24 Brückenentwurf
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Institut
Die Bemessung schlanker plattenförmiger Bauteile, die sich aus ebenen, unversteiften oder versteiften Blechen zusammensetzen und die in ihrer Ebene beansprucht sind, erfolgt nach DIN EN 1993-1-5:2010. Diese Beulnachweise können nach DIN EN 1993-1-5 mittels zweier Nachweiskonzepte, die Methode der wirksamen Breiten in Abschnitt 4-7 und die Methode der reduzierten Spannungen in Abschnitt 10, durchgeführt werden. Die Methode der reduzierten Spannungen ist im Eurocode sehr kurz dargestellt und mit vielen Querverweisen auf andere Abschnitte beschrieben, so dass die Gefahr besteht, diese falsch zu interpretieren. Deshalb ist es notwendig, Abs. 10 deutlicher und klarer zu strukturieren. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden Beispiele mit beiden Methoden untersucht und die Ergebnisse verglichen. Aus der Vergleichsuntersuchung wurden Empfehlungen für die Auswahl des geeigneten Berechnungsverfahrens zusammengestellt. Zu allen wesentlichen Punkten der Nachweisführung wurden Hinweise und Klarstellungen gegeben, die den aktuellen Stand der Technik wiedergeben. Außerdem wurde eine verbesserte Version von DIN EN 1993-1-5 Abs. 10 so ausgearbeitet, dass dieser anwendungsfreundlicher und klarer wird. Mit den Ergebnissen wurden Handlungsempfehlungen in Form eines Flussdiagramms für die Praxis entwickelt und ein Vorschlag für die aktuell stattfindende Weiterentwicklung des EC 3 in Englisch.
Brückenbauwerke werden für eine sehr lange Lebensdauer geplant und errichtet. Vor allem für Straßenbrücken ist bei der Beurteilung eine Abkehr von den reinen Herstellungskosten in Richtung einer lebenszyklusorientierten, ganzheitlichen Bewertung voranzutreiben. Durch die Bottom-Up-Analysen an Realbauwerken, die typische Autobahnbrücken mittlerer Spannweite repräsentieren, wurden detaillierte Untersuchungen durchgeführt. Die Resultate von Lebenszykluskostenrechnungen, Ökobilanzierung und Berechnungen von externen Effekten werden hier für drei Varianten von Autobahnbrücken dargestellt und analysiert.
Brücken stellen eine wichtige Komponente unserer Verkehrsinfrastruktur dar, allerdings werden heutzutage die meisten Entscheidungen im Rahmen von Vergaben auf Grundlage der Herstellungskosten getroffen. Dieses Vorgehen greift indes zu kurz, da die Leistungsfähigkeit von Brücken in der Nutzungsphase und die mit Brückenbaumaßnahmen verbundenen Verkehrsbeeinträchtigungen eine wichtige Rolle spielen. Daher muss es ein Ziel sein, eine lebenszyklusorientierte Analyse und Bewertung in der Planungspraxis zu etablieren. Hierfür stellt der vorliegende Beitrag Grundlagen bereit, indem für die Nachhaltigkeitsanalyse von Brücken einzusetzende Methoden erläutert und in umfangreichen Vergleichsrechnungen angewendet werden. Die Ergebnisse sollen zuständige Behörden, Planern und Bauherren sowohl bei der Gestaltung von Nachhaltigkeitsbewertungssystemen unterstützen als auch Vergleichswerte für typische Autobahnüberführungen bereitstellen.
