Simulationsbasierter Vergleich der Ermüdungsfestigkeit geschweißter Strukturen nach den Auslegungsstandards IIW, FKM, EN 13001, EN 13445 und Eurocode 3

Alexander Hutter

doi:10.34901/mul.pub.2026.114

Simulationsbasierter Vergleich der Ermüdungsfestigkeit geschweißter Strukturen nach den Auslegungsstandards IIW, FKM, EN 13001, EN 13445 und Eurocode 3

Translated title of the contribution: Simulation based Comparison of the Fatigue Strength of Welded Structures based on the IIW, FKM, EN 13001, EN 13445, Eurocode 3 Guidelines

Alexander Hutter

Chair of Mechanical Engineering (140)

Research output: Thesis › Master's Thesis

Abstract

This thesis investigates the fatigue strength assessment of welded structures based on established standards and guidelines, including the IIW Recommendations, the FKM Guideline, EN¿13001, EN¿13445, and EN¿1993. The IIW Recommendations provide guidance for assessing the fatigue strength of welded steel structures, with their comprehensive notch classification system forming the basis for other standards. The FKM Guideline offers a general procedure for evaluating both static and fatigue strength of bar- and plate-shaped components in mechanical engineering. EN¿13001 defines the design requirements for cranes, while EN¿13445 specifies requirements for unfired pressure vessels. EN¿1993 governs the static and dynamic design of steel structures. The first objective of this thesis is to identify the differences among these standards in terms of modification factors on fatigue resistance, loading conditions, and safety concepts. The second objective is to determine fatigue-relevant stresses in a component under defined loading using the Finite Element Method (FEM), and to perform fatigue strength verification of the component both analytically and with the software IBF Fatigue. Finally, the calculated fatigue resistances perpendicular to the weld direction, as given in the various standards, are compared. For the analysis, an FE shell model of the press lower beam of a hydraulic press with a compression force of¿20¿000¿kN was used. The plate thicknesses range from¿40¿mm¿to¿242¿mm, and the model contains several butt and K welds that exhibit highly variable loading conditions. The results show significant differences depending on the reference standard. The most conservative result at a defined location is yielded by EN 13445, with a fatigue resistance amounting to only¿32%¿of that obtained under¿EN¿13001. The IIW Recommendations, the FKM Guideline, and¿EN¿1993¿produce similar fatigue resistances ranging from¿42%¿to¿47%¿of the¿EN¿13001¿value. The main causes of these large deviations are the omission of the plate thickness correction factor in¿EN¿13001¿and the absence of the beneficial effect of stress relief annealing on fatigue resistance in¿EN¿13445. This study provides a foundation for developing a unified approach to the assessment of welded steel joints in conjunction with FEM analysis.

Translated title of the contribution	Simulation based Comparison of the Fatigue Strength of Welded Structures based on the IIW, FKM, EN 13001, EN 13445, Eurocode 3 Guidelines
Original language	German
Qualification	Dipl.-Ing.
Awarding Institution	Montanuniversität
Supervisors/Advisors	Stoschka, Michael, Supervisor (internal) Fiedler, Georg, Supervisor (external), External person
Award date	27 Mar 2026
DOIs	https://doi.org/10.34901/mul.pub.2026.114
Publication status	Published - 2026

Bibliographical note

embargoed until 24-02-2031

Keywords

Fatigue Resistance
Welded Structures
EN 1993
EN 13001
EN 13445
IIW Guidline
FKM Guidline
Finite Element Analysis

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10.34901/mul.pub.2026.114Licence: CC BY

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Embargo ends: 24/02/2031 00:00 CET

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@mastersthesis{c19fb897086c4164a5a0dcc79941cdd4,

title = "Simulationsbasierter Vergleich der Erm{\"u}dungsfestigkeit geschwei{\ss}ter Strukturen nach den Auslegungsstandards IIW, FKM, EN 13001, EN 13445 und Eurocode 3",

