Normalspannung in einer Stumpfnaht

Fachartikel

Normalspannung in einer Stumpfnaht verstehen

Der Rechner bestimmt die nominelle Normalspannung in einer Stumpfnaht aus der übertragenen Kraft, der wirksamen Nahtdicke und der Nahtlänge.

Was beschreibt diese Größe?

Bei vollständig durchgeschweißten Stumpfnähten wird die Nahtfestigkeit mindestens gleich der Festigkeit des schwächeren angeschlossenen Bauteils angenommen; ein gesonderter Spannungsnachweis ist dann meist entbehrlich. Bei nicht vollständig durchgeschweißten Stumpfnähten ist die wirksame Nahtdicke a kleiner als die Blechdicke, und die Normalspannung σw = F/(a·leff) muss wie bei einer Kehlnaht mit tiefem Einbrand nachgewiesen werden.

Eine voll durchgeschweißte Stumpfnaht verhält sich wie ein nahtloser Übergang – das Blech ist an dieser Stelle praktisch wie aus einem Stück. Fehlt der volle Einbrand, bleibt effektiv ein dünnerer wirksamer Querschnitt a übrig, ähnlich einer Engstelle in einem sonst durchgehenden Stab.

Formel und Variablen

σw = F / (a · leff)

σw = F / (a · leff)
F = σw · a · leff
leff = F / (σw · a)

Symbol / Eingabe	Bedeutung
Nahtnormalspannung σw	Rechnerische Normalspannung im Nahtquerschnitt.
Kraft F	Über die Naht zu übertragende Zug- oder Druckkraft.
Wirksame Nahtdicke a	Bei vollem Einbrand gleich der Blechdicke; bei unvollständigem Einbrand a = anom1+anom2 = t − c (Spalt c).
Wirksame Nahtlänge leff	Tragende Nahtlänge nach Abzug der Kraterabzüge.

Eingaben richtig wählen

F ist die über die Naht übertragene Zug- oder Druckkraft, a die wirksame Nahtdicke (bei vollem Einbrand gleich der Blechdicke, sonst a = anom1+anom2 = t − Spalt c) und leff die wirksame Nahtlänge.

So benutzt du den Rechner

Trage F, a und leff ein, um σw zu berechnen. Bei vollem Einbrand entspricht a der Blechdicke t; bei teilweisem Einbrand ist a aus der Schweißvorgabe oder Prüfung zu entnehmen.

Schritt-für-Schritt-Beispiel

F = 20 kN, a = 10 mm und leff = 100 mm ergeben σw = 20.000 N / (10 mm · 100 mm) = 20 MPa.

Ergebnis und Einheiten verstehen

σw = 20 MPa ist die nominelle Normalspannung im Nahtquerschnitt. Sie ist gegen die zulässige Spannung des schwächeren Bauteilwerkstoffs zu prüfen, z. B. über den Schweißnaht-Sicherheitsfaktor-Rechner.

F in N oder kN, a und leff in mm, σw in MPa (N/mm²).

Voller gegenüber teilweisem Einbrand

Bei vollständigem Einbrand (Durchschweißung über die gesamte Blechdicke, meist durch Wurzelschweißung von beiden Seiten oder mit Badsicherung nachgewiesen) gilt a = t und die Nahtfestigkeit entspricht der Bauteilfestigkeit. Bei teilweisem Einbrand verbleibt ein unverschweißter Spalt c, und a = t − c ist entsprechend kleiner. Der Unterschied kann mehrere zehn Prozent der Tragfähigkeit ausmachen und muss bei der Schweißvorgabe eindeutig festgelegt werden.

Typische Anwendungen

Die Formel betrifft Stumpfstöße an Blechen, Rohren und Profilen im Stahl- und Behälterbau, insbesondere bei nicht vollständig durchgeschweißten Nähten oder bei der Abschätzung vor einer detaillierten Nachrechnung.

Annahmen, Grenzen und typische Fehler

Für vollständig durchgeschweißte Stumpfnähte ohne Kerben ist ein gesonderter Spannungsnachweis meist nicht maßgebend; die Formel ist vor allem für teilweise durchgeschweißte Nähte relevant. Sie erfasst keine Kerbwirkung an Nahtübergängen und keine Eigenspannungen.

Typischer Fehler: Ein häufiger Fehler ist, bei nicht vollständig durchgeschweißten Nähten die volle Blechdicke statt der tatsächlichen wirksamen Nahtdicke a einzusetzen und die Tragfähigkeit dadurch zu überschätzen.

Häufige Fragen

Muss ich bei vollem Einbrand überhaupt rechnen?

Meist nicht gesondert, da die Nahtfestigkeit dann mindestens der Bauteilfestigkeit entspricht; ein Nachweis ist vor allem für teilweise durchgeschweißte Nähte sinnvoll.

Wie bestimme ich a bei teilweisem Einbrand?

a = t − c, wobei c der unverschweißte Restspalt aus dem Schweißverfahren ist; dieser Wert muss aus der Schweißanweisung oder einer zerstörungsfreien Prüfung stammen.

Gilt die Formel auch für Druckkräfte?

Ja, σw = F/(a·leff) gilt für Zug- und Druckkräfte gleichermaßen, solange kein Beulen des angeschlossenen Bauteils auftritt.

Was ist der Unterschied zu einer Kehlnaht?

Eine Stumpfnaht verbindet Bauteile stumpf in einer Ebene; eine nicht vollständig durchgeschweißte Stumpfnaht wird rechnerisch wie eine Kehlnaht mit tiefem Einbrand behandelt.

Wie geht es nach der Spannungsberechnung weiter?

Mit dem Sicherheitsfaktor-Rechner σw gegen die zulässige Spannung des schwächeren Bauteilwerkstoffs prüfen.