GFRPの評価

コンクリート橋の床版を補強する鋼鉄筋に代わる非金属の代替品は、ミネソタ州の厳しい気候で橋を維持し続ける上で、より長持ちし、よりコスト効率が高い可能性があります。 初期の研究では、ガラス繊維強化ポリマー (GFRP) で構築された橋床版の性能は、従来の橋床版と同等か、それ以上であることが示されています。

コンクリートに埋め込まれた鉄筋の腐食が橋床版劣化の主な原因です。 道路塩からの湿気と塩化物が橋の上部構造に浸透し、鋼材を腐食させると損傷が発生します。 ミネソタ州の厳しい冬の間に凍結と融解が繰り返されると、その影響が拡大し、コンクリートの亀裂が発生し、埋め込まれた鉄筋がさらに露出する可能性があります。

GFRP 鉄筋は、従来の鋼鉄筋に代わる非金属の代替品で、酸化したり錆びたりせず、耐腐食性に優れています。 GFRP はカナダの一部で橋床版補強材として使用されてきましたが、米国では限定的な使用しかありませんでした。この代替補強材を使用したミネソタ州初で (当時は) 唯一の橋に関する以前の研究では、GFRP が従来の鋼鉄筋よりも大幅に耐食性が優れていることが判明しました。構造的な問題はありませんでした。

「これは、GFRP とエポキシでコーティングされた補強材で補強された隣接する橋床版を直接比較する絶好の機会でした。各橋床版の応力、ひずみ、たわみは非常に類似しており、初期の性能は優れていました」と橋梁規格のポール・ロウカンプ氏は述べています。 MnDOTブリッジオフィスの研究エンジニア。

2018 年、MnDOT は幹線道路 169 号線に 2 つの並列橋を建設しました。1 つは GFRP デッキ補強材を使用し、もう 1 つは従来のエポキシでコーティングされた鋼鉄補強材を使用しました。この建設プロジェクトは、2 つの橋の性能を比較するまたとない機会となりました。橋が同じ環境ストレス要因にさらされ、非常によく似た交通条件を経験したため、補強タイプが異なります。

このプロジェクトの目標は、供用中の 2 つの橋床版の構造性能と耐久性を比較し、従来の鋼鉄筋の代替品としての GFRP の可能性を評価することでした。

橋の建設時に始まった多面的な取り組みにより、橋床版の鋼鉄筋補強と比較した GFRP の性能を徹底的に評価することができました。 まず、橋の設計に基づいて、研究者はコンクリートを打設する前に床版内にセンサーを設置しました。 これは、時間の経過に伴う橋床版のひずみと温度の変化を測定するのに役立ちました。

ほぼ 4 年にわたるモニタリングには、センサーからの温度とひずみデータの収集、関連する応力の評価、性能と設計ガイドラインの比較が含まれます。 測定では、一般的なデッキ応答と極端なデッキ応答の両方が捕捉されました。

橋桁と橋床版に取り付けられた追加の計器は、建設直後、1 年後、2 年後の活荷重試験中に応力とひずみを測定しました。 活荷重試験は交通荷重の影響を再現し、作用点から橋床版および個々の橋梁まで活荷重がどのように分散されるかを理解するために使用されました。

プロジェクト全体を通して 6 か月ごとに橋床版を視覚的に検査することで、調査員は両方の橋の上部構造の状態を評価し、亀裂を記録し、収集したセンサー データに基づいて潜在的な原因を説明することができました。

研究室では、MnDOT によって提供された GFRP サンプルに破損するまで引張荷重が加えられ、研究者が応力-ひずみ曲線を作成して材料の機械的特性を確認できるようになりました。 最後に、建設費、材料費、人件費、運営費、長期保守費を含む 2 つの橋床版のライフサイクルコスト分析により、従来の鋼と比較して GFRP 鉄筋の経済的可能性が評価されました。

橋梁床板間の短期および長期の性能比較では、どちらの橋床にも大きな違いや異常な動作は見られませんでした。

活荷重試験では、橋床版の性能が同等であり、設計仕様と一致していることが示されました。 同様に、長期モニタリング データから、GFRP デッキは全体的にわずかに高いひずみ値を記録しましたが、モニタリング期間中は 2 つのデッキが同様に動作したことが明らかになりました。

橋の最初の検査では、両方の橋床版の上面と全深さの亀裂が発見されました。 当初、鋼鉄補強橋は GFRP 補強橋床版よりも多くの亀裂が発生していました。 時間の経過とともに両方の橋の亀裂パターンは類似するようになりましたが、GFRP 床版の亀裂は埋め込まれた鉄筋の腐食や、腐食によって生じる可能性のあるコンクリートのさらなる亀裂を引き起こさないため、潜在的にそれほど心配ではないと調査員は指摘しました。

アイオワ州立大学のベロウズ・シャフェイ准教授は、「橋床版の補強にエポキシでコーティングされた鉄筋の代わりにガラス繊維強化ポリマーを使用すると、優れた耐食性が得られ、メンテナンスの必要性が減り、ミネソタ橋の耐用年数が長くなることがわかりました」と述べた。土木・建設・環境工学科

実験室テストでは、GFRP 鉄筋は高い引張強度を持っていますが、鋼鉄よりも脆く、応力下で徐々に降伏する鋼鉄とは異なり、より突然の破壊を引き起こすことが示されました。 単一の GFRP 鉄筋は超過容量に耐えられないため、GFRP の破損がさらに長期化する可能性があり、潜在的な破損の警告が表示されます。

2 つの橋床版のライフサイクルコストを比較すると、耐用年数が 65 年の GFRP 床版は、同じ耐用年数の鋼鉄筋床版よりコストが低くなります。 GFRP デッキの目標耐用年数が長くなるにつれて、差は大きくなります。

GFRP 鉄筋は 2 つの橋床版で約 4 年間にわたって良好な性能を発揮しましたが、橋は通常 75 年の耐用年数で設計されているため、MnDOT が新しい材料を決定的に採用するには時期尚早です。 今後数年間で、GFRP のパフォーマンスに関するさらなる情報が提供される予定であり、当局は引き続きその使用について調査を続ける予定です。