Am Beispiel einer real ausgeführten Verbundbrücke als Referenzbauwerk werden hier im Rahmen einer Nachhaltigkeitsanalyse drei Varianten des Korrosionsschutzes untersucht. Über den gesamten Lebenszyklus dieser integralen Autobahnüberfuehrung wird eine Ökobilanz erstellt, die Lebenszykluskosten sowie die externen Effekte (Umweltwirkungen aus Fahrzeugbetrieb, Fahrzeugbetriebskosten und Verspätungskosten) ermittelt und für die drei Varianten verglichen. Dabei ist eine herkömmliche organische Beschichtung, die während des Lebenszyklus zweimal erneuert wird mit einer Feuerverzinkung zu vergleichen. Betrachtet wird als weitere Variante in den Analysen eine Feuerverzinkung, bei der nach 66 Jahren das Aufbringen einer organischen Beschichtung erfolgt. Im Rahmen der Ökobilanz werden sechs Wirkungskategorien ausgewiesen. Bei Ausführung der Feuerverzinkung ergeben sich Einsparungen über den gesamten Lebenszyklus im Vergleich zur organischen Beschichtung. Die Umweltwirkungen aus dem Herstellungsprozess der Feuerverzinkung sind in der Ökobilanz deutlich sichtbar und demnach nicht zu vernachlässigen. Allerdings können diese erhöhten Auswirkungen in der Herstellung durch Einsparungen während der Nutzungsphase kompensiert werden. Die Berechnungen der Lebenszykluskosten zeigen, dass sich bereits für die Herstellungskosten eine Reduzierung durch den Einsatz einer Feuerverzinkung ergibt. Darüber hinaus sind bei der Variante der Feuerverzinkung weniger eingreifende Instandhaltungsmaßnahmen während der Nutzugsphase notwendig, so dass in Bezug auf die Lebenszykluskosten die Feuerverzinkung die absolut geringsten Kosten aufweist. Die externen Effekte können einerseits in die Ökobilanz integriert und andererseits über einen Monetarisierungsansatz als externe Kosten ausgewiesen werden. Die durch Baumaßnahmen verursachten Eingriffe in den Verkehr (geänderte Geschwindigkeiten) lassen gegenüber der Normalstrecke veränderte Schadstoffausstöße und Treibstoffverbräuche entstehen. Diese Emissionen verursachen für die hier untersuchten Varianten Umweltwirkungen, die in der Größenordnung der Emissionen des Brückenbauwerks bzw. auch darüber liegen. Bei der Berechnung von Fahrzeugbetriebskosten und Verspätungskosten übersteigen auch diese die Lebenszykluskosten des Brückenbauwerks in allen Varianten. Im Vergleich mit einer organischen Beschichtung ergeben sich für die untersuchte Referenzbrücke über den Lebenszyklus reduzierte externe Effekte für die Feuerverzinkung, gefolgt durch das Duplexsystem. Zusammenfassend ergibt sich für die hier untersuchte Referenzbrücke die Variante der Feuerverzinkung als die Lösung, die den größten Beitrag zu nachhaltigen Entwicklung leistet. Da es sich um eine Referenzbrücke mit klar definierten Randbedingungen handelt, ist die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Brückenbauwerke nicht ohne Weiteres gegeben. So kann bei einem geringeren durchschnittlichen täglichen Verkehr (DTV) die Bedeutung der externen Effekte stark zurückgehen. Die Ergebnisse sind damit als einzelfallbezogen einzustufen.
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".
