TOFFI Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner

Transkript

1 TOFFI Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner Fakultät für Ingenieurwissenschaften Bereich Bauingenieurwesen Prof. Dr.-Ing. Kersten Latz

2 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 2 Inhaltsübersicht 1.Schäden an orthotropen Fahrbahnplatten 2.Inspektionstechniken bei orthotropen Fahrbahnplatten 3.Instandsetzungsverfahren im Überblick 4.Tragfähigkeitserhöhung durch faserverstärkte Inliner

3 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 3 Quellenverzeichnis [1] Hölterhoff, J.; Latz, K.: Sanierungs- und Inspektionsverfahren für Innenkorrosion im Stahlbrückenbau, in Europäischer Sanierungskalender 2009, Beuth Verlag Berlin [2] Meissner, M.: Weiterentwicklung eines Sanierungsroboters zur Untersuchung stark korrodierter Hohlsteifen orthotroper Fahrbahnplatten, Diplomarbeit Hochschule Wismar [3] Fechner, M.: Faser-Kunststoff-Verbunde und ihre Anwendung im Bauwesen, Studienarbeit Hochschule Wismar [4] Latz, K.; Hölterhoff, J.: A new rehabilitation method for inside corrosion of stiffeners with hollow shape, Proceedings OBC - Orthotropic Bridge Conference, Sacramento [5] Minten, J.; Sedlacek, G.; Paschen, M.; Feldmann, M.; Geßler, A.: SPS ein neues Verfahren zur Instandsetzung und Ertüchtigung von stählernen orthotropen Fahrbahnplatten, Der Stahlbau, Vol. 76, S , Juli [6] Manuskript zum Expertengespräch Instandsetzung orthotroper Fahrbahnplatten, Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch-Gladbach

4 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 4 1. Schäden an orthotropen Fahrbahnplatten Kategorie 1: Anschlüsse am Deckblech Kategorie 2: Anschlüsse im Längssystem Kategorie 3: Anschlüsse im Quersystem Kategorie 4: Anschlüsse im Hauptsystem Dipl.-Ing. Friedrich - (BASt): Schäden und Instandsetzungsvarianten

5 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 5 Kategorie 1: Anschlüsse am Deckblech

6 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 6 Kategorie 1: Anschlüsse am Deckblech Schweißnahtriss zwischen Deckblech und Rippe Korrosion im Inneren der Hohlsteife durch eingedrungenes Wasser

7 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 7 Innenkorrosion

8 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 8 Kategorie 2: Anschlüsse im Längssystem

9 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 9 Kategorie 2: Anschlüsse im Längssystem Schweißnahtriss im Querträgersteg Riss in der Schweißnaht zwischen Querträgersteg und Längsrippe

10 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner Inspektionstechniken für orthotrope Fahrbahnplatten Visuelle Inspektion (Korrosion, geometrische Fehler) Farbeindringverfahren (Risse an der Oberfläche) Magnetpulververfahren (oberflächennahe Fehler) Ultraschallprüfung (Blechdickenmessung, Risse, Bindefehler, Poren, Schlackeeinschlüsse) Röntgenprüfung (Risse, Bindefehler, Poren,..) Wirbelstromprüfung (Risse, Poren, Schlackeeinschlüsse, chemische Zusammensetzung)

11 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 11 Inspektionstechniken für das Innere der Hohlsteifen Endoskopie

12 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 12 Inspektionstechniken für das Innere der Hohlsteifen Inspektionsroboter

13 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 13

14 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 14 Weiterentwicklung des Inspektionsroboters Roboterarm ist zu störanfällig Entwicklung eines robusten Systems mit festen Messstellen Serielle Stationen zur Reinigung der Oberfläche Benetzung der Messstelle Ultraschallmessung

15 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 15 Reinigen Benetzen US-Prüfung

16 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 16 Modulare Lineareinheiten Reinigungseinheit Benetzungseinheit Messeinheit

17 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner Instandsetzungsverfahren im Überblick

18 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner Instandsetzungsverfahren im Überblick Verstärkung von unten: - Zugänglichkeit - Durchdringung der Querträger

19 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner Instandsetzungsverfahren im Überblick Verstärkung von oben: - Einschränkung des Verkehrs - Veränderung der Gradiente

20 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner Instandsetzungsverfahren im Überblick Alternative: Verstärkung von innen

21 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner Instandsetzungsverfahren im Überblick Sedlacek, G.: Untersuchung zur nachhaltigen Instandsetzung von orthotropen Fahrbahnplatten in [6] Expertengespräch Instandsetzung orthotroper Fahrbahnplatten, BaSt, Bergisch-Gladbach 2005.

