Beitrag zur zerstörungsfreien Spannungs- und Schnittgrößenermittlung in Stahlbauteilen mittels Ultraschallprüfverfahren

Bauen im Bestand hat bei heutigen Bauaufgaben einen nicht mehr zu vernachlässigbaren Anteil eingenommen. Aufgrund erhöhter Deckenlasten in Gebäuden durch Nutzungsänderungen oder erhöhter Verkehrsdichten auf Brücken wird dabei eine statische Neuberechnung nach aktuell geltendem Normenwerk notwendig. Dazu ist eine möglichst genaue und realitätsnahe Kenntnis des Belastungszustandes der zu untersuchenden Bauwerke unabdingbar. Oftmals ergibt ein konventionell geführter Nachweis dabei keine ausreichende Tragfähigkeit oder dieser ist aufgrund fehlender Bauwerksunterlagen erschwert zu führen. In diesem Fall werden bisher aufwendige Probebelastungen durchgeführt, mit Hilfe derer das wirkliche Tragverhalten eines Bauwerks untersucht wird. Dadurch können für Neubauten zu verwendende Annahmen entfallen und die vorhandenen Tragwerksreserven lassen sich ausnutzen. Mit dem in dieser Arbeit vorgestellten Verfahren der Spannungs- und Schnittgrößenermittlung in Stahlbauteilen mittels zerstörungsfreiem Ultraschallprüfverfahren können diese hohen Aufwendungen reduziert werden und es lassen sich wirtschaftlich und schnell die vorhandenen Belastungszustände bestehender Stahlbauwerke bestimmen. Dazu wird das Verfahren der Ultraschall- Spannungsermittlung an Baustahlträgern untersucht. Es wird auf die Besonderheiten desWerkstoffs Baustahl eingegangen und die speziellen baupraktischen Einflüsse werden betrachtet. In Laborversuchen werden die Ultraschallwellen auf ihre Genauigkeit und ihre Reproduzierbarkeit hin überprüft sowie der akusto- elastische Kennwert ermittelt, welcher der Ultraschallwellengeschwindigkeit im Baustahl den vorhandenen Spannungswert zuordnet. Somit können Längsbiegespannungen und Schubspannungen belasteter Träger ermittelt werden. Um die Messergebnisse auf nutzbare Ergebnisse für das gültige Format des zu führenden Tragfähigkeitsnachweises zu übertragen, wird eine stochastische Aufbereitung der Messdaten vorgenommen. Aus den gemessenen Spannungen können die Schnittgrößenverläufe verschiedener vorhandener Belastungszustände stochastisch geschätzt werden. Das Sicherheitskonzept des Bauwesens wird auf die Verwendung dieser Schnittgrößenverläufe adaptiert. Mit Hilfe von Messungen an ermittelten nachweisrelevanten Messstellen steht ein Messsystem und -verfahren zur Verfügung, mit welchem zerstörungsfreie Tragfähigkeitsnachweise an bestehenden Stahlbauwerken nach aktuell gültigem Normenwerk geführt werden können. In Praxiseinsätzen während der Entwicklung wird die Handhabbarkeit des Ultraschall- Messsystems validiert und es werden Optimierungsmöglichkeiten abgeleitet.Todays building industry cannot be imagined without construction in existing buildings. Higher static loads by the change of use of a building or much higher traffic loads of bridges needs a static recalculation by current standards. Therefore, it is necessary to know how loads stress the existing building structure most realistic. Often, the recalculation does not show a sufficient load- bearing capacity or no documentation of the structure is available that can be used for recalculation. In that case, expensive load tests are often used to show the available bearing capacity without idealisations of the structures and materials. By the here shown method of determination of current load stresses and internal forces by ultrasonic measurments, these efforts can be reduced and the current stress situation of existing steel buildings can be determined efficient and fast. In this project, the determination of current stress situations in structural steel is investigated. The special characteristics of the structural steel are regarded and the particular influences of building- practical conditions are considered. In laboratory tests, ultrasonic waves are examined for their measurement precision and reproducibility and also the acusto- elastic constant is determined, that is used to describe dependency between the ultrasonic speed and the current load condition. With these informations, it is possible to determine the longitudinal bending stresses and shear stresses in loaded beams. These measuring results are evaluated in a stochastic way to show the adequate load bearing capacity by current standards. With help of the measured load stresses the internal force distribution is estimated stochastically. The safety concept of the building industry is adapted to use these internal forces to show the load bearing capacity of existing steel buildings, with help of detected design relevant measuring points, more economic. In practical applications, the usability of the measuring systems are validated and improved