5. Brückenkolloquium - September 2022 567 Neue Erkenntnisse zu wasserstoffinduzierten Spannungsrissen infolge korrosiver Belastung hochempfindlicher Spannstähle in Spannblockverfahren nach TGL 173-33 M. Eng. Gino Ebell, Dr.-Ing. Andreas Burkert Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin, Deutschland Zusammenfassung Brückenbauwerke, die im Spannblockverfahren hergestellt wurden, können bauartbedingt wasserstoffinduzierte Spannungsrisse über den gesamten Querschnitt eines Spannkanals aufweisen. Das Risswachstum kann infolge dynamischer Beanspruchung über die Nutzungsdauer fortschreiten und zu Spanndrahtbrüchen führen. 1. Einleitung Der wasserstoffinduzierten Spannungsrisskorrosion an hochfesten Stählen, wie etwa Spannstählen, liegt ein Schädigungsmechanismus zugrunde, der einer Korrosionsreaktion nachgelagert ist. Für den Schädigungsmechanismus ist das Vorhandensein von atomarem Wasserstoff zwingend erforderlich. Dieser kann durch die kathodische Teilreaktion einer Korrosionsreaktion gebildet werden (Abb.1). [1] Abb.1: Schematische Darstellung der anodischen und kathodischen Teilreaktion des Korrosionsprozesses bei pH-Wert <5 und der Wasserstoff Adsorption-Absorption Ist das Gefüge des Spannstahls irreversibel durch das Einwirken des absorbierten Wasserstoffs beeinflusst, so kann es bei ausreichend hoher Spannung zu Rissen im Gefüge kommen. Anrisse, die sich in der Erstellungsphase des Bauwerkes während aktiver Korrosionsreaktionen gebildet haben, können ohne weitere Korrosionsreaktionen im regulären Betriebszustand ein Risswachstum zur Folge haben. In diesem Fall kann es zu einem zeitlich deutlich nachgelagertem Spanndrahtbruch kommen. Um festzustellen, ob ein hochempfindlicher Spannstahl vorliegt, erfolgen im Vorfeld allgemein die Magnetpulverprüfungen zur Untersuchung der Spannstähle auf Anrisse, sowie die Funkenemissionspektrometrie (FES) zur Ermittlung der Legierungszusammensetzung. Im Nachgang werden Zugversuche an anrissfreien Spannstählen und metallographische Untersuchungen zur Verifikation der Gefügestruktur durchgeführt. Die hochempfindlichen Spannstähle sind herstellungsabhängig alle Ölschussvergütet. Ein metallographisch nachgewiesenes Vergütungsgefüge validiert die Einstufung eines entnommenen Spannstahls, zusammen mit einer entsprechenden Legierungszusammensetzung und einer Bruchfestigkeit größer 1500 N/ mm², als hochempfindlichen Spannstahl. Anrisse müssen für die Einstufung als hoch-empfindlicher Spannstahl nicht vorhanden sein. 2. Bauwerksübersicht Die Brücke am Altstädter Bahnhof in Brandenburg a.d. Havel wurde im Jahre 1969 erstellt und im Rahmen der Feierlichkeiten zum 20-jährigen Bestehen der DDR eröffnet. Das Brückenbauwerk bestand aus zwei Teilbauwerken, dem Haupttragwerk (TBW 1), welches die Magdeburger Straße über Gleis/ Parkplatz und Zanderstraße überführt und dem Zubringer (TBW 2). Das Haupttragwerk beinhaltet zwei Fahrspuren mit jeweils zwei Fahrstreifen sowie eine zweigleisige Straßenbahnlinie und war mit einer Länge von 174 m und einer Überbaubreite von ≈ 37 m ungewöhnlich breit, siehe Abb. 2. Der daraus resultierende Überbauquerschnitt hat neun Hohlkästen mit einer variablen Konstruktionshöhe zwischen 1,46 m und 1,54 m. Die planmäßig nicht zugänglichen Hohlkästen wiesen eine lichte Höhe von ≈ 1,22 m bzw. 1,06 m, bei einer Breite von 2,68 m, auf. Mit Ausnahme des kürzeren Endfeldes sind die Hohlkästen durch Feldquerträger in der Feldmitte ausgesteift. Des Weiteren sind in den Stützenachsen Querträger angeordnet. Im Anschlussbereich des Zubringers (Achse C) sind zusätzlich zum Hauptquerträger zwei Nebenquerträger angeordnet. 