durch Ermüdungsversuche an vorkorrodierten Proben oder anhand von Ermüdungsversuchen im korrosiven Medium untersuchen. Im ersten Fall werden die Korrosion im Anriss und lokale Einflüsse des korrosiven Mediums während der Rissfortschrittspha-Bundesanstalt für Wasserbau Kolloquium Korrosionsschutz und Tragfähigkeit bestehender Stahlwasserbauverschlüsse 8. und 9. Februar 2017  - 81 - se nicht berücksichtigt. Im zweiten Fall ist eine niedrige Prüffrequenz erforderlich (f < 1 Hz, [4] und [5]), um den Einfluss der Korrosion auf die Risswachstumsgeschwindigkeit zuverlässig ermitteln zu können. Diese Voraussetzung beschränkt den Prüfumfang wesentlich. Im laufenden AiF-Projekt [6] werden zur qualitativen und quantitativen Untersuchung des Phänomens beide genannten Verfah-ren untersucht und die Ergebnisse verglichen.  2 Probekörperherstellung und Versuchsdurchführung Ziel des vorliegenden Projektes ist die Untersuchung und Quantifizierung des Korrosionseinflusses auf das Ermüdungsverhalten anhand von bauteilähnlichen Probekörpern. Dazu wurden Ermü-dungsversuche an vorkorrodierten Proben einer Charge aus dem Werkstoff S355J2+N durchge-führt. Die chemische Zusammensetzung des Werkstoffes sowie auch die entsprechenden Werte nach DIN EN 10025-2 [7] sind in Tabelle 1 dargestellt. Es wurden einfache Bleche (Grundmaterial) und Bleche mit einer Stumpfnaht in Blechmitte (Abbildung 3) für einen Zeitraum von 24 Monaten im Meerwasser (Ostsee, Kiel) und im Süßwasser (Rheinhafen, Karlsruhe) ausgelagert. Der Probe-körperzuschnitt erfolgte durch Wasserstrahlschneiden. Die Bleche wurden zur Erreichung eines maximalen Korrosionsabtrags in der Wasserwechselzone (Splash-Zone) positioniert (Abbildung 1). Die Halterung der Bleche erfolgte mit geeigneten Tragsystemen aus korrosionsneutralen Materia-len, um das Korrosionsverhalten der Bleche nicht zu beeinflussen (Abbildung 1).   chemisches Element C  Si  Mn  Cr  Ni S  P  Cu  N  H  Al  Maximalwert nach [7] 0.20 0.55 1.60 - - 0.025 0.025 0.055 - - - S355J2+N 0.15 0.24 1.48 0.020 0.020 0.003 0.012 0.020 0.008 0.0002 0.032  Tabelle 2: Chemische Zusammensetzung (%) des S355J2+N und Grenzwerte nach [7]  Damit Korrosion nur innerhalb des Prüfbereiches auftritt, wurde im Bereich der Probenenden eine Korrosionsschutzbeschichtung aufgetragen (Abbildung 2). Zum Vergleich der Ergebnisse mit den Kerbfällen des EC 3 [8], ist für die Grundmaterialproben der Kerbfall 160 und für die Stumpfnähte der Kerbfall 90 heranzuziehen. Zur Referenz wurden für beide Konstruktionsdetails nicht korrodier-te Proben geprüft. Die Versuchsserien sind in Tabelle 2 aufgeführt.    Abbildung 1: Blechauslagerung (Quelle: Bildarchiv BAW), Süßwasser (links), Meerwasser (rechts)  Bundesanstalt für Wasserbau Kolloquium Korrosionsschutz und Tragfähigkeit bestehender Stahlwasserbauverschlüsse 8. und 9. Februar 2017  - 82 - Die Probenabmessungen wurden nach ISO 1099 [9] bestimmt (Abbildung 3). Als Übergangskur-ven zwischen dem Prüf- und dem Einspannbereich wurden Klothoiden verwendet, um ermüdungs-relevante Spannungskonzentrationen zu vermeiden. Die Ermüdungsversuche wurden mit einem Hochfrequenzpulsator (Zwick 400 HFP 5100) durchgeführt. Die Proben wurden mit Frequenzen im Bereich von 100 – 110 Hz geprüft.  