Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau
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Einfluss der veränderten Verkehrsführung bei Ertüchtigungsmaßnahmen auf die Bauwerksbeanspruchungen
(2013)
Im Rahmen von mehreren vorhergehenden Forschungsprojekten wurden vom Forschungsnehmer Untersuchungen zu den Beanspruchungen von Brückenbauwerken infolge des Straßenverkehrs durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen führten zu den neuen Verkehrslastannahmen für Straßenbrücken im Eurocode 1, Teil 2 (in Verbindung mit dem deutschen nationalen Anhang) und den Ziellastniveaus in der Nachrechnungsrichtlinie. Im Ergebnis von Nachrechnungen müssen die Bestandsbrücken ertüchtigt oder neu gebaut werden. Ertüchtigung von Autobahnbrücken heißt Bauen unter Verkehr. Auf den Bestandsbrücken ist eine veränderte Verkehrsführung erforderlich. Mit einer veränderten Verkehrsführung geht aber unter Umständen auch eine Veränderung der Beanspruchungen der Brückenbauwerke infolge dieser "Umnutzung" einher. Ziel des vorliegenden Forschungsprojektes ist es, den Einfluss der veränderten Verkehrsführung bei Ertüchtigungsmaßnahmen auf die Bauwerksbeanspruchungen zu analysieren. Unter Anwendung einer in den vorhergehenden Projekten entwickelten Vorgehensweise werden Simulationsrechnungen durchgeführt, in denen verschiedenen Varianten von Spuranordnungen auf Überbauquerschnitten betrachtet werden. Des Weiteren werden differenzierte Verkehrscharakteristiken, also verschiedene Verkehrsstärken und Verkehrszusammensetzungen, betrachtet. Grundsätzlich werden hierbei Beanspruchungen, also zum Beispiel resultierende Biegemomente oder Auflagerkräfte, betrachtet. Aus diesem Grund müssen die Berechnungen für definierte Tragsysteme durchgeführt werden. Im vorliegenden Projekt wurden hierzu zwei reale Brückenbauwerke betrachtet, die sich im Zuge von Autobahnen in Nordrhein-Westfalen befinden. Erweitert werden die Betrachtungen auf ein zusätzliches "virtuelles" Tragsystem, um ein gewisses Spektrum von Stützweiten und Querschnittsbreiten analysieren zu können. Grundsätzlich zeigt sich im Ergebnis der Untersuchungen, dass Beanspruchungen aus aktuellem Verkehr bei normaler Verkehrsführung durch das Lastmodell LM1 des DIN-Fachberichtes 101 abgedeckt werden. Für Beanspruchungen aus zukünftigem Verkehr ist das neue Lastmodell LM1 des Eurocodes erforderlich. Im Rahmen von Baumaßnahmen wird im Allgemeinen eine 4+0-Verkehrsführung eingerichtet. Hierbei werden bei zweiteiligen Überbauquerschnitten vier Fahrstreifen über einen Querschnitt geleitet. Dies geht einher mit einer Verengung der Fahrspuren. In solchen Fällen ist davon auszugehen, dass es nicht möglich ist, dass Lkw-Überholverkehr stattfinden kann. Dies führt zu einer wesentlichen Verringerung der Beanspruchungen von Brückenbauwerken, da auch in Stausituationen in den zwei Richtungsfahrbahnen keine Lkw-Fahrzeuge nebeneinander stehen können. Für Verkehrszusammensetzungen entsprechend der aus der Nachrechnungsrichtlinie bekannten Verkehrsart "Große Entfernung" (50 % Sattelzugfahrzeuge) ergibt sich daher eine Abdeckung der Beanspruchungen aus Straßenverkehr durch das Lastmodell BK60 der DIN 1072. Für Verkehrszusammensetzungen analog der Verkehrsart "Mittlere Entfernung" reicht das Lastmodell BK30/30 zu Abdeckung aus. Weitere Differenzierungen hinsichtlich der Verkehrsstärke führen hier zu keinen wesentlichen Änderungen der getroffenen Aussagen.
