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TOFFI

Tragfähigkeitserhöhung

orthotroper Fahrbahnplatten

durch faserverstärkte Inliner

Fakultät für Ingenieurwissenschaften

Bereich Bauingenieurwesen

Prof. Dr.-Ing. Kersten Latz

E-Mail: kersten.latz@hs-wismar.de

www.bau.hs-wismar.de/stahl


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


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Quellenverzeichnis

[1] Hölterhoff, J.; Latz, K.: „Sanierungs- und Inspektionsverfahren für Innenkorrosion im

Stahlbrückenbau“, in „Europäischer Sanierungskalender 2009“, Beuth Verlag Berlin 2009.

[2] Meissner, M.: „Weiterentwicklung eines Sanierungsroboters zur Untersuchung stark

korrodierter Hohlsteifen orthotroper Fahrbahnplatten“, Diplomarbeit Hochschule Wismar 2010.

[3] Fechner, M.: „Faser-Kunststoff-Verbunde und ihre Anwendung im Bauwesen“, Studienarbeit

Hochschule Wismar 2010.

[4] Latz, K.; Hölterhoff, J.: „A new rehabilitation method for inside corrosion of stiffeners with

hollow shape“, Proceedings „OBC - Orthotropic Bridge Conference“, Sacramento 2008.

[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. 438-454, Juli 2007.

[6] Manuskript zum „Expertengespräch Instandsetzung orthotroper Fahrbahnplatten“,

Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch-Gladbach 2005. www.bast.de


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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


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Kategorie 1: Anschlüsse am Deckblech


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Kategorie 1: Anschlüsse am Deckblech

Schweißnahtriss zwischen Deckblech und Rippe

Korrosion im Inneren

der Hohlsteife durch

eingedrungenes

Wasser


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Innenkorrosion


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Kategorie 2: Anschlüsse im Längssystem


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Kategorie 2: Anschlüsse im Längssystem

Schweißnahtriss im Querträgersteg

Riss in der Schweißnaht

zwischen Querträgersteg

und Längsrippe


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2. 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)


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Inspektionstechniken für das Innere der Hohlsteifen

Endoskopie


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Inspektionstechniken für das Innere der Hohlsteifen

Inspektionsroboter


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Weiterentwicklung des Inspektionsroboters

• Roboterarm ist zu störanfällig

• Entwicklung eines robusten Systems mit festen Messstellen

• Serielle Stationen zur

− Reinigung der Oberfläche

− Benetzung der Messstelle

− Ultraschallmessung


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Reinigen

Benetzen

US-Prüfung


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Modulare Lineareinheiten

Reinigungseinheit Benetzungseinheit Messeinheit


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3. Instandsetzungsverfahren im Überblick


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3. Instandsetzungsverfahren im Überblick

Verstärkung von unten:

- Zugänglichkeit

- Durchdringung der Querträger


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3. Instandsetzungsverfahren im Überblick

Verstärkung von oben:

- Einschränkung des Verkehrs

- Veränderung der Gradiente


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3. Instandsetzungsverfahren im Überblick

Alternative: Verstärkung von innen


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3. Instandsetzungsverfahren im Überblick

Sedlacek, G.: „Untersuchung zur nachhaltigen

Instandsetzung von orthotropen Fahrbahnplatten“ in

[6] Expertengespräch – Instandsetzung orthotroper

Fahrbahnplatten, BaSt, Bergisch-Gladbach 2005.


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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


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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


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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].


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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


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BB5.

Asphaltbewehrung oder modifizierte Asphaltbeläge

Vorteile:

Nachteile:

- Günstiger Lastverteilung => Entlastung der Hohlsteife

- Temporäre Einschränkung des Verkehrs

- Änderung der Gradiente (siehe SPS)

- Erhöhung des Gesamtgewichts


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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 2005. [6].


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Vorteile:

Nachteile:

- Unmittelbare Entlastung des Deckbleches

- Geringere Beanspruchung des Asphaltbelages

- keine positive Wirkung für die Hohlsteife und die Schweißnähte

- Deutliche Erhöhung des Gesamtgewichts


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4. 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


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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


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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


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Verfahrensschritte:

1. Innwändige Hochdruckwasserstrahlreinigung und Entrostung der Hohlsteife

2 Deckblech

3 Hohlsteife

5 Rollen

8 Schwenkbare Düse

11 Schwenkbarer

Düsenkopf


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2a. Einbau des Inliners durch Inversion


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2a. Einbau des Inliners durch Einziehen

2 Deckblech

3 Hohlsteife

13 Inliner

20 Verschlußseil

25 Tragseile

27 Einziehwagen

30 Laufräder


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2a. Einbau des Inliners durch Einziehen


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3. 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.


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Prototyp (Inliner mit textiler Bewehrung nur zum Korrosionsschutz)


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Hochfeste Verstärkungsfasern

Stahl:

E-Modul = 210000 N/mm 2

Zugfestigkeit = 360 - 1500 N/mm 2

Dichte= 7,85 g/cm 3

Glasfasern:

E-Modul = 70000 N/mm 2

Zugfestigkeit = 2000 - 3500 N/mm 2

Dichte= 2,6 g/cm 3

Aramid:

E-Modul = 130000 - 170000 N/mm 2

Zugfestigkeit = 2900 N/mm 2

Dichte= 1,45 g/cm 3

Kohlefasern:

E-Modul bis zu 600000 N/mm 2

Zugfestigkeit bis zu 5000 N/mm 2

Dichte= 1,8 g/cm 3


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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?


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Terminplan

Projektlaufzeit: Februar 2011 – Januar 2013


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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


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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


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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


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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


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Ausblick: Nachträgliche Verstärkung der Querträger

Williamsburg Bridge – New York


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Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit!

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