Bauen im Bestand Eigenschaften und Sprödbruchsicherheit alter Baustahlkonstruktionen

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1 Bauen im Bestand Eigenschaften und Sprödbruchsicherheit alter Baustahlkonstruktionen Gliederung 1 Einführung 2 Herstellung alter Baustähle 3 Mechanische Eigenschaften alter Baustähle 4 Identifikation der Stähle 6 Rissannahme bei vorwiegend ruhender Beanspruchung 7 Schlussbemerkungen Folie 2

2 1 Einführung Eisenbahnbrücken in Deutschland nach Bauart, Baujahr und Anzahl Anzahl Brückenbestand DB Netz (ca Bauwerke) Quelle: K. Geißler 2013 Baujahr 4% 18% 28% 25% 24% 1% Spannb. Beton WIB Verbund Stahl Gewölbe Durchschnittsalter nach Bauform Datenquelle: DB Netz AG Infrastrukturbericht Gewölbebrücken 84,6 85,3 86,3 87,3 88,1 89,3 Walzträger in Beton 62,5 63,1 63,8 64,4 65,1 65,6 Stahlbrücken 58,0 60,7 61,1 61,8 62,6 63,3 Rahmenbrücken 23,3 24,4 25,0 25,3 25,8 25,6 Stahlbetonbrücken 38,7 39,9 40,1 40,4 42,0 41,7 Sonstige Brücken 39,9 39,9 40,5 41,5 41,9 40,6 Alter gesamt 55,1 55,9 56,4 57,0 57,4 57,0 Folie 3 1 Einführung Altersstruktur der Schleusen und Wehre Schleusen Wehre 80 Jahre AnzahlderBauwerke Jahre Baujahr Datenquelle: BAW Karlsruhe 50 % der Objekte sind über 80 Jahre alt 30 % der Objekte sind über 100 Jahre alt Folie 4

3 2 Herstellung alter Baustähle Puddel-Stahl niedriger C- und Mn-Gehalt hohe S-, P- und N-Gehalte zeilige Schlackeneinschlüsse Thomas-Stahl, Bessemer-Stahl hohe P- und S-Gehalte Einblasen von Luft hoher Gehalt an N spröde Siemens-Martin-Stahl nur geringe Mengen nichtmetallischer Einschlüsse niedrigerer N-Gehalt Puddel-Ofen (1783) Bessemer-Konverter (1878) Siemens-Martin-Ofen (1864) Folie 5 2 Herstellung alter Baustähle Stahlerzeugung nach Verfahrensanteilen in Deutschland Henry Cort ( ) Henry Bessemer ( ) Sidney Gilchrist Thomas ( ) Quelle: Dissertation Lüddecke, TU Dresden / BAM 2006 Friedrich Siemens ( ), Pierre Martin ( ) Folie 6

4 2 Herstellung alter Baustähle Stahlerzeugung nach Verfahrensanteilen in Deutschland Henry Cort ( ) Henry Bessemer ( ) Sidney Gilchrist Thomas ( ) Datengrundlage: Stahlinformationszentrum 2007 Friedrich Siemens ( ), Pierre Martin ( ) Folie 7 3 Mechanische Eigenschaften alter Baustähle Stähle aus dem Zeitraum Quelle: Stahlbaukalender 2017, Datengrundlage [Reiche] 35 absolutehäufigkeit Puddelstahl Flussstahl ZugfestigkeitR m [N/mm²] Puddelstahl Flussstahl Folie 8

5 3 Mechanische Eigenschaften alter Baustähle Stähle aus dem Zeitraum Quelle: Stahlbaukalender 2017, Datengrundlage [Reiche] absolutehäufigkeit Puddelstahl Flussstahl BrucheinschnürungZ[%] Puddelstahl Flussstahl Folie 9 4 Identifikation der Stähle Chemische Analyse Baumann-Abdruck Qualitative Bestimmung des Schwefels im Querschnitt, Seigerungen Nasschemische Analyse Bestimmung einzelner Elemente, z.b. P oder Si Trägergas-Heißextraktion Bestimmung des Gehaltes an C und S bzw. N, O und H Funkenemissionsspektrometrie Bestimmung von bis zu 18 Elementen in einer Analyse (Seigerung beachten!!) Folie 10