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In Anbetracht des stetigen Wachstums des Schwerverkehrsaufkommens auf dem deutschen und europäischen Straßennetz wurden durch das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) und die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) in der jüngsten Vergangenheit mehrere Forschungsprojekte initiiert, um die Auswirkungen dieses wachsenden Verkehrsaufkommens auf die Brückenbauwerke, sowohl hinsichtlich des Brückenneubaus als auch hinsichtlich des Brückenbestandes, zu analysieren. Vom Forschungsnehmer wurden hierzu in vorhergehenden Projekten auf der Grundlage von Verkehrssimulationsrechnungen verschiedene Lastmodelle identifiziert, die die Beanspruchungen infolge prognostiziertem zukünftigen Verkehr oder eines in gewissen Teilen bekannten objektspezifischen Verkehres abdecken. Die Relevanz der identifizierten Lastmodelle in den Sicherheitskonzepten wurde bisher nicht untersucht. Dies steht im Schwerpunkt dieser Projektaufgabe. Für ein ausgewähltes Tragsystem (2x40 m Zweifeldsystem mit einem zweistegigen Plattenbalkenquerschnitt in Massivbauweise) wurden hierzu sicherheitstheoretischen Untersuchungen durchgeführt. Grundlage solcher Untersuchungen ist die Berücksichtigung von streuenden (zufälligen) Kenngrößen zur Abbildung von inneren Widerständen diesen gegenüber stehenden Beanspruchungen. Für die stochastische Beschreibung der Beanspruchungen infolge des Straßenverkehrs wurden die Ergebnisse der in den vorhergehenden Forschungsprojektes Verkehrssimulationsrechnungen verwendet und eine Vorgehensweise zur Aufbereitung dieser Datenbestände entwickelt. Hierdurch ist es möglich, eine differenzierte stochastische Beschreibung der Beanspruchungen aus Verkehrseinwirkungen unter Kenntnis objektspezifischer Verkehrscharakteristiken zu erstellen. Im Ergebnis der Untersuchungen zeigt sich, dass über verschiedene betrachtete Verkehrscharakteristiken und zugehörige Lastmodelle hinweg relativ homogene Sicherheitsindizes ergeben. Unter Berücksichtigung von Modellunsicherheiten auf der Einwirkungs- und Widerstandsseite liegen die Ergebnisse leicht über den "normativen Vorgaben" des Sicherheitsindexes.
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Die Innenschalen von Straßentunneln in geschlossener Bauweise werden in der Regel als Stahlbetonkonstruktion ausgeführt. Die Ausführung unbewehrter Tunnelinnenschalen kann für den Bauherrn eine erhebliche Kostenersparnis bedeuten, da die Kosten für die Bewehrung und deren Einbau eingespart werden. Unbewehrte Innenschalen für Straßentunnel in geschlossener Bauweise wurden in der Vergangenheit bei einzelnen Projekten in Deutschland bereits ausgeführt. Die Anforderungen an die bauliche Durchbildung und an die Gebrauchstauglichkeitseigenschaften wurden aufgrund fehlender Regelungen in den ZTV-ING objektspezifisch festgelegt. Die im Rahmen dieses Forschungsprojektes durchgeführte Auswertung der Erfahrungen mit unbewehrten Innenschalen zeigt, dass viele der Tunnel eine hohe Anzahl von Rissen und Betonabplatzungen in den unbewehrten Bereichen aufweisen. Die hier erforderlichen nachträglichen Instandsetzungsmaßnahmen führen häufig zu hohen Kosten und Beeinträchtigungen der Tunnelverfügbarkeit. Als Fazit aus diesen Erfahrungen kann der Einsatz von unbewehrten Innenschalen nur in Ausnahmefällen bei vorliegenden besonders günstigen Randbedingungen empfohlen werden. Neben einer günstigen Geologie zählen hierzu noch weitere Parameter, die im vorliegenden Bericht ausführlich dargelegt werden. Zur Vermeidung vertragsrelevanter Probleme bei der Ausführung unbewehrter Innenschalen wird eine klare Festlegung der Gebrauchstauglichkeitseigenschaften der fertigen Tunnelinnenschale empfohlen. Bezüglich der zulaäsigen Rissweiten in unbewehrten Innenschalen wird die Anwendung der Vorgaben aus der Ril 853, Modul 853.4004 empfohlen. In den ZTV-ING sollten für den Sonderfall einer unbewehrten Innenschale auch weiterhin keine speziellen Anforderungen festgelegt werden. Kriterien für die Anwendung unbewehrter Innenschalen wurden im Rahmen dieses Forschungsprojektes erarbeitet und sollten bei Bedarf den Straßenbauverwaltungen der Länder und den Planern zur Verfügung gestellt werden.
