Beitrag zur Beurteilung stählerner Eisenbahnbrücken unter besonderer Berücksichtigung der Restnutzungsdaueranalyse und des Betriebszeitintervallnachweises

Abstract

In Österreich gibt es zahlreiche bestehende stählerne Eisenbahnbrücken die das Ende ihrer planmäßigen Nutzungsdauer erreicht haben, oder es in naher Zukunft erreichen werden. Um diese Bauwerke erhalten zu können, ist eine Bewertung der Tragfähigkeit und der Restlebensdauer notwendig. Hierbei ist es wichtig, sich mit der Ingenieurkunst aus der Zeit der Errichtung der Brücken auseinanderzusetzen. Die Kenntnis der früheren Materialen, der Fügetechniken und der Gestaltung von Konstruktionsdetails ist hierbei unablässig. Daher bilden die "alten" Normen, frühere Literaturwerke und einige Originalstatiken alter Brücken die Grundlage dieser Arbeit.<br />Aufbauend auf Untersuchungen der Tragfähigkeit in einer Arbeit für die ÖBB, beschäftigt sich diese Arbeit mit der Bestimmung der Restnutzungsdauer mit Hilfe zweier Verfahren. Das erste basiert auf dem Wöhlerlinienkonzept und der Ermittlung des Ermüdungsschadens aus der Vergangenheit und der Zukunft, und das zweite basiert auf bruchmechanischen Berechnungen zum Rissfortschrittsverhalten bei schwingender Beanspruchung. Untersucht werden hierbei jene Brückensysteme und Brückenteile, die bei der Analyse der Tragfähigkeit und der Ermüdungsfestigkeit von eingleisigen, geraden Brücken, als kritisch eingestuft wurden. Diese sind die Hauptträger genieteter Vollwandbalkenbrücken mit Stützweiten bis 20 m, und genietete Fahrbahnträger von Brücken mit offener Fahrbahn. Für diese Brückensysteme werden nun Vergleichsrechnungen angestellt, die ohne Bezug auf eine spezielle Brücke, und somit ohne Kenntnis der Querschnittskennwerte, Aussagen über deren Lebensdauer liefern. Das erfolgt in Abhängigkeit vom Erbauungsjahr der Brücke, vom, der ursprünglichen Berechnung zugrunde gelegten Lastenzug und der jetzigen Belastung (LM 71), vom verwendeten Material, von der Stützweite, und bei bruchmechanischen Berechnungen zusätzlich, von den Abmessungen des kritischen Bauteiles.<br />Bei den Berechnungen wird davon ausgegangen, dass eine bestehende Brücke mit der zur Entstehungszeit gültigen "alten" Norm berechnet wurde. Auf der Grundlage dieser "alten" Normen werden für fiktive Brücken Querschnittskenngrößen bestimmt, diese Querschnittskenngrößen können als vorhanden angenommen werden, die jetzt gültigen Normen liefern die erforderlichen Querschnittskenngrößen. Die "vorhandenen" und die "erforderlichen" Querschnittskenngrößen werden nun gegenübergestellt.<br />Eine Gegenüberstellung der Ergebnisse des Wöhlerliniennachweises (eine zu erwartende Restnutzungsdauer) und des bruchmechanischen Nachweises (ein sicheres Betriebszeitintervall), zeigt die Gemeinsamkeiten, die Unterschiede und auch die Widersprüche dieser Verfahren auf. Nach der Richtlinie der deutschen Bahn (Ril 805/1999), muss, bei einer rechnerischen Restnutzungsdauer unter 15 Jahren, der bruchmechanische Nachweis zur Rechtfertigung der üblichen Zykluszeit von sechs Jahren für die Brückenhauptprüfungen, geführt werden. Daher werden in dieser Dissertation jene Brückensysteme, für die eine Restnutzungsdauer kleiner als 15 Jahre zu erwarten ist, einer bruchmechanischen Analyse unterzogen, um festzustellen, ob hierfür ein sicheres Betriebszeitintervall erhalten werden kann. Die Fragestellung ist also, unter welchen Voraussetzungen liefert eine bruchmechanische Analyse "bessere Ergebnisse" als eine Restlebensdauerrechnung auf Basis der Wöhlerlinien? Ein weiterer Punkt dieser Arbeit, ist die Untersuchung des Einflusses der Korrosion auf das Ermüdungsverhalten von genieteten Bauteilen.<br />

Austria has many existing steel railway bridges that either have reached the end of their expected service life or will reach it in the near future. To keep these structures alive it is necessary to evaluate their load-carrying capacity and their remaining fatigue life. Therefore it is essential to know how bridges were constructed in former periods.<br />The knowledge of older materials, the welding technology and the details of construction is important. That is why the previous standards, the old technical literature and the original calculations of old bridges form the foundation of the present work.<br />Based on a project initiated by the Austrian Federal Railways (ÖBB) to evaluate the load carrying capacity this work analyses the remaining service life via two methods. On the one hand there is the damage accumulation calculation (Palgrem-Miner damage rule) on the basis of S-N-lines and on the other hand there is the method to assess the propagation of fatigue cracks based on fracture mechanics. These assessment procedures are used on bridges classed as critical by the evaluation of the load carrying capacity and the fatigue capacity. (The analysed bridges have to be straight and have one train line). The critical parts of the bridge are the riveted load-bearing beams from the main girders of plate bridges with spans up to 20 meters, and from the floor girders (inner stringers and cross frames) of bridges with an open deck. For these parts of the bridges calculations are done for their expected service life without reference to a certain bridge, and hence also without cross-section values. The results are dependent on the year of erection, the load model of the past and the present (LM 71), the material used, the span and also for fracture mechanics on the dimension of the critical cross-section.<br />The calculations are made on the assumption that the existing bridges were built according to the old standards valid at the time of erection.<br />On the basis of the "old" standards, cross section values for a fictive bridge were specified. These values can be taken as if they were the existing values, the current standards lead to the required values. The "existing" values and the "required" values are compared.<br />A comparison of the results of the damage accumulation value based on S-N-lines (the expected service life) and the calculation based on fracture mechanics (the safe inspection interval) show the similarities, the differences and the inconsistencies of the two methods. According to the "Richtlinie der deutschen Bahn (Ril 805/1999)", if the expected service life is less than 15 years, it is necessary to determine the safe inspection interval to prove that it is longer than six years (this is the usual interval of inspection). So, a key aspect of the work is to make a fracture mechanical analysis for those parts of a bridge which are expected to have a service life less than 15 years. The question is:<br />Under which conditions does fracture mechanical analyse of the critical part of the bridge lead to a safe inspection interval although the analysis of the remaining life failed? Another part of the thesis is to analyse the influence of corrosion on the behaviour under fatigue of riveted constructions.<br />