34 Stahl und Metalle
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Nachrechnung von Stahl- und Verbundbrücken - Systematische Datenauswertung nachgerechneter Bauwerke
(2018)
Die in den vergangenen Jahrzehnten extrem gestiegene Verkehrsbelastung und die weiterhin als steigend prognostizierte Verkehrsentwicklung führt in der Kombination mit altersbedingten Defiziten in der Bauwerkssubstanz zu der Erfordernis einer eingehenden Überprüfung des Brückenbestandes des deutschen Fernstraßennetzes. Seit einigen Jahren steht mit der Nachrechnungsrichtlinie ein Instrument zur einheitlichen Vorgehensweise bei der Nachrechnung und Bewertung von bestehenden Brückenbauwerken zur Verfügung. Mittlerweile liegen erste Erfahrungen zur Anwendung der Nachrechnungsrichtlinie vor, die im Zuge einer Datenauswertung der Nachrechnungsergebnisse bewertet werden können. Durch die Datenauswertung bereits nachgerechneter Bauwerke soll eine Optimierung des bisherigen Vorgehens in Bezug auf die Nachrechnung von Stahl- und Verbundbrücken erreicht werden. Es werden in Abhängigkeit der Häufigkeit und der Größe der rechnerisch ermittelten Defizite kritische Nachweise bzw. Nachweisstellen herausgearbeitet, die vor dem Hintergrund der historischen Entwicklung der Regelwerke im Brückenbau in Verbindung mit der Bauzeit ein erstes Indiz zur Beurteilung des jeweiligen Brückenbauwerks liefern. Zusätzlich werden in einem gesonderten Kapitel am Beispiel von ausgewählten, vom Auftragnehmer selbst nachgerechneten Brückenbauwerken Besonderheiten und spezielle Erkenntnisse bei der Nachrechnung von Stahl- und Verbundbrücken detailliert beschrieben und Erfahrungswerte dargelegt. Die gewonnenen Erkenntnisse sind in einen Leitfaden zur vereinfachten Tragwerksbeurteilung im Vorfeld einer Nachrechnung eingeflossen. Dieser soll als weiteres Hilfsmittel dienen, um besonders kritische Bauwerke besser identifizieren zu können, und möglicherweise mit gezielten Untersuchungen von Detailpunkten erste Grundlagen für eine Bewertung der Bauwerke schneller zur Verfügung stellen zu können. Abschließend werden auf Grundlage der durchgeführten Untersuchungen Verbesserungsmöglichkeiten im Hinblick auf die Ergebnisdarstellung sowie inhaltliche Verbesserungspotentiale in der Nachrechnungsrichtlinie aufgezeigt und Vorschläge zur Ergänzung und Erweiterung der Nachrechnungsrichtlinie beschrieben.
Die Bemessung schlanker plattenförmiger Bauteile, die sich aus ebenen, unversteiften oder versteiften Blechen zusammensetzen und die in ihrer Ebene beansprucht sind, erfolgt nach DIN EN 1993-1-5:2010. Diese Beulnachweise können nach DIN EN 1993-1-5 mittels zweier Nachweiskonzepte, die Methode der wirksamen Breiten in Abschnitt 4-7 und die Methode der reduzierten Spannungen in Abschnitt 10, durchgeführt werden. Die Methode der reduzierten Spannungen ist im Eurocode sehr kurz dargestellt und mit vielen Querverweisen auf andere Abschnitte beschrieben, so dass die Gefahr besteht, diese falsch zu interpretieren. Deshalb ist es notwendig, Abs. 10 deutlicher und klarer zu strukturieren. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden Beispiele mit beiden Methoden untersucht und die Ergebnisse verglichen. Aus der Vergleichsuntersuchung wurden Empfehlungen für die Auswahl des geeigneten Berechnungsverfahrens zusammengestellt. Zu allen wesentlichen Punkten der Nachweisführung wurden Hinweise und Klarstellungen gegeben, die den aktuellen Stand der Technik wiedergeben. Außerdem wurde eine verbesserte Version von DIN EN 1993-1-5 Abs. 10 so ausgearbeitet, dass dieser anwendungsfreundlicher und klarer wird. Mit den Ergebnissen wurden Handlungsempfehlungen in Form eines Flussdiagramms für die Praxis entwickelt und ein Vorschlag für die aktuell stattfindende Weiterentwicklung des EC 3 in Englisch.
