Zustandserfassung des Ponte Moesa beim Abbruch

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: AGB2005/014
• Projekttitel Englisch: Condition assessment of the Ponte Moesa during demolition

Schlüsselwörter (Deutsch)

Schallemissionsanalyse, Schallemissionen, Zerstörungsfreie Prüfung, Brückenüberwachung, Zustandserfassung, Korrosion, Vorspannung

Schlüsselwörter (Englisch)

Acoustic Emission Analysis, Acoustic Emission, Non Destructive Testing, Bridge Condition Assessment, Inspection Methods, Corrosion, Prestressing

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Das akustische Überwachungsverfahren SoundPrint wurde im Rahmen des Projekts AGB2002/009 am Pilotobjekt Ponte Moesa installiert. Innerhalb des bisherigen Überwachungszeitraums (Mai 2004 - Februar 2006) wurden 14 spontane und zwei provozierte Drahtbrüche erfasst. Aufgrund des akustischen Monitorings und der Ergebnisse von zwei Sondierungen wurde der Beschluss gefasst, die Brücke durch einen Neubau zu ersetzen. Die alte Brücke wird im Frühling 2007 abgebrochen.
Durch die detaillierte Untersuchung beim Abbruch der Brücke ergeben sich bei der Bewertung der akustischen Überwachung mit SoundPrint und für die korrosionstechnische Betrachtung zusätzliche Aussagemöglichkeiten, die für weitere bestehende Brücken ähnlicher Bauart von Bedeutung sein können.
Die Untersuchungen orientieren sich am Abbruchverfahren und werden mit dem Unternehmer abgestimmt. Dabei wird der Teil der Brücke mit dem Grossteil der spontanen Drahtbrüche (ca. 1/8 der gesamten Brücke) abgetrennt und unabhängig vom weiteren Baufortschritt an einem separaten Ort untersucht. Die Abschnitte sind etwa ca. 5 m lang und 1 m breit.
Für das Öffnen der Hüllrohre und Dokumentieren der Drahtbrüche durch einen Mitarbeiter des IBK wird ungefähr eine Woche benötigen. Die korrosionstechnischen Untersuchungen durch das TFB werden ebenfalls ungefähr eine Woche dauern. Da die Untersuchungen vom Wetter abhängig sind, wird ein Zeitrahmen von etwa drei Monaten für die Untersuchungen angenommen.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The continuous acoustic monitoring system SoundPrint was installed at the Ponte Moesa as part of the research project AGB2002/009. During the monitoring (May 2004 to February 2006) 14 spontaneous and two artificial wire breaks were detected. As a result of the monitoring and of two invasive inspections the owner decided to replace the bridge. The old one will be demolished in spring 2007. To evaluate the classification and localization of the wire breaks it is of substantial interest to open and examine parts of the bridge.
The examination will be part of the demolition and will be coordinated with the contractor. The part of the bridge, where most of the wire breaks occurred, will be cut off and examined separately on a yard not affecting the progress of the construction work. The sections will be 5 m long and 1 m wide.
A research assistant of the IBK will need one week to open the ducts and to document the wire breaks. TFB and requires one week to evaluate the corrosion. Since all examinations depend on the weather conditions a time frame of approximately three months is considered.

Projektbeschreibung (Deutsch)

Das akustische Überwachungsverfahren SoundPrint wurde im Rahmen des Projekts AGB2002/009 am Pilotobjekt Ponte Moesa installiert. Innerhalb des bisherigen Überwachungszeitraums (Mai 2004 - Februar 2006) wurden 14 spontane und zwei provozierte Drahtbrüche erfasst. Aufgrund des akustischen Monitorings und der Ergebnisse von zwei Sondierungen wurde der Beschluss gefasst, die Brücke im Laufe des Jahres 2006 abzubrechen und durch einen Neubau zu ersetzen. Durch die detaillierte Untersuchung beim Abbruch der Brücke ergeben sich bei der Bewertung der akustischen Überwachung mit SoundPrint und für die korrosionstechnische Betrachtung zusätzliche Aussagemöglichkeiten.

