Was US-Armeeingenieure entdeckten, als sie korrodierten Stahl mit Faserpolymeren reparierten

Tatsächlich schätzte die National Association of Corrosion Engineers in den USA die weltweiten jährlichen Kosten durch Korrosion auf 2,5 Billionen US-Dollar – und das schon im Jahr 2013. Die heutigen Kosten dürften deutlich höher sein.

Allerdings schätzte derselbe Verband, dass die durch Stahlkorrosion verursachten Kosten um 35 % gesenkt werden könnten, wenn geeignete Maßnahmen ergriffen würden.

Hier kommt eine neue Studie des US Army Engineer Research and Development Centre (ERDC) ins Spiel.

Die Studie greift frühere Arbeiten auf und untersucht das Potenzial der Anwendung von mit Kohlenstofffasern (CFK) und Basaltfasern (BFRP) verstärkten Polymeren zur Reparatur korrodierter Stahlquerschnitte.

Es wurde eine Reihe groß angelegter Versuchstests an Stahlträgern durchgeführt, um zu untersuchen, wie sich CFRP und BFRP auf deren strukturelle Eigenschaften, einschließlich der Duktilität (die Fähigkeit eines Metalls, gezogen oder gestreckt zu werden, ohne zu brechen), auswirken.

Die Einsätze

Die italienische Morandi-Brücke in Genua, die 2018 einstürzte. Foto: Adobe Stock

Die Gefahr der Korrosion von Stahl in der Infrastruktur ist groß. Sie stellt insbesondere bei Bauwerken im oder in der Nähe von Wasser ein Problem dar, seien es Brücken, Hochwasserschutzbauten, Rohrleitungen zu Gebäuden oder andere Unterwasserbauwerke.

Neben den Kosten für die Überprüfung und Reparatur der Strukturkomponenten (die in manchen Fällen auch deren Entwässerung umfassen können) besteht die Gefahr einer Betriebsunterbrechung.

Und wenn man der schleichenden Korrosionsgefahr nicht Einhalt gebietet, kann dies zu einer Verschlechterung der Bausubstanz, noch kostspieligeren Reparaturen und - wie der Bericht hervorhebt - sogar zum Versagen der Bausubstanz führen.

Als prominentes Beispiel wurde der Einsturz der Morandi-Brücke im italienischen Genua genannt, bei dem 43 Menschen ums Leben kamen. Das 51 Jahre alte Viadukt mit drei Brückenfeldern war Teil der Autobahn A10 nach Savona und war als durchgehender Träger konzipiert, der von drei diagonalen Schrägseilsystemen getragen wurde. Italienische Ingenieursexperten sind der Ansicht, dass die allmähliche Korrosion der Stahlkabel eine entscheidende Rolle beim Einsturz der Brücke spielte, da sie ihre strukturelle Integrität um 20 % verringerte.

Reparaturen bei Stahlkorrosion

Die ERDC-Studie stellte fest, dass es mehrere Ansätze zur Reparatur und Nachrüstung korrodierter Stahlkonstruktionen gibt. Sie können so einfach sein wie das Entfernen der Korrosion und das Neulackieren des Stahls.

Bei stärkerer Korrosion bringt jedoch jede Nachrüstmethode ihre eigenen Nachteile mit sich. Dies gilt unabhängig davon, ob korrodierte Stahlelemente durch neue Querschnitte ersetzt werden (was zu Betriebsunterbrechungen führen kann) oder ob zusätzliche Stahlplatten angebracht werden (was die Eigenlast der Struktur erhöht und möglicherweise zu Betriebsunterbrechungen führt).

In jüngerer Zeit ist die Verwendung von CFK zum Ummanteln korrodierter Stahlquerschnitte populärer geworden. Allerdings ist hierfür ein Isoliermaterial wie Glasfasern erforderlich, um eine galvanische Korrosion zwischen der Kohlefaser und dem Stahl zu verhindern.

Während in den letzten Jahren mehrere Studien zu FRP-Materialien durchgeführt wurden, die nahelegten, dass sie die Tragfähigkeit und Streckgrenze von Balken im Vergleich zu nicht reparierten Balken erhöhen können, vertrat das ERDC die Ansicht, dass weitere experimentelle Tests erforderlich seien, um das vollständige strukturelle Verhalten reparierter Balken und die Auswirkungen der Ablösung der Faserpolymerummantelungen auf die Balkenleistung zu beurteilen.

Die Tests

Ziel der Studie war es, die Wirksamkeit von faserverstärkten Polymeren bei der Reparatur korrodierter Stahlträger, die Biege- und Scherspannungen ausgesetzt sind, zu ermitteln.

