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Bei einer Vielzahl im Betrieb befindlicher, vorwiegend ermüdungsbeanspruchter Stahltragwerke, um 1900 erbaut, ist die rechnerische Lebensdauer bereits überschritten. Die Bereitstellung möglicher Sanierungskonzepte zur Erhöhung der Tragsicherheit - damit zur weiteren Nutzung - dient für die Brückenbetreiber als wichtige Entscheidungsgrundlage bei der Wahl zwischen Ertüchtigungsmaßnahme und Neubau. Im Zuge von Ertüchtigungen muss oftmals bestehendes und beschädigtes Material durch Neumaterial ersetzt oder ergänzt werden. Der Erfolg der Ertüchtigungsmaßnahme hängt entscheidend von der kraftschlüssigen Verbindung zwischen Alt- und Neumaterial ab. In dieser Arbeit wird zur Steigerung der Effizienz von Ertüchtigungs- und Sanierungsmaßnahmen die Anwendbarkeit des Schweißens detaillierter untersucht. Da durch örtliche Ertüchtigungsmaßnahmen sowohl strukturelle Systemänderungen als auch lokal metallurgische Veränderungen hervorgerufen werden können, ist die Wahl eines geeigneten Schweißverfahrens und dessen Anpassung besonders wichtig.
In Vorbereitung auf das Schweißen alter Baustähle erfolgt eine differenzierte Betrachtung der in der Zeit von 1860 bis 1940 verbauten Stähle hinsichtlich prinzipieller Schweißeignung. Für den Puddelstahl konnte aufgrund der unregelmäßig verteilten lamellaren Schlackeneinschlüsse keine prinzipielle Schweißeignung festgestellt werden. Dagegen weist der Flußstahl in ausgewählten Bereichen des Profilquerschnitts, den Speckschichten, eine prinzipielle Schweißeignung auf. Die Speckschichtdicken sind Streuungen unterworfen. Um trotzdem Aussagen über deren geometrische Ausdehnung treffen zu können, wurden Streuung verursachende Einflußfaktoren - insbesondere die Stahl- und die Halbzeugherstellung - untersucht. Anhand von Messungen an Querschnitten wurden Speckschichtdicken und deren Streuungen ermittelt.
Basierend auf den Speckschichtdicken ist eine Anpassung des gewählten Lichtbogenhandschweißverfahrens in Hinblick auf die Einbrandtiefe erforderlich. Hierfür wurden gesonderte Laborversuche durchgeführt, um praxisgerechte Schweißparameter zu entwickeln.
Zur Untersuchung der Eignung einer solchen Schweißverbindung für nicht ruhende Beanspruchungen wurden Ermüdungsversuche an geschweißten Flußstahlproben durchgeführt. Die ermittelten Bruchlastwechselzahlen sind bei gleicher Kerbgrundbeanspruchung und Bauteilform denen heutiger Baustähle ähnlich. Damit wurde gezeigt, daß eine erfolgreiche Schweißung an Flußstählen prinzipiell möglich ist.
Translated Abstract
In a first step a classified consideration of steel from 1860 to 1940 is performed in order to check the weld ability in principle. It was not possible to make a general statement on weldability for wrought iron frequently due to irregularly distributed lamellar slag inclusions. Mild steel, however, has been found to be weldable in selected areas of the profile cross-section, i.e. in the rim outside the segregation zone. The rim outside the segregation zone to be subject to distribution. In order to evaluate the distribution of the rim outside the segregation zone those parameters were investigated, which affected the scattering of the distribution highly. By means of measurements on sections segregation zone and their scatter were determined.
Due to the thickness of the rim outside the segregation zone, the selected manual arc welding method had to be adjusted in view of the depth of fusion penetration. Penetration values have been determined as a function of energy applied per unit length in laboratory tests. Based on a comparison between available thickness of the rim outside the segregation zone and the depth of fusion penetration values, the maximum energy input has been specified in view of a practical implementation.
