24 Brückenentwurf
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Der Bericht enthält die Beurteilung von schädigungsrelevanten Einwirkungen und Schädigungspotenzialen von Betonbrücken sowie deren Erfassung am Bauteil mithilfe aussagekräftiger Parameter und geeigneter Sensoren im Rahmen des Themenschwerpunkts "Intelligente Bauwerke" der BASt. Die Grundlage zur Beurteilung von Schädigungspotenzialen bildet die Auswertung tatsächlich aufgetretener Schäden an Stahlbeton- und Spannbetonbrücken (97.662 Schäden an 3.474 Brücken). Neben der Aufbereitung der chronologischen Entwicklung von Vorschriften und Normen für den Bau von Brücken wurden Schäden infolge von Planungs- und Entwurfsfehlern, sowie Ausführungsfehlern analysiert. Den Schwerpunkt des Berichts bilden die Darstellung und Bewertung von Schädigungspotenzialen getrennt für die Widerstandsseite(auffällige Bauteile/Konstruktionen) sowie für die Einwirkungsseite (relevante Einwirkungen). Bauteile und Konstruktionen werden dazu im Hinblick auf die Merkmale Standsicherheit, Dauerhaftigkeit und Verkehrssicherheit untersucht. Darüber hinaus werden maßgebende Einwirkungen aus den Umweltbedingungen und insbesondere die Einwirkungen infolge des (Schwer-)Verkehrs bewertet. In einem weiteren Arbeitsschritt werden geeignete Schädigungsmodelle zur Beschreibung bekannter Schädigungsprozesse bei Brücken aus Stahl- und Spannbeton dargestellt und die modellspezifischen Einflussgrößen detailliert aufbereitet. Die Darstellung relevanter Parameter zur Erfassung von Einwirkungen und Schäden an Brückenbauwerken, sowie die Erfassung dieser Parameter mit geeigneten Sensoren bilden einen weiteren Schwerpunkt des Projektes. Darüber hinaus werden die Grundlagen eines Datenerfassungssystems dargestellt und abschließend Genauigkeits- und Häufigkeitsbereiche für die Datenerfassung und die Möglichkeiten der Sensorplatzierung aufgezeigt. Die Zusammenstellung der Ergebnisse erfolgt in Form eines Handbuchs.
Umstellung der bautechnischen Bestimmungen im Brücken- und Ingenieurbau auf europäische Regelungen
(2002)
Der im November 1996 gefasste Beschluss des Bau-Koordinierungs-Normenaussschusses (NA) 07.1 "Brücken" nach einer baldmöglichen Anwendung der Eurocodes im Brückenbau wird nach Durchführung umfangreicher Vorarbeiten voraussichtlich Mitte 2002 mit der verbindlichen Einführung von DIN-Fachberichten verwirklicht werden. Seit Mitte 2001 stehen DIN-Fachberichte für die Bemessung und Konstruktion von Brücken- und Ingenieurbauwerken zur Verfügung, die in einer Erprobungsphase von etwa einem Jahr auf ihre Anwendbarkeit geprüft werden. Dies geschieht insbesondere anhand verschiedener Pilotprojekte. Die daraus gewonnenen Erfahrungen fließen in eine Fortschreibung der DIN-Fachberichte ein und sollen auch für die weitere Bearbeitung der Eurocodes bei CEN zur Verfügung gestellt werden. Gleichzeitig werden die zugehörigen vertraglichen Regelungen in den Zusätzlichen Technischen Vorschriften (ZTV) überarbeitet und zu einer ZTV-ING zusammengefasst. Die DIN-Fachberichte basieren auf den einschlägigen Eurocodes in der ENV-Fassung und den zugehörigen Nationalen Anwendungsdokumenten. Sie sind eine Zusammenfassung aller relevanten Regelungen aus den verschiedenen Eurocodes, nationalen Anpassungen und weiterhin gültigen nationalen Bestimmungen.
