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

2010 1985


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

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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

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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

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Beispiel eines Beulfeldes einer bestehenden Brücke für den Nachweis nach den aktuellen Normen (EUROCODE)


Beispiel für Nachweis Stufe 2 - Plattenbeulen

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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)


4800mmmin , 12,0mm

200 200 2 200

800mmmin , 4,0mm

200 200 200

global global

global

local locallocal

a be

a be



Abweichung ~8%

0.661.08

0.61

v’Mises Spannungen [N/mm²].

Nichtlineare Beulanalyse (GMNIA)



Analytischer Fließlinien Mechanismus

Roof-shaped mechanism

2 2

2 2

1 1

2 21 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]


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Inhaltsübersicht





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Motivation


Nachweis Stufe 3 – Bruchmechanische Konzepte

AnrissfreiePhase

Rissbildungsphase Rissfortschrittsphase

Inbetriebnahme (Neuzustand ohne Fehler)

Inbetriebnahme (Neuzustand mit Fehler)

Technischer Anriss

Bruch oder Ausmusterung

Rissentstehung Mikroriss-wachstum

Makrorisswachstum

Lebensdauer bis zum techn. Anriss Restlebensdauer

Gesamtlebensdauer eines Bauteils

Klassische Betriebsfestigkeit Klassische Bruchmechanik

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„Life-Cycle Civil Engineering“



Rissfortschrittsrichtung

RAINFLOWCOUNTING

CRACK GROWTH LAW

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Risswachstumsrate

mdaC K

dN

Parisgleichung (1963)

NASGRO-Gleichung

p

thn

q

max

C

K1

Kda 1 fC K

dN 1 R K1

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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