6 4 Identifikation der Stähle Puddel-Ofen (1783) Bestimmung der Stahlsorte anhand einer chemischen Analyse Materialprobe eines Stahltragwerkes gebaut zwischen 1850 und 1950 Im Makroschliff sichtbare Einlagerungen von Schlacke C < 0,08% P > 0,1% Mn < 0,1% ja nein Bessemer-Konverter (1878) Puddelstahl Flussstahl nein Herdfrischen Stickstoff N > 0,008% Luftfrischen ja Siemens-Martin-Ofen (1864) Siemens-Martin Stahl Silizium Si > 0,08% ja nein Bessemer Stahl Thomas Stahl Zuordnung von Herstellungsverfahren anhand der chem. Analyse nach Langenberg. Folie 11 Verformung eines Bauteils mit Riss bis zum Bruch Quelle: Blumenauer; Pusch (1993) Gleitbruch mit Waben und Einschlüssen Transkristalliner Spaltbruch 1 linear-elastische Verformung 2 Ausbildung einer begrenzten plastischen Zone vor der Rissspitze (Kleinbereichsfließen) 3 plastische Verformung im Rissligament 4 ausgedehntes plastisches Fließen F aufgebrachte Last F gy plastische Grenzlast (generell yield) Aufweitung an der Rissspitze Folie 12

7 Grundbeanspruchungsarten eines Risses Spannungsintensitätsfaktor einer unendlich ausgedehnten Scheibe bei einachsiger Zugbeanspruchung: Berücksichtigung endlicher Geometrien mit Hilfe eines Geometriefaktors : Linear-elastische Bruchmechanik (LEBM) Bruchkriterium: Beginn der instabilen Rissausbreitung beim Erreichen eines Grenzwertes der Spannungsintensität Spannungsintensitätsfaktor Bruch- bzw. Risszähigkeit Folie 13 Standardrissgeometrien zur Untersuchung von Bauteilen Spannungsintensitätsfaktor K I CCT DECT SECT a) Blech mit Mittenriss (CCT) b) Blech mit symmetrischem Randriss (DECT) c) Blech mit einseitigem Randriss (SECT) Folie 14

8 Numerische Untersuchungen für Winkelprofile mit einem Niet Querschnitt d[mm] e 1 [mm] e 2 [mm] L40x L50x L60x L65x L70x L80x L90x Folie 15 Anpassung der K-Faktor-Lösung nach BALL 5,500 5,00 BALL (1987) 4,500 F,Calc 4,00 3,500 3,00 Geometriedefinition eines Winkelprofilanschlusses mit einem Niet analog zu BALL (1987) 2,500 2,500 3,00 3,500 4,00 4,500 5,00 5,500 F,FEM Folie 16

9 Anpassung der K-Faktor-Lösung nach BALL 5,500 5,00 BALL (1987) BALL (1987), modifiziert F,Calc 4,500 4,00 3,500 Geometriedefinition eines Winkelprofilanschlusses mit einem Niet analog zu BALL (1987) 3,00 2,500 2,500 2,500 3,00 3,00 3,500 3,500 4,00 4,00 4,500 4,500 5,00 5,500 5,500 F,FEM Folie 17 Bruchsicherheitsbewertung auf Basis des FAD Option 1A nach SINTAP mit Dehnung innerhalb des Lüdersplateaus nach SINTAP Quelle: Bannister, Webster (1999) Folie 18

10 Sprödbruchnachweis nach DIN EN Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurven versch. Stähle Quelle: Saal H., Volz M., Holzer S. (2005) Folie 19 Sprödbruchnachweis nach DIN EN Maximal zulässige Erzeugnisdicken t in mm nach DIN EN , Tabelle 2.1 (Auszug) Georges Augustin Albert CHARPY ( ) Folie 20

