Instandsetzung von Stahlbrücken Werkstoffkundliche Probleme bei der schweißtechnischen Verarbeitung von Stählen an Brückenbauwerken von 1850 bis heute

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1 Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH Instandsetzung von Stahlbrücken Werkstoffkundliche Probleme bei der schweißtechnischen Verarbeitung von Stählen an Brückenbauwerken von 1850 bis heute Dr.-Ing. G. Winkel Brückenbautag Linstow

2 Gliederung 1. Kurzvorstellung SLV M-V GmbH 2. Historie - Anwendung von Eisen und Stahl 3. Brücken aus Eisenwerkstoffen historische Bauwerke 4. Altstähle und ihre metallurgischen Besonderheiten 5. Stahlbrücken aus voll beruhigt vergossenen Stählen ab ca Moderne Stahlbaukonstruktionen und heutige Herausforderungen 7. Zusammenfassung Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 2

3 1. Kurzvorstellung SLV M-V GmbH 10 SLVen in Deutschland 6 Niederlassungen der GSI 4 kooperierende Einrichtungen Geschäftsfelder Aus- und Weiterbildung Qualitätssicherung/Bauüberwachung Werkstofftechnik Forschung- und Entwicklung 3

4 1. Kurzvorstellung SLV M-V GmbH Standorte der SLV M-V GmbH Rostock Greifswald Alter Hafen Süd 4 Herrenhufenstr. 12/ Rostock Greifswald Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 4

5 1. Kurzvorstellung SLV M-V GmbH Aufgaben der SLV Aus- und Weiterbildung / kundenspezifische Schulungen Betriebszulassungen Bauüberwachungen Stahlbau, Offshore Beratung zu schweißtechnischen Problemstellungen Beratung zu werkstofftechnischen Problemstellungen Unterstützung bei der Planung schweißtechnischer Projekte Auswahl von Firmen wer darf was schweißen, wer hat welche Zulassung Materialprüfungen, Verfahrensprüfungen Materialabnahmen für Bauwerke im Stahl-/Walzwerk Zerstörungsfreie Werkstoffprüfungen Schadensanalysen. Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 5

6 2. Historie - Anwendung von Eisen und Stahl Eisensäule in Delhi Innenhof der Quwwat-ul-islam-Moschee im Qutb-Komplex (Alter > 1700 Jahre) 98 % reines Schmiedeeisen ca. 1% Phosphor Höhe 7,21 m (davon 1,12 m im Boden) Gewicht 6,5 t Durchmesser unten 42 cm Durchmesser oben 30 cm Herstellung vermutlich durch Hammerschweißen Säule rostet nicht Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 6

7 2. Historie - Anwendung von Eisen und Stahl Metalle für Kriegswaffen Bronze / z.t. 3000v.Ch. Eisen Stahl (Damaszener Stahl) Bilder: Wikipedia / Herrmann Historica Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 7

8 3. Brücken aus Eisenwerkstoffen historische Bauwerke Iron Bridge bei Coalbrookdale 1779 England (Gusseisen) Eisenbahnbrücke über den Firth of Forth bei Edinburgh, 1890 (Siemens-Martin-Stahl) Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 8

9 3. Brücken aus Eisenwerkstoffen historische Bauwerke Meiningenbrücke, verbindet die Halbinsel Zingst mit dem Festland, Bj Brücke Karnin, Bj Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 9

10 3. Brücken aus Eisenwerkstoffen historische Bauwerke Hubbrücke Plau am See, Bj Geschweißte Straßenbrücke (Belgien) Baujahr 1937, eingestürzt 1938 Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 10

11 4. Altstähle und ihre metallurgischen Besonderheiten Begriff Altstahl Stähle aus der Zeit zwischen 1850 und unberuhigt vergossen Schweißeisen Puddelstahl Si- Stahl Flußeisen/Flußstahl beruhigt vergossen Baustahl DIN 1612 (1924) Baustahl DIN (1966) Baustahl DIN EN Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 11

