Sådan kan kulfiber redde nedslidte stålbroer

Mens dette indlæg skrives, vokser udmattelsesrevner i nye og gamle stålkonstruktioner verden over. Den 25. oktober 2011 blev der på Ing.dk bragt en ## artikel om USA's faldefærdige infrastruktur.

Dette er bestemt ikke nyt for folk i universitetsverdenen, og der er megen forskning i udlandet, der omhandler nye former for renovering og forstærkning af den slidte og aldrende infrastruktur. Det er uhyre vigtigt, at investeringerne i renovering og forstærkning optimeres, da disse investeringer ikke bidrager med forøget værdi, men 'blot' sikrer, at den værdi, som vi nu tager for givet, også findes i fremtiden. EU-projektet "Sustainable Bridges" omhandlede b. la. ovenstående emner, og bidrog til den vidensbase, der er nødvendig for at danne et solidt grundlag ved vurderingen af konstruktioners levetid.

Gennem den seneste tid har der været gang i debatten om den aldrende stålbro over Storstrømmen og de revner, der er fundet i den. Kan broen holde til dagens og fremtidens tog- og biltrafik, når forbindelsen til Femern etableres? Levetidsforlængelse af udmattelsespåvirkede gamle stålkonstruktioner, er der blevet forsket i på DTU Byg.

De følgende kommentarer er generelle og er ikke rettet direkte på Storstrømsbroens konstruktion eller udbedring af de revner, der er fundet.

Revneproblemer og forstærkning

At der opstår revner i udmattelsespåvirkede stålkonstruktioner kan ikke komme bag på nogen. Før i tiden havde brobyggere og ingeniører ikke redskaberne til at dimensionere konstruktioner mod udmattelse, på samme måde, som vi har i dag. Blandt andet derfor revnede og sank nogle af de amerikanske Libertyskibe under anden verdenskrig, og skroget på de Havilland DH 106 Comet flyvemaskinen revnede under rutefart, hvilket forsagede eksplosiv dekompression.

Det er ca. 50 år siden, vores viden om revner i stålkonstruktioner var tilstrækkeligt udbygget til dimensionering af konstruktioner mod udmattelsesbrud, anført af b. la. G. R. Irwin og P. C. Paris. Man udviklede en speciel afart af mekanikken kaldet brudmekanik, der omfatter analyse af revner og revnevækst. Det er stadig den teori, man bruger, eller indirekte bruger, når man dimensionerer stålkonstruktioner i dag.

Det er vanskeligt uden indgående kendskab til en specifik konstruktion, helt konkret at sige, hvor udmattelsesrevner kan opstå, og hvordan de bedst kan udbedres eller forhindres. Det skyldes dels, at udbedringsmetoderne er så forskellige, og dels at metoden afhænger af hvilken type konstruktion, der er tale om. Revneudbedring i gamle stålkonstruktioner er dog imidlertid begrænset af, at man ikke blot kan svejse revnen sammen igen. Det er de gamle ståltyper ikke egnede til.

For nittede og boltede konstruktioner er fællesnævneren derfor for alle reparationsmetoder, hvis vi ser bort fra udskiftning af konstruktionsdelen, at revnens spændingsintensitetsfaktor skal nedsættes. Spændingsintensitetsfaktoren er et mål for spændingssingulariteten ved revnens spids, og spiller en afgørende faktor for revnens udbredelseshastighed.

I nogle tilfælde er årsagen til revnevækst i nittede konstruktioner, at de sammennittede konstruktionsdele ikke har været fuldstændig sammenspændt af nitterne. Nitterne har mistet den forspænding, de havde opnået, på grund af afkøling og sammentrækning efter installation. Nitter bliver installeret opvarmede, så nittehovedet kan formes ved indsætningen. Belastes en løst sammennittet konstruktionsdel tilstrækkeligt mange gange, kan meget små initialrevner fremkomme ved produktionen af konstruktionsdelen, begynde at vokse.

