Seit einigen Jahrzehnten nehmen Naturkatastrophen wie Starkregenereignisse und daraus folgende Flusshochwasser zu. Das Hochwasserereignis im Juli 2021 mit seinen teils verheerenden Folgen bekräftigt die Notwendigkeit einer umfassenden Hochwasservorsorge. Teil des Hochwasserrisikomanagements ist die hochwasserangepasste Planung und Instandsetzung bzw. Verstärkung von Brücken- und Ingenieurbauwerken in überschwemmungsgefährdeten Gebieten. Hierdurch können negative Auswirkungen zukünftiger Hochwasserereignisse auf die Funktions- und Leistungsfähigkeit der Bauwerke deutlich reduziert oder vermieden werden, sodass insgesamt die Funktionsfähigkeit des Straßennetzes auch im Falle von extremen Hochwasserereignissen erhalten bleibt.
Infolge des erhöhten Abflusses bei einem Flusshochwasser kann es an Brücken- und Ingenieurbauwerken zu verschiedenen sogenannten lokalen Phänomenen kommen, wie Auskolkungen und Längserosion, Anprall und Verklausung sowie Überströmung bzw. Überschwemmung. Basierend auf einer umfassenden Literaturrecherche werden die Hintergründe, Abläufe und Zusammenhänge der lokalen Phänomene erläutert und mögliche Maßnahmen zur Vermeidung der Phänomene und deren Folgeschäden aus bestehenden Richtlinien und Regelungen sowie dem Stand der Wissenschaft zum hochwasserangepassten Bauen aufgezeigt.
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden die im Zuge des Hochwasserereignisses 2021 eingetretenen Schäden an Brücken und sonstigen Ingenieurbauwerken, wie z. B. Stützbauwerke und Tunnel, gesammelt und ausgewertet. Es wurden insgesamt 153 Bauwerke, davon 113 Brücken, 26 Stützbauwerke und 14 Tunnel / Trogbauwerke für die Aufnahme und Auswertung in der Datenbank ausgewählt. Durch die Kategorisierung der erfassten Schäden in Verbindung mit den bauwerksspezifischen Konstruktionsdetails können konstruktive oder materialtechnische Schwachstellen erkannt sowie Ursachen und Wirkmechanismen herausgearbeitet werden. Bei der Datenbankauswertung werden zudem die im Rahmen der Literaturrecherche gewonnenen Erkenntnisse zu Gestaltungsgrundsätzen und zusätzlichen baulichen Maßnahmen auf ihre Umsetzung und Wirkung geprüft, sowie Zusammenhänge, Wirkungsketten und Schadensauswirkungen auf die Standsicherheit, Verkehrssicherheit und Dauerhaftigkeit herausgearbeitet. Ausgewählte repräsentative Schadensbeispiele werden schließlich im Rahmen der Erfahrungssammlung „Hochwasserschäden an Brücken- und Ingenieurbauwerken“ vorgestellt.
Die schwerwiegendsten Schäden mit Einfluss auf die Standsicherheit traten im Zusammenhang mit Auskolkungen bzw. Längserosion auf. Durch eine Bemessung der Gründung unterhalb der maximalen Kolktiefe kann in vielen Fällen zukünftig die Standsicherheit auch bei extremen Hochwasserereignissen sichergestellt werden. Zudem sollten zusätzliche Kolkschutzmaßnahmen an kolkgefährdeten Bauwerken vorgesehen werden.
Die Analyse der Schäden an Brücken- und Ingenieurbauwerken zeigt, dass viele Bauwerke nicht ausreichend für den Hochwasserabfluss 2021 und voraussichtlich auch nicht für kommende Hochwasserabflüsse bemessen und dimensioniert sind. Um bestehende Bauwerke für den Hochwasserfall zu verstärken, Neubauten hochwasserangepasst zu planen und gleichzeitig Kosten und Verkehrsbehinderungen zu minimieren, sollte ein Leitwerk mit umfassenden Empfehlungen für hochwasserresiliente Bauweisen von Ingenieurbauwerken und gezielten Maßnahmenempfehlungen erarbeitet werden. Der vorliegende Bericht liefert einen wichtigen Beitrag hierzu. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus dem Stand der Wissenschaft und Technik und der Datenbankauswertung wird ein Vorschlag für ein Ablaufschema zur hochwasserangepassten Planung und Bemessung neuer Bauwerke sowie für die Planung von Schutzmaßnahmen zur Ertüchtigung bestehender Bauwerke vorgestellt. Hierbei werden Vorschläge für die einzelnen Planungsschritte erläutert sowie offene Punkte aufgezeigt.
