Life Cycle Engineering für Brückentragwerke

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Im Life Cycle Engineering wird genau das gemacht: alle Lebensphasen eines Produktes - beginnend bei der Konstruktion über die Produktion bis hin zur Nutzung und Wiederverwendung bzw. Recycling der Rohstoffe -werden ganzheitlich betrachtet. Wirtschaftliche, ökologische und technische Faktoren werden in die Analysen mit einbezogen. In der Präsentation werden durchgeführte Simulationsaufgaben zur Beurteilung der Nutzungsdauer bestehender Brückentragwerke vorgestellt. Diese beinhalten neben dem Ermüdungsnachweis, die Rissfortschrittsberechnung und die Simulation von Reparaturschweißungen.

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Life Cycle Engineering für Brückentragwerke

  1. 1. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien 1 Life Cycle Engineering für Brückentragwerke Gerhard LENER Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr.
  2. 2. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Inhaltsübersicht Beispiel Nachweisstufe 4 - Sonderlast Life Cycle Engineering Simulation von Reparaturschweißungen Beispiel Nachweisstufe 2 - Plattenbeulen 2 Tragfähigkeitsbewertung bestehender Brücken nach ONR 24008 Beispiel Nachweisstufe 3 – Rissfortschrittsberechnung Motivation
  3. 3. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Inhaltsübersicht Beispiel Nachweisstufe 4 - Sonderlast Life Cycle Engineering Simulation von Reparaturschweißungen Beispiel Nachweisstufe 2 - Plattenbeulen 3 Tragfähigkeitsbewertung bestehender Brücken nach ONR 24008 Beispiel Nachweisstufe 3 – Rissfortschrittsberechnung Motivation
  4. 4. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Altersstruktur der Brücken im Bestand 4 Deutschland ca. 38.000 Straßenbrücken Quelle: Geißler, K. Österreichischer Strahlbautag 2013 ca. 60% der Bauwerke jünger als 40 Jahre
  5. 5. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Altersstruktur der Brücken im Bestand 5 Deutschland Quelle: Geißler, K. Österreichischer Strahlbautag 2013 ca. 35.000 Eisenbahnbrücken ca. 50% der Bauwerke sind älter als 80 Jahre
  6. 6. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Änderung der Einwirkungen 6 Foto: Bildarchiv Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Deutschland 1950 1975 20101985
  7. 7. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Inhaltsübersicht Beispiel Nachweisstufe 4 - Sonderlast Life Cycle Engineering Simulation von Reparaturschweißungen Beispiel Nachweisstufe 2 - Plattenbeulen 7 Tragfähigkeitsbewertung bestehender Brücken nach ONR 24008 Beispiel Nachweisstufe 3 – Rissfortschrittsberechnung Motivation
  8. 8. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien 8 Life Cycle Engineering
  9. 9. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien ß … Zuverlässigkeitsindex 0 ( )f Zp h x dx    pf … Versagens- wahrscheinlichkeit Sicherheitszone Z = R-E Begriff - Zuverlässigkeitsindex ß Sicherheitskonzept
  10. 10. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien 10 Zuverlässigkeitsindex ß nach EN 1990
  11. 11. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien 11 Zuverlässigkeitsindex ß nach EN 1990 Vergleich der Festlegungen der EN 1990 und der sonstigen Lebensrisiken RC1/CC1: 1/1·105 RC2/CC2: 1/1·106 RC3/CC3: 1/1·107 CC1: 10-5 CC2: 10-6 CC3: 10-7
  12. 12. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Inhaltsübersicht Beispiel Nachweisstufe 4 - Sonderlast Life Cycle Engineering Simulation von Reparaturschweißungen Beispiel Nachweisstufe 2 - Plattenbeulen 12 Tragfähigkeitsbewertung bestehender Brücken nach ONR 24008 Beispiel Nachweisstufe 3 – Rissfortschrittsberechnung Motivation
  13. 13. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien 24008 13 Prinzipielle Vorgehensweise nach Tragfähigkeitsbeurteilung bestehender Brücken Ausgabedatum: 2014-03-01
  14. 14. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Tragfähigkeitsbeurteilung bestehender Brücken 14 4 Stufen der Nachweisführung der Tragsicherheit und Ermüdungsfestigkeit Stufe 1: Ausschließliche Nachweisführung nach aktuellen Normenstand (Eurocodes). Stufe 2: Stufe 1 mit Abweichungen bei den Teilsicherheitsbeiwerten. Stufe 2 beinhaltet verfeinerte Methoden der Nachweisführung ein z.B. FEM mit geometrisch und physikalisch nichtlineare Berechnungen. Stufe 3: Nachrechnung mittels probabilistischer Methoden. Stufe 3 schließt wissenschaftliche Methoden der Nachweisführung, d.h. Berücksichtigung der streuenden Einwirkungs- und Widerstandsgrößen und umfassende Sensitivitätsanalysen sowie bruchmechanische Nachweisverfahren für den Ermüdungsnachweis. Stufe 4:.Wenn die Nachrechnung nach den Stufen 1, 2 und 3 kein befriedigendes Ergebnis gebracht hat, kann in Sonderfällen eine Unterschreitung des gemäß EN 1990 geforderten Zuverlässigkeitsniveaus zugelassen werden.