568 5. Brückenkolloquium - September 2022 Neue Erkenntnisse zu wasserstoffinduzierten Spannungsrissen infolge korrosiver Belastung hochempfindlicher Spannstähle Abb. 2: Haupttragwerk, Längsschnitt, Querschnitt [1] Das für die Errichtung der Brücke verwendete Spannblockverfahren war zu diesem Zeitpunkt durch die Einführung der TGL 173-33 [2] geregelt. Gegenüber den normativen Vorgaben kam jedoch eine Sonderform zum Einsatz. Anstelle des üblichen Spanndrahtes mit 40 mm² Querschnittsfläche sind Spanndrähte mit 35 mm² verwendet worden. Dies ist darin begründet, dass ausschließlich die Hennigsdorfer Spanndrähte mit 35 mm² Querschnittsfläche in der erforderlichen Lieferlänge von 175 m zur Verfügung standen. Darüber hinaus wurde auch ein größerer Spannkasten (Spanngliedkasten für SSG 1400 statt SSG 1200) erforderlich, um die größere Anzahl an Einzeldrähten aufnehmen zu können, insgesamt 392 Stück. Somit konnte eine Spannkraft von 12 MN je Hauptträger eingeleitet werden. Die 392 Einzeldrähte wurden gemäß Vorgabe eingebaut und mittels Abstandshaltern in ihrer Lage gesichert, wie in Abb. 3 erkennbar ist. Abb. 3: Hüllrohkasten mit Abstandshaltern an einer Umlenkstelle [3] 3. Bauwerksuntersuchung am abgebrochenen Bauwerk Nach der Sprengung des Brückenbauwerks wurde eine Begutachtung durchgeführt. Zugänglich für die Begutachtung freiliegender Spannstähle war der Auflagerbereich C zur Bundesstraße B 102 hin (Feld 2.2). An den freiliegenden Spannkanälen konnten die Bruchflächen der Spannstähle begutachtet werden. Mit Ausnahme weniger Spannstähle ist der Großteil der Spannstähle spröde gebrochen. Die Sprödbruchstellen weisen ausnahmslos linsenförmige Verfärbungen auf und basieren auf wasserstoffinduzierter Spannungsrisskorrosion. Die Verfärbung ist auf den Zutritt von H 2 O in Form von Wasserdampf zurückzuführen. Eine weitere Feststellung war, dass Träger Nummer 3 in Feld 2.2 in unmittelbarer Nähe zum Auflager Achse C fast über den gesamten Querschnitt des Spanndrahtbündels, bereits vor der Sprengung, gerissen sein muss. Einen Hinweis darauf liefert das in Abb.4 gezeigte Bruchbild mit bereits korrodierten Restbruchflächen. 5. Brückenkolloquium - September 2022 569 Neue Erkenntnisse zu wasserstoffinduzierten Spannungsrissen infolge korrosiver Belastung hochempfindlicher Spannstähle Abb. 4: Infolge wasserstoffinduzierter Spannungsrisskorrosion gerissenes Spanndrahtbündel in Träger 3 Feld 2.2 nahe Auflager C Während des Rückbaus der Brücke konnte weiterhin beobachtet werden, dass es auf der Seite rechts des Auflagers Achse C, beim Eindrehen der Spanndrahtbündel in die zur Entsorgung bereitgestellten Container zu Brüchen kam. Spannstähle, die aus diesem Bereich entnommen wurden, wiesen über die gesamte Oberfläche verteilt wasserstoffinduzierte Spannungsrisse auf. Exemplarisch ist ein Spannstahl mit typischen Anrissen in Abb. 5, mit und ohne UV-Licht Bestrahlung, nach der Magnetpulverprüfung, abgebildet. Abb. 5: Spanndraht mit signifikanten Anrissen, oben: ohne UV- Licht, unten: mit UV-Licht Die Spannstahlentnahme links des Auflagers in Achse E, aus den Feldern 5.1 und 5.2, zeigten einen gänzlich anderen Korrosionszustand der Spannstähle. Das Eindrehen der Spannglieder zur Entsorgung erfolgte wie rechts der Achse C, hier jedoch größtenteils ohne Brüche der Spannstähle. In diesem Bereich konnten an den entnommenen Spanndrähten signifikant weniger Anrisse detektiert werden. Eine Ausnahme bildet aber der Bereich der horizontal angeordneten Abstandshalter, hier wurden sowohl an Achse E als auch an Achse C viele Anrisse lokalisiert. Die