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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.
Der Beitrag thematisiert das Kontaktproblem und damit den kritischen Punkt der historischen gusseisernen und stählernen Lagertechnik. Nach einem Rückblick auf die historische Entwicklung der Bemessung der Lagerwalzen und allgemeinen Ausführungen zur Kontaktproblematik wird anhand analytischer und numerischer Untersuchungen der Zusammenhang zwischen der Kontaktspannung nach Hertz und der Mises-Vergleichsspannung als Grundlage für ein realistisches Bewertungskonzept aufgezeigt.
Der vorliegende Beitrag thematisiert die Spannungsberechnung im Kontaktbereich historischer Brückenlager. Speziell der Kontakt zwischen Kugelzapfen und Lagerpfanne steht im Fokus der Ausführungen. Es wird gezeigt, dass die auf Grundlage der Hertz'schen Theorie an der Ersatzgeometrie Kugel–Ebene berechneten Spannungszustände nennenswerte Fehler gegenüber den numerisch an der tatsächlichen Geometrie Kugelzapfen-Lagerpfanne ermittelten Spannungen aufweisen können. Nach Darstellung der Ursachen und Einflussparameter dieser Fehler wird eine Methodik aufgezeigt, diese Fehler signifikant zu korrigieren. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
This paper addresses the calculation of stresses within the contact zone of historical bridge bearings. Special attention is paid to the contact between ball stud and bearing cup. It will be shown that the stresses calculated according to the Hertzian theory at the idealised analogous geometry of a ball on a plate present considerable differences to the stresses numerically calculated at the real geometry of a ball stud on a bearing cup. Afterwards the causes and influencing factors of these failures are discussed, and a method to improve them significantly is provided.
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.