3 Ergebnisse und Diskussion Die Versuchsergebnisse wurden entsprechend den Anforderungen von EC 3 Teil 1-9 [8] statistisch ausgewertet. Die Wöhlerlinien für die Mittelwerte und die charakteristischen Werte wurden für jede Versuchsserie mit einer freien (Δσc) und mit einer mit m = 3 vorgegebenen Neigung (Δσcm=3) be-rechnet (siehe Tabelle 2 und Abbildung 4). A C E B D F Abbildung 2: Bleche für Probekörper – A: Grundmaterial, nicht korrodiert – B: Stumpfnaht, nicht korrodiert – C: Grundmaterial, korrodiert in Süßwasser – D: Stumpfnaht, korrodiert in Süßwasser - E: Grundmaterial, korrodiert in Meerwasser – F: Stumpfnaht, korrodiert in Meerwasser    Abbildung 3: Probengeometrie – Links: Abmessungen in mm – Mitte: Probe aus Grundmaterial, korrodiert in Meerwasser – Rechts: Stumpfnaht, korrodiert in Meerwasser Bundesanstalt für Wasserbau Kolloquium Korrosionsschutz und Tragfähigkeit bestehender Stahlwasserbauverschlüsse 8. und 9. Februar 2017  - 83 - Die nicht korrodierten Grundmaterialproben (RG) erreichen für die vorgegebene Neigung von m = 3 eine charakteristische Ermüdungsfestigkeit von Δσc = 162 MPa am Einhängewert bei Nc = 2·106 Lastspielen. Das Ergebnis stimmt mit dem zugehörigen Kerbfall 160 überein (siehe Ab-bildung 4). Die Grundmaterialproben, die in Süßwasser (BG) korrodiert wurden, weisen für die vor-gegebene Neigung von m = 3 eine Ermüdungsfestigkeit von Δσc = 122 MPa auf. Im Meerwasser (SG) ergibt sich für die Neigung m = 3 eine Ermüdungsfestigkeit von Δσc = 115 MPa. Erwartungs-gemäß ergibt sich in den beiden korrodierten Fällen jeweils eine Reduktion der Ermüdungsfestig-keit von 24% (Süßwasser) bzw. 28% (Meerwasser) und damit eine deutliche und mit der Korrosivi-tät zunehmende Reduktion der Ermüdungsfestigkeit im Vergleich zum zugehörigen nicht korrodier-ten Kerbfall 160, der gemäß EC 3 [8] für normale atmosphärische Bedingungen und einen ausrei-chenden Korrosionsschutz gilt.   Die nicht korrodierten Stumpfnähte (RN) erreichen lediglich eine Ermüdungsfestigkeit von Δσc = 63 MPa für die vorgegebene Neigung von m = 3. Dieses Ergebnis liegt deutlich unter dem zugehörigen Kerbfall 90 nach EC 3 (siehe Abbildung 4). Die korrodierten Stumpfnähte weisen im Gegensatz dazu höhere Ermüdungsfestigkeiten von Δσc = 96 MPa für Süßwasser (BN) und Δσc = 103 MPa für Meerwasser (SN) auf.   Serie Korrosion Δσcm=3 [MPa] Δσc [MPa] mfrei [-] Grund. RG ohne 162 189 3,96 BG Süßwasser 122 74 1,99 SG Meerwasser 115 147 4,05 Stumpf. RΝ ohne 63 99 4,15 BΝ Süßwasser 96 144 4,44 SΝ Meerwasser 103 148 4,51  Tabelle 3: Versuchsserien und charakteristische Ermüdungsfestigkeiten nach [8]    Abbildung 4: Versuchsergebnisse und die jeweiligen Wöhlerlinien (m = 3) (Versuchsserien der Tabelle 2) – Links: Grundmaterial – Rechts: Stumpfnähte – Durchläufer mit Pfeilen markiert S-N curve5050010000 100000 1000000 10000000nominal stress range Ds[N/mm2 ]number of load cylces [N]RGRG (m = 3)BGBG (m = 3)SGSG (m = 3)Detail class 1605010000 100000 1000000 10000000Spannungsbreite Δσ[MPa]Lastspielzahl [N]RGRG (m = 3)BGBG (m = 3)SGSG (m = 3)FAT-Klasse 16040S-N curveStatistical evaluation of test data according to EN 1993-1-9:20055010000 100000 1000000 10000000Spannungsbreite Δσ[MPa]Lastspielzahl [N]RNRN (m = 3)BNBN (m = 3)SNSN (m = 3)FAT-Klasse 90400Bundesanstalt für Wasserbau Kolloquium Korrosionsschutz und Tragfähigkeit bestehender Stahlwasserbauverschlüsse 8. und 9. Februar 2017  - 84 - Entgegen dem Lehrbuchwissen wirkte sich im vorliegenden Fall die Korrosion positiv auf die Er-müdungsfestigkeit der Stumpfnähte aus. Dieses Ergebnis weicht auch von bisherigen Ergebnissen des AiF-Projektes [6] ab, die eine reduzierte Ermüdungsfestigkeit im korrodierten Zustand aufzei-gen (siehe Abbildung 5). Im AiF-Projekt erfolgte die Korrosion in einer Salzsprühnebelanlage am KIT, bzw. in künstlichem Meerwasser bei der simultanen Ermüdung und Korrosion an der Hoch-schule München. Ursächlich für das Ansteigen der Ermüdungsfestigkeit kann das gleichzeitige Auftreten folgender Effekte sein:  - Da die maximalen