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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.
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.
Ertüchtigungsmaßnahmen an bestehenden Stahltragwerken unter Berücksichtigung der Schweißtechnik
(2007)
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.
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.
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.