Durch die in den letzten Jahren enorm gestiegenen Verkehrsbelastungen und damit einhergehenden gestiegenen lokalen Beanspruchungen im Deckblech kommt es bei bestehenden Stahlbrücken mit orthotropen Fahrbahnplatten vermehrt zu Ermüdungsschäden im Bereich der geschweißten Anschlüsse der Längsrippen an das Deckblech (Kategorie-1-Schäden). Ziel des Forschungsprojekts war es zu untersuchen, ob sich durch eine erhöhte mittragende Wirkung des Fahrbahnbelags die lokalen Radlasten besser verteilen lassen und die Spannungen im Bereich der Anschlüsse Längsrippe " Deckblech somit reduziert werden können. Zum Nachweis einer erhöhten mittragenden Wirkung wurden numerische und experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Untersucht wurden die folgenden Asphaltvarianten: Gussasphalt als Referenzsystem, sowie hohlraumreiche Asphaltgerüste mit nachträglicher Verfüllung (HANV, verfüllt mit Epoxidharz und mit Bioharz). Zusätzlich wurde untersucht, ob es möglich ist, auf den Einsatz der Pufferschicht zu verzichten, um damit die mittragende Wirkung des Fahrbahnbelags zusätzlich zu erhöhen. Die experimentellen Untersuchungen umfassten sowohl statische als auch dynamische 5-Punkt-Biegeversuche, die bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt wurden. Die Prüfkörper bestanden aus einem Stahlblech mit Asphaltbelag und Pufferschicht nach ZTV-ING Teil 7, Abschnitt 4 und einer Abdichtung nach Bauart 1. Während der Versuchsdurchführung wurden die Verformungen an der Unterkante des Stahlblechs gemessen. Aus den aufgezeichneten Versuchsdaten wurden zunächst Kraft-Verformung-Kurven erstellt, aus denen anschließend Verformungsmodule abgeleitet wurden, um die mittragende Wirkung der einzelnen Belagsvarianten zu bewerten. Auf Grundlage der experimentellen Untersuchungen ließen sich lediglich erste Tendenzen zur Erhöhung der mittragenden Wirkung ableiten. Der geringe Prüfumfang von zwei Prüfkörpern je Variante und die teilweise starken Streuungen in den Versuchsergebnissen ließen keine quantitative Bewertung der Ergebnisse zu. Die numerischen Untersuchungen an einem 3D-Finite-Elemente-Modell ergaben, dass sich durch eine höhere Asphaltsteifigkeit die Spannungen im Deckblech um bis zu 40 % reduzieren lassen. Der Verzicht auf die Pufferschicht kann bei niedrigen Asphaltsteifigkeiten, so wie sie beim derzeit eingesetzten Gussasphalt vorliegen, ebenfalls eine Reduktion der Spannungen um ca. 25% bewirken. Für eine quantitative Bewertung der untersuchten Varianten sind Großbauteilversuche unverzichtbar. Hierdurch ließen sich herstellungsbedingte Streuungsfaktoren minimieren und die Auswirkungen der Verwendung von verfüllten Asphaltmaterialien am tatsächlichen Detail Längsrippe " Deckblech untersuchen.