Schallemissionsanalyse/SoundPrint
Ausgangslage
Bisher konnten an der Brücke Sondierungen nur in begrenztem Umfang durchgeführt werden. Das Potential zur Verifizierung der erkannten Spannstahlbrüche ist noch nicht ausgeschöpft, was auch für die als „Possible Wire Breaks“ und „Events of Interest“ klassifizierten Ereignisse gilt. Es ist davon auszugehen, dass die im Überwachungszeitraum detektierten Brüche vermutlich an unverpressten Spanngliedern auftraten. Es besteht daher noch Klärungsbedarf, ob sich auch undetektierte Brüche an verpressten Spanngliedern ereignet haben. Die Ortungsungenauigkeit des Systems ist insbesondere in Querrichtung noch so gross, dass Spannstahlbrüche nicht eindeutig einem Spannglied zugeordnet werden können.
Ziele
Durch Sondierungen unter Einbezug möglichst vieler Drahtbrüche werden die Zuverlässigkeit des Überwachungssystems und seine Ortungsgenauigkeit überprüft. Die Kriterien für das Klassifizieren von Ereignissen werden für analoge Fragestellungen klarer gefasst. Beides ermöglicht einen effektiveren Einsatz des Überwachungssystems.
Vorgehen
Die spontanen Drahtbrüche konzentrieren sich auf einen Brückenabschnitt. In diesem Teil der Brücke werden die Spannglieder alle Kabellagen über ihre gesamte Länge geöffnet und ihr Zustand erfasst.
Ergebnisse
Aus der genauen Lage der Drahtbrüche kann die Ortungsgenauigkeit des Systems fundiert evaluiert werden. Aus den Abweichungen in Längs- und Querrichtung können die verschiedenen Einflüsse bewertet werden (z.B. Hohlkörper, schlecht verpresste Spannglieder). Rückschlüsse auf die optimale Sensorenanzahl und -lage sind besser möglich.

Unvollständig verpresste Spannglieder
Ausgangslage
Die genauen Ursachen für die unvollständig verpressten Hüllrohre sind unbekannt. Über die Ausdehnung der unverpressten Bereiche kann keine Aussage getroffen werden. Die Injektion hat einen grossen Einfluss auf den Korrosionsschutz der Drähte.
Ziel
Ziel der Sondierungen ist, die Ursache und die Ausdehnung der unverpressten Bereiche zu dokumentieren.
Vorgehen
Die Spannglieder werden lagenweise freigelegt und geöffnet, der Zustand wird dokumentiert.
Ergebnisse
Mit den gewonnen Informationen werden Rückschlüsse auf die Ursachen für die schlechte Verpressung ermöglicht.

Korrosion der Spanndrähte
Ausgangslage
Alter, Charakter und genaue Ursache der einzelnen Brüche sind unklar. Ebenso sind die lokalen Korrosionsbedingungen innerhalb der Spannglieder und die Ursache sowie das Ausmass des Chlorideintrags unbekannt.
Ziel
Durch die gezielten Sondierungen können das Alter, der Charakter und die Ursache der Brüche bestimmt werden.
Vorgehen
Das Ausmass der Schädigung im Spannglied (wie viele und welche Drähte sind wie stark korrodiert), im Querschnitt (wie viele und welche Spannglieder sind wie stark geschädigt), in Längsrichtung sowie der Zustand der Injektion werden erfasst. Die Angriffsbedingungen in den verfüllten und unverfüllten Hüllrohren werden dokumentiert. Dabei werden auch die chemische Zusammensetzung des Wassers oder der Chloridgehalt im Füllgut berücksichtigt. Die Drahtbrüche werden nach Bruchart und Querschnittsverlust beim Bruch charakterisiert. Es wird dokumentiert, ob die Drähte infolge Spannungsrisskorrosion oder durch mechanische Überbelastung des korrosionsreduzierten Querschnitts versagt haben. Die mechanischen Eigenschaften des verwendeten Spannstahls werden bestimmt und mit den ursprünglichen Werten verglichen.
Ergebnisse
Das Schadensausmass und der Verlaufs des Korrosionsangriffs bei den Drahtbündeln können für die Modellbildung bei analogen Fragestellungen besser charakterisiert werden. Die Ergebnisse der Potentialfeldmessungen können aufgrund des zusätzlichen Erkenntnisgewinns besser in die Auswertung miteinbezogen werden.

