Gabrys, Ulrike

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Conference Paper, Published VersionGabrys, UlrikeSchleifflächen aus Kunststoff - Materialkennwerte undKonstruktionsempfehlungenVerfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/105546Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Gabrys, Ulrike (2009): Schleifflächen aus Kunststoff - Materialkennwerte undKonstruktionsempfehlungen. In: Bundesanstalt für Wasserbau (Hg.): Stahl(wasser)bau -Wohin geht der Weg? Entwicklungstendenzen im Stahlbau und Korrosionsschutz. Karlsruhe:Bundesanstalt für Wasserbau. S. 43-51.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigenNutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte.Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license isapplicable. Under CC BY 4.0 commercial use and sharing, remixing, transforming, and building upon the materialof the work is permitted. In some cases a different, more restrictive license may apply; if applicable the terms ofthe restrictive license will be binding.BAW-Kolloquium Stahl(wasser)bau – Wohin geht der Weg? Entwicklungstendenzen im Stahlbau und Korrosionsschutz 16. und 17. Juni 2009 in Karlsruhe   Seite 43  Dipl.-Ing. U. Gabrys, Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe Schleifflächen aus Kunststoff - Materialkennwerte und Konstruktionsempfehlungen  In der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung (WSV) gibt es zahlreiche Stahlwasserbauten die der Unterstützung des Schiffverkehrs, der Wasserstands- und der Wasserabflussregulierung dienen. Überwiegend sind diese Bauten aus unlegiertem Stahl (Baustahl) hergestellt, jedoch kommen aus Gründen des Verschleißes und des Korrosionsschutzes auch nichtrostende Stähle zum Einsatz. Durch den kombinierten Einsatz von nichtrostendem Stahl und Baustahl kam es häufig zu Schäden. Diese Schäden entstanden in erster Linie infolge Kontaktkorrosi-on.   Veranlassung Bei der Kontaktkorrosion ist u. a. das Korrosionspotential ein wesentlicher Einflussfaktor. Bild 1 zeigt den Wirkmechanismus der Kontaktkorrosion und Bild 2 die freien Korrosionspoten-tiale im Süßwasser.  Bild 1: Kontaktkorrosion /1/   Bild 2: Korrosionspotentiale im Süßwasser /1/  Weitere Einflüsse auf die Bildung von Kontaktkorrosion sind die Einwirkzeit des Elektrolyten, (z. B. dauernde Flüssigkeitseinwirkung) und die „Flächenregel“. Diese Regel besagt, dass das unedlere Metall (Baustahl) umso stärker geschädigt wird, je kleiner dessen Oberfläche im Vergleich zur Oberfläche des edleren Metalls (CrNi-Stahl) ist. Tabelle 1 zeigt Spannungsrei-hen für Metalle im Süß- bzw. Meerwasser. Je weiter die Metalle in der Spannungsreihe voneinander entfernt sind, umso stärker arbeitet das e-lektrochemische Element und die Korrosionsgefahr steigt.        