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In dem geltenden Regelwerk für Straßentunnel, der ZTV-ING, ist das derzeitige rechnerische Nachweisverfahren zum baulichen Brandschutz für Rechteckrahmenquerschnitte im Teil 5, Abschnitt 2 über ein vereinfachtes Nachweisverfahren mit Ansatz eines Temperaturgradienten von 50 K in Wand und Decke geregelt. Alternativ kann nach ZTV-ING ein "genauerer" rechnerischer Nachweis durchgeführt werden, der jedoch in der Praxis kaum angewendet wird, da hierzu bisher keine eindeutigen Regelungen zur Durchführung vorliegen. Es stellen sich insbesondere die Fragen, inwieweit über einen genaueren rechnerischen Nachweis Einsparpotenziale bei der Bewehrung gegenüber dem vereinfachten Nachweis vorliegen und welchen Einfluss eine verlängerte ZTV-ING-Kurve (55 Minuten Vollbrandphase statt 25 Minuten Vollbrandphase) auf die erforderlichen Bewehrungsgehalte hat. Im vorliegenden Forschungsvorhaben wurden die genaueren rechnerischen Nachweise für typische Rechteckrahmenquerschnitte von Straßentunneln (ein- und zweizellig) auf Grundlage des Eurocodes EN 1992-1-2 [4], "Allgemeines Rechenverfahren", durchgeführt. Aufgrund des deutlich unterschiedlichen Abplatzverhaltens von Beton ohne PP-Fasern und Beton mit PP-Fasern mit entsprechendem Einfluss auf das Tragverhalten im Brandfall wurden differenzierte Berechnungen durchgeführt. Die Annahmen für die Größe und den Zeitpunkt der Betonabplatzungen basieren auf den Auswertungen von Großbrandversuchen für Rechteckrahmen [10]. In zusätzlichen statischen Berechnungen wurde der Lastfall nach dem Brand mit Berücksichtigung der veränderten Baustoffeigenschaften durch die Brandeinwirkung nachgewiesen. Auf Grundlage der durchgeführten Berechnungen wurde ein Leitfaden mit Musterstatik für den genaueren rechnerischen Brandschutznachweis erstellt. Der Leitfaden mit Musterstatik soll bei der zukünftigen Dimensionierung von Rechteckkonstruktionen von Straßentunneln einen optimierten Brandschutznachweis mit einhergehenden Kostenoptimierungen gegenüber dem bisherigen vereinfachten Brandschutznachweis ermöglichen. Es hat sich gezeigt, dass der genaue rechnerische Nachweis des Brandfalls ein komplexes Berechnungsverfahren ist, das in der Praxis noch nicht erprobt ist. Auf Grundlage der Ergebnisse des genaueren rechnerischen Nachweisverfahrens wurde ein für die Praxis zweckmäßiges Berechnungsverfahren mit Vorgabe eines von der Bauteildicke abhängigen linearen Temperaturgradienten entwickelt. Voraussetzung für die Anwendung dieses Nachweisverfahrens sind vergleichbare Randbedingungen im Brandfall hinsichtlich Größe von Betonabplatzungen und Temperaturverteilungen im Bauteil, welche bei der Verwendung von Betonen mit PP-Fasern und entsprechenden Vorgaben an Rezeptur, Herstellung und Verarbeitung gesehen werden. Für eine Fortschreibung der ZTV-ING, Teil 5, Abschnitt 2, Nr. 10 "Baulicher Brandschutz" werden entsprechende Empfehlungen formuliert.
