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Quantifizierung der Lebensdauer von Betonbrücken mit den Methoden der Systemanalyse

Quantification of the life-cycle of concrete bridges using systems analysis methods

Müller, Harald S. ; Vogel, Michael ; Neumann, Tabea

pdf-Format:
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Freie Schlagwörter (Deutsch): Berechnung , Beton , Brücke , Chlorid , Dauerhaftigkeit , Deutschland , Forschungsbericht , Frost Tau Wechsel , Frostschaden , Karbonatisierung , Korrosion , Lebensdauer , Materialveränderung (allg) , Risikobewertung , Rissbildung, Sachschaden , Spannbeton , Stahlbeton , Systemanalyse
Freie Schlagwörter (Englisch): Bridge , Calculation , Carbonate , Chloride , Concrete , Corrosion , Cracking , Damage , Deterioration , Durability , Freezing thawing cycle , Frost damage , Germany , Life-cycle , Prestressed concrete , Reinforced concrete , Research report , Risk assessment , Systems analysis
Collection 1: BASt-Beiträge / ITRD Sachgebiete / 61 Unterhaltung und Instandsetzung
Collection 2: BASt-Beiträge / ITRD Sachgebiete / 24 Brückenentwurf
Institut: Sonstige
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften
Sonstige beteiligte Institution: Institut für Massivbau und Baustofftechnologie <Karlsruhe>
Dokumentart: Report (Bericht)
Schriftenreihe: Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau
Bandnummer: 81
ISBN: 978-3-86918-152-3
Sprache: Deutsch
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 08.08.2012
Kurzfassung auf Deutsch: Volkswirtschaftliche Gesichtspunkte beim Bau und der Unterhaltung von Brückenbauwerken erfordern ein effektives Lebenszyklusmanagement. Ein wesentliches Ziel besteht dabei in der zuverlässigen Prognose der Schadensentwicklung. Die Kenntnis über Mechanismen und Auswirkungen einzelner dauerhaftigkeitsrelevanter Beanspruchungen bzw. Schädigungsarten ist relativ weit fortgeschritten. Demgegenüber ist das Wissen über die Wirkungsweise kombiniert auftretender Beanspruchungen an Betonbauwerken bislang unzureichend. Dies gilt auch für den Fall, dass gleichzeitig singuläre Risiken, wie beispielsweise Ausführungsmängel oder Lagerschäden vorliegen. Gerade aber kombinierte Einwirkungen und bereits vorhandene Mängel sind für massive Schäden an Brücken maßgeblich verantwortlich. Diese Problematik wurde im Rahmen der vorliegenden Machbarkeitsstudie eingehend beleuchtet. Zunächst wurden im Rahmen einer umfangreichen Literatursichtung die vorhandenen dauerhaftigkeitsrelevanten Einwirkungen auf Brücken identifiziert sowie deren mögliche Modellierung in Form von Schädigungs-Zeit-Gesetzen aufgezeigt und eingehend diskutiert. In einem nächsten Schritt konnten die bei Brückenbauwerken vorzufindenden Interaktionen zwischen den kombiniert auftretenden dauerhaftigkeitsrelevanten Einwirkungen und singulären Risiken auf der Basis einer Literatursichtung erfasst und in Form einer Interaktionsmatrix anschaulich dargestellt werden. Die verschiedenen Methoden zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit von Betonkonstruktionen wurden aufgezeigt sowie die Grundzüge einer System- und Risikoanalyse vorgestellt. Anhand ausgewählter Bespiele aus der Fachliteratur wurde die prinzipielle Vorgehensweise bei unterschiedlichen Methoden zur Dauerhaftigkeitsbeurteilung dargestellt. Besondere Beachtung galt dabei dem aktuellen Stand der Forschung im Umgang mit kombiniert auftretenden Einwirkungen. Im Ergebnis der umfangreichen Literaturstudie konnte festgestellt werden, dass kombinierte Einwirkungen als Problem im Bereich des Betonbrückenbaus bekannt sind, ihre Erfassung und Modellierung jedoch weder zeitvariante Schädigungs-Zeit-Gesetze noch baustofftechnologische Interaktionen berücksichtigen. Auf der Grundlage der in der Literatur gewonnenen Erkenntnisse wurde ein Ansatz für eine um diese beiden entscheidenden Punkte erweiterte System- und Risikoanalyse erarbeitet. Dieser Ansatz besteht darin, über die Verwendung geeigneter Schädigungs-Zeit-Gesetze und grenzzustandsbezogener Betrachtungen Lebensdauerprognosen durchzuführen. Hierdurch wird eine wirklichkeitsnahe Beurteilung der Dauerhaftigkeit möglich. Die Interaktion der Schädigungsmechanismen wird über einen Faktor η, der die baustofftechnologischen Veränderungen des Betons infolge einer anderen Einwirkung berücksichtigt, in das Modell aufgenommen. Das erarbeitete Konzept wurde durch exemplarische, computergestuetzte Beispielrechnungen hinsichtlich seiner Anwendbarkeit bestätigt. Bis zur Praxiseinführung dieser Methode bedarf es jedoch noch umfangreicher Ausarbeitungen und gezielter weiterführender Forschung.
Kurzfassung auf Englisch: Economic aspects regarding building and maintaining bridge constructions call for an effective life cycle management. A substantial goal is a reliable prediction of the deterioration development. The knowledge about mechanisms and influences of individual exposures or rather deterioration processes concerning durability is highly developed as opposed to the understanding about the effects of combined exposure and already existing deficiencies. The knowledge about influences of combined exposures on durability of concrete structures however is not sufficient. This is also valid for so called "singular risks" (deficiencies in workmanship or bearing damages). Especially combined exposures and already existing deficiencies result in massive damages on bridge constructions. This complex of problems is to be analyzed within the feasibility study at hand. An extensive literature review helped to identify and analyze the existing durability exposures on bridges as well as possible models describing the deterioration. These considerations were followed by a literature based analysis of the interactions among the combination of various exposures and singular risks which can be found on bridge constructions. The results with the possible emerging combinations are being displayed in an interaction matrix. In a next step, the different methods to ensure and/or to ascertain the durability of concrete structures were outlined and the basics of a system and risk management were introduced. Well chosen examples from literature underline the principle procedure of the different methods helping to evaluate the durability. Special attention was paid to the present state of knowledge regarding the approach to combined exposures. The results of the extensive literature review indicate that combined exposures are recognized as durability problems within the field of concrete bridges. But their transcription within deterioration and risk management models cannot take into account two important criteria: the time dependence of deterioration models and the changes of material properties by interacting combined exposures. Based on the result from the literature review a new approach on an expandable system and risk management was developed taking into account those two important aspects. The new approach intends to introduce time variant deterioration models concerning the durability of concrete structures into the lifecycle prognosis. This offers the possibility to make a realistic evaluation on the durability. The interaction of the deterioration mechanisms are taken into account by implementing a scaling factor η which represents the modification of the material characteristics as a result of other exposures. This way the material specific criterion of interaction expands into the system and risk management. The feasibility of the developed concept has been verified by a computer based sample. Although a starting point has been set, extensive research has to be dealt with before the procedure can be established in practice.