Tabelle 1: Elektrochemische Spannungsreihe der Metalle für Süßwasser und Meerwasser       (Elektrolyt belüftet, Temperatur 25° C) /1/ Freie Korrosionspotentiale im Süßwasser-1,2-1-0,8-0,6-0,4-0,200,20,40,6V  CU/CuSO4 gesNiro Kupfer Stahl im Beton    unleg.Stahl        Aluminium verz. Stahl Metall Potential in mV  Süßwasser Meerwasser  (pH = 6) (pH = 7,5)  Gold + 306 + 243 zunehmende  Silber + 195 + 149 Beständigkeit  Kupfer + 140 +10  Nickel + 118 +46  Wasserstoff 0 0  CrNi-Stahl - 84 -45  Al Cu Mg +21 - 339  Al Mg Si - 124 - 785  Rein-Aluminium - 169 - 667  Zinn - 175 - 809  Blei - 283 - 259  Stahl - 350 - 335  Cadmium - 574 - 519  Zink - 823 - 284 abnehmende  Magnesium - 1460 -1355 Beständigkeit Standardwasser-stoffelektrode BAW-Kolloquium Stahl(wasser)bau – Wohin geht der Weg? Entwicklungstendenzen im Stahlbau und Korrosionsschutz 16. und 17. Juni 2009 in Karlsruhe   Seite 44  Um die Kontaktkorrosion zu minimieren, muss der nichtrostende Stahl durch geeignete Mate-rialien ersetzt werden. Für Verschlüsse im Stahlwasserbau ist geplant, zukünftig Dichtungs-schleifflächen, Dichtungsanschläge und ggf. auch weitere Gleitflächen aus geeigneten Kunst-stoffmaterialien herzustellen, um damit auf den bisher bei solchen Konstruktionen üblichen Einsatz von Edelstahl weitestgehend verzichten zu können.  Eingesetzt werden solche speziellen Konstruktionen an Betriebsverschlüssen (z. B. bei Längs-/Umlaufkanalverschlüssen, Sparbeckenverschlüssen, und bei Schleusen- und Wehrverschlüs-sen) von Stauanlagen, die entweder neu gebaut werden oder bei denen für die Verschlüsse Ersatzinvestitionen vorgenommen werden müssen.  Versuche zur Ermittlung des Reibbeiwerts Daher initiierte die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) ein Forschungsthema über Kunststof-fe und deren Verhalten hinsichtlich Verschleiß und Reibung. Auf vorhandene Materialkennwer-te (Alterungsbeständigkeit, Festigkeit, Quellverhalten usw.) für Kunststoffe kann zurückgegrif-fen werden. Bei den Reibbeiwerten zeigte sich, dass zwar entsprechende Werte durch z. B. Materialhersteller angegeben werden, diese jedoch auf den geplanten Anwendungsfall nicht übertragbar sind. Um jedoch einen sicheren Betrieb der Stahlwasserbauverschlüsse zu garan-tieren, ist es erforderlich, dass die jeweiligen  Reibbeiwerte unter realistischen Bedingungen  bestimmt werden und Erkenntnisse zum Verschleißverhalten der Gleitpaarungen vorliegen. Auch zur Berechnung der Antriebsleistung ist der exakte Reibbeiwert zwingend erforderlich.  Über die Gleitbewegung eines Konstruktionselementes (Dichtung) auf einer Kunststofffläche (Fixteil) soll Folgendes untersucht werden: – Verschleißverhalten der Kunststoffe (Abriebfestigkeit)  – Reibbeiwerte (Gleitreibungszahl μ) für die Ermittlung der Dichtungsreibung bzw. Gleitreibung nach DIN 19704 "Stahlwasserbauten, Teil 1: Berechnungsgrundlagen", Mai 1998 Alle Versuche sollen unter Wasser ausgeführt werden bzw. es sollen Bedingungen gegeben sein, die dem Zustand „wasserbenetzt“ (vgl. DIN 19704-1, 05/1998, Tab. 3) entsprechen.  Bild 3 zeigt einen schematischen Versuchsaufbau zur Bestimmung des Reibbeiwertes.  Durch das Institut  für Verbundwerkstof-fe in Kaiserslautern wurden in 10 Kurz-zeit- und 3 Langzeitversuchen die un-terschiedlichsten Kunststoffe beprobt.  Die Herstellung der Probe erfolgte aus einer originalen Notenprofildichtung, die auf dem Kunststoffring bewegt wurde.  