Beurteilung der Korrosion an Spundwandbauwerken

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1 Beurteilung der Korrosion an Spundwandbauwerken Dipl.-Ing. F. F. Eißfeldt Dipl.-Geol. A. A. Heeling Bundesanstalt Bundesanstalt für für Wasserbau Wasserbau Dienststelle Dienststelle Hamburg Hamburg Referat Referat Geotechnik Geotechnik Nord Nord BAW - DH / K1 Folie-Nr. 1

2 Spundwände Standsicherheit Gebrauchstauglichkeit Korrosion Restnutzungsdauer bestehender Spundwände Bemessung neuer Spundwände BAW - DH / K1 Folie-Nr. 2

3 Standsicherheit + Biegemoment - Anker zulässiges Biegemoment beim Einbau MW Spannungsüberschreitung aufnehmbares Biegemoment infolge Korrosion rechnerisch vorhandenes Biegemoment BAW - DH / K1 Folie-Nr. 3

4 Gebrauchstauglichkeit Bodenausspülungen MW Hohlräume in Hinterfüllung Sackungen an der Oberkante Durchrostung BAW - DH / K1 Folie-Nr. 4

5 Kennwerte der Korrosion Standsicherheit (aktuelles Widerstandsmoment): mittlere Restwanddicke mittlere Abrostung mittlere Abrostungsrate Gebrauchstauglichkeit (Zeitpunkt erster Durchrostungen): minimale Restwanddicke maximale Abrostung maximale Abrostungsrate BAW - DH / K1 Folie-Nr. 5

6 Kennwerte der Korrosion EAU 1990: Mittlere Abrostungsrate im Süßwasser : 0,02 mm/jahr in wärmeren Gebieten : 0,12 mm/jahr in deutschen Seehäfen : 0,14 mm/jahr EAU seit 1996: Mittlere und Maximale Abrostungen nach Milieu (Süß- / Meerwasser) Alter Mittelwerte Maximalwerte Mittelwerte Maximalwerte Abrostung [mm] Abrostung [mm] Abrostung [mm] Abrostung [mm] Alter [Jahre ] Süßwasser BAW - DH / K1 Folie-Nr. 6 Alter [Jahre ] Alter [Jahre ] Alter [Jahre ] Meerwasser in Nord- und Ostsee

7 BAW-Datenbank WaDiMe (WandDickenMessung) seit 1982: 350 Bauwerke Stationen Messwerte BAW - DH / K1 Folie-Nr. 7 Durchführung einer Wanddickenmessung pro Station ( 1 Tag) Auswertung einer Wanddickenmessung pro Station 500 Anzahl der bemessenen und ausgewerteten Stationen Wert der WaDiMe - Datenbank: ( )

8 Restwanddickenmessung sorgfältige Planung und Vorbereitung: Stationen entlang der der Wand Messquerschnitte über über die die Wandhöhe Reinigen und und Messen mit mit Taucherhilfe gereinigter Messquerschnitt je Messquerschnitt ca. 4-6 Einzelmessungen an Berg, Flanke und Tal Boden Wasser BAW - DH / K1 Folie-Nr. 8

9 Restwanddickenmessung sorgfältige Durchführung // geeignetes Messgerät Halterung Wasserzulauf Ultraschall- Messkopf definierter Wasservorlauf Magnet BAW - DH / K1 Folie-Nr. 9 Korrodierte Spundwand

10 Restwanddickenmessung sorgfältige Durchführung // geeignetes Messgerät Messwert Oszilloskop zur Beurteilung der Messwertqualität BAW - DH / K1 Folie-Nr. 10

11 Darstellung der Messergebnisse pro Station Boden Wasser BAW - DH / K1 Folie-Nr. 11

12 Darstellung der Messergebnisse pro Bauwerk Mittlere Abrostung ā [mm] GOK +2,35[mNN] Mittlere _ Abrostungsrate a [mm/jahr] 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Mittlere Restwanddicke t [mm] Akt. Widerstandsmoment W akt [%] GOK +2,35 [mnn] MW +1,10 MW +1,10 t = max 14,2mm Sohle -5,25 t 0 = 14,2 mm Sohle -5,25 W = Abrostung und Abrostungsrate Restwanddicke und Widerstandmoment BAW - DH / K1 Folie-Nr. 12