Das Bundesministerium für Verkehr hat die Bundesanstalt für Straßenwesen beauftragt, die Beanspruchung und das Verhalten von Fahrbahnübergängen aus Asphalt bei kurzzeitig schnell auftretenden Horizontallasten (Bremslasten) zu untersuchen. Die Messungen sollten an Brückenüberbauten ohne definierten Festpunkt (schwimmende Lagerung) durchgeführt werden. Die Ergebnisse der Bauwerksmessungen finden Eingang in die Formulierung von technischen Spezifikationen für Fahrbahnübergänge aus Asphalt (Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von Fahrbahnübergängen aus Asphalt in Belägen auf Brücken und anderen Ingenieurbauwerken aus Beton, ZTV-BEL-FÜ; Technische Prüfvorschriften für Fahrbahnübergänge aus Asphalt, TP-BEL-FÜ). In dem vorliegenden Bericht sind die Messungen an einem Bauwerk in der Nähe der Ortschaft Kirchhain sowie an einem Bauwerk im Zuge der B 55n beschrieben. Die Messergebnisse machen deutlich, dass Fahrbahnübergänge aus Asphalt neben den durch Bremslasten verursachten Horizontalverschiebungen auch durch die infolge der Vertikallasten aus Fahrzeugüberfahrten resultierenden Verdrehungen der Endquerschnitte beansprucht werden. Für das Bauwerk Kirchhain wurden Messungen mittels eines Belastungsfahrzeuges für die beiden Lastfälle Überfahrt ohne Bremsen und Überfahrt mit Bremsen durchgeführt. Zur Überprüfung der Ergebnisse dieser Messungen wurden parallel numerische Berechnungen durchgeführt. Neben den Messungen mit dem Belastungsfahrzeug erfolgten für beide Bauwerke auch Messungen unter Verkehr. Hieraus ergaben sich erste Hinweise im Hinblick auf die Aufstellung von Belastungskollektiven für Fahrbahnübergänge aus Asphalt. Weiterhin konnten die für die Beanspruchung von Asphaltübergängen maßgebenden Frequenzen ermittelt werden.
Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) wurde vom Bundesministerium für Verkehr (BMV) gebeten, im Zusammenhang mit der Erstellung von Richtlinien zur Anwendung von DIN V ENV 1991-3/08.96 (Nationales Anwendungsdokument (NAD)) Untersuchungen zur Neuregelung der Windlasten für Brücken durchzuführen. Hierzu wurde in Vergleichsrechnungen an "typischen" Bauwerken untersucht, ob und inwieweit sich für gegenwärtig übliche Konstruktionen im Hinblick auf die Verankerung der Kappen und die Bewehrung der Kragarme durch die geplanten Festlegungen Veränderungen ergeben. Zusammenfassend lässt sich zu den Ergebnissen der Vergleichsrechnungen feststellen, dass die gegenüber der DIN erhöhten Windlasten für Brücken mit Lärmschutzwänden zu einer erhöhten Bewehrung bei der Verankerung der Kappen sowie bei den Kragarmen führen. Für die Praxis ist dieser Effekt jedoch nur im Hinblick auf die Bewehrung der Kappen von Interesse, da hier alleine die Windlast für die Bemessung maßgebend ist. Der Bericht fasst die Ergebnisse der durchgeführten Vergleichsrechnungen zusammen und liefert damit eine Grundlage für die Festlegung der Windlasten im Rahmen des NAD zu DIN V ENV 1991-3/08.96.