Schweißzugeigenspannungen im oberflächennahen Werkstoffbereich bis zu einer Tiefe von ca. 0,2 mm vorliegen [10], führt der Materialabtrag infolge Korrosion zu einer Modi-fikation des Schweißeigenspannungsfelds. In der Wasserwechselzone ist ein Korrosionsabtrag von 0,11 mm pro Jahr, d.h. 0,55 mm zu erwarten [11]. Der vollständige Abtrag der oberflächenna-hen, 0,2 mm dicken anfänglichen „Zugeigenspannungsschicht“, wurde durch exemplarische Mes-sungen an den untersuchten Proben verifiziert (siehe Tabelle 3, Dickenabtrag ca. 0,65 mm). Der Materialabtrag der Proben in [6] war deutlich geringer (≤ 0,5 mm). Die Nahtanstiegswinkel der ge-schweißten Proben wurden gemessen und sind in Tabelle 3 dokumentiert.  - Die im Rahmen des vorliegenden Vorhabens untersuchten unkorrodierten Proben weisen eine ungewöhnlich hohe Kerbschärfe im Schweißnahtübergangsbereich auf (steiler Nahtanstiegswinkel, große Nahtüberhöhung und kleiner Übergangsradius, Abbildung 6). Diese übersteigen die zulässi-gen Werte der DIN EN ISO 5817 [12] hinsichtlich der Anforderungen der Schwingfestigkeitsklasse B90 (FAT). Die Bewertungsgruppe B90, die den Kerbfall 90 und die ungünstigeren Kerbfälle mit einschließt, bedingt einen Nahtanstiegswinkel α < 30° sowie eine Nahtüberhöhung h ≤ 1 mm +0,1b. Diese Grenzwerte werden von den unkorrodierten Proben nicht eingehalten, son-dern lediglich die Grenzwerte der darunterliegenden Bewertungsgruppe C63. Die an den unkorro-dierten Proben ermittelte Ermüdungsfestigkeit bestätigt hiermit den zugeordneten Kerbfall 63.   Durch den Materialabtrag im Kerbgrund wurde die Kerbschärfe der korrodierten Proben deutlich reduziert (reduzierte Spannungskonzentration durch geringeren Nahtanstiegswinkel und größeren Nahtübergangsradius). Die Kombination beider beschriebenen Effekte kann zu einer höheren Emüdungsfestigkeit führen. Diese Feststellung wird durch die Tatsache untermauert, dass 50% der im Meerwasser korrodierten Proben unter Ermüdungsbeanspruchung außerhalb des Schweiß-nahtübergangs versagten. Im Gegensatz dazu bewirkte der Korrosionseinfluss bei den Proben aus [6] keine nennenswerte Reduktion der ohnehin bereits geringen Kerbschärfe (Abbildung 6).  Die Auswertung von Härteverläufen im Schweißnahtbereich sowie durchgeführter REM-Aufnahmen geben keine Hinweise auf weitere, die Ermüdungsfestigkeit beeinflussenden, relevan-ten Effekte. Bundesanstalt für Wasserbau Kolloquium Korrosionsschutz und Tragfähigkeit bestehender Stahlwasserbauverschlüsse 8. und 9. Februar 2017  - 85 - Abbildung 5: Bisherige Ergebnisse des AiF-Projektes [6] – Stumpfnähte – Durchläufer werden mit Pfeilen markiert A B C D  Korrosion α [o] d [mm] ohne 33,7 14,85 Meerwasser 23,3 14,20 Tabelle 4:  Mittelwerte der gemessenen Nahtan-stiegswinkel (a) und Blechdicken (d) Abbildung 6: Makroschliffe mit Nahtanstiegswinkel (o), Nahtüberhöhung (mm), Übergangsradius (mm) und Nahtbreite (mm) – A: RN Probe – B: SN Probe – C: nicht korrodierte Pro-be von [6] – D: korrodierte Probe aus [6]  4 Schlussfolgerungen In Rahmen des Forschungsprojekts wurde der Einfluss von Korrosion auf die Ermüdungsfestigkeit von Stahlbauteilen aus dem Werkstoff S355J2+N untersucht. Für die Grundmaterialproben wurde eine deutliche Reduktion der Ermüdungsfestigkeit infolge Korrosion nachgewiesen. Der Rückgang der Ermüdungsfestigkeit war bei der Auslagerung im Meerwasser größer (4%) als im Süßwasser. Im Gegensatz hierzu wurde bei den Stumpfnähten eine Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit infolge der Korrosion festgestellt. Die Ursache hierfür liegt in der Entschärfung der nach Norm zu scharfen Kerbe am Schweißnahtübergang durch den signifikanten Korrosionsabtrag sowie den damit ver-bundenen Abbau der Schweißeigenspannungen im oberflächennahen Bereich. Die Komplexität und das Zusammenwirken der vorgestellten Einflüsse und Phänomene im Fall der geschweißten Verbindung erlaubt keine direkte bzw. generelle Übertragung der aktuellen Ergebnisse auf andere weniger kerbscharfe Details ohne weiterführende Untersuchungen.   