Kombination aus Biegung der Spannstähle durch Eindrehen und Abstandshalter im Biegeradius führte zu Brüchen, siehe Abb. 6. Abb. 6: Spanndrahtbündel mit Drahtbrüchen im Bereich der Abstandshalter. Ein Spannkasten mit deutlichem Korrosionsschaden konnte lokalisiert werden, der Verpresszustand zwischen Hüllrohr und Spannstählen war sehr gut, es waren keine Korrosionserscheinungen an den angrenzenden Spannstählen feststellbar. Chloridinduzierte Korrosion kann bei einem Chloridgehalt des Verpressmörtels von 0,02 M. %, im Bereich des korrodierten Hüllrohres, ausgeschlossen werden. 4. Charakterisierung der entnommenen Spannstähle Die Zuordnung der entnommenen Spandrähte erfolgte gemäß den Maßangaben der TGL 101-036/ 02: 1966 [4]. Danach wurden 131 Stück als St 140/ 160 oval 35 mm² und 2 Stück als Oval 30 mm² identifiziert. Die FES-Analysen haben ergeben, dass die chemische Zusammensetzung den Vorgaben aus TGL 101-36/ 01: 1966 [5] entspricht. An einigen Proben wurde eine geringfügige Unterschreitung des Kohlenstoffgehaltes und des Siliziumgehaltes festgestellt. In den metallographischen Untersuchungen konnte ein Vergütungsgefüge festgestellt werden. In Abb. 7 ist ein Längsschliff eines entnommenen Spannstahls mit typischem Vergütungsgefüge und Spannungsriss sowie einer geringfügigen Randentkohlung dargestellt. 570 5. Brückenkolloquium - September 2022 Neue Erkenntnisse zu wasserstoffinduzierten Spannungsrissen infolge korrosiver Belastung hochempfindlicher Spannstähle Abb. 7: Metallografische Längsschliff, geätzt mit Vergütungsgefüge und Anriss Von den 133 entnommenen Spanndrähten konnten mittels Magnetpulverprüfung 21 Spanndrähte mit einer Länge von bis zu 1,90 m als anrissfrei bewertet werden. In Summe konnten 131 anrissfreie Probenabschnitte mit einer Länge von 50 cm herausgearbeitet werden. Aus den Zugversuchen an den ungeschädigten 50 cm Spanndrahtabschnitten konnte im Mittel ein Rp 0,2 von 1393 N/ mm² und ein R m von 1524 N/ mm² ermittelt werden. Die Brüche an den ungeschädigten Spanndrähten erfolgten alle duktil. Einer der 4 geprüften Spanndrähte war durch einen zuvor nicht detektierbaren Spannungsriss geschädigt, ähnlich Abb. 7. Das R m dieser Probe lag über dem Mittelwert, allerdings erfolgte der Bruch nur mit einer geringfügigen Einschnürdehnung und ähnelt im Bruchbild eher einem Sprödbruch. Die Sollwerte gemäß TGL betragen für Rp 0,2 1373 N/ mm² und für R m 1570 N/ mm², letzterer darf um 29 N/ mm² unterschritten werden. Die durch den Rippenanteil erhöhte Masse des eigentlichen lastabtragenden Querschnittes wird bei der Bestimmung der Querschnittsfläche nicht berücksichtigt, ebenso die am Rippenansatz gegebene Querschnittminderung des Spanndrahtes. Unter Berücksichtigung dieser Faktoren ist die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Wert als nicht signifikant einzustufen. Anhand der vorliegenden Ergebnisse ist der entnommene Spannstahl als herstellungsbedingt hochempfindlich gegenüber Wasserstoff induzierter Spannungsrisskorrosion einzustufen, da: • die Legierungszusammensetzung den Vorgaben der TGL entspricht • die metallographischen Untersuchungen ein Vergütungsgefüge bestätigen • die Zugfestigkeit größer 1500 N/ mm² ist 5. Zusammenfassung Die Initiierungsphase der wasserstoffinduzierten Spannungsrisskorrosionserscheinungen an diesem Brückenbauwerk basieren maßgeblich auf dem Zutritt von Feuchtigkeit (Regenwasser oder Kondenswasser) während des Erstellungszeitraumes. Solche Schadensbilder sind aus anderen Brückenbauwerken ebenfalls bekannt. Eine Besonderheit, die bis dato noch nicht vorgefunden wurde, ist eine bauartbedingte