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Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) ist an mehreren Forschungsvorhaben im Zusammenhang mit der Instandsetzung und Verstärkung von orthotropen Fahrbahnplatten beteiligt. Der Beitrag stellt die dabei gemachten Erfahrungen und die Entwicklungen der Verstärkungsverfahren in einem Überblick dar. Ein Großteil der Stahlbrücken wurde in Deutschland in den 1960er und 1970er Jahren nach den damals gültigen Regelwerken gebaut. Bei Erstellung dieser Regelwerke war die ermüdungswirksame Belastung durch den rasant steigenden Schwerlastverkehr nicht absehbar. Die damals erstellten Bauwerke weisen nach heutigem Kenntnisstand daher teilweise Defizite auf, die zu Schäden in Form von Schweißnaht- und Blechrissen geführt haben, die zu aufwändigen Instandsetzungen führten. Die Schäden werden in vier Kategorien eingeteilt, die sich jeweils beziehen auf die Anschlüsse am Deckblech, im Längssystem (Längssteifen), im Quersystem (Querträger) sowie im Hauptsystem (Hauptträger). Bei Anschlüssen im Hauptsystem sind bisher jedoch keine Schäden bekannt. Da das Deckblech und seine Anschlüsse infolge der direkten Lasteintragung durch die Reifen besonders gefährdet sind, konzentrieren sich die aktuellen Untersuchungen zu Instandsetzungsmethoden auf die dort aufgetretenen Schäden. Erfolgversprechend haben sich herausgestellt: direkte Deckblechverstärkung durch Stahlbleche, Aufbringen einer Sandwichplatte (Sandwich-Plate-System (SPS)) und Aufbringen von hochfestem bewehrten Stahlfaserbeton sowie die Verbesserung der Mitwirkung des Fahrbahnbelages durch erhöhte Steifigkeit des Asphaltbelags (zum Beispiel hohlraumreiches Asphaltgerüst mit nachträglichem Verguss) und bessere Haftung. Alle Varianten verringern die lokalen Spannungen und Verformungen signifikant und bewirken dadurch einen erhöhten Ermüdungswiderstand.
Die "Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von Brückenbelägen auf Stahl" (ZTV-BEL-ST 92) einschließlich der Technischen Lieferbedingungen (TL-BEL-ST) und der Technischen Prüfvorschriften (TP-BEL-ST) wurden im Jahr 1992 eingeführt und lösten das bis dahin gültige "Merkblatt für bituminöse Brückenbeläge auf Stahl" ab. Mit Einführung dieser neuen Vorschriften wurde eine Reihe neuer Prüfungen und Anforderungen für die Abdichtungssysteme für Stahlbrücken vorgeschrieben. Ein Teil der Prüfungen und Anforderungen konnte aufgrund fehlender Erfahrungen nicht endgültig formuliert werden, sondern wurde als Vorschlag in die Vorschriften aufgenommen. Um entsprechende Erfahrungen zu sammeln, die bei einer späteren Überarbeitung in die Regelwerke einfließen sollten. Durch die Auswertung der Ergebnisse der seit der Einführung der ZTV-BEL-ST 92 durchgeführten Grundprüfungen sowie Eigen- und Fremdüberwachungen konnten die Anforderungen und Toleranzen für die Prüfungen der Abdichtungssysteme für Beläge auf Stahlbrücken überprüft und angepasst werden. Für eine Reihe von Prüfungen konnten anhand der Ergebnisse erstmals Anforderungen und Toleranzen festgelegt werden. In der zurzeit gültigen Fassung der ZTV-BEL-ST sind hinsichtlich der Standfestigkeit der verschiedenen Abdichtungssysteme in Abhängigkeit von der resultierenden Neigung der Fahrbahntafel und der Verkehrsbelastung fünf verschiedene Verschiebungsklassen zugelassen. Zukünftig wird unabhängig von der Neigung und der Verkehrsbelastung die Verschiebungsklasse 1 gefordert, da sich diese Verschiebungsklasse bei allen drei Bauarten der Abdichtungssysteme erreichen lässt. Die thermische Belastungsprüfung der Reaktionsharzschichten unter Verwendung von heißem Silikonol wurde aus Arbeitsschutzgründen durch eine thermische