24 Brückenentwurf
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Die gegenwärtigen DIN-Fachberichte basieren auf den ENV-Fassungen der Eurocodes unter Berücksichtigung der nationalen Regelungen. Bis zur Einführung der Europäischen Normen mit den zugehörigen Nationalen Anwendungsdokumenten werden in Deutschland Brücken auf der Grundlage der DIN-Fachberichte 101 "Einwirkungen auf Brücken", 102 "Betonbrücken", 103 "Stahlbrücken" und 104 "Verbundstahlbrücken" in den Ausgaben 03:2009 berechnet, bemessen und konstruiert. Aus der Anwendung der DIN-Fachberichte für den Brückenbau seit 2003 liegen überwiegend positive Erfahrungen vor. Mit ihrer Anwendung wurde ein hoher Qualitätsstandard sicher gestellt. Insgesamt soll mit der Einführung der EN-Normen das bisher in Deutschland erreichte hohe Qualitätsniveau im Brückenbau gehalten werden. Das Schwerverkehrsaufkommen auf den Straßen in Deutschland ist in den letzten Jahrzehnten überproportional angewachsen, und auch für die Zukunft werden weitere Steigerungen prognostiziert. Die Festlegungen aktueller Verkehrslastmodelle für Straßenbrücken beruhen auf Messungen aus der Mitte der 1980er Jahre. Im Vergleich dazu wurde durch neuere Verkehrserfassungen eine Verdopplung des Schwerverkehrsaufkommens festgestellt. Aus diesem Grund war es erforderlich, die Verkehrslasten auf Straßenbrücken hinsichtlich des aktuellen und des zukünftigen Schwerverkehrs zu überprüfen und anzupassen. Mit der geplanten Einführung der Eurocodes im Brückenbau werden im Vergleich zu den derzeitigen Regelwerken neben Änderungen bei den Straßenverkehrslasten auch Anpassungen zu den jeweiligen Eurocodes für die Bemessung von Brücken vorgeschlagen, um das gebotene Sicherheitsniveau einerseits sowie die Wirtschaftlichkeit andererseits zu wahren. Im Rahmen mehrerer Forschungsvorhaben wurden die Auswirkungen dieser Änderungen für Beton-, Stahl- und Stahlverbundbrücken untersucht.
Stahl- und Verbundbrücken werden in Deutschland derzeit mit Hilfe der DIN-Fachberichte bemessen. Die DIN-Fachberichte enthalten zusammengefasst Regelungen der Eurocodes unter Berücksichtigung der nationalen Regelungen in einem Dokument. Dabei gilt für Stahlbrücken DIN-FB 103:2009 und für Verbundbrücken DIN-FB 104:2009. Die Einwirkungen auf Brücken sind im DIN-FB 101:2009 geregelt, der den bis dato gültigen DIN-FB 101:2003 ersetzt. Die DIN-Fachberichte wurden mit dem Allgemeinen Rundschreiben Straßenbau Nr. 6/2009 eingeführt. Im Zuge der Überarbeitung des DIN-FB 101 (Einwirkungen) und dessen Anpassung an die endgültigen Eurocodes haben sich im Bereich der Anpralllasten auf Schutzeinrichtungen (Kapitel IV Absatz 4.7.3.3) gegenüber der Ausgabe DIN-FB 101:2003 wesentliche Änderungen ergeben, die nun in der aktuellen Ausgabe DIN-FB 101:2009 enthalten sind. Diese Änderungen ergeben sich aus den allgemein gestiegenen Sicherheitsanforderungen an Schutzeinrichtungen gemäß den aktuellen Normen und Richtlinien DIN EN 1317-2:2010 und RPS 2009 sowie aus den Ergebnissen durchgeführter Anprallprüfungen der BASt an unterschiedlichen Schutzsystemen. Während die bisher angesetzten Lasten aus DIN 1072:1985 auf der Basis von Anprallversuchen aus den 60er Jahren beruhen und in der Regel auf deutschen Brücken die einfache Distanzschutzplanke (EDSP) eingesetzt wird, wird in Zukunft für jede Schutzeinrichtung eine positive Prüfung nach den Anforderungen der neuen europäischen Norm DIN EN 1317 gefordert. Im Zusammenhang mit der Überarbeitung des DIN-Fachberichts 101 wurden von der BASt zahlreiche Anprallversuche durchgeführt und im Anschluss daran ein Verfahren entwickelt, das eine Einstufung der geprüften Fahrzeugrückhaltesysteme in die Lastklassen A-D nach DIN-FB 101:2009 ermöglicht. Dadurch existiert erstmalig ein standardisiertes und einheitliches Vorgehen für die Einstufung unterschiedlicher Fahrzeugrückhaltesysteme auf Grundlage von Anprallversuchen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde die Anprallversuche und das Einstufungsverfahren zusammengefasst, stichprobenhaft durch Vergleichsrechnungen geprüft und beurteilt. Auf Grundlage der Durchsicht der