Methoden (Deutsch)

Feldversuche

Spezielle Geräte und Installationen (Deutsch)

Autokran; Lagerplatz, Presslufthammer

Projektziele (Deutsch)

Schallemissionsanalyse/SoundPrint
Durch Sondierungen unter Einbezug möglichst vieler Drahtbrüche werden die Zuverlässigkeit des Überwachungssystems und seine Ortungsgenauigkeit überprüft.
Die Kriterien für das Klassifizieren von Ereignissen werden für analoge Fragestellungen klarer gefasst.
Beides ermöglicht einen effektiveren Einsatz des Überwachungssystems.

Unvollständig verpresste Spannglieder
Ziel der Sondierungen ist, die Ursache und die Ausdehnung der unverpressten Bereiche zu dokumentieren.

Korrosion der Spanndrähte
Durch die gezielten Sondierungen können das Alter, der Charakter und die Ursache der Brüche bestimmt werden.
Das Schadensausmass und der Verlauf des Korrosionsangriffs bei den Drahtbündeln können für die Modellbildung bei analogen Fragestellungen besser charakterisiert werden.

Projektziele (Englisch)

Acoustic Emission/SoundPrint
Inspecting the bridge by intrusive methods provides the chance to evaluate the reliability and the location accuracy of acoustic monitoring.
Classification criteria of the events will be enhanced and fit for similar problems and applications.
This will enable an effective use of acoustic monitoring in the future.

Insufficient grouting
One focus of the detailed examinations is to find out the reason and the extent of the insufficient grouting.

Corrosion of the prestressing wires
Age, character and cause of the wire breaks will be detected by the detailed examinations. The corrosion process and the extent of loss in the wire bundles can be evaluated for the modeling of similar problems.

Forschungsplan (Deutsch)

Organisation
Die Projektleitung liegt bei der Forschungsstelle (IBK, ETH Zürich). Sie führt die Untersuchungen am Brückenabschnitt durch und wertet die Ergebnisse aus. Die korrosionstechnischen Untersuchungen erfolgen in Zusammenarbeit mit den Experten.
Für bauseitige Leistungen und den Transport werden lokale Unternehmer beigezogen. Bauherren- und Bauleitungsaufgaben sollen innerhalb der ohnehin vorhandenen, regionalen Strukturen abgewickelt werden.

Projektablauf
Die Untersuchungen orientieren sich am gewählten Abbruchverfahren und werden mit dem Unternehmer abgestimmt. Dabei wird der Teil der Brücke mit dem Grossteil der spontanen Drahtbrüche (ca. 1/8 der gesamten Brücke) abgetrennt und unabhängig vom weiteren Baufortschritt an einem separaten Ort untersucht. Die Abschnitte sind etwa ca. 5 m lang und 1 m breit.
Vorgängig sind Belag, Dichtung und Randsteine zu entfernen. Einmessen und Markieren der Brückenoberfläche im Bereich des Mittelauflagers. Die Markierungen bzw. Achsen sind notwendig, damit auf jedem abgetrennten Brückenteil ein Bezugssystem vorhanden ist, mit dem die Lage der Drahtbrüche nachträglich vermessen werden kann.
Um die abgetrennten Brückenteile zu sichern, ist eine Hilfskonstruktion erforderlich. Je nach Arbeitsablauf muss der Brückenbereich durch Hilfsstützen fixiert werden.
Zum Heben der Brückenteile soll ein Pneukran verwendet werden. Pneukrane in der Gewichtsklasse von 70 t sind im Einzugsgebiet von Roveredo vorhanden (z.B. Liebherr LTM 1070). Der Kran wiegt 48 t, das Ballastgewicht beträgt 9 t.
Der Autokran wird im Flussbett aufgestellt, das infolge der Bauarbeiten teilweise trockengelegt ist. Es ist genügend Fläche zum Aufstellen und Abstützen eines 70 t Autokrans vorhanden (erforderlich sind ca. 8.20 x 7.20 m). So wird die Behinderung für den Verkehr klein gehalten. Der Lastwagen für den Abtransport kann im Schwenkbereich des Krans auf der Seite Roveredo oder auf der Seite der Kantonsstrasse abgestellt werden.
Für das Anheben und den Abtransport sind Aufhängemöglichkeiten für das Krangeschirr an den einzelnen Brückenteilen vorzusehen. Denkbar sind Klebeanker. Um Anker zu setzen sind auch Kernbohrungen denkbar.
Für die Brückenteile wird ein geeigneter Deponieplatz in der Nähe von Roveredo bereitgestellt werden. Die Brückenteile müssen so gelagert werden, dass sie von oben und seitlich gut zugänglich sind. Für das Öffnen der Hüllrohre sollen auf dem Deponieplatz Presslufthammer, Trennscheibe  und Stromanschluss zur Verfügung stehen.
An den Trennschnitten können bereits erste Aussagen zum allgemeinen Zustand der Vorspannung getroffen werden. Die oberen Spannglieder werden vom Unternehmer freigelegt. Geöffnet werden die Spannglieder von einem Mitarbeiter des IBK. Die genaue Lage und die Anzahl der Drahtbrüche werden dokumentiert. Im Anschluss werden die korrosionstechnischen Untersuchungen durchgeführt. Im folgenden Schritt werden die unteren Spannglieder vom Unternehmer freigelegt und anschliessend geöffnet und untersucht.
Die Entsorgung der untersuchten Brückenabschnitte erfolgt durch den Unternehmer.

