In den letzten Jahren hat sich eine neue Konstruktionsform im Straßenbrückenbau etabliert. Hierbei handelt es sich um architektonisch anspruchsvolle, optisch ansprechende Verbundbrücken, die aus einem dreigurtigen Raumfachwerk mit Untergurt und Streben aus stählernen Rundhohlprofilen bestehen. Die Obergurte werden in die betonierte Fahrbahnplatte integriert. Als besonders günstig hat sich bei der Gestaltung des Raumfachwerks die Anordnung der Streben in Form von fallenden und steigenden Diagonalen erwiesen. Der Untergurt bildet bei einer solchen Anordnung zusammen mit den Streben jeder Fachwerkwand die Form eines liegenden Ks. Der komplette Raumfachwerkknoten wird daher als räumlicher K-Knoten oder KK-Knoten bezeichnet. Neuartig an der im Rahmen dieses Forschungsvorhabens untersuchten Bauweise ist die Ausführung der Fachwerkknoten als Schweißknoten. Das heißt, es wird die Möglichkeit des direkten Verschweißens der Streben auf dem Gurtprofil untersucht. Bisher sind in Deutschland Rohrknoten im Brückenbau ohne Knotenbleche nur als Gussknoten ausgeführt worden. Schweißknoten besitzen gegenüber der Gussknotenausführung drei wesentliche Vorteile. Zum Ersten werden durch die direkte Verschweißung die Gussformstücke eingespart, die aufgrund ihrer individuellen Herstellung einen wesentlichen Kostenfaktor darstellen. Zum Zweiten besitzt der Schweißknoten ein gutartiges Ermüdungsverhalten, da der Rissfortschritt nicht vom Inneren der Konstruktion ausgeht, sondern an der Außenseite beginnt. Damit bestehen die Möglichkeit einer frühzeitigen Detektion bei einer Brückenkontrolle und die Option für eine Ertüchtigung der ermüdungskritischen Tragwerksstellen durch eine Nachbehandlung. Zum Dritten wird der Planungs- und Ausführungsprozess gestrafft, da die relativ langen Vorlaufzeiten für die Gussknotenerstellung entfallen und mögliche Unterbrechungen bei Qualitätsmängeln an den Gussknoten, die durch den Neuguss entstehen, ausgeschlossen sind. Aus der Sicht der Materialermüdung bedarf der Schweißknoten im Vergleich zum Gussknoten zusätzlicher Untersuchungen. Im Bereich der Gurt-Streben-Verbindung kommt es durch die plötzliche Geometrieänderung zu hohen Spannungskonzentrationen. Zusätzlich erfährt der Ermüdungswiderstand in diesem Bereich aufgrund der metallurgischen Kerbe (Schweißkerbe) eine Reduzierung. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass bei einer Schweißknotenausführung der Ermüdungsnachweis in der Regel für die Ausbildung des Raumfachwerks im Straßenbrückenbau bemessungsbestimmend wird. Aufgrund der komplizierten Geometrie kann die Bewertung des Ermüdungsverhaltens eines KK-Knotens nicht auf der Grundlage des Nennspannungskonzeptes erfolgen, sondern muss auf der Ebene der Strukturspannungen (Hot-Spot-Konzept) geführt werden. Eine praxisnahe Ermittlung der Strukturspannungen setzt das Vorhandensein tabellarisch oder graphisch aufbereiteter Spannungskonzentrationsfaktoren (SCF-Werte) voraus. Für den KK-Knoten im Off-Shore-Bereich, Kranbau und Hochbau stehen solche SCF-Werte zur Verfügung. Wegen der starken Abhängigkeit der SCF-Werte von den Verhältnissen der Durchmesser und Wanddicken der Gurt- und Strebenprofile ist eine einfache Übertragung der existierenden SCF-Werte auf die im Straßenbrückenbau besonderen Durchmesser-Wanddicken-Verhältnisse jedoch nicht möglich. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wird der KK-Knoten mit straßenbrückentypischer Geometrie einer ganzheitlichen Betrachtung aus der Sicht der Materialermüdung unterzogen. Für alle Phasen des Planungs- und Umsetzungsprozesses werden praxisnahe Empfehlungen gegeben. Die entwickelten Entwurfsempfehlungen fassen alle wesentlichen, entwurfsbestimmenden Grundsätze zusammen, die aus der unmittelbaren Abhängigkeit zwischen Stab- und Knotendimensionierung bei einem Fachwerk aus Hohlprofilen mit unversteiften KK-Knoten resultieren. Die Entwurfsempfehlungen stellen eine Synthese der besonders auch im europäischen Ausland gesammelten Erfahrungen an Pilot-Brückenvorhaben dar. Die Bemessungsempfehlungen geben dem Tragwerksplaner ein wirkungsvolles Werkzeug bei der Führung des Ermüdungsnachweises an die Hand. Die im Rahmen dieses Forschungsvorhabens entwickelten SCF-Werte ermöglichen eine sichere und wirtschaftliche Ermittlung der Strukturspannungen. In den Ausführungsempfehlungen werden Hinweise zur Qualitätssicherung zusammengefasst, die in den Bemessungsempfehlungen unterstellten Voraussetzungen am Bauwerk sicherzustellen. Durch alle Empfehlungen wird auch unter den anspruchsvollen Bedingungen im deutschen Straßenbrückenbau eine wirtschaftliche Realisierung von ästhetisch ansprechenden Verbundfachwerkbrücken aus Hohlprofilen mit geschweißten KK-Knoten möglich. Die Arbeiten erfolgten in Abstimmung mit dem FOSTA-Projekt P 591 "Wirtschaftliches Bauen von Straßen- und Eisenbahnbrücken aus Stahlhohlprofilen".