In der Bundesanstalt für Straßenwesen war ein Meßverfahren für Betonoberflächen entwickelt worden, dessen Anwendung zur Prüfung von Beschichtungen auf metallischen Untergründen ebenfalls möglich erscheint. Da es sich hier um einen neuen Einsatzbereich handelt, waren jedoch zur Abschätzung der Anwendung für eine Bewertung von Beschichtungen auf metallischen Untergründen grundlegende, systematische Untersuchungen notwendig. Das Meßverfahren beruht auf dem Prinzip der Leitung des elektrischen Stromes in Elektrolytlösungen. Die Meßwerte sind proportional zu den Fehlstellen, beziehungsweise Strompfaden in einer Beschichtung. Das Meßverfahren kann als zerstörungsarm eingestuft werden. Als Beschichtungssysteme wurden Beschichtungen mit den Bindemitteln: Polyvinylchlorid (PVC), 2-Komponenten-Epoxidharz/Polyurethan (EP/PUR) und 1-Komponenten-Polyurethan (1 K PUR) für die Versuche ausgewählt. Als künstliche Belastung dieser Beschichtungen wurde die Salzsprühnebelbelastung nach DIN 50021-SS angewandt. Das untersuchte Meßverfahren ist nach den Ergebnissen der Laboruntersuchungen als brauchbar für die Bewertung von Beschichtungen, insbesondere von Altbeschichtungen einzuschätzen. Die Meßergebnisse sind wiederholbar. Die Zusammenhänge zwischen dem Meßwert und der Schichtdicke, beziehungsweise der Belastungsdauer sind plausibel. Die ermittelten Kurven, die den Zusammenhang zwischen den Meßwerten und der Schichtdicke der Beschichtung darstellen, haben die Form einer "Treppenfunktion". Die Meßwerte können in drei Kategorien eingestuft werden: niedrige, hohe und unzulässige Meßwerte. Die niedrigen Meßwerte sind Indiz für eine funktionsfähige Beschichtung. Darüber hinausgehende hohe Meßwerte sind als Warnsignal zu verstehen, um möglicherweise eine Instandsetzungsmaßnahme zu veranlassen. Bei Überschreitung des Meßbereiches (unzulässige Meßwerte) ist mit ungehindertem Elektrolytlösungsfluß zum Untergrund und einer baldigen Durch- beziehungsweise Unterrostung zu rechnen. Wie weit diese Ergebnisse auf die Praxis zu übertragen sind, ist in einem Folgeprojekt an Bauwerken mit unterschiedlichem Zustand und Alter der Beschichtungen noch zu untersuchen.
Verträglichkeit von reaktionsharzgebundenen Dünnbelägen mit Abdichtungssystemen nach den ZTV-BEL-ST
(2000)
Bei der Überarbeitung des "Merkblattes für reaktionsharzgebundene Dünnbeläge auf Stahl" und der Erstellung von "Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von reaktionsharzgebundenen Dünnbelägen auf Stahl" (ZTV-RHD-ST) wurden für die Überlappungsbereiche der reaktionsharzgebundenen Dünnbeläge (RHD-Beläge) mit den Abdichtungssystemen nach den "Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von Brückenbelägen auf Stahl" (ZTV-BEL-ST) oder mit den Korrosionsschutzsystemen nach den "Technischen Lieferbedingungen für Anstrich- und ähnliches Beschichtungsmaterial vorwiegend für Stahlbauten" (siehe auch ZTV-KOR 92) Teil 2, Blatt 81 (TL 918 300 Teil 2, Blatt 81) in einer Bearbeitergruppe Musterzeichnungen erarbeitet, die den Planern solcher Maßnahmen und den Verarbeitern vor Ort vorgeben, wie die entsprechenden Überlappungen in Abhängigkeit von den verschiedenen Belagsystemen auszuführen sind. Im Rahmen der Erarbeitung der Musterzeichnungen wurde zunächst nicht geklärt, ob die verschiedenen zur Anwendung kommenden Stoffe untereinander verträglich sind. Da jedoch die Kenntnis der Verträglichkeit die Grundlage für die Planung der Ausführung der Überlappungsbereiche ist, wurde im Rahmen dieses Projektes die grundsätzliche Verträglichkeit der zur Anwendung kommenden Stoffe untersucht. Anhand der durchgeführten Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, welche Kombinationen in der Regel verträglich oder unverträglich sind und bei welchen Kombinationen Untersuchungen im Einzelfall notwendig sind. Mit der Untersuchung von 123 verschiedenen Kombinationen wurden die meisten der zur Zeit möglichen Überbeschichtungen abgedeckt. Den mit der Ausschreibung solcher Maßnahmen Beauftragten wird eine Unterlage zur Verfügung gestellt, anhand derer sie schon bei der Ausschreibung solcher Maßnahmen unverträgliche Kombinationen ausschließen können. Für den Fall, dass die Wahl einer sicher verträglichen Kombination nicht schon von vornherein möglich ist (zum Beispiel bei verbleibenden Altbeschichtungen) wurde ein Prüfverfahren entwickelt, das die Prüfung der Verträglichkeit im Einzelfall regelt. Dieses Prüfverfahren wurde durch den Arbeitskreis 7.10.2 "Beläge auf Stahlbrücken" der FGSV als "Verträglichkeitsprüfung" in den Anhang 2 "Überlappungen im Schrammbordbereich" der ZTV-RHD-ST aufgenommen. Des weiteren wurde in den ZTV-RHD-ST auf diesen Bericht verwiesen.