Projektdauer
Für das Öffnen der Hüllrohre und Dokumentieren der Drahtbrüche durch einen Mitarbeiter des IBK wird ungefähr eine Woche benötigen. Die korrosionstechnischen Untersuchungen durch das TFB werden ebenfalls ungefähr eine Woche dauern. Da die Untersuchungen vom Wetter abhängig sind, wird ein Zeitrahmen von etwa drei Monaten für die Untersuchungen angenommen.

Finanzierung
Das Forschungsprojekt umfasst lediglich die Aufwendungen für die Forschungsstelle (IBK ETH Zürich TFB Wildegg), den Transport und das Auf- und Abladen der benötigten Brückenbauteile. Die übrigen bauseitigen Leistungen werden vom Werkeigentümer übernommen.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die kontinuierliche akustische Überwachung war bis vor kurzen wegen der hohen Kosten nicht praktikabel. Erst die Entwicklung von leistungsfähigen und gleichzeitig kostengünstigen Rechnern, Sensoren, spezieller Software und die schnelle Datenübertragung über das Internet erschlossen neue Perspektiven.
Die akustische Überwachung ermöglicht dem für ein Bauwerk verantwortlichen Ingenieur genauere Aussagen über die Schädigung und hilft bei der Entscheidung, ob kostspielige Unterhaltsmassnahmen durchgeführt werden sollen. Statistische Untersuchungen bzw. Risikoanalysen der festgestellten Spanndrahtbrüche können sehr hilfreich sein bei der Vorhersage von zukünftigen Schadensfällen. Mit den gewonnenen Informationen ist es möglich, die Budgets für zukünftige Reparaturmassnahmen effektiver zu nutzen. Die konventionelle Methode - periodische Untersuchungen mit Inspektionsfenstern - ist immer ein Kompromiss.
Bei grossen Brücken kann der Zeitraum zwischen Inspektionen Jahre betragen. Dies macht eine auf Statistiken beruhende Risikoanalyse schwierig, wenn nicht sogar unmöglich. Als Folge beruht der Umfang der nächsten Unterhaltsmassnahme auf den Ergebnissen der letzten Inspektion, bei der möglicherweise nicht alle geschädigten Drähte gefunden wurden.
Die kontinuierliche akustische Überwachung hingegen versorgt den für den Unterhalt der Brücke zuständigen Ingenieur mit zusätzlichen Informationen und ermöglicht neue Optionen und finanzielle Spielräume für die Instandsetzung und Dauerhaftigkeit des Bauwerks. Die akustische Überwachung ist derzeit das einzige Verfahren, bei dem Schädigungen im Innern eines Tragwerks in Echtzeit quantitativ erfasst werden kann.