Durch die steigenden Verkehrszahlen haben sich die Anforderungen an Brückenbauwerke im Bestand in den letzten Jahren deutlich erhöht. Gleichzeitig ergeben sich heute durch Veränderungen in den Normen geringere rechnerische Querkrafttragfähigkeiten und höhere erforderliche Mindestquerkraftbewehrungen. Dadurch kann die Querkrafttragfähigkeit des Längssystems von bestehenden Brückenbauwerken häufig nicht mehr nachgewiesen werden, sodass Verstärkungsmaßnahmen erforderlich werden. In diesem, von der Bundesanstalt für Straßenwesen geförderten Forschungsvorhaben, wurden daher am Institut für Massivbau der RWTH Aachen experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Einfluss einer externen Längsvorspannung auf die Querkrafttragfähigkeit bestehender Spannbetonbrücken durchgeführt. Für die experimentellen Untersuchungen wurden sechs Teilversuche an drei Zweifeldträgern mit parabelförmigem internen Spannglied und einer Stützweite von jeweils 5,5 m durchgeführt. Zwei der drei Träger wurden zusätzlich durch gerade externe Spannglieder vorgespannt. Durch die Versuche wurde der Einfluss der externen Vorspannung auf die Erstrisslasten und Bruchlasten untersucht. Die Träger wurden zusätzlich in beiden Feldern jeweils unterschiedlich bewehrt, wobei eine Trägerhälfte in etwa mit der nach DIN-FB 102 erforderlichen Mindestquerkraftbewehrung bewehrt war und die andere mit der Hälfte davon. Dadurch konnte auch das Tragverhalten bei nicht vollständig vorhandener Mindestquerkraftbewehrung untersucht werden. Parameterstudien mit Finite Elemente Modellen ergänzen die Versuche, um die Einflüsse aus Vorspanngrad, Querkraftbewehrungsgrad, Betonfestigkeit, Querschnitt und Spanngliedführung auf die Querkrafttragfähigkeit näher zu untersuchen. Auf Grundlage der experimentellen und theoretischen Untersuchungen wurden dann bestehende Bemessungs- und Ingenieurmodelle überprueft und modifiziert.
Im Rahmen des Forschungsprogramms "Innovationsprogramm Straße" wurden vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) die folgenden drei Projekte zum Thema "Adaptive und intelligente Brücken der Zukunft" gefördert: - "Adaptive Tube-in-Tube Brücken", - "Roadtraffic Management System", - "Adaptive Spannbetonstruktur mit lernfähigem Fuzzy-Regelungssystem". Im Rahmen des Projektes "Adaptive Spannbetonstruktur mit lernfähigem Fuzzy-Regelungssystem" wurde ein adaptiv vorgespanntes System zur Erzielung eines sich an Beanspruchungsänderungen selbstanpassenden Betontragwerks entwickelt. Durch die Adaptivität werden kritische Beanspruchungszustände vermieden und Verformungen reduziert. Bei der entwickelten adaptiven Spannbetonstruktur werden relevante Tragwerksreaktionen mit einem Sensorsystem erfasst und als Eingangsgrößen an ein lernfähiges Regelungssystem übergeben. Das Regelungssystem ermittelt Stellsignale entsprechend der je nach Beanspruchungszustand erforderlichen Vorspannkraft. Die erforderliche Änderung der Vorspannkraft wird von einem Stellantrieb vorgenommen. Die Funktionsfähigkeit der adaptiven Spannbetonstruktur wurde anhand von Versuchen an zwei Prototypen - einer Aluminiumtraverse und einem Spannbetonbalken - unter Beweis gestellt. Die Verformungsminimierung bzw. Spannungshomogenisierung als Zielsetzung der Regelung wurde dabei effektiv erreicht. Die Versuchsergebnisse verdeutlichen das Potenzial der adaptiven Vorspannung für die Anwendung im Brückenbau.
