Feuerverzinken im Stahl- und Verbundbrückenbau Neue Forschungsergebnisse machen den Weg frei

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1 DASt Feuerverzinken im Stahl- und Verbundbrückenbau Neue Forschungsergebnisse machen den Weg frei Vortrags-Campus BAU Dipl.-Ing. Dennis Rademacher

2 Feuerverzinken im Stahl- und Verbundbrückenbau Neue Forschungsergebnisse machen den Weg frei Motivation / Fragestellung Experimentelle Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit Nachweis der Korrosionsschutzwirkung Konstruktion und Montage Fazit und Ausblick 2

3 Motivation / Fragestellung Schäden an Brücken Wesentliche Einflussfaktoren Verkehr Zunahme der VerkehrsBelastung Höhere Anforderungen Korrosion Zunehmender Einsatz von Streusalzen führt zu Korrosion an Stahl- und Stahlbetonbrücken Quelle: RIB-Software 3

4 Motivation / Fragestellung Zustandsentwicklung nach Brückenflächen [%] Zunahme der Verkehrs- Belastung führt zu Schäden insbesondere an älteren bestehenden Bauwerken Zunehmendes Alter der Bauwerke Verschlechterung des allgemeinen Zustands Quelle: BMVI Brückenertüchtigung: Instandsetzung bestehender Brücken Neubau 4

5 Motivation / Fragestellung Ursachen für Schäden an kommunalen Straßenbrücken Bei Stahl- und Verbundbrücken dominieren Schäden infolge Korrosion: Vermehrter Einsatz von modernen, aggressiveren Tausalzen Verzögerte oder fehlende Instandhaltungsmaßnahmen am Korrosionsschutz Brücken sind Langfristobjekte mit einer vorausgesetzten Nutzungsdauer von 100 Jahren Eine organische Beschichtung muss 2-3 mal während der Nutzungsdauer einer Brücke erneuert werden hoher Unterhaltungsaufwand

6 Motivation / Fragestellung Korrosionsschutzdauer einer Feuerverzinkung Feuerverzinkung im Hochbau als langlebiger Korrosionsschutz bekannt Die Korrosionsschutzdauer einer Feuerverzinkung mit üblicher Schichtdicke und Umgebung beträgt nach bisheriger Einschätzung bis ca. 80 Jahren (abhängig von den Umgebungsbedingungen) Ständige Luftverbesserungen in den letzten Jahren führen weiter zur Verlängerung der Schutzdauer Erhebliches Einsparpotential während der Nutzung durch lebenslangen Korrosionsschutz Schutzdauer von Zinküberzügen; Quelle: Handbuch Feuerverzinken 6

7 Motivation / Fragestellung Marktanalyse der Brücken in Deutschland Stützweitenverteilung: Eisenbahnbrücken Neubau Straßenbrücken (DEGES) 90% 66% < 20 m < 30m Im kleinen und mittleren Stützweitenbereich dominieren beim Neubau Stahlverbundbrücken mit offenen Querschnitten Eignung zur Feuerverzinkung Quelle: SSF Ingenieure 7

8 Motivation / Fragestellung Korrosionsschutz für Stahl- und Verbundbrücken Kosten für den Korrosionsschutz: Neubau Herstellung Errichtung Erhalt/Instandsetzung Wartung/Inspektion Entsorgung der Beschichtung Aufbringung neuer Korrosionsschutz Kosten für Verkehrsführung und Staus Rückbau/Entsorgung Entsorgung Altmaterial Trennen der Rohstoffe Recycling Quelle: Deges Quelle: RP-Online 8

9 Motivation / Fragestellung Kostenvergleich Herstellung Korrosionsschutz anhand des Neubaus eines Wirtschaftswegs über eine Autobahn (Verbundbrücke, ca. 36m) Kosten zur Herstellung der unterschiedlichen Schutzsysteme liegt in gleicher Größenordnung (ca. 4-5 % der Gesamtkosten des Bauwerks) 9

10 Motivation / Fragestellung Kostenabschätzung während der Nutzung Feuerverzinkung bietet in einer Betrachtung über die Lebensdauer wirtschaftliche Vorteile! Zweimalige Ausbesserung und Erneuerung der organischen Beschichtung (Intervall ca. 33 Jahre) Einbezug einer eventuellen Ausbesserung der Feuerverzinkung nach ca. 80 Jahren 10

11 Motivation / Fragestellung Fragestellung Feuerverzinkte Bauwerke unterliegen vor allem in Europa bislang fast ausschließlich vorwiegend ruhender Beanspruchung Der Einfluss der Feuerverzinkung auf das Ermüdungsverhalten des Stahls war bislang unzureichend erforscht Ermüdungsnachweis nach geltender Bemessungsnorm (Eurocode 3) nicht möglich Daher: (fast) kein Einsatz der Feuerverzinkung für tragende Bauteile bei Verkehrswegebrücken mit wechselnder Beanspruchung σ σ σ 0 σ 0 Zeit 11