  15. 15. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Brückeninspektion 15 Brückeninspektionsgerät (BIG)
  16. 16. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Brückeninspektion 16 Zustandsklasse aus den periodischen Brückeninspektionen (in Österreich mind. alle 6 Jahre) 1. Das Objekt wird in Bauteile unterteilt 2. Berechnung der Kennzahl für jedes Bauteil: G... Grundkennzahl, abhängig von Schadenstyp a... Ausmaßfaktor 0,5 (gering) bis 1,0 (hoch) i.... Intensitätsfaktor 0,5 (gering) bis 1,0 (hoch) 3. Anhand der Kennzahl ergibt sich die Zustandsklasse eines Bauteils: Zustandsklasse 1 sehr guter Zustand Zustandsklasse 2 guter Zustand Zustandsklasse 3 ausreichender Zustand Zustandsklasse 4 mangelhafter Zustand Zustandsklasse 5 schlechter Zustand Bei der Anwendung der Nachrechnungsrichtlinie ist der aktuelle Bauwerkszustand zu beachten
  17. 17. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Inhaltsübersicht Beispiel Nachweisstufe 4 - Sonderlast Life Cycle Engineering Simulation von Reparaturschweißungen Beispiel Nachweisstufe 2 - Plattenbeulen 17 Tragfähigkeitsbewertung bestehender Brücken nach ONR 24008 Beispiel Nachweisstufe 3 – Rissfortschrittsberechnung Motivation
  18. 18. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Nachweis Stufe 2 – Plattenbeulen mittels FEM 18 Beispiel eines Beulfeldes einer bestehenden Brücke für den Nachweis nach den aktuellen Normen (EUROCODE)
  19. 19. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Beispiel für Nachweis Stufe 2 - Plattenbeulen 19 Nachweis der Traglast nach dem Verfahren GMNIA (Stufe 4) 1. Linear Analysis (LA) 2. Linear Beulanalyse (LBA) 3. Traglastberechnung unter Ansatz von Imperfektionen und Berücksichtigung der nichtlinearen Werkstoffeigenschaften (GMNIA) LBA GMNIA (Imperfektionen aus LBA) LA
  20. 20. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Interessante Eigenformen aus der LBA → Leitimperfektion plus eine (oder mehrere ?) Begleitimperfektionen Mode 10 Mode 17 Mode 21 Mode 1 Mode 2 Mode 4 Beispiel für Nachweis Stufe 2 - Plattenbeulen
  21. 21. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Nichtlineare Beulanalyse (GMNIA) Aufgrund der großen Anzahl möglicher Kombinationen, wurden 5 plausible Kombinationen untersucht: set 1: 1.0 x Mode 31 (+12.0mm) + 0.7 x Mode 34 (-2.8mm) + 0.7 x Mode 47 (-2.8mm) set 2: 0.7 x Mode 31 (+8.4mm) + 1.0 x Mode 34 (-4.0mm) + 1.0 x Mode 47 (-4.0mm) set 3: 1.0 x Mode 31 (+12.0mm) + 0.7 x Mode 40 (+2.8mm) set 4: 1.0 x Mode 31 (+12.0mm) + 0.7 x Mode 51 (+2.8mm) set 5: 0.5 x Mode 31 (+6.0mm) + 0.7 x Mode 34 (-2.8mm) + 0.7 x Mode 47 (-2.8mm) 4800mm min , 12,0mm 200 200 2 200 800mm min , 4,0mm 200 200 200 global global global local local local a b e a b e                 Beispiel für Nachweis Stufe 2 - Plattenbeulen
  22. 22. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Abweichung ~8% 0.66 1.08 0.61  v’Mises Spannungen [N/mm²]. Nichtlineare Beulanalyse (GMNIA) Beispiel für Nachweis Stufe 2 - Plattenbeulen
  23. 23. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Analytischer Fließlinien Mechanismus Roof-shaped mechanism 2 2 2 2 1 1 2 2 1 1 1x z z y d u d ub c c f b d t d t b                           Beispiel für Nachweis Stufe 2 - Plattenbeulen 23 Verformungen aus der Ebene uz [m] b/t = 1000 / 13.5 = 74<100 x/fy
  24. 24. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Fig. 8: Plastic strains ~ Roof shaped mechanism. Fig. 9: Out of Plane Displacement. Ergebnisse nach GMNIA Post Buckling behavior Imperfections for GMNIA according to EN 1993-1-5 1,0 x Global (Mode 1) + 0,7 x Local (Mode 3) Beispiel für Nachweis Stufe 2 - Plattenbeulen 24
  25. 25. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Validierung von FEM-Ergebnissen Verformungen aus der Ebene uz [m] Beispiel für Nachweis Stufe 2 - Plattenbeulen 25