Bild 3: Block-auf Ring Tribometer /2/   ω Probe FN Verschleißspur Gegenkörper BAW-Kolloquium Stahl(wasser)bau – Wohin geht der Weg? Entwicklungstendenzen im Stahlbau und Korrosionsschutz 16. und 17. Juni 2009 in Karlsruhe   Seite 45  Durch das Institut für Verbundwerkstoffe, Kaiserslautern wurde eine Vorauswahl der zu be-probenden Kunststoffe getroffen. Bild 4 zeigt die im Kurzzeitversuch beprobten Kunststoffe.  Der Anpressdruck der Probe (Notenprofil) war 1MPa und die Geschwin-digkeit mit der der Kunst-stoffring gedreht wurde entsprach v=0,03 m/s. Alle Kunststoffe wurden im Kurzzeitversuch 20 h lang beprobt.     Bild 4: Kunststoffe für den Block-auf Ring Versuch /2/  Aus Bild 5 kann der Reibbeiwert der unterschiedlichen Kunststoffe nach 20 h Versuchsdauer abgelesen werden.  Bild 5: Reibbeiwert aller Kunststoffe im Vergleich zum nichtrostenden Stahl /2/  Die Auswertung der Reibbeiwertergebnisse zeigte, dass alle Kunststoffe einen geringeren Reibbeiwert als der nichtrostende Stahl haben. Anhand der vorliegenden Ergebnisse und ei-ner Zusammenstellung der technischen Daten aus den Datenblättern der untersuchten Kunst-stoffe wurden drei Kunststoffe (siehe Kunststoffe mit roter Umrandung) ausgewählt, die in ei-nem Langzeitversuch weiter untersucht wurden. Die Langzeitversuche liefen jeweils 96 h. In diesem Zeitraum war die aus dem Notenprofil hergestellte Probe abgenutzt. Eine Auswechs-lung der Probe war nicht vorgesehen, da dies die Ergebnisse maßgeblich beeinflusst hätte. Eine Prüfzeit von 96 h entspricht einem Realbetrieb von ca. zwei Monaten. Die Ergebnisse der Versuche zeigten unter anderem, dass die Verschleißrate des Dichtungsmaterials bei den BAW-Kolloquium Stahl(wasser)bau – Wohin geht der Weg? Entwicklungstendenzen im Stahlbau und Korrosionsschutz 16. und 17. Juni 2009 in Karlsruhe   Seite 46  untersuchten Kunststoffen zwischen 25% und 70% geringer ist als die Verschleißrate des Dichtungsmaterials auf dem nichtrostenden Stahl. Bild 6 zeigt den Reibbeiwert der drei unter-suchten Kunststoffe im Vergleich zum nichtrostenden Stahl.  Bild 6: Reibbeiwert von drei Kunststoffen im Vergleich zum nichtrostenden Stahl /2/  Durch eine zusätzliche, nachträglich vereinbarte Versuchsreihe sollten Erkenntnisse hinsicht-lich des Verschleißverhaltens des Dichtungsmaterials auf den nicht mit einem Abriebfilm be-hafteten Oberflächen der drei Kunststoffe und des nichtrostenden Stahls gewonnen werden. Dieser Abriebfilm stellte sich sowohl bei den 20 h–Versuchen als auch bei den 96 h-Versuchen ein. Bei einer maximalen Prüfzeit von 4,5 h erfolgte jeweils nach 1,5 h ein Spur-wechsel auf den Kunststoffringen.  Durch einen zusätzlichen Schwamm konnten lose Partikel des Dichtungsgummis entfernt werden. Der Abriebfilm stellte sich jedoch auch bei dieser kur-zen Versuchsdauer ein. Bild 7 zeigt die Ergebnisse (Reibbeiwert) der zuvor beschriebenen Versuche. Nach Beendigung der Versuche wurde auch die Verschleißrate des Dichtungsma-terials aus dem originalen Notenprofil bestimmt.  Bild 7: Reibbeiwert von drei Kunststoffe im Vergleich zum nichtrostenden Stahl bei 3x1,5 h  Versuchsdauer /2/  BAW-Kolloquium Stahl(wasser)bau – Wohin geht der Weg? Entwicklungstendenzen im Stahlbau und Korrosionsschutz 16. und 17. Juni 2009 in Karlsruhe   Seite 47  Die durchgeführten Versuche zeigten, dass die untersuchten Kunststoffe durchaus geeignet sind den bisher für Dichtungsschleifflächen eingesetzten nichtrostenden Stahl zu ersetzen. Zum zukünftigen erfolgreichen Einsatz solcher Kunststoffe sind noch Berechnungsansätze zur Bemessung zu entwickeln. Bei diesen Berechnungsansätzen ist sowohl auf der Einwirkungs-seite als auch auf der Widerstandsseite (Material) ein Teilsicherheitsfaktor zu berücksichtigen.  