Filtern
Erscheinungsjahr
Dokumenttyp
- Vortrag (41)
- Zeitschriftenartikel (23)
- Beitrag zu einem Tagungsband (18)
- Beitrag zu einem Sammelband (7)
- Posterpräsentation (3)
- Buchkapitel (1)
Schlagworte
- Schadensanalyse (12)
- Non-metallic inclusions (5)
- Fatigue fracture (4)
- Schwingbruch (4)
- Brüche (3)
- Failure analysis (3)
- Fatigue crack (3)
- Lebensdauer (3)
- Nichtmetallische Einschlüsse (3)
- Railway axles (3)
Organisationseinheit der BAM
- 9 Komponentensicherheit (10)
- 9.0 Abteilungsleitung und andere (9)
- 5 Werkstofftechnik (7)
- 5.1 Mikrostruktur Design und Degradation (7)
- 9.4 Integrität von Schweißverbindungen (4)
- 7 Bauwerkssicherheit (2)
- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (2)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (2)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (2)
Eingeladener Vortrag
- nein (41)
Schwingbruch durch Transport oder Betrieb? Komplexe Schadensanalyse der BAM an Kesselkomponenten
(2005)
End of November 2005 strong south-west wind and heavy snowfall were predominant in the region Münsterland, north-western part of Germany. This led to accretion of a considerable quantity of wet snow to overhead electrical lines in form of snow rolls on the conductors. Eighty-two transmission towers failed catastrophically, most of them by buckling, however some by brittle fracture. As a consequence nearly 250,000 people have been cut off from electrical power supply for several days with major media attention.
This paper describes the forensic analysis in order to investigate the failure cause. Therefore extensive materials investigations, mechanical testing of original components and specimens thereof, estimations for the real wind and snow loads and their combinations, structural analyses as well as detailed evaluations on the basis of previous investigations, literature and regulations were conducted. It was revealed that some of the examined components were manufactured from Thomas steel which was partially in embrittled condition. The investigated towers fulfilled the design codes valid at the time of erection. However the present line loads of the wet snow rolls on the conductors exceeded by far the ones given in the design codes valid at that time.
The load case leading to failure was reconstructed by the derived positions of loads mainly caused by unequal and asymmetric distribution of snow rolls on left and right electrical system. The loads and corresponding stresses acting on the structure before failure were estimated. By comparison with the fracture forces from mechanical testing of original members of the collapsed tower the component that primarily failed was localised. The primary fracture occurred on a diagonal member under tension made of Thomas steel which was weakened by embrittlement. The failure cause was a combination of heavy weather conditions (storm, approx. 0 °C and wet snowfall leading to heavy snow rolls on conductors), asymmetric loading conditions and the usage of Thomas steel which was partially embrittled. Finally, recommendations for avoiding future failures are given.
Fatigue testing in the VHCF ränge requires testing machines with increased frequencies. However, application of energy-saving resonance testing leads to a linkage between test frequency and specimen Parameters. The frequency ränge and the available forces of the testing machine are limiting possible specimen dimensions.
Electrodynamic shakers combine test frequencies up to 4000 Hz with forces in the kN range. Thus, a relatively wide range of tests is possible which allows studying the influence of specimen size on VHCF behaviour.
Electrodynamic shakers as well as the respective Computer control Systems and Vibration measurement techniques are well established in scientific and technical applications. We present results of a first study of VHCF testing on electrodynamic shakers conducted at BAM. Test frequency, specimen size and stress levels have been varied. One goal is to balance the needs of materials testing with the Standard test Systems of environmental Simulation to provide a powerful and flexible tool for very high cycle fatigue testing. Further investigation to optimize the technique is required.
Am 9. Juli 2008 entgleiste ein Hochgeschwindigkeits-Triebzug der Baureihe 403, ICE3, bei der Ausfahrt aus dem Kölner Hauptbahnhof. Ursache dafür war der Schwingbruch einer Radsatzwelle. Im Auftrag der Staatsanwaltschaft Köln untersuchte die BAM die Schadensteile, insbesondere die gebrochene Treibradsatz-Hohlwelle.