Belastungsprüfung unter Verwendung von heißem Sand ersetzt. Die analytischen Prüfungen zur Identifizierung der Reaktionsharze wurden durch die Thermogravimetrische Analyse ergänzt. In Verbindung mit der IR-Spektroskopie ist so im Zweifelsfall eine schnelle Überprüfung der verwendeten Materialien möglich. Die Prüfbedingungen wurden anhand einer Ringanalyse festgelegt. Des Weiteren konnte die Anwendbarkeit der Gelpermeationschromatographie zur Bestimmung des Anteils der Polymere in der Klebemasse von Bitumen-Schweißbahnen bei aPP-modifiziertem Bitumen nachgewiesen und die erreichbare Genauigkeit bestimmt werden. Für die Dauerschwellbiegeprüfung wurde ein neues praxisgerechtes Belastungskollektiv eingeführt. Im Anschluss an die Dauerschwellbiegeprüfung werden an den beanspruchten Probekörpern die Abreissfestigkeiten an drei festgelegten Stellen gemessen. Anhand der durchgeführten Untersuchungen konnten die noch vorhandenen Lücken in den Prüfvorschriften für die Prüfung der Abdichtungssysteme für Beläge auf Stahlbrücken geschlossen werden.
Die Korrosionsbeschichtungen von Brückenteilen aus Stahl werden beim nachträglichen Einbau einer Gussasphaltschicht durch Hitzeeinwirkungern belastet, wodurch es zu Beschädigungen kommen kann. Die Autoren befassen sich mit der Frage, wie groß derartige Wärmebelastungen sind, wie sie prüftechnisch simuliert und wie sie künftig in der Baupraxis minimiert werden können.
Neben Ermüdungsschäden an orthotropen Fahrbahnplatten sind bei Stahlbrücken auch Schäden an nicht direkt befahrenen Konstruktionsteilen der Quersysteme (Kategorie-3-Schäden) festgestellt worden. Das stetig steigende Verkehrsaufkommen führt zu einer Verschärfung des Problems, so dass die Dauerhaftigkeit betroffener Brückenkonstruktionen auch durch diese Schäden gefährdet wird. Anhand ausgewählter Beispiele aus der Literatur und Praxis der Straßenbauverwaltungen werden Kategorie-3-Schäden systematisch untersucht. Die Erfahrungen werden zusammengestellt, ausgewertet und typisiert. Die wesentlichen Ursachen sind Überbeanspruchungen, ermüdungsanfällige Konstruktionsweisen, mangelnde Ausführungsqualität und Modellierungsfehler bei den Berechnungen. Eine Verknüpfung typischer Schadensbilder mit allgemeinen Ursachen ist in gewissem Umfang möglich, so dass der Bericht eine erste Hilfestellung bei der Behandlung von Kategorie-3-Schäden sein kann. Weiterhin werden ausgeführte und weitere Instandsetzungs- und Ertüchtigungsvarianten an stählernen Balkenbrücken mit Hohlkasten- und offenem Querschnitt in allgemeiner Form mit numerischen FE Berechnungen untersucht, um Vor- und Nachteil herauszustellen. Es zeigt sich, dass eine möglichst gleichmäßige Steifigkeitsverteilung im Aussteifungssystem anzustreben ist. Aber auch mit verkehrsleitenden Maßnahmen wie eine Verlegung der Fahrstreifen ohne Eingriff in das Tragwerk lassen sich die kritischen Beanspruchungen u.U. deutlich reduzieren. Ein besonderes Augenmerk wird in diesem Bericht auf die Bauwerkserhaltungsmaßnahme, vollständig auf aussteifende Verbände zu verzichten, gelegt. Der Formerhalt des Brückenquerschnitts wird dabei ausschließlich über die Rahmenwirkung der Quersysteme realisiert. Umfangreiche numerische Untersuchungen beleuchten die Spannungsänderungen der kritischen Details, aber auch mögliche Umlagerungen im gesamten Tragwerk durch die Änderung des Aussteifungssystems. Weiterhin werden auch experimentelle Untersuchungen angestellt, um die Wirksamkeit und Effizienz dieser Variante zu bewerten. Schließlich werden die untersuchten Ertüchtigungs- und Instandsetzungsvarianten bewertet und es werden allgemeine Empfehlungen zur Behandlung von Kategorie-3-Schäden gegeben.