Nachfolgend sind tabellarisch Einsatzgebiete von Dichtungsschleifflächen und die auf die Flä-chen wirkenden  Lasten (Einwirkungen) aufgeführt (Tabelle 2).  Tabelle 2: Dichtungsarten und Einwirkungen zur Berechnung der Dichtungsanschlagfläche  Berechnungen und Konstruktionsempfehlungen Anhand zweier Beispiele (Seitendichtung und Kopfdichtung) soll aufgezeigt werden, wie die Dichtungsanschlagfläche aus Kunststoff nachgewiesen werden könnten.  Seitendichtung Für die Seitendichtungsanschlagfläche ist auf der Einwirkungsseite (Last) die Dichtungsvor-spannung zu berücksichtigen und aus dem anstehenden Wasser ein zusätzlicher Dichtungs-druck. Für die Dichtungsvorspannung werden 4 N/mm Dichtlinie (DL) (Teilsicherheitsfaktor γQ=1,5) in Anlehnung an real ausgeführte Bauwerke angenommen. Bild 8 zeigt die anzuset-zenden hydrostatischen Einwirkungen auf ein Notenprofil. BAW-Kolloquium Stahl(wasser)bau – Wohin geht der Weg? Entwicklungstendenzen im Stahlbau und Korrosionsschutz 16. und 17. Juni 2009 in Karlsruhe   Seite 48   Bild 9: Ansatz der hydrostatischen Last auf eine Notenprofildichtung nach /3/  Der anzusetzende Wasserdruck (D) (Annahme Δh = 10 m) berechnet sich in diesem Fall zu:   D/m DL= w(x2+y2+ys)/2x = 3,5 N/mm DL       (Teilsicherheitsfaktor γQ=1,35)  Aus diesen beiden Einwirkungen, multipliziert mit den entsprechenden Teilsicherheitsfaktoren, ergibt sich dann die gesamte Einwirkung. Anhand einer Tabelle (siehe dazu Tabelle 3) aus der Diplomarbeit von Christian Schleicher: „Verschleißuntersuchungen an Wulstdichtungen im Stahlwasserbau in Wasser mit Feststoffen“ von 1998 kann die Abplattung des Notenprofils bestimmt werden.  Tabelle 3: Ermittelte Werte der Verformungen der Wulstdichtungen   Unter Berücksichtigung der Abplattung und der ermittelten Einwirkungen kann man dann die Druckspannung in der Dichtungsanschlagleiste aus Kunststoff berechnen.    Druckspannung = mm 15,3810,73N/mm = 0,7N/mm2 DL Stichmaß x  x=0,05m s=0,015m y=0,025m w= 100kN/m2 BAW-Kolloquium Stahl(wasser)bau – Wohin geht der Weg? Entwicklungstendenzen im Stahlbau und Korrosionsschutz 16. und 17. Juni 2009 in Karlsruhe   Seite 49  Die Dichtungsanschlagleiste aus Kunststoff für Seitendichtungen sollte zur besseren Aus-wechselbarkeit auf ein unlegiertes, in den Massivbau eingebautes Stahlblech aufgeschraubt werden. In Bild 9 ist ein prinzipieller Aufbau dargestellt.  Bild 9: Mögliche Ausbildung einer Dichtungsanschlagleiste (Skizze: Neubauamt Hannover)  Alle im Beton eingebauten Bauteile sollten möglichst aus S235JR hergestellt werden. Die Dichtungsanschlagleiste aus Kunststoff ist auf die Tragkonstruktion aufzuschrauben (Gewin-dehülsen). Dazu sind außerhalb der eigentlichen Dichtlinie Senkschrauben zu verwenden. Die Tragkonstruktion aus Stahl ist durch stellbare Anker mit dem Erstbeton zu verbinden, ggfs. ist eine Führung für eine Dichtungsheizung einzuplanen. Alle frei liegenden Stahlflächen sind zu konservieren.  