Durch die in den letzten Jahren enorm gestiegenen Verkehrsbelastungen und damit einhergehenden gestiegenen lokalen Beanspruchungen im Deckblech kommt es bei bestehenden Stahlbrücken mit orthotropen Fahrbahnplatten vermehrt zu Ermüdungsschäden im Bereich der geschweißten Anschlüsse der Längsrippen an das Deckblech (Kategorie-1-Schäden). Der vorliegende Beitrag gibt einen Übernblick über existierende Verstärkungsmaßnahmen, die bereits in Pilotprojekten erprobt wurden sowie aktuelle Forschungsarbeiten zur Verstärkung von orthotropen Fahrbahnplatten mit Kategorie-1-Schaeden.
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.
Ausgehend von einer Vielzahl an Schäden, die in den 1970ern und 1980ern oftmals schon nach wenigen Jahren Nutzungsdauer an den Belägen auf Stahlbrücken aufgetreten sind, wurden von den Herstellern qualitativ hochwertige Abdichtungssysteme entwickelt, die zu einer deutlichen Verringerung der Schäden führten. Lange Standzeiten von 20 bis 30 Jahren sind keine Seltenheit, und die Anzahl von Schäden hat deutlich abgenommen. Als problematisch erweist sich bei einzelnen Baumaßnahmen nach wie vor die Einbauqualität, zumeist bedingt durch unzureichende Einbaubedingungen. Gerade bei den hochwertigen Baustoffen spielen die Einbaubedingungen eine entscheidende Rolle. Deshalb ist es wichtig, sowohl bei der Planung als auch bei der Ausführung diese Randbedingungen zu berücksichtigen.
Die neuen TL/ZTV/TP Fug-StB
(2013)
Eine Betondecke kann nur so gut sein wie ihre Fugen und Fugenfüllsysteme. Funktionierende Fugen sind daher ein wesentlicher Bestandteil der Betonstraße. Nur mit funktionierendem Fugenfüllsystem kann die prognostizierte Lebensdauer einer Betondecke von mindestens 30 Jahren erreicht werden. In diesem Sinne wurden im Jahre 2001 die ZTV Fug-StB 01) eingeführt, um durch technische Vorgaben einen hohen Standard bei der Herstellung von Fugen zu gewährleisten. Aufgrund notwendiger Neuerungen, technischer Weiterentwicklung bei der Herstellung von Fugenmassen und -profilen sowie der Umsetzung der Europäischen Normen in das Deutsche Regelwerk war nach 10 Jahren nun eine Überarbeitung notwendig. Der Entwurf der neuen ZTV Fug-StB gliedert sich nach dem Kapitel "Allgemeines" in vier Teile für die unterschiedlichen Fugenfüllsysteme. Die neuen ZTV Fug-StB sind für Beton- und Asphaltflächen ebenso wie für Verkehrsflächen auf Bauwerken, Pflasterflächen, Schienenfugen und Riss-Sanierungen anwendbar. Es werden neu entwickelte Fugenkonstruktionen behandelt. Die Bedeutung funktionierender Fugen und Fugenfüllsysteme wird anhand aktueller Themen sehr deutlich. Derzeit werden verstärkt Schäden bei Fugen an neuen Betondecken, insbesondere Flankenablösungen und Versprödungen der Fugenvergussmasse beobachtet. Hier werden mögliche Schadensursachen ermittelt mit dem Ziel, über die komplexen Wirkungszusammenhänge ein Fugenfüllsystem mit Heißvergussmassen zu entwickeln, das den technischen Anforderungen an das Gesamtsystem "Betonstraße" gerecht wird.