abstract = "Diese Arbeit untersucht die Erm{\"u}dungsfestigkeit geschwei{\ss}ter Strukturen auf Basis g{\"a}ngiger Regelwerke und Normen, wie IIW-Richtlinie, FKM-Richtlinie, EN 13001, EN 13445 und EN 1993. Die IIW-Richtlinie enth{\"a}lt Empfehlungen zur Bewertung der Erm{\"u}dungsfestigkeit geschwei{\ss}ter Strukturen aus Stahl. Ihr umfassender Kerbfallkatalog bildet die Basis f{\"u}r die Kataloge anderer Normen. Die FKM-Richtlinie bietet ein allgemeines Verfahren zur Bewertung der statischen und der Erm{\"u}dungsfestigkeit von stab- und plattenf{\"o}rmigen Bauteilen im Maschinenbau. Die EN 13001 beinhaltet alle Vorgaben f{\"u}r die Auslegung von Kranen, w{\"a}hrend die EN 13445 Vorgaben f{\"u}r unbefeuerte Druckbeh{\"a}lter vorgibt. Die EN 1993 regelt die statische und dynamische Bemessung von Stahltragwerken. Erstes Ziel der Arbeit ist es, Unterschiede in den Einflussfaktoren auf den Erm{\"u}dungswiderstand, in der Beanspruchung und den Sicherheitskonzepten dieser Normen festzuhalten. Zweitens werden anhand der Finite-Elemente-Methode (FEM) die erm{\"u}dungsrelevanten Spannungen an einem Bauteil unter definierter Last ermittelt und die entsprechenden Nachweise der Erm{\"u}dungsfestigkeit sowohl mit der Software IBF-Fatigue als auch analytisch an einer bestimmten Stelle des Bauteils erbracht. Es werden abschlie{\ss}end die festgelegten Erm{\"u}dungswiderst{\"a}nde quer zur Schwei{\ss}nahtrichtung der Normen verglichen und nach Gr{\"o}{\ss}e gereiht. F{\"u}r die Untersuchungen wurde das FE-Schalenmodell eines Pressen-Unterholms einer hydraulischen Presse mit 20 000 kN Presskraft verwendet. Die Blechst{\"a}rken reichen von 40 bis zu 242 mm und es kommen mehrere Stumpf- und K-N{\"a}hte im Modell vor, welche eine stark unterschiedliche Beanspruchung aufweisen. Das Resultat sind signifikante Unterschiede in den Ergebnissen je nach untersuchtem Regelwerk. F{\"u}r einen gew{\"a}hlten Auswertepunkt liefert die EN 13445 das konservativste Ergebnis. Ihr Erm{\"u}dungswiederstand betr{\"a}gt nur 32\% des Erm{\"u}dungswiderstandes nach EN 13001. Die IIW- und die FKM-Richtlinie sowie die EN 1993 liefern {\"a}hnliche Widerst{\"a}nde, welche 42\% bis 47\% des Erm{\"u}dungswiderstandes der EN 13001 betragen. Der Hauptgrund f{\"u}r diese hohen Abweichungen ist der in der EN 13001 nicht ber{\"u}cksichtigte Blechdickenkorrekturfaktor sowie das Entfallen des positiven Einflusses auf den Erm{\"u}dungswiderstand des Spannungsarmgl{\"u}hens in der EN 13445. Diese Arbeit stellt eine Grundlage f{\"u}r die Entwicklung eines einheitlichen Ansatzes zur Bewertung Schwei{\ss}verbindungen aus Stahl in Zusammenhang mit einer FEM-Berechnung dar.",

keywords = "Fatigue Resistance, Welded Structures, EN 1993, EN 13001, EN 13445, IIW Guidline, FKM Guidline, Finite Element Analysis, Erm{\"u}dungsfestigkeit, Schwei{\ss}verbindungen, EN 1993, EN 13001, EN 13445, IIW-Richtlinie, FKM-Richtlinie, Methode der finiten Elemente",

author = "Alexander Hutter",

note = "gesperrt bis 24-02-2031",

year = "2026",

doi = "10.34901/mul.pub.2026.114",

language = "Deutsch",

school = "Montanuniversit{\"a}t Leoben (000)",

}

TY - THES

T1 - Simulationsbasierter Vergleich der Ermüdungsfestigkeit geschweißter Strukturen nach den Auslegungsstandards IIW, FKM, EN 13001, EN 13445 und Eurocode 3

AU - Hutter, Alexander

N1 - gesperrt bis 24-02-2031

PY - 2026

Y1 - 2026

N2 - Diese Arbeit untersucht die Ermüdungsfestigkeit geschweißter Strukturen auf Basis gängiger Regelwerke und Normen, wie IIW-Richtlinie, FKM-Richtlinie, EN 13001, EN 13445 und EN 1993. Die IIW-Richtlinie enthält Empfehlungen zur Bewertung der Ermüdungsfestigkeit geschweißter Strukturen aus Stahl. Ihr umfassender Kerbfallkatalog bildet die Basis für die Kataloge anderer Normen. Die FKM-Richtlinie bietet ein allgemeines Verfahren zur Bewertung der statischen und der Ermüdungsfestigkeit von stab- und plattenförmigen Bauteilen im Maschinenbau. Die EN 13001 beinhaltet alle Vorgaben für die Auslegung von Kranen, während die EN 13445 Vorgaben für unbefeuerte Druckbehälter vorgibt. Die EN 1993 regelt die statische und dynamische Bemessung von Stahltragwerken. Erstes Ziel der Arbeit ist es, Unterschiede in den Einflussfaktoren auf den Ermüdungswiderstand, in der Beanspruchung und den Sicherheitskonzepten dieser Normen festzuhalten. Zweitens werden anhand der Finite-Elemente-Methode (FEM) die ermüdungsrelevanten Spannungen an einem Bauteil unter definierter Last ermittelt und die entsprechenden Nachweise der Ermüdungsfestigkeit sowohl mit der Software IBF-Fatigue als auch analytisch an einer bestimmten Stelle des Bauteils erbracht. Es werden abschließend die festgelegten Ermüdungswiderstände quer zur Schweißnahtrichtung der Normen verglichen und nach Größe gereiht. Für die Untersuchungen wurde das FE-Schalenmodell eines Pressen-Unterholms einer hydraulischen Presse mit 20 000 kN Presskraft verwendet. Die Blechstärken reichen von 40 bis zu 242 mm und es kommen mehrere Stumpf- und K-Nähte im Modell vor, welche eine stark unterschiedliche Beanspruchung aufweisen. Das Resultat sind signifikante Unterschiede in den Ergebnissen je nach untersuchtem Regelwerk. Für einen gewählten Auswertepunkt liefert die EN 13445 das konservativste Ergebnis. Ihr Ermüdungswiederstand beträgt nur 32% des Ermüdungswiderstandes nach EN 13001. Die IIW- und die FKM-Richtlinie sowie die EN 1993 liefern ähnliche Widerstände, welche 42% bis 47% des Ermüdungswiderstandes der EN 13001 betragen. Der Hauptgrund für diese hohen Abweichungen ist der in der EN 13001 nicht berücksichtigte Blechdickenkorrekturfaktor sowie das Entfallen des positiven Einflusses auf den Ermüdungswiderstand des Spannungsarmglühens in der EN 13445. Diese Arbeit stellt eine Grundlage für die Entwicklung eines einheitlichen Ansatzes zur Bewertung Schweißverbindungen aus Stahl in Zusammenhang mit einer FEM-Berechnung dar.