11 Sprödbruchnachweis nach DIN EN Failure Assessment Diagramm (CEGB-R6) Bruchmechanisches Modell mit Ausgangsriss Zähigkeitsanforderungen für den Grenzzustand im FAD (CEGB-R6 Option 2) Zähigkeitsanforderungen in Form einer Temperaturverschiebung der Master-Curve (Wallin) Geometrie des Ausgangsrisses 2c a 0 Zähigkeitsanforderungen als aus der Korrelation der Übergangstemperaturen (mod. Sanz- Korrelation) Folie 21 Bestimmung der Werkstoffzähigkeit alter Flussstähle durch Versuche an Materialproben aus alten Stahlhochbau-Konstruktionen verschiedener Baujahre ( ) Thomas Siemens-Martin Folie 22

12 Geometrien und Anzahlen für jede zu analysierende Werkstoffprobe Zugversuch 6 Stück Rundzugprobe B5 (Messlänge 25 mm) nach DIN 50125:2009 Kerbschlagbiegeversuch 12 Stück 0,4T-ISO-V-Probe nach DIN EN ISO 148-1:2011 Bruchmechanikversuch 10 Stück 0,5T- oder 0,25T-C(T)-Probe nach ASTM E 1820:2013 Zusätzlich Chemische und metallografische Analyse, Baumannabdruck Folie 23 Rundzugprobe B5 (DIN 50125) Kerbschlagprobe (DIN EN 10045) 0.5T-C(T)-Probe (ASTM E1820) Folie 24

13 Bestimmung der Werkstoffzähigkeit Kerbschlagbiegeversuche Bruchmechanikversuche / Master-Curve-Analyse MPam T 100 = -16 C T 27J = 38 C Folie 25 Bestimmung der Werkstoffzähigkeit Bruchzähigkeiten und Referenztemperatur für allgemeine Flussstähle Bruchzähigkeiten und Referenztemperatur für Siemens-Martin-Stähle Multimodale Auswertung des charakteristischen Wertes der Bruchzähigkeit Auswertung des charakteristischen Wertes der Bruchzähigkeit nach der Standard-Master-Curve Folie 26

14 Korrelation der Übergangstemperaturen (DIN EN ) T 100 [ C] T 100 = T 27J 18 C (± 2 ) mit = 13 K T 100 = T 27J 56 C (± 2 ) mit = 19 K T 27J [ C] Folie 27 6 Rissannahme bei vorwiegend ruhender Beanspruchung Wie tief ist die verhärtete Randzone und wie lang ist der spröde Anriss? 2W 2a Lochrandversprödung Folie 28

15 6 Rissannahme bei vorwiegend ruhender Beanspruchung Bauteildicke: 4 6 mm 8 12 mm Folie 29 7 Schlussbemerkungen Der vereinfachte Sprödbruchnachweis nach DIN EN ist für Altstahlkonstruktionen nicht möglich bzw. zu konservativ. Die modifizierte Sanz-Korrelation trifft nicht zu, die Kerbwirkungen der Konstruktionsdetails sind meist günstiger und die der Norm zugrunde liegende Rissannahme ist in vielen Fällen zu konservativ. Für Flussstähle wurden die Zähigkeitseigenschaften bestimmt und statistisch ausgewertet. Es wurden 5 %-Fraktilwerte der bruchmechanischen Zähigkeit ܭ ǡହ Ψ von allgemeinen Flussstählen und Siemens-Martin-Stählen aus dem Zeitraum zwischen 1900 und 1937 ermittelt. Weitere Informationen u. a.: Stahlbaukalender 2017 (Verlag Ernst & Sohn), Zeitschriften Stahlbau ( , ), Forschungsbericht ZukunftBau Projekt F , Dissertation Dr. Lars Sieber (TU Dresden, 2016). Folie 30

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Folie 31