Kopfdichtung Zur Bemessung einer Dichtungsanschlagleiste aus Kunststoff für eine Kopfdichtung ist eben-falls eine Dichtungsvorspannung von 4 N/mm DL (Teilsicherheitsfaktor γQ=1,5) anzusetzen. Als hydrostatische Einwirkung auf die Kopfdichtung wird eine Wasserdruckdifferenz zwischen Oberwasser und Unterwasser von 8 m  angenommen. Bild 10 zeigt die anzusetzende hydro-statische Einwirkung.  Zweitbeton Kunststoff Unterkonstruktion  aus Stahl BAW-Kolloquium Stahl(wasser)bau – Wohin geht der Weg? Entwicklungstendenzen im Stahlbau und Korrosionsschutz 16. und 17. Juni 2009 in Karlsruhe   Seite 50   Bild 10: Hydrostatische Einwirkung auf eine Kopfdichtung   Die Dichtungskraft (D) pro Meter Dichtungslinie (DL) infolge Wasserdruck errechnet sich aus:  D/m DL= w x 2b = 80 N/mm x 80 mm = 6400 N je m DL = 6,4 N/mm DL   Laut der Diplomarbeit von Schleicher ergibt sich daraus ein Stichmaß „x“ von ~ 1,8 mm und eine Profilabplattung mit einer Breite von  ca. 17,0 mm.   Druckspannung = 2/73,00,172/4,12mmNmmmmN = DL   Auch auf der Widerstandsseite ist ein Teilsicherheitsbeiwert (γM) anzusetzen, der sich aus zwei Sicherheitsfaktoren zusammensetzt. Ein Faktor repräsentiert die Modellunsicherheit bei den Bauwerkswiderständen (γRd) und ein weiterer Faktor die Unsicherheit der Baustoffeigen-schaften (γm). Es wird empfohlen, sowohl γRd als auch γm mit 1,1 anzusetzen, so dass γM = γRd x γm = 1,2 wird. Die Streckspannung (fy,k) des eingesetzten Kunststoffs ist dann noch durch 1,2 zu dividieren.   Nachweis für die Dichtungsanschlagleiste               Sd ≤ Rd Rd = fy,k/γM γM = 1,2   Die Berechnungen zeigen, dass Kunststoffe (POM, PVC, PE-UHMW) durchaus als Anschlag-leisten für die Dichtungen einsetzbar sind. Die durch die Einwirkungen entstehenden Druck-spannungen können ohne weiteres durch die im Langzeitversuch untersuchten Kunststoffe aufgenommen werden. Alle drei untersuchten Kunststoffe sind UV beständig und weisen ein geringes Quellverhalten auf.   Um Langzeiterfahrungen über solche Dichtungsanschlagleisten zu gewinnen, sollten diese im realen Betrieb an einem Umlaufverschluss eingesetzt werden. Daher wäre es wünschenswert,  2b BAW-Kolloquium Stahl(wasser)bau – Wohin geht der Weg? Entwicklungstendenzen im Stahlbau und Korrosionsschutz 16. und 17. Juni 2009 in Karlsruhe   Seite 51  wenn im Amtsbereich der WSV der BAW die Möglichkeit gegeben würde, Kunststoffe als Dichtungsanschlagleisten im Realbetrieb zu testen.   Literatur /1/  U. Gabrys, M. Baumann, Dr. G. Binder: CrNi- und Baustahl im Stahlwasserbau-Schadensbilder-Problemanalysen-Lösungsansätze; Tagungsband Bautechnik; 2002 /2/   H.-P. Feldner: Abschlussbericht „Ermittlung tribologischer Kennwerte von Kunststoffen für den Einsatz als Alternativwerkstoffe im Stahlwasserbau, Institut für Verbundwerkstof-fe, Kaiserslautern, 2009 /3/  G. Wickert, G. Schmaußer: Stahlwasserbau; Springer-Verlag Berlin, 1971     

Schleifflächen aus Kunststoff - Materialkennwerte und Konstruktionsempfehlungen

http://henry.baw.de/bitstream/20.500.11970/105546/1/11_Gabrys_Schleiffl%c3%a4chen.pdf

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