12 Motivation / Fragestellung Forschungsprojekt Feuerverzinken im Stahl- und Verbundbrückenbau Forschungsstellen: Fakultät Architektur u. Bauingenieurwesen Lehrstuhl Stahlbau Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH Gefördert durch: DASt 12

13 Feuerverzinken im Stahl- und Verbundbrückenbau Neue Forschungsergebnisse machen den Weg frei Motivation / Fragestellung Experimentelle Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit Nachweis der Korrosionsschutzwirkung Konstruktion und Montage Fazit und Ausblick 13

14 Ermüdungsfestigkeit Ermüdungsversuche an feuerverzinkten Proben und Bauteilen Vergleichende Kleinteil-Ermüdungsversuche, verzinkt/unverzinkt (MPA Darmstadt): Ziel: Einfluss der Feuerverzinkung auf die Ermüdungsfestigkeit Bauteil-Ermüdungsversuche an feuerverzinkten Bauteilen (TU Dortmund): Ziel: Kerbfallkatalog für die Bemessung feuerverzinkter Brücken F 14

15 Ermüdungsfestigkeit Phänomen: Einfluss der Feuerverzinkung auf die Ermüdungsfestigkeit Kerbfall 125 F R =0,05 Vergleichende Versuche an Kleinteil- Flachzugproben (unverzinkt feuerverzinkt) Statistische Auswertung nach EC Background-Document Abfall der Ermüdungsfestigkeit (besonders Dauerfestigkeit) ist erkennbar kaum Änderung für Bemessungs-Wöhlerlinie gem. EC Hier: Abminderung um 1 Kerbfall N 15

16 Ermüdungsfestigkeit Analyse der feuerverzinkten Proben η Phase ζ Phase δ 1 Phase Mikro-Risse in δ 1 Phase (bereits im Ausgangszustand direkt nach dem Feuerverzinken vorhanden) Nebenanriss, der nicht zum Versagen der Probe geführt hat Zweiter Nebenanriss, der ebenfalls bis in den Grundwerkstoff übergegangen ist Quelle: MPA Darmstadt Erkenntnis: Mikrorisse in Zinkschicht wachsen in das Grundmaterial 16

17 Ermüdungsfestigkeit Visualisierung der Ermüdungsrissinitiierung Quelle: MPA Darmstadt Hypothese: Die Risse in der δ 1 -Phase rufen eine Spannungsüberhöhung (Kerbwirkung) im Grundwerkstoff hervor, die das Wachsen des Risses in den Grundwerkstoff zur Folge haben kann. 17

18 Ermüdungsfestigkeit Überprüfung der Hypothese: Versuche mit abgebeizter Zinkschicht unverzinkt 18

19 Ermüdungsfestigkeit Überprüfung der Hypothese: Versuche mit abgebeizter Zinkschicht unverzinkt feuerverzinkt 19

20 Ermüdungsfestigkeit Überprüfung der Hypothese: Versuche mit abgebeizter Zinkschicht feuerverzinkt und abgebeizt unverzinkt feuerverzinkt Nach inhibiertem Abbeizen der Zinkschicht wird das Dauerfestigkeitsniveau der unverzinkten Referenzproben erreicht. Es gibt keinerlei Anzeichen für eine Schädigung des Grundmaterials durch den Prozess der Feuerverzinkung. Ursache liegt demnach in der Zinkschicht! 20

21 Ermüdungsfestigkeit Ermüdungsversuche an feuerverzinkten Bauteilen Kerbfall 80 Geschweißtes Detail mit größerer Kerbwirkung Hier: Keine signifikante Änderungen für die Bemessung im Vergleich zu Versuchsergebnisdaten an unverzinkten Bauteilen 21

22 Ermüdungsfestigkeit Ergebnisse: Ungeschweißte Proben MPA Darmstadt Detail Bemerkungen Kerbfall gem. EC3 unverzinkt Vorschlag Kerbfall feuerverzinkt S355J2+N, P460NH, S700MC Blech, Wasserstrahlschnitt (-1 Kerbfall) S355J2+N, Blech, abgefräste Kanten (-1 Kerbfall) S355JR+AR, Walzträger- Flansch HEB 260, Wasserstrahl S355JR+AR, Walzträger- Flansch, HEB 260, Brennschnitt (-1 Kerbfall) (-1 Kerbfall) Abminderung max. um 1 Kerbfall 22

