Feuerverzinkung im Brückenbau Vorstellung der Ergebnisse aus dem FOSTA Forschungsprojekt P835 / IGF-Nr. 351/ZBG Feuerverzinken im Stahl- und Verbundbrückenbau 23.09.2014 Bundesanstalt für Straßenwesen
- Einführung - Forschungsanlass - Stand der Technik - Bauteilversuche - Korrosionsschutzwirkung der Zinküberzüge - Feuerverzinkungsgerechte Konstruktion von Brücken - Nachhaltigkeitsberechnung von feuerverzinkten Stahlbrücken Folie Nr. 2
- Einführung - Forschungsanlass Feuerverzinken - Korrosionsschutzdauer von vielen Jahrzehnten bei vorwiegend ruhenden Stahlbauteilen - In der Regel keine Wartung bzw. Instandsetzung - Minimierung der Nutzungseinschränkung - Kosteneinsparung in dem Nutzungszeitraum des Bauwerkes Folie Nr. 3
- Einführung - Forschungsanlass - Nachweis gegen Ermüdung mit Hilfe von experimentell bestimmten Wöhlerlinien - EC 3 definiert je Konstruktionsdetail einen Kerbfall - Bislang keine wissenschaftliche Beschreibung von feuerverzinkten Konstruktionsdetails für Stahlbrücken Ziel: - Erarbeitung und Bereitstellung von Brückenbau typischen Kerbfällen für feuerverzinkte Details - Verzinkungsgerechte Gestaltung der Konstruktion - Ausbesserung von Stößen und Fehlstellen - Nachweis der Korrosionsschutzwirkung Kerbfall 125 Folie Nr. 4
Stand der Technik Folie Nr. 5
- Stand der Technik Feuerverzinken - Zahlreiche Verfahrensschritte beim Feuerverzinken - Zugabe von Legierungselementen wie Blei, Nickel und Wismut wird durch die DASt-Richtlinie 022 begrenzt - Einfluss auf Dicke und Haftfestigkeit des Zinküberzuges: Legierungselemente Silizium, Phosphor und Aluminium des zu verzinkenden Stahlwerkstoffes Zinkbadtemperatur Verzinkungsdauer Quelle: Institut für Feuerverzinken, Düsseldorf Folie Nr. 6
Bauteilversuche Folie Nr. 7
- Bauteilversuche - Untersuchung an ausgewählten Brückentypen und deren häufigsten konstruktiven Kerbdetails - Zinkbäder begrenzen die Bauteillänge bzw. -höhe auf ca. 16 17 m und 3,5 m - Verbindungen müssen nachgebessert werden Fachwerkbrücke Trogbrücke Hohlkastenbrücke Quelle: Weyer Ingenieure GmbH Quelle: Wiktionary.org WIB - Brücke Verbundbrücke Quelle: Rodgan-Bahn Quelle: Straßen NRW Folie Nr. 8
- Bauteilversuche Maßgebende Kerbdetails - Untersuchung zum Ermüdungsverhalten von Kleinteilund Bauteilähnlichen Proben Versuchsumfang - Konstante Schwingbreite - Kraftgesteuert - Versuchsdurchführung bis zum Bruch bzw. Verlust der Tragfähigkeit - Mind. 6-9 Versuche je Kerbdetail bei Bauteil-Proben - Probekörper korrespondierend zu geschweißten, brückenbautypischen Details - Feuerverzinkung nach der DASt-Richtlinie 022 Folie Nr. 9
- Bauteilversuche Bauteil-Versuchsreihe 1 - Längsnähte Prinzipskizze Probe mit Spannklötzen und Schrauben - Stahlgüte S460M - Blechdicke 12 mm (Steg) - Blechdicke 14 mm (Flansch) - Längsschweißnaht MAG-M handgeschweißt - Kerbfall 100 eingehalten - Stahlgüte S460M - Blechdicke 12 mm (Steg) - Blechdicke 14 mm (Flansch) - Längsschweißnaht MAG-M handgeschweißt - Kerbfall 100 eingehalten - Wie auch der Vergleich zu brenngeschnittenen und anschließend nachbehandelte Kanten wird der Kerbfall bestätigt Versuchsträger für Detail Längsnaht Folie Nr. 10
- Bauteilversuche Bauteil-Versuchsreihe 2 Längsnähte über Quernaht - Stahlgüte S460M - Blechdicke 12 mm (Steg) - Blechdicke 14 mm (Flansch) - Längsschweißnaht MAG-M handgeschweißt - Stumpfstoß (X-Naht) am Flansch - Kerbfall 80 eingehalten - Wie auch der Vergleich zu Stumpfstoß- Schweißnaht wird der Kerbfall 112 bestätigt Folie Nr. 11