To analyse the feasibility of such a weld joint for cyclic loads, fatigue tests have been carried out on welded mild steel specimens. The results of number of cycles to failure are similar to those of current structural steel with the same notch base load and building component form. This has indicated that a successful welding of mild steel is possible.
Ertüchtigungsmaßnahmen an bestehenden Stahltragwerken unter Berücksichtigung der Schweißtechnik
(2007)
Für die Installation von Offshore-Windenergie-Anlagen der 5-Megawattklasse vor der Küste Deutschlands in der Nordsee ist es erforderlich, Gründungsstrukturen in hoher Stückzahl wirtschaftlich herstellen zu können. Für den Wassertiefenbereich der Nordsee wird im Rahmen dieses Aufsatzes der Konstruktions-typ Jacket hinsichtlich dynamischer Eigenschaften untersucht.
Darüber hinaus wird über Stahlgussbauteile berichtet, die in den hochbelasteten Knotenpunkten des Jackets verbaut werden. Derzeit ist es üblich, Jackets aus handelsüblichen Stahlhohlprofilen zu fertigen, die an den Enden zu einer Knotenverbindung miteinander verschweißt werden. Diese Lösung besitzt jedoch eine Vielzahl von Nachteilen, über die nachfolgend berichtet wird.
Bauteile aus Stahlguss hingegen weisen unter anderem die Vorteile auf, universell einsetzbar und in Form bzw. Gestaltung völlig frei wählbar zu sein. Um das komplexe Tragverhalten dieser Stahlgussbauteile bewerten zu können, wurden neben Simulationsrechnungen auch Laborversuche durchgeführt. Es wurde das Tragverhalten unter statischer Belastung am Stahlgussbauteil im 1:1-Modell und das Ermüdungsverhalten an Stahlgussproben getestet.
Load bearing behaviour of cast steel components in offshore wind turbines under fatigue and static loads.
The installation of offshore wind turbines of the 5-megawatt class in deep water of the North Sea makes it economically necessary to build foundations in high quantities.
Constructions of this kind are a major technical challenge in terms of design, manufacturing and operation. In this paper the dynamic behaviour of jacket constructions in the North Sea are investigated. Currently jacket structures are constructed with steel pipes that are welded at the connecting nodes. This procedure implies several disadvantages.
In contrast cast steel elements are universally applicable and designable. To verify the load bearing behaviour numerical simulations and laboratory tests are done. Laboratory tests include the testing of the ultimate load bearing capacity. In a large scale setup and fatigue tests at small cast steel specimen.
Beim Schweißen wird durch die induzierte Kerbschärfe und die Eigenspannungen die Gefahr eines Sprödbruchs erhöht. Aufgrund der verringerten Zähigkeitseigenschaften von alten Flussstählen im Vergleich zu heutigen Baustählen ist daher eine Bewertung der Sprödbruchgefahr von Flussstählen nach dem Schweißen erforderlich. Für eine Bewertung auf bruchmechanischem Niveau wird der Spannungsintensitätsfaktor auf der Beanspruchungsseite mit der Bruchzähigkeit auf der Widerstandsseite verglichen. Für einen Großteil der früher verbauten Bleche bis 11 mm Dicke kann gezeigt werden, dass kein Sprödbruch zu erwarten ist. Darüber hinaus werden für größere Blechdicken Daten aufbereitet, die auf Basis der tatsächlich vorliegenden Materialbeanspruchbarkeiten und rechnerisch ermittelten Beanspruchungen eine Bewertung ermöglichen.
Welding of existing steel structures - brittle fracture behaviour of welded mild steel.
Welding processes cause notch effects and residual stresses. Therefore the risk of brittle fracture grows. In comparison with modern steels, old mild steels have a lower ductility. So it is necessary to evaluate brittle fracture behaviour of mild steel after welding. This evaluation is done by means of fracture mechanics parameters. The results show that for plate thicknesses of mild steel up to 11 mm there is no risk of brittle fracture. For higher plate thicknesses a procedure to evaluate brittle fracture behaviour is described taking the actual state of stress and actual material properties into consideration.
