24 Brückenentwurf
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Volkswirtschaftliche Gesichtspunkte beim Bau und der Unterhaltung von Brückenbauwerken erfordern ein effektives Lebenszyklusmanagement. Ein wesentliches Ziel besteht dabei in der zuverlässigen Prognose der Schadensentwicklung. Die Kenntnis über Mechanismen und Auswirkungen einzelner dauerhaftigkeitsrelevanter Beanspruchungen bzw. Schädigungsarten ist relativ weit fortgeschritten. Demgegenüber ist das Wissen über die Wirkungsweise kombiniert auftretender Beanspruchungen an Betonbauwerken bislang unzureichend. Dies gilt auch für den Fall, dass gleichzeitig singuläre Risiken, wie beispielsweise Ausführungsmängel oder Lagerschäden vorliegen. Gerade aber kombinierte Einwirkungen und bereits vorhandene Mängel sind für massive Schäden an Brücken maßgeblich verantwortlich. Diese Problematik wurde im Rahmen der vorliegenden Machbarkeitsstudie eingehend beleuchtet. Zunächst wurden im Rahmen einer umfangreichen Literatursichtung die vorhandenen dauerhaftigkeitsrelevanten Einwirkungen auf Brücken identifiziert sowie deren mögliche Modellierung in Form von Schädigungs-Zeit-Gesetzen aufgezeigt und eingehend diskutiert. In einem nächsten Schritt konnten die bei Brückenbauwerken vorzufindenden Interaktionen zwischen den kombiniert auftretenden dauerhaftigkeitsrelevanten Einwirkungen und singulären Risiken auf der Basis einer Literatursichtung erfasst und in Form einer Interaktionsmatrix anschaulich dargestellt werden. Die verschiedenen Methoden zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit von Betonkonstruktionen wurden aufgezeigt sowie die Grundzüge einer System- und Risikoanalyse vorgestellt. Anhand ausgewählter Bespiele aus der Fachliteratur wurde die prinzipielle Vorgehensweise bei unterschiedlichen Methoden zur Dauerhaftigkeitsbeurteilung dargestellt. Besondere Beachtung galt dabei dem aktuellen Stand der Forschung im Umgang mit kombiniert auftretenden Einwirkungen. Im Ergebnis der umfangreichen Literaturstudie konnte festgestellt werden, dass kombinierte Einwirkungen als Problem im Bereich des Betonbrückenbaus bekannt sind, ihre Erfassung und Modellierung jedoch weder zeitvariante Schädigungs-Zeit-Gesetze noch baustofftechnologische Interaktionen berücksichtigen. Auf der Grundlage der in der Literatur gewonnenen Erkenntnisse wurde ein Ansatz für eine um diese beiden entscheidenden Punkte erweiterte System- und Risikoanalyse erarbeitet. Dieser Ansatz besteht darin, über die Verwendung geeigneter Schädigungs-Zeit-Gesetze und grenzzustandsbezogener Betrachtungen Lebensdauerprognosen durchzuführen. Hierdurch wird eine wirklichkeitsnahe Beurteilung der Dauerhaftigkeit möglich. Die Interaktion der Schädigungsmechanismen wird über einen Faktor η, der die baustofftechnologischen Veränderungen des Betons infolge einer anderen Einwirkung berücksichtigt, in das Modell aufgenommen. Das erarbeitete Konzept wurde durch exemplarische, computergestuetzte Beispielrechnungen hinsichtlich seiner Anwendbarkeit bestätigt. Bis zur Praxiseinführung dieser Methode bedarf es jedoch noch umfangreicher Ausarbeitungen und gezielter weiterführender Forschung.
