Bruchmechanik und Bauteilsicherheit

Für Bauteile mit Defekten können Bauteilsicherheit und Lebensdauer mit Hilfe der bruchmechanischen Sicherheitsanalyse quantitativ bewertet werden.

Bruchmechanische Sicherheitsanalyse

Wenn Fehler in einem Bauteil gefunden oder angenommen werden, stellt sich die Frage nach der Bauteilsicherheit. Wie und wann wird das Bauteil versagen? Wie hoch ist das Risiko bei Versagen? Muss das Bauteil sofort ausgewechselt werden? Muss der Betrieb teilweise oder komplett gestoppt werden?

Diese Fragen können mit bruchmechanischen Methoden beantwortet werden. Durch die quantitativ-rechnerische Bewertung eines Fehlers und der Ermittlung der Restlebensdauer des Bauteils können unnötige Stilllegungen meist vermieden, Kosten eingespart und Planungszeiträume geschaffen werden.

Die bruchmechanische Sicherheitsanalyse ist ein Limit State Berechnungsverfahren: Die Beanspruchung des Risses wird aus den äußeren und inneren Spannungen berechnet und den Risszähigkeitskennwerten des Werkstoffes gegenübergestellt.

Die Anwendung der Analyse erfolgt sowohl für statische als auch für zyklische und dynamische Lastfälle. Durch Umkehrung der Methoden lassen sich zudem auch sehr gut Zähigkeitsanforderungen ermitteln. Beispiele hierfür, an denen die IWT Solutions AG beteiligt ist, sind EN 1993-1-10 (Stahlbau), EN 13445 (Druckbehälter) und EN 13480 (Rohre).

Vertiefende Details zu bruchmechanischen Methoden können Sie unter www.bruchmechanik.info finden.

Sprechen Sie uns gerne und unverbindlich an. IWT arbeitet seit 1990 am technisch-pragmatischen Einsatz der Bruchmechanik und ermöglicht Ihnen einen schnellen Zugang zur Anwendung. Mit unserer Erfahrung passen wir Ihr Problem an die Möglichkeiten der Bruchmechanik an, immer mit dem Ziel, eine wirtschaftliche und sichere Lösung zu erhalten.

Ein Beispiel

Bei einer regelmäßigen Inspektion eines Druckbehälters in einer größeren Prozessanlage wird mit zerstörungsfreien Methoden ein innenliegender Fehler gefunden. Es stellt sich unmittelbar die Frage, ob der Behälter weiter betrieben werden kann oder der Behälter und damit der ganze Prozess stillgelegt werden muss. Die Bruchmechanik liefert bei diesem Fall die richtigen Antworten. Meistens können die Bauteile für eine begrenzte Zeit weiterbetrieben werden, so dass genügend Zeit für die Planung von Maßnahmen verbleibt.

Bruchfläche an Stahlbaudetail

Bruchfläche an Stahlbaudetail

Unsere Verfahren & Methoden

Ablauf einer bruchmechanischen Analyse:

  1. IWT Solutions AG erörtert gemeinsam mit dem Kunden die Fragestellung. Insbesondere werden Daten über den Werkstoff, die Fertigung, die Bauteilbeanspruchung, die Bauteilgeometrie und die Größe der Imperfektion benötigt.
  2. Die kritische Situation wird durch IWT Solutions AG in einem bruchmechanischen Modell abgebildet. Alternativ können FEM-Berechnungen durchgeführt werden, die jedoch wesentlich aufwändiger sind.
  3. Für die Berechnung der Bauteil-Tragfähigkeit werden auf der Widerstandsseite die Risszähigkeiten bei der jeweiligen Einsatztemperatur benötigt. Diese können experimentell ermittelt, aus Korrelationen berechnet oder aus der Literatur entnommen werden. Für die Berechnung des Rissfortschritts werden die entsprechende Daten und der Tresholdwert benötigt. Auch hier können entweder Experimente oder die Literatur weiterhelfen.
  4. Die Berechnung des Grenzzustandes und Variationen der Eingangsgrößen liefern dann bei der bruchmechanischen Berechnung das Ergebnis, welches wie folgt aussehen kann:
    • die maximale Traglast oder
    • die kritische Rissgröße oder
    • die erforderliche Zähigkeit
    • und bei Ermüdungsbeanspruchung: die unterkritische Risswachstumsdauer und daraus abgeleitete Inspektionsintervalle
  5. Abschließend erfolgt eine Sensitivitätsuntersuchung zur Festlegung der Sicherheiten in der Berechnung.

Häufige Fragestellungen

Im Kontext der Bruchmechanik treten häufig folgende Fragen auf:

  • Sind die Zähigkeitsanforderungen in den Richtlinien passend zu meinem Einsatzszenario oder sind sie zu hoch angesetzt?
  • Welche Auswirkungen hat ein vorhandener Riss auf das Bauteil? Ist mit katastrophalem Versagen zu rechnen? Unter welchen Umständen muss das Bauteil ausgebessert oder ausgewechselt werden?
  • Wie kann ein Versagensmodell für ein bestimmtes Szenario entwickelt werden? Welche Annahmen zu Bauteil- und Fehlergeometrie sind dabei geeignet? Ist eine Modellrechnung ausreichend oder ist eine FEM-Rechnung angebracht?
Angerissene Welle. Oben Ermüdungsanriss, unten Restbruch. Mit Hilfe der Bruchmechanik kann die kritische Risslänge vorhergesagt werden oder bei bekannter Risslänge die Resttragkraft ermittelt werden.

Angerissene Welle. Oben Ermüdungsanriss, unten Restbruch. Mit Hilfe der Bruchmechanik kann die kritische Risslänge vorhergesagt werden oder bei bekannter Risslänge die Resttragkraft ermittelt werden.