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Die Erfahrungen zeigen, dass auch im Brücken- und Ingenieurbau an Bundesfernstraßen die Vorteile von hochfestem und selbstverdichtendem Beton genutzt werden können. Unter den Randbedingungen des Brückenbaus sind insbesondere Vollplattenquerschnitte mit beidseitigen Kragarmen, die ohne Versprung im Querschnitt an die Platte angegliedert sind, für die Ausführung mit hochfestem Beton geeignet. Mit dieser Bauweise wurden Spannweiten bis zu 40 m realisiert. Der Schlankheit der Querschnitte ist jedoch durch die zusätzlichen Kosten für Beton- und Spannstahlbewehrung eine wirtschaftliche Grenze gesetzt. Für die Ausführung von Brückenüberbauten an Bundesfernstraßen in Ortbetonbauweise ist selbstverdichtender Beton aufgrund der üblichen Abmessungen und der konstruktiven Durchbildung von Brücken nicht geeignet. Direkt befahrene Fahrbahntafeln aus hochfestem Ortbeton ohne zusätzliche Abdichtung sind für Brücken an Bundesfernstraßen mit den heute üblichen Verfahren nicht realisierbar. Die Gebrauchseigenschaften von Bauteilen aus hochfestem und/oder selbstverdichtendem Beton, wie z. B. Verformung und Dauerhaftigkeit, haben sich mindestens als vergleichbar mit normalfestem Beton dargestellt. Die Dauerhaftigkeit von hochfestem Beton stellt sich unter der Frost-Tausalz- und Wettereinwirkung an Bundesfernstraßen sogar besser dar, als für normalfesten Rüttelbeton oder selbstverdichtenden Beton. Chlorideindringwiderstand und Karbonatisierungswiderstand des hochfesten Betons sind höher. Selbst dann, wenn infolge von Oberflächenrissen das optische Erscheinungsbild eines Brückenpfeilers beeinträchtigt ist, sind Chlorideindring- und Karbonatisierungstiefe geringer als für normalfesten Beton unter den gleichen Einwirkungen. Die Erfahrungen haben gezeigt, dass bis einschließlich der Festigkeitsklasse C70/85 hochfeste Betone zielsicher hergestellt und eingebaut werden können. Mit abnehmender Festigkeitsklasse werden jedoch die typischen Schwierigkeiten bei der Ausführung der Bauteile geringer. Voraussetzung für die zielsichere Herstellung von hochfestem Beton und/oder selbstverdichtendem Beton ist jedoch die Umsetzung der zwischen Betonhersteller und bauausführendem Unternehmen vorab projektbezogenen, abgestimmten und qualitätssichernden Maßnahmen, die in QS-Plänen, z. B. für Betonherstellung, Transport und Baustelle, niedergelegt werden. Die notwendigen Maßnahmen zur Sicherstellung der geforderten Frischbetoneigenschaften, Hydratationswärmeentwicklung, Festigkeitsentwicklung, Einbauverfahren, Nachbehandlung und Festbetoneigenschaften gehen über das für normalfesten Rüttelbeton Bekannte hinaus. Der Aufwand für selbstverdichtenden Beton geht dabei noch über die für hochfesten Beton hinaus. Aus diesen Gründen wird die Begleitung solcher Baumaßnahmen durch nicht in das Baugeschehen involvierte, kompetente und erfahrene Betoningenieure weiterhin für erforderlich gehalten. Dies wird heute schon mit der Forderung einer Zustimmung im Einzelfall für Bauwerke und Bauteile aus hochfestem oder selbstverdichtendem Beton in den ZTV-ING in die Praxis umgesetzt. Mit zunehmender Verwendung hochfester und/oder selbstverdichtender Betone, auch außerhalb des Brückenbaus, werden die Erfahrung und die Sicherheit im Umgang mit diesen Betonen zunehmen, sodass das Instrument der Zustimmung im Einzelfall dann verzichtbar werden kann.