Der Bericht liefert einen Überblick über die Gefährdung von stählernen Fahrbahnplatten hinsichtlich Ermüdungsschäden, ordnet diese Gefährdungen in Gefährdungskategorien ein und gibt Strategien und Verfahren zu einer nachhaltigen Instandsetzung vor allem von Deckblechschäden und Schäden an der Verbindung zwischen Längsrippe und Deckblech an. Im Einzelnen geht der Bericht auf die Entwicklung stählerner Fahrbahnplatten bis zur heutigen Standardlösung ein, auf deren Weg sich einige Konstruktionen als besonders schadensanfällig erwiesen haben. Eine Aufgabe ist es daher, bestehende Brücken und die heutige Standardlösung zukunftssicher zu machen. Für die Zukunftssicherung ist besonders die Dauerhaftigkeit des Deckblechs und seiner Verbindungen zu Rippen und Querträgern wichtig. Zur Verringerung der Ermüdungsbelastung des Deckblechs gibt es Verfahren zur direkten Deckblechverstärkung und zur Effizienzsteigerung des Fahrbahnbelags zur Verbesserung der Verbundwirkung mit dem Deckblech. Die vorgestellten und untersuchten Verfahren zur direkten Deckblechverstärkung sind: - Aufbringen einer Elastomersandwichstruktur mit einem neuen zusätzlichen Stahldeckblech (Sandwich Plate System (SPS) , Pilotprojekt in NRW), - Stahlfaserbewehrter hochfester Beton mit Stahlbewehrungseinlagen (Pilotprojekte in den Niederlanden), - Aufkleben von Zusatzblechen (Versuchsstadium). Zur Effizienzsteigerung des Fahrbahnbelags ist es nötig, eine Optimierung zwischen zwei sich widersprechenden Zielsetzungen zu erreichen: 1. Dauerhaftigkeit des Belages durch ausreichende Elastizität des Belags und Reduktion der Verbundwirkung, 2. Dauerhaftigkeit des Stahlblechs und der Verbindungsnaht mit der Längsrippe durch höhere Steifigkeit des Belags und Verbesserung der Verbundwirkung. Dazu sind Versuche mit Belägen mit modifiziertem Bitumen (PmB25A) und mit hohlraumreichem Asphalttraggerüst mit nachträglichem Verguss (HANV) durchgeführt worden, die Tendenzen zu Verbesserungen erkennen lassen. Für eine weitere Optimierung der beiden Varianten sind gezielte Kleinteilversuche zur Bestimmung von temperatur- und frequenzabhängigen Stoffeigenschaften, die sich für Grenzzustandsberechnungen eignen, erforderlich. Die Berechnungsmodelle müssten an bauteilähnlichen Prüfkörpern überprüft werden. Der Bericht gibt Empfehlungen wie eine Verbesserung der Verbundeigenschaften zwischen Stahldeckblech Asphaltbelag erreicht werden kann.
Als Fugenfüllungen für die Fugen zwischen dem Asphaltbelag und dem Schrammbord werden in den ZTV Fug-StB 01 heiß verarbeitbare elastische Fugenmassen vorgeschrieben. Bei Fugenspaltbreiten ab 15 mm sind zwischen den Fugenfüllungen neben der Schutzschicht und den Fugenfüllungen neben der Deckschicht als Unterfüllstoff rechteckige Profile oder Trennstreifen vorzusehen. Dieser eingelegte Unterfüllstoff oder Trennstreifen soll die Drei-Flanken-Haftung der Fugenfüllung verhindern, da hierdurch die Spannungen an den Fugenflanken vergrößert würden, was zu einem Ablösen der Fugenflanken führen könnte. Die Verwendung der Unterfüllstoffe und Trennstreifen ist aber nicht unproblematisch, da Wasser, welches durch kleine Schäden in die Fugen eindringt, sich entlang des Unterfüllstoffes verteilen kann. Der Schrammbord wird über große Längen geschädigt, wobei diese Schädigung evtl. lange Zeit unerkannt bleibt. Im Rahmen des Forschungsprojektes 98222 "Bewegungen der Randfugen auf Brücken" hat sich aus der Gegenüberstellung der tatsächlich gemessenen mit den sich aus den Abmessungen der Randfugen ergebenden theoretisch möglichen Fugenbewegungen gezeigt, dass die Fugenfüllungen der Randfugen auf Brücken bei weitem nicht bis an die Grenze ihrer Dauerfestigkeit belastet werden. Ein Weglassen der Unterfüllstoffe sollte daher theoretisch möglich sein, ohne die Dauerhaftigkeit der Fugenfüllung zu gefährden. Allerdings sind die Bedingungen auf der Baustelle in den meisten Fällen nicht mit den Bedingungen bei der Prüfung der Dauerfestigkeit der Fugenfüllungen im Labor zu vergleichen. Daher treten in der Praxis oftmals Schäden auf. Durch Feldversuche sollte daher im Rahmen dieses Projektes überprüft werden, welche Auswirkungen das Weglassen des Unterfüllstoffes in der Praxis haben kann. Die Ergebnisse der Zustandsbewertung nach circa dreijähriger Liegezeit der Fugenfülllungen zeigen, dass die Unterschiede in der Dauerhaftigkeit der Ausführung der Fugenfüllungen mit und ohne Unterfüllstoff eher geringfügig sind. Eine weitere sporadische Beobachtung der Fugenfüllungen über die nächsten Jahre erscheint angebracht. Eine eindeutige und in allen Fällen zutreffende Beantwortung der Frage, ob die Fugenfüllungen der Randfugen mit oder ohne Unterfüllstoff ausgeführt werden sollen, ist dennoch zurzeit noch nicht möglich. Die bisherigen Ergebnisse machen jedoch deutlich, dass die Sorgfalt beim Einbau den weitaus größten Anteil an der Dauerhaftigkeit der Fugenfüllungen hat.
