Schlüsselwörter
(Deutsch)
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Spannglied, Kunststoffhüllrohr, Fehlstelle, Streustrom, Lokalisierung, Detektion, Wechselstrom
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Schlüsselwörter
(Englisch)
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tendon, polymer tube, electrical insulation, stray current, detection, ac-current
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Der Einsatz von isolierten Spanngliedern ermöglicht einen zuverlässigen und kontrollierbaren Schutz vor Korrosion. Damit ist eine erhebliche Erhöhung der Lebensdauer und eine effiziente Erfassung des Zustandes des Korrosionsschutzes möglich. Dieser Schutz ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn eine Korrosionsgefährdung durch Streuströme gegeben sein könnte. Es sollen Kriterien erarbeitet werden, welche die Abschätzung der Streustromgefährdung und damit die Anforderungen an die Isolation ermöglichen. Die Messung der Qualität der Isolation mit einfachen Methoden ist soeben in einem Projekt erarbeitet worden. Um den erforderten Korrosionsschutz sicherstellen zu können ist aber die Etablierung von Messverfahren zur Detektion von Fehlstellen erforderlich. Dies soll auf Methoden basieren wie sie in der Fehlersuche bei kathodisch geschützten Rohrleitungen eingesetzt werden. Damit ist es möglich nachträglich Fehlstellen auszubessern und auch bei fehlerhaftem Einbau den maximalen Korrosionsschutz sicherzustellen.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The use of electrically insulated tendons allows for a reliable and controleable protection against corrosion. Hence, a significant increase in the life time and an efficient determination of the actual state of the corrosion protection is possible. This protection is especially important when corrosion damage due to stray currents is possible. Criteria will be evaluated for the determination of the possible presence of stray current and the requirements for the insulation of the tendons. In most recent investigations an easy to use method for the determination of the quality of the insulation has been developed. In order to ensure a reliable protection of the tendons, not only the control of the insulation quality, but also the develpoment of methods for the localization of the defects are required. This will be done based on the techniques used for detection of defects in coatings of cathodically protected pipline systems. After establishing this techniques it will be possible repair the defects and guarantee a maximum corrosion protection of the system.
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Methoden
(Deutsch)
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Vorgehen
In einem ersten Schritt wurden Beurteilungskriterien bezüglich des Einsatzes von isolierten Spanngliedern im Bereich von Streuströmen erarbeitet. Dazu wurde eine Messmethode aufgrund von bestehenden Richtlinien, theoretischen Berechnungen und Feldmessungen entwickelt. Parallel zu diesen Arbeiten wurden Laborprüfkörper für die Entwicklung von Ortungsverfahren für Fehlstellen und Kurzschlüsse hergestellt. Weiter wurde an einem Bauwerk ein Modellspannkabel mit künstlichen Defekten installiert, um die Wirksamkeit der Labormethoden im Feld nachzuweisen. Schliesslich wurden die entwickelten und Methoden an konkreten Bauwerken eingesetzt.
Art und Umfang der Untersuchungen
Für die Erarbeitung der Beurteilungskriterien für die Streustromgefährdung wurden Untersuchungen an Bauwerken vor deren Erstellung durchgeführt. Diese Arbeiten erfolgten einerseits basierend auf der langjährigen Erfahrung der SGK in der Beurteilung von Streustromgefährdungen, andererseits wurden die Ergebnisse der theoretischen Berechnungen miteinbezogen. Die Berechnungen erfolgten aufgrund der Stromverteilung in einem stationären Modellfall.
Die Entwicklung der Messmethodik für die Ortung von Fehlstellen erfolgte an insgesamt 5 Modellprüfkörpern, welche die Simulation der Verhältnisse an einem Bauwerk ermöglichten. Um den realen Gegebenheiten möglichst nahe zu kommen, wurden Geometrien von 1-2 m verwendet. Dabei wurden verschiedenste Verfahren, welche für Fehlerortung in elektrischen Kabeln verwendet werden, untersucht. Deren Einsatz am Bauwerk mit Modellspanngliedern hat aber ergeben, dass die meisten dieser Verfahren nicht geeignet sind für den Einsatz im Feld. Es war möglich, ein robustes Gerät zu entwickeln, welches den Anforderungen der Felduntersuchung gerecht wird. Im Vordergrund standen dabei die Robustheit, die autonome Energieversorgung und die einfache Handhabung.