Bei der Errichtung von Brückenbauwerken mit großen Spannweiten ist die Verwendung von hochfesten Zuggliedern nahezu alternativlos. Unterschieden wir hierbei zwischen Hängebrücken, Schrägseilbrücken und Seilbrücken, wobei letztere aufgrund des nicht vorhandenen Versteifungsträgers in erster Linie dem nichtmotorisierten Verkehr vorbehalten sind. Eingesetzt werden hier i.d.R. vollverschlossene Drahtseile, wobei sich der Einsatz von Litzenbündelseilen zusehends verbreitet. Beide Arten von Zuggliedern sind in EN 1993-1-11 geregelt. Die entsprechen-den Schutzziele lauten:
• ausreichende Sicherheit der Brücke in Grenzzuständen der Tragfähigkeit
• ausreichende Nutzungssicherheit in ständigen Bemessungssituationen
• ausreichende Dauerhaftigkeit und geringer Unterhaltungsaufwand
Die geforderte Robustheit und Nachhaltigkeit wird insbesondere bei der Verwendung von Zuggliedern in Brückenbauwerken angestrebt, da die Zugglieder entweder gar nicht oder nur mit sehr großem Aufwand ausgetauscht werden können. Die Zugglieder bestimmen daher als einer der Hauptkomponenten wesentlich die Lebensdauer eines Brückenbauwerks.
Schäden bei den verwendeten Zuggliedern äußern sich insbesondere durch Drahtbrüche, die verschiedene Ursachen haben können.
Um hier ein gleichbleibendes Sicherheitsniveau zu gewährleisten, sind regelmäßige Prüfungen unerlässlich. Da Sichtprüfungen naturgemäß nur Oberflächenschäden detektieren können (und aufgrund vorhandener Korrosionsschutzschichten ggf. großen Einschränkungen unterliegen), bieten sich hier unter Abwägung der technischen und wirtschaftlichen Realisierbarkeit magnetinduktive Prüfungen an. Das Prinzip der magnetinduktiven Untersuchungen ist seit vielen Jahr-zehnten bekannt und fand im Rahmen der Prüfung von Zuggliedern in der Vergangenheit bislang vor allem Anwendung im Seilbahnbau sowie bei der Prüfung von bergmännischen Seilen.
Eine Anwendung auf Brückenbauwerke stellt eine Entwicklung der neueren Zeit dar, was sich auch in den nur rudimentären Vorgaben im entsprechenden Regelwerk RI-ERH-ING manifestiert.
Auf Basis eines Ringversuchs, an dem die zwei Prüfstellen DMT und ROTEC beteiligt waren, wurden verschiedene Seilzugglieder (drei vollverschlossene Seile sowie zwei Litzenbündelseile), die zuvor künstlich mit Ungänzen versehen worden waren, zerstörungsfrei geprüft. Die Anzahl und die Lage der Ungänzen waren weder der Forschungsstelle noch den beteiligten Prüfstellen bekannt. Neben magnetinduktiven Verfahren unter Anwendung unterschiedlicher Sensortypen wurden auch Ultraschallprüfungen im Bereich der Seilendverbindungen durchgeführt.
Die magnetinduktiven Prüfungen wurden am KIT in Karlsruhe durchgeführt; die Ultraschallprü-fungen fanden im Nachgang auf dem Gelände der BASt statt.