5 Danksagung Die Autoren bedanken sich herzlich für die finanzielle Unterstützung, die fachlichen Diskussionen und die Bereitstellung des Probenmaterials bei der BAW.   S-N curveStatistical evaluation of test data according to EN 1993-1-9:20055050010000 100000 1000000 10000000Spannungsbreite Δσ[MPa]Lastspielzahl Nicht korrodiertNicht Korrodiert(m = 3)KorrodiertKorrodiert (m=3)Detail class 90Bundesanstalt für Wasserbau Kolloquium Korrosionsschutz und Tragfähigkeit bestehender Stahlwasserbauverschlüsse 8. und 9. Februar 2017  - 86 - 6 Literaturverzeichnis [1] Healy J., Billingham J.: A review of the corrosion fatigue behaviour of structural steels in the strength range 350-900 MPa and associated high strength weldments, Offshore Technology Report OTH 532, HSE, Sheffield, 1997. [2] Breining, R.: Rechnerischer Festigkeitsnachweis für korrosionsbeanspruchte Maschinenbau-teile, IGF 14854, Heft 303, Vorhaben Nr. 278, Frankfurt am Main, VDMA, 2009. [3] FKM-Richtlinie: Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile 6, 2012. [4] Oberparleiter W.: Einfluss von Prüffrequenz und Salzgehalt des Korrosionsmediums auf die Korrosionsermüdung von Stählen bei betriebsähnlichen Lastablaufen, Werkstoffe und Korro-sion 37 (1986) 391-397. [5] Adedipe O., Brennan F., Kolios A.: Corrosion fatigue load frequency sensitivity analysis, Ma-rine Structures 45 (2015) 115-136. [6] Ummenhofer T.: Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit von Offshore-Windenergieanlagen durch Schweißnahtnachbehandlung unter Berücksichtigung des Korrosionseinflusses, DVS 09069 – IGF 18457 N, (laufendes Projekt), KIT Stahl- und Leichtbau, Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine. [7] DIN EN 10025-2:2005-04, Warmgewalzte Erzeugnisse aus Baustählen - Teil 2: Technische Lieferbedingungen für unlegierte Baustähle; Deutsche Fassung EN 10025-2:2004. [8] European Standard, EN 1993-1-9. Eurocode 3 - Design of steel structures - Part 1-9: Fa-tigue, European Committee for Standardization, Brussels, 2009. [9] International Standard, ISO 1099, Metallic materials - Fatigue testing - axial force-controlled method, Geneva, 2006. [10] Nitschke-Pagel T.: Comparison of residual stress depth profiles in welded joints, Materials Science Forum 404-407 (2002) 381-386. [11] European Standard, EN 1993-5. Eurocode 3 - Design of steel structures - Part 5: Piling, Eu-ropean Committee for Standardization, Brussels, 2007. [12] DIN EN ISO 5817, 2014-06: Schweißen – Schmelzschweißverbindungen an Stahl, Nickel, Titan und deren Legierungen (ohne Strahlschweißen) – Bewertungsgruppen von Unregel-mäßigkeiten.  7 Quellenverzeichnis Abbildung 1: Blechauslagerung (Quelle: Bildarchiv BAW) Abbildung 2: Bleche für Probekörper (Quelle: Bildarchiv KIT) Abbildung 3: Probengeometrie (Quelle: Bildarchiv KIT) Abbildung 4: Versuchsergebnisse und die jeweiligen Wöhlerlinien (m = 3) (Quelle: Bildarchiv KIT) Abbildung 5: Bisherige Ergebnisse des AiF-Projektes [6] (Quelle: Bildarchiv KIT) Abbildung 6: Makroschliffe mit Nahtanstiegswinkel (°), Nahtüberhöhung (mm), Übergangsradius (mm) und Nahtbreite (mm) (Quelle: Bildarchiv KIT)    

Einfluss der Korrosion auf die Ermüdungsfestigkeit von Konstruktionen des Stahlwasserbaus

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