Die Erfahrungen mit der Ortung von Fehlstellen an konkreten Objekten hat die Tauglichkeit der Verfahren aber auch deren Auflösungsgrenzen gezeigt. In verschiedenen Fällen musste das Verfahren wieder verfeinert und am Bauwerk mit Modellspanngliedern überprüft werden.
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Spezielle Geräte und Installationen
(Deutsch)
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In einem realen Brückenbauwerk soll ein zusätzliches Spannkabel eingebaut werden, welches statisch nicht erforderlich ist. Dieses wird mit kontrollierten und zuschaltbaren Fehlstellen ausgerüstet werden. Diese Installation kann auch nach dem Abschluss des Projektes für Schulungszwecke benutzt werden. In der Kreditsumme ist lediglich die Begleitung dieser Installation vorgesehen. Zur Zeit liegt ein mögliches Objekt vor.
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Spezielle Geräte und Installationen
(Französisch)
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Stand der eigenen Forschung
(Deutsch)
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Die SGK ist seit mehreren Jahrzehnten im Bereich der Streustromproblematik tätig und hat verschiedene Richtlinien in diesem Gebiet erarbeitet: Richtlinien zum Schutz gegen Korrosion druch Streuströme von Gleichstromalnalgen (C3); Richtlinien zum Korrosionsschutz von erdverlegten metallischen Anlagen (C2). Weiter wurden Untersuchungen zur Überprüfung der Isolationssqualität von Ankern durchgeführt, welche zur Herausgabe von Empfehlungen für die Projektierung und Ausführung des Korrosionsschutzes führten. Am IBWK der ETH Zürich wurde eine Methode zur Messung der Isolationsqualität unter Verwendung von Wechselstrom entwickelt. Weiter wurde in Zusammenarbeit von SGK und ETH Untersuchungen zur Möglichkeit der Fehlstellenlokalisierung unter Verwendung von Wechselstrom durchgeführt.
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Stand der eigenen Forschung
(Französisch)
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Projektziele
(Deutsch)
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Im Rahmen des Projektes sollen die Grundlagen erarbeitet werden, welche dem projektierenden Ingenieur die Abschätzung der Korrosionsgefährdung von Brückenbauwerken durch Streuströme und damit die Beurteilung der Anforderungen an die Isolation der Spannkabel ermöglichen. Weiter sollen die erforderlichen Massnahmen für die allfällige Erdung unter Wechselstrombeeinflussung erarbeitet werden. Im zweiten Teil der Arbeit werden Verfahren etabliert welche die Lokalisierung der verschiedenen Arten von Fehlstellen in der Kunststoffumhüllung ermöglichen. Damit wird die Möglichkeit gegeben, bei fehlerhaftem Einbau nachträglich den erforderlichen Korrosionsschutz sicherzustellen.
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Projektziele
(Englisch)
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The technical knowledge required for the correct determination of possible corrosion problems due to stray currents is evaluated. These will allow the engineer to determine the requirements for the insulation of the tendons. Further, measures to mitigate possible induced ac voltages will be investigated. In the second part techniques will be established that allow to determine the different defects in the insulation of the tendons. Hence, defective installation can be corrected and the required corrosion protection can be quarantueed.
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Forschungsplan
(Deutsch)
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Es sind 4 Projektphasen vorgesehen. Der erwartete zeitliche Ablauf ist in Anhang 2 aufgeführt. Phase 2 beinhaltet die Erarbeitung von Beurteilungskriterien für die Anforderungen an die Isolation der Spannkabel basierend auf den bisherigen Richtlinien, theoretischen Betrachtungen und Feldmessungen. In Phase 2 werden Laborprüfkörper hergestellt für die Beurteilung verschiedener in Frage kommender Messverfahren und die Modellierung aller möglicher Fehlstellen. In Phase 3 wird an einem realen Objekt ein Modellspannkabel mit künstlichen Defekten installiert um die Wirksamkeit der Labormethoden im Feld nachzuweisen. In Phase 4 wird an realen Bauwerken mit Isolationsfehlern die Lokalisierung von Defektstellen durchgeführt. Abgeschlossen wird die Arbeit durch das Verfassen des Berichts.
