Wie wird die Ermüdungsfestigkeit einer Schweißkonstruktion berechnet?

Michael · 30 Sep. 2026

Die Ermüdungsfestigkeit einer Schweißkonstruktion wird berechnet, indem die auftretenden Spannungsschwingbreiten den zulässigen Werten aus normierten Wöhlerlinien gegenübergestellt werden. Dabei spielen die Kerbwirkung der Schweißnaht, das Spannungsverhältnis und die Bauteilgeometrie eine entscheidende Rolle. Die folgenden Abschnitte beantworten die wichtigsten Einzelfragen, die Ingenieure bei der Betriebsfestigkeitsberechnung von Schweißverbindungen beschäftigen.

Welche Normen gelten für die Berechnung der Ermüdungsfestigkeit von Schweißkonstruktionen?

Für die Berechnung der Ermüdungsfestigkeit von Schweißkonstruktionen sind in Europa vor allem die Normen EN 1993-1-9 (Eurocode 3 für Stahlbau), die IIW-Empfehlungen des International Institute of Welding sowie die FKM-Richtlinie maßgebend. Welche Norm anzuwenden ist, hängt von der Branche, dem Werkstoff und den vertraglichen Anforderungen des Projekts ab.

Im allgemeinen Maschinenbau ist die FKM-Richtlinie weit verbreitet, weil sie eine strukturierte Vorgehensweise für den Festigkeitsnachweis unter schwingender Belastung bietet und sowohl statische als auch dynamische Nachweise abdeckt. Im Stahlbau und Kranbau gilt der Eurocode 3 zusammen mit EN 13001 als Referenz. Die IIW-Empfehlungen werden besonders dann herangezogen, wenn internationale Projekte oder spezifische Schweißnahtklassifizierungen eine einheitliche Grundlage erfordern.

Für drucktragende Bauteile wie Behälter und Rohrleitungen kommen zusätzlich die AD-2000-Merkblätter oder die ASME-Normen zum Einsatz. Projektleiter in der Anlagenplanung sollten frühzeitig festlegen, welches Regelwerk für ihr Vorhaben verbindlich ist, da die zulässigen Spannungsamplituden und Sicherheitsbeiwerte zwischen den Normen teils erheblich voneinander abweichen.

Was ist das Kerbfallkonzept und wie wird es bei Schweißnähten angewendet?

Das Kerbfallkonzept ordnet jede Schweißnahtgeometrie einer definierten Kerbfallklasse zu, die einer bestimmten Dauerfestigkeitsamplitude bei zwei Millionen Lastwechseln entspricht. Diese Klasse wird in der Regel als FAT-Wert angegeben und berücksichtigt die geometrische Kerbwirkung der Naht, ohne dass eine detaillierte lokale Spannungsanalyse erforderlich ist.

In der Praxis wählt der Ingenieur den Kerbfall anhand von Katalogen, die in den einschlägigen Normen enthalten sind. Entscheidend sind dabei die Nahtart (Stumpf- oder Kehlnaht), die Belastungsrichtung relativ zur Naht, die Nahtqualität und die Schweißposition. Ein Stumpfstoß mit beidseitiger Durchschweißung und geprüfter Qualität erreicht zum Beispiel einen höheren FAT-Wert als eine einseitig geschweißte Kehlnaht an einem Ausschnitt.

Die Kerbwirkung der Schweißnaht geht damit implizit in die Berechnung ein. Das Nennspannungskonzept, auf dem der Kerbfallansatz basiert, ist rechnerisch effizient und für Standardgeometrien gut abgesichert. Bei komplexen oder ungewöhnlichen Nahtgeometrien stößt es jedoch an Grenzen, weshalb dann das Strukturspannungskonzept oder das Kerbspannungskonzept verwendet wird.

Wie werden Spannungsschwingbreite und Spannungsverhältnis bei Schweißverbindungen ermittelt?

Die Spannungsschwingbreite ist die Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Nennspannung in einem Lastzyklus. Das Spannungsverhältnis R ergibt sich als Quotient aus Minimalspannung und Maximalspannung. Beide Größen werden aus der Lastgeschichte des Bauteils abgeleitet, die entweder aus Messungen, Lastannahmen der zugehörigen Norm oder aus einer dynamischen Systemanalyse stammt.

Bei Schweißkonstruktionen ist das Spannungsverhältnis besonders relevant, weil Schweißnähte in der Regel hohe Zugeigenspannungen aufweisen. Diese Eigenspannungen können die effektive Mittelspannung im Betrieb so weit anheben, dass selbst Drucklastanteile als zugdominiert wirken. Viele Normen empfehlen deshalb, bei nicht spannungsarm geglühten Schweißkonstruktionen mit einem Spannungsverhältnis von R = 0,5 zu rechnen, unabhängig von der tatsächlichen äußeren Belastung.

Liegt eine variable Amplitude vor, also ein Betriebslastkollektiv statt einer konstanten Schwingbreite, muss die Schadensakkumulation nach der Palmgren-Miner-Regel berechnet werden. Dabei wird jede Schwingspielgruppe des Kollektivs separat bewertet, und die Teilschädigungen werden aufsummiert. Erreicht die Summe den Wert eins, ist die rechnerische Lebensdauer erschöpft.

Wie wird die Wöhlerlinie für eine Schweißkonstruktion bestimmt?

Die Wöhlerlinie einer Schweißkonstruktion wird in der Regel nicht experimentell ermittelt, sondern aus normierten Kerbfallkurven abgeleitet. Jeder Kerbfall definiert eine eigene Wöhlerlinie mit festgelegter Neigung und Dauerfestigkeitsgrenze, die auf statistisch abgesicherten Versuchsdaten vieler Schweißproben basiert.