- Bauteilversuche Bauteil-Versuchsreihe 3 Querstoß eines Walzträgers - Stahlgüte S355 J2+M - Walzprofil HE 400 B - Gesamtlänge 3 m - 4-Punkt-Biegezugversuch - Zinkschichtdicke 243,9 µm - Kerbfall 90 nicht eingehalten - Kerbfall 80 eingehalten Folie Nr. 12
- Bauteilversuche Bauteil-Versuchsreihe 4 Quersteife in Walzträger - Stahlgüte S355 J2+M - Walzprofil IPE 270 - Gesamtlänge 2,20 m - Identische Versuchsdurchführung wie Versuchsreihe 3 - Steifenblech t=15 mm - Schwingbreitenverhältnis R=0,1 - Zinkschichtdicke 291 µm - Kerbfall 80 eingehalten Folie Nr. 13
- Bauteilversuche Bauteil-Versuchsreihe 5 Kopfbolzen (Schub) - Standard Abscherversuch nach EC4-1-1 Anhang B - Trägerprofil HEB 300 - Stahlgüte S355 J2-M - Kopfbolzendübel 25x125 mm - Kerbfall 90 nicht eingehalten - Kerbfall 80 eingehalten Folie Nr. 14
- Bauteilversuche Bauteil-Versuchsreihe 5 Kopfbolzen (Schub) - Schweißstellen blank schleifen - SD-Kopfbolzen nach DIN EN ISO 13918 - Mittels Bolzenschweiß-Kompaktanlage im Hubzünderverfahren mit Keramikring aufgeschweißt - Zinkbad Klasse 1 nach DASt Ri 022 - Bei 450 C Feuerverzinkt - Tauchzeit von 9,5 Minuten Folie Nr. 15
- Bauteilversuche Ermüdungsversuche an Kleinteilproben - Vergleichende Schwingversuche unter Axialbeanspruchung an Kleinteilproben - 10 Versuchsserien - Chargengleiche Probenserien im unverzinkten Anlieferungszustand und feuerverzinkt - Baustahlgüte S355, S460 und S700 - Probenherstellung durch Wasserstrahlschneiden, Brennschneiden, Fräsen und Schweißen - Untersuchung der Kerbdetails nach EC 3-1-9 die im Brückenbau relevant sind - Feuerverzinkung gemäß DASt-Richtlinie 022 - Schwingbreitenverhältnis R=0,05 Folie Nr. 16
- Bauteilversuche Ermüdungsversuche an ungeschweißten Proben Folie Nr. 17
- Bauteilversuche Ermüdungsversuche an geschweißten Proben Nach EC 3 definierten Kerbfälle sind nicht allgemeingültig für feuerverzinkte Bauteile! Kerbfälle müssen einzeln betrachtet und ggf. um max. 1 Kerbfall bei Verwendung einer Feuerverzinkung abgemindert werden. Folie Nr. 18
- Bauteilversuche Ursachenforschung - 3-phasiger Aufbau des Zinküberzugs - Schwindungsrisse in der δ 1 - Phase - Flüssigmetallinduzierte Schädigung kann ausgeschlossen werden - Mikrorisse in der Eisen-Zink-Legierungsschicht verursachen eine mikrokerbbedingte Spannungsüberhöhung, die eine verfrühte Ermüdungsrissinitiierung zur Folge haben kann Nach Entfernen der Zinkschicht durch Beizen in Säure beinahe die selben Schwingfestigkeiten wie bei unverzinkten Bauteilen Folie Nr. 19
Korrosionsschutzwirkung der Zinküberzüge Folie Nr. 20
- Korrosionsschutzwirkung der Zinküberzüge Korrosivität an Straßenbrücken - Messung der Abtragsrate und Bestimmung der Korrosivität der Atmosphäre - Auslagerung von Probekörpern an 7 Standorten in Deutschland - Probekörper mit unlegiertem Stahl, Zink, Kupfer, Aluminium und feuerverzinktem Stahl - Positionierung unter der Brücke - Auslagerungszeiträume: 1, 2 und 5 Jahre Probekörper für die Korrosivitätsbestimmung mit Sicherungsseil an der Grund-platte Probekörperposition Innbrücke A93 bei Kiefersfelden Folie Nr. 21
Abtragsrate [μm] Feuerverzinken im Stahlbrückenbau - Korrosionsschutzwirkung der Zinküberzüge Abtragsrate - Überzugsdicke - Aufgrund der bisherigen Auslagerungszeit sind noch keine Aussagen zu Abtragungsraten über ein längeren Zeitraum vorhanden - Nach dem ersten Jahr der Auslagerung betrug die höchste Zinkabtragsrate 4,52 µm (Wirtschaftswegebrücke über die A4 in Thüringen) - Abtrag nimmt in den Folgejahren degressiv ab (Exponentialfunktion Zeit-Abtrag) - Bei einer Zinkschichtdicke von ca. 200 µm wird bei Korrosivität C4 vorrausichtlich keine Erneuerung des Korrosionsschutzsystems notwendig werden. - Das heißt: Korrosionsschutzdauer = Lebensdauer der Brücke 4 1 Jahr 3 2 2 Jahre 1 0 Mittelwerte aus 2 Messstellen Folie Nr. 22
