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Detektion und Tiefenbestimmung von verdeckten Rissen an T-Stößen am Beispiel der A1 Autobahnbrücke in Leverkusen

Von Jens KEIL und Björn SELBACH (TÜV Austria Tecnotest GmbH, Leverkusen)Kontakt E-Mail: j.keil@tecnotest.de

Für die sehr positiven Reaktionen auf unseren Vortrag bei der DGZfP Jahrestagung vom 23.-25. Mai 2022 in Kassel möchten wir uns nochmals recht herzlich bedanken und die Gelegenheit nutzen, Ihnen noch ein paar weitere Informationen zur Verfügung zu stellen:

Link zum Vortrag : https://acrobat.adobe.com/link/review?uri=urn:aaid:scds:US:031cf0cc-242b-372c-aa0d-6e7c7ba4abfd

Einleitung

Viele Stahlbrücken haben mittlerweile ihre rechnerische Lebensdauer erreicht oder überschritten. Für den temporären Weiterbetrieb ist es deshalb wichtig den Zustand der Brücken zu ermitteln, um den Schadensfortschritt beurteilen zu können und die Sicherheit der Konstruktion gewährleisten zu können. Dabei wurden immer schon zerstörungsfreie Werkstoffprüfungen mit unterschiedlichen Methoden durchgeführt. Hierbei handelte es sich in der Regel um genormte Standardverfahren.

Eine Brückenkonstruktion besteht überwiegend aus Kehlnähten mit T-Stößen. Die Abbildung 1 zeigt den Brückenhohlkasten des BAB Anschlusses an die A1 Brücke auf der Leverkusener Seite.

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Abb. 1: Hohlkasten mit Kragarmen und Kehlnaht am T-Stoß.

Risse gehen in der Regel von Ungänzen in Schweißverbindungen aus. Abbildung 2 zeigt eine typische Situation welche Art Rissverläufe entstehen können:

1. Der Riss läuft nur in die Kehlnaht, der Hohlkasten ist nicht betroffen

2. Der Riss läuft von der Kehlnaht weiter in das Stegblech des Hohlkastens

3. Der Riss verläuft unterhalb der Kehlnaht in das Stegblech des Hohlkastens

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Die Abbildung 3 zeigt eine typische Prüfstelle im inneren Bereich des Hohlkastens. Die Gleiche Einbausituation besteht Außen an den Anschlüssen der Kragarme.

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Bisheriges Prüfkonzept

Bisher wurden Risse an T-Stößen mit Kehlnahtschweißungen im Rahmen der wiederkehrenden Prüfung visuell oder mit Hilfe des Magnetpulverprüfverfahrens detektiert. Das Reparaturverfahren sah vor, dass diese Risse so lange ausgeschliffen und nachgeprüft werden, bis keine Anzeige mehr festgestellt werden konnte. Kritische Risse, die in die tragende Struktur des Kastenträger Stegbleches laufen, waren mit dieser Methode teilweise nicht feststellbar. Die Prüfung wird in der Regel auch vom Schweißpersonal, welches die Reparaturarbeiten macht, durchgeführt.

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Abb. 4: Feld 8 Kragarm 1, nach dem Ausschleifen und MT Prüfung

Verfahrensgrundlagen ToFD Prüfung

Das TOFD-Verfahren (Time of Flight Diffraction) ist ein Ultraschall-Prüfverfahren, welches vor allem bei der Prüfung von Schweißnähten eingesetzt wird. Während üblicherweise Fehlstellen im Material durch die Analyse von reflektierten Signalen aufgespürt werden, nutzt TOFD vor allem die Beugungssignale, die von Ungänzen herrühren (s. Abb. 5). TOFD ist eine der wenigen Prüftechniken, die in der Lage ist, einen Fehler oder eine Ungänze relativ genau mit Länge, Tiefe und Höhe zu beschreiben. Alle anderen Ultraschallprüfverfahren beschreiben eine Ungänze aufgrund des Reflexionsverhaltens und nicht aufgrund der realen Ausdehnung.

Im Zuge der rasanten Entwicklung der Elektronik und Signal- und Datenverarbeitung haben sich die Detektionsmöglichkeiten bis Heute enorm entwickelt.

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Abb. 5: ToFD Grundlage

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ToFD – Prüfkonzept

Für die Validierung des Verfahrens wurde ein Vergleichskörper mit unterschiedlich tiefen Nuten (0,6 mm, 0,8mm und 1,0mm) genutzt.

Der Kalibrierscan zeigt deutlich, dass oberflächennahe Fehler, sehr gut im ToFD Bereich nach der Rückwand zu erkennen waren. Eine Auswertung der genauen Tiefe war aufgrund der Wellenumwandlung und der Interferenzen nicht möglich. Das wiederum gelang bei der Prüfung von der Gegenseite:

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Prüfdurchführung und Ergebnisse

Die Prüfungen wurden im Zeitraum von einer Woche durchgeführt. Verdachtsstellen wurden kenntlich gemacht und im Rahmen der nachgelagerten Reparatur mittels MT Prüfverfahren und einer weiteren ToFD erneut geprüft.

Für die Prüfdurchführung wurde ein modifizierter Standardmanipulator (Abb. 8) genutzt.

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Abb. 8: Prüfvorrichtung

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Abb. 9: Prüffeld Kastenträger

Die Versuche wurden in einem Prüffeld von der Außenseite der Fahrbahnunterseite durchgeführt.

Die Scans zeigen den Anfang der Kehlnaht deutlich an. Die Lateralwelle war gut sichtbar. Aber es gab auch einige geometrische Anzeigen, wie z.B. Unterschleifungen und Formanzeigen.

Abb. 10 zeigten einen typischen Scan einer Prüfstelle vor- und nach der Reparatur

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Abb. 10: Ausschnitt Darstellung der Prüfdaten

Zusammenfassung und Ausblick

Im Feldversuch wurden insgesamt 62 Stellen geprüft und an 36 Stellen Anzeigen festgestellt.

Im Bereich Nord wurden 22 Stellen geprüft und dabei 12 Anzeigen festgestellt, (davon eine Dopplung). Anschließend wurden Reparaturen im Bereich Nord durchgeführt und 8 Stellen mittels ToFD Verfahren nachgeprüft und für in Ordnung befunden.

Leider gibt es nicht von allen reparierten Stellen eine Fotodokumentation.

Zusammenfassend ist zu sagen, dass sich das Verfahren sehr gut für die Detektion von verdeckten Rissen einsetzen lässt. Die Auswertung verlangt viel Erfahrung vom Prüfpersonal. Diese Erfahrung konnte im Rahmen des Projektes durch die Beteiligung des Prüfunternehmens bei der visuellen Prüfung während der Reparatur gesammelt werden. Ein Ziel ist es in einem weiteren Pilotprojekt einen praxisbezogenen Fehlerkatalog zu entwickeln.