Die Kurven verlaufen typischerweise mit einer Neigung von m = 3 im Zeitfestigkeitsbereich (unterhalb von etwa fünf Millionen Lastwechseln). Oberhalb dieser Grenzlastwechselzahl wird in manchen Normen eine abflachende Neigung angesetzt, in anderen gilt die Dauerfestigkeit als konstant. Für Betriebslastkollektive mit vielen kleinen Schwingbreiten ist diese Unterscheidung rechnerisch bedeutsam.

Wenn experimentelle Daten für einen spezifischen Nahttyp vorliegen, können diese statistisch ausgewertet und als projektspezifische Wöhlerlinie verwendet werden. Das setzt jedoch einen ausreichend großen Stichprobenumfang und eine normgerechte Auswertung nach dem Überlebenswahrscheinlichkeitsprinzip voraus. In der industriellen Praxis ist die Ableitung aus Normkurven der weitaus häufigere Weg.

Wann ist eine FEM-basierte Ermüdungsberechnung von Schweißkonstruktionen notwendig?

Eine FEM-basierte Ermüdungsberechnung von Schweißkonstruktionen ist dann notwendig, wenn die Bauteilgeometrie zu komplex ist, um Nennspannungen analytisch zu bestimmen, oder wenn lokale Spannungskonzentrationen an Schweißnähten gezielt bewertet werden sollen. Das gilt besonders für Ausschnitte, Anschlussdetails und geometrische Diskontinuitäten, die mit einfachen Formeln nicht erfasst werden.

Im Strukturspannungskonzept liefert die FEM die Referenzspannungen an der Schweißnahtlinie, aus denen dann die Ermüdungsbewertung erfolgt. Im Kerbspannungskonzept wird das Schweißnahtmodell mit einem definierten Ersatzkerbradius versehen, und die berechnete Kerbspannung wird direkt mit einer einheitlichen Wöhlerlinie verglichen. Beide Methoden erfordern eine sorgfältige Modellierung der Nahtgeometrie und der Randbedingungen.

Für Anlagenkomponenten mit hoher Sicherheitsrelevanz, wie drucktragende Bauteile oder dynamisch hochbelastete Tragstrukturen, ist die FEM-gestützte Betriebsfestigkeitsanalyse oft nicht nur sinnvoll, sondern normativ gefordert. Sie erlaubt es, Schwachstellen im Entwurf frühzeitig zu identifizieren und konstruktive Anpassungen gezielt vorzunehmen, bevor Prototypen oder Serienteile gefertigt werden.

Welche Einflussgrößen reduzieren die berechnete Ermüdungsfestigkeit in der Praxis?

Die berechnete Ermüdungsfestigkeit einer Schweißkonstruktion wird in der Praxis durch mehrere Faktoren gemindert, die in der Normauslegung oft als Abminderungsbeiwerte oder Korrekturfaktoren berücksichtigt werden. Dazu gehören Blechdicke, Oberflächenzustand, Schweißnahtqualität, Eigenspannungen und Umgebungsbedingungen.

Der Dickeneinfluss ist besonders relevant: Bei Blechdicken über 25 Millimetern sinkt die ertragbare Spannungsamplitude, weil Kerben und Fehlstellen in dickeren Querschnitten stärker wirken. Viele Normen schreiben hier einen Abminderungsfaktor vor, der mit zunehmender Wanddicke größer wird.

Schweißnahtfehler wie Poren, Bindefehler oder Kantenversatz erhöhen die lokale Kerbwirkung erheblich und können die Ermüdungsfestigkeit gegenüber dem Normwert deutlich absenken. Deshalb sind Fertigungsqualität und Schweißnahtprüfung direkt mit dem rechnerischen Nachweis verknüpft: Ein höherer Kerbfall setzt eine entsprechend geprüfte Nahtqualität voraus.

Korrosion und erhöhte Betriebstemperaturen wirken ebenfalls mindernd. In korrosiver Umgebung entfällt die Dauerfestigkeit praktisch vollständig, weil Korrosionsgrübchen als Rissausgangspunkte wirken. Für solche Betriebsbedingungen muss die Ermüdungsberechnung konservativere Annahmen treffen oder durch Schutzmaßnahmen ergänzt werden.

Wie CE-SYS Engineering bei der Ermüdungsberechnung von Schweißkonstruktionen unterstützt

Die Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen zuverlässig nachzuweisen, erfordert sowohl Normkenntnis als auch Erfahrung in der numerischen Modellierung. CE-SYS Engineering führt für Unternehmen im Maschinen- und Anlagenbau vollständige Betriebsfestigkeitsnachweise für Schweißkonstruktionen durch, von der Lastermittlung bis zum normativen Nachweis.

Das Leistungsangebot umfasst:

Ermüdungsberechnung nach FKM-Richtlinie, Eurocode 3, IIW-Empfehlungen und weiteren Regelwerken
FEM-basierte Schweißnahtbewertung mit Nennspannungs-, Strukturspannungs- und Kerbspannungskonzept
Kollektivberechnung und Schadensakkumulation nach Palmgren-Miner für variable Betriebslasten
Identifikation kritischer Nahtbereiche und konstruktive Optimierungsempfehlungen
Nachweisführung für drucktragende Bauteile und sicherheitsrelevante Tragstrukturen

Technische Projektleiter, die eine fundierte Betriebsfestigkeitsanalyse für ihre Schweißkonstruktion benötigen, können über die Kontaktseite von CE-SYS Engineering direkt Kontakt aufnehmen und ihr Projekt unverbindlich besprechen.