Ved træk i nitters aksialretning, kan der også opstå revner i selve nitten, der vil få nittehovedet til at falde af, og nitten til falde ud. Revnen eller revnerne vil i begyndelsen vokse langsomt, men revnevæksten vil med tiden accelerere, med mindre den bliver stoppet - enten ved reparation eller som følge af konstruktionens geometri.

Har man problemer med udmattelse i en konstruktion med løse nitter, kan man ved at erstatte nitterne med forspændte bolte, skabe en friktionssamling mellem konstruktionsdelene, således at samlingens kritiske områder aflastes. Et af de mest kritiske områder er naturligvis hulranden i nittehullet, hvor der både vil være spændingskoncentrationer samt eventuelle små initialrevner.

En forspændt bolt vil skabe en sammenhængskraft, således spændingskoncentrationen ved hulranden formindskes. Dette medfører dermed en reduktion af spændingsintensiteten. Naturligvis kan alle problemer ikke blot løses ved at montere forspændte bolte, da visse udmattelsesproblemer i samlinger kan være så fremskredne eller komplekse, at man må designe en specialløsning.

En anden metode er at forstærke konstruktionen ved at pålime kulfiberlaminater. Denne metode er der tidligere forsket i på DTU Byg. Her lykkedes det ved forsøg at fordoble og tidoble levetiden af gamle revnede stålplader med henholdsvis almindeligt pålimede og pålimede forspændte kulfiberlaminater.

De pålimede laminater aflaster området tæt på revnen så spændingsniveauet sænkes, samtidig med at laminatet delvist forhindrer revnens åbning. Hvis man imidlertid kan forspænde laminatet, er det muligt at introducere trykspændinger over det revnede tværsnit.

Kan man indføre tilstrækkeligt tryk, er det muligt at reducere spændingsintensitetsfaktoren til under tærskelværdien for revnevækst, og helt stoppe revnen. På ved EPFL i Schweiz blev levetidsforlængelse ved indførsel af trykspændinger fra forspændte pålimede kulfiberlaminater demonstreret på gamle nittede bjælker fra en bro.

På DTU Byg blev det ved forsøg på mindre prøveemner vist, at revnevækst helt kan stoppes med forspændte kulfiberlaminater. Det er naturligvis sin sag at få plads til kulfiberlaminaterne, hvis der er nitter i vejen. Derfor er anvendelsen af denne forstærkningsmetode afhængig af nitternes placering. Forstærkningsmetoden er mest anvendelig i forbindelse med udmattelse i bjælkers trækflanger.

Dette er et par af de værktøjer man kan bruge til at udbedre udmattelsesproblemer, hvor DTU Byg fokuserede på forstærkningen med kulfiber. Der er ingen facitliste til udbedring af udmattelsesrevner i nittede konstruktioner, og antallet af mulige løsninger er mange - det er kun kreativiteten og den sunde fornuft, der sætter grænsen.

Strengthening of old metallic structures in fatigue with prestressed and non-prestressed CFRP laminates - Artikel af Christian Skodborg Hansen og Jacob Wittrup Schmidt

Kontakt Christian Skodborg Hansen

Christian Skodborg Hansen er civilingeniør og ph.d.-studerende ved DTU Byg og Henrik Stang er professor ved DTU Byg.

Kommentarer (3)

Jeg lærde om de "gamle revner" da jeg var i gang med at læse en gang i 70'erne (der var et Libertyskib som ikke sank i en havn, men til alles forbavselse var "knækket" mit over, på grund af LETERE frost!). Men

""Blandt andet derfor revnede og sank nogle af de amerikanske Libertyskibe under anden verdenskrig, og skroget på de Havilland DH 106 Comet flyvemaskinen revnede under rutefart"",

og de kunne heller ikke være brugt til noget i dag. De er lige så forældet, som visse af broerne i dag. Det er beder af lave noget nyt, hvor det er på krævet. Og det er det med Storstrømsforbidelsen og det er de fordi, de bliver meget bedre at køre på.

mvh

Jens Lindhard

  • 0
  • 0

Hvis det hele er i opløsning af rust så er da ikke noget at gøre.

Det her er vistnok mod revner - ikke rust.

Er det meget nemmere at forspaende fiber end staalkabler?

  • 0
  • 0