Das Ziel des unter dem Namen ISOCORRAG bei Arbeitsgruppe WG 4 der ISO erarbeiteten Programms war, die genormten Verfahren zur Charakterisierung der Korrosivität der Atmosphäre zu vergleichen und die Grenzwerte für die Zuordnung der Korrosivitätskategorien zu revidieren. Die Bundesrepublik Deutschland beteiligte sich an dem Programm mit einem Auslagerungsstand, der sich in Bergisch Gladbach bei der Bundesanstalt für Straßenwesen befindet. Die Ergebnisse des Programmes bestätigen die Möglichkeit, die Korrosivität sowohl durch Auslagerung von Standardproben als auch über die Umgebungsbedingungen abzuschätzen. Jedoch ist letzteres eher durch Anwendung einer mathematischen Funktion als durch Bildung von Kategorien der Umgebungsbedingungen erreichbar. Die Auslagerung von Drahtwendelproben führt in der Regel zur Ermittlung von signifikant höheren flächenbezogenen Massenverlusten als die der Blechproben. Oft wirkt sich dieser Unterschied zwischen den Drahtwendel- und den Blechproben so aus, daß die Atmosphäre einer höheren Stufe in der Korrosivitätskategorien-Skala zugeordnet werden muss. Dieses ist im Bezug auf die Wahl des Korrosionsschutzsystems bedeutend. Die Sonderbelastungen, z.B. durch mechanische Belastung durch Splittanprall oder die Auswirkungen des Kleinstklimas (Grenzfläche Substrat/Atmosphäre) z.B. durch Kondenswasserbildung oder Salzablagerungen, sind nicht in den Korrosivitätskategorien erfasst und müssen zusätzlich berücksichtigt werden.
Passive Schutzeinrichtungen aus Stahl werden vor Korrosion durch Verzinken geschützt. Bis 2008 handelte es sich ausschließlich um Stückverzinkung. Im Jahr 2008 hat das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung bis auf Widerruf dem Einsatz von Schutzplankenholmen aus bandverzinkten Stahl zugestimmt. Der Beitrag beschreibt das Verhalten von Zinküberzügen an der Atmosphäre, die Unterschiede zwischen Stück- und Bandverzinkung für Konstruktionsteile, die Grundlage der Zustimmung zum Einsatz von bandverzinkten Schutzplankenholmen und die Auswertung eines Freibewitterungsversuches mit bandverzinkten Schutzplankenholmen nach 9 Jahren.
Der folgende Beitrag liefert einen Überblick über den Bestand der Stahlbrücken im Bundesfernstraßennetz und enthält eine Zusammenstellung unterschiedlicher Ertüchtigungsmßsnahmen. Damit bietet er eine wichtige Orientierungshilfe für die Ausrichtung der zukünftigen Forschungsschwerpunkte. Es wird deutlich, dass bei der Entwicklung von Verstärkungsmaßnahmen vordringlicher Forschungsbedarf besteht.
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.