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.
Im Rahmen des Projektes wurde der Frage nachgegangen, wie Art und Intensität der Betonoberflächenvorbereitung und die thermische Beanspruchung durch Aufschweissen einer Bitumenschweissbahn sowie Aufbringen von Gussasphalt den Verbund zwischen Beton und Grundierung, dem Verbindungselement zwischen Untergrund und Dichtungsschicht aus einer Bitumenschweissbahn, beeinflusst. Variiert wurden: - Beton (ein C30/37, Oberfläche abgezogen, und ein C35/45, geglättet), - Betonoberflächenbehandlung (Kugelstrahlen, Walzenfräsen und Klopffräsen sowie Kombinationen aus Fräsen und Strahlen), - Rautiefe (0,2-0,3 mm = klein (leicht angestrahlt); 0,5-0,6 mm = mittel (Feinkorn freigelegt); 0,6-0,9 mm = gross (Grobkorn freigelegt) und - Grundierung (3 Varianten). Beurteilt wurde die Qualität des Verbundes anhand des Abreissversuches, der vor und nach dem Grundieren sowie nach der thermischen Beanspruchung, die wirklichkeitsgetreu simuliert wurde, durchgeführt wurde. Die Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden: Die Mindestanforderungen der ZTV-ING Teil 7 Abschnitt 1 hinsichtlich der Abreissfestigkeit (1,5 N/mmÌ£ im Mittel, 1,0 N/mmÌ£ je Prüfstelle) wurden mit allen Verfahren und Rauheiten zu jedem Zeitpunkt erreicht. Tendenziell wurden die höchsten Abreissfestigkeiten mit alleinigem Kugelstrahlen erzielt, wobei kein signifikanter Unterschied zwischen den damit hergestellten Rautiefen (gering und mittel) bestand. Walzenfraesen allein (grosse Rautiefe) führte zur geringsten Abreissfestigkeit. Nachgeschaltetes Kugelstrahlen erhöhte die Abreissfestigkeit. Auch ohne Betonoberflächenvorbereitung konnten überwiegend genauso hohe Abreissfestigkeiten erreicht werden wie mit Oberflächenvorbereitungsverfahren. Nach der thermischen Beanspruchung traten jedoch zum Teil Adhäsionsbrüche zwischen Grundierung und Beton auf, und die Anforderungen an die Abreissfestigkeit wurden nicht immer erfüllt. Daher sollte die Betonoberfläche immer abtragend vorbereitet werden. Bei Anwendung von Betonoberflächenvorbereitungsverfahren wurde im Abreissversuch immer Betonbruch erzielt und die Abreissfestigkeit durch die thermische Beanspruchung beim Aufschweissen der Bitumenschweissbahn und beim Aufbringen von Gussasphalt nicht negativ beeinflusst.
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.
Die Brücke hat eine Länge von 660 Metern und überquert das Haseltal mit einer maximalen Höhe von 70 Metern. Sie ist ein Durchlaufträger über sieben Felder mit Stützweiten von 5 x 101,60 Metern für die Mittelöffnungen und 2 x 76,20 Metern für die Endfelder. Zwei im Abstand von 18,53 Metern angeordnete vollwandige Hauptträger unterstützen die als orthotrope Platte ausgebildete 29,30 Meter breite Fahrbahntafel. Die seitlichen Kragarme sind über 5 Meter weit gespannt. Erbaut wurde die Brücke in den Jahren 1959 bis 1961. Die konstruktive Ausbildung des Überbaus wird im Einzelnen beschrieben. Auffällig ist das geringe Flächengewicht des Überbaus von nur 248 Kilogramm je Quadratmeter. Beschrieben wird zunächst der Bauablauf mit einigen Besonderheiten, ausserdem die Prüfungen während der Bauausführung und der Zustand des Bauwerks zum Ablauf der zehnjährigen Gewährleistungszeit. Bei einer Hauptprüfung des Überbaus wurden 1983 neben anderen Schäden zahlreiche systematische Risse, besonders in den Schweissnähten festgestellt, die 1985 bis 1988 zu einer umfangreichen Instandsetzung führten. Im Jahre 2002 wurden erneut viele Risse in den Schweissnähten gefunden, die umgehend wieder instand gesetzt wurden. Es wurden jährliche Sonderprüfungen angeordnet und wegen des desolaten Zustandes des Überbaus ein Neubau beschlossen. Einzelheiten zu den Schadensursachen, die durch Gutachten und Versuche festgestellt wurden, werden dargestellt.