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Zielerreichung
(Deutsch)
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Die vorliegende Forschungsarbeit hat die Zielsetzungen erreicht. Es wurden ein Messverfahren und Beurteilungskriterien für die Streustromgefährdung von Bauwerken im Planungsstadium und Messmethoden für die Ortung von Fehlstellen und Kurzschlüssen entwickelt.
Die Begleitkommission B hat den Schlussbericht genehmigt und zur Veröffentlichung freigegeben.
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Abstract
(Deutsch)
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Die Entwicklung eines Messverfahrens für die Beurteilung der Streustromgefährdung des zu erstellenden Bauwerks hat zu guten Ergebnissen geführt. Eine vollständige Übereinstimmung zwischen der erwarteten Beeinflussung und der effektiven Situation nach der Erstellung ist aber nicht gegeben. Die Problematik liegt in der Veränderung der gesamten Streustromsituation durch die Erstellung des Bauwerks und der Veränderung der Bodenwiderstände. Es ist daher sinnvoll, nach Erstellung des Bauwerks eine Beurteilung der Streustromsituation entsprechend der Richtlinie C3 der SGK vorzunehmen.
Aufgrund der gestaffelten Entwicklung der Messverfahren, deren Anwendung auf einem Modellobjekt und die Verifizierung von Defektstellen mittels Kamera an einem Objekt konnte die Praxistauglichkeit der Messverfahren gezeigt werden. Die Verfahren liefern gute Ergebnisse bei der Ortung von einzelnen Fehlstellen und Kurzschlüssen. Wenn mehrere Defekte an einem Spannglied vorliegen, können generell nur die niederohmigsten gefunden werden. Hochohmigere Effekte können nur geortet werden, wenn der Unterschied im Widerstand zu dem niederohmigsten Defekt nicht grösser
als ein Faktor 5 ist.
Die Ergebnisse der Untersuchung an Bauwerken haben gezeigt, dass die Widerstandswerte der
Spannglieder der Kategorie C entsprechend der Richtlinie von ASTRA und SBB durchaus erreicht
werden können. Es liegen aber auch Bauwerke vor, bei denen eine erhebliche Anzahl von
Spanngliedern die Widerstandsgrenzwerte nicht erreichen. Einige Ursachen, wie das zu wenig
konsequente Verwenden von Halbschalen bei Richtungswechseln jeder Art, konnte anhand der
Messungen eruiert werden. Viele Defekte werden aber durch den Baustellenbetrieb verursacht.
Verbesserungen sind dabei nur durch den Bauablauf und weniger durch Veränderungen des
Spanngliedsystems möglich.
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Beschreibung der Resultate
(Deutsch)
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Die vorliegende Forschungsarbeit hat die Zielsetzungen erreicht. Es wurden ein Messverfahren und Beurteilungskriterien für die Streustromgefährdung von Bauwerken im Planungsstadium und Messmethoden für die Ortung von Fehlstellen und Kurzschlüssen entwickelt.