23 Ermüdungsfestigkeit Ergebnisse: Bauteilversuche TU Dortmund Detail Bemerkungen Kerbfall gem. EC3 unverzinkt Vorschlag Kerbfall feuerverzinkt Stumpfstoß eines Walzträgers HEB 400, S355J2+M Längsnaht, Blech, S460M Brennschnitt nachbearbeitet, Blech, S460M Längsnaht über Querstoß, Blech, S460M Kopfbolzen S235J2+C450 (Schub, m=8) Quersteife in Walzträger IPE270, S355 J2+M (-1 Kerbfall) (=) (=) (=) (-1 Kerbfall) (=) 23

24 Ermüdungsfestigkeit Ergebnisse: Geschweißte Proben MPA Darmstadt /TU Dortmund Detail Bemerkungen Kerbfall gem. EC3 unverzinkt Vorschlag Kerbfall feuerverzinkt P460NH Blech, mit Stumpfstoß, plan abgeschliffen S460M, Walzträger- Flansch IPB 260, gefräste Kante, Stumpfstoß überstehend S460M, Blech, gefräste Kante, aufgeschw. Steife (-1 Kerbfall) (=) (=) Besonderheiten: P460 Blech verfehlte knapp den Kerbfall 100 Kerbfall 80 (unverzinkt) bleibt auch Kerbfall 80 für feuerverzinkten Stahl 24

25 Ermüdungsfestigkeit Fazit der Ermüdungsversuche Alle notwendigen Kerbfälle für die Anwendung bei einfachen Brücken mit offenen Profilen wurden untersucht Hoher Kerbfall (ungeschweißtes Blech) ist bei Anwendung der Feuerverzinkung abzumindern Für untersuchte niedrige Kerbfälle (bspw. 80) keine Abminderung notwendig Einfluss der Feuerverzinkung auf Ermüdungsfestigkeit niedrigerer Kerbfälle ist Gegenstand weiterer Untersuchungen unverzinkt feuerverzinkt unverzinkt = feuerverzinkt 25

26 Feuerverzinken im Stahl- und Verbundbrückenbau Neue Forschungsergebnisse machen den Weg frei Motivation / Fragestellung Experimentelle Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit Nachweis der Korrosionsschutzwirkung Konstruktion und Montage Fazit und Ausblick 26

27 Korrosionsschutzwirkung Korrosions-Schutzdauer der Feuerverzinkung (Institut für Korrosionsschutz Dresden) Messungen aktueller Zinkabtragsraten und Korrosivitäten an 6 Brückenstandorten in Deutschland Davon 4 Standorte mit Vergleichsdaten aus dem Jahr 1983 Zur Untersuchung der aktuellen Korrosivität und zur Abschätzung der aktuellen Abtragsraten wurden Standard-Proben (=Wendeln) an verschiedenen Brückenbauwerken in Deutschland ausgelagert Die Auslagerungsdauern betragen 1, 2 und 5 Jahre Beginn: Sommer

28 Korrosionsschutzwirkung Korrosions-Schutzdauer der Feuerverzinkung Prognose nach der Auswertung 2012 und 2013: Basierend auf dem an Standort A4 (Thüringen) gemessenen Zinkabtrag von r corr/zink = µm wurde für eine 100- jährige Schutzdauer die erforderliche Dicke des Zinküberzugs mit µm bestimmt. Für im Brückenbau häufig eingesetzten Stahl der Güte S355 mit meist höherem Si-Gehalt sind Schichtdicken > 200 µm problemlos erreichbar Entscheidender Einflussfaktor für den tatsächlichen Zinkabtrag mit evtl. höherer Korrosivität: Mikroklima (bspw. Tausalzsprühnebelbereich) Untersuchungen und Berechnungen belegen, dass die Feuerverzinkung unter den gefundenen atmosphärischen Belastungsbedingungen einen lebenslangen Korrosionsschutz gewährleisten kann. 28

29 Korrosionsschutzwirkung Vergleich Schutzdauer: Beschichtung Feuerverzinkung bei Korrosivitätskategorie: C4 Organische Beschichtung Theoretische Schutzdauer eines organischen Beschichtungssystems Nutzungsdauer der Brücke = 100 Jahre Eine organische Beschichtung muss 2-3 mal während der Nutzungsdauer einer Brücke erneuert werden Feuerverzinkung > 80 Jahre Nutzungsdauer der Brücke 0 = 100 Jahre Theoretische Schutzdauer einer 200 µm dicken Feuerverzinkung Die Feuerverzinkung kann die Nutzungsdauer einer Brücke überdauern 29

30 Feuerverzinken im Stahl- und Verbundbrückenbau Neue Forschungsergebnisse machen den Weg frei Motivation / Fragestellung Experimentelle Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit Nachweis der Korrosionsschutzwirkung Konstruktion und Montage Fazit und Ausblick 30