Auf Basis der Ergebnisse der Prüfungen wurden Empfehlungen für eine Erweiterung der RI-ERH-ING erarbeitet. Die Empfehlungen sind nicht abschließend, da eine finale Bewertung der Leistung der Prüfstellen ohne Kenntnisse über die in die Probekörper eingebrachten Ungänzen nicht möglich war.
Die Anwendung von Building Information Modelling (BIM) im Infrastrukturmanagement wird derzeit intensiv erforscht. Aufgrund ihres individuellen Charakters, der komplexen Geometrie und der Vielzahl ihrer Be-standteile ist die automatisierte Erfassung von Brücken besonders komplex. Eine manuelle Erstellung entsprechender BIM-Modelle auf Grundlage vorhandener 2D-Pläne und Datenbanken ist angesichts der Menge und Komplexität ein erheblicher Aufwand und birgt vielfältige Herausforderungen: Fehlende, unleserliche oder widersprüchliche Plangrundlagen, undokumentierte Projektänderungen oder Erweiterungen am Bauwerk. Mit jüngsten Entwicklungen bei den 3D-Vermessungstechnologien und Fortschritten im Be-reich der Künstlichen Intelligenz ergeben sich neue Möglichkeiten, um Prozesse und Verfahren für eine automatisierte Generierung von BIM-Modellen für Brücken im Bestand zu entwickeln und diese auf reale Brückenbauwerke anzuwenden.
In diesem Forschungsprojekt wurde ein neuartiger, modularer Ansatz für die teil-automatisierte Umwandlung von Punktwolken in Ist-BIM-Modelle erarbeitet. Der Ansatz basiert auf einer Kombination von Anwendungen Künstlicher Intelligenz und heuristischen Algorithmen. Neuronale Netze wurden mit synthetischen sowie realen Datensätzen typischer Brückenelemente trainiert und an Punktwolken tatsächlicher Bauwerke getestet. Die erkannten Brückenelemente werden in ein trianguliertes Oberflächennetz umgewandelt. An-schließend können Volumenelemente mittlerer geometrischer Komplexität generiert werden. Das Endergebnis ist ein Ist-BIM-Modell einer Brücke und ihrer Elemente, angereichert mit semantischen Informationen aus einer Bauwerksdatenbank (z. B. Typ, Eigenschaft, Beziehung, Material), im standardisierten und offenen IFC-Format (Industry Foundation Classes) für den Austausch von Gebäudemodellen. Das vorgeschlagene Konzept soll als Basis für künftige, großangelegte automatisierte Erfassungskampagnen von Ist-BIM-Modellen von Brücken im Bestand für zukunftsfähige Brückenmanagementsysteme dienen.
Der überproportionale Anstieg des Verkehrs in den letzten Jahrzehnten (Last und Anzahl) in Verbindung mit der Altersstruktur der Brücken in Deutschland erfordert Erhaltungsmaßnahmen zur Aufrechterhaltung der Leistungsfähigkeit des Infrastrukturnetzes. Das steigende Schwerlastverkehrsaufkommen führt zu einer permanent hohen Brückenauslastung und einer beschleunigten Alterung. Der resultierende Bauwerkszustand kann eine Nutzungseinschränkung oder eine Verringerung der Restnutzungsdauer erforderlich machen. Umfangreiche Verstärkungsmaßnahmen oder ein Ersatz der betroffenen Bauwerke, insbesondere des älteren Brückenbestands, sind aufgrund eingeschränkter Kapazitäten und einem erhöhten Mittelbedarf kurzfristig nicht umsetzbar. Aus diesem Grund sind alternative Erhaltungsstrategien zu verfolgen, um die Aufrechterhaltung der Leistungsfähigkeit des Infrastrukturnetzes zu gewährleisten. Das Bauwerksmonitoring stellt hierbei ein Werkzeug der Erhaltungsplanung zur möglichen Verlängerung der sicheren Nutzung von Brückenbauwerken dar. Grundsätzlich ist der strategische Einsatz von Monitoring über die gesamte Lebensdauer möglich, um frühzeitig auf sich ankündigende Veränderungen des Tragwerkzustands reagieren zu können.
