Spraymaling kan afsløre metaltrætte broer

Stadig større skråstagsbroer og titusindvis af aldrende stålbroer giver ingeniører over hele verden problemer med at overvåge metaltræthed i konstruktionerne.

Vind, vand og tung trafik får broerne til at vibrere – nogle gange så kraftigt, at det fører til revner i stålplader og nitter og brud på kablerne. Men nu har DTU og en erhvervs-ph.d. fra rådgivningsfirmaet Atkins udviklet en ny metode, der gør det meget lettere at opdage og forudsige metaltræthed, før problemerne bliver katastrofale.

»Indtil nu har vi påsat små sensorer (strain gauges, red.) på de relevante steder. Men det er meget besværligt og tidskrævende – især på brokabler – og de holder sjældent særligt længe. Desuden fortæller de kun om deformationer inden for et område på få millimeter. Med den nye teknologi kan man måle deformationerne i et helt skråstagskabel eller over en stor overflade,« fortæller erhvervs-ph.d.-studerende Jan Winkler fra DTU.

Mønsterfotografering

Sammen med sine vejledere, lektor Gregor Fischer og professor Christos T. Georgakis, har han videreudviklet en målemetode baseret på digital billedkorrelation.

Metoden går ud på, at ingeniørerne monterer digitale standardkameraer ud for det emne, som de gerne vil måle på. Kameraerne tager højopløste fotos af kablet eller de nittede samlinger før, under og efter belastningen. Billederne sammenlignes i et program, som kan identificere selv små ændringer mellem de forskellige billeder. Før Jan Winkler kom så langt, skulle han dog først finde ud af, hvordan han kunne hjælpe softwaren med at spotte de bittesmå bevægelser.

»Du har brug for et tilfældigt mønster på det materiale, du fotograferer. Jeg bruger almindelig hvid spraymaling for at få en hvid baggrund og derefter en fin sort spray til at skabe et støvagtigt mønster.«

Derved opstår en hvid flade med millioner af tilfældigt placerede sorte prikker og klatter. Mønsteret skal tilpasses det, man ønsker at måle. Men det er stadig lettere end at montere strain gauges.

Efter flere års arbejde i laboratorierne, hvor forskerne blandt andet sammenlignede præcisionen af deres målinger med de data, de fik fra strain gauges, testede DTU’s folk i maj 2013 metoden på den gamle Storstrømsbros stålkonstruktion.

»Vi skulle vise, om alle bevægelserne var inden for det tilladelige spektrum. Den store udfordring var at gøre udstyret mobilt og robust nok til at blive brugt i virkeligheden, men det lykkedes,« fortæller Jan Winkler.

Hos Vejdirektoratet, der ejer halvdelen af Storstrømsbroen, har projektchef for drift og vedligehold af bygværker Iben Maag et godt øje til den nye metode. Vejdirektoratet har netop haft Rambøll og Cowi til at undersøge Kronprins Frederiks Bro, Mønbroen, Aggersundbroen og Vilsundbroen for metaltræthed/udmattelse. Tre af de fire broer er helt frikendt for udmattelsesproblemer, og på Vilsundbroen har rådgiverne regnet sig frem til, hvilke områder der skal holdes øje med fremover.

»Det kunne man meget vel gøre med digital billedkorrelationsmetoden,« siger hun.

»Selvfølgelig skal man først ved beregning og erfaring finde ud af, hvor man skal lede efter mulige problemer, men derefter kan man forholdsvis hurtigt få en fornemmelse af, om der er ved at ske noget.«

Diagnose af skråstagsbroer

Jan Winkler ser også en anden mulig anvendelse for teknologien.

»Skråstagsbroerne bliver større og længere med større spændvidder og dermed også længere kabler. Det gør dem mere udsatte i forhold til vibrationer.«

Hidtil har broingeniørerne nok haft en fornemmelse af, hvor på kablerne vibrationerne gav de største belastninger, men de har hverken kunnet måle det i detaljer eller analyseret det. Det kan de nu.

»Der var ikke rigtig lavet forskning på, hvad bøjningen af multistrenge skråstagskabler betød for deres levetid. Med den nye metode kan vi lokalisere de steder hvor de enkelte strenge i stålkablet glider i forhold til hinanden og derved ved friktion slides. På den måde kan restlevetiden af kablet beregnes.«

Målemetoden vil Jan Winkler nu videreudvikle sammen med sine tidligere kolleger fra DTU og Atkins. Atkins har allerede indført metoden i sin strategi for overvågning af broers strukturelle tilstand. Desuden er International Federa­tion for Structural Concrete interesserede i at anvende resultaterne fra forskningen i nye internationale anbefalinger, så man på fremtidige skråstagsbroer kan beregne, hvad vibrationsinducerede bøjninger betyder for levetiden af kablerne.