Im Beitrag wird über Rissbildungen in orthotropen Fahrbahnplatten, die im "Schubzahn" des Querträgerstegblechs von den Anschlussschweissnähten trapezförmiger Längsträger ausgehen, berichtet. Der Rissausgangspunkt liegt im Bereich der Ausnehmung des Querträgersteges für die durchlaufenden Längsträger. Durch Optimierung der Querträgerausnehmung und örtliche Verstärkung (Aufpflasterung) des Querträgerstegblechs im Bereich des Schubzahnes soll eine dauerhafte Instandsetzung der aufgetretenen Schäden ermöglicht werden. Durch genauere numerische und versuchstechnische Untersuchungen soll diese Aussage untermauert werden. Einzelheiten der bereits durchgeführten Untersuchungen werden mitgeteilt.
Im Beitrag wird zunächst der Begriff "Orthotrope Fahrbahnplatte" erläutert: Früher war das Konstruktionsprinzip des Brückenbaus so, dass jedes Tragglied die ihm eigene und zugewiesene Last allein zu tragen hatte und die daraus entstandenen Auflagerbelastungen an das nächste unterstützende Bauteil weitergab. So ging es von der Fahrbahn ueber Längs- und Querträger zu den Hauptträgern, und von da aus zu den Auflagern, Pfeilern, Fundamenten bis zum Baugrund. Nach dem 2. Weltkrieg wurden andere Lastabtragungsmodelle entwickelt. Bei der "Orthotropen Platte" handelt sich um eine für den Stahlbrückenbau entwickelte Bauweise, die aus einem oberen ebenen Stahlblech besteht, welches die Abdichtung und den Fahrbahnbelag trägt. Dieses wird auch Deckblech genannt. Das Deckblech wird durch ein rechtwinkliges System von längs und quer angeordneten Stahlprofilen unterschiedlicher Steifigkeit (Laengssteifen und Querträger) unterstützt. Das aus den drei Bestandteilen bestehende kombinierte System der Fahrbahntafel ist ausserdem mittragender Bestandteil des Gesamttragsystems der Brücke. An Beispielen werden die verschiedenen Möglichkeiten der konstruktiven Ausbildung der Fahrbahntafel mit ihren Vor- und Nachteilen erläutert. Es werden Hinweise zur Berechnung und baulichen Durchbildung insbesondere der Schweissverbindungen zwischen Deckblech und Längsrippen und des Stosses der Rippen (Fensterstoß) sowie zur Steifigkeit der Querträger gegeben. So genannte Trapezprofile haben sich als die günstigste Form für die Längsrippen ergeben. Sie werden auch vorteilhaft als Beulsteifen für Stege und Bodenplatten bei Kastenträgerbrücken aus Stahl und bei Verbundbrücken angewendet.
Die Lastübertragung von den Fahrzeugrädern auf die Fahrbahntafel wird beschrieben, und es wird eine Übersicht der ermüdungsempfindlichen Schweissnahtbereiche von Deckblech, Längssteifen und Querträgern gegeben. Die charakteristischen Schwachpunkte der Schweissverbindungen werden in Skizzen dargestellt.
Der Beitrag behandelt ein Forschungsvorhaben, das die Instandsetzung und Ertüchtigung von Stahlbrücken, deren orthotrope Fahrbahntafeln durch Rissbildung beschädigt sind, die vorzugsweise im Bereich von Schweissnähten zwischen den Anschlüssen der Längsrippen und dem Deckblech aufgetreten ist, zum Ziel hat. Ursache der Schäden sind Materialermüdung infolge des stark gestiegenen Verkehrsaufkommens schwerer Fahrzeuge gegenüber der Bauzeit in den sechziger Jahren und die seitdem erheblich gestiegenen Achslasten. Durch das kraftschlüssige Aufkleben von Stahlblechen auf das Deckblech sollen dessen Steifigkeit erhöht und damit die Durchbiegungen verringert werden. Die Spannungen in den anschliessenden Schweissnaehten nehmen ab und können bei ausreichender Dicke des aufzuklebenden Bleches auf eine nicht mehr ermüdungsrelevante Größenordnung zurückgefuehrt werden. Wegen der sehr komplexen Gesamtaufgabe wurden die Untersuchungen in vier Teilbereiche aufgegliedert: 1. Computer-Simulation der Beanspruchung einer orthotropen Platte unter einem normierten Ermüdungslastmodell. 2. Optimierung der Klebtechnologie. 3. Dauerfestigkeitsuntersuchungen (Versuche). 4. Entwicklung und Prüfung von Konstruktionsdetails. Die Projekte 1 und 2 sind bereits erfolgreich abgeschlossen. Das Projekt 3 steht kurz vor dem Abschluss (10/2005). Projekt 4 wird in 2006 durchgeführt.