Schubbeanspruchung geschweißter Kehlnähten

Technik Mechanik & Konstruktion
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Angenommen, man schweißt ein Blech (Fläche 60 x 4 mm, Höhe 20mm) hochkant an eine Blechwand. Die Kehlnaht der Schweißung verläuft rings herum und hat eine Kehlnahthöhe von 2mm.

Das aufgeschweißte Blech wirdnun mit einer Kraft, die 10 mm von der Wand entfernt, parallel zur Wand verläuft beansprucht, d.h. auch die Kehlnähte werden auf Schub beansprucht.

Warum werden bei allen Schubspannungsberechnungen nur die beiden 60 x 2mm starken Längsnähte, nie aber die 4 x 2mm starken Quernähte und auch nie die vier 2 x 2 großen Stückchen in den Ecken berücksichtigt?

Ich hoffe, ich konnte das Problem auch ohne Zeichnung einigermaßen veranschaulichen.

Danke
Mad Dog

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Hallo Rüdiger

Angenommen, man schweißt ein Blech (Fläche 60 x 4 mm, Höhe
20mm) hochkant an eine Blechwand. Die Kehlnaht der Schweißung
verläuft rings herum und hat eine Kehlnahthöhe von 2mm.

Angenommen, das Ganze wird richtig beschrieben…
…ein Blech 60 x 20 mm, 4 m dick…

Das aufgeschweißte Blech wird nun mit einer Kraft, die 10 mm
von der Wand entfernt, parallel zur Wand verläuft beansprucht,
d.h. auch die Kehlnähte werden auf Schub beansprucht.

…eine Kehlnaht wird auf Spannung, ein auf Torsion beansprucht…

Warum werden bei allen Schubspannungsberechnungen nur die
beiden 60 x 2mm starken

Stark bin ich, die Naht ist dick oder dünn.
Wenn ein Steg, so nennt man das Gebilde, in einer Richtung beansprucht wird, ergibt sich ein Drehpunkt.
Dieser Drehpunkt wird eine der Längsnähte sein, oder ohne Schweissnaht, die Kante des Blechs.
Dann erkennst Du auch, warum die beiden 4 mm langen Quernähte keine Rolle spielen.
Und nun ist allein der Querschnitt der Schweissnaht, der durch das sogenannte a-Mass gekennzeichnet ist, entscheidend. Zugspannung !
Klebe eine Streichholzschachtel einseitig mit Tesafilm am Tisch an, versuche, die Schachtel vom Tesa weg zu drehen, das ist das mechanische Prinzip.

Gruß
Rochus

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Hallo Rochus,

vielen Dank für deinen Beitrag. Leider kann ich dir absolut überhaupt nicht folgen.

Eventuelle Normalspannungen (Zug oder was auch immer) interessieren mich nicht. Ich möchte nur wissen, weshalb die Quernähte NICHT auf SCHUB beansprucht werden sollen.

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Hallo Ruediger
Erinnere Dich noch einmal an das Beispiel mit der Streichholzschachtel.
Die Quernähte werden auf Zug beansprucht ! am Drehpunkt gering, am gegenüberliegenden Punkt mehr.
In jedem Fall wird die Leiste nicht geschoben, sondern gedreht!
Das ist der richtige Ansatz. Auch wenn Du unmitelbar über der Oberfläche die Kraft ansetzen lässt, bekommst Du eine Drehung mit Drehpunkt in einer der Längsnähte.

Gruß Rochus

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Hallo Ruediger
Nachtrag
Wenn wir annhemen, die Kraft greift in 0 mm über der Oberfläche an, haben wir eine Scherspannung in den Quernähten, Zug- und Druckspannung in den Längsnähten.

Gruß Rochus

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Hallo Rochus,
Du gibst dir echt Mühe, dennoch, ich kann deinen Ausführungen nicht folgen. Wenn ich im Abstand von 0 mm zur Schweißnaht schiebe, werden alle 4 Nähte, egal ob längs oder quer, geschoben. Es herrscht also Schubspannung. Da ist nichts mit Zug-, Druck oder sonst einer anderen Normalspannung. Zumindest für mich nicht erkennbar.

Kann Du mir irgend ein Buch nennen oder einen link, in dem Deine Version eventuell nachzulesen ist?

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Hallöchen

werden alle 4 Nähte, egal ob längs oder quer,
geschoben. Es herrscht also Schubspannung. Da ist nichts mit
Zug-, Druck oder sonst einer anderen Normalspannung.

Oehh, nein. Die Längsnähte werden in Längsrichtung beansprucht (Schub), die Quernähte werden Quer zur Naht beansprucht (Zugspannung).
Schweissnähte nehmen am liebsten Schubspannungen auf.

Kann Du mir irgend ein Buch nennen oder einen link, in dem
Deine Version eventuell nachzulesen ist?

Jedes Buch über Technische Mechanik bzw. Bücher über Stahlbaukonstruktionen haben solche Berechnungen drin.
Im Grunde wird jeder X-beliebige Konsolenträger so gerechnet.

Greetz, Gley

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Hallo
Längsnähte auf Schub, klar, da diskutiere ich auch nicht mehr weiter rum.

Aber Quernähte? Ich kann mir das beim besten Willen nicht vorstellen.

Betrachten wir den aufgeschweißten Steg von der Seite und er wird (sagen wir mal nach links weggeschoben, dann wird die auf dem Grundblech liegende Kathete der Längsnaht geschoben, ebenso die vertikal stehende Kathede der Längsnaht am Stegblech. So stell ich mit das zumindest vor.