- Korrosionsschutzwirkung der Zinküberzüge Laborbelastung - 6 Wochen Belastungsversuche - Simulieren von: Autobahnatmosphäre (Zyklentest mit 5%-igem neutralen Salzsprühnebel) Industrieatmosphäre (Zyklentest mit Kondenswasser + Schwefeldioxid (SO 2 )) Landatmosphäre (Zyklentest mit Kondenswasser + Ammoniak (NH 3 )) Folie Nr. 23
- Korrosionsschutzwirkung der Zinküberzüge Freibewitterung - Start Probenauslagerung Juli 2012 - Vergleich Feuerzinküberzug, Spritzmetallisierung und versiegelte Spritzmetallisierung - Ein Jahr an Stadtatmosphäre Dresden, Korrosivitätskategorie: C3 - Ein Jahr forcierte Belastung gemäß VDA 621-414 (Salzlösung NaCl 30 g/l) Auslagerung ein Jahr Stadtatmosphäre Dresden Auslagerung für ein Jahr forciert gemäß VDA 621-414 Folie Nr. 24
Feuerverzinkungsgerechte Konstruktion von Brücken Folie Nr. 25
- Feuerverzinkungsgerechte Konstruktion von Brücken - Vermeidung / Reduktion von Verzug infolge Eintauchvorgang in 450 C heiße Zinkschmelze - Beim Verladen die vorgesehenen Anschlagpunkte verwenden um Abplatzungen zu vermeiden - Angestrebte Schutzdauer von 100 Jahren bei Korrosivitätskategorie C4 Mindestschichtdicke von 200 µm - Die Schichtdicke der Feuerverzinkung ist abhängig von der chem. Zusammensetzung des Stahls z.b. Silizium- und Phosphorgehalt - Feuerverzinkung nach geltenden Normen und Regelwerken durchführen - Der Korrosionsschutz von Montageschweißstößen kann durch eine Spritzmetallisierung vor Ort realisiert werden - Montagestöße möglichst außerhalb der höchsten korrosiven Belastung sowie am Randbereich der Fahrbahn anordnen, um bspw. Verkehrsbeeinträchtigungen durch Korrosionsschutzwartungen zu verringern - Evtl. notwendige Vorwärmung der Bleche im Bereich der Schweißstoßes mit Heizmatten durchführen, Einsatz von Heizflamme vermeiden - Ausbesserungsstellen mit Vorbereitungsgrad P3 (EN 1090-2), Druckluftstrahlen und Sweepen vorbereiten und mit Spritzzinküberzug von 200 µm Dicke und Versiegelung versehen Folie Nr. 26
- Nachhaltigkeitsberechnung von feuerverzinkten Stahlbrücken Nachhaltigkeitsberechnung von feuerverzinkten Stahlbrücken Folie Nr. 27
- Nachhaltigkeitsberechnung von feuerverzinkten Stahlbrücken - Untersuchung zur Nachhaltigkeitsberechnung von feuerverzinkten Stahlbrücken - Aufbauend auf FOSTA P843 NaBrü, 2014 - Betrachtung der Ökobilanz, Lebenszykluskosten (LCC), externe Effekte (Umweltwirkung aus Fahrzeugbetrieb, Fahrzeugbetriebskosten und Verspätungskosten) - Untersuchung von drei Varianten - Ergebnis: Korrosionsschutz durch Feuerverzinkung ist - neben den positiven Eigenschaften der Korrosionsschutzdauer - auch günstiger in Herstellung und im Unterhalt Folie Nr. 28
- Zusammenfassung - Der Bau von feuerverzinkten Stahl- und Verbundbrücken wird durch die wissenschaftlich abgesicherte Definition von Kerbfällen für feuerverzinkte Kerbdetails (auf Basis des Eurocode 3) ermöglicht - Mit der Feuerverzinkung lässt sich ein wartungsfreier Korrosionsschutz für eine 100-jährige Nutzungsdauer einer Brücke ausführen - Feuerverzinkte Brücken bieten ein großes Einsparpotential von Kosten gegenüber organisch beschichteten Stahl- und Verbundbrücken durch wegfallende Instandhaltungsmaßnahmen - Die erzielten Forschungsergebnisse werden in einem feuerverzinkten Demonstratorbauwerk über die A44 umgesetzt Folie Nr. 29
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Das IGF-Vorhaben (351/ZBG) der Forschungsvereinigung Stahlanwendung (FOSTA) 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. Bundesanstalt für Straßenwesen