In der Richtlinie von Astra und SBB sind Kriterien aufgeführt, welche die Auswahl der verschiedenen Spanngliedkategorien ermöglichen. Eines dieser Kriterien ist die Streustromgefährdung. Es wurden theoretische Berechnungen durchgeführt und die daraus abgeleitete Messmethode wurde an konkreten Objekten überprüft. Diese Messmethode zur Erfassung der auftretenden Streustromgradienten ermöglicht die Verwendung der gegenwärtig gültigen Richtlinien für die Beurteilung der Streustromgefährdung von bestehenden Bauwerken. Bei einer möglichen Streustromgefährdung durch Gleichstrombahnen im Umkreis von 10 km um das Bauwerk kann durch einfache Messung der Spannungsgradienten am projektierten Bauplatz die Streustromgefährdung ermittelt werden. Die Entscheidung über die zu verwendende Spanngliedkategorie ist demzufolge aufgrund von Voruntersuchungen möglich. Der Korrosionsschutz von Spanngliedern der Kategorie C gegenüber Streuströmen kann durch Fehlstellen in den Hüllrohren oder durch Kurzschlüsse zur Bewehrung beeinträchtigt werden. Die Berechnung der dabei auftretenden Effekte hat ergeben, dass es in diesen Fällen sinnvoll ist, das Spannglied an beiden Enden mit einem Kabel elektrisch zu kontaktieren. Durch beidseitige Erdung an die Bewehrung kann somit auch bei unzureichender Isolation des Spannglieds ein guter Korrosionsschutz erreicht werden. Diese Schutzmassnahme ist aber nur dann wirksam, wenn ausreichend grosse Kabelquerschnitte und möglichst kurze Kabellängen gewählt werden. Konkrete Vorschläge und Berechnungsgrundlagen wurden erarbeitet.
Eine optimale Dauerhaftigkeit von Spanngliedern der Kategorie C ist nur dann gewährleistet, wenn keine Fehlstellen im Hüllrohr und keine Kurzschlüsse zwischen Spannglied und Bewehrung auftreten. Für die Zustandserfassung und die Beurteilung zukünftiger Schadensentwicklungen ist es von Bedeutung, diese Defektstellen im Spannglied lokalisieren zu können. Basierend auf Laboruntersuchungen an Modellsystemen wurden Methoden entwickelt, um zerstörungsfrei die Fehlstellen im Hüllrohr und die Kontaktstellen zur Bewehrung zu lokalisieren. Dabei hat sich die Fehlersuche mit Hilfe der magnetischen Flussdichte als schnell und universell anwendbar erwiesen. Aber auch die Messung von Spannungstrichtern im Beton im Bereich von Fehlstellen kann für die Ortung herangezogen werden. Diese Messmethoden wurden an einem Brückenbauwerk überprüft, welches mit Referenzspanngliedern mit definierten Fehlstellen ausgerüstet wurde. Dadurch konnten die Messmethoden unter praxisnahen Bedingungen angewendet werden. Aufgrund dieser Untersuchungen konnten zwei Messmethoden optimiert werden. In beiden Fällen wird ein Wechselstrom zwischen Spannglied und Bewehrung eingespiesen. Durch Messung des dadurch entstehenden Spannungsgradienten im Beton können Fehlstellen geortet werden. Die Erfassung der magnetischen Flussdichte um das Spannglied ermöglicht sowohl die Ortung von Fehlstellen, als auch Kurzschlüssen. Die Kombination beider Verfahren ergibt laterale Auflösungen von bis zu 10 cm. Eine optimale Auflösung wird erreicht, wenn das Spannglied an beiden Enden elektrisch kontaktiert werden kann. Die beidseitige Installation von Anschlusskabeln ist demzufolge nicht nur aus Gründen der Streustromgefährdung zu empfehlen.
Praktische Anwendung
Die entwickelte Methode zur Beurteilung der Streustromgefährdung ermöglicht es dem projektierenden Ingenieur, die Streustromgefährdung anhand von einfachen Messungen und Kriterien vorzunehmen. Damit kann bereits im Planungsstadium das Ausmass der Streustromgefährdung des zu erstellenden Bauwerks beurteilt werden. Aufgrund der Erfahrungen an verschiedenen Bauwerken werden konkrete Vorschläge zur elektrischen Verkabelung und für Erdungsmassnahmen gemacht. Dies für den Fall, dass die geforderten Isolationswerte bei der Bauausführung nicht erreicht werden.
