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Silver Bridge (1967): Sprödbruch aus einem kleinen Riss im Augenstab

Am Abend des 15. Dezember 1967 stürzte die Brücke der U.S. 35 über den Ohio River (die Silver Bridge) ein, 46 Menschen starben. Der Einsturz begann, als ein Augenstab – ein Stab mit einem Auge an jedem Ende, aus denen die Tragkette der Brücke bestand – im Auge brach. An der Ausgangsstelle lag ein kleiner Riss von weniger als etwa 3 mm Tiefe, der über etwa 40 Jahre durch Spannungsrisskorrosion und verwandte Vorgänge gewachsen war.

Was geschah

Datum
15. Dezember 1967, gegen 17 Uhr (EST)
Ort
Brücke der U.S. 35 über den Ohio River zwischen Point Pleasant, West Virginia, und Kanauga, Ohio, USA
Bauwerk
Kettenhängebrücke mit Augenstabketten, entworfen 1927, eröffnet 1928. Jedes Kettenglied bestand aus einem Paar wärmebehandelter Stäbe von 2 × 12 in
Opfer
31 der 37 Fahrzeuge auf der Brücke stürzten mit ihr ab; 46 Menschen starben, 9 wurden verletzt
Ausgangsstelle
Unterer Schenkel des Auges von Augenstab 330 am Knoten C13N der Nordkette, Feld auf der Ohio-Seite
Untersuchung
U.S. National Transportation Safety Board (NTSB), Bericht NTSB-HAR-71-1; metallkundlicher Bericht des National Bureau of Standards (NBS)

Ablauf und Ergebnisse der Untersuchung

Der Einsturz ereignete sich gegen 17 Uhr. Nach Angaben des NTSB breitete er sich, nachdem die Nordkette getrennt war, in etwa einer Minute über die ganze Brücke aus.

Das NTSB stellte fest, dass der Einsturz durch einen Spaltbruch im unteren Schenkel des Auges von Augenstab 330 am Knoten C13N verursacht wurde. Der Bruch ging von einem Fehler kritischer Größe aus, der während der 40-jährigen Nutzungsdauer durch das Zusammenwirken von Spannungsrisskorrosion und Schwingungsrisskorrosion entstanden war. Die Fehlstelle war der Sichtprüfung nicht zugänglich und hätte nach Angabe des NTSB mit keinem damals bekannten Prüfverfahren entdeckt werden können, ohne den Augenstabknoten zu zerlegen.

Die Ursachenkette aus werkstofftechnischer Sicht

Silver Bridge: die Ursachenkette aus werkstofftechnischer SichtWärmebehandelter Augenstabaus unlegiertem StahlEtwa 0,6 % C, vergütetZugspannung an der Lochwanddes AugesEine Stelle, die nicht prüfbar warRiss wächst durchSpannungsrisskorrosion u. a.Unter etwa 3 mm tief in 40 JahrenNacht nahe dem Gefrierpunkt,geringe ZähigkeitDer Riss erreicht die kritische GrößeSpaltbruch im AugeKeine deutliche VerformungKette trennt sich,die Brücke stürzt ein
Silver Bridge: die Ursachenkette aus werkstofftechnischer Sicht

Der Stahl der Augenstäbe war ein unlegierter Stahl mit etwa 0,6 % Kohlenstoff ohne nennenswerte Legierungselemente außer Mangan; er war in Wasser abgeschreckt und bei etwa 1150–1200 °F (etwa 620–650 °C) angelassen.

Bei der metallkundlichen Untersuchung des National Bureau of Standards (NBS) zeigte sich, dass der Bruch der Unterseite des Auges von bereits vorhandenen Rissen an der Lochwand ausging, die weniger als 1/8 in (etwa 3,2 mm) tief waren. Alle Rissausgänge lagen in stark korrodierten Bereichen, und viele weitere Risse in der Nähe, die nicht am Bruch beteiligt waren, waren mit Oxid gefüllt – ein Zeichen, dass sie lange Zeit durch Zugspannung offen gehalten worden waren. Die Unterseite des Auges brach ohne nennenswerte plastische Verformung, die Oberseite versagte danach durch Überlast unter starker Biegung.