Dieser Beitrag gibt einen Überblick über Instandsetzung und Verstärkung von Stahlbrücken mit Schäden im Bereich von Anschlüssen im Längssystem orthotroper Stahlbrücken, im speziellen bei Längssteifen aus Y-Profilen. Basierend auf Literatur und Recherche, wurden im Projekt Ermüdungsrisse, die an existierenden Stahlbrücken mit Y-Profilen beobachtet wurden, zusammengestellt und kategorisiert. Eine Reihe der im Rahmen des Projektes ausgewerteten Erfahrungsberichte zeigte, dass rein schweißtechnische Instandsetzungen auf Dauer nicht erfolgreich waren. Deshalb wurden für die detaillierten Untersuchungen nur Maßnahmen mit mechanischen Verbindungsmitteln vorgesehen. Die an Y-Profilen entwickelten Instandsetzungs- und Verstärkungsmaßnahmen wurden in 20 Ermüdungsversuchen experimentell analysiert. Die originalen Prüfkörper wurden entsprechend den Fertigungsplänen bestehender Brücken hergestellt. Nach den Ermüdungsversuchen wurden die Prüfkörper repariert und unter den gleichen Randbedingungen erneut geschwungen. Bei der ersten Versuchsreihe wurde eine Verstärkung mit Seitenwinkel und Lasche vorgesehen, bei denen die Winkel im geschlossenen Teil der Y-Profile mit Blindnieten befestigt waren. Die Blindnieten zeigten kein Versagen und erst bei deutlich höherer Schwingzahl als im Originalzustand ging z.T. von der künstlichen Rissspitze ein neuer Riss aus. Bei der zweiten Versuchsreihe mit Stegverstärkung konnten nach der gleichen maximalen Schwingspielzahl, die im Originalzustand zu Rissen geführt hatte, keine Risse dokumentiert werden. In der 3. Versuchsreihe, die im Bereich des 1/2 I-Profils mit einer Zusatzlasche repariert worden war, ging nach Verstärkung mit Zusatzlasche bei geringerer Schwingzahl als im Originalzustand ein Riss vom künstlichen Ermüdungsriss bzw. vom Bohrloch der angeschraubten Lasche aus. Bei der Auswertung wurden mit Hilfe eines numerischen Modells die Ermüdungsversuche validiert, um die Wirksamkeit der Maßnahmen zu bewerten. Insgesamt konnte das Vorhaben erfolgreich beendet werden. In weiterfühgrenden Untersuchungen sollten vor allem die versuchstechnischen Untersuchungen systematisch ergänzt werden.
