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In einem Kurzabriss wird über ein Forschungsvorhaben berichtet, das zum Ziel hat, geeignete Maßnahmen zur Heizung von Straßenbrücken zwecks Glättevermeidung im Winter zu entwickeln. Das Projekt wird durch die Bundesanstalt für Straßenwesen betreut und durch die RWTH Aachen und die Universität der Bundeswehr München bearbeitet. Es ist bekannt, dass Brückenfahrbahntafeln eher vereisen als die angrenzende Strecke und damit ein erhöhtes Sicherheitsrisiko für den Verkehrsteilnehmer bilden. Bisher wird diesem Gefahrenpotenzial durch ein Frühwarnsystem mit vorsorglichem Streudienst oder in einigen besonders gefährdeten Bereichen durch Taumittelsprühanlagen begegnet. Die Salzstreuung bringt jedoch Nachteile für die Dauerhaftigkeit der Brücken und für die Umwelt mit sich. Eine intelligente Beheizung der Fahrbahntafeln mit Nutzung der Geothermie bildet eine umweltschonende Variante zur Vermeidung von Glättebildungen auf Brücken. Wird die Geothermie auch im Sommer betrieben, so könnte die Fahrbahnplatte gekühlt und damit der Bildung von Spurrinnen entgegengewirkt werden. In europäischen Nachbarländern gibt es bereits ausgeführte Pilotprojekte der Brückenheizung, bei denen jedoch eine vollständige Freihaltung von Eis vorgenommen wird. Bei dem vorgestellten Forschungsvorhaben soll hingegen das Vereisungsverhalten auf der Brücke dem der Strecke angepasst werden. Dies erfolgt mittels einer neu entwickelten Mess-, Steuerungs- und Regelungsanlage, die die meteorologischen und bauwerksspezifischen Randbedingungen berücksichtigt und gleichzeitig den Energieaufwand minimiert. Nach durchgeführten Laboruntersuchungen wurde das System auf einem Freigelände mit gutem Erfolg getestet. Im nächsten Schritt wird im Rahmen der Erneuerung einer Straßenbrücke im Zuge der B 208 über den Elbe-Lübeck-Kanal ein Pilotprojekt durchgeführt.
Bei der ersten Bauwerksprüfung nach dem Austausch des Brückenbelags wird bei Stahlbrücken häufig eine überproportional hohe Anzahl an Schweißnahtrissen in der orthotropen Fahrbahnplatte festgestellt. Die naheliegende Vermutung ist, dass diese Schäden im Zusammenhang mit den Beanspruchungen stehen, die beim Austausch des Brückenbelags entstehen.
Relevante Beanspruchungen können beim Entfernen des alten Brückenbelags, z. B. durch die dynamischen Belastungen beim Fräsen oder beim Einbau des neuen Brückenbelags, durch die thermische Belastung beim Einbau des Gussasphaltes oder ggf. beim Walzen, z. B. durch die dynamischen Belastungen beim Verdichten von Walzasphalt-Deckschichten auftreten.
Verschärft wird die Problematik durch die Entwicklung von immer leistungsfähigeren Maschinen wie Hochleistungsfräsen oder Asphalt-Fertiger mit immer breiteren Einbaubohlen.
Im Rahmen des Forschungsprojekts werden Grundlagen für weiterführende Untersuchungen zum Thema „Beanspruchung von Stahlbrücken beim Austausch des Brückenbelags“ erarbeitet und dargestellt. Im Mittelpunkt steht dabei die Temperaturbelastung der Stahlkonstruktion infolge des „Einbaus des neuen Brückenbelags“.
Zu diesem Zweck wurden verschiedene Erneuerungsmaßnahmen fachtechnisch begleitet, um den Prozessablauf zu dokumentieren und um exemplarische Temperaturverteilungen in der orthotropen Fahrbahnplatte während des Asphalteinbaus zu ermitteln. Dabei handelt es sich um folgende Bauwerke:
• Rheinbrücke Leverkusen
Einbau einer Deckschicht aus Gussasphalt am 20.05.2016.
• Wiehltalbrücke
Fräsen, Einbau einer Deckschicht aus lärmreduziertem Porous Mastix Asphalt (PMA), Walzen am 17.07.2017.
• Rheinbrücke Duisburg-Neuenkamp
Einbau einer Deckschicht aus Gussasphalt am 15.08.2017.
• Hochmoselbrücke
Einbau einer Schutzschicht aus Gussasphalt am 28.06.2019.
Die daraus ermittelten Ergebnisse bilden eine erste Grundlage für weitergehende numerische Parameterstudien. Darüber hinaus werden Empfehlungen für zukünftige Baumaßnahmen gegeben.
Bei Fahrbahnoberflächen von Brücken kommt es schneller zur Bildung von Glätte als auf Straßenabschnitten mit direktem Kontakt zum Erdboden. Insbesondere bei Brücken an ungünstigen Standorten wie in der Nähe von Gewässern oder in Einschnitten besteht vor allem im Spätherbst und im zeitigen Frühjahr eine besondere Gefahr für die Verkehrsteilnehmer.
Dem erhöhten Sicherheitsrisiko wird in der Regel mit einem intensivierten Winterdienst begegnet, was allerdings einen überdurchschnittlich hohen Zeitaufwand und Personaleinsatz bedeutet. Taumittelsprühanlagen können zu einer Entlastung führen, sind jedoch aufgrund ökologischer und ökonomischer Bedenken umstritten. Eine Alternative stellt die Temperierung der Fahrbahn dar, die im BAStBericht B 87 „Vermeidung von Glättebildung auf Brücken durch die Nutzung von Geothermie“ ausführlich erläutert ist.
