Schlüsselwörter
(Deutsch)
|
Vorspannkraftverlust, Querkraftübertragung von Fugen, nachträgliche Verstärkung von Stahlbeton mit CFK, Vorspannung mit CFK, Zustandsüberwachung mit dynamischen Methoden
|
Schlüsselwörter
(Englisch)
|
loss of prestress, shear transfer of joints, post - strengthening of reinforced concrete with CFRP, prestressing with CFRP, health - monitoring with dynamic methods
|
Kurzbeschreibung
(Deutsch)
|
Fünf Träger der Autobahnbrücke "Viadotto delle Cantine a Capolago" werden zur EMPA transportiert. Es sind folgende Untersuchungen geplant:
Überprüfung Vorspannkraft: Bei allen fünf Trägern werden Sondierungen durchgeführt, Einzeldrähte durchgeschnitten und die Dehnungen gemessen. Der Vergleich der verbliebenen mit der ursprünglich vor-handenen Vorspannkraft ergibt den Vorspannverlust.
Querkraftübertragung der Mittelfuge: Ein Problem der vorhandenen Brücke ist, dass bei der Fuge in Feldmitte keine schlaffe Armierung durchläuft und dass sie sich scheinbar teilweise öffnet. Der Versuch soll klären, wieviel Querkraft übertragen werden kann. Dies kann mit den effektiv vorhandenen Querkräften auf der heute vorhandenen Brücke verglichen werden.
Biegeverstärkung mit CFK (schlaff aufgeklebt): Biegeverstärkung des Trägers mittels schlaff aufgeklebten CFK - Lamellen an der Unterseite des Trägers. Ein grosses Problem der CFK – Biegeverstärkung von Stahlbetonträgern ist die üblicherweise auftretende Bruchart "Delamination" (Entkoppelung). Mittels verschie-dener Bemessungsansätze soll die Bruchlast vorgängig berechnet und mit dem Versuch verglichen werden.
Biegeverstärkung mit CFK (vorgespannt aufgeklebt): Biegeverstärkung des Trägers mittels vorgespannt aufgeklebten CFK – Lamellen an der Unterseite des Trägers. Die Vorspannung soll mit der "Gradientenmethode nach Meier / Stöcklin" verankert werden. Durch die Vorspannung wird ein besseres Verhalten im Gebrauchs - und Bruchzustand erwartet als bei der schlaff aufgeklebten Verstärkung.
Zustandsüberwachung mit dynamischen Methoden: Das Verformungsverhalten und die Tragfähigkeit der Träger ist stark von der vorhandenen Vorspannkraft in der Mittelfuge beeinflusst. Mittels durchtrennen von Einzeldrähten der Vorspannkabel in Feldmitte mit jeweils anschliessender experimenteller modaler Analyse soll abgeklärt werden, ob die Vorspannkraft zuverlässig überwacht werden kann.
Anschliessend wird der Träger mit vorgespannten CFK – Lamellen verstärkt. Die effektiven Vorspann-verhältnisse im Träger werden mit dynamischen Methoden bestimmt.
An dem verstärkten Träger wird ein Belastungsversuch durchgeführt. Abgeklärt wird, ob Schäden an der CFK – Verstärkung (Delaminationen) mittels dieser Methode erkannt werden können.
|
Kurzbeschreibung
(Englisch)
|
Five beams of the "Viadotto delle Cantine a Capolago" highway bridge will be transported to EMPA. The following investigations are planed:
Evaluation of prestress load: Wires of all five beams will be partly uncovered, individual wires cut and strain measurements taken. The loss of prestress will be determined by comparison of the original and remaining prestress loads.
Shear transfer of middle joint: One problem with the existing bridge is that there is no untensioned reinforcement running through the mid-span joint and it seems that the joints are partially opened. The test is designed to show the magnitude of the shear loads that can be transferred. This can be compared with the effective shear loads acting on the existing bridge.
Flexural strengthening with CFRP (untensioned): Flexural strengthening by means of CFRP plates bonded to beam soffit in untensioned state. Delamination, the most common failure mode, represents a major problem with CFRP flexural strengthening of reinforced concrete beams. The ultimate load will be calculated in advance using various design approaches and compared to the test results.
Flexural strengthening with CFRP (tensioned): Flexural strengthening by means of CFRP plates bonded to beam soffit in tensioned state. The prestressing system will be anchored using the "Meier / Stöcklin gradient method". Prestressing is expected to improve performance under serviceability and ultimate limit state in comparison to the untensioned variant.
Health monitoring using dynamic methods: The deformation behaviour and load-bearing capacity of the beam is strongly influenced by the existing prestress load in the middle joint. The cutting of individual wires in the prestressing tendons at mid-span, in each case with subsequent experimental modal analysis, will help determine whether the prestress load can be reliably monitored.
The beam will then be strengthened by means of prestressed CFRP plates. The effectiv prestressing conditions in the beam will be determined using dynamic methods.