31 Konstruktion und Montage Korrosionsschutz im Bereich von Montagestößen Längenbegrenzung der Verzinkungsbecken (Länge ca m, Breite und Tiefe ca. 2,0-3,0m) führt zwangsläufig zu Fügestellen der Brückenteile ca m In Deutschland werden fast ausschließlich Schweißverbindungen für Montagestöße verwendet. Problem: Korrosionsschutz Feuerverzinkung wird örtlich im Stoßbereich zerstört Lösung: Herstellung des Baustellenstoßes mit nachträglicher Spritzmetallisierung mit Versiegelung als dauerhafter Korrosionsschutz 31

32 Konstruktion und Montage Techn. Ausführungsanweisungen für die Herstellung einer Spritzmetallisierung für Montagestöße Schweißnaht C B A A B C Spritzzink + Versiegelung Fläche C, unbearbeitete und intakte Feuerverzinkung Fläche B, gesweepte Feuerverzinkung mittlere Rautiefe bis R y5 = 40 µm (G), thermisch gespritzt > 200 µm und versiegelt Fläche A, gestrahlter Stahl Oberflächenvorbereitungsgrad: Sa 3, Rauheitsgrad: grob (G), Rautiefe bis R y5 = 85 µm (G), thermisch gespritzt > 200 µm und versiegelt ZnAl15 (DIN EN ISO 2063), Verarbeitung durch Flammspritzen + Versiegelung (ZTV ING / DIN EN ) Erwartete Schutzdauer Schutzdauer organ. Beschichtung (30 Jahre) 32

33 Konstruktion und Montage Arbeitshilfen und Merkblätter NEU: 33

34 Feuerverzinken im Stahl- und Verbundbrückenbau Neue Forschungsergebnisse machen den Weg frei Motivation / Fragestellung Experimentelle Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit Nachweis der Korrosionsschutzwirkung Konstruktion und Montage Fazit und Ausblick 34

35 Fazit und Ausblick Zusammenfassung Die positiven Eigenschaften der Feuerverzinkung hinsichtlich des Korrosionsschutzes können im Brückenbau grundsätzlich Verwendung finden. Der Nachweis gegen Werkstoffermüdung kann auf Basis des EC 3 durch wissenschaftlich abgesicherte Kerbfalldefinitionen geführt werden Der ermittelte Abfall der Ermüdungsfestigkeit verzinkter Proben gegenüber unverzinkten Referenzproben führt zu moderaten Anpassungen bei den Kerbfällen zur Bemessung Die Abminderung von der Ermüdungsfestigkeit führt in vielen Fällen zu keiner Erhöhung der Querschnitte/Stahltonnage, da im relevanten Spannweitenbereich die Ermüdung i.d.r. nicht maßgebend für die Dimensionierung ist. Die Feuerverzinkung kann unter den aktuellen atmosphärischen Bedingungen einen lebenslangen Korrosionsschutz ohne Notwendigkeit der Erneuerung bieten Stahlbrücken werden noch wirtschaftlicher und nachhaltiger 35

36 Fazit und Ausblick Ausblick: Demonstrator-Bauwerk Verlängerung der A 44 zwischen A 7 und A4 Kassel Eisenach Quelle: DEGES 36

37 Fazit und Ausblick Pilot BW 07 Referenz BW 08 Quelle: DEGES 37

38 Fazit und Ausblick Ausblick: Umsetzung der Forschungsergebnisse Demonstrator-Bauwerk Geplant: Neubau einer feuerverzinkten Brücke als Wirtschaftsweg über eine Autobahn in Hessen Planung/Ausführung: DEGES Stand: Erteilung der Zustimmung im Einzelfall (ZiE) ist erfolgt ca. 36 m Quelle: HIG, DEGES 38

39 Fazit und Ausblick Ausblick: Umsetzung der Forschungsergebnisse Demonstrator-Bauwerk Bauwerksentwurf: Quelle: HIG, DEGES 39

40 Forschungsstellen: Vielen Dank! Das IGF-Vorhaben Feuerverzinken im Stahl- und Verbundbrückenbau (FOSTA P835, IGF-Nr. 351/ZBG) der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.v. mit der Kooperation des Gemeinschaftsausschuss Verzinken e.v. (GAV) und des Deutschen Ausschuss für Stahlbau (DASt) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Fakultät Architektur u. Bauingenieurwesen Lehrstuhl Stahlbau D. Ungermann, D. Rademacher Gefördert durch: Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt M. Oechsner, R. Landgrebe, F. Simonsen Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH S. Friedrich, P. Lebelt DASt Beteiligte Stahlhersteller (Lieferung Stahl für Probekörper): Beteiligte Stahlbau-Unternehmen (Probenfertigung): Beteiligte Feuerverzinkereien (Verzinkung der Probekörper):