Durch die detaillierte Untersuchung beim Abbruch der Ponte Moesa ergeben sich bei der Bewertung der akustischen Überwachung zusätzliche Aussagemöglichkeiten in Hinblick auf Möglichkeiten und Grenzen der Schallemissionsanalyse zur Überwachung von Brücken.
Mit den detaillierten Untersuchungen an den Spanngliedern sollte ein Beitrag für die Modellierung der Schadensentwicklung und des Verlaufs des Korrosionsangriffs bei Drahtbündeln geleistet werden. Dies könnte in Zukunft für analoge Fragestellung eine grosse Hilfe sein.

Stand der Arbeiten (Deutsch)

Das akustische Überwachungssystem SoundPrint
Die kontinuierliche akustische Überwachung von vorgespannten Bauwerken wie z.B. Bürogebäuden und Parkhäusern mit Flachdecken sowie Wasserbehältern wurde in den letzten Jahren in Nordamerika erfolgreich entwickelt und angewendet. Spanndrähte, die infolge Korrosion oder anderer Umwelteinflüssen brechen, konnten dabei aufgezeichnet werden.
Die im vorgespannten Draht gespeicherte Energie wird beim Bruch schlagartig freigesetzt und erzeugt ein charakteristisches akustisches Signal. Dieses pflanzt sich in Schwingungsenergie umgewandelt im Bauwerk fort. Auf der Bauteiloberfläche angeordnete Sensoren können diese Signale registrieren. Die Signale der relevanten Schwingungen liegen im Bereich von 1-20 kHz. Dies entspricht etwa den vom menschlichen Gehör wahrnehmbaren Frequenzen. Die empfangenen Signale werden verstärkt, konditioniert und durchlaufen einen Analog-Digital-Wandler.
Ein Rechner ordnet die Daten nach Zeitpunkt, Ort und Signalstärke. Das Rauschen und die offensichtlichen Störsignale werden ausgefiltert. Über das Internet werden die relevanten Daten zu einem zentralen Rechner gesendet. Dieser filtert mit Hilfe eines Programms die Daten und trennt die Signale aus Drahtbrüchen von den Signalen aus Umweltgeräuschen und Betriebsgeräuschen der Brücke. Zusätzlich wird die Ausbreitung des Signals im Bauwerk verfolgt. Anhand der Ankunftszeiten der Signale kann eine Ortung der Bruchstelle durchgeführt werden.

Stand der eigenen Forschung
Die Forschungsstelle befasst sich insbesondere mit der Schallemissionsanalyse (SEA), die dieselben Phänomene beobachtet wie SoundPrint, jedoch auf einem wesentlich tieferen Energieniveau. Das vom Schweizerischen Nationalfonds unterstützte Forschungsprojekt Schallemissionsanalyse zur Zustandserfassung von Betontragwerken ermöglichte die 2002 abgeschlossene Promotionsarbeit von Stefan Köppel und die kürzlich abgeschlossene Arbeit von Barbara Schechinger.

Arbeiten von S. Köppel
Köppel untersuchte, welche Analyseverfahren für die Überprüfung von Tragwerken geeignet sind und welche neuen Möglichkeiten durch den Einsatz von Schallemissions-Messgeräten entstehen.
Mit künstlichen Schallquellen wurde die Wellenausbreitungsverhaltens in Stahlbeton untersucht. Bei Spaltzug-, Auszieh-, und Biegeversuchen sowie einem Grossversuch an einem 21 m langen vorgespannten Fertigteilträger einer demontierten Brücke wurden die Schallemissionen aufgezeichnet. Die Auswertung erfolgte anhand qualitativer Analysen, wobei Anzahl und Amplitude der Schallemissionen (SE) mit dem Schädigungsfortschritt verglichen wurden. In einem zweiten Schritt wurden die Quellen der SE lokalisiert, wobei die Ortungsresultate eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den an der Oberfläche beobachteten Rissen aufwiesen.
In seiner Dissertation untersuchte Köppel die Möglichkeiten und Grenzen der Schallemissionsanalyse zur zerstörungsfreien Prüfung von Stahlbetontragwerken. Das Spektrum der betrachteten Analyseverfahren reicht vom qualitativen Zusammenhang zwischen Signalratenentwicklung und Schädigungsfortschritt über die Ortung einzelner Schallemissionen bis zu deren Charakterisierung anhand von Wellenformanalysen oder mittels der relativen Momententensorinversion. Die Möglichkeiten und Anwendungsgrenzen der einzelnen Verfahren werden sowohl anhand theoretischer Überlegungen als auch der Versuchsresultate ermittelt.
Insgesamt wird die SEA als vielversprechendes Verfahren zur Untersuchung von Schädigungsvorgängen in Stahlbetontragwerken beurteilt. Bis zur praktischen Anwendbarkeit ist aber noch weitere Forschung notwendig.