Untersuchungen zur Querkraftbemessung von Spannbetonbalken mit girlandenförmiger Spanngliedführung
(2011)
Die Literaturrecherche zeigte, dass seit Beginn der Spannbetonbemessung der innere Hebelarm z auf der Grundlage von Annahmen bestimmt wird, die zum Teil stark variieren. Dies liegt vor allem daran, dass die Querkraftbemessung ursprünglich an Stahlbetonbauteilen hergeleitet wurde. Für Spannbetonbauteile wird in der Literatur ein Hebelarm von z=0,67d bis z=0,90d vorgeschlagen. Alle Quellen sind sich darüber einig, dass der Querkrafttraganteil der geneigten Spannglieder zu berücksichtigen ist. Des Weiteren sind Unterschiede in den aktuellen Normen zu finden. Während im DIN FB 102 im Allgemeinen der innere Hebelarm z aus dem Nachweis im GZT infolge Biegung mit oder ohne Längskraft im gleichen Querschnitt aus dem zugehörigen Moment verwendet werden soll, wird in der DIN 1045-1 nichts dergleichen erwähnt, sondern es darf z=0,9d angesetzt werden, sofern eine ausreichende Längsbewehrung aus Betonstahl vorhanden ist. Der EC 2 erlaubt hingegen den inneren Hebelarm z aus dem maximalen Biegemoment im betrachteten Bauteil zu berechnen. In einigen Literaturquellen, so auch im EC 2 wird außerdem gefordert, dass bei Bauteilen mit geneigten Spanngliedern ausreichend Betonstahllängsbewehrung im Zuggurt einzulegen ist. Die Auswertung der Stuttgarter Versuche zeigte, dass bei der Frage nach dem korrekten Ansatz für z zwei Bereiche zu unterscheiden sind. In dem Bereich, in dem die Schubrisse aus Biegeanrissen am Querschnittsrand entstehen ändert der Schubriss auf Höhe der Spannglieder seine Neigung. Die Änderung des Neigungswinkels ist abhängig von den Steifigkeitsverhältnissen der Zugbänder. Für diesen Bereich wird ein Ansatz vorgeschlagen, bei dem die Querschnittsflächen des Spannstahls Ap und Betonstahl As mit den für den Schub maßgebenden Spannungen gewichtet werden. Der Bereich, in dem die Spannglieder überdrückt sind und die flacher verlaufenden Schubrisse ohne Neigungswechsel kurz über die Spannglieder hinweg verlaufen, erstreckt sich horizontal vom Auflager bis zu ca. 1,5h. Hier wird das Stegfachwerk wesentlich entlastet durch den Druckbogen, der sich bei den hier untersuchten Trägern aufgrund der sehr schwachen schlaffen Zuggurtbewehrung zusammen mit der sich bis zum Auflager durchlaufenden Druckstrebe fast ausschließlich auf den Spannanker abstützt. Die Größe der gegebenenfalls erforderlichen schlaffen Zuggurtbewehrung für die Abdeckung der Zugkraft am Auflager muss noch untersucht werden.
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.
Angesprochen wurden aktuelle Entwicklungen beim Neubau und neue Entwicklungen bei Instandsetzungen und Verstärkungen. Eingegangen wird zu Beginn auf den Bestand an Brücken im Bundesfernstraßenbereich und auf die Entwicklung der Stahlpreise zwischen 2004 und 2008 mit einer sprunghaften Verdoppelung im August 2008 gegenüber den Jahren davor. Anschließend wird der Neubau von Stahlbrücken beleuchtet, auch mit Angabe der Möglichkeiten des Bundesministeriums fuer Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) zur Förderung technischer Weiterentwicklungen und Innovationen. Aktuelle Entwicklungen bei Stahlverbundbrücken sind einteilige Überbauquerschnitte, VFT-Träger für Überführungen, luftdicht verschweisste Kästen, Hohlkästen mit Wellstahlträgern und Stahlrohrfachwerke. Alle diese Themen werden mit Beispielen unterlegt dargestellt. Neue Entwicklungen bei Instandsetzungen und Verstärkungen betreffen die verschiedenen Arten der Verstärkung von orthotropen Platten durch Aufkleben von Stahlplatten, Aufbringen einer Sandwichplatte (Sandwich-Plate-System (SPS)), Aufbetonieren einer dünnen Schicht aus ultrahochfestem Beton und Aufbringen eines steiferen Fahnbahnbelags.