Der Zustand von Brücken und anderen Ingenieurbauwerken im Zuge von Wegen und Straßen wird im Rahmen der Bauwerksprüfung nach DIN 1076 erfasst. Hauptprüfungen erfolgen alle 6 Jahre und werden durch speziell ausgebildete Bauwerksprüfingenieure vorwiegend visuell durchgeführt. Die hierbei festgestellten Schäden werden hinsichtlich der Merkmale Standsicherheit, Verkehrssicherheit und Dauerhaftigkeit bewertet. Auf der Grundlage dieser Schadensbewertungen wird die Zustandsnote für das Bauwerk automatisch ermittelt. Der Bauwerkszustand stellt eine der wesentlichen Eingangsgrößen für das derzeit im Aufbau befindliche Bauwerks-Management-System dar. Bei außergewöhnlichen Schäden, dies sind Schäden, deren Art, Ursache und Umfang bei der Prüfung nach DIN 1076 nicht eindeutig festgestellt werden können, werden vertiefte Schadensanalysen veranlasst. Bei diesen Analysen kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz, wobei aus Sicht des Bauwerkseigentümers der Einsatz zerstörungsfreier bzw. zerstörungsarmer Prüfverfahren (ZfP) anzustreben ist. Auch die Ergebnisse dieser vertieften Untersuchungen finden Eingang in das Bauwerks-Management-System. Aufbauend auf den Ergebnissen bereits abgeschlossener Forschungsprojekte wurde in Zusammenarbeit zwischen dem Hessischen Landesamt für Straßen- und Verkehrswesen (HLSV) und der BASt ein Forschungsvorhaben konzipiert, das die Erprobung und Bewertung verschiedener Verfahren der ZfP hinsichtlich der Zustandsuntersuchung von Spanngliedern mit nachträglichem Verbund zum Ziel hatte. Die BASt wurde durch das HLSV mit der Durchführung zerstörungsfreier Untersuchungen an der zum Rückbau und Ersatz anstehenden Talbrücke Haiger beauftragt. Mit einem Teil der Untersuchungen wurde die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) beauftragt. Für die Durchführung der Untersuchungen wurden ein Teilstück aus der Fahrbahnplatte im Bereich einer Koppelstelle herausgeschnitten und entnommen. Weiterhin wurde ein ca. 30 m langes Teilstück eines Längsträgers für die Untersuchungen bereitgestellt. Äußerlich sichtbare Schädigungen waren bei keinem dieser beiden Bauteile zu erkennen. Beide Bauteile wurden auf einem vorbereiteten Gelände abgesetzt und gesichert. Die Durchführung der Untersuchungen erfolgte im Zeitraum von November 1999 bis Dezember 2000. Der hier vorgelegte Bericht behandelt die durch die Gesellschaft für Geophysikalische Untersuchungen (GGU) durchgeführten Radarmessungen und die durch die BASt und die BAM durchgeführten Untersuchungen mittels Impakt-Echo. Außerdem wurden Messungen mit den Ultraschallecho-Verfahren der BAM und der Materialforschungs- und -prüfanstalt der Bauhausuniversität Weimar (MFPA Weimar) durchgeführt. Auf diese Weise kamen aktuelle Verfahrensentwicklungen zum Einsatz, die ihre Leistungsfähigkeit bereits bei vergleichbaren Untersuchungen nachgewiesen hatten, und die hinsichtlich ihrer Bedeutung für die Praxis verglichen und bewertet werden sollten. Die Prüfaufgaben bezogen sich auf die Lokalisierung der Spannkanäle, der Betondeckung und Zustandsuntersuchung und die Lokalisierung von Anomalitäten (insbesondere Verdichtungsmängeln) im Beton. Die Ergebnisse der hier durchgeführten Untersuchungen mittels Georadar, Impakt-Echo und Ultraschallecho verdeutlichen, dass diese zerstörungsfreien Prüfverfahren zur Zustandsuntersuchung von Betonbauteilen praktisch eingesetzt werden können. Aus den Messergebnissen lassen sich entsprechend der Schadensbewertung nach der "Richtlinie zur einheitlichen Erfassung, Bewertung, Aufzeichnung und Auswertung von Ergebnissen der Bauwerksprüfungen nach DIN 1076" (RI-EBW-PRÜF) ableiten. Somit ist eine weitere Verwendung im Rahmen des Erhaltungs-Managements möglich.
