24 Brückenentwurf
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Es wird über Untersuchungen zur Feststellung der Bewegungen von Randfugen auf Brücken berichtet. Die Untersuchungen dienten der Frage, ob der bisher bei Randfugen auf Brücken verwendete Unterfüllstoff oder Trennstreifen zwischen den Fugenfüllungen neben der Schutzschicht und neben der Deckschicht weggelassen werden kann. Ferner sollte ein praxisgerechtes Kollektiv der Fugenbewegungen für labormäßige Prüfungen und Untersuchungen der Fugenmassen ermittelt werden. Der Beitrag berichtet über Untersuchungsmethoden und stellt Ergebnisse vor.
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.
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.
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.
Aktuell werden Brücken intensiv in festgelegten Zyklen untersucht, wodurch hohe Kosten entstehen, jedoch das Zusammenwirken der Konstruktionsteile und Systemabhängigkeiten nur unzureichend berücksichtigt werden. Durch eine risikobasierte Bauwerksprüfung ist es möglich, den Prüfumfang jeder Bauwerksprüfung auf Basis wissenschaftlich basierter Risikobetrachtungen auf Schadensebene festzulegen und nur bei Vorliegen einer entsprechenden Schädigungswahrscheinlichkeit zu prüfen. Hierzu wird das betrachtete Bauwerk mithilfe mehrerer Untergliederungsebenen bis zu den möglichen Schäden aufgegliedert. Für sämtliche Schäden werden auf Grundlage mechanischer oder physikalischer/chemischer Überlegungen Schädigungsmodelle definiert und für alle Schäden verschiedene Schädigungsniveaus, bezogen auf die Auswirkungen auf die Standsicherheit, Verkehrssicherheit und Dauerhaftigkeit, festgelegt. Durch eine Darstellung der Schäden mittels probabilistischer Modelle, lässt sich die Wahrscheinlichkeit, dass ein Schaden ein bestimmtes Schädigungsniveau erreicht, errechnen. Wenn die Wahrscheinlichkeit, dass ein Schaden ein bestimmtes Schädigungsniveau erreicht hat, eine zugehörige Grenzwahrscheinlichkeit erreicht, ist eine Bauwerksprüfung zur Bestätigung dieses Schadensniveaus durchzuführen. Es wird eine Systematik vorgeschlagen, die für jedes Schädigungsniveau, die Ermittlung der Grenzwahrscheinlichkeit ermöglicht. Durch die Bauwerksprüfung kann der tatsächliche Bauwerkszustand festgestellt und die Schädigungsprognose durch Einbezug dieser Erkenntnisse in die Schädigungsmodelle, angepasst werden. Durch das vorgeschlagene Modell ist es möglich, beim Umfang der Bauwerksprüfung den tatsächlichen und den prognostizierten Bauwerkszustand zu berücksichtigen. Die für die Bauwerksprüfung bereitstehenden Mittel lassen sich effizienter einsetzen und "Schwachpunkte" eines Bauwerks werden gemäß ihrer Schädigungswahrscheinlichkeit häufiger geprüft.
Das geplante umfassende Bauwerks-Management-System (BMS) beinhaltet alle Funktionen zur Durchführung des Erhaltungsmanagements. Grundlage ist die Erhebung und Bereitstellung von objektbezogenen Informationen. In Verbindung mit netzbezogenen Daten, Rahmenbedingungen und Restriktionen wird damit die Basis für Analyseprozesse bereitgestellt. Als Ergebnisse werden unter anderem Maßnahmenvorschläge, optimierte Programmplanungen und Angaben zum Finanzbedarf entwickelt. Ein wichtiger Gesichtspunkt ist, dass einheitliche und kompatible Verfahren für alle beteiligten Verwaltungen bereitgestellt werden. Die Konzeption des BMS umfasst sieben Teilmodule, die in einer Reihe von Forschungs- und Entwicklungsvorhaben realisiert werden. Der derzeitige Schwerpunkt besteht in der Entwicklung von Schädigungsmodellen, Maßnahmen- und Kostenkatalogen sowie von Analyseverfahren. Im Beitrag werden die einzelnen Realisierungsstufen erläutert sowie ein Überblick über die aktuellen Forschungsprojekte und geplanten Aktivitäten gegeben.
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".
Unter dem Begriff "Intelligente Brücke" erfolgt in einem Forschungscluster der Bundesanstalt für Straßenwesen die Entwicklung eines adaptiven Systems zur kontinuierlichen Bereitstellung relevanter Informationen für eine ganzheitliche Zustandsbewertung durch den Einsatz von geeigneter Sensorik in Verbindung mit Analyse- und Bewertungsverfahren. Hierdurch werden online Hinweise auf zu erwartende Schädigungen und Zustandsänderungen ermöglicht. Im Rahmen des digitalen Testfelds Autobahn werden ausgewählte Entwicklungen "Einwirkungsüberwachung", "Instrumentierte Fahrbahnübergänge und Lager" sowie "Sensornetze" an einer Spannbetonbrücke im Autobahnkreuz Nürnberg umfänglich vorgestellt und damit bundesweit zugänglich gemacht. Das Gesamtsystem besteht aus den Komponenten eines Informationssystems zur Analyse und Bewertung von Messdaten instrumentierter Bauteile. Die dabei durchzuführenden Untersuchungen beziehen sich auf die fortlaufende Aktualisierung des objektbezogenen Lastmodells und Analysen zur Restlebensdauer der Brücke sowie der untersuchten Bauteile. Die erfassten und aufbereiteten Informationen werden der zuständigen Straßenbauverwaltung online zur Verfügung gestellt. Das System wird im Rahmen eines fünfjährigen Untersuchungsprogramms betrieben, analysiert und weiterentwickelt.
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.
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.