Zunächst wurden das Drehgestell, der Antriebsstrang, die Räder, die Bremsen und die gebrochene Radsatzwelle visuell untersucht und deren Zustand dokumentiert.
Anschließend erfolgte die zerstörungsfreie Prüfung der beiden Bruchstücke der Hohlwelle mit teilmechanisierter Ultraschall-Handprüfung.
Vor der Zerlegung der Radsatzwelle wurden ausgewählte Maße kontrolliert und die Oberfläche eingehend untersucht. Nach der Probenahme und Präparation wurden die relevanten spezifizierten Eigenschaften des Wellenwerkstoffs überprüft.
Mittels Bruchflächenanalyse konnte die Startstelle des Schwingrisses lokalisiert, aufgrund der starken Sekundärschäden auf der Bruchfläche und an den Bruchkanten jedoch nicht direkt ausgewertet werden. Durch die Kombination von Mikro-Computertomographie und Ultraschall-Tauchtechnik wurden u. a. nahe der Schwingriss-Startstelle Inhomogenitäten erkannt, die durch metallographische Zielpräparation als nichtmetallische Einschlüsse identifiziert wurden. Die Größe dieser Einschlüsse ist gemäß gefordertem Reinheitsgrad unzulässig. Vergleichbare Einschlüsse in diesem hochbeanspruchten Bereich der Radsatzwelle haben vermutlich den Schwingriss initiiert.
Zur Abschätzung der Lebensdauer eines bei höherer Temperatur langzeitbelasteten Bauteils wurden Zeitstandversuche, Relaxationsversuche und weitere Versuche mit unterschiedlichen Umgebungssteifigkeiten durchgeführt.
Die Zeitstandversuche, deren Versuchsführung eine unendlich niedrige Umgebungssteifigkeit simuliert, liefern geringere Lebensdauern (Bruchzeiten) im Vergleich zu Versuchen mit endlich hohen, technisch relevanten Steifigkeiten bei vergleichbarer Probensteifigkeit (Geometrie), wobei die Lebensdauern mit steigender Umgebungssteifigkeit zunehmen. Die längsten Lebensdauern zeigen Relaxationsversuche mit einer unendlich hohen Umgebungssteifigkeit aufgrund ihrer Versuchsregelung.
Für die Übertragung der an Proben gewonnenen Ergebnisse auf das Bauteil wurde das Steifigkeitsverhältnis Z zwischen der Steifigkeit der 'Probe' und der der 'Umgebung' definiert und angewandt. Das Steifigkeitsverhältnis des kritischen Bereichs im Bauteil und das der Werkstoffprobe in der Prüfmaschine sollten möglichst ähnlich sein. Dann lassen sich bei der Übertragung auf das Bauteil realistisch höhere Lebensdauern abschätzen als nur mit Kenntnis der Ergebnisse der Zeit-standversuche.
Der Begriff „Materialfehler“ wird nicht nur im Bereich der Schadensanalyse von Laien, Juristen und Ingenieuren sondern auch in der Öffentlichkeit sehr häufig verwendet, leider mit den verschiedensten Bedeutungen. Dies führt immer wieder zu Missverständnissen. Ziel der hier vorgestellten BAM-Untersuchung und Recherche war zu klären, ob und ggf. wo es Definitionen für den „Materialfehler“ gibt, wie der Begriff in den oben angesprochenen Bereichen verwendet wird. Weiterhin wurde untersucht, ob diese Verwendungen / Definitionen in die in der Schadensanalyse definierte Begriffswelt passen bzw. welche Definition ergänzt werden sollte. Im Gegensatz zu „Material“, „Werkstoff1 oder „Werkstofffehler“ ist der häufig verwendete Begriff „Materialfehler“ erstaunlicherweise bisher nicht definiert!
