24 Brückenentwurf
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Die Fahrbahnbreite der Rodenkirchener Rheinbrücke (Hängebrücke) wurde durch Hinzufügen einer dritten Tragseilebene verdoppelt. Diese Baumaßnahme bot die Gelegenheit, messtechnische Kontrollen durchzuführen und insbesondere die Bauteiltemperaturen zu erfassen. Der Bauablauf umfasste mehrere Besonderheiten: So war die Gradiente des neuen Bauwerkteiles an die vorhandene anzupassen, die abgängige Betonfahrbahnplatte wurde durch eine Stahlleichtfahrbahn ersetzt, womit gleichzeitig Gewicht gespart wurde, durch Ablassen und Anspannen does neuen Tragkabels wurden Lasten umgelagert. Diese Leistungen setzen erhöhte Genauigkeitsanforderungen bei der Prüfung der Bauwerksgeometrie voraus. Die Bundesanstalt für Straßenwesen hat während der Bauarbeiten mit einer am Bauwerk installierten Messanlage kontinuierlich die Temperaturen der Hauptbauteile (Tragkabel, Hänger, Pylon, Hauptträger) registriert. In der vorliegenden Auswertung werden die Temperaturverläufe, die sich bei charakterischen Witterungskonstellationen in den Bauteilen ergaben, dargestellt. Die während des Messzeitraumes festgestellten Extremwerte der Bauteiltemperaturen werden angegeben und die Auswirkungen von Temperaturveränderungen auf die Bauwerksverformung exemplarisch aufgezeigt. Damit werden Anhaltspunkte und Empfehlungen für ähnliche Bauvorhaben gegeben.
Die Zustandsbewertung von Brücken und Ingenieurbauwerken im Bereich der Bundesfernstraßen wird nach DIN 1076 und RI EBW PRÜF durchgeführt und beinhaltet eine detaillierte Erfassung und Bewertung von Einzelschäden und -mängeln und darauf aufbauend eine mehr oder weniger subjektive Zustandsbewertung des Gesamtbauwerks. Bei der Zustandsbewertung des Gesamtbauwerks gehen die wesentlichen Einzelinformationen der Bauwerksprüfungen über Schadensschwere, -ort und -menge verloren. Die bisherige Vorgehensweise ist nicht ausreichend für eine optimierte Erhaltungsplanung im Rahmen eines geplanten Managementsystems der Bauwerkserhaltung (BMS).Im vorliegenden Bericht wird ein neues Verfahren zur detaillierten Zustandsbewertung von Brücken und Ingenieurbauwerken nach einheitlichen Kriterien beschrieben. Dieses Verfahren soll als Grundlage für ein angestrebtes, umfassendes BMS dienen. Unter Berücksichtigung des spezifischen Informationsbedarfes von Bund und Ländern bei der Erhaltungsplanung und der vorgegebenen Rahmenbedingungen wurde ein Verfahren der Zustandsbewertung auf der Basis der bewährten Einzelschadensbewertungen konzipiert. Das dargestellte Verfahren beinhaltet eine automatisierte Zustandsbewertung nach einheitlichen Kriterien für einzelne Bauteilgruppen und das Gesamtbauwerk unter Verwendung der Ergebnisse der Bauwerksprüfungen nach DIN 1076, die im Rahmen des überarbeiteten Programmsystems BW PRÜF (als DOS Version) oder als Teil der Straßeninformationsbank SIB Bauwerke (als Windows Version) erfolgen kann: Zustandsbewertung = f (Schadensbewertung, Schadensumfang, Anzahl der Einzelschäden) Der Einsatz dieses Verfahrens benötigt gegenüber dem bisherigen Verfahren zusätzliche Angaben des Prüfers, die jedoch in ihrem Umfang begrenzt bleiben: Bewertung der Einzelschäden getrennt nach den Kriterien Standsicherheit, Verkehrssicherheit und Dauerhaftigkeit (unter Berücksichtigung eines Bewertungskatalogs). Angabe des geschädigten Bauteils (wie bisher nach RI EBW PRÜF). Angabe der Schadensmenge und des Schadensortes (neu: Umfang des Einzelschadens "klein", "mittel", "groß"). Weiterhin werden im Programmsystem eine Reihe von Vorgaben gemacht, auf die der Prüfer keinen Einfluß hat: Einführung von Bauteilgruppen gemäß ASB, Teilsystem Bauwerksdaten. Rechnerische Zustandsbewertung für Bauteilgruppen unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Bewertungsschlüssels. Rechnerische Zustandsbewertung des Gesamtbauwerks unter Berücksichtigung der Zustandsbewertung der Bauteilgruppen. Das Programmsystem gibt als Information die Zustandsnote des Gesamtbauwerks im Prüfbericht aus. Zustandsnoten für Bauteilgruppen werden intern gespeichert. Der vorliegende Schlußbericht enthält neben Erläuterungen zum Verfahren der Zustandsbewertung Definitionen zur Schadens und Zustandsbewertung und eine Parameterstudie zum Einfluß maßgebender Größen.
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.
Gegenwärtig wird in den neuen Bundesländern der vorhandene Straßenbrückenbestand einer umfassenden Tragfähigkeitsbewertung unter Erfassung und Berücksichtigung des aktuellen Bau- und Erhaltungszustandes unterzogen.Im Zuge der Nachrechnung kann bei der Einstufung älterer Plattentragwerke in Lastklassen nach DIN 1072 die Nebentragrichtung bei gleichzeitig vorhandenen Tragreserven der Hauptspannrichtung tragfähigkeitsbestimmend werden. Dies trifft vor allem für solche Bauwerke zu, deren Bemessung auf die Betrachtung eines "Meterstreifens" zurückgeführt wurde, und die aus heutiger Sicht oftmals eine zu geringe Querbewehrung erhielten. Mit einem veränderten Rechenmodell zur Schnittgrößenbestimmung gelingt es, vorhandene Bauwerksreserven zu erschließen. Dazu werden dem Benutzer Hilfsmittel in Form von Schnittgrößentafeln sowie Erläuterungen und Hinweise zur Anwendung des Berechnungsverfahrens zur Verfügung gestellt. Ein Beispiel veranschaulicht die durchzuführenden Bearbeitungsschritte. Die Anwendung der aufgestellten Berechnungshilfsmittel darf auf andere plattenartige Bauweisen, wie nicht randverstärkte Balkenreihen oder Platten mit Stahlträger in Beton, ausgedehnt werden, wenn deren Steifigkeitsverteilungen den getroffenen Festlegungen näherungsweise entsprechen. Das beschriebene Berechnungsmodell erfasst die tatsächliche Tragwirkung der zu untersuchenden Bauwerke mit schwacher Querbewehrung realitätsnäher und unterstützt so eine unter Beachtung des Bau- und Erhaltungszustandes zutreffendere Tragfähigkeitsbewertung bei Einhaltung des vorgeschriebenen Sicherheitsniveaus.
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.
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.
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.