Zur Bewertung und Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von Stahl- und Verbundbrücken

Abstract

Tragwerke wie Brücken unterliegen der Werkstoffermüdung unter zeitlich veränderlichen, häufig wiederholten Beanspruchungen. Um der Materialermüdung entgegenzuwirken und die Bauteillebensdauer zu verlängern, werden neue Tragwerke ermüdungsoptimiert konstruiert und Kerben wie Schweißnähte nach Möglichkeit zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit nachbehandelt. Durch den Einsatz von höchstfesten Stählen in Kombination mit einer Schweißnahtnachbehandlung durch höherfrequente Hämmerverfahren können zusätzlich Ressourcen durch einen effizienteren Materialeinsatz geschont werden. Der Anschluss von außen- und innenliegenden geschlitzten Rohrdiagonalen mittels eingestecktem Knotenblech stand in der Diskussion hinsichtlich des ermüdungsoptimierten Konstruierens. Dieses Anschlussdetail wird überwiegend bei Stahl- und Verbundbrücken mit mittelgroßen Spannweitenbereichen und einer Ausführung des Überbaus als Hohlkastenquerschnitt zur Queraussteifung im Inneren des Stahlhohlkastens oder auch zur Unterstützung der auskragenden Fahrbahnplatten realisiert. Verschiedene Ausführungsvarianten weisen unterschiedliche Kerben auf und sind nicht klar in DIN EN 1993-1-9 oder DIN EN 1993-2 geregelt. Für eine nachhaltige Ausführung des Anschlusses mit dem Ziel einer höheren Ermüdungsfestigkeit und folglich einer längeren Bauteillebensdauer bestand Forschungsbedarf. Dabei war neben dem ermüdungsoptimierten Konstruieren eine praxisgerechte und wirtschaftliche Fertigung wichtig. In dieser Arbeit werden Kerbfallempfehlungen für Diagonalrohr-Anschlüsse im Stahl- und Verbundbrückenbau mit der Bewertung der Ermüdungsfestigkeit, einem Normenvorschlag auf europäischer Ebene für FprEN 1993-1-9 und einem Vorschlag für die Planungshilfen für Stahl- und Stahlverbundbrücken RE-ING für einen breiteren Anwendungsbereich gegeben. Durch experimentelle Untersuchungen konnte die Ermüdungsfestigkeit anhand von Nennspannungswöhlerlinien bestimmt und numerische Modelle für eine Parameterstudie validiert werden. Unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit steht auch der ressourcenschonende Einsatz von Materialien durch reduzierte Blechdicken in Verbindung mit höchstfesten Baustählen. Bei ermüdungsbeanspruchten Konstruktionen wie bei Brücken wird der Ermüdungsnachweis für die Bemessung gegenüber der statischen Tragfähigkeit maßgebend. In Verbindung mit einer Schweißnahtnachbehandlung wie den höherfrequenten Hämmerverfahren (HFH) kann die Ermüdungsfestigkeit von Schweißkonstruktionen in Abhängigkeit der Werkstofffestigkeit gesteigert werden. Um das volle Potential von höchstfesten Baustählen mit Stahlsorten bis S960 für eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit nutzen zu können, ist eine Erweiterung der bestehenden DASt-Richtlinie 026, die aktuell für Stahlsorten bis S700 gültig ist, unumgänglich. In dieser Arbeit werden Kerbfallempfehlung für HFH-nachbehandelte Quersteifen höchstfester Baustähle aus S900 und S960 mit der Bewertung der Ermüdungsfestigkeit und einem Vorschlag zur Erweiterung der DASt-Richtlinie 026 bzw. des Anhangs F in FprEN 1993-1-9 gegeben. Basierend auf experimentellen Untersuchungen an Quersteifen, die im Rahmen von Klein- und Trägerversuchen durchgeführt wurden, wurde die Ermüdungsfestigkeit in Form von Nennspannungswöhlerlinien bestimmt. Weiter werden Untersuchungen zur Qualitätssicherung des HFH-Verfahrens PIT mittels mobiler Härtemessung vorgestellt, um beurteilen zu können, wie gut HFH-behandelte Schweißnahtübergänge mit unterschiedlichen Nachbehandlungsqualitäten (gering, normal und hoch) mittels mobiler Härtemessung erfasst werden können und ob eine Korrelation zu vorhandenen Restkerben feststellbar ist.