Um den oft verwendeten Begriff des Materialfehlers für die Schadensanalyse und die damit befassten Bereiche einheitlich zu beschreiben, wird folgende Definition vorgeschlagen:
„Materialfehler" sind Werkstoff- und/oder Fertigungsfehler. Darin sind alle Fehler (Abweichungen von Spezifikationen/Normen) im Werkstoff bzw. dessen Herstellung/Fertigung enthalten.
Demgegenüber sind Konstruktions-/Planungsfehler oder Betriebsfehler keine Materialfehler.
Intramedullary hip screws (IMHSs) are implanted for the fixture of pertrochanteric femoral fractures (thigh bone). The present work investigates the failure of an IMHS implant after the rehabilitation period which required a revision surgery where the upper femur had to be replaced by a hip endoprosthesis. Due to litigation the corresponding failure analysis was conducted at BAM Federal Institute for Materials Research and Testing and is the subject of this article. By order of the customer failure causes due to material and fabrication failures should be particularly investigated. Therefore, thorough fractographic, chemical as well as metallographic investigations were carried out. In order to assess possible fabrication failures selected dimensions of the components were compared with the technical drawings and the surface topography was analysed.
The investigation revealed several causes for the fracture of the lag screw which is the implant component intended to fix the position of the femoral head. These are in descending order of relevance: (1) the screw was placed incorrectly and therefore had a smaller bending stiffness, (2) the femoral fracture zone was not stable, i.e., the lag screw 'moved out' of its proper position and (3) the laser marking on the lag screw was relatively large and led to a metallurgical notch at the now, because of the above mentioned points, severely stressed region. A material- or fabrication failure was not the root cause for the fracture of the lag screw. It was mainly due to its incorrect placement during surgery and the instability of the bone fracture. Furthermore, the implant geometry with 130° was not well-suited for the patient's anatomy. A 135°-IMHS might have been biomechanically preferable. Based on the determined failure causes and influences a relative lifetime estimation led to about 10% of the lifetime of a correctly placed 135°-IMHS assuming a sufficiently stable bone fracture zone.
The paper gives an overview on safe life and damage tolerance methods applied to railway axles. It describes failure scenarios due to fatigue crack initiation and propagation. Besides common aspects of design, specific features such as corrosion and impact damage from flying ballast are discussed which may reduce the fatigue strength of axles during service. Potential effects of non-metallic inclusions from the steel manufacturing process are addressed in the context of the very high number of loading cycles railway axles are designed for. With respect to damage tolerance general lines of fracture mechanics residual lifetime analyses are introduced. More specific discussion is provided on aspects such as the threshold value of fatigue crack propagation and reliability aspects of non-destructive inspection.
Vermeidung winderregter Schwingungen im Stahlbau - Schadensanalysen und daraus folgende Maßnahmen
(2007)
Vermeidung winderregter Schwingungen im Stahlbau - Schadensanalysen und daraus folgende Maßnahmen
(2007)
Schwingbruch durch Transport oder Betrieb? Komplexe Schadensanalyse der BAM an Kesselkomponeneten
(2005)
On July 9, 2008 a high speed train derailed in Cologne main Station, Germany at a low speed because an axle was broken. Fortunately, the derailment happened at a low speed so that nobody was injured. The reason for the broken axle was investigated and it turned out that most likely large inclusions located shortly undemeath the surface in a T-transition were the origin of the final crack. Basing on that result, a systematic investigation on existing safety assessments of railway axles was performed. This results in an analysis of the production process of axles and in a critical review of existing of existing assessments. Improvements and future developments are outlined.
In July 2008 an ICE3 high speed train rated for 330 km/h service speed derailed during departure from Cologne, Central Station, Germany, due to fatigue failure of one of the driving axles. The train was emergency stopped immediately and, due to low travel speed at this point, no serious injuries occurred to passengers. Referring to public interest, the public attorneys office solicited the German Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) for the analysis of the root cause.