13 Messwert Kennwert Knotenhöhe: -2,25 mgok Messpunkt: Lage: Istausgangswanddicke 1 BM 15,6 Messwerte [mm]: 14,2 14,3 14,4 14,5 14,7 14,7 Messpunkt: Lage: Istausgangswanddicke 2 LTM 15,6 Messwerte [mm]: 14,7 14,8 14,8 14,9 14,9 15,0 Kennwerte: Mittlere Abrostung Maximale Abrostung? BAW - DH / K1 Folie-Nr. 13

14 Korrosionszonen (EAU) mit Tide ohne Tide MThw Spritzwasserzone Spritzwasserzone MTnw 1,5-2,5 m Wasserwechselzone Niedrigwasserzone MW 1,5-2,5 m 0,5 m Unterwasserzone Niedrigwasserzone Sohle Unterwasserzone Statistische Auswertung Sohle BAW - DH / K1 Folie-Nr. 14

15 Korrosionszonen ohne Tide Oberes Toleranzinterval der Abrostungen = Maximale Abrostung Spritzwasserzone 40 MW Niedrigwasserzone (Nwz) Häufigkeit [%] Frequency [%] a max = T o = e x ln + kn,p;(1 α ) s ln 0 Unterwasserzone Corrosion loss [mm] Abrostung [mm] 12 Sohle Verteilungsfunktion: lognormalverteilte Abrostungen pro Höhenzone BAW - DH / K1 Folie-Nr. 15

16 Korrosionszonen EAU, BAW bis 2004 BAW, 2005 MW 1,5-2,5 m ca. 0,5 m Niedrigwasserzone MW Spritzwasserzone Unterwasserzone Spritzwasserzone Unterwasserzone Sohle Sohle BAW - DH / K1 Folie-Nr. 16

17 Korrosionszonen BAW, 2005 Exponentielle Tiefenfunktion MW Spritzwasserzone Unterwasserzone Abrostung Sohle Tiefe unter MW [m] BAW - DH / K1 Folie-Nr. 17

18 Korrosionszonen BAW, 2005 MW Spritzwasserzone Unterwasserzone Sohle BAW - DH / K1 Folie-Nr. 18

19 Korrosionszonen BAW, 2005 MW Spritzwasserzone Festlegung Basiskorrosion der Basistiefe Basistiefe: 4 m unter MW Sohle 4 m Unterwasserzone Basistiefe ln Abrostung Basiskorrosion Tiefe unter MW [m] Anzahl Werte: BAW - DH / K1 Folie-Nr. 19

20 Korrosionszonen BAW, 2005 Mittlere Abrostung Spritzwasserzone Abrostung = b 2 e b 3 Tiefe MW 4 m Unterwasserzone Abrostung = b 0 e b 1 (Tiefe Basistiefe) Maximale Max. Abrostung = b 0 e b (Tiefe Basistiefe) 1 e s ln 1 1+ n Basistiefe Sohle Abrostung = b0 Streubreite der Messwerte BAW - DH / K1 Folie-Nr. 20

21 Messprogramm BAW, 2005 Anforderung für statistische Auswertung Spritzwasserzone: Höhe mindestens 1 m MW 4 m Spritzwasserzone Unterwasserzone Unterwasserzone: Basistiefe Sohle BAW - DH / K1 Folie-Nr. 21

22 Messprogramm BAW, 2005 Anforderung für statistische Auswertung Spritzwasserzone: Höhe mindestens 1 m mindestens 2 Messquerschnitte MW 4 m Spritzwasserzone Unterwasserzone Unterwasserzone: mindestens 3 Messquerschnitte Basistiefe Sohle BAW - DH / K1 Folie-Nr. 22

23 Messwert Kennwert BAW, 2005 Anforderung für statistische Auswertung Spritzwasserzone: Höhe mindestens 1 m mindestens 2 Messquerschnitte Abstand Messquerschnitte: ca. 0,5 m MW 4 m Spritzwasserzone Unterwasserzone Unterwasserzone: mindestens 3 Messquerschnitte Abstand Messquerschnitte: 0,5 m - 1 m Basistiefe Abstand Messquerschnitte: 1 m - 2 m Sohle BAW - DH / K1 Folie-Nr. 23