Schadensinitiierung über den gesamten Spannkanalquerschnitt im verpressten Hüllrohrzustand. Die Lagesicherung der einzelnen Spanndrähte erfolgt in dieser Bauart durch Abstandhalterbleche (Abb. 8). In der freien Spannlänge soll der Abstand der Abstandhalter gemäß TGL 173-33 (1967) zwischen 1000 mm und 1500 mm betragen. Im Bereich der Umlenkstellen werden die Abstandshalter projektbezogen enger angeordnet. Der Abstand im Umlenkbereich ist in Abb. 9 beispielhaft für dieses Brückenbauwerk dargestellt und liegt hier nach Messungen vor Ort zwischen 180 mm und 250 mm. Abb. 8: oben: schematische Darstellung eines Abstandshalterbleches als Stanzteil, zur Lagesicherung, unten ein Schnitt durch drei Spannstahllagen mit Abstandshalterblechen Abb. 9: Spanndrahtpaket im Auflagerbzw. Umlenkbereich mit Abstandshaltern horizontal und vertikal (Abstand nach TGL nicht geregelt) Entnommene Spannstähle aus diesem Bereich weisen eine erhöhte Anzahl an Anrissen in den Kontaktbereichen zum Abstandshalter auf. Abbildung 10.a und 10.b zeigen die ungereinigte Kontaktstelle und anschließende 5. Brückenkolloquium - September 2022 571 Neue Erkenntnisse zu wasserstoffinduzierten Spannungsrissen infolge korrosiver Belastung hochempfindlicher Spannstähle Magnetpulverprüfung mit deutlichen Anrissen. Abbildung 10.c und 10.d zeigen die gereinigte Kontaktstelle und die anschließende Magnetpulverprüfung, die eine verbesserte Rissanzeige bzgl. Klarheit und Anzahl der Risse hervorbringt. Abb. 10: a: Kontaktstelle mit Korrosionserscheinungen, b: Magnetpulverprüfung mit Rissanzeige; c, d wie a, b nur mit gereinigter Oberfläche Die Untersuchung der Spannstähle in den Umlenkbereichen oberhalb eines Auflagers haben ergeben, dass an den Kontaktstellen der Spannstähle mit den horizontalen Abstandshalterblechen Spaltkorrosionserscheinungen infolge ungenügender Verpressung auftreten. Durch die relativ breiten Abstandsbleche und die Pressung der Spannstähle in den Umlenkbereichen an diese Bleche, ist der Zutritt des Verpressmörtels nicht möglich und es wird hier eine kritische Spaltanordnung erreicht. In diesen Bereichen kommt es durch Fortschreiten der Korrosionsreaktion und mangelndem alkalischen Puffer zu einer Ansäuerung des Spaltelektrolyten. Bei pH-Werten kleiner 5 erfolgt die kathodische Teilreaktion unter Entstehung von Wasserstoff. Ein ausreichendes Feuchtigkeitsangebot ist nach dem Verpressen über einen langen Zeitraum als gegeben anzunehmen. Langfristig führt dies zu einer wasserstoffinduzierten Versprödung und Rissbildung im Stahl, in dessen Folge es durch dynamische Belastungen zu einem Risswachstum mit anschließendem Bruch des Spanndrahtes kommt. Eine geänderte Verkehrsführung, die zu größeren dynamischen Belastungen führt, kann ein stabiles Risswachstum zur Folge haben. Die bisherigen Annahmen zur Initiierung von Spannungsrissen infolge Wasserstoffversprödung an Spannstählen im nachträglichen Verbund gehen von einer korrosiven Belastung der Spannstähle vor dem Verpressen im Hüllrohr oder aber von einer korrosiven Belastung im Zuge der Nutzungsdauer, z. B. durch Tausalzbeaufschlagung und Durchrosten des Hüllrohres mit anschließender Korrosion der Spannstähle, aus. In Bereichen, die unverpresst oder mangelhaft verpresst sind, kann ebenfalls Korrosion auftreten. Spaltgeometrien bei glatten Hüllrohren können in Umlenkbereichen an den anliegenden Spannstählen ebenfalls Spaltkorrosion hervorrufen; dies beträfe im Unterschied zu der hier vorliegenden Konstruktion aber nur wenige Spannstähle eines Spannstahlbündels. Die vorgefundenen Schadensbilder zeigen, dass bei dieser Bauart auch