Beim Ersatzneubau der Brücke über den Elbe-Lübeck-Kanal in der Ortslage Berkenthin kam erstmals in Deutschland eine mittels Geothermie temperierte Fahrbahnplatte zum Einsatz. Im Rahmen der fachtechnischen Begleitung dieser Pilotanwendung erfolgten umfangreiche Temperaturmessungen an der alten Brücke, und es wurden Einbau sowie Inbetriebnahme der Temperierungseinrichtung bei der neuen Brücke dokumentiert.
Zwei Aspekte stellen dabei eine grundlegende Innovation bei der Temperierung von Fahrbahnbelägen dar. Zum einen wurden die Rohrregister erfolgreich „schwimmend“ inmitten des Asphaltkörpers platziert, und zum anderen wird die Anlage über ein Mess, Steuer- und Regelungssystem betrieben, sodass eine Temperierung nur im Bedarfsfall erfolgt.
Die ursprünglich vorgesehene vergleichende Betrachtung des Temperaturverhaltens konnte in Ermangelung geeigneter Messdaten der neuen Brücke nicht erfolgen. Somit war eine quantitative Bewertung der temperierten Fahrbahn nicht möglich. Ungeachtet dessen werden aus den gewonnenen Erkenntnissen bautechnische Empfehlungen abgeleitet, die sich für ähnliche Maßnahmen als hilfreich erweisen dürften.
Der Originalbericht enthält als Anhang einige ausgewählte Temperaturverläufe und eine gutachterliche Stellungnahme zum thermischen Verhalten von beheizten Fahrbahnplatten und deren Temperierungssystem auf Brücken.
Bei Fahrbahnoberflächen von Brücken und insbesondere von Stahlbrücken besteht gegenüber dem Straßenverlauf vor und hinter der Brücke die Gefahr einer vorzeitigen Glättebildung, da die relativ dünnen Fahrbahntafeln schnell auskühlen, während der dickere Belagsaufbau und der Untergrund auf der freien Strecke wie ein Wärmespeicher wirken. Insbesondere bei Brücken an ungünstigen Standorten, wie in der Nähe von Gewässern oder in Einschnitten, besteht vor allem im Spätherbst und am Beginn des Frühjahrs eine besondere Gefahr für die Verkehrsteilnehmer. Dieser besonderen Gefährdung des Verkehrs wird derzeit entweder durch Frühwarnsysteme mit vorsorglichem Streudienst oder durch Taumittelsprühanlagen begegnet. Eine weitere Möglichkeit die besondere Gefährdung aus dem Vereisungsverhalten der Brückenfahrbahn zu beseitigen, ist die, den Fahrbahnbelag der gefährdeten Brücken in den kritischen Zeiträumen zu beheizen. Dadurch wird die Salzbelastung für die Umwelt und auch für das Bauwerk reduziert. Im BASt"Bericht B87 "Vermeidung von Glättebildung auf Brücken durch die Nutzung von Geothermie" [2] wird diese umweltfreundliche Alternative ausführlich erläutert. Im Rahmen des hier beschriebenen Projekts wurden ergänzende Untersuchungen durchgeführt, um weiterführende Erkenntnisse über das Verbundverhalten und die Dauerhaftigkeit von Gussasphalt mit integrierten Rohrregistern zu gewinnen und daraus Empfehlungen für die Praxis abzuleiten. Zum einen handelt es sich um Abreissversuche an zwei D-Brückenmodulen mit Fahrbahntemperierung, zum anderen um Langzeitmessungen auf einer Straßenbrücke, bei der im Rahmen einer Erneuerung des Fahrbahnbelags probeweise Rohrregister eingebaut wurden. Es wurden verschiedene Systeme untersucht, die eine sichere Befestigung der Rohrregister auf der Unterlage gewährleisten und gleichzeitig den Einbau der Deckschicht möglichst wenig behindern. Desweiteren wurde die Ausrichtung der Rohre untersucht und die Dauerhaftigkeit überprüft. Großflächige Befestigungsgitter haben sich zur Fixierung von Rohrregistern für die in Deutschland üblichen Fahrbahnbeläge als ungeeignet erwiesen, da sie einen ausreichenden Schichtenverbund behindern. Für die Befestigung der Rohrregister sind daher wenig störende Befestigungsmittel wie z.B. halbseitige Rohrschellen zu empfehlen. Für quer zur Fahrtrichtung ausgeführte Rohrregistern konnte die grundsätzliche Praxistauglichkeit hinsichtlich des Einbaus und der Dauerhaftigkeit unter Verkehrsbelastung nachgewiesen werden. Als entsprechender Nachweis für längs zur Fahrtrichtung ausgeführte Rohrregister dient die erfolgreiche Pilotanwendung bei der Kanalbrücke Berkenthin. Im Hinblick auf die Dauerhaftigkeit konnten im Untersuchungszeitraum von 5 Jahren keine Einschränkungen festgestellt werden. Es wurden weder Risse noch Verformungen im Fahrbahnbelag indiziert. Für eine weitere Beurteilung des Langzeitverhaltens sollten auch zukünftig regelmäßige Begehungen und Messungen erfolgen.