Beim Schweißen wird durch die induzierte Kerbschärfe und die Eigenspannungen die Gefahr eines Sprödbruchs erhöht. Aufgrund der verringerten Zähigkeitseigenschaften von alten Flussstählen im Vergleich zu heutigen Baustählen ist daher eine Bewertung der Sprödbruchgefahr von Flussstählen nach dem Schweißen erforderlich. Für eine Bewertung auf bruchmechanischem Niveau wird der Spannungsintensitätsfaktor auf der Beanspruchungsseite mit der Bruchzähigkeit auf der Widerstandsseite verglichen. Für einen Großteil der früher verbauten Bleche bis 11 mm Dicke kann gezeigt werden, dass kein Sprödbruch zu erwarten ist. Darüber hinaus werden für größere Blechdicken Daten aufbereitet, die auf Basis der tatsächlich vorliegenden Materialbeanspruchbarkeiten und rechnerisch ermittelten Beanspruchungen eine Bewertung ermöglichen.
Welding of existing steel structures - brittle fracture behaviour of welded mild steel.
Welding processes cause notch effects and residual stresses. Therefore the risk of brittle fracture grows. In comparison with modern steels, old mild steels have a lower ductility. So it is necessary to evaluate brittle fracture behaviour of mild steel after welding. This evaluation is done by means of fracture mechanics parameters. The results show that for plate thicknesses of mild steel up to 11 mm there is no risk of brittle fracture. For higher plate thicknesses a procedure to evaluate brittle fracture behaviour is described taking the actual state of stress and actual material properties into consideration.
Ertüchtigungsmaßnahmen an bestehenden Stahltragwerken unter Berücksichtigung der Schweißtechnik
(2007)
Für die Sanierung und Ertüchtigung bestehender, vorwiegend nicht ruhend beanspruchter Stahltragwerke mittels Schweißen ist bei der ingenieurmäßigen Bemessung neu eingebrachter Schweißverbindungen der Nachweis der Betriebsfestigkeit zu führen. Um für die Restlebensdauerermittlung den Anteil der vergangenen ermüdungsrelevanten Belastung abschätzen zu können, wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Hierbei erfolgte u.a. die Einprägung einer definierten Vorbelastung in einen äußerlich ungekerbten Grundwerkstoff, anschließend die Kerbung und die Ermüdungsbeanspruchung der Probe bis zum Bruch. Dieses Vorgehen repräsentiert einen bereits vorbelasteten Altstahl, an dem nachträglich eine Reparatur durchgeführt wurde. Aus den Ergebnissen lässt sich ableiten, dass die aufgebrachten Vorbelastungen in der Regel keinen signifikanten Einfluss auf die erreichbare Lebensdauer ausüben, wenn eine Oberflächenbearbeitung durchgeführt und ein ausreichender Einbrand gewährleistet wird. Dies bedeutet, dass die eingeprägte Vorgeschichte bestehender Konstruktionen beim Nachweis der Betriebsfestigkeit von neu eingebrachten Schweißkerbdetails vernachlässigt werden kann.
Welding of existing steel structures - Effect of prior load cycles.
When existing structures under fatigue load are to be strengthened or refurbished by welded joints fatigue assessment is required for new welds. For the analysis of existing structures or determining of their remaining fatigue life, experimental investigations were carried out in order to estimate the effect of prior load cycles on the material. Mild steel specimens were preloaded cyclically, then surface treatment was applied and a notch representative for a real weld of a structure was introduced. The results of fatigue tests were compared with fatigue tests on similar non-preloaded specimens. It has been found that there is no significant effect of prior load cycles if the surface is treated prior to welding and enough fusion penetration depth is given. Therefore, fatigue assessment of new welds on old materials does not need to take into account prior load cycles.