nach dem planmäßigen Verpressen an den Auflagebereichen der Abstandshalter durch Spaltkorrosion eine Wasserstoffentwicklung stattfinden kann, die eine Versprödung der angrenzenden Spannstähle zur Folge haben kann. Die Spaltsituation tritt darüber hinaus über den gesamten Querschnitt des Spannkanals auf und kann damit jeden einzelnen Spanndraht betreffen. Bei einer üblichen Begutachtung von Spannstählen durch Entnahme aus Brückenbauwerken erfolgt die Entnahme aufgrund statischer Anforderungen oder baulicher Gegebenheiten meist nicht in den Umlenkbereichen. Eine Detektion vorhandener Anrisse ist somit insbesondere bei Öffnungslängen unterhalb des Verlegeabstandes der Abstandshalter von 1 bis 1,5 m nicht zwangsläufig möglich. Gleichzeitig ist ggf. die Spaltbildung durch die fehlende Pressung in diesen Bereichen weniger kritisch. Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse ist davon auszugehen, dass trotz einwandfreier Erstellung des Brückenbauwerkes im Spannblockverfahren (keine Vorkorrosion, ordnungsgemäßer Verpresszustand, kein Wasserzutritt über Risse), an hochempfindlichen Hennigsdorfer Spannstählen St 140/ 160 wasserstoffinduzierte Spannungsrisse auftreten können. Die Untersuchung der Anrissflächen mit multiplen Risslinsen (siehe Abb. 11) an frischen Bruchstellen zeigt, dass eine Abminderung des Spannstahlquerschnittes von bis zu 46 % gegeben ist. Einwirkenden Lasten bzw. Spannungen wie Vorspannkraft, Eigenlast, Temperatur und Verkehr bietet ein Resttragquerschnitt des Spanndrahtes von 54 % keine ausreichenden Reserven, was durch Schallemissionsmessungen belegt wurde. Abb. 11: Multiple Anrisslinsen an einer frischen Bruchstelle 572 5. Brückenkolloquium - September 2022 Neue Erkenntnisse zu wasserstoffinduzierten Spannungsrissen infolge korrosiver Belastung hochempfindlicher Spannstähle Die nachhaltige Schädigung eines Bauwerkes durch Wasserstoff induzierte Spannungsrisskorrosion wird nicht allein durch Spannstahlbrüche indiziert, sondern primär durch vorhandene Anrisse. Die Geschwindigkeit des Risswachstums infolge dynamischer Beanspruchung ist abhängig von der Beanspruchung und somit von der Lage des Risses, bezogen auf den Momentenverlauf. Die Brüche im Bereich des Auflagers an Achse C bestätigen dies. 6. Fazit Die Schadensinitiierung erfolgte im Rahmen der Bauwerkserstellung durch wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion, der Schadensfortschritt durch das aus zyklischer / dynamischer Beanspruchung des Bauwerkes resultierende Risswachstum (Ermüdung) [6]. Nach Unterschreitung der kritischen Resttragfläche kommt es zu einem Spanndrahtbruch. Die daraus resultierende Lastumverteilung kann im Laufe der Zeit zu einem exponentiellen Anstieg der Drahtbrüche führen. Literatur [1] Kaplan, F.; Steinbock, O.; Bösche, T.; Niederleithinger, E.; Ebell, G.; Saloga, K.; Kind, T.; Kilian, A. und Fiedler, G.; et al., B1 - Brücke Altstädter Bahnhof in Brandenburg an der Havel,Bauwerksuntersuchungen vor dem Rückbau, Landesbetrieb Straßenwesen, 2021. [2] TGL 173-33 Spannblockverfahren, Spannglieder mit Nennspannkraft 600 bis 1600 Mp, (1967). [3] Lippold, P., Konzentrierte Spannglieder im Straßenbrückenbau, In: Bauplanung - Bautechnik, 172ff, (1969) [4] TGL 101-036 Blatt 2 Spannsthal St 140/ 160, ölschlußvergütet, oval schräg gerippt., Abmesungen, (1966). [5] TGL 101-036 Blatt 1 Spannstahl St 140/ 160 ölschlußvergütet, Stahlmarken, Tecnische Lieferbedingungen, (1966). [6] Kaplan, Felix; Steinbock, Oliver; Saloga, Katrin; Ebell, Gino; Schmidt, Sebastian, Überwachung der Brücke am Altstädter Bahnhof, In: Bautechnik 99, 222-230, (2022)