Unterlagen wird empfohlen, die bisher der Einstufung zugrunde gelegten statischen Gleichgewichtsansätze durch weitergehende dynamische Untersuchungen zu überprüfen. Weiterhin wird empfohlen, bei der Auswertung der Versuchsergebnisse und der Einstufung in die Lastklassen nach DIN-FB 101:2009 explizit ein definiertes Sicherheitselement anzuwenden. Anhand eines auf typische Querschnitte für Autobahnbrücken mit Betonfahrbahn erarbeiteten Musterkragarms wurden unterschiedliche Wege der Schnittgrößenermittlung miteinander verglichen. Verschiedene Handrechenansätze wurden dabei einer Lösung mittels eines FEM-Modells gegenübergestellt. Die Schnittgrößen die sich dabei aus den Handrechnungen ergaben waren im Großen und Ganzen mit der FEM-Lösung vergleichbar. Größere Unterschiede ergaben sich bei den Querkräften an der Einspannstelle. Hier liegt DAfStb 1991 sehr auf der sicheren Seite, während ein Lastausbreitungswinkel von 45-°, wie in der Praxis häufig üblich, zu unsicheren Ergebnissen führt. Für den Musterkragarm wurde die erforderliche Bewehrung nach DIN-FB 104:2009 für die unterschiedlichen Lastansätze berechnet. Durch die systematische Variation einzelner Parameter des Musterkragarms wurde deren Einfluss auf die resultierenden Schnittgrößen an der Einspannstelle untersucht. Es ergab sich, dass mit länger werdendem Kragarm der Einfluss der Anpralllast abnimmt, während der des Eigengewichts zunimmt. Sämtliche Prüfungen von Schutzeinrichtungen wurden bisher nach DIN EN 1317-2:2007 und aus Kostengründen an Betonkragarmen durchgeführt. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurden Voraussetzungen hergeleitet, unter denen eine Übertragung des Systemverhaltens auf Stahlbrücken möglich ist. Am Beispiel des in (BASt H4b) mit "System E" bezeichneten Systems wurden die auf ein FEM-Modell des Gehwegausschnitts für den lokalen Nachweis anzusetzenden Lasten ermittelt. Die Übertragung der an Betonkragarmen ermittelten Lasten auf Stahlkragarmen sollte aufgrund des unterschiedlichen Tragmechanismus im Rahmen ergänzender Untersuchungen numerisch und gegebenenfalls experimentell zu untersuchen. Schließlich wurden vier konkrete Anwendungsbeispiele betrachtet mit Ansatz des beispielhaft gewählten Schutzsystems. Es wurden zwei Brücken mit Betonkragarm und zwei Stahlbrücken gerechnet, wobei jeweils eine bestehende und eine neue Brücke betrachtet wurden. Bei den beiden Betonkragarmen konnte der Nachweis am Kragarmschnitt erbracht werden, ebenso für die neue Stahlbrücke. Bei der bestehenden Stahlbrücke traten rechnerisch Plastizierungen unter den angenommenen Lasten auf, die ggf. durch entsprechende Verstärkungsmaßnahmen verhindert werden müssten. Es ergaben sich für den Kappenanschluss bei den betrachteten Betonkragarmen eine erforderliche Zulage von Bewehrungsstäben.
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".
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.
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.
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.
Ziel des vorliegenden Forschungsprojektes war das Bewertungsverfahren aus FE 15.494/2010/FRB "Entwicklung einheitlicher Bewertungskriterien für Infrastrukturbauwerke in Hinblick auf Nachhaltigkeit" an fertiggestellten Bauwerken in der Praxis erstmalig anzuwenden und kritisch zu überprüfen. Die Bearbeitung erfolgte durch ein Konsortium von Forschungseinrichtungen der TU Darmstadt, der TU München und der Universität Stuttgart, sowie den Ingenieurbüros Büchting+Streit AG, SSF Ingenieure AG und der LCEE GmbH. Als Ergebnis wird die Anwendbarkeit des Bewertungssystems festgestellt und es werden Empfehlungen zur Verbesserung des Bewertungsschemas und der Bewertungskriterien im Schlußbericht zusammengefasst. Das vorliegende Projekt wurde im Rahmen der Arbeitsgruppe Nachhaltige Straßeninfrastruktur im BMVBS im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) im Zeitraum September 2011 bis Juli 2012 bearbeitet. Die Grundlage für das Forschungsvorhaben bildet das bereits angesprochene FE-Vorhaben 15.494/2010/FRB.
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.