24 Brückenentwurf
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Institut
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.
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.
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.
Während bei Schrägseilbrücken in Deutschland bis 2004 nahezu ausschließlich vollverschlossene Spiralseile (VVS) verwendet wurden, kommen bei den jüngsten Bauwerken mitunter spezielle Zugelemente zum Einsatz, die den Spanngliedern im Spannbetonbau ähneln. Sie werden aus einzelnen geschützten Litzen hergestellt und infolgedessen als Litzenbündelseile (LBS) bezeichnet. Im Rahmen des vorliegenden Beitrags werden die Vor- und Nachteile der beiden Bauarten dargestellt, um den Straßenbauverwaltungen der Länder eine Entscheidungshilfe für zukünftige Ausschreibungen zur Verfügung zu stellen. Die gesamte Betrachtung beschränkt sich daher auf die in Deutschland vorgesehenen Systeme und Ausführungsdetails. Nach einer Analyse der beiden Bauarten werden die Systeme gegenübergestellt und verglichen. Die Analyse erfolgt für beide Seiltypen analog. Nach einer technischen Beschreibung und einer Erläuterung der maßgeblichen Regelwerke werden beide Systeme anhand von Anwendungen in der Praxis veranschaulicht: die vollverschlossenen Spiralseile am Beispiel eines Seilaustauschs an der Rheinbrücke Flehe und die Litzenbündelseile am Beispiel des Neubaus der Rheinbrücke Wesel. Anschließend wird jeweils auf entscheidende Leistungsmerkmale von Brückenseilen eingegangen. An diesen Leistungsmerkmalen ist daraufhin auch die Gegenüberstellung der beiden Bauarten ausgerichtet. Im Einzelnen stehen hier folgende Aspekte im Mittelpunkt: Sicherheit/Redundanz, Schwingungsverhalten, Dauerhaftigkeit, Erhaltung und Ertüchtigung sowie Wirtschaftlichkeit. Als Ergebnis wird deutlich, dass sowohl VVS als auch LBS höchsten Anforderungen hinsichtlich Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit genügen und dass Unterschiede in der Wirtschaftlichkeit von projektspezifischen Rahmenbedingungen abhängen.
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.
Um ein zuverlässiges Straßennetz aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, neue innovative Ansätze in das Erhaltungsmanagement der Brückenbauwerke im Bundesfernstraßennetz zu integrieren und weiterzuentwickeln. Ergänzend zu den turnusmäßigen Bauwerksprüfungen nach DIN 1076 wird daher ein adaptives Konzept bereitgestellt, das es ermöglichen soll zum einen Zustandsveränderungen frühzeitig zu erfassen und zu bewerten und zum anderen mit Hilfe von erfassten Einwirkungen und Widerständen zukünftige Zustandsentwicklungen zu prognostizieren. Die zu konzipierenden Systeme setzen sich im Wesentlichen aus der Datenerfassung mit Hilfe von Sensorik und den zur echtzeitnahen Verwendung und Bewertung notwendigen Modellen zusammen. Im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte wurden einzelne Bausteine eines solchen adaptiven Systems erarbeitet.
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.