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Betonkonstruktionen – Simulierte Alterung

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Referenzbauwerk „Straßenbrücke“ präzisiert Lebensdauerprognose
für ein bautechnisches Alterungs-Management

Mark Alexander Ahrens
Friedhelm Stangenberg

Textauszug:

Simulierte Alterung
Als einzige Bauwerke in Deutschland unterliegen Brücken einer regelmäßigen verbindlichen Kontrolle. Doch auch ein Prüfingenieur kann nur die Schäden beurteilen, die er überhaupt wahrnehmen kann. Der Idealfall wäre, wenn sich der „Gesundheitszustand“ eines Bauwerks täglich abrufen ließe. Grundlage dafür ist ein möglichst realistisches Lebensdauermodell. Ingenieure nutzen die Gelegenheit – den Abbau der fünfzig Jahre alten Hünxer Kanalbrücke – und vergleichen die tatsächlichen Alterungsschäden dieses Referenzbauwerks mit dem simulierten Endzustand.

Auf rund 80 Mrd. Euro schätzen Experten den jährlich erforderlichen Aufwand für die Instandsetzung und Erhaltung der Bausubstanz in Deutschland. Diese Summe wurde in den letzten Jahren allerdings nicht annähernd aufgebracht. Tragische Konsequenzen von Schadensfällen an Ingenieurbauwerken der letzen Jahre sind allen in Erinnerung, sei es in Deutschland der Einsturz der Eissporthalle in Bad Reichenhall, 2006, oder der Mississippi-Brücke in Minneapolis in den USA, 2007 . Wie ist es um den Zustand unserer Bauwerke wirklich bestellt? Was können wir unternehmen, um solche Schadensfälle zu vermeiden? […]

Volltext als pdf-Dokument, 8 Seiten, externer Link

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Müde Metalle: Lebensdaueranalysen zyklisch beanspruchter Stahltragwerke

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RUBIN SFB 398: Ultrakurzzeitermüdung berechnen

Wenn man eine Büroklammer an immer derselben Stelle hin- und zurückbiegt, dauert es nicht lange, bis sie an dieser Stelle zerbricht.

Ähnliche Ermüdungserscheinungen durch wiederkehrende Belastungen zeigen auch größere Metallbauteile, teils mit katastrophalen Folgen: Ermüdung war zum Beispiel der Grund für das ICE-Unglück in Enschede.

Besonders tückisch ist, dass das Versagen scheinbar aus heiterem Himmel kommt: Eine Schädigung ist nicht erkennbar. Ingenieure des Sonderforschungsbereichs 398 „Lebendauerorientierte Entwurfskonzepte“ entwickeln daher Simulationsprogramme, die die Lebensdauer von Metallbauteilen errechnen können. Sie berichten in der aktuellen Sonderausgabe von RUBIN, dem Wissenschaftsmagazin der Ruhr-Universität Bochum.

Tückisch: Versagen aus heiterem Himmel

Besonders tückisch ist die Ultrakurzzeitermüdung, die erst seit den 1990er Jahren Gegenstand der Forschung ist. Dabei versagt ein Stahltragwerk ohne Vorwarnung schon nach weniger als 100 zyklisch auftretenden Belastungsspitzen. Grund dafür sind Veränderungen der Mikrostruktur des Materials, meist in lokal hoch beanspruchten Zonen. Vorhersagemethoden gab es viele – doch stimmten sie häufig nicht mit der Realität überein. Fortschritte in der Entwicklung numerischer Lösungsansätze und wirklichkeitsnaher Werkstoffmodelle ermöglichten es nun, ein mikrostrukturell motiviertes Simulationskonzept zu entwickeln.

Gefahren vorher berechnen und gegensteuern

Das am Lehrstuhl für Statik und Dynamik der Ruhr-Universität (Prof. Dr. Günther Meschke) entwickelte Konzept wurde in drei Phasen erarbeitet: Die Ingenieure bestimmten zuerst die werkstoffspezifischen Eigenschaften der einschlägigen Materialien. Dabei mussten sie von einer gewissen Elastizität ausgehen, sowie von Mikroporen, die von vornherein in Stahlbauteile eingeschlossen sind und natürliche Schwachpunkte bilden, von denen ausgehend sich Schädigungen ausbreiten können. Diese Eigenschaften überprüften sie dann im Experiment mit genormten Probekörpern, die sie standardisierten zyklischen Belastungen aussetzten. Ergebnis: Die Berechnungen stimmen gut mit dem wirklichen Materialverhalten überein. Zum Schluss ermittelten die Forscher mit der Finite Elemente Methode dann die Lebensdauer des untersuchten Stahltragwerks. Als ein Beispiel wählten sie den Ethylentank eines Wilhelmshavener Unternehmens, den sie virtuell den Bedingungen des realen El Centro Erdbebens vom 18. Mai 1940 in Kalifornien aussetzten. Fazit: Der Tank hätte die Erschütterungen unbeschadet überstanden. Auf diese Weise könnte man künftig schon im Planungsstadium ermitteln, ob die Gefahr einer Ultrakurzzeitermüdung besteht, und gegebenenfalls die Konstruktionspläne anpassen

Weitere Informationen

Prof. Dr. techn. Günther Meschke, Lehrstuhl für Statik und Dynamik, Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwissenschaften der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-29051 Guenther.Meschke@rub.de

Redaktion: Meike Drießen

Dr. Josef König | Quelle: Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen: http://www.rub.de/rubin
http://www.ruhr-uni-bochum.de/

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Written by bauinformant

29. Juni 2009 at 18:42