Auf Brücken, insbesondere auf Stahlbrücken, bildet sich im Winter gegenüber den anderen Streckenabschnitten oft vorzeitig Glätte. Dadurch kann der Straßenverkehr in erheblichem Maße gefährdet werden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten das vorzeitige Auftreten von Glätte zu verhindern. Die derzeit gebräuchlichsten Methoden sind die Brücken vorzeitig zu streuen oder automatische Taumittelsprühanlagen zu installieren. In dem vorliegenden Projekt wurde eine weitere, innovative Methode untersucht, nämlich die Temperierung der Fahrbahn mit Hilfe von Geothermie. Dazu wurden Simulationsreihen und damit zusammenhängende praxisnahe Messungen durchgeführt. Die Messungen wurden auf einer eigens hierfür hergestellten Testbrücke aus Stahl-Brückenmodulen sowie in weiteren Testfeldern auf bestehenden Brücken vorgenommen. Der Bericht stellt wichtige Informationen und Ergebnisse zur Verfügung, die notwendig sind, um ein Brücken-Projekt mit Fahrbahn-Temperierung zu planen und umzusetzen. Dabei werden die Aspekte - konstruktive Gestaltung, - thermische Eigenschaften, - mechanische Festigkeit, - Regelstrategien und " Wirtschaftlichkeit eines solchen Systems betrachtet. Weiterhin enthält der Bericht Beispiele, welche Varianten hinsichtlich des geothermischen Systems möglich sind, und gibt Eckdaten zu deren Dimensionierung an. Nach den hier vorliegenden Ergebnissen ist die Realisierung eines Fahrbahn-Temperierungs-Systems mittels Geothermie für Stahlbrücken möglich. Die thermische Leistung ist für den angestrebten Zweck ausreichend. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften konnten zumindest keine kurzfristig erkennbaren Beeinträchtigungen festgestellt werden, wobei hier weiterer Forschungsbedarf besteht. Damit bietet die geothermische Fahrbahntemperierung die Möglichkeit, umweltschonend zur Vermeidung von frühzeitiger Glättebildung auf Straßenbrücken beizutragen.
Aufgrund ständig steigender Verkehrsintensität und gleichzeitig ansteigenden Fahrzeuggewichten werden auch die Stahlbrücken mit orthotropen Fahrbahnplatten hinsichtlich Ermüdung stärker beansprucht. Zumeist wurden diese Brücken in den 60er Jahren gebaut und die heutigen Qualitätsstandards und Empfehlungen wurden nur zum Teil eingehalten. Ein nicht ausreichender Ermüdungswiderstand der Details in Kombination mit steigenden Ermüdungsbeanspruchungen führt früher oder später zu Schäden; bei einigen Brücken in Deutschland sind Schäden aufgetreten. Die zukünftige Verkehrsbeanspruchung führt dazu, dass eine Reparatur alleine nicht ausreichend ist, sondern eine nachhaltige Instandsetzung, das heisst Ertüchtigung bestehender orthotroper Platten erfolgen muss, um auch bei weiter ansteigenden Ermüdungsbeanspruchungen eine hinreichende Gesamtlebensdauer ohne erhöhten Wartungsaufwand sicherzustellen. Vor diesem Hintergrund haben das Bundesministerium fuer Verkehr, Bau- und Wohnungswesen (BMVBW) und die Bundesanstalt fuer Straßenwesen (BASt) ein Forschungsvorhaben in Auftrag gegeben, um nachhaltige Instandsetzungsmaßnahmen zur Ertüchtigung von orthotropen Fahrbahnplatten bei Stahlbrücken unter der besonderen Berücksichtigung des Belagsystems zu untersuchen und zu entwickeln. Zurzeit sind verschiedene Lösungen zur nachhaltigen Ertüchtigung orthotroper Fahrbahnplatten in der Erforschung, teilweise wurden bereits erste Probeanwendungen durchgeführt. Erste Pilotprojekte wurden in Deutschland mit der SPS-Maßnahme, dem Einsatz von PmB 25 und in den Niederlanden unter anderem mit dem hochfesten, mit Stahlfasern versehenen und bewehrten Beton durchgeführt. Zu weiteren Möglichkeiten, wie dem offenporig mit Epoxidharz vergossenen Asphalt, werden noch Bauteilversuche durchgeführt, die die Wirksamkeit solcher Maßnahmen bestätigen sollen. Die Schlussfolgerungen sind zur Zeit wie folgt: - Behandlung bauweisenbedingter Schäden: Zur Behebung der Ursachen sind fallspezifische Lösungen erforderlich, die in der Regel nicht zu einer Verbesserung der allgemeinen Ermüdungsfestigkeit orthotroper Fahrbahnplatten beitragen. - Behandlung bauweisenunabhängiger Schäden: Die Instandsetzung der Schäden ist möglichst in Kombination mit einer geeigneten Ertüchtigungsmaßnahme durchzuführen, sodass die orthotrope Fahrbahnplatte auch für zukünftige Verkehrsbeanspruchungen dauerhaft ist. - Die Instandsetzungsmaßnahmen sind im Gesamtzusammenhang des Brückenbauwerks zu sehen: Die Instandsetzung von Schäden ist in einem Gesamtzusammenhang mit anderen erforderlichen Unterhaltungsmaßnahmen an der Brücke zu sehen, so kann zum Beispiel eine mögliche Schweissreparatur an der Brücke ein Auswahlkriterium für die Art der Belagserneuerung und die Wahl einer geeigneten Abdichtung sein.
