Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Schweißen unter Betriebsbeanspruchung unter Einhaltung normgerechter Anforderungen an Nahtgüte und Schwingfestigkeit

Schweißarbeiten zur Instandsetzung von Stahltragwerken dürfen aktuell nur im ruhenden Zustand durchgeführt werden. Das Schweißen unter zyklischer Betriebsbeanspruchung ist aufgrund des mangelnden Verständnisses zum Zusammenhang von Relativbewegung der zu verschweißenden Schnittufer, der resultierenden Nahtqualität und damit der Schwingfestigkeit nicht zulässig. Dieses Vorhaben verfolgt das Ziel, eine Methode zum Schweißen unter Betriebsbeanspruchung zu entwickeln und die Schwingfestigkeit der so hergestellten Verbindungen in Relation zum gängigen Stahlbauregelwerk zu setzen. Dieses Ziel wird durch umfangreiche Schweißversuche und Schwingversuche an mehrlagigen Verbindungen verfolgt.

Die Beanspruchungssituation an reparaturbedürftigen Querschnitten wird an realen Bauwerken erfasst und auf den Labormaßstab übertragen. Die im Labor untersuchten Relativbewegungen der Nahtflanken werden sowohl quer zur Schweißnaht als auch längs dazu aufgebracht. Die auf diese Weise erstellten Verbindungen werden hinsichtlich der Schweißnahtqualität charakterisiert und es wird eine Grenzbeanspruchung abgeleitet, bis zu der normativ zulässige Verbindungen hergestellt werden können. Diese werden dann im Schwingversuch bewertet und in Relation zu Ermüdungsfestigkeitskennwerten, z. B. aus dem Eurocode, gesetzt.

Das Vorhaben liefert einen wesentlichen Beitrag zur Wettbewerbssteigerung von KMU, da diese mithilfe der Ergebnisse in die Lage versetzt werden, Reparaturmaßnahmen auch an Bauwerken unter Betriebsbeanspruchung zuführen zu können.

Ergebniszusammenfassung:

Die Instandhaltung von Stahlbrücken ist in Deutschland ein akutes Problem, da an vielen Brücken teils erhebliche Schäden vorliegen, die die Tragfähigkeit des Bauwerkes beinträchtigen. Für die Durchführung von Reparaturaufgaben erfolgt aktuell eine Teil- oder Vollsperrung, um relative Nahtflankenbewegungen an den Schweißstellen zu unterbinden. Die Instandsetzung soll allerdings möglichst ohne (Voll)Sperrung der Brücke durchgeführt werden, um Einschränkungen des Verkehrs zu minimieren. Das Schweißen unter Betriebsbeanspruchung fällt in den nicht geregelten Bereich und ist folglich in der bauausführenden Praxis noch die Ausnahme. Das Ziel des Vorhabens war es eine Methode bereitzustellen, die es erlaubt Schweißarbeiten an Alt- und Neubaukonstruktionen unter Betriebsbeanspruchung auszuführen und dabei regelwerkskonforme Schweißnahtgüten und Schwingfestigkeiten zu erreichen.

Im Rahmen von Brückenmessungen wurde ein Messsystem entwickelt, um die Nahtflankenbewegung unter realen Bedingungen zu erfassen. Danach wurde ein Schweißprozess für die zu verwendende Stoßart und Nahtgeometrie qualifiziert. Um den Einfluss der Betriebsbeanspruchung auf die Schwingfestigkeit zu untersuchen, wurden im Anschluss zum einen Referenzproben ohne bewegte Nahtflanken hergestellt und zum anderen Proben im Versuchsstand unter nachgebildeter Betriebsbeanspruchung verschweißt. Hierbei konnte eine Nahtöffnungsamplitude von 100 µm bei einer Frequenz von 2 Hz realisiert werden. Durch Einsatz einer Reparaturmethode, bei der die zuerst geschweißte Wurzellage von der Gegenseite komplett entfernt wird, können bei diesen Nahtöffnungsparametern rissfreie Verbindungen hergestellt werden.

Die Untersuchung der Schwingfestigkeit zeigte, dass die Schwingfestigkeiten von unter Betrieb geschweißten Verbindungen mindestens denen von in Ruhe geschweißten entsprechen und ebenfalls über den Schwingfestigkeiten aus den einschlägigen Regelwerken (IIW Fatigue Recommendations, EC3) liegen.