Arbeiten von B. Schechinger
Die Arbeiten von Schechinger orientierten sich an der Begleitung eines Ermüdungsversuchs an zentrisch beanspruchten vorgespannten Zuggliedern und eigenen Biegeversuchen mit Prüfkörpern gleichen Querschnitts. Die Messungen umfassten einerseits die Phase der Rissebildung und -ausbreitung inklusive deren Lokalisierung und anderseits die Detektion von Drahtbrüchen in der Ermüdungsphase. Die parallel durchgeführten numerischen Simulationen an einem zweidimensionalen Modell des Querschnitts erlauben ein besseres Verständnis der Schallausbreitung und deren Beeinflussung durch Bewehrungen, Hüllrohre und andere Inhomogenitäten.
Die Schwerpunkte der Dissertation waren die Ausbreitung von elastischen Wellen in Stahlbeton, die Verbesserung der verwendeten Analyseverfahren und ihre Anwendung bei verschiedenen Laborexperimenten. Bei den Analyseverfahren werden die Automatisierung des Pickings und die Quantifizierung der Lokalisierungsgenauigkeit behandelt.

ZEBRA
Das Forschungsprojekt ZustandsErfassung von BRücken bei deren Abbruch (ZEBRA) bildete die Rahmenorganisation für Untersuchungen an Brücken in der Schweiz, deren Abbruch zwischen 1997 und 2004 geplant war. Beim Zustand schwer zugänglicher, kritischer und gefährdeter Tragelemente liegt das Schwergewicht bei den Spanngliedern, wo neue Erkenntnisse gewonnen werden konnten. Zu den Erfolgen früherer Instandhaltungs- und Instandsetzungsmassnahmen sind einzelne, jedoch keine generellen Aussagen möglich. Von den zerstörungsfreien Prüfmethoden kamen insbesondere Impact Echo, Potentialmessungen, Georadar und dynamische Untersuchungen zur Anwendung. Dies geschah meist im Rahmen eigenständiger Projekte. Das Forschungsprojekt ergab weitere Erkenntnisse, insbesondere einen umfassenden Überblick über die Vor- und Nachteile der denkbaren Abbruchverfahren unter Verkehr und die Kosten von Zustandserfassungen beim Abbruch sowie Überlegungen zur Archivierung von Unterlagen der abgebrochenen Brücken.
Das Projekt mündet in zehn Empfehlungen, die bei Überprüfungen, bei Erhaltungsmassnahmen, bei Abbrüchen oder im administrativen Bereich berücksichtigt werden sollten.

Korrosionsschäden an Spanngliedern (Arbeiten F. Hunkeler und P. Matt)
Im Rahmen des Forschungsauftrages AGB 2000/470 wurden verschiedene Korrosionsschäden an Spanngliedern von Brücken erfasst und dokumentiert. Darin wurde auch “ein Modell für den seitlichen Korrosionsangriff bei Spanngliedern“ beschrieben. Dieses Modell konnte nur dank gezielten Untersuchungen an der Europabrücke in Zürich erarbeitet werden. Es gilt nur für eine spezielle Angriffssituation. Die Situation, wie sie bei der Ponte Moesa angetroffen wurde, kann damit nicht abgedeckt werden.

Berichtsnummer (Deutsch)

643

Literatur (Deutsch)

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Continuous Acoustic Monitoring of grouted post tensioned Concrete Bridges
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Cullington, D.W.; Paulson, P. O.; Bradbury T. (2001).
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proceedings, Structural Faults & Repair – 2001, 9th. International Conference, London, England, 2001.

Elliott, P.; Tozser, O (1999).
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Feldversuche mit dem akustischen Überwachungssystem SoundPrint
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Spannglieder, Schrägseile und Anker – Beschreibung der Systeme und Erkenntnisse aus Korrosionsschäden
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