Stahlbrücken mit orthotropen Fahrbahnplatten haben in Deutschland eine lange Traditon, bedürfen aber aufgrund der ständig gestiegenen Belastung durch den Schwerverkehr in einigen Fällen einer Instandsetzung oder sogar einer nachträglichen Verstärkung. Der Beitrag stellt vor diesem Hintergrund neue Wege und Methoden zur Verstärkung orthotroper Fahrbahnplatten vor und erläutert die Grundsätze und Randbedingungen ihrer Anwendung. Alle Erfahrungen haben gezeigt, dass nur Verstärkungsmethoden, die das Trag- und Verformungsverhalten der orthotropen Platte beachten und verbessern, erfolgreich sind. Nachdem die technische Entwicklung der orthotropen Platte dargestellt wurde, geht der Bericht auf die Bemessung sowie auf das Trag- und Verformungsverhalten dieses Bauteils ein. Grundsätzlich erfolgt die Berechnung und Bemessung der orthotropen Platte durch Zerlegung des Gesamtsystems in einzelne Subsysteme, die den Kräfteweg von den einwirkenden Reifenlasten bis in die Auflagerkräfte der Brücke stufenweise nachvollziehen. Auf die Bemessung der Subsysteme und die potenziell an den Systemen möglichen Schäden wird eingegangen. In einem weiteren Teil behandelt der Bericht Erfahrungen mit Instandsetzungsverfahren. Die Gefährdung der Dauerhaftigkeit der Bauteile wird in die Kategorien 1 bis 4 eingeteilt, mit Kategorie 1 als höchster Gefährdungsstufe. Die bei den einzelnen Kategorien aufgetretenen Schäden, ihre Ausprägung und die Ursachen des Entstehens werden erläutert. Der Bericht beschreibt auch Planungsmittel für Instandsetzungs- und Verstärkungsmaßnahmen sowie prophylaktische Verstärkungsmaßnahmen und die Entwicklung nachhaltiger Verstärkungen. Dabei spielt bei einigen Maßnahmen die Verbesserung der Verbundeigenschaften zwischen Stahlblech und Asphaltbelag eine wichtige Rolle. Weitere Entlastungsmöglichkeiten des Deckblechs bestehen darin, die Steifigkeit durch eine aufgesetzte Sandwichkonstruktion zu vergrößern oder das Deckblech mit einer 50 mm dicken Schicht aus bewehrtem hochfesten Stahlfaserbeton zu verstärken.
Der Beitrag berichtet in einem ersten Teil über die in den Niederlanden angewendeten Inspektionstechniken zur Feststellung von Schäden (Rissen) bei orthotropen Stahlfahrbahnplatten und in einem zweiten Teil über die Instandsetzung der Moerdijkbruecke mit einer zusätzlichen Deckschicht aus bewehrtem hochfesten Stahlfaserbeton. Die Ausführungen zu den Inspektionstechniken umfassen die visuelle Inspektion, magnetische Inspektion, Farbeindringprüfung, Ultraschallprüfung und Diffraktionseffekt bei Anstrahlen von Fehlern (Time of Flight Diffraction (TOFD)) sowie radiographische Untersuchungen und das Wirbelstromverfahren. Für jede dieser Methoden wird ihre Wirkungsweise, Handhabung und der Anwendungsbereich angegeben. Die Moerdijkbrücke ist eine der meistbefahrenen Brücken in den Niederlanden mit einem erheblichen Schwerverkehrsaufkommen und weist etliche Schäden am Deckblech auf. Die bisher durchgeführte Instandsetzung durch Ausbessern der Längsschweissnähte führte nicht zum erhofften Erfolg. Der Bauherr entschloss sich daher, die Gussasphaltschicht durch einen bewehrten hochfesten Stahlfaserbeton mit einer Dicke von 5 cm mit Verbund zum Stahldeckblech zu ersetzen. Die Spannungen im Deckblech konnten auf diese Weise um einen Faktor 4 bis 5 reduziert werden. Die Methode reagiert jedoch empfindlich auf Abweichungen der Mischungsverhältnisse des Betons und der Viskosität.