12 4. Altstähle und ihre metallurgischen Besonderheiten Puddelstahl eine Hauptherstellungsmethode (Flammenofen mit oxidierender Atmosphäre) im 19. Jahrhundert, wurde bis ca hergestellt Flussstahl ab ca /1880 danach mit steigender Tendenz hergestellt Bessemerstahl Siemens-Martin-Stahl Thomasstahl verdrängte den Puddelstahl bis Mitte der 1920er Jahre des letzten Jahrhunderts grundsätzlich unberuhigt vergossener Flussstahl, danach zusätzlich halbberuhigt und ab Mitte der 1930 Jahre Erzeugung beruhigt vergossene Stähle Siliziumstahl ein Ende der 1920er Jahre kurzzeitig hergestellter Stahl höhere Festigkeit sollte über einen hohen Si-Gehalt erreicht werden Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 12

13 4. Altstähle und ihre metallurgischen Besonderheiten Auswirkungen auf die Schweißeignung Phosphor P hohe Gehalte an P z.b. in Puddelstahl führen zu Kaltbrüchigkeit Schwefel S hohe Gehalte an S führen zu Heißrissigkeit Stickstoff N hohe Gehalte an N führen zur Alterung des Stahls Schlackeeinschlüsse bewirken Rissgefahr Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 13

14 4. Altstähle und ihre metallurgischen Besonderheiten Desoxidation von Stählen unberuhigt vergossen (neu: FU) ohne die Desoxidationsmittel Si und/oder Al beruhigt vergossen (halbberuhigt) (neu: FN) Desoxidation mit 0,20 % Si oder 0,02 % Al besonders beruhigt vergossen (neu: FF) (auch vollberuhigt, sonderberuhigt) Desoxidation mit 0,20 % Si und 0,02 % Al Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 14

15 4. Altstähle und ihre metallurgischen Besonderheiten Baumann-Abdruck von einem Träger aus Altstahl Altstähle typische Merkmale - geringe C-Gehalte - i.d.r. unberuhigt vergossen - Seigerungszonen - Speckschicht - hohe P- und/oder S-Gehalte - hohe N-Gehalte - Schlacken (großvolumig oder fein verteilt) Schweißeignung? sollte individuell bestimmt werden Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 15

16 4. Altstähle und ihre metallurgischen Besonderheiten T-Träger aus Puddelstahl (ca. 1890) C 0,006% Mn 0,12% Si 0,24% P 0,25% S 0,016% Al 0,009% N 0,009% Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 16

17 4. Altstähle und ihre metallurgischen Besonderheiten Schmiedeeisen, ca Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 17

18 4. Altstähle und ihre metallurgischen Besonderheiten Empfehlungen für die Sanierung von Bauwerken vor ) Probenentnahme zum Nachweis der chemischen Zusammensetzung, der mechanischen Eigenschaften und der Gefügeausbildung (sogenannte Altstahluntersuchung) Umfang: Bestimmung der chemischen Zusammensetzung inkl. Stickstoff im Rand- und im Mittenbereich des Profils/Bleches Bestimmung der mechanischen Eigenschaften im Zugversuch Bestimmung der Kerbschlagarbeit bei Raumtemperatur Baumannabdruck Mikroskopische Untersuchung in Längs- und Querrichtung 2) Basierend auf den Ergebnissen Empfehlung, ob eine schweißtechnische Verarbeitung möglich ist (z.b. wie und wo kann geschweißt werden / welche Schweißprozesse sollten angewendet werden) Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 18

19 4. Altstähle und ihre metallurgischen Besonderheiten Erlaß I. 15 D /III.2010.A. vom 15. September 1913: Prüfung von Brückenbaustoffen Vereinigte Preussische und Hessische Staatseisenbahnen (Hrsg.): Zusammenstellung allgemeiner Erlasse über eiserne Brücken und Dächer zum Dienstgebrauch. Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 19

20 4. Altstähle und ihre metallurgischen Besonderheiten Erlaß I. 15 D /III.2010.A. vom 15. September 1913: Prüfung von Brückenbaustoffen Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 20

21 5. Stahlbrücken aus vollberuhigt vergossenen Stählen Einsatz der vollberuhigt vergossenen Stähle führte zu verbesserter Stahlqualität und Verbesserung der schweißtechnischen Verarbeitung vollberuhigt vergossene Stähle sind schweißgeeignet Problem: Terrassenbruchgefahr bei Beanspruchung in Dickenrichtung Ursache: Beanspruchung des Materials in Blechdickenrichtung bei Vorhandensein von langgestreckten Mangansulfiden MnS Zugspannungen Zugeigenspannungen durch Schweißen MnS Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 21

