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
1 Einführung Eisenbahnbrücken in Deutschland nach Bauart, Baujahr und Anzahl Anzahl 2500 2000 1500 1000 500 0 1840 Brückenbestand DB Netz (ca. 35.000 Bauwerke) Quelle: K. Geißler 2013 Baujahr 4% 18% 28% 25% 24% 1% 1855 1870 1885 1900 1915 1930 1945 1960 1975 1990 2005 Spannb. Beton WIB Verbund Stahl Gewölbe Durchschnittsalter nach Bauform Datenquelle: DB Netz AG Infrastrukturbericht 2016 2011 2012 2013 2014 2015 2016 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 50 45 40 Schleusen Wehre 80 Jahre AnzahlderBauwerke 35 30 25 20 15 100 Jahre 10 5 0 Baujahr Datenquelle: BAW Karlsruhe 50 % der Objekte sind über 80 Jahre alt 30 % der Objekte sind über 100 Jahre alt Folie 4
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 (1740-1800) Henry Bessemer (1813-1898) Sidney Gilchrist Thomas (1850-1885) Quelle: Dissertation Lüddecke, TU Dresden / BAM 2006 Friedrich Siemens (1826-1904), Pierre Martin (1824-1915) Folie 6
2 Herstellung alter Baustähle Stahlerzeugung nach Verfahrensanteilen in Deutschland Henry Cort (1740-1800) Henry Bessemer (1813-1898) Sidney Gilchrist Thomas (1850-1885) Datengrundlage: Stahlinformationszentrum 2007 Friedrich Siemens (1826-1904), Pierre Martin (1824-1915) Folie 7 3 Mechanische Eigenschaften alter Baustähle Stähle aus dem Zeitraum 1850-1940 Quelle: Stahlbaukalender 2017, Datengrundlage [Reiche] 35 absolutehäufigkeit 30 25 20 15 10 5 Puddelstahl Flussstahl 0 250 270 290 310 330 350 370 390 410 430 450 470 490 ZugfestigkeitR m [N/mm²] Puddelstahl Flussstahl Folie 8
3 Mechanische Eigenschaften alter Baustähle Stähle aus dem Zeitraum 1850-1940 Quelle: Stahlbaukalender 2017, Datengrundlage [Reiche] absolutehäufigkeit 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Puddelstahl Flussstahl 10 20 30 40 50 60 70 80 90 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
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
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
Numerische Untersuchungen für Winkelprofile mit einem Niet Querschnitt d[mm] e 1 [mm] e 2 [mm] L40x4 12...14 20...25 17...20 L50x5 12...17 20...25 20...25 L60x6 16...21 25...30 25...30 L65x7 16...24 30...35 30...35 L70x7 16...24 30...35 30...35 L80x8 20...26 35...40 35...40 L90x9 26...29 40...50 40...45 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
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
Sprödbruchnachweis nach DIN EN 1993-1-10 Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurven versch. Stähle Quelle: Saal H., Volz M., Holzer S. (2005) Folie 19 Sprödbruchnachweis nach DIN EN 1993-1-10 Maximal zulässige Erzeugnisdicken t in mm nach DIN EN 1993-1-10, Tabelle 2.1 (Auszug) Georges Augustin Albert CHARPY (1865-1945) Folie 20
Sprödbruchnachweis nach DIN EN 1993-1-10 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 (1900 1930) Thomas Siemens-Martin Folie 22
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
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
Korrelation der Übergangstemperaturen (DIN EN 1993-1-10) 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
6 Rissannahme bei vorwiegend ruhender Beanspruchung Bauteildicke: 4 6 mm 8 12 mm Folie 29 7 Schlussbemerkungen Der vereinfachte Sprödbruchnachweis nach DIN EN 1993-1-10 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 (2016-12, 2017-08), Forschungsbericht ZukunftBau Projekt F20-12-1-054, Dissertation Dr. Lars Sieber (TU Dresden, 2016). Folie 30
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