Lehrmaterial einer Universität (Open University) erklärt, dass der Stahl der Augenstäbe bei den Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt in der Unglücksnacht eine geringe Zähigkeit hatte und daher zum Sprödbruch neigte; bei geringer Zähigkeit ist schon ein kleiner Riss kritisch. Jedes Kettenglied bestand aus zwei Stäben, und als einer brach, rutschte der andere vom Bolzen: Die Struktur ohne Redundanz stürzte vollständig ein.

Zur Deutung der Ursache: Das NTSB führt das Risswachstum auf „das Zusammenwirken von Spannungsrisskorrosion und Schwingungsrisskorrosion“ zurück, während Teil I des Berichts des National Bureau of Standards die Risse als ähnlich zu Spannungsrisskorrosionsrissen in anderen Stählen beschreibt und folgert, dass die Befunde eher auf Spannungsrisskorrosion als auf Ermüdung hindeuten.

Die Merkmale, die zur Ursache führten

Navigator mit den Merkmalen dieses Falls öffnen

Öffnet man den Navigator mit diesen Merkmalen, steht der Sprödbruch – die letzte Versagensart – an der Spitze, gefolgt von Wasserstoffversprödung und Spannungsrisskorrosion. Äußere Merkmale allein können diese beiden nicht trennen; erst die Untersuchung des Ausgangsrisses selbst zeigt den Mechanismus. Bei diesem Unfall kam die Untersuchung des National Bureau of Standards zu dem Schluss, dass die Befunde eher auf Spannungsrisskorrosion als auf Ermüdung hindeuten.

Zugehörige Schadensarten: Sprödbruch / Spannungsrisskorrosion

Was sich danach änderte: Konstruktion, Vorschriften und Prüfung

Lehren

Verständnisfragen

Welche Aussage über die Spannungsrisskorrosion trifft zu?

  1. ASie tritt bevorzugt dort auf, wo durch Kugelstrahlen Druckeigenspannungen in die Oberfläche eingebracht wurden
  2. BSie tritt nur auf, wenn die Spannung die Streckgrenze übersteigt und sich der Werkstoff plastisch verformt
  3. CSie tritt auf, wenn ein anfälliger Werkstoff unter Zugspannung einem bestimmten korrosiven Medium ausgesetzt ist
Lösung und Erläuterung anzeigen

Lösung: C. Sie tritt auf, wenn ein anfälliger Werkstoff unter Zugspannung einem bestimmten korrosiven Medium ausgesetzt ist

Bei der Spannungsrisskorrosion wachsen in einem anfälligen Werkstoff unter Zugspannung (äußere Last oder Eigenspannungen aus Schweißen oder Umformen) in einem bestimmten korrosiven Medium Risse schon bei Spannungen weit unterhalb der Streckgrenze. Typische Beispiele sind austenitische nichtrostende Stähle in heißen chloridhaltigen Medien und Messing in ammoniakhaltigen Medien (Season Cracking). Sie ist gefährlich, weil das Bauteil äußerlich kaum korrodiert aussieht und plötzlich bricht. Da sie verhindert wird, wenn eine der drei Bedingungen entfällt, werden die Eigenspannungen durch Spannungsarmglühen gesenkt oder durch Kugelstrahlen Druckeigenspannungen in die Oberfläche eingebracht. Druckspannungen öffnen keine Risse; die Aussage, sie trete bevorzugt bei Druckeigenspannungen auf, ist daher umgekehrt. Auch die Aussage, sie trete erst oberhalb der Streckgrenze auf, ist falsch.

Welcher Werkstoff zeigt bei tiefen Temperaturen einen deutlichen Übergang vom zähen zum spröden Verhalten (Zäh-Spröd-Übergang)?

  1. AAustenitischer nichtrostender Stahl (kfz)
  2. BAluminiumlegierungen (kfz)
  3. CFerritischer Kohlenstoffstahl (krz)
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Lösung: C. Ferritischer Kohlenstoffstahl (krz)

In krz-Metallen steigt die Spannung, die zum Bewegen einer Versetzung nötig ist (Peierls-Spannung), mit sinkender Temperatur stark an. Bei tiefen Temperaturen tritt daher vor dem Fließen ein Spaltbruch auf, und die Kerbschlagarbeit im Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy fällt in einem bestimmten Temperaturbereich steil ab. Das ist der Zäh-Spröd-Übergang; ferritischer Kohlenstoffstahl ist das typische Beispiel. Austenitischer nichtrostender Stahl und Aluminiumlegierungen mit kfz-Gitter haben viele Gleitsysteme, und Versetzungen bleiben auch bei tiefen Temperaturen beweglich; sie zeigen daher keinen deutlichen Übergang und werden für Tieftemperaturanwendungen wie Tanks für Flüssiggase eingesetzt. Die Übergangstemperatur sinkt durch Kornfeinung und steigt z. B. durch Neutronenbestrahlung.