Die Erhaltung des Brückenbestandes des Bundes hat hohe Priorität, um eine uneingeschränkte Mobilität im Bundesfernstraßennetz gewährleisten zu können. Die Planung des Einsatzes finanzieller Mittel erfordert unter anderem eine genaue Kenntnis des Zustandes der jeweiligen Brückenbauwerke. Die Bauwerksprüfung erfolgt derzeit "handnah" in festen Intervallen mit einem nach DIN 1076:1999-11 festgelegten Prüfungsumfang. Man spricht von einem zustands- bzw. schadensbasierten Erhaltungsmanagement. Das derzeitige Verfahren beschreibt den IST-Zustand ohne detaillierte Rückschlüsse auf die Entstehung von Schäden zu liefern. Strukturelle Abhängigkeiten bzw. gegenseitige Beeinflussung von Schädigungsmechanismen werden bisher nicht berücksichtigt. Das Ziel des Themenschwerpunktes "intelligente Bauwerke" ist daher, ein verbessertes Konzept für herausragende, bedeutende Brücken zu entwickeln. Von der reinen Datensammlung soll ein Übergang zu einem Brückenmodell erfolgen, welches Informationen direkt weiterverarbeiten kann. Im Rahmen dieses Projekts wird ein Systemmodell entwickelt, welches sowohl strukturelle Abhängigkeiten als auch Interaktionen zwischen Schädigungen berücksichtigt. Das Modell fungiert nicht als "Black-Box", sondern erlaubt es, Rückschlüsse auf die Schadensursachen zu ziehen sowie Informationen über die Relevanz der Schäden bzw. deren Wirkungen auf die einzelnen Bauteile und das Gesamtsystem zu erhalten. Ein neuer Modellierungsansatz für die Bauwerksprüfung und Zustandsbewertung für Brückenbauwerke wurde entwickelt, der so genannte Einflussbaum. Der Einflussbaum ermöglicht eine detaillierte Abbildung von Schädigungsmechanismen durch die Einführung flexibler Logischer Verknüpfungen. Im Gegensatz zu reinen Boole'schen Verknüpfungen herkömmlicher Modellierungsmethoden kann dieses Element auf verschiedene Arten die komplexen Zusammenhänge des Einflusses von Schäden abbilden. Die Verknüpfungen können frei definierte Gleichungen bzw. Vorschriften beinhalten. Auf diese Weise können sowohl einfache grenzwertbasierte als auch vollprobabilistische (zuverlässigkeitsbasierte) Zustandsbewertungen abgebildet werden. Der konzipierte Einflussbaum besteht aus drei Modellebenen: der Strukturebene, der Ebene der Schadensbilder und der Parameterebene. Im Zuge des Ausarbeitens eines Einflussbaumes wird das Bauwerk in einzelne Bauteile strukturiert zerlegt und die entstehenden Elemente hierarchisch angeordnet. Die einzelnen Elemente geben auf einer zugeordneten Skale ihren Zustand aus. Eine Nachverfolgbarkeit verschiedener Einflüsse ist somit gegeben. Für die Beschreibung aller Ebenen des Einflussbaums kommt die grafische Notationssprache Systems Modeling Language (SysML) zum Einsatz. SysML ermöglicht die Modularisierung benutzerdefinierter Strukturteile des Einflussbaums. Die Module können in das Gesamtmodell unkompliziert eingefügt werden. Der Modellierungsprozess wird dadurch stark beschleunigt. Das Hauptergebnis des Projekts FE 15.038 ist ein neues, modellbasiertes Bauwerkszustandsermittlungssystem (Einflussbaum), welches die Berechnung des Zustands nicht nur für das Gesamttragwerk, sondern auch für dessen einzelne Komponenten ermöglicht. Mithilfe des Einflussbaums können zum einen bestehende Schädigungen modelliert und zum anderen Schädigungsabläufe simuliert werden. Der Einflussbaum kann somit im Rahmen der Zustandsbewertung von Bauwerken eingesetzt werden und darüber hinaus als Prognosetool zur Ermittlung des künftigen Bauwerkszustands herangezogen werden. In der Planungsphase ermöglicht das Systemmodell mit einer Parameterstudie kritische Bauteilkomponenten, sog. HotSpots, zu lokalisieren. Die gewonnen Erkenntnisse können als Entscheidungshilfe für die Platzierung von Sensorik dienen. Im Vergleich der neuen systemmodell-basierten Methode und einer herkömmlichen Bauwerksbewertung liegt der Hauptunterschied darin, dass eine Systemanalyse mit einem Einflussbaum den zugrundeliegenden Schädigungsmechanismus aufzeigt. Es werden detailliert die Eingangsparameter für Schädigungen, die jeweiligen vorherrschenden Schädigungsprozesse und die betroffenen strukturellen Komponenten ermittelt. Dies trägt zu einem tieferen Verständnis der Zustandsentwicklung von Bauwerken bei und ermöglicht einerseits eine realitätsnahe Zustandsbeurteilung und andererseits auch eine Berücksichtigung des Erkenntnisgewinns in der Planung von Neubauten hinsichtlich potentieller Schwachstellen bzw. eines effektiven Einsatzes von Monitoringkonzepten.