Temperaturen an der Unterseite orthotroper Fahrbahntafeln beim Einbau der Gussasphalt-Schutzschicht
(2003)
Zum Schutz gegen Korrosion und auch zur optischen Gestaltung erhalten Brückenteile aus Stahl Korrosionsschutzbeschichtungen. Bei dem im Regelfall erfolgenden Einbau einer Schutzschicht aus Gussasphalt auf den Deckblechoberseiten werden die Korrosionsschutzbeschichtungen der Deckblechunterseiten thermisch belastet. Eine Temperatur-Zeit-Kurve dieser thermischen Belastung wurde vor 25 Jahren an Brücken gemessen und ist in den Technischen Prüfvorschriften für die Prüfung der Dichtungsschichten und der Abdichtungs-Systeme für Brückenbeläge auf Stahl (TP-BEL-ST) dargestellt. Korrosionsschutzbeschichtungssysteme, die gemäß Anhang A zur ZTV-KOR-Stahlbauten für Deckblechunterseiten vorgesehen sind, müssen im Rahmen dieses Temperatur-Zeit-Regimes wärmebeständig sein. Der Nachweis der Wärmebeständigkeit muss durch eine Prüfung unter Zugrundelegung des aktuellen Temperatur-Zeit-Regimes erfolgen. Seit der erstmaligen Messung der Temperatur-Zeit-Kurve sind die Dichtungssysteme für Stahlbrücken weiterentwickelt worden und haben jetzt vermutlich auch wegen der größeren Dicken einen anderen Wärmedurchgang. Vor weiteren Bestimmungen der Wärmebeständigkeit der Korrosionsschutzbeschichtungssysteme muss daher das Temperatur-Zeit-Regime für die drei Dichtungsschichtregelsysteme gemäß TP-BEL-ST an geeigneten Brücken gemessen und eine neue Temperatur-Zeit-Kurve formuliert werden. Die Kurve wird weiterhin zur Abschätzung der zu erwartenden Wärmebelastung der Korrosionsschutzbeschichtungen für die Planung benötigt. Die Messung der Temperaturen erfolgte an der Unterseite der orthotropen Fahrbahntafeln von neun Bauwerken. Fünf der untersuchten Bauwerke hatten eine Reaktionsharz-Dichtungsschicht, drei Bauwerke eine Bitumen-Dichtungsschicht und ein Bauwerk eine Reaktionharz/Bitumen-Dichtungsschicht aus Bitumen-Schweissbahn. Für die Temperaturmessungen wurden selbstklebende NiCr-Folienthermoelemente verwendet, die auf die vorhandene Korrosionsschutzbeschichtung an der Unterseite der Fahrbahntafeln aufgeklebt wurden. Die gemessenen Maximaltemperaturen lagen zwischen 90,6-° Celsius und 110,0-° Celsius, bei Ausgangstemperaturen des jeweiligen Deckbleches von 3,5-° Celsius bis 26,9-° Celsius. Diese Maximaltemperaturen wurden 20 bis 30 Minuten nach der Beaufschlagung des jeweiligen Flächenelementes mit heißem Gussasphalt erreicht. Es wurde festgestellt, dass die erreichten Maximaltemperaturen und die Wärmeeinwirkungsdauer nicht nur von der Einbautemperatur des Gussasphaltes und der Umgebungstemperatur abhängen, sondern auch bauwerksspezifisch sind. Auf der Grundlage der hier erhaltenen sowie