Experimentelle Untersuchung chemisch induzierter Drahtbrüche bei Spannbetonträgern – Schadensanalyse mittels faseroptischer Sensoren, Schallemissionsanalyse und induktiver Wegaufnehmer

Abstract

Die Spannbetonbauweise ist in Österreich die häufigste Bauweise bei Brücken. Aufgrund des fehlenden Zugangs zu den Spanngliedern im eingebauten Zustand gestaltet sich die Zustandserfassung sowie die damit einhergehende Nutzungsdauerprognose schwierig. Spanndrahtbrüche infolge von Korrosion, vor allem Spannungsrisskorrosion, stellen hierbei ein Risiko für den dauerhaften und sicheren Betrieb des Bauwerks dar. Bei Bauwerken, die mit spannungsrisskorrosionsgefährdetem Spannstahl errichtet wurden, besteht die Gefahr eines plötzlichen Versagens ohne Vorankündigung. Daraus ergibt sich der Bedarf nach zuverlässigen Monitoringmethoden zur Früherkennung kritischer Schädigungszustände.Ziel der vorliegenden Arbeit ist die experimentelle Untersuchung des Zusammenhangs zwischen chemisch induzierten Drahtbrüchen und den daraus resultierenden Dehnungs- und Verformungsänderungen sowie der Rissentwicklung an einem vorgespannten Plattenbalken. Darüber hinaus erfolgte ein Vergleich der eingesetzten Messmethoden, bestehend aus induktiven Wegaufnehmern, Schallemissionsanalyse und verteilten faseroptischen Sensoren (DFOS). Um die unterschiedlichen Einbauarten der DFOS-Messfasern vergleichen zu können, sind diese entlang der Längsbewehrung, im Hüllrohr sowie in vertikaler und horizontaler Richtung an der Stegoberfläche angeordnet.Im Zuge des Versuchsprogramms sind an einem 5 m langen vorgespannten Plattenbalken mit nachträglichem Verbund insgesamt 17 Drahtbrüche mittels Ammoniumthiocyanatlösung herbeigeführt und im Rahmen eines Vierpunktbiegeversuchs untersucht worden.Die Schallemissionsanalyse lieferte valide Ergebnisse sowohl hinsichtlich der Bruchzeit- als auch der Bruchortbestimmung. Die mittels der DFOS-Messfasern ermittelten Bruchzeitpunkte stimmten mit den Ergebnissen der Schallemissionsanalyse überein, wodurch die Eignung der faseroptischen Sensoren zur Bruchzeitbestimmung bestätigt werden konnte. Hinsichtlich der Bruchortlokalisation lieferte die Messfaser im Hüllrohr die präzisesten Ergebnisse aller DFOS-Einbauarten. Die horizontalen Messfasern an der Stegoberfläche sowie die Messfaser im Beton unten erbrachten ausschließlich im ungerissenen Zustand verlässliche Bruchortlokalisationen, während im gerissenen Zustand Fehllokalisierungen infolge von Rissneubildungen bzw. Rissaufweitungen auftraten. Mit fortschreitender Schädigung der Spannlitzen traten sowohl Biege- als auch Längsrisse im mittleren Trägerbereich auf. Sowohl die Längsriss- als auch die Biegerissbildung ließen sich mittels der faseroptischen Sensoren detektieren. Anhand der Zunahme der Dehnungsänderungen bei den horizontalen Messfasern sowie der Messfaser im Beton unten ist der Übergang vom ungerissenen in den gerissenen Zustand eindeutig erkennbar. Darüber hinaus ließen sich Biegerisse mit den DFOS-Messfasern erfassen, bevor diese visuell erkennbar waren.Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass DFOS-Messfasern auf Höhe der Spannlitzen sich insbesondere für die Bruchortlokalisation eignen und eine hohe Übereinstimmung mit der Bruchortlokalisation der Schallemissionsanalyse aufweisen. DFOS-Messfasern in den rissbeanspruchten Bereichen eignen sich vorrangig für die Erfassung der Rissbildung. Die gewonnenen Ergebnisse lassen sich sowohl zur Unterstützung bestehender Bewertungskonzepte als auch als Grundlage für die Entwicklung messtechnisch fundierter Nachweiskonzepte zur Vorankündigung kritischer Schädigungszustände der Spannlitzen heranziehen. Insbesondere die im Rahmen dieser Arbeit nachgewiesene Lokalisierung von Längsrissen mittels vertikaler Oberflächenfasern stellt hierfür einen vielversprechenden Ansatz dar.

Prestressed concrete construction is the most common construction method for bridges in Austria. Due to the lack of access to the prestressing tendons once the structure is in place, assessing its condition and predicting its service life can be challenging. Tendon failures caused by corrosion, particularly stress corrosion cracking, pose a risk to the structure's long-term and safe operation. Structures built with prestressing steel vulnerable to stress corrosion cracking are at risk of sudden failure without prior warning. This highlights the need for reliable monitoring methods to detect critical damage conditions at an early stage.The objective of this thesis is to experimentally investigate the relationship between chemically induced wire breaks and the resulting changes in strain and deformation, as well as crack propagation, on a prestressed tee beam. In addition, a comparison of the measurement methods is conducted, including inductive displacement transducers, acoustic emission sensing, and distributed fiber-optic sensors (DFOS). To enable a comparison of the different installation types of the optical fibres, the fibres are positioned along the longitudinal reinforcement, inside the duct, as well as in vertical and horizontal directions on the web surface.During the course of the test program, a total of 17 wire breaks were chemically induced using ammonium thiocyanate. The tests were carried out on a 5-meter-long prestressed tee beam with post-tensioning as a four-point bending test. To determine the time and location of the wire breaks, a detection method was developed.Both acoustic emission analysis and fibre optic sensors enabled a reliable determination of fracture time and location. Conversely, the inductive displacement transducers provided only limited insight into the structural behaviour due to their solely point-based data acquisition. The horizontal DFOS fibres on the web surface and the DFOS fibre embedded in the concrete at the bottom of the web provided reliable fracture location data only in the uncracked state of the beam. In the cracked state, mislocations occurred due to the formation of new cracks or crack propagation. As damage tothe tension strands progressed, both flexural and longitudinal cracks appeared. The formation of longitudinal cracks and flexural cracks could be detected using fiber-optic sensors. Based on the increase in strain increment recorded by the horizontal DFOS fibres on the web surface as well as the fibre embedded in the concrete at the bottom of the web, the transition from the uncracked to the cracked state is distinctly identifiable. Furthermore, flexural cracks could be detected by the DFOS fibres before they became visually apparent.In summary, DFOS fibres located at the level of the tendons are particularly suitable for fracture localisation and show a high degree of correspondence with the localisation results of the acoustic emission analysis. DFOS fibres in crack-prone areas can be utilised primarily for monitoring crack formation. The results obtained can serve both to support existing assessment concepts and as a basis for the development of measurement-based detection concepts for the early identification of critical damage conditions in the prestressing strands. In particular, the reliable localisation of longitudinal cracks using vertical surface fibres, as demonstrated in this thesis, represents a promising approach in this regard.