Beim Bauwerksmonitoring handelt es sich um eine Spezialdienstleistung. Kenntnisse zum Einsatz und Nutzen von Monitoring und der Einbindung in die Erhaltungsplanung liegen den Straßenbauverwaltungen derzeit nur eingeschränkt vor. Vor diesem Hintergrund wurde von der Bundesanstalt für Straßenwesen eine Länderabfrage zum Einsatz von Monitoring bei den Straßenbauverwaltungen durchgeführt. Aus den gemeldeten Maßnahmen wurden Monitoringanwendungen für die detaillierte Erfassung der gesammelten Erfahrungswerte mittels Fragebögen ausgewählt. Das Ziel der Erfahrungssammlung ist den Stand der Technik des Bauwerksmonitorings und die Anwendungsmöglichkeiten zur Förderung einer strukturierten Anwendung von Monitoring aufzuzeigen. Im Rahmen der Erfahrungssammlung werden die Erfahrungswerte zu den Anwendungsbereichen, der Leistungsfähigkeit und der Grenzen von Brückenmonitoring dargestellt und sollen eine Erfahrungsgrundlage für die zukünftige Ausschreibung, Planung und Umsetzung von Brückenmonitoring bieten.
In einem ersten Teil wird der Stand der Technik des Brückenmonitorings beschrieben und in Monitoringziele gegliedert. Die Monitoringziele richten sich überwiegend nach der Erfassung unterschiedlicher Bauwerksreaktionen, wie. z. B. die Erfassung von Verformungen oder Rissentwicklungen. Den Messzielen werden die in der Praxis angewandten Messverfahren zugeordnet. Neben Angaben zur Funktionsweise und Leistungsfähigkeit der Messtechnik werden Angaben zum Informationsgewinn gemacht. Es folgen Hinweise zu den Anwendungsgrenzen des Monitorings und zur Qualitätssicherung, sofern Erfahrungswerte vorhanden sind.
In einem zweiten Teil werden in einer Beispielsammlung ausgewählte Monitoringmaßnahmen und deren Ergebnisse beschrieben. Es werden die Monitoringgründe, die für das Monitoring bedeutsamen Bauwerksmerkmale und das Ziel der Messungen aufgeführt. Neben den übergeordneten Gründen werden die verwendete Messtechnik, die Zuständigkeiten im Monitoringprozess, der Informationsgewinn und das Datenmanagement beschrieben.
Ergänzend zur Darstellung des Stands der Technik und der Beispielsammlung von Monitoringanwendungen werden zusätzliche Erfahrungswerte aus den Fragebögen insbesondere zur Ausschreibung und Vergabe und den Zuständigkeiten der Akteure im Monitoringprozess in einer statistischen Auswertung analysiert und dargestellt.
In einem Laborversuch (BASt FE 89.0312/2015) wurde 2016 nachgewiesen, dass sich die Spannungsverhältnisse in einem Spannbetonträger mit der Ultraschalltechnik visualisieren lassen und eine Korrelation mit dem späteren Rissbild besteht.
Ziel des Nachfolgeprojekts war die Erfassung und Auswertung von Ultraschall-Messdaten mit eingebetteten Sensoren an einem Bauwerk unter Verkehr über mehr als ein Jahr. Dabei sollte die Betriebssicherheit nachgewiesen werden sowie ein Vergleich der Ergebnisse mit einem konventionellen Monitoringsystem (u. a.DMS, Schallemission) erfolgen. Der Versuch wurde an der Gänstorbrücke (Ulm/Neu-Ulm) durchgeführt.Da im Versuchszeitraum anders als zuvor keine Schadensereignisse auftraten, wurde ein Belastungsversuch für einen Funktions- und Sensitivitätsnachweis durchgeführt.