Der Schlussbericht zum Projekt "Messung von Temperaturunterschieden an Betonbrücken" beendet eine Reihe von bisher vier Berichten über die Belastung von Betonbrücken unterschiedlicher Querschnitte durch Wärmeeinwirkungen. Untersucht wurden Belastungen durch klimatische Einflüsse und durch Wärmeeinleitung beim Einbau bituminöser Fahrbahnbeläge. Der Bericht erläutert die Ermittlung repräsentativer Bauwerkstemperaturen zur vereinfachten Erfassung verformungswirksamer Temperaturen bei Bauwerksprüfungen. Es werden Möglichkeiten für die Wahl von Ersatzmessstellen aufgezeigt und Ansätze für die Gewichtung der Messwerte vorgeschlagen. Die statistische Auswertung von Langzeitmessungen an sieben Bauwerken führt zu dem Ergebnis, dass längsdehnungswirksame Bauteiltemperaturen mit einfachen Messmitteln bei akzeptabler Bestimmungsgenauigkeit erfasst werden können. Eine Vereinfachung der Erfassung von Temperaturunterschieden an Bauwerksteilen erweist sich als teilweise problematisch. Weiterhin behandelt der Bericht die Ermittlung statistisch abgesicherter Temperaturgrenzwerte an Brückenüberbauten als Beitrag zu der Diskussion über die Bemessung von Brückenlagern. Im Vordergrund steht die Ableitung einer Extremwertprognose für das Gebiet der Bundesrepublik Deutschland aus den Ergebnissen von Langzeitmessungen an mehreren Brückenbauwerken und aus Sammlungen statistischer Daten des Deutschen Wetterdienstes.
Im Oktober 2007 wurde die Rügenbrücke, eine der längsten Hochbrücken Europas, für den Verkehr freigegeben. Der Beitrag befasst sich mit den Erfahrungen, die bei Planung und Bau dieses bemerkenswerten Bauwerks gemacht wurden, insbesondere hinsichtlich der vielen bautechnischen Innovationen bei dem Schlüsselbauwerk des Brückenzuges, der 570 m langen Schrägseilbrücke über den Ziegelgraben. Eine der wesentlichen Erstanwendungen für Deutschland betraf die Ausführung der Schrägseile mit Litzenbündeln des Systems DYNA Grip der SUSPA DSI. Wegen des aus Gründen des Vogelschutzes erforderlichen Mindestdurchmessers der Seile von 12 cm waren vollverschlossene Seile aus ingenieurtechnischen und wirtschaftlichen Gründen benachteiligt, sodass sich der Bauherr für Seile aus Litzenbuendeln entschied. Die Schrägseilbrücke über den Ziegelgraben wird schon jetzt als modernes Wahrzeichen der Stadt Stralsund empfunden. Sie passt sich gestalterisch hervorragend in die Umgebung ein und beeinträchtigt auch nicht die zum Weltkulturerbe zählende Altstadt von Stralsund. Besonders besticht das Bauwerk durch seine Leichtigkeit und die Einpassung der Formen der Bauteile, zum Beispiel wegen der tropfenfoermigen Gestaltung des Pylons und der Pfeiler, in das maritime Umfeld. Da die verwendeten Schrägseil-Litzenbündel noch nicht allgemein bauaufsichtlich zugelassen sind, kam der Qualitätssicherung für die Seile in allen Stufen der Planung, Fertigung, Montage und Bauwerksprüfung eine herausragende Bedeutung zu. Der zugehörige Qualitätssicherungsplan wird im Bericht ausführlich mit den wesentlichen \"schrägseilspezifischen\" Maßnahmen beschrieben. Schwingungen und Ermüdungsbeanspruchungen der Seile durch Fahrverkehr und Wind liessen sich durch einen mehrstufigen, kontinuierlich verdichteten Planungsprozess unter Nutzung von Versuchsdaten und Messungen am Bauwerk wirkungsvoll beherrschen. Aus Sicht der Bauwerksprüfung bestanden anfänglich Bedenken wegen der Erreichbarkeit der bis in 80 m Höhe über dem Brückendeck gespannten Schrägseile und der nicht direkt zugänglichen Litzen innerhalb des Hüllrohres sowie der Verankerungen. Daher wurden alle verfügbaren Prüfverfahren für Schrägseile an der Rügenbrücke getestet. Daraus ergab sich eine Prüfmatrix aus Prüfverfahren, Prüfmittel und Prüfumfang für die gesamte Nutzungsdauer. Zusammenfassend wird festgestellt, dass bei der Ziegelgrabenbrücke Schrägseile aus Litzenbündeln eine den vollverschlossenen Seilen ebenbürtige Bauart darstellen.