22 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 22 BB1. Sandwich-Plate-System (SPS) Prinzip: Durch Versteifung des Deckbleches und Erhöhung des Aufbaus günstigere Lastverteilung für die Radlasten SPS wird schon seit vielen Jahren im Schiffbau eingesetzt Lizenznehmer in Deutschland ist die Firma Krupp Stahlbau Hannover (heute Eiffel Deutschland) Pilotprojekt: Schönwasserparkbrücke/Krefeld im Zuge der A57

23 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 23

24 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 24 Vorteile: Nachteile: - Günstiger Lastverteilung => Entlastung der Hohlsteife - SPS ist eine im Schiffbau erprobte Technologie - Temporäre Einschränkung des Verkehrs - Änderung der Gradiente => Fahrbahnübergänge, Entwässerung und Gehwege müssen angepasst werden. - Erhöhung des Gesamtgewichts

25 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 25 BB2. Hochfester Beton / Stahlfaserbeton Prinzip: Verstärkung des Deckbleches mit 50 mm hochfestem, mit Stahlfasern versehenem und bewehrtem Beton. Dieses verfahren wird zur zeit in den Niederlanden an einigen Stahlbrücken erprobt [6].

26 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 26 Vorteile: Nachteile: - Günstiger Lastverteilung => Entlastung der Hohlsteife - Mitwirkung des Betons beim Lastabtrag - Temporäre Einschränkung des Verkehrs - Änderung der Gradiente (siehe SPS) - Deutliche Erhöhung des Gesamtgewichts

27 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 27 BB5. Asphaltbewehrung oder modifizierte Asphaltbeläge Vorteile: Nachteile: - Günstiger Lastverteilung => Entlastung der Hohlsteife - Temporäre Einschränkung des Verkehrs - Änderung der Gradiente (siehe SPS) - Erhöhung des Gesamtgewichts

28 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 28 BB3. Aufgeklebte Verstärkungsbleche Prinzip: Versteifung des Deckbleches durch aufgeklebte Verstärkungsbleche Hierdurch Verringerung der Deckblechverformungen und Entlastung der Schweißnähte Forschungsvorhaben der BaSt Siehe auch H. Friedrich: Instandsetzung durch Aufkleben von Stahlblechen, in Expertengespräch Instandsetzung orthotroper Fahrbahnplatten, BaSt, Bergisch-Gladbach [6].

29 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 29 Vorteile: Nachteile: - Unmittelbare Entlastung des Deckbleches - Geringere Beanspruchung des Asphaltbelages - keine positive Wirkung für die Hohlsteife und die Schweißnähte - Deutliche Erhöhung des Gesamtgewichts

30 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner Kooperatives Forschungsvorhaben TOFFI Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Bereich Bauingenieurwesen Prof. Jens Hölterhoff Prof. Kersten Latz Prof. Harald Cramer B.Eng. Max Fechner Dipl.-Ing. Matthias Meissner

31 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 31 Grundidee: Inliner wird in die Hohlsteife eingebaut, so dass ein nachträglicher innwändiger Korrosionsschutz entsteht Materialien: Textiles in Epoxidharz getränktes Gewebe Grundprinzip ist aus der Kanalsanierung bekannt

32 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 32 Erweiterung des Verfahrens: Bewehrung des Inliners durch hochfeste textile Fasern (z.b. CFK), die die Tragfähigkeit des Hohlsteife wesentlich verbessern. z.b. CFK (E-Modul höher als der des Stahls) Nadelfilz in Epoxidharz getränkt