  26. 26. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Inhaltsübersicht Beispiel Nachweisstufe 4 - Sonderlast Life Cycle Engineering Simulation von Reparaturschweißungen Beispiel Nachweisstufe 2 - Plattenbeulen 26 Tragfähigkeitsbewertung bestehender Brücken nach ONR 24008 Beispiel Nachweisstufe 3 – Rissfortschrittsberechnung Motivation
  27. 27. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Nachweis Stufe 3 – Bruchmechanische Konzepte Anrissfreie Phase Rissbildungsphase Rissfortschrittsphase Inbetriebnahme (Neuzustandohne Fehler) Inbetriebnahme (Neuzustandmit Fehler) Technischer Anriss Bruchoder Ausmusterung Rissentstehung Mikroriss- wachstum Makrorisswachstum Lebensdauer bis zumtechn. Anriss Restlebensdauer Gesamtlebensdauer eines Bauteils Klassische Betriebsfestigkeit Klassische Bruchmechanik 27 „Life-Cycle Civil Engineering“
  28. 28. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Nachweis Stufe 3 – Bruchmechanische Konzepte Rissfortschrittsrichtung RAINFLOWCOUNTING CRACK GROWTH LAW 28
  29. 29. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Nachweis Stufe 3 – Bruchmechanische Konzepte Risswachstumsrate mda C K dN    Parisgleichung (1963) NASGRO-Gleichung p th n q max C K 1 Kda 1 f C K dN 1 R K 1 K                       29
  30. 30. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Nachweis Stufe 3 – Bruchmechanische Konzepte Rissfortschrittsberechnung am Beispiel eines Brückenquerträgers 30
  31. 31. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Kerbarme Sanierungslösungen 31 Ausarbeitung von Sanierungslösungen
  32. 32. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Inhaltsübersicht Beispiel Nachweisstufe 4 - Sonderlast Life Cycle Engineering Simulation von Reparaturschweißungen Beispiel Nachweisstufe 2 - Plattenbeulen 32 Tragfähigkeitsbewertung bestehender Brücken nach ONR 24008 Beispiel Nachweisstufe 3 – Rissfortschrittsberechnung Motivation
  33. 33. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Simulation von Reparaturschweißungen Experimentelle Untersuchungen 1600kN Hydropulsmaschine der TVFA Innsbruck Bauteilversuche am Probekörper V1 33
  34. 34. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Numerische Untersuchungen Kerbspannungen am Neubermodell Simulation von Reparaturschweißungen 34
  35. 35. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Numerische Untersuchungen Kerbspannungen am realen Modell (Reale Geometrie wurde über einen Abdruck abgenommen und anschließend digitalisiert.) Simulation von Reparaturschweißungen 35 Detail Abdruck (positiv) Digitales Modell In Rechenmodell eingebaut Kerbspannungen FE-Netz
  36. 36. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Simulation von Reparaturschweißungen 36 Vernetzung Schweißrichtung
  37. 37. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Simulation von Reparaturschweißungen 37 Temperaturverlauf aus Schweißprozess 1. Lage Schweißrichtung Schweißrichtung Schweißrichtung
  38. 38. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Schweißverzug während und nach des Schweißprozesses Simulation von Reparaturschweißungen 38 Schweißrichtung
  39. 39. ANSYS Conference & 9. CADFEM Austria Users` Meeting 24./25. April 2014, Wien Gerhard LENER Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. 41 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
  40. 40. © CADFEM 2014 Produkte, Service und Wissen aus einer Hand Denn Simulation ist mehr als Software CADFEM (Austria) GmbH Wagenseilgasse 14 1120 Wien Tel. +43 (0)1 587 70 73 – 0 E-Mail. info@cadfem.at Web. http://www.cadfem.at • http://blog.cadfem.at

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