Støttestøtte til historiske stålbroer

Empa-forskere redder jernbroer fra det 19. århundrede fra sammenbrud. Kulfiberplaster styrker de smuldrende strukturer. En jernbanebro i Schweiz og en vejbro i Australien er allerede blevet forstærket med succes. Mange historiske broer kunne følge. "Partners in crime" er specialister i ståltræthed hos EPFL.

Vedligeholdelse, ikke kassere – ikke kun gældende for art nouveau-villaer, førkrigs sportsvogne eller Hammond-orgler fra 1950'erne, 'vedligeholde, ikke skrotning' er også en god idé til gamle jernbane- eller vejbroer. Disse industrielle monumenter, ofte udtænkt og beregnet af stålkonstruktionsingeniører fra det 19. århundrede, ruster stille væk eller knager hørligt under vægten af ​​moderne Intercity-tog og tunge lastbiler.

Den gode nyhed er:De kan reddes. En støttebøjle lavet af CFRP (kulfiberforstærkede polymerer), reversibelt fastgjort til broen og i overensstemmelse med monumentbeskyttelsesbestemmelserne, styrker modstanden af ​​de gamle strukturer, gør dem sikre og hjælper dem med at overleve dagligt slid bedre og længere.

Skånsom metode til tunge strukturer

Masoud Motavalli og Elyas Ghafoori har allerede afstivet to gamle broer ved hjælp af denne "blide" metode:Münchenstein-jernbanebroen nær Basel, bygget i 1892, og Diamond Creek vejbroen i Australien, bygget i 1896. Hvis deres system opnår et globalt gennembrud, der ville være masser af arbejde at gøre:Omtrent 30 % af alle broer i Europa er mere end 100 år gamle. Situationen er den samme i USA, Australien og Japan. Vejmyndigheder og jernbaneselskaber er på global jagt efter metoder til at holde disse strukturer levedygtige. Og det er muligt, at Empa har nøglen. Empas forskningspartner er Alain Nussbaumer. Hos EPFL, han forsker i stålkonstruktioners trætheds- og brudmekanik. Nussbaumer superviserer også de afhandlinger, der er i gang på Empa som led i disse forskningsprojekter.

CFRP er ofte det foretrukne materiale til forstærkende strukturer. Den er rustbestandig og udviser ingen materialetræthed. Det er også let og belaster ikke strukturen med ekstra vægt på samme måde, som stålarmering ville. Under sin tidligere administrerende direktør, Urs Meier, Empa indsamlede i 1990'erne masser af erfaring med CFRP-forstærkninger af beton- og trækonstruktioner.

Et anker i stedet for lim

I modsætning til træ eller beton, imidlertid, hvor CFRP-armeringen blot kan limes på, det er betydeligt mere kompliceret at sætte det på gamle ståldragere. Ofte er brodragerne rustne eller dækket af tykke lag maling. Nogle gange forhindrer nitter i ståldragerne, at CFRP-pudserne klæbes jævnt fast. Ghafoori kommer uden om disse problemer ved at fastgøre pladerne til broen ved hjælp af ankre i stedet for at klæbe CFRP direkte til broen. Det betyder, at der ikke er behov for glat slibning af store overflader. En ekstra bonus:Broen behøver ikke at være lukket for trafik, mens CFRP-strimlerne monteres. Ligeledes, broen behøver ikke pakkes ind i film – noget der ofte er nødvendigt med gamle broer, der spænder over floder, for at forhindre malingsplinter med tungmetaller i at falde i vandet.

De ankre, som Ghafoori bruger til at fastgøre sine CFRP-plastre, er ikke så lette at genskabe. "Det er vigtigt, at kulfibrene ikke går i stykker, når CFRP'en fastgøres", siger Ghafoori. Han har eksperimenteret med denne teknik hos Empa i mere end ti år og bruger de tunge hydrauliske presser i byggehallen til sine eksperimenter. "Det var ikke let i starten", fortæller forskeren. "Da jeg testede de første ankre i en trækprøve til mit kandidatspeciale i 2009, de faldt af natten over. Det gav mig ikke ligefrem mine kollegers respekt. Jeg fik endda forbud mod at besøge laboratoriet i et par dage, da mit arbejde blev anset for at være for farligt."

I mellemtiden er forankringssystemet udviklet hos Empa beskyttet af patent og har for længst overvundet sine børneproblemer:Münchenstein-broen er blevet forstærket med de forspændte CFRP-plastre i 2015. Flere dusin passager- og godstog buldrer hen over den historiske stålkonstruktion hver gang dag. Et langtidsovervågningssystem bestående af et trådløst sensornetværk måler brodelenes belastning og bevægelser og leverer dataene til Empa i realtid.

Forberedt til alle lejligheder

Nyheder om projektet, som også gav emnet for Ghafooris ph.d. afhandling, spredes hurtigt i ekspertkredse. Som resultat, en meget lignende bro i Australien blev forstærket ved hjælp af CFRP-systemet i januar 2018:den 122-årige Diamond Creek Bridge nær Melbourne. "Vi har lært meget siden Münchenstein", siger Ghafoori. For eksempel, forskerne var i stand til at forbedre formen på ankrene og gøre hele konstruktionen fladere. Det er vigtigt, fordi mange broer har lastbiler, der kører under dem. Hvis bøjlen rager for langt nedad, Især høje trailere kan kollidere med den nye teknologi.

Holdet har også indarbejdet temperatursvingninger mellem sommer og vinter i beregningen:Målingerne på Münchenstein Bridge havde vist, at CFRP-forstærkningen på broen er meget mere effektiv på varme sommerdage end om vinteren. Årsagen er, at sommervarmen får stålbroen til at udvide sig, men længden af ​​CFRP-armeringen forbliver stort set den samme. Det betyder, at broen holdes tættere sammen af ​​sin støttestøtte om sommeren end om vinteren.

Diamond Creek Bridge har også sensorer og vil levere indlæsningsdata online til Empa i mindst halvandet år. For at se om forstærkningen har en effekt, forskerne sendte en 42-tons lastbil over broen før og efter fastgørelse af CFRP-strimlerne. "De indledende data har vist, at kræfterne, der virker på broen, er reduceret med det halve", siger Ghafoori. "Som et konservativt skøn, det kan betyde, at broens resterende levetid fordobles."

Broer lavet fremtidssikret

I dag får Ghafoori og Motavalli flere og flere besøg fra udlandet. Det franske institut for videnskab og teknologi for transport, udvikling og netværk (IFSTTAR), det franske center for mobilitet (CEREMA) og en kinesisk delegation har alle meddelt, at de har til hensigt at komme, mens en amerikansk delegation allerede har besøgt Empa. Metoden kan bruges overalt i verden uden en stor indsats. "For Australien, vi formonterede clipsene med CFRP-strimlerne og testede dem her hos Empa. Så sendte vi dem bare til byggepladsen med pakkepost", siger Ghafoori. "Vi skulle bare flyve derud senere og samle alt på stedet."

Selvfølgelig ønsker forskerne at fremme deres viden yderligere. Efter at have forstærket lige ståldragere, målet er nu også at forstærke de X-formede forbindelser mellem dragerne. De punkter, hvor svejsesømme og forbindelsessamlinger mødes, er særligt udsatte for rust og det er også her, der opstår træthedsrevner, der kan gøre broen ustabil. Et nyudviklet CFRP-båndsystem kunne snart løse dette problem. Denne type understøtning kunne gøre mange stålbroer fra det 19. århundrede fremtidssikrede - hvilket giver dem mulighed for væsentligt at overleve deres yngre armerede betonmodstykker.