Page 16

134839_dtuavis_0113_final

Erhvervs-ph.d.   Mere og tungere trafik slider på broerne verden over. I Danmark bliver de ofte revet ned og skiftet ud med nye, og det er både dyrt for samfundet og til gene for trafikanterne, som må finde nye ruter eller i månedsvis snegle sig forbi vejarbejder i lange køer. Men i et samarbejde med rådgivervirksomheden COWI har en DTU-forsker udviklet en ny type forankring af kulfiberforstærkning, der giver gamle broer nyt liv. „Kulfiberforstærkningen er billigere, og den kan udføres samtidig med, at trafikken kører på broerne,“ siger Henning Pedersen, seniorprojektleder i COWI, der har hjulpet Singapores broforvaltning, Land Transport Authority, med at opgradere flere broer til en øget trafikbelastning: „Broerne blev forstærket, uden at trafikanterne opdagede det. Forstærkningen betød, at broerne kunne klare 20 procent mere trafikbelastning,“ uddyber Henning Pedersen. Fra stål til kulfiber Stål er det mest benyttede materiale til at øge broers bæreevne, og det var også dette materiale, der blev anvendt i Singapore. Det foregik ved at bruge et såkaldt eksternt forspændingssystem: Et langt kabel spændes op på langs eller på tværs af broen. Kablet forankres i hver sin ende i påstøbte betonklodser – såkaldte forankringsblokke. Ud over at forankringsblokkene tjener til at holde kablet stramt opspændt, så er det også blokken, der overfører hele belastningen fra konstruktionen. I flere lande har man imidlertid forsøgt at erstatte stålet med kulfiber. Dette materiale har flere egenskaber, som gør det vældigt interessant at arbejde med: „Kulfiber er ca. fem gange lettere end stål, så det er enklere at håndtere, når man skal forstærke broen. Kulfiber ruster ikke, og det har også en god performance, når det udsættes for viberationer. Desuden har det en trækstyrke, som er fire-fem gange højere end konstruktionsstål, hvilket betyder, at man bruger mindre mængder materiale for at opnå den ønskede bæreevneforøgelse af konstruktionen,“ forklarer lektor Jakob Wittrup Schmidt fra DTU. I forbindelse med sin erhvervs ph.d. på DTU arbejdede Jacob Wittrup Schmidt sammen med COWI og Luleå Universitet om at udvikle det eksterne forspændingssystem med anvendelse af kulfibermateriale. Samarbejde førte til et patent For selvom man mange steder forsøger sig med kulfiber til forstærkning af bl.a. broer, så har ingen endnu helt fundet ud af at udnytte materialets styrke. Den bedste udnyttelse opnås ved at forspænde kulfiberstangen og således påføre betonkonstruktionen et tryk, lyder vurderingen fra Henning Pedersen. Problemet er blot, at medens kulfiber har stor trækstyrke i langsgående retning af kablet (fiberretningen), er trykstyrken meget lille i tværretningen. Det vil sige, at det knuses let ved tryk i tværretningen. Derfor kan man ikke benytte de samme forankringssystemer, som man bruger til stålkablerne. Bliver en kulfiberstang skruet fast i det traditionelle system, så knuses den. I sin erhvervs-ph.d. arbejdede Jacob Wittrup Schmidt på at udvikle en løsning, så kulfiberstængerne kan spændes fast uden at knuses. Det lykkedes ham at udvikle en såkaldt hylseforankring. En hylse er fagudtrykket for en metalkappe eller et hylster. Wittrups hylseforankring er cirka 15 cm lang og har form som en kegle, som omslutter kulfiberstangens ender. „Hylseforankringen ligner den, man bruger til stålstængerne. Det var et bevidst valg, da vi mener, at det er lettere at indføre et nyt system, hvis erfaringer fra kendte byggemetoder udnyttes optimalt,“ forklarer Jacob Wittrup Schmidt. Selvom hylsen til kulfiberstængerne ved første øjekast ligner de eksisterende til stålstænger, så er der en væsentlig forskel: Den nye hylse kan strammes hårdt om kulfiberstangen, uden