Beurteilung von GFK

Eine nichtmetallische Alternative zu den Stahlbewehrungsstäben, die Betonbrückendecks verstärken, hat das Potenzial, länger haltbar und kostengünstiger zu sein, um Brücken im rauen Klima Minnesotas instand zu halten. Erste Studien zeigen, dass die Leistung von Brückendecks aus glasfaserverstärktem Polymer (GFRP) mit konventionell gebauten Decks vergleichbar – wenn nicht sogar besser – ist.

Korrosion der in Beton eingebetteten Stahlbewehrung ist die Hauptursache für die Verschlechterung des Brückendecks. Schäden entstehen, wenn Feuchtigkeit und Chloride aus Streusalzen in Brückenüberbauten eindringen und den Stahl korrodieren. Frost- und Tauzyklen während der strengen Winter in Minnesota können die Auswirkungen verstärken und zu Rissen im Beton führen, wodurch die eingebettete Bewehrung weiter freigelegt wird.

GFK-Bewehrungsstäbe sind eine nichtmetallische Alternative zu herkömmlichen Stahlbewehrungsstäben, die weder oxidieren noch rosten und daher äußerst korrosionsbeständig sind. GFRP wurde in Teilen Kanadas als Brückendeckverstärkung verwendet, hatte in den USA jedoch nur begrenzte Verwendung. Frühere Untersuchungen an Minnesotas erster und (damals) einziger Brücke, bei der diese alternative Verstärkung verwendet wurde, ergaben, dass GFRP Korrosion deutlich besser widersteht als herkömmliche Stahlbewehrungen Es gab keine strukturellen Probleme.

„Dies war eine hervorragende Gelegenheit, benachbarte Brückendecks, die mit GFK und epoxidbeschichteter Bewehrung verstärkt waren, direkt zu vergleichen. Die Spannungen, Dehnungen und Durchbiegungen der einzelnen Brückendecks sind sehr ähnlich, und die anfängliche Leistung war ausgezeichnet“, sagte Paul Rowekamp, ​​Brückenstandards und Forschungsingenieur, MnDOT Bridge Office.

Im Jahr 2018 baute MnDOT auf dem Trunk Highway 169 zwei nebeneinander liegende Brücken – eine mit GFK-Deckverstärkung und die andere mit herkömmlicher epoxidbeschichteter Stahlverstärkung. Dieses Bauprojekt bot eine einzigartige Gelegenheit, die Leistung der beiden zu vergleichen Es wurden Bewehrungstypen verwendet, da die Brücken den gleichen Umwelteinflüssen ausgesetzt waren und sehr ähnlichen Verkehrsbedingungen ausgesetzt waren.

Ziel dieses Projekts war es, die strukturelle Leistung und Haltbarkeit zweier in Betrieb befindlicher Brückendecks zu vergleichen und das Potenzial von GFK als Alternative zur herkömmlichen Stahlbewehrung zu bewerten.

Eine vielschichtige Anstrengung, die bereits zum Zeitpunkt des Brückenbaus begann, ermöglichte eine gründliche Bewertung der Leistung von GFK im Vergleich zur Stahlbewehrung in Brückendecks. Zunächst installierten die Forscher, angeleitet durch das Brückendesign, Sensoren in den Decks, bevor der Beton eingebracht wurde. Dies half dabei, die Spannungs- und Temperaturentwicklung in den Brückendecks im Laufe der Zeit zu messen.

Die fast vierjährige Überwachung umfasste die Erfassung der Temperatur- und Dehnungsdaten der Sensoren, die Bewertung der damit verbundenen Belastungen und den Vergleich der Leistung mit Designrichtlinien. Die Messungen erfassten sowohl allgemeine als auch extreme Deckreaktionen.

Zusätzliche Instrumente, die an den Trägern und den Brückendecks angebracht waren, maßen Spannungen und Dehnungen während der Belastungstests unmittelbar nach dem Bau, nach einem Jahr und nach zwei Jahren. Die Verkehrslasttests reproduzierten Verkehrslasteffekte und dienten dazu, zu verstehen, wie die Verkehrslasten von den Angriffspunkten auf das Brückendeck und einzelne Träger verteilt werden.