Ziel des Projektes ist ein Konzept und ein an einem Beispiel umgesetztes technisches Equipment, welches eine Ermittlung von Einwirkungen auf Brücken, Widerstand und Zustand der Brücken in Echtzeit ermöglicht und gleichzeitig Datenlieferant für Verkehrszählungen und Achslastermittlungen ist. Technische Basis für die Datenerfassung der Verkehrsmengen und deren einzelnen Fahrzeuge ist der Einsatz von Traffic-Sensoren der Firma AVK GmbH und technische Basis für die Datenerfassung der Achslasten und der brückenspezifischen Kenngrößen ist eine konventionelle Messtechnik von Wegaufnehmern, Dehnmessstreifen und Beschleunigungssensoren. Für die praktische Anwendung der genannten beiden unabhängigen Messsysteme wurden während des Projektes an einer Testbrücke Erfahrungen gesammelt. Diese werden gegenwärtig genutzt, um ein System, in dem Datenerfassung, Weiterverarbeitung und Ergebnisbereitstellung auf einer einheitlichen Basis erfolgen, zu realisieren. Schwerpunkt wird neben der Weiterentwicklung der Algorithmen zur Verkehrserfassung und Bauwerkszustandsbewertung das Postprocessing werden, also die Bereitstellung der Daten in verteilten Umgebungen (webbasiert, Client-Server-Anwendungen), zur Zusammenarbeit z. B. mit den Straßenbauverwaltungen. Auf der Grundlage der gemessenen Daten und am mechanischen Modell ermittelten Daten werden die Algorithmen zur Achslasterkennung und der Zustandsdaten der Brücke entwickelt, die hier nur als Prototypen beschrieben werden und einer steten Entwicklung unterliegen. Sowohl aus den gemessenen Daten als auch aus der Interaktion von Messung und Simulation werden unter Anwendung statistischer Methoden charakteristische Werte und Ziellastniveaus abgeleitet. Ein stets mitlaufendes Auswerteregime optimiert ein Grundzeitintervall der Messungen hinsichtlich der Aussagequalität. An einer Testbrücke wurden die einzelnen Komponenten des Systems in der praktischen Anwendung überprüft und weiterentwickelt. Es wurden Folgerungen für die Anforderungen an die Messhardware, Software und die Auswertealgorithmen für einen weitergehenden professionellen Einsatz abgeleitet. Eine angezielte Echtzeitauswertung konnte bisher zwar installiert, aber noch nicht praktisch erprobt werden. Dies wird im Zusammenhang mit der weiteren Softwareentwicklung vorgesehen. Am Projektende liegt ein einsatzfähiges Equipment mit den entsprechenden Auswertemodulen vor, jedoch muss dieses erweitert und professionalisiert werden.