Nun zu den Quernähten. Die auf dem Grundblech liegenden Katheten beider Schweißnähte werden doch geschoben oder nicht? Allenfalls die vertikale Kathete der Kehlnaht rechts kann aus meiner Sicht gezogen werden wenn ich den Steg nach links weg schiebe und die vertikale Kathete der Schweißnaht links würde dann gedrückt.

Ich habe den „Roloff/Matek“ als Buch, das werden auch nur die Längsnähte auf Schub beansprucht, die Quernähte nicht. Eine einleuchtende Erklärung für die unterschiedlichen Spannungen ist dort aber nicht zu finden.

Ich hätte sehr, sehr gerne ein Bild, wo die Spannungsverteilungen modellhaft eingezeichnet sind.

Wenn ich mit die Atome in Schweißnaht, Stegblech und Grundplatte nebeneinander vorstelle, dann verschieben sich doch alle Atome der Schweißnähte (längs UND QUER) nach links, während die Atome unterhalb der Schweißnaht, also die in der Grundplatte versuchen, das zu verhindern. Das ist für mich Schub.

Das Gleiche (also Schub) tritt auch auf an der Verbindungsstelle Längsnaht/Stegblech.

Zug-/ bzw. Druck kann ich mir nur an den vertikalen Verbindungsstellen der Quernäht zwischen Naht und Stegblech vorstellen.

Wo habe ich einen Knoten in meinen Gedanken?

Nachsatz: Ich habe übrigens Maschinenbau studiert, Sie können also versuchen, mir das auch kompliziert (über Matritzen, Vektoren oder sonst wie erklären). Meine Profs jedenfalls und alle meine Bücher haben das bisher nicht geschafft.

Danke
Mad Dog

Oehh, nein. Die Längsnähte werden in Längsrichtung beansprucht
(Schub), die Quernähte werden Quer zur Naht beansprucht
(Zugspannung).
Schweissnähte nehmen am liebsten Schubspannungen auf.

Kann Du mir irgend ein Buch nennen oder einen link, in dem
Deine Version eventuell nachzulesen ist?

Jedes Buch über Technische Mechanik bzw. Bücher über
Stahlbaukonstruktionen haben solche Berechnungen drin.
Im Grunde wird jeder X-beliebige Konsolenträger so gerechnet.

Greetz, Gley

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Da ich nicht aufgebe, bis ich die Lösung eines Problems habe, war ich inzwischen nicht untätig. Der Knackpunkt liegt im Satz über die Gleichheit der zugeordneten Schubspannungen. Ich habe bisher nur die in x-Richtung „schiebenden“ Kräfte oben und unten an einem Volumenelement betrachtet. Diese alleine würden aber (als Kräftepaar) das Volumenelement drehen. Da sich das Volumenelement nicht dreht, müssen senkrecht zu den vorher genannten in x-Richtung wirkenden Kräften auch solche in z-Richtung wirken, und zwar genau so, dass sie das Drehmoment der Kräfte in x-Richtung aufheben. An der Oberfläche hat die in z-Richtung wirkende Kraft aber keine Gegenkraft (von außerhalb des Volumenelements kommt ja nichts), also ist dort auch die Schubspannung „Null“. Die Schubspannung ist (in z-Richtung betrachtet) parabolisch verteilt nach der Formel

tau = 1,5 x F/A x [1 - (z/(h/2))] wobei z von der neutralen Faser aus betrachtet wird.

Bei z = 0 ist tau also: tau = 1,5 x F/A

und bei z= h/2: tau = 0, weil die eckige Klammer hinten komplett Null wird.

Das hat mir bisher noch kein Prof. erzählt. Gefunden habe ich die Lösung in einem antiquarischen Buch und zwar auf den Seiten 145 und 175ff. in "Holzmann, Meyer, Schumpich - Technische Mechanik, Teil 3 Festigkeitslehre, B.G. Teubner Verlag Stuttgart 1975.

Danke allen, die sich sehr viel Mühe gegeben und versucht haben, mir zu helfen.
Mad Dog

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Hallo
Längsnähte auf Schub, klar, da diskutiere ich auch nicht mehr
weiter rum.

Aber Quernähte? Ich kann mir das beim besten Willen nicht
vorstellen.

…

Stegblech. So stell ich mit das zumindest vor.

Nun zu den Quernähten. Die auf dem Grundblech liegenden
Katheten beider Schweißnähte werden doch geschoben oder nicht?

…

Ich hätte sehr, sehr gerne ein Bild, wo die
Spannungsverteilungen modellhaft eingezeichnet sind.

Wenn ich mit die Atome in Schweißnaht, Stegblech und
Grundplatte nebeneinander vorstelle, dann verschieben sich
doch alle Atome der Schweißnähte (längs UND QUER) nach links,
während die Atome unterhalb der Schweißnaht, also die in der
Grundplatte versuchen, das zu verhindern. Das ist für mich

…kalen

Wo habe ich einen Knoten in meinen Gedanken?

Und die Erde ist eine Scheibe, weil der Mond quadratisch ist.

Gruß
Rochus

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Und die Erde ist eine Scheibe, weil der Mond quadratisch ist.

Lieber Rochus,
vielen Dank für Ihre Ausführungen, die mich der Lösung nicht näher bringen. Zum Glück habe ich aber gestern ein Buch in die Hand bekommen, das meine Fragen zur Genüge beantworten konnte (Siehe meinen gestrigen Beitrag)