Bei Schrägseilbrücken und Hängebrücken ist die Tragfähigkeit und die Betriebsfestigkeit der Seile von entscheidender Bedeutung. Da in Deutschland seit einigen Jahren wieder verstärkt Schrägseilbrücken gebaut werden, kommt den neueren Entwicklungen auf diesem Gebiet eine besondere Bedeutung zu. Diese neuen Entwicklungen werden im Bericht beschrieben. An erster Stelle steht dabei die Anwendung von Litzenbündeln (LBS) in Deutschland bei der fertiggestellten Ziegelgrabenbrücke im Brückenzug der Rügenbrücke und der im Bau befindlichen Niederrheinbrücke Wesel. Diese im Ausland schon seit vielen Jahrzehnten angewendete Bauart stieß in Deutschland bisher auf Bedenken, insbesondere wegen der Prüfbarkeit und des Korrosionsschutzes. Litzenbündel bestehen im Wesentlichen aus 7-drähtigen Spannstahllitzen und speziellen Verankerungsteilen. Auf der freien Länge des Seils sind die Litzen durch ein HDPE-Rohr gegen äussere Beschädigungen und Umwelteinflüsse geschützt. Da Seile aus Litzenbuendeln bisher nicht bauaufsichtlich geregelt sind, war eine Zustimmung im Einzelfall erforderlich. Die Prüfung der Seile bei den regelmäßig durchzuführenden Bauwerksprüfungen ist verbunden mit einem großen technischen Aufwand, hohen Kosten und Beeinträchtigungen des Verkehrs. Der Bericht geht ausführlich auf mögliche Methoden der Seilprüfung ein. Bei der Ziegelgrabenbrücke wurde die magnetinduktive Prüfung, die sich bei vollverschlossenen Seilen seit vielen Jahren bewährt hat, zum Feststellen von Schäden an den Seilen aus Litzenbündeln angewendet. Neue Entwicklungen bei vollverschlossenen Seilen betreffen insbesondere die Korrosionschutzsysteme und die Ausführung der Ankerköpfe. In beiden Bereichen beschreibt der Bericht die Neuerungen. Bei den Instandsetzungen der vollverschlossenen Seile werden angespochen: dauerhafte Seilspreizung zur Verbesserung der Zugänglichkeit bei der visuellen Prüfung, Seilaustausch am Beispiel der Rheinbrücke Düsseldorf-Flehe und die Instandsetzung des Korrosionschutzes mit verschiedenen Methoden. Wegen der neueren technischen Entwicklungen entsprechen die derzeit gültigen einschlägigen Regelwerke teilweise nicht mehr dem Stand der Technik. Sie müssen daher überarbeitet oder gänzlich neu erstellt werden.
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.
Seilverspannte Brücken
(2008)
Der Beitrag behandelt den Entwurf, Besonderheiten der Berechnung und die Bemessung der beiden wichtigsten Bauarten seilverspannter Brücken, der echten Hängebrücke und der Schrägseilbrücke. Bei den Hängebrücken wird zunächst eingegangen auf die geschichtliche Entwicklung, die geprägt ist durch die im Zuge der Verbesserung des Stahls zunehmende Drahtfestigkeit. Anschliessend geht der Bericht ein auf: statisches System, Arten des Ueberbaus, Ausführung der Pylone, Kabel, Hänger und Widerlager. Analog zu den Hängebrücken ist der Beitrag bei den Schrägseilbrücken aufgebaut: geschichtliche Entwicklung, Haupttragwerke, Ueberbau, Pylone und Schrägseile. Hinsichtlich der Besonderheiten der Berechnung werden angesprochen: Anwendung der Theorie II. Ordnung und Betriebsfestigkeitsbeanspruchung. Erläutert wird auch die Montage sowohl der Hängebrücke als auch der Schrägseilbrücke in Wort und Bild.
Der Beitrag befasst sich vor dem Hintergrund der kontrovers diskutierten Zwischenhaftung bei der Ausführung von Korrosionsschutzsystemen fuer Stahl- und Stahlverbundbrücken mit einer Abfrage bei den Bundesländern zu Schäden am Korrosionschutz bei Systemen nach Blatt 87 und Blatt 94 der ZTV-ING, Teil 4, Abschnitt 3. Auslöser für die Abfrage waren Schadensfälle mit grossflächigen Ablösungen der Deckbeschichtung aus Polyurethan, die nach einer Zwischenreinigung auf die Werksbeschichtung aus Epoxidharz aufgebracht worden war. Der Zeitraum zwischen der Beschichtung im Werk und dem Aufbringen der Deckbeschichtung auf der Baustelle kann zwischen einigen Wochen oder Monaten bis - in Ausnahmefällen - zu mehreren Jahren liegen. Mit der Abfrage bei den Straßenbauverwaltungen der Bundesländer sollte herausgefunden werden, ob Schäden aufgetreten sind - und wenn ja - in welchem Umfang. In die Umfrage einbezogen sind die 16 Obersten Straßenbauverwaltungen sowie die DEGES. Gemeldet wurden insgesamt 648 Stahl- und Stahlverbundbrücken, davon 46 mit Schäden am Korrosionsschutz. Die Schadensquote liegt demnach bei 7 Prozent. Es zeigte sich, dass die Enthaftung der Deckbeschichtung unterschiedliche Ursachen haben kann, insbesondere Nichteinhaltung des Sicherheitsabstands zwischen Objekt- und Taupunkttemperatur und unzureichende Reinigung der Zwischenbeschichtung. Ein grundlegendes, systembedingtes Zwischenhaftungsproblem kann nach den bisherigen Umfrageergebnissen nicht bestätigt werden. Sehr wohl sollte jedoch wegen der Schadensquote von 7 Prozent den Ursachen der aufgetretenen Schäden weiter nachgegangen werden.