ISO 15630-3 / ASTM A416 / ASTM A1061: Prüfung von Spannlitzen
Die Prüfnormen ISO 15630-3, ASTM A416 oder ASTM A1061 geben Aufschluss, wie Spannlitzen geprüft werden müssen. Die Hersteller von Spannlitzen sind über Erzeugnisnormen dazu verpflichtet, ihre Produkte statisch und dynamisch nach diesen Normen zu prüfen. Um die Kosten für Equipment zu sparen werden diese Prüfungen oft an Dienstleister vergeben. Zusätzlich werden die Hersteller von unabhängigen Instituten fremdüberwacht.
Zu den Hauptuntersuchungen in der Qualitätssicherung zählt die statische Zugprüfung mit Dehnungsmessungen. ZwickRoell bietet hierfür eine Zugprüfmaschine für Kräfte bis 600 kN als Standardkonfiguration an. Da sich Spannlitzen unter Zug entwinden, setzt ZwickRoell auf spezielle Probenhalter-Einsätze, um ein vorzeitiges Versagen an ungewollten Stellen zum verhindern.
Im Dauerschwingversuch muss die Spannlitze bei einer Frequenz von max. 20 Hz zwei Mio. Prüfzyklen ertragen. Dabei stellt die Einspannung der Probe eine besondere Herausforderung dar, da relativ leicht Klemmbrüche auftreten können.
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Statische Zugversuche an Spannlitzen nach ISO 15630-3 / ASTM A416 / ASTM A1061
Bei statischen Zugversuchen nach ISO 15630-3, ASTM A416 oder ASTM A 1061 wird die Spannlitze gedehnt bis sie reißt. Bei Spannlitzen sind mehrere Drähte ineinander gewunden, die sich unter Zugbelastung zu entwinden versuchen. Während des Zugversuchs wird die Kraft und die Dehnung der Probe gemessen. Da Spannstahl ein hochfester Stahl ist werden hauptsächlich Prüfmaschinen mit großen Prüfkräften verwendet.
Spannlitzen mit einem Durchmesser von 3 bis 20 mm können im Zugversuch geprüft werden. Je nach Erzeugnis- oder Prüfnorm kann die Messlänge L0 beispielsweise 500 mm oder 610 mm betragen. Die Gesamtdehnung kann Werte bis 20 % erreichen.
Weiter können auch Umlenk-Zugversuche, z.B. nach EN ISO 15630-3, durchgeführt werden. Hierfür ist die Prüfmaschine mit einer Durchgangsbohrung in der Fahrtraverse ausgestattet.
Die wichtigsten Kennwerte aus dem Zugversuch an Spannlitzen nach ISO 15630-3 und ASTM A416
- Die Streckgrenze als Dehngrenze (Rp0.2), die in aller Regel bei 0,2 % plastischer Dehnung als „Ersatzsteckgrenze“ bestimmt wird
- Streckgrenzen-Dehnung; genauer die Streckgrenzen-Extensometer-Dehnung, weil sie nur mit Hilfe eines Extensometers bestimmt werden kann (Ae)
- Zugfestigkeit (Rm)
- Gleichmaßdehnung (Ag)
- Bruchdehnung (A), wobei die normativen Festlegungen in Bezug auf die Messlänge von entscheidender Bedeutung sind
Dynamische Prüfungen an Spannlitzen
Im Dauerschwingversuch (z.B. nach ISO 15630-3, XP A 35-045-2011, FprEN 10138-3:2009) an Spannlitzen muss die Probe bei einer Frequenz von max. 20 Hz zwei Mio. Prüfzyklen ertragen ohne zu brechen.
Bricht die Probe nah oder in der Einspannung ist der Versuch ungültig und muss wiederholt werden. Die Ermüdungsprüfung dauert mehrere Tage und ungültige Versuche sind dadurch sehr teuer. Nachdem Spannlitzen sehr hohe Festigkeiten besitzen, sind sie sehr kerbempfindlich und die Klemmung im Probenhalter stellt eine große Herausforderung dar. ZwickRoell hat einen speziellen Probenhalter für Spannlitzen entwickelt. Dadurch können Dauerschwingversuche ohne speziell angefügte Einspannelemente durchgeführt werden.
Typischerweise werden Dauerschwingversuche mit einer servoyhdraulischen Prüfmaschine der HA-Baureihe durchgeführt.
Probenklemmung bei dynamischen Prüfungen
Aufgrund der hohen Zugfestigkeit der Einzeldrähte einer Spannlitze bis 2000 Mpa und der glatten Oberfläche ist beim Klemmen der Probe besonders darauf zu achten, dass die Probe nicht beschädigt wird (beispielsweise durch ein Pyramidenmuster der Backeneinsätze). Dazu sind hydraulische, parallel schließende Probenhalter mit einstellbarem Klemmdruck erforderlich. Zusätzlich sollte die Geometrie der Spannbacken so gestaltet sein, dass ein zuverlässiges und homogenes Spannen der Probe möglich ist, ohne dass diese während der Prüfung zu rutschen beginnt.