Die entwickelten Methoden zur Ortung von Fehlstellen und Kurzschlüssen in Spanngliedern stellen eine wertvolle Ergänzung zu der Widerstandsmessung bei den Spanngliedern vom Typ C dar. Das Auftreten von Spanngliedern mit unzureichender Isolation ist gemäss den Erfahrungen aus der Praxis möglich (Die Richtlinie von ASTRA und SBB lässt einen Anteil von 10% zu). Die Kenntnis der Lage dieser Defektstellen ist im Hinblick auf spätere Zustandserfassungen aber wesentlich. So können bei lokal defekter Abdichtung Chloride in den Beton eindringen und Korrosion auslösen. Wenn nun bekannt ist, dass die Fehlstelle im Hüllrohr ausserhalb des chloridbelasteten Bereichs liegt, kann von vollumfänglichem Korrosionsschutz des Spannglieds ausgegangen werden, obwohl der Widerstandswert entsprechend der Richtlinie nicht erreicht wurde. Es wird empfohlen, bei allen Spanngliedern mit unzureichender Isolation eine Ortungsmessung durchzuführen. Beim Auftreten von Streuströmen in Kombination mit Defekten in der Isolation der Spannglieder ist es bei Kenntnis der Lage der Defektstellen möglich, das Ausmass der Korrosionsgefährdung abzuschätzen.
Die entwickelten Messverfahren wurden an Bauwerken mit Spanngliedern der Kategorie C eingesetzt. Die Ortung der Defektstellen ermöglicht die Optimierung der Systeme und die Verbesserung der Verlegung. Es konnten verschiedene systematische Fehlerquellen eruiert werden. Bei Hoch- und Tiefpunkten und allen anderen Abweichungen vom geraden Verlauf des Spannglieds sind Halbschalen einzusetzen. Im Bereich der Verankerung können Verletzungen der Trompete, Verschiebung der Cevolitplatte und undichte Abdeckhauben zur Beeinträchtigung des Widerstands führen. Es wurden ausserdem Hinweise gefunden, dass eine Anlieferung der fertig montierten Spanngliedern auf Bobinen die Gefahr von Defekten erhöht. Die Hauptfehlerquelle dürfte aber die Verletzung durch den Baubetrieb sein. Für den fehlerfreien Einbau sind daher eine konsequente Planung, die Schulung der Ingenieure und eine Information aller am Bau beteiligten Unternehmungen erforderlich
Ergänzende Forschungsarbeiten
Die Richtlinie von ATRA und SBB hat eine Gültigkeit bis ins Jahr 2006. Die neuen Erkenntnisse sollten bei der Überarbeitung der Richtlinie einfliessen. Es sind aber auch noch verschiedene Fragen offen. Der Widerstandswert ist auf den 28 Tage nach der Injektion ausgelegt. In vielen Fällen ist eine Messung zu diesem Zeitpunkt nicht möglich. Die Abhängigkeit des Widerstands von der Abbindedauer des Injektionsguts, der Temperatur und den klimatischen Bedingungen ist abzuklären.
Die Widerstandsentwicklung als Funktion der Zeit in Kombination mit der Ortung der Fehlstellen bietet die Möglichkeit der Korrosionsüberwachung der Spannglieder. Damit sind Veränderungen und Eindringen von Wasser frühzeitig erkennbar. Die Etablierung dieses Verfahrens erfordert weitere Abklärungen, die Kombination mit einer Online-Überwachung und die Zusammenstellung von Erfahrungen an Bauwerken. Anhand der Ortung der Fehlstellen konnten verschiedene kritische Bereiche beim Einbau der Spannglieder eruiert werden. Durch systematische Begleitung von Bauwerken lassen sich damit Fehlerquellen eruieren und die Qualität der Isolation verbessern. Die systematische Verfolgung der Entwicklung und die Begleitung von Bauwerken wären sinnvoll
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Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)
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Die entwickelte Methode zur Beurteilung der Streustromgefährdung ermöglicht es dem projektierenden Ingenieur, die Streustromgefährdung anhand von einfachen Messungen und Kriterien vorzunehmen. Damit kann bereits im Planungsstadium das Ausmass der Streustromgefährdung des zu erstellenden Bauwerks beurteilt werden. Aufgrund der Erfahrungen an verschiedenen Bauwerken werden konkrete Vorschläge zur elektrischen Verkabelung und für Erdungsmassnahmen gemacht. Dies für den Fall, dass die geforderten Isolationswerte bei der Bauausführung nicht erreicht werden.