Nach Planung mit der BASt und anderen Partnern wurde im Dezember 2020 ein Längsträger in Feldmitte ohne wesentliche Verkehrseinschränkung mit 20 Transducern instrumentiert. Alle Transducer waren bis zum Berichtszeitpunkt funktional. Auch die für die Datenaufnahme entwickelte „W-Box“ erwies sich als robust und funktional, wurde aber trotzdem zwischenzeitlich durch eine verbesserte Version ersetzt. Die Anlage ist weiterhin in Betrieb. Die verschiedenen Monitoringsysteme stören sich gegenseitig nicht.
Aus den alle ein bis zwei Stunden gemessenen Ultraschalldaten wurden verschiedene Parameter extrahiert und untereinander sowie mit den konventionellen Monitoringdaten verglichen. Im Versuchszeitraum ergab sich bei allen Daten (auch den konventionellen) im Wesentlichen eine Korrelation mit der Temperatur. Hinweise auf Schadensereignisse ergaben sich nicht. In dem Belastungsversuch konnte die Sensitivität, aber auch die räumliche Lokalisierungsfähigkeit des Systems in Bezug auf Spannungsveränderungen und -in-homogenitäten nachgewiesen werden.
Ein Weiterbetrieb des Systems bis zum Rückbau der Brücke wird empfohlen, um die Sensitivität in Bezug auf Schadensereignisse nachweisen zu können.
Die Entwicklung der Feinkonzeption baut auf dem Vorläuferprojekt FE 15.0628/2016/LRB „Zuverlässigkeitsbasierte Bauwerksprüfung – Konzeption und fachliche Lösungen“ auf. Die in diesem Projekt entwickelte Konzeption zur Ermittlung der Zuverlässigkeit von Brücken mit oder ohne Berücksichtigung vorhandener Schäden wurde verfeinert und an einer großen Anzahl Beispielbauwerken angewendet. Dies erfolgte mit Hilfe eines Prototyps, in dem die Konzeption praktisch umgesetzt wurde. Bei der praktischen Umsetzung wurde der Fokus darauf gelegt, mit der konsequenten Nutzung der vorhandenen Datenbasis in SIB-Bauwerke die Skalierbarkeit des Verfahrens sicherzustellen. Die à priori Zuverlässigkeit im ungeschädigten Zustand wird aus einer Gegenüberstellung von Bemessungslasten und den heutigen Verkehrslasten ermittelt. Diese kann mit den Ergebnissen der Bauwerksprüfung aktualisiert und damit die à posteriori Zuverlässigkeit berechnet werden. Als Grundlage wurden für die wichtigsten Schadensarten die lokalen Widerstandsreduktionen in Abhängigkeit von der Schadensschwere ermittelt. Die Auswirkungen der vorhandenen Schäden auf den globalen Widerstand der Brücken und damit auf deren Zuverlässigkeit hängen zusätzlich von der Lage der Schäden am Tragwerk und deren Zusammenwirkung ab. Um dies zu berücksichtigen, wurden die möglichen Versagensmechanismen der zugrundeliegenden statischen Systeme ermittelt und die sich daraus ergebenden unterschiedlichen Anfälligkeitsbereiche der Tragwerke definiert. Sowohl die lokalen Auswirkungen einzelner Schäden als auch die Zusammenwirkung mehrerer Schäden wurden, unter Berücksichtigung der jeweils vorhandenen Unsicherheiten, in Bayes’schen Netzen abgebildet. Die Konzeption ermöglicht eine Ergänzung bzw. Weiterentwicklung der derzeitigen Praxis der Bauwerksprüfung. Mit der ursprünglichen Zuverlässigkeit und deren Verminderung aufgrund der festgestellten Schäden, kann eine bessere Beurteilung des Gesamtzustands und der Auswirkungen auf die Gebrauchstauglichkeit und Sicherheit der Brücken erfolgen. Mit dem Prototyp konnte die praktische Umsetzbarkeit gezeigt werden. Die Konzeption baut auf den bereits vorhandenen und im Rahmen der Bauwerksprüfungen standardmäßig erhobenen Daten auf. Mit geringfügigen Anpassungen an der Praxis der Bauwerksprüfung könnte die Qualität der Zuverlässigkeitsbeurteilung weiter verbessert werden.