Zur Vermeidung von Probenbrüchen außerhalb der Messlänge L0 ist auch die Produktqualität der Litzenprobe selbst entscheidend. Beim Zugversuch kann nur ein Zerreißen der Probe innerhalb der Messlänge als verlässliches Prüfergebnis gewertet werden. Eine beschädigte Probenoberfläche oder stark inhomogene Zugfestigkeit der Einzeldrähte führen oft zu Probenbrüchen außerhalb L0 in Backennähe.
Beim Dauerschwingversuch gemäß ISO 15630-3 an Spannlitzen stellt die Einspannung der Probe eine besondere Herausforderung dar, da relativ leicht Klemmbrüche auftreten können. Im Spannbereich überlagert sich die Beanspruchung aufgrund der Klemmkraft mit der dynamischen Prüfkraft, was dort zum vorzeitigen Bruch der Probe führen kann. Deshalb werden bei klassischen Zugproben aus Vollmaterial die Enden oft mit größeren Querschnitten ausgeführt, um sicherzustellen, dass die Probe im freien Teil zwischen den Probenhaltern bricht. An Litzen ist dies nicht so einfach möglich. Um dennoch ordnungsgemäße Prüfresultate zu erzielen, müssen die Prüflinge meist aufwändig präpariert, wie beispielsweise eingegossen werden.
Mit einem speziell für die Litzenprüfung entwickelten Probenhalter bietet die ZwickRoell die Option, Litzen ohne speziell angefügte Einspannelemente zu prüfen. Dies reduziert den Handlings-, Zeit- und Kostenaufwand für den Anwender erheblich.
Der Probenhalter besitzt eine hydraulisch-mechanische und eine rein mechanische Klemmung. Letztere besteht aus einer konischen Hülse, in die jedes Ende der Litze zusammen mit einem Gegenkonus eingeführt und verspannt wird. Hiermit wird der Großteil der Klemmkraft aufgebracht. Den verbleibenden Restanteil, der für die jeweilige Prüfung noch benötigt wird, übernimmt eine klassische hydraulisch-mechanische Klemmung mit Spannbacken. Durch die Kombination dieser zwei Spannprinzipien kann die Spannkraft so eingeleitet werden, dass es zu keinen Klemmbrüchen kommt und Litzenproben ohne Vorbehandlung geprüft werden können.
Der Probenhalter ist sehr flexibel für verschiedenste Prüfanwendungen einsetzbar. Die variabel einstellbare hydraulische Klemmkraft kann von Prüfung zu Prüfung durch entsprechende Regulierung des Öldrucks unkompliziert verändert werden.
Dehnungsmessung
Ein Bruch der Spannlitze führt häufig zum Ausschlagen einzelner Drähte. Dadurch besteht die Gefahr, dass ein berührender Extensometer beschädigt wird. ZwickRoell setzt deshalb gerade für sichere und genaue Messungen an hochdehnbaren und elastischen Materialien auf optische Extensometer.
Der Extensometer videoXtens 6-680 bietet mit einem Gesichtsfeld von 680 mm und einer Auflösung von 0,6 µm die Möglichkeit, auch bei großen Messlängen wie bei der Litzenprüfung die Dehnung präzise zu messen. Die Vorteile im Überblick:
- Messung der Streckgrenze nach ASTM A1061
- Keine Zerstörung des Extensometers bei Bruch, da Extensometer berührungslos misst
- Automatische Bestimmung der Bruchdehnung
- Durch Anbindung an Traverse sind die Messmarken immer automatisch mittig im Gesichtsfeld (FOV), der Messbereich wird optimal ausgenutzt
Weitere Vorteile sind, dass der Extensometer die Messmarken auf der Probe und die Anfangsmesslänge automatisch erkennt, beziehungsweise bestimmt und alle Daten an die Prüfsoftware testXpert überträgt.
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Was ist Spannstahl?
Spannstahl ist ein hochfester Stahl, der überwiegend im Spannbetonbau zum Vorspannen eingesetzt wird. Durch die Verwendung von Spannstahl besteht die Möglichkeit, die Eigenschaften von Betonbauteilen für statische und dynamische Beanspruchungen enorm zu steigern.
Spannstahl wird aus einem Langerzeugnis hergestellt und kann je nach Herstellungsnorm in seiner Oberflächenform unterschiedlich ausgeführt werden. Ein Einzeldraht wird bspw. nach der Herstellernorm DIN EN 10138-1 ausgeführt, wobei eine Spannlitze nach DIN EN 10138-3 ausgeführt werden kann. Der Einzeldraht hat dabei Festigkeiten bis zu 2000 N/mm² und ist in seiner Form rund ausgeführt, wobei es auch trapezförmige Querschnitte gibt, die dann als Kompaktlitze bezeichnet werden.
Unter dem Oberbegriff Spannstahl werden je nach Erzeugnis-Norm drei Lieferformen unterschieden:
- Stabstahl (Durchmesser 15 bis 36 mm)
- Draht (Durchmesser 5 bis 16 mm)
- Spannlitzen aus 3, 7 oder mehr gewundenen Einzeldrähten (Dreidrahtlitze: 5,2 bis 7,5 mm, Siebendrahtlitze 7 bis 18 mm)
Diese unterschiedlichen Lieferformen stellen hohe Ansprüche an die Materialprüfung und es werden dafür die unterschiedlichsten Prüfnormen (beispielsweise ISO, ASTM…) eingesetzt, um den erforderlichen Qualitätsstandard sicherzustellen.
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