Zur Zustandsbeurteilung von Brückenfahrbahnplatten ist es wichtig, die Feuchte und den Salzgehalt des bewehrten Betons zu kennen. Üblicherweise wird die Versalzung mittels Potenzialmessung bestimmt und durch Laboranalyse von Proben verifiziert. Diese Methode erfordert aber das Entfernen des Fahrbahnbelags. Um eine zerstörungsfreie Bestimmung des Betonzustandes und des Salzgehaltes des Betons mit einem fahrzeugbasierten Messsystem von der Fahrbahn aus durchführen zu können, wurde eine Kombinationsmethode aus Georadar und Magnetfeldmessung entwickelt. Ermittelt man die komplexe Dielektrizitätskonstante (DK) des Baustoffs im Mikrowellen-Bereich, so ist es möglich, über entsprechende Kalibrationskurven seine Feuchte und seinen Salzgehalt abzuleiten. Mit einem 1 GHz-Bodenradar wird die Laufzeit der elektromagnetischen Wellen von der Fahrbahnoberfläche bis zur oberflächennahen Bewehrung bestimmt. Die Tiefe dieser Bewehrungsstähle wird unabhängig durch eine magnetische Gleichfeld-Methode ermittelt. Nach Aufmagnetisierung werden mehrere Gradientenkomponenten des statischen magnetischen Feldes der Bewehrungsbügel gemessen und daraus die Bügeltiefe berechnet. Diese magnetische Tiefenbestimmung ist unabhängig von den dielektrischen Eigenschaften der dazwischen befindlichen Materialien. Durch Vergleich der Radar-Laufzeit mit der magnetisch gemessenen Tiefe lässt sich der Realteil der effektiven DK des überdeckenden Betons bestimmen. Die Analyse der reflektierten Radar-Amplitude erlaubt eine Abschätzung des Salzgehaltes. Zusätzlich wurde ein dielektrischer Resonator für die Feuchte- und Salzgehaltmessung von Baustoffen entwickelt, der aus einer zylindrischen Mikrowellenkeramik hoher DK in einem halboffenen Metallgehäuse besteht. Aus der Messung der Resonanzfrequenz und der Güte beim Aufbringen des Resonators auf den Baustoff lässt sich sein Feuchte- und Salzgehalt ableiten. Die an Beton-Probekörpern bekannter Feuchte und Versalzung durchgeführten experimentellen Untersuchungen bestätigten die Erwartungen. Ein Radar-Magnet-Messwagen wurde entwickelt und auf zwei Brückenbauwerken erfolgreich erprobt. Die effektive komplexe DK konnte gut bestimmt werden.
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.
Im ersten Teil des Forschungsvorhabens wurden von der BASt in Zusammenarbeit mit den Straßenbauverwaltungen der Bundesländer vergleichende Untersuchungen an verschiedenen Bauarten von Brückenbelägen auf insgesamt 99 Brücken vorgenommen. Aufgrund der Untersuchungsergebnisse und des damaligen Erfahrungshintergrundes wurden 1987 die Bauarten mit Dampfdruckentspannungsschicht wegen der Gefahr der Unterläufigkeit vom Einsatz im Bereich der Bundesverkehrswege ausgeschlossen. Stattdessen werden seither die Bauarten mit einer flächig verklebten Dichtungsschicht gemäß den "Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für das Herstellen von Brückenbelägen auf Beton" (ZTV-BEL-B) Teile 1 bis 3 verwendet. Die Betonoberfläche der Fahrbahntafel muss bei allen Bauarten mit Reaktionsharz auf Epoxidbasis behandelt werden. Dieser Bericht enthält die Erfahrungen, die seit Einführung der ZTV-BEL-B bei Baustellenbegehungen, bei Stellungnahmen zu Schadensfällen, bei der Mitarbeit in Gremien für die Regelwerkserstellung, bei der Auswertung der Fremdüberwachungsergebnisse der Baustoffe und bei der Führung der "Zusammenstellung der geprüften Stoffe und Stoffsysteme nach ZTV-BEL-B" gewonnen wurden. Es werden die Entwicklungen der Bauarten und die bekannt gewordenen Fehlerquellen geschildert. Die dabei getroffene Auswahl der Schadensfälle erhebt keinen Anspruch auf Repräsentanz. Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Behandlung der Betonoberflächen mit einem Reaktionsharz auf Epoxid-Basis als Grundierung, Versiegelung oder Kratzspachtelung auf einer abtragend vorbereiten Betonoberfläche die Voraussetzung für einen dauerhaften Verbund der nachfolgenden Dichtungsschicht schafft. Weitaus am meisten wird die Bauart nach ZTV-BEL-B Teil 1 mit einer Dichtungsschicht aus einer Bitumenschweißbahn und einer Schutzschicht aus Gussasphalt eingesetzt. Die Bauart nach den ZTV-BEL-B Teil 2 mit einer Dichtungsschicht aus zwei Lagen Bitumen-Bahnen und Schutz- und Deckschicht aus Walzasphalt (Splittmastixasphalt oder Asphaltbeton) wird dort eingesetzt, wo Walzasphalt bevorzugt wird oder Gussasphalt nicht verfügbar ist. Auch bei stärkerer Neigung der Fahrbahn (über ca. 7 Prozent) kann nur Walzasphalt eingebaut werden. Die Bauart nach ZTV-BEL-B Teil 3 mit einer Dichtungsschicht aus flüssig appliziertem Reaktionsharz, meist Polyurethan, und einer Schutzschicht aus Gussasphalt ist wegen des höheren Preises eher für Sonderfälle geeignet, wie Flächen mit komplizierter Geometrie und Aufkantungen, Anschlüsse an vorhandenen Kappen und so weiter. Die bisherigen Erfahrungen bestätigen, dass mit den ZTV-BEL-B Teile 1 bis 3 die Grundlage für den Bau hochwertiger Dichtungsschichten geschaffen wurde. Die in diesem Bericht geschilderten Schäden sind Einzelfälle. Die große Mehrzahl der Brückenbeläge ist ohne Schäden und dichtet den Beton der Brückentafeln zuverlässig ab. Bei Einhaltung der in den ZTV-BEL-B vorgegebenen Anforderungen an die Stoffe und die Bauausführung ist eine hohe Ausführungssicherheit gegeben. Schäden entstanden meistens durch Nichtbeachtung dieser Vorgaben bei der Ausführung, und zwar aus Gründen der Kosteneinsparung oder wegen fehlender Fachkenntnis. Infolge der dauerhaften flächigen Verklebung der Dichtungsschichten nach den ZTV-BEL-B hat die Abdichtung (Dichtungsschicht und Schutzschicht) eine wesentlich längere Lebensdauer als bei den früheren Belägen mit Trennschicht. Anstatt wie früher den gesamten Belag erneuern zu müssen, genügt bei standfester Schutzschicht nun die turnusmäßige Instandsetzung der Deckschicht. Die Abdichtung kann somit über viele Jahrzehnte auf der Brückentafel verbleiben. Wichtige Weiterentwicklungen waren im Beobachtungszeitraum die Fortschreibung der Regelwerke, insbesondere der Technischen Lieferbedingungen und Prüfvorschriften sowie die in die Praxis umgesetzten Forschungsergebnisse auf den Gebieten der Behandlung mit Reaktionsharz auf dauerhaft feuchtem Beton (zum Beispiel Trog- und Tunnelsohlen) sowie auf jungem Beton zur Verringerung der Bauzeit und der Optimierung des Kratzspachtels. Weiterentwicklungen erscheinen noch auf dem Gebiet der Asphalte für die Schutz- und Deckschichten erforderlich, um die Standfestigkeit zur Aufnahme der wachsenden Verkehrsbelastung zu verbessern.
Im Rahmen des BASt-Projektes "Neue reaktionsharzgebundene Dünnbeläge" als Fahrbahnbeläge auf einem "D-Brücken-Gerät" wurden RHD-Beläge nach den Vorgaben der ZTV-RHD-ST bei einer praktischen Anwendung auf einer Behelfsbrücke im Zuge der Bundesstraße B 51 bei Wuppertal untersucht. Dabei konnten die Vorgaben der ZTV-RHD-ST, vor allem der homogene Belagsaufbau und die vorgeschriebenen Abstreumaterialien, eindrucksvoll betätigt werden. Die ZTV-/TL-TP-RHD-ST wurden mit ARS Nummer 29/1999 vom 11. Dezember 1999 für den Geschäftsbereich der Bundesfernstraßen eingeführt. Den Herstellern wurde eine Übergangszeit bis zum 31. Dezember 2000 eingeräumt, in der noch RHD-Beläge nach dem "Merkblatt für reaktionsharzgebundene Dünnbeläge auf Stahl" zugelassen waren. Seit dem 1.1.2001 dürfen nur noch RHD-Beläge nach den ZTV-RHD-ST verwendet werden. In der gültigen Zusammenstellung der geprüften Dünnbeläge nach den ZTV-RHD-ST für die Anwendung an Bauwerken und Bauteilen der Bundesverkehrswege, Stand 12. Februar 2001, sind drei RHD-Belagsysteme aufgeführt. Es handelt sich hierbei um ein System auf der Basis von Epoxidharz/Polyurethan sowie um zwei Polyurethan-Systeme. Ein weiteres Belagsystem auf der Basis von Methacrylat befindet sich zurzeit in der Grundprüfung.