Life Cycle Engineering für Brückentragwerke

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.

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

Inhaltsübersicht
3
Motivation

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

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

Änderung der Einwirkungen
6
Foto: Bildarchiv Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Deutschland
1950 1975
20101985

Inhaltsübersicht
7
Motivation

ß … Zuverlässigkeitsindex
0
( )f Zp h x dx

 
pf … Versagens-
wahrscheinlichkeit
Sicherheitszone Z = R-E
Begriff - Zuverlässigkeitsindex ß
Sicherheitskonzept

Zuverlässigkeitsindex ß nach EN 1990

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

Inhaltsübersicht
12
Motivation

24008
13
Prinzipielle Vorgehensweise nach
Tragfähigkeitsbeurteilung bestehender Brücken
Ausgabedatum: 2014-03-01

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.

Brückeninspektion
15
Brückeninspektionsgerät (BIG)

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

Inhaltsübersicht
17
Motivation

Nachweis Stufe 2 – Plattenbeulen mittels FEM
18
Beispiel eines Beulfeldes einer bestehenden Brücke
für den Nachweis nach den aktuellen Normen (EUROCODE)

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

Interessante Eigenformen aus der LBA
→ Leitimperfektion plus eine (oder mehrere ?) Begleitimperfektionen
Mode 10 Mode 17 Mode 21
Mode 1 Mode 2 Mode 4

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 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)
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
 
   
 
 
   
 

Abweichung ~8%
0.66
1.08
0.61

v’Mises Spannungen [N/mm²].
Nichtlineare Beulanalyse (GMNIA)

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

                        
23
Verformungen aus der Ebene uz [m]
b/t = 1000 / 13.5 = 74<100
x/fy

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)
24

Validierung von FEM-Ergebnissen
Verformungen aus der Ebene uz [m]
25

Inhaltsübersicht
26
Motivation

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“

Rissfortschrittsrichtung
RAINFLOWCOUNTING
CRACK GROWTH LAW
28

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

Rissfortschrittsberechnung am Beispiel eines Brückenquerträgers
30

Kerbarme Sanierungslösungen
31
Ausarbeitung von
Sanierungslösungen

Inhaltsübersicht
32
Motivation

Experimentelle Untersuchungen
1600kN Hydropulsmaschine der TVFA Innsbruck
Bauteilversuche am
Probekörper V1
33

Numerische Untersuchungen
Kerbspannungen am Neubermodell
34

Numerische Untersuchungen
Kerbspannungen am realen Modell
(Reale Geometrie wurde über einen Abdruck abgenommen und anschließend
digitalisiert.)
35
Detail Abdruck (positiv)
Digitales Modell In Rechenmodell eingebaut
Kerbspannungen
FE-Netz

36
Vernetzung
Schweißrichtung

37
Temperaturverlauf aus Schweißprozess 1. Lage
Schweißrichtung
Schweißrichtung
Schweißrichtung

Schweißverzug während und nach des Schweißprozesses
38
Schweißrichtung

Gerhard LENER
Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn.
41
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Ihre Aufmerksamkeit

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