22 5. Stahlbrücken aus vollberuhigt vergossenen Stählen Vermeidung von Terrassenbrüchen DAST 014 (1981) DIN EN Tabelle 3.2 Ermittlung der erforderlichen Z-Güte (Z15, Z25, Z35) nach DIN EN (Z Brucheinschnürung in Blechdickenrichtung) Dopplungsprüfung ergänzt - ersetzt keine Prüfung der Z-Güte Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 22

23 5. Stahlbrücken aus vollberuhigt vergossenen Stählen DIN EN Tabelle 3.2 Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 23

24 5. Stahlbrücken aus vollberuhigt vergossenen Stählen DIN EN Tabelle 3.2 Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 24

25 5. Stahlbrücken aus vollberuhigt vergossenen Stählen Bestimmung der Z-Güte nach DIN EN für Dicken von 15 mm bis 400 mm an Stählen mit einem festgelegten Mindestwert der oberen Streckgrenze ReH oder der Dehngrenze Rp0,2 960 MPa Güteklasse Mittelwert aus 3 Versuchen Brucheinschnürung in % kleinster zulässiger Einzelwert Z Z Z Stähle Z-Werte 0% bis 50% Stähle nach DIN EN ff Z-Werte bis 80% Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 25

26 5. Stahlbrücken aus vollberuhigt vergossenen Stählen Terrassenbruch an einer Stahlkonstruktion aus den 1970er Jahren Schweißnaht REM-Aufnahme des aufgebrochenen Risses WEZ Rissverlauf entlang der Mangansulfide Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 26

27 5. Stahlbrücken aus vollberuhigt vergossenen Stählen voll beruhigt vergossener Stahl H52.3 nach TGL 7960 Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 27

28 5. Stahlbrücken aus vollberuhigt vergossenen Stählen Empfehlungen für die Sanierung von Bauwerken aus der Zeit zwischen ) Sichtung der vorhandenen Materialzertifikate zur Feststellung der Stahlgüte falls Dokumente vorliegen 2) Probenentnahme zum Nachweis der chemischen Zusammensetzung, der mechanischen Eigenschaften (auch Z-Güte) und der Gefügeausbildung 3) Festlegung des Sanierungskonzeptes unter Berücksichtigung schweißtechnischer Belange Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 28

29 6. Moderne Stahlbaukonstruktionen und heutige Herausforderungen Werkstoffe für Brücken nach ZTV-ING DIN EN bis DIN EN DIN EN DIN EN Festigkeitsklassen: S235, S355, S460 tragende Bauteile von Brücken: Gütegruppen JR und J0 nicht erlaubt 1) Stähle nach diesen Normen sind schweißgeeignet 2) Stähle nach diesen Normen sind beruhigt vergossen (Stähle nach DIN EN ff - unberuhigt nicht zulässig) 3) wenn Z-Güte erforderlich ist, sollte der Nachweis möglichst bereits im Stahlwerk erbracht werden Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 29

30 6. Moderne Stahlbaukonstruktionen und heutige Herausforderungen Schweißtechnische Probleme bei der Verarbeitung aktueller Stähle? Ausgebildete Schweißer handwerkliche Mängel? Schweißen in Zwangspositionen? Lieferzustand des Stahls? (+AR; +N; +M) Wärmeführung / Vorwärmung abgestimmt auf die Schweißaufgabe? Schweißen unter Last? Schweißen in kaltverformten Bereichen? Aufhärtung Rissbildung Grobkornbildung / Zähigkeitsverlust Wasserstoffinduzierte Risse Risse nach dem Feuerverzinken. Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 30

31 6. Moderne Stahlbaukonstruktionen und heutige Herausforderungen Werkstoff: Lean Duplex Pasarela del Arganzuela - Brücke über den Manzanares-Fluss in Madrid Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 31

32 7. Zusammenfassung Sanierung von bestehenden Brückenbauwerken setzt Kenntnisse über den verwendeten Stahl und seine Eigenschaften voraus Herstellungsjahr des Materials berücksichtigen falls eine schweißtechnische Verarbeitung vorgesehen ist muss Schweißeignung festgestellt werden (Alt-)Stahluntersuchung Sanierungskonzept sollte auf den Werkstoff und seine Besonderheiten abgestimmt werden ggf. Berücksichtigung anderer Verbindungsverfahren (Schrauben, Nieten) Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 32

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH Alter Hafen Süd Rostock GERMANY Tel.: Fax: Kontakt: Dr.-Ing. Gerlinde Winkel (IWE) winkel@slv-rostock.de Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 33