24 Brückenentwurf
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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 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 Beitrag wird zunächst der Begriff "Orthotrope Fahrbahnplatte" erläutert: Früher war das Konstruktionsprinzip des Brückenbaus so, dass jedes Tragglied die ihm eigene und zugewiesene Last allein zu tragen hatte und die daraus entstandenen Auflagerbelastungen an das nächste unterstützende Bauteil weitergab. So ging es von der Fahrbahn ueber Längs- und Querträger zu den Hauptträgern, und von da aus zu den Auflagern, Pfeilern, Fundamenten bis zum Baugrund. Nach dem 2. Weltkrieg wurden andere Lastabtragungsmodelle entwickelt. Bei der "Orthotropen Platte" handelt sich um eine für den Stahlbrückenbau entwickelte Bauweise, die aus einem oberen ebenen Stahlblech besteht, welches die Abdichtung und den Fahrbahnbelag trägt. Dieses wird auch Deckblech genannt. Das Deckblech wird durch ein rechtwinkliges System von längs und quer angeordneten Stahlprofilen unterschiedlicher Steifigkeit (Laengssteifen und Querträger) unterstützt. Das aus den drei Bestandteilen bestehende kombinierte System der Fahrbahntafel ist ausserdem mittragender Bestandteil des Gesamttragsystems der Brücke. An Beispielen werden die verschiedenen Möglichkeiten der konstruktiven Ausbildung der Fahrbahntafel mit ihren Vor- und Nachteilen erläutert. Es werden Hinweise zur Berechnung und baulichen Durchbildung insbesondere der Schweissverbindungen zwischen Deckblech und Längsrippen und des Stosses der Rippen (Fensterstoß) sowie zur Steifigkeit der Querträger gegeben. So genannte Trapezprofile haben sich als die günstigste Form für die Längsrippen ergeben. Sie werden auch vorteilhaft als Beulsteifen für Stege und Bodenplatten bei Kastenträgerbrücken aus Stahl und bei Verbundbrücken angewendet.