24 Messwert Kennwert BAW, 2005 Anforderung für statistische Auswertung MW Spritzwasserzone: Höhe mindestens 1 m mindestens 2 Messquerschnitte Abstand Messquerschnitte: ca. 0,5 m insgesamt mindestens 100 Messwerte 4 m Spritzwasserzone Unterwasserzone Unterwasserzone: mindestens 3 Messquerschnitte Abstand Messquerschnitte: 0,5 m - 1 m insgesamt mindestens 100 Messwerte Basistiefe Abstand Messquerschnitte: 1 m - 2 m Sohle BAW - DH / K1 Folie-Nr. 24

25 Messwert Kennwert BAW, 2005 Anforderung für statistische Auswertung MW 4 m Spritzwasserzone Unterwasserzone Spritzwasserzone: Höhe mindestens 1 m mindestens 2 Messquerschnitte Abstand Messquerschnitte: ca. 0,5 m insgesamt mindestens 100 Messwerte Unterwasserzone: mindestens 3 Messquerschnitte Abstand Messquerschnitte: 0,5 m - 1 m insgesamt mindestens 100 Messwerte Abstand der Messquerschnitte von MW: mindestens 0,2 m Basistiefe Abstand Messquerschnitte: 1 m - 2 m Sohle BAW - DH / K1 Folie-Nr. 25

26 Messwert Kennwert jeweils für das gesamte Bauwerk Falls zu wenig Messwerte pro Korrosionszone : nicht - mehr Einzelmessungen pro Messpunkt - Abstand der Messquerschnitte unter 0,5 m sondern Anzahl Stationen vergrößern Spritzwasserzone: Höhe mindestens 1 m mindestens 2 Messquerschnitte Abstand Messquerschnitte: ca. 0,5 m insgesamt mindestens 100 Messwerte Unterwasserzone: mindestens 3 Messquerschnitte Abstand Messquerschnitte: 0,5 m - 1 m insgesamt mindestens 100 Messwerte besser: 500 Messwerte Abstand Messquerschnitte: 1 m - 2 m Abstand der Messquerschnitte von MW: mindestens 0,2 m BAW - DH / K1 Folie-Nr. 26

27 anomale Löcher Ausgangswanddicke t 0 normales Loch logarithmierte Abrostung Forschungsbedarf! Abrostung aus Ultraschallmessung beobachtetes Loch Ultraschall - Messwert Abrostung aus Messung beobachtetes Loch anomales Loch Tiefe relativ zu MW [m] BAW - DH / K1 Folie-Nr. 27

28 Prognose aus Korrosionsfaktoren Mittl. Abrostung = b n e b m (Tiefe ) Ziel: Formeln für Regressionskoeffizienten Mittelwerte Maximalwerte Mittelwerte Maximalwerte Abrostung [mm] Abrostung [mm] Abrostung [mm] Abrostung [mm] Alter [Jahre ] Alter [Jahre ] Alter [Jahre ] Alter [Jahre ] Süßwasser Meerwasser in Nord- und Ostsee BAW - DH / K1 Folie-Nr. 28

29 Prognose von Kennwerten Mittl. Abrostung = b n e b m (Tiefe ) Ziel: Formeln für Regressionskoeffizienten aus Korrosionsfaktoren EU, EU, European Coal and and Steel Community (ECSC): Design Method for Steel Structures in in Marine Environments Including the Corrosion Behaviour ProfilARBED, ProfilARBED, Luxemburg Luxemburg Centre Centre d Etudes d EtudesTechniques TechniquesMaritimes et et Fluviales Fluviales (CETMEF), (CETMEF), Frankreich Frankreich Centro CentroSviluppo SviluppoMateriali (CSM), (CSM), Italien Italien BAW: BAW: K1 K1 (Geotechnik (Geotechnik Nord), Nord), B2 B2 (Stahlbau, (Stahlbau, Korrosionsschutz Korrosionsschutz und und Baustoffchemie) Baustoffchemie) BAW - DH / K1 Folie-Nr. 29

30 Korrosionsfaktoren Material (endogen) Zeit (dynamisch) Umgebung (exogen) Korrosionsergebnis BAW - DH / K1 Folie-Nr. 30