Visuelle Inspektionen des Brückendecks alle sechs Monate während des gesamten Projekts ermöglichten es den Forschern, den Zustand beider Brückenaufbauten zu bewerten, etwaige Risse zu dokumentieren und die möglichen Ursachen anhand der gesammelten Sensordaten zu erklären.

Im Labor wurden von MnDOT gelieferte GFK-Proben bis zum Versagen einer Zugbelastung ausgesetzt, sodass Forscher Spannungs-Dehnungs-Kurven entwickeln konnten, um die mechanischen Eigenschaften des Materials zu bestätigen. Schließlich bewerteten Lebenszykluskostenanalysen der beiden Brückendecks, einschließlich Bau-, Material-, Arbeits-, Betriebs- und langfristiger Wartungskosten, das wirtschaftliche Potenzial von GFK-Bewehrungsstäben im Vergleich zu herkömmlichem Stahl.

Die kurz- und langfristigen Leistungsvergleiche zwischen den Brückendecks ergaben keine signifikanten Unterschiede oder ungewöhnliches Verhalten bei beiden.

Die Live-Lasttests zeigten, dass die Leistung der Brückendecks vergleichbar war und mit den Designspezifikationen übereinstimmte. In ähnlicher Weise zeigten Langzeitüberwachungsdaten, dass das GFK-Deck zwar insgesamt etwas höhere Dehnungswerte aufwies, die beiden Decks sich jedoch über den Überwachungszeitraum ähnlich verhielten.

Bei der ersten Inspektion der Brücken wurden in beiden Brückendecks Risse an der Oberseite und in der gesamten Tiefe festgestellt. Die stahlverstärkte Brücke wies zunächst mehr Risse auf als die GFK-verstärkte Brückenfahrbahn. Die Rissmuster ähnelten sich im Laufe der Zeit bei beiden Brücken. Die Forscher stellten jedoch fest, dass Risse in GFK-Decks möglicherweise weniger besorgniserregend sind, da sie nicht zu Korrosion der eingebetteten Bewehrung und weiteren Betonrissen führen, die durch Korrosion verursacht werden können.

„Wir haben herausgefunden, dass die Verwendung von glasfaserverstärktem Polymer anstelle von epoxidbeschichtetem Stahlbewehrungsstahl zur Verstärkung von Brückendecks zu einer besseren Korrosionsbeständigkeit, einem geringeren Wartungsbedarf und einer längeren Lebensdauer der Brücken in Minnesota führt“, sagte Behrouz Shafei, außerordentlicher Professor an der Iowa State University Abteilung für Bau-, Bau- und Umweltingenieurwesen.

Labortests ergaben, dass der GFK-Bewehrungsstab eine hohe Zugfestigkeit aufweist, jedoch spröder als Stahl ist, was im Gegensatz zum allmählicheren Nachgeben von Stahl unter Belastung zu einem plötzlicheren Versagen führt. Da einzelne GFK-Bewehrungsstäbe einer Überlastung nicht standhalten würden, wird sich ein GFK-Versagen wahrscheinlich länger hinziehen, was eine Warnung vor einem möglichen Versagen darstellt.

Vergleicht man die Lebenszykluskosten der beiden Brückendecks, ist das GFK-Deck mit einer Lebensdauer von 65 Jahren kostengünstiger als das stahlverstärkte Deck mit derselben Lebensdauer. Mit zunehmender angestrebter Lebensdauer des GFK-Decks nimmt die Differenz zu.

Während sich GFK-Bewehrungsstäbe in zwei Brückendecks über etwa vier Jahre hinweg gut bewährt haben, ist es für MnDOT noch zu früh, das neue Material definitiv zu akzeptieren, da Brücken normalerweise für eine Lebensdauer von 75 Jahren ausgelegt sind. In den kommenden Jahren werden weitere Informationen zur GFK-Leistung bereitgestellt, und die Behörde wird ihre Verwendung weiterhin untersuchen.