Die entwickelten Methoden zur Ortung von Fehlstellen und Kurzschlüssen in Spanngliedern stellen eine wertvolle Ergänzung zu der Widerstandsmessung bei den Spanngliedern vom Typ C dar. Das Auftreten von Spanngliedern mit unzureichender Isolation ist gemäss den Erfahrungen aus der Praxis möglich (Die Richtlinie von ASTRA und SBB lässt einen Anteil von 10% zu). Die Kenntnis der Lage dieser Defektstellen ist im Hinblick auf spätere Zustandserfassungen aber wesentlich.
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Beurteilungsbericht
(Deutsch)
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Die Entwicklung eines Messverfahrens für die Beurteilung der Streustromgefährdung des zu erstellenden Bauwerks hat zu guten Ergebnissen geführt. Eine vollständige Übereinstimmung zwischen der erwarteten Beeinflussung und der effektiven Situation nach der Erstellung ist aber nicht gegeben. Die Problematik liegt in der Veränderung der gesamten Streustromsituation durch die Erstellung des Bauwerks und der Veränderung der Bodenwiderstände. Es ist daher sinnvoll, nach Erstellung des Bauwerks eine Beurteilung der Streustromsituation entsprechend der Richtlinie C3 der SGK vorzunehmen.
Aufgrund der gestaffelten Entwicklung der Messverfahren, deren Anwendung auf einem Modellobjekt und die Verifizierung von Defektstellen mittels Kamera an einem Objekt konnte die Praxistauglichkeit der Messverfahren gezeigt werden. Die Verfahren liefern gute Ergebnisse bei der Ortung von einzelnen Fehlstellen und Kurzschlüssen. Wenn mehrere Defekte an einem Spannglied vorliegen, können generell nur die niederohmigsten gefunden werden. Hochohmigere Effekte können nur geortet werden, wenn der Unterschied im Widerstand zu dem niederohmigsten Defekt nicht grösser als ein Faktor 5 ist.
Die Ergebnisse der Untersuchung an Bauwerken haben gezeigt, dass die Widerstandswerte der Spannglieder der Kategorie C entsprechend der Richtlinie von ASTRA und SBB durchaus erreicht werden können. Es liegen aber auch Bauwerke vor, bei denen eine erhebliche Anzahl von Spanngliedern die Widerstandsgrenzwerte nicht erreichen. Einige Ursachen, wie das zu wenig konsequente Verwenden von Halbschalen bei Richtungswechseln jeder Art, konnte anhand der Messungen eruiert werden. Viele Defekte werden aber durch den Baustellenbetrieb verursacht. Verbesserungen sind dabei nur durch den Bauablauf und weniger durch Veränderungen des Spanngliedsystems möglich.
Die Begleitkommission B hat den Schlussbericht genehmigt und zur Veröffentlichung freigegeben.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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UVEK-Bericht Nr 585: Elektrisch isolierte Spannglieder: Einsatz in Gegenden mit Streuströmen und Lokalisierung von Kurzschlüssen und Fehlstellen.
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Berichtsnummer
(Deutsch)
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585
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Literatur
(Deutsch)
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W. von Baeckmann, W. Fleig: "Messtechnik beim kathodischen Korrosionsschutz", Expert Verlag, Renningen (1982). B. Elsener, C.-H. Voûte und H. Böhni:"Überprüfung des Korrosionsschutzes von Spanngliedern", Brückenunterhaltsforschung, Forschungsprjekt 90/98, Jahresbericht 1999. P. Matt:"Zerstörungsfreie Spannkabelprüfung bei bestehenden Brücken und überwachbare Systeme der Zukunft", SIA Dokumentation D099 "Erhaltung von Brücken", Schweiz. Ing. und Arch. verein, Zürich (1993) S. 95. "Korrosionsschutz von Spanngliedern im Brückenbau" Bundesamt für Strassen, Vernehmlassungsentwurf Oktober 2000.
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