AB - Diese Arbeit untersucht die Ermüdungsfestigkeit geschweißter Strukturen auf Basis gängiger Regelwerke und Normen, wie IIW-Richtlinie, FKM-Richtlinie, EN 13001, EN 13445 und EN 1993. Die IIW-Richtlinie enthält Empfehlungen zur Bewertung der Ermüdungsfestigkeit geschweißter Strukturen aus Stahl. Ihr umfassender Kerbfallkatalog bildet die Basis für die Kataloge anderer Normen. Die FKM-Richtlinie bietet ein allgemeines Verfahren zur Bewertung der statischen und der Ermüdungsfestigkeit von stab- und plattenförmigen Bauteilen im Maschinenbau. Die EN 13001 beinhaltet alle Vorgaben für die Auslegung von Kranen, während die EN 13445 Vorgaben für unbefeuerte Druckbehälter vorgibt. Die EN 1993 regelt die statische und dynamische Bemessung von Stahltragwerken. Erstes Ziel der Arbeit ist es, Unterschiede in den Einflussfaktoren auf den Ermüdungswiderstand, in der Beanspruchung und den Sicherheitskonzepten dieser Normen festzuhalten. Zweitens werden anhand der Finite-Elemente-Methode (FEM) die ermüdungsrelevanten Spannungen an einem Bauteil unter definierter Last ermittelt und die entsprechenden Nachweise der Ermüdungsfestigkeit sowohl mit der Software IBF-Fatigue als auch analytisch an einer bestimmten Stelle des Bauteils erbracht. Es werden abschließend die festgelegten Ermüdungswiderstände quer zur Schweißnahtrichtung der Normen verglichen und nach Größe gereiht. Für die Untersuchungen wurde das FE-Schalenmodell eines Pressen-Unterholms einer hydraulischen Presse mit 20 000 kN Presskraft verwendet. Die Blechstärken reichen von 40 bis zu 242 mm und es kommen mehrere Stumpf- und K-Nähte im Modell vor, welche eine stark unterschiedliche Beanspruchung aufweisen. Das Resultat sind signifikante Unterschiede in den Ergebnissen je nach untersuchtem Regelwerk. Für einen gewählten Auswertepunkt liefert die EN 13445 das konservativste Ergebnis. Ihr Ermüdungswiederstand beträgt nur 32% des Ermüdungswiderstandes nach EN 13001. Die IIW- und die FKM-Richtlinie sowie die EN 1993 liefern ähnliche Widerstände, welche 42% bis 47% des Ermüdungswiderstandes der EN 13001 betragen. Der Hauptgrund für diese hohen Abweichungen ist der in der EN 13001 nicht berücksichtigte Blechdickenkorrekturfaktor sowie das Entfallen des positiven Einflusses auf den Ermüdungswiderstand des Spannungsarmglühens in der EN 13445. Diese Arbeit stellt eine Grundlage für die Entwicklung eines einheitlichen Ansatzes zur Bewertung Schweißverbindungen aus Stahl in Zusammenhang mit einer FEM-Berechnung dar.

KW - Fatigue Resistance

KW - Welded Structures

KW - EN 1993

KW - EN 13001

KW - EN 13445

KW - IIW Guidline

KW - FKM Guidline

KW - Finite Element Analysis

KW - Ermüdungsfestigkeit

KW - Schweißverbindungen

KW - EN 1993

KW - EN 13001

KW - EN 13445

KW - IIW-Richtlinie

KW - FKM-Richtlinie

KW - Methode der finiten Elemente

U2 - 10.34901/mul.pub.2026.114

DO - 10.34901/mul.pub.2026.114

M3 - Masterarbeit

ER -