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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

18.02.2016

Brückenbautag Linstow

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 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. 1950

6. Moderne Stahlbaukonstruktionen und heutige

Herausforderungen

7. Zusammenfassung


Geschäftsfelder

Aus- und Weiterbildung

Qualitätssicherung/Bauüberwachung

Werkstofftechnik

Forschung- und Entwicklung

10 SLVen in Deutschland

6 Niederlassungen der GSI

4 kooperierende Einrichtungen

3


Standorte der SLV M-V GmbH

Rostock Greifswald

Alter Hafen Süd 4 Herrenhufenstr. 12/13

18055 Rostock 17489 Greifswald

www.slv-rostock.de




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

….



http://wikipedia.de

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

Eisensäule in DelhiInnenhof der Quwwat-ul-islam-Moschee im Qutb-Komplex (Alter > 1700 Jahre)


Bilder: Wikipedia / Herrmann Historica

Metalle für Kriegswaffen

Bronze / z.T. 3000v.Ch.

Eisen

Stahl (Damaszener Stahl)



Iron Bridge bei Coalbrookdale

1779 – England

(Gusseisen)

http://www.sirenen-und-heuler.de/ironbridge-gorge-wiege-der-industrie/

Eisenbahnbrücke über den

Firth of Forth bei Edinburgh,

1890

(Siemens-Martin-Stahl)http://www.bernd-nebel.de



http://www.karninerbruecke.eu

Brücke Karnin, Bj. 1933http://www.galerie-orientation.de

Meiningenbrücke, verbindet die Halbinsel Zingst mit dem Festland, Bj. 1910



Geschweißte Straßenbrücke (Belgien)

Baujahr 1937, eingestürzt 1938

http://www.amtplau.de

Hubbrücke Plau am See, Bj. 1916




Begriff Altstahl

Stähle aus der Zeit zwischen 1850 und 1950

1850 1900 1950 2000

Schweißeisen

Flußeisen/Flußstahl

Baustahl DIN 1612 (1924)

unberuhigt vergossen

beruhigt vergossen

Puddelstahl

Baustahl DIN 17100

(1966)Baustahl DIN EN 10025

Si-

Stahl


Puddelstahleine Hauptherstellungsmethode (Flammenofen mit oxidierender

Atmosphäre) im 19. Jahrhundert, wurde bis ca. 1905 hergestellt

Flussstahlab ca. 1860 /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

Siliziumstahlein Ende der 1920er Jahre kurzzeitig hergestellter Stahl

höhere Festigkeit sollte über einen hohen Si-Gehalt erreicht werden




Auswirkungen auf die Schweißeignung

Phosphor Phohe Gehalte an P z.B. in Puddelstahl führen zu Kaltbrüchigkeit

Schwefel Shohe Gehalte an S führen zu Heißrissigkeit

Stickstoff Nhohe Gehalte an N führen zur Alterung des Stahls

Schlackeeinschlüssebewirken Rissgefahr


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



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



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%




Schmiedeeisen, ca. 1800



Empfehlungen für die Sanierung von Bauwerken vor 1950

1) 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)


Erlaß I. 15 D. 14248/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.



Erlaß I. 15 D. 14248/III.2010.A.

vom 15. September 1913:

Prüfung von Brückenbaustoffen



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

Zugeigenspannungen

durch Schweißen

Zugspannungen

MnS



Vermeidung von Terrassenbrüchen

DAST 014 (1981)

DIN EN 1993-1-10 Tabelle 3.2

Ermittlung der erforderlichen Z-Güte (Z15, Z25, Z35) nach DIN EN 10164

(Z – Brucheinschnürung in Blechdickenrichtung)

Dopplungsprüfung ergänzt - ersetzt keine Prüfung der Z-Güte


Brucheinschnürung in %

Güteklasse Mittelwert aus

3 Versuchen

kleinster zulässiger Einzelwert

Z15 15 10

Z25 25 15

Z35 35 25


Bestimmung der Z-Güte nach DIN EN 10164

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

Stähle

1950-1990

Z-Werte

0% bis 50%

Stähle nach

DIN EN 10025-ff

Z-Werte

bis 80%


Terrassenbruch an einer Stahlkonstruktion aus den 1970er Jahren

Schweißnaht

WEZ

Rissverlauf entlang der Mangansulfide

REM-Aufnahme des

aufgebrochenen Risses



voll beruhigt vergossener Stahl H52.3 nach TGL 7960



Empfehlungen für die Sanierung von Bauwerken aus der Zeit

zwischen 1950 - 1990

1) 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




Herausforderungen

Werkstoffe für Brücken nach ZTV-ING

DIN EN 10025-1 bis DIN EN 10025-5

DIN EN 10210

DIN EN 10219

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 10025-ff - unberuhigt nicht zulässig)

3) wenn Z-Güte erforderlich ist, sollte der Nachweis möglichst

bereits im Stahlwerk erbracht werden


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

….


Herausforderungen



Herausforderungen

Pasarela del Arganzuela - Brücke über den Manzanares-Fluss in Madrid

Werkstoff: Lean Duplex


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)


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Schweißtechnische

Lehr- und Versuchsanstalt

Mecklenburg-Vorpommern GmbH

Alter Hafen Süd 4

18069 Rostock

GERMANY

Tel.: +49 381 811-5010

Fax: +49 381 811-5099

Kontakt:

Dr.-Ing. Gerlinde Winkel (IWE)

E-mail: [email protected]

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