The strengthened beam will be subjected to a static loading test. The aim is to clarify whether damage to the CFRP strengthening (delamination) can be detected using this method.
|
Methoden
(Deutsch)
|
Das Projekt umfasst mehrere teilweise sehr umfangreiche Fragestellungen. Siehe Kurzbeschreibung. Deshalb ist klar, dass im Rahmen des Projektes keine eigentlichen Weiterentwicklungen durchgeführt werden können. Es soll grundsätzlich nur das vorhandene Wissen zusammengestellt und mit den Versuchsresultaten an den fünf Trägern verglichen werden.
|
Stand der eigenen Forschung
(Deutsch)
|
Die EMPA hat schon mehrere Untersuchungen zur Ermittlung der Vorspannkraft durchgeführt. Zum Beispiel in [1] ist beschrieben, wie die Methode nach einem Brandfall eingesetzt wurde.
Gemäss [2] versteht man unter der Segmentbauweise diejenige Bauweise, in der vorfabrizierte Betonelemente mit Vorspannkabel zu einem monolithischen Brückenüberbau zusammengespannt werden. Frühe Anwendungen dieser Baumethode wurden in Frankreich in den 40er Jahren ausgeführt. Anfangs der 60er Jahre startete die effiziente Anwendung und Industrialisierung dieser Bauweise. Frühes Beispiel dieser Bauweise ist der Chillon – Viadukt in der Schweiz. Mitte der 70er Jahre wurde die Bauweise von Frankreich in die USA exportiert. Ende der 80er Jahre wurde sie auch in Südostasien eingeführt und heute ist sie weltweit etabliert. In der Schweiz ist die Bauweise momentan sehr aktuell im Verbund mit Stahlfachwerk. Siehe [4].
Die Anwendung von CFK – Lamellen ist mittlerweile weltweit anerkannt, unzählige Forschungsarbeiten und Anwendungen in der Praxis wurden durchgeführt. Von der fib (fédération internationale du béton) wurde eine Empfehlung für die Bemessung und Anwendung ausgearbeitet [5]. In der Schweiz ist eine SIA Norm „Klebebewehrung“ in Bearbeitung [6]. Die beschriebene Vorspannmethode der EMPA wurde im Labor bereits angewendet [8], ist aber immer noch in Weiterentwicklung.
Die Anwendung der Zustandserfassung mit dynamischen Methoden aus Versuchen an Tragwerken wie Brücken usw. sind aufgrund der hohen Versuchskosten selten zu finden. Die diesbezüglichen Erfahrungen beschränken sich auf die Versuche an einer Verbund – Brücke in den USA [11] und an die von der EMPA in der Schweiz an Stahlbetonbrücken durchgeführten Versuche. Im Rahmen des Forschungsprojektes SIMCES [12] wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen an der Brücke Z24 über der Autobahn A1 durchgeführt. Neuere Untersuchungen sind an der Autobahn – Brücke 'Romeo' des Obkirchen - Viadukts in Hergiswil durchgeführt worden [13,14]. Diese Versuche zeigten unter anderem auf, dass wechselnde Umgebungsbedingungen wie z.B. Temperaturänderungen grossen Einfluss auf die modalen Parameter ausüben können.
|
Projektziele
(Deutsch)
|
Das Projekt wird zu 100% vom Kanton Tessin finanziert. Gesamtkredit: CHF 136'020.00
1. Überprüfung der Vorspannkraft
2. Bestimmung der übertragbaren Querkraft der Mittelfuge und Vergleich mit den Lasten gemäss SIA 160 auf der heute vorhandenen Brücke
3. Bemessung einer CFK – Biegeverstärkung mit verschiedenen Bemessungsansätzen und Vergleich mit Versuchsresultaten
4. Vergleich einer CFK – Biegeverstärkung einerseits schlaff und andererseits vorgespannt aufgeklebt
5. Zustandsüberwachung mit dynamischen Methoden
6. Nachträgliche Verstärkung eines geschädigten Trägers mit vorgespannten Lamellen
|
Projektziele
(Englisch)
|
1. Evaluation of prestress load
2. Determination of shear transfer capacity of middle joint and comparison with loads according to SIA 160 acting on existing bridge
3. Design of CFRP flexural strengthening using various design approaches and comparison with test results
4. Comparison of CFRP flexural strengthening bonded in untensioned and tensioned state
5. Health monitoring using dynamic methods
6. Post-strengthening of damaged beam with prestressed plates
|
Forschungsplan
(Deutsch)
|
Die Projektdauer ist auf 3 Jahre veranschlagt. Für die Fragestellungen „Überprüfung der Vorspannkraft“, „Querkraftübertragung der Mittelfuge“ und „Zustandüberwachung mit dynamischen Methoden“ werden je etwa ein halbes Jahr, die „Biegeverstärkung mit CFK“ wird etwa mit einem Jahr angesetzt.
|
Abstract
(Deutsch)
|
.
|
Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)
|
Durch Veröffentlichung sollen die Ergebnisse in die Praxis einfliessen. Falls aufgrund der Untersuchungsresultate interessante offene Fragen auftauchen, ist es möglich, dass eine Fortsetzung des Projektes beantragt wird.
|
Berichtsnummer
(Deutsch)
|
602
|