31 Untersuchungsprogramm Material (endogen) Zeit (dynamisch) Umgebung (exogen) Stahl Chemismus mechan. Eigenschaften mikroskopische Struktur Korrosionsprodukte Korrosionsergebnis Wasser Tiefenprofile Sommer / Winter Dauermessstellen an ca. 40 Bauwerken mit ausgewählten Merkmalskombinationen: alle Korrosionsfaktoren untersucht Wanddickenmessungen durchgeführt BAW - DH / K1 Folie-Nr. 31

32 Untersuchungsprogramm Statistische Auswertung mit Unterstützung der Fa. StatSoft korrosionsrelevante Klassifikationen, z.b.: - Milieu: limnisch / limnisch-brackisch / brackisch / brackisch-marin ph-wert Säurekapazität Sauerstoffgehalt Chlorid Sulfat Phosphat DOC BAW - DH / K1 Folie-Nr. 32

33 Untersuchungsprogramm Statistische Auswertung mit Unterstützung der Fa. StatSoft korrosionsrelevante Klassifikationen, z.b.: - Milieu: limnisch / limnisch-brackisch / brackisch / brackisch-marin -Stahl: Grobstahl / Feinstahl Elemente ASTM-Korngröße BAW - DH / K1 Folie-Nr. 33

34 Untersuchungsprogramm Statistische Auswertung mit Unterstützung der Fa. StatSoft korrosionsrelevante Klassifikationen, z.b.: - Milieu: limnisch / limnisch-brackisch / brackisch / brackisch-marin -Stahl: Grobstahl / Feinstahl zusammengesetzte Faktoren / Saisonalität: Salz-, Säure-, Schmutz-, O 2 -Faktor Leitfähigkeit Chlorid Sulfat Nitrat Calcium BAW - DH / K1 Folie-Nr. 34

35 Ergebnisse Prognoseformeln für Regressionskoeffizienten Spritzwasserzone Mittlere Abrostung = b 2 e b 3 Tiefe MW Unterwasserzone Mittlere Abrostung = b 0 e b 1 (Tiefe Basistiefe) Sohle Basistiefe b0 = *Stahl("Grobstahl")+.9481*"Gewässer"(limnisch) -.706*"Gewässer"("limnisch-brackisch")+.0255*"Gewässer"("brackisch") -.392*"StrömBin" (hoch)+.1593*lnalter+.3017*"o2-faktor" -.158*"SaisSäure"-.176*"StrömBin"*LnAlter (1)+.1666*Tide*LnAlter(1) *"StrömBin"*"Säurefaktor"(1) Mittlere Abrostung = Mittlere Abrostung b0 = b 0 BAW - DH / K1 Folie-Nr. 35

36 Ergebnisse Komplexe Wechselwirkungen MW Spritzwasserzone Unterwasserzone Basistiefe Basisabrostung b0 [mm] mit Strömung ohne Strömung bekannt: Korrosion abhängig vom Alter BAW-Ergebnis: mit Strömung Basiskorrosion unabhängig vom Alter Alter [Jahre] BAW - DH / K1 Folie-Nr. 36

37 Ausblick: Grundsatzuntersuchungen Prognoseformeln testen und verifizieren BAW - DH / K1 Folie-Nr. 37

38 Ausblick: Grundsatzuntersuchungen Prognoseformeln testen und verifizieren Implementierung in WADIME Benutzerfreundlichkeit Ziel: effektive Planung von Wanddickenmessungen die passende Spundwand zum jeweiligen Standort K1 (Geotechnik Nord) Durchführung / Auswertung von Restwanddickenmessungen Datenverwaltung, Gutachtenbearbeitung Weiterentwicklung von WaDiMe B2 (Stahlbau, Korrosionsschutz, Baustoffchemie) Weiterentwicklung Prognose Ursachenforschung anomale Löcher K1 & B2 Vorträge / Veröffentlichungen BAW - DH / K1 Folie-Nr. 38

39 Fazit für den Betreiber Korrosion bestimmt Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit: maßgebend für Restnutzungsdauer alter Spundwände maßgebend für Bemessung neuer Spundwände Restwanddickenmessungen sind aufwendig und teuer: sorgfältige Planung und gute Vorbereitung sorgfältige Durchführung mit geeigneten Messgeräten umfangreiche statische Auswertung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit BAW - DH / K1 Folie-Nr. 39