Zu diesem Zweck installierten die Forscher sieben verschiedene Stahlträger (B x 24) mit einer Spannweite von drei Metern in einem Testrahmen, der dann mithilfe eines 489-kN-Aktuators an vier Punkten unter Biege- und Belastungsbedingungen gesetzt wurde.

Quelle: Experimentelle Bewertung von Stahlträgern mit mechanischer Querschnittsreduzierung, nachgerüstet mit Faserpolymeren (ERDC)

Der erste Träger war eine Kontrollprobe, bei der es weder Korrosion noch Reparaturen gab (siehe a. im obigen Diagramm). Der nächste war ein Träger, bei dem der mechanische Abschnitt des unteren Flansches um 20 % reduziert worden war, indem effektiv ein Abschnitt des Stahls ausgeschnitten worden war, um die Auswirkungen von Korrosion zu simulieren (b).

Der dritte Balken war insofern ähnlich, als dass er an seinem Steg eine Reduzierung von 20 % aufwies (c).

Anschließend gab es zwei Träger, bei denen die Querschnitte am Zugflansch und am Steg um jeweils 20 % reduziert und anschließend mit CFK-Flicken mit unidirektionalen Kohlenstofffasern repariert wurden (siehe d. und e.). Und bei den letzten beiden Trägern wurden der Zugflansch und der Steg um jeweils 20 % reduziert und anschließend mit BFK-Flicken mit quaddirektionalen Fasern repariert (siehe d. und e.).

Alle Flicken wurden mit einem Epoxidharz namens Tyfo S, vermischt mit Silikarauch, auf einer mit einem Winkelschleifer aufgerauten Oberfläche angebracht.

Quelle: Experimentelle Bewertung von Stahlträgern mit mechanischer Querschnittsreduzierung, nachgerüstet mit Faserpolymeren (ERDC)

Die Ergebnisse

Die ERDC-Forscher stellten fest, dass ihre Versuche, Korrosion durch das Herausschneiden von Teilen der Träger an den Untergurt- und Stegelementen zu simulieren, die Festigkeit und Duktilität des Stahls verringerten.

Durch das Anbringen von CFRP-Flicken an den „korrodierten“ Trägern konnte deren Tragfähigkeit um 7 % erhöht werden, sowohl bei der Reparatur des Untergurts als auch des Stegelements. Die Studie ergab jedoch, dass sich dies negativ auf die Duktilität auswirkte und die Flicken sich frühzeitig zu lösen begannen.

Die Ergebnisse waren bei BFRP-Flicken besser. Die Bruchfestigkeit des Trägers, bei dem ein Flicken auf den unteren Flansch aufgebracht wurde, verbesserte sich um 10 %, und die Ablösung war minimal. Der BFRP-Flicken auf dem Stegelement des Trägers erhöhte die Bruchfestigkeit um 5 %, die Duktilität verbesserte sich und es kam zu keiner Ablösung.

In der Schlussfolgerung der Studie heißt es: „Das BFRP hat das strukturelle Verhalten der getesteten Balken besser verbessert als die CFRP-Flicken, und seine Ablösung, falls vorhanden, wird voraussichtlich erfolgen, nachdem die Balken ihre maximale Belastbarkeit erreicht haben. BFRP hat eine minimale Änderung der Spannungsverteilung in den reparierten Balken verursacht, was entscheidend ist, um die gleichen strukturellen Bedingungen und die gleiche Leistung der unbeschädigten Strukturelemente aufrechtzuerhalten.“

Empfehlungen

Angesichts der Ablösung der CFK-Flicken empfahlen die Forscher weitere Studien, bei denen unterschiedliche Klebstoffarten für faserverstärkten Kunststoff untersucht wurden (da die Ablösungsfehler auf der Klebefläche auftraten, ohne dass es zu Brüchen in den Flicken kam).

Sie stellten außerdem fest, dass die vierdirektionalen BFRP-Flicken in Bereichen, die höheren Scherkräften ausgesetzt waren, eine „vielversprechende Leistung“ zeigten, und empfahlen, bidirektionale CFRP-Flicken zu testen.

Zukünftige Untersuchungen könnten sich auch mit der Leistung korrodierter Querschnitte befassen, die vollständig mit FRP-Flicken umwickelt sind. Dies sei ein Ansatz, der häufig bei der Reparatur von Stahlkonstruktionen für die Schifffahrt angewandt wird, sagten die Forscher.

Eine weitere Empfehlung bestand darin, die Haltbarkeit angewandter Reparaturansätze zu untersuchen, um die Lebensdauer von FRP-Materialien als langfristige Methode für Stahlwasserbauwerke zu verstehen.

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