33 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 33 Verfahrensschritte: 1. Innwändige Hochdruckwasserstrahlreinigung und Entrostung der Hohlsteife 2 Deckblech 3 Hohlsteife 5 Rollen 8 Schwenkbare Düse 11 Schwenkbarer Düsenkopf

34 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 34 2a. Einbau des Inliners durch Inversion

35 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 35 2a. Einbau des Inliners durch Einziehen 2 Deckblech 3 Hohlsteife 13 Inliner 20 Verschlußseil 25 Tragseile 27 Einziehwagen 30 Laufräder

36 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 36 2a. Einbau des Inliners durch Einziehen

37 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner Herstellung der Faltenfreiheit 4. Aushärtung 1 Deckblech 2 Hohlsteife 3 Anpressmolch 8 Inliner 11 Druckventil Der Aushärteprozess des Harzes wird durch Zuführung von Wärme (Warmaushärtung) oder durch Einwirkung von UV-Licht beschleunigt.

38 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 38 Prototyp (Inliner mit textiler Bewehrung nur zum Korrosionsschutz)

39 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 39 Hochfeste Verstärkungsfasern Stahl: E-Modul = N/mm 2 Zugfestigkeit = N/mm 2 Dichte= 7,85 g/cm 3 Glasfasern: E-Modul = N/mm 2 Zugfestigkeit = N/mm 2 Dichte= 2,6 g/cm 3 Aramid: E-Modul = N/mm 2 Zugfestigkeit = 2900 N/mm 2 Dichte= 1,45 g/cm 3 Kohlefasern: E-Modul bis zu N/mm 2 Zugfestigkeit bis zu 5000 N/mm 2 Dichte= 1,8 g/cm 3

40 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 40 Fragestellungen Wie kann die Schubfestigkeit sichergestellt werden? (Werkstoffwahl) Steifigkeit in Längsrichtung bei Flexibilität (Anpassungsfähigkeit) in Umfangsrichtung anisotroper Aufbau Wie verhalten sich die Fasern im Druckbereich? Wie können Delaminationen verhindert werden? Wie verhalten sich die Inliner unter thermischen Beanspruchungen? Kann eine ausreichende Ermüdungsfestigkeit sichergestellt werden? Welche Einbringungsverfahren sind möglich? Wie kann die Qualität nach Einbau nachgewiesen werden (ZfP)? Wie kann ein einfaches Bemessungsverfahren entwickelt werden?

41 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 41 Terminplan Projektlaufzeit: Februar 2011 Januar 2013

42 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 42 Phase 1: Konzeption (Februar Juli 2011) Analyse der Anforderungen des Brückenbaus Analyse der fertigungstechnischen Anforderungen Auswahl geeigneter Materialien Theoretische Auslegung des Inliners Konzeption eines angepassten Herstellungsprozesses

43 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 43 Phase 2: Entwicklung (Mai 2011 Juli 2012) Entwicklung eines angepassten Herstellungsverfahrens Ermittlung der mechanischen und therm. Eigenschaften Ermittlung des Verbundtragverhaltens Entwicklung zerstörungsfreier Prüfverfahren Entwicklung eines modifizierten Einbringverfahrens

44 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 44 Phase 3: Erprobung (Februar September 2012) Erprobung des optimierten Herstellungsprozesses Konzipierung eines Prüfstandes Einbringung des neuartigen Inliners in ein Funktionsmuster Erprobung der Qualitätssicherungsverfahren Experimentelle Prüfung von Funktionsmustern Rechnerische Simulation des Verbundtragverhaltens

45 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 45 Phase 4: Integration (Juni 2012 Januar 2013) Last-Verformungsverhalten der unverstärkten Brücke Verifizierung des Einbringverfahrens im Feldversuch Überprüfung der Herstellungstechnik Verifizierung der zerstörungsfreien Prüfung im Feldversuch Last-Verformungsverhalten der verstärkten Brücke Kosten - Nutzen - Analyse

46 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 46 Ausblick: Nachträgliche Verstärkung der Querträger Williamsburg Bridge New York

47 K. Latz:Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner 47 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!