Verstärkung alter Flussstahltrag­werke mit angeschweißten Feinkornbau-stählen – Konstruktion, Bemessung und Ausführung

Dem Bauen im Bestand kommt gegenüber der Errichtung neuer Bauwerke eine immer größer werdende Bedeutung zu. Dies betrifft insbesondere Infrastrukturbauwerke, aber auch Hochbaukonstruktionen. Im Bestandsnetz der Deutschen Bahn stellen die Stahlbrücken, Fachwerkbrücken und WiB-Brücken ca. 40 % der insgesamt ca. 25 Tsd. dar. Diese sind im Durchschnitt 85 Jahre alt und weisen einen hohen Instandsetzungsbedarf auf. Eine vergleichbare Altersstruktur liegt im Bereich des Verkehrswasserbaus vor, bei denen 50 % der Schleusen und Wehre über 80 Jahre und 30 % sogar über 100 Jahre alt sind. Auch im Ingenieurhochbau finden sich zahlreiche Hallen, Bahnhöfe und Mastkonstruktionen mit hohem Durchschnittsalter. Insgesamt wird daraus ersichtlich, dass ein erheblicher Teil des Stahlbaubestands in Deutschland zwischen 1860 und 1940 errichtet wurde.

Stähle aus diesem Herstellungszeitraum bestehen meist aus Thomas- oder Siemens-Martin-Stahl, welche übergeordnet als Flussstähle bezeichnet werden. Resultierend aus den damaligen Herstellungsverfahren weisen diese Stähle erhöhte Verunreinigungen auf, die auf die Entmischung der Schmelze zurückzuführen sind. Der zuletzt erstarrte Bereich im inneren des Querschnitts, der sogenannten Seigerungszone, weist eine stärkere Konzentration an tiefschmelzenden Verunreinigungen wie Stickstoff, Phosphor und Schwefel auf. Die besondere chemische Zusammensetzung führt zu speziellen werkstofflichen Eigenschaften von Flussstählen im Vergleich zu modernen Stählen. Hieraus ergibt sich eine geringere Festigkeit und verminderte Zähigkeit des Stahls. Besonders relevant ist die verringerte Sprödbruchsicherheit im Hinblick auf die Ermüdungsfestigkeit alter Stahlkonstruktionen mit Lochschwächungen, wie sie bei den damals typischen Nietverbindungen vorkommen. Nach dem aktuellen Stand der Technik ist die Schweißbarkeit von Flussstählen aufgrund der hohen Verunreinigungen nur eingeschränkt möglich. Dennoch bietet der Einsatz von Schweißverbindungen bei der Instandsetzung und Ertüchtigung alter Flussstahlkonstruktionen gegenüber Schraub- und Nietverbindungen häufig erhebliche technische und wirtschaftliche Vorteile. Allerdings fehlen bislang anerkannte technische Regeln mit normativem Charakter, sodass dieses Verfahren weder technisch umsetzbar noch rechtlich abgesichert ist.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Schaffung von Grundlagen und Handlungsempfehlungen für die schweißtechnische Instandsetzung und Verstärkung von Flussstahlkonstruktionen. Die Ergebnisse sollen eine nachhaltige und wirtschaftliche Vorgehensweise ermöglichen und damit einen wichtigen Beitrag zum Erhalt vieler denkmalgeschützter Bauwerke sowie systemrelevanter Straßen- und Eisenbahnbrücken, Stahlwasserbauwerke sowie Flussstahlkonstruktionen im Hochbau leisten.

Für die experimentellen und numerischen Untersuchungen sind folgende Teilbereiche geplant:

• Entwicklung von Instandsetzungs- und Verstärkungskonzepten für typische Bauteile und Verbindungen
• Schweißtechnische Verarbeitung verschiedener Naht Geometrien und Entwicklung von Verfahrensanweisungen
• Überprüfung der Tragfähigkeit der Schweißverbindungen zwischen Flussstählen und Feinkornbaustählen
• Tragfähigkeit von Hybridbauteilen aus Fluss- und Feinkornbaustählen unter Einbezug unterschiedlicher Festigkeits- und Zähigkeitsverwerten
• Ermüdungsfestigkeit schweißtechnisch verstärkter Bauteile mit Nietverbindungen
• Entwicklung von Bemessungsvorschriften und Ausarbeitung einer DASt-Richtlinie und Grundlage für normative Regelungen

Die ganzheitliche Entwicklung von Bemessungs- und Ausführungsvorschriften trägt zur Verbesserung der technischen Regeln in verschiedenen Wirtschaftszweigen bei. Insbesondere profitieren kleine und mittlere Unternehmen (KMU), Ingenieurbüros, technische Abteilungen von Stahlbauunternehmen, Fertigungsbetriebe sowie Stahlerzeuger und Hersteller von Schweißzusätzen von den Ergebnissen des Forschungsvorhabens.

© Malte Homeyer