früherer Messergebnisse und deren Auswertungen wurde der Versuch unternommen, eine Berechnung der zu erwartenden Maximaltemperatur an der Unterseite der orthotropen Fahrbahntafel beim Schutzschicht-Einbau vorzunehmen. Es wurde eine Gleichung für die näherungsweise Berechnung der zu erwartenden Maximaltemperatur aufgestellt. Im Ergebnis der Temperaturmessungen an den Brücken wird für künftige Prüfungen der Wärmebeständigkeit von Korrosionsschutzsystemen eine modifizierte Temperatur-Zeit-Kurve empfohlen. Es wird vorgeschlagen, die Dauer der Wärmebeanspruchung auf 6 Stunden zu verlängern und die Temperatur-Zeit-Kurve anzupassen. Abschließend werden Vorschläge zum Verringern der Wärmebelastung von wärmeempfindlichen Korrosionsschutzbeschichtungen während des Einbaus von Gussasphalt-Schutzschichten genannt.
Angesprochen wurden aktuelle Entwicklungen beim Neubau und neue Entwicklungen bei Instandsetzungen und Verstärkungen. Eingegangen wird zu Beginn auf den Bestand an Brücken im Bundesfernstraßenbereich und auf die Entwicklung der Stahlpreise zwischen 2004 und 2008 mit einer sprunghaften Verdoppelung im August 2008 gegenüber den Jahren davor. Anschließend wird der Neubau von Stahlbrücken beleuchtet, auch mit Angabe der Möglichkeiten des Bundesministeriums fuer Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) zur Förderung technischer Weiterentwicklungen und Innovationen. Aktuelle Entwicklungen bei Stahlverbundbrücken sind einteilige Überbauquerschnitte, VFT-Träger für Überführungen, luftdicht verschweisste Kästen, Hohlkästen mit Wellstahlträgern und Stahlrohrfachwerke. Alle diese Themen werden mit Beispielen unterlegt dargestellt. Neue Entwicklungen bei Instandsetzungen und Verstärkungen betreffen die verschiedenen Arten der Verstärkung von orthotropen Platten durch Aufkleben von Stahlplatten, Aufbringen einer Sandwichplatte (Sandwich-Plate-System (SPS)), Aufbetonieren einer dünnen Schicht aus ultrahochfestem Beton und Aufbringen eines steiferen Fahnbahnbelags.
Kategorie-1-Schäden bei orthotropen Fahrbahnplatten treten als bauweisenunabhängige Schäden in Form von Rissen im Anschlussbereich Deckblech-Längsrippe auf. Zur Vermeidung dieser Schäden sind geeignete Instandsetzungsmaßnahmen zu entwickeln, die zu einer Verminderung der Spannungen und Durchbiegungen in den gefährdeten Bereichen führen. Im Rahmen eines aktuellen Forschungsvorhabens an der Universität Duisburg-Essen wird der Ansatz verfolgt, einen modifizierten Fahrbahnbelag bestehend aus einem mit Epoxydharz oder alternativ mit Bioharz verfüllten Asphalttraggerüsts mit erhöhter mittragender Wirkung einzusetzen. Des Weiteren wird im vorliegenden Beitrag der Einsatz von Betonfertigteilen aus UHPC erläutert.