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Die Anforderungen an Brückenbauwerke haben sich in den vergangenen Jahren infolge der steigenden Verkehrszahlen deutlich erhöht. Gleichzeitig hat sich mit der Umstellung der Normen der rechnerische Querkraftwiderstand von Bauteilen ohne Querkraftbewehrung verringert. Daher lässt sich für Brückenbauwerke im Bestand mit Fahrbahnplatten ohne Querkraftbewehrung nach derzeitigen technischen Regeln oft nicht eine ausreichende Querkrafttragfähigkeit nachweisen. Allerdings sind die berechneten Tragfähigkeiten aufgrund einer Unterschätzung der mitwirkenden Plattenbreite konservativ. Der derzeit gültige Ansatz zur Berechnung der Querkrafttragfähigkeit ohne Querkraftbewehrung nach DIN-Fachbericht 102 (2009) wurde anhand einer Querkraftdatenbank kalibriert, die hauptsächlich aus Versuchen an Balken besteht. Bislang wurden nur wenige Versuche zur Querkrafttragfähigkeit von Platten unter punktförmiger Belastung durchgeführt. Im vorliegenden von der Bundesanstalt für Straßenwesen geförderten und am Institut für Massivbau der RWTH Aachen durchgeführten Forschungsvorhaben wurde durch experimentelle und theoretische Untersuchungen das Querkrafttragverhalten von Platten genauer analysiert. Die experimentellen Untersuchungen bestanden aus insgesamt 17 Bauteilversuchen in zwei Versuchsserien. In der ersten Versuchsserie wurde die Fragestellung der sich einstellenden Lastverteilungsbreite bei Platten ohne Querkraftbewehrung im Zustand II untersucht. Hierzu wurde durch Variation der Plattenbreite (0,5 m bis 3,5 m) an Einfeldsystemen gezielt der Übergang von der Balkentragwirkung zur Plattentragwirkung analysiert. Anschließend wurde der Einfluss der Schubschlankheit (2,9 bis 5,4) auf das Querkrafttragverhalten überprüft. In der zweiten Versuchsserie wurde an Kragarmen von zweistegigen Plattenbalken der Einfluss der Vouten sowie des Momenten-Querkraftverhältnisses untersucht. Aufbauend auf den Versuchen der ersten Versuchsserie wurden nichtlineare Finite-Elemente-Berechnungen zur Untersuchung weiterer Einflüsse (z. B. Betonfestigkeit, Längs- und Querbewehrungsgrad, Druckbewehrung, Plattendicke, Stützweite) durchgeführt. Auf Grundlage der durchgeführten theoretischen und experimentellen Untersuchungen wurden abschließend die bestehenden Bemessungsansätze modifiziert und anhand von Versuchen aus der Literatur überprüft.
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Im gegenstädlichen Forschungsbericht werden zunächst die Grundlagen der geothermischen Energienutzung beschrieben. Dies beinhaltet Anforderungen an den Energienutzer, Einflüsse aus den vorhandenen Untergrund- und Grundwasserverhältnissen sowie dem Fundierungskonzept des Bauwerkes bzw. dessen Bauwerksstruktur. Weiters werden die derzeit vorhandenen Absorbersysteme sowie deren Betriebsweisen beschrieben. Für die Planung einer Tunnelthermie-Anlage wurde ein Planungsleitfaden erstellt, der zunächst die wesentlichen Einflussfaktoren für eine technisch-wirtschaftliche Planung einer Erdwärmeanlage sowie deren Betrieb, Ausfallrisiken und einen Überblick über die rechtlichen Rahmenbedingungen enthält. Der Planungsleitfaden beinhaltet schließlich auch eine Beschreibung der einzelnen Projektstufen, die im Zuge der Planung und Umsetzung einer Tunnelthermie-Anlage zu absolvieren sind. Weiters wurde eine Planungssystematik erarbeitet, die die Angabe wesentlicher Entwurfskriterien beinhaltet, die im Zuge der Planung einer Tunnelthermie-Anlage zu beachten sind. Für die Dimensionierung einer Tunnelthermie-Anlage bedarf es diverser Parameter, die im Vorfeld zu erkunden sind. Diese werden diskutiert und es werden Empfehlungen zur thermischen Erkundung in Kombination mit üblichen geotechnischen Aufschlüssen angeführt. Technische Detaillösungen wurden für beispielhafte Tunnelthermie-Anlagen entwickelt, beschrieben und dargestellt. Darauf aufbauend wurde der Einsatz der Massivabsorbertechnologie bei üblichen deutschen Straßentunneln untersucht. Für die Gestaltung eines Bauvertrages im Zuge der Ausschreibung einer Tunnelthermie-Anlage wurden Empfehlungen erarbeitet. Weiters wird die Schnittstelle zwischen der Erdwärmeanlage und der Haustechnik sowie zwischen dem geothermischen Fachplaner des Auftraggebers und jenem des Auftragnehmers definiert. Abschließend wurden beispielhafte Leistungspositionen für Tunnelthermie-Anlagen erstellt.