at denne knuses. Hylsen har da også ført til et patent. „I forankringen til stål er der tre separate ’kæber’, som omslutter og fastholder stålstangen. Det er de tre ’kæber’, der knuser kulfiberstangen. Derfor har jeg i forankringen til kulfiberstangen integreret de tre kæber i hylsen, hvilket gør det muligt at fordele trykket på kulfiberen optimalt, når man strammer hylseforankringen om kulfiberstangen,“ forklarer Inte greret hylse Åbning Slids Kulfiber Forankringshylse Cylinder Integreret hylse 21 93,1° 93,0° 10 30 95 105 Illustration af den patenterede hylseforankring viser, hvordan de tre kæber er integreret i hylsen. Det bevirker, at trykket fordeles bedre på kulfiberstangen, der dermed ikke knuses, når hylsen strammes om stangen. Jacob Wittrup Schmidt, som udviklede hylsen ved hjælp af tests og avanceret matematisk modellering. Mere dokumentation på vej Den patenterede hylse er allerede testet i flere forsøg på DTU, men der skal mere dokumentation på bordet og flere erfaringer med den, før den kan sættes i produktion, vurderer senior projektleder Henning Pedersen fra COWI: „Vi er stadig på forsøgsstadiet. Så snart vi besidder den nødvendige dokumentation, vil vi tage kontakt til en virksomhed med henblik på at få den patenterede hylse i produktion.“ Jacob Wittrup Schmidt er desuden i kontakt med et forskningscenter i USA, som har vist interesse for hans nye hylse til kulfiberstængerne. „De har samme mål, som vi har her i landet, nemlig at finde frem til en hurtig og effektiv måde at forstærke broerne på. Kontakten kan føre til et forskningssamarbejde, hvor vi hjælper hinanden med nogle af de testkrav, der skal til, så vi kommer hurtigere frem til at anvende kulfiberstænger i et eksternt forspændt forstærkningssystem,“ siger Jacob Wittrup Schmidt. Jacob Wittrup Schmidt fortsætter sin forskning i anvendelse af kulfiber til forstærkning af konstruktioner, delvis som ansat hos COWI og delvis som lektor på DTU. - Lotte Krul Kulfiber giver gamle broer nyt liv Erhvervs-ph.d. Jacob Wittrup Schmidt fandt i løbet af sit studium ud af, hvordan man kan forstærke gamle og slidte broer med kulfiber. Broerne blev forstærket, uden at trafikanterne opdagede det. Forstærkningen betød, at broerne kunne klare 20 procent mere trafikbelastning. Hening Pedersen, seni orprojektleder i COWI. Kulfiber som forst ærkning Gennem de seneste årtier har man forsøgt at erstatte stål med kulfiber, når man havde behov for et materiale med meget høj trækstyrke. Kulfiberen er et meget let materiale, der kan tåle et stort træk i fiberretningen. Til gengæld har det en meget lille styrke på tværs af fibrene. Det knuses derfor let, når det påvirkes af tværgående belastninger. Det har udfordret ingeniører verden over i den praktiske anvendelse af kulfiberen. Kulfiber kan anvendes både i form af stænger eller lange, brede bånd. Man fæstner det til den eksisterende konstruktion, eksempelvis et betonbrodæk, ved enten at lime det på ydersiden eller i riller, som man fræser ind i konstruktionen. Derudover kan man fastholde det i mekaniske og adhæsive hylseforankringer (adhæsion er sammenhængskraften mellem to forskellige legemer, der berører hinanden, red.). Kulfiber kan benyttes til at forstærke broer, siloer og tilsvarende konstruktioner på land og offshore. Materialet kan også anvendes i nye konstruktioner som forspændte betonbroer eller som kabler og stænger i kabelbårne konstruktioner som hængebroer og skråstagsbroer. Ekstern kulfiber-forspændingsystem anvendt på betonbjælker. Forankringsblokke med stålkabler forstærker en broerne i Singapore. Illust ration Jacob Witrup Schmidt Foto: COWI Foto Jacob Witrup Schmidt 16


134839_dtuavis_0113_final
To see the actual publication please follow the link above