Ein Stahlblech mit der Bruchzähigkeit K_IC = 50 MPa·√m wird mit einer Zugspannung von 200 MPa belastet. Mit K = Yσ√(πa) und dem Geometriefaktor Y = 1,0: Welcher Wert kommt der kritischen Risslänge a, bei der Bruch eintritt, am nächsten?

  1. Aca. 20 mm
  2. Bca. 62,5 mm
  3. Cca. 80 mm
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Lösung: A. ca. 20 mm

Aus der Bedingung K = K_IC folgt a = (1/π)(K_IC/Yσ)². Mit K_IC/σ = 50/200 = 0,25 √m ergibt sich a = 0,25²/π = 0,0625/3,14 ≈ 0,0199 m, also ca. 20 mm. Der Wert ca. 62,5 mm entsteht, wenn man die Division durch π vergisst, der Wert ca. 80 mm, wenn man ohne Quadrieren 0,25/π rechnet. Die kritische Risslänge ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Spannung; halbiert man die Spannung, ist ein 4-mal so langer Riss zulässig. Die Rissgrößen, die die zerstörungsfreie Prüfung auffinden kann, mit diesem kritischen Wert zu vergleichen, ist der Grundgedanke der schadenstoleranten Auslegung.

Misst man die Bruchzähigkeit an Blechen aus demselben Werkstoff, aber mit unterschiedlicher Dicke: Wie verhält sich die scheinbare Bruchzähigkeit K_c mit zunehmender Blechdicke?

  1. ASie steigt immer weiter, da sich in dickeren Blechen die plastische Zone stärker ausbreitet
  2. BSie ist eine Werkstoffkonstante und daher unabhängig von der Blechdicke
  3. CSie nimmt durch stärkere Dehnungsbehinderung ab und nähert sich dem Wert K_IC des ebenen Dehnungszustands
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Lösung: C. Sie nimmt durch stärkere Dehnungsbehinderung ab und nähert sich dem Wert K_IC des ebenen Dehnungszustands

In einem dünnen Blech ist die Dehnungsbehinderung in Dickenrichtung gering (nahe dem ebenen Spannungszustand), sodass sich die plastische Zone an der Rissspitze weit ausbreitet und viel Energie aufnimmt; die scheinbare Bruchzähigkeit K_c ist daher hoch. Mit zunehmender Dicke wird die Verformung in Dickenrichtung behindert, und es stellt sich der ebene Dehnungszustand ein; die plastische Zone wird kleiner, K_c nimmt ab und erreicht oberhalb einer bestimmten Dicke einen nahezu konstanten Mindestwert K_IC. Deshalb kann K_IC als Werkstoffkonstante behandelt und in der Auslegung als Wert auf der sicheren Seite verwendet werden. Die Prüfnormen fordern eine für den ebenen Dehnungszustand ausreichende Dicke, die proportional zu (K_IC/Streckgrenze)² ist.

Verwandte Begriffe

Spannungsrisskorrosion Bruchzähigkeit Spannungsintensitätsfaktor Anlassen Fließen vor Bruch

Wichtigste Quellen

  1. NTSB, Highway Accident Report NTSB-HAR-71-1: Collapse of U.S. 35 Highway Bridge, Point Pleasant, West Virginia, December 15, 1967 (Zusammenfassung, Ursache und Empfehlungen)
  2. J. A. Bennett, NBS Report 9981: Metallurgical Examination and Mechanical Tests of Material from the Point Pleasant, W. Va. Bridge, Part I (U.S. National Bureau of Standards)
  3. West Virginia Department of Transportation: Silver Bridge
  4. The Open University, OpenLearn: The Silver Bridge disaster: the collapse
  5. FHWA, Happy 50th Anniversary, National Bridge Inspection Standards

Daten, Personenzahlen, Abmessungen, Temperaturen und andere Werte wurden anhand der oben genannten amtlichen Berichte und darauf gestützter Quellen geprüft.

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