Im Rahmen des Forschungsprogramms "Innovationsprogramm Straße" wurden vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) die folgenden drei Projekte zum Thema "Adaptive und intelligente Brücken der Zukunft" gefördert: - "Adaptive Tube-in-Tube Brücken", - "Roadtraffic Management System", - "Adaptive Spannbetonstruktur mit lernfähigem Fuzzy-Regelungssystem". Bei dem hier beschriebenen Projekt "Adaptive Tube-in-Tube Brücken" werden Lösungen für künftige Brückenneubauten vorgestellt, bei denen eine bestehende Brücke zu einem späteren Zeitpunkt adaptiv an sich ändernde Randbedingungen angepasst werden kann. Die grundsätzliche Idee ist, eine primäre Struktur (Hohlkasten) durch eine nachträgliche Ergänzung von sekundären Strukturen (z. B. Streben, vorgespanntes Fachwerk) zu ergänzen und so durch eine Kombination der Tragmechanismen eine Steigerung der Gesamttragfähigkeit sowohl für lokale als auch für globale Lasten zu erreichen. Im Forschungsprojekt wurden die Grundlagen für eine adaptive Brückengestaltung und ein ganzheitliches Verstärkungskonzept entwickelt sowie in einem zweiten Schritt die Wirkung der vorgeschlagenen Verstärkung anhand eines praxisnahen Beispiels untersucht.
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.
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.
Seit Beginn des Spannbetonbrückenbaus in Deutschland sind die Bemessungsvorschriften ständig weiterentwickelt und die Lastannahmen kontinuierlich dem gestiegenen Verkehrsaufkommen angepasst worden. Das hat zur Folge, dass bei der Nachrechnung von bestehenden Brückenbauwerken auf der Grundlage der aktuellen Normen häufig Überschreitungen festgestellt werden. In Fortführung des bereits abgeschlossenen Forschungsprojekts "Konzeption zur Nachrechnung bestehender Strassenbrücken" sollen im Rahmen dieses Projekts weitere Empfehlungen für die Bewertung bestehender Brückenbauwerke erarbeitet werden. Das vorliegende FE-Vorhaben behandelt die Themenfelder Sicherheitskonzept für bestehende Bauwerke, Ansatz der historischen Materialfestigkeiten, Beurteilung der Querkrafttragfähigkeit von vorgespannten Balken, Einfluss von nicht vorhandener Mindestbewehrung auf das Sicherheitsniveau sowie einer Literaturrecherche zu Wöhlerlinien älterer Spann- und Betonstähle. Die Untersuchungen beruhen auf der Auswertung vorhandener Literatur, beispielhaften Berechnungen bestehender Brücken sowie rechnerischer Simulationen existierender und gut dokumentierter Versuche. Es wurden verschiedene Ansätze zur Herleitung angepasster Teilsicherheitsbeiwerte für den Nachweis bestehender Bauwerke erläutert. Weiterhin konnten Empfehlungen für den Ansatz der charakteristischen Festigkeitseigenschaften von älterem Betonstahl, Spannstahl und Beton sowie der Ermüdungsfestigkeit damaliger Stähle gegeben werden. Es wurde gezeigt, dass die Momenten-Querkraft-Interaktion und die Tragwirkung eines Druckbogens bisher nicht ausreichend in der Ermittlung der aufnehmbaren Querkraft von Spannbetonträgern nach DIN-FB 102 berücksichtigt sind. Die erweiterte Abminderung der Zwangschnittgrössen gemäß Nachrechnungsrichtlinie darf auch bei fehlender Mindestlängsbewehrung angesetzt werden. Die Mindestquerkraftbewehrung ist für Spannbetonbrücken nach 1966 als ausreichend einzustufen. Die gewonnenen Erkenntnisse bestätigen erneut, dass ein hoher Aufwand bei der Nachrechnung bestehender Brückenbauwerke gerechtfertigt ist. Die Ergebnisse des FE-Vorhabens können bei der Erstellung und Fortschreibung der geplanten Nachrechnungsrichtlinie einfliessen.