No deviations from specification were found in the geometries of the basic parts of the bogie or the wheelset assembly. Inspection of the axle fragments using standard acoustic non-destructive testing (NDT) techniques revealed no additional cracks and no indications of oversized discontinuities. Metallographic and chemical inspection of the axle material and its microstructure revealed all parameters to be acceptable except for an elevated impurity level.
The fracture surfaces of the axle fragments were heavily damaged due to some continued travel after final breakage on the high speed line before Cologne Central Station. Extensive visual inspection of the remaining beachmarks was carried out to find the origin of the fatigue crack. The region of the crack origin was located near the axle surface but could not be analysed in detail due to secondary damage. Fatigue was identified as the mechanism of crack growth until final fracture, but the reasons for crack initiation initially remained unclear.
Neither standard NDT techniques nor metallography according to the relevant axle specifications were able to identify inclusions in the material that could have served as crack initiation sites. However, discontinuities were detected near the crack origin in micro computer tomography and ultrasonic immersion testing. Subsequent metallographic sample preparation was targeted to specific areas based on the location coordinates of the flaws identified by these NDT techniques. These revealed non-metallic inclusions that were much larger than admissible for the relevant specifications. It is likely that the fatigue crack in the highly loaded axle volume initiated at those non-metallic inclusions.
Die Empfindlichkeit von Beschleunigungssensoren hängt von der Temperatur ab, bei der sie eingesetzt werden. Aus diesem Grund fordert der Entwurf der Neuausgabe von IEC 60068-2-53, dass Beschleunigungssensoren bei allen Prüftemperaturen kalibriert sein müssen.
Darüber hinaus müssen die Grenzabweichungen der entsprechenden dynamischen Prüfverfahrensnormen eingehalten werden.
Das Messunsicherheitsbudget für die Beschleunigungsmessung bei einer kombinierten Vibrations- und Klimaprüfung wird aufgestellt. Einflussgrößen sind die Kalibrierunsicherheit, der Frequenz- und Temperaturgang des Sensors, sowie die Messunsicherheit der elektrischen Messkette.
Anhand typischer Prüfbedingungen werden Kriterien aufgestellt, wann der Temperaturgang für die Prüfung relevant wird.
Eigene Untersuchungen und Hinweise aus der Literatur zeigen, dass dies eher selten der Fall ist. Gegebenenfalls muss auf geeignete Maßnahmen zur Verringerung der Messunsicherheit zurückgegriffen werden. Eine Kompensation des Temperaturganges ist möglich, aber derzeit noch aufwändig.
An einer Eisenbahnbrücke über die Elbe bei Lutherstadt Wittenberg führten windinduzierte Schwingungen zu einer unplanmäßigen und frühzeitigen Ermüdung ausgewählter Bauteile und Verbindungen des Stahltragwerks.
Für die zyklisch bereits vorbelasteten und noch im Bauwerk befindlichen Bauteile konnte rechnerisch eine ausreichende Restnutzungsdauer nicht ermittelt werden. Auf Basis von experimentellen Untersuchungen wurde daher ein ingenieurmäßiges und baustellengeeignetes Sanierungskonzept für die vorbelasteten Bauteile entwickelt, deren Hauptbestandteil das Beschleifen der betroffenen Oberflächen darstellt.
Weiterhin wurden für die ermüdeten Schweißverbindungen bruchmechanische Berechnungen angestellt, um auch deren Restnutzungsdauer abschätzen zu können. Hierfür wurden den im Bereich der Deutschen Bahn AG geltenden Rechenansätzen vergleichend weitere Ansätze aus dem Maschinenbau gegenübergestellt.
Durch die angestellten Berechnungen und Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass für die betroffenen Bauteile nach deren Sanierung ausreichende Tragsicherheit und Ermüdungssicherheit vorschriftengemäß eingehalten werden.