53 Brückenbau
Zur zerstörungsfreien beziehungsweise zerstörungsarmen Untersuchung von Betonbrücken sind derzeit eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren verfügbar. Neue, zum Teil vielversprechende Verfahren befinden sich im Stadium der Entwicklung. Im Rahmen dieses Berichtes werden die derzeit verfügbaren Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) im Hinblick auf eine Anwendbarkeit im Massivbrückenbau vorgestellt. Im Vordergrund stehen dabei Verfahren, die zur Auffindung von unter der Oberfläche verborgenen Fehlstellen geeignet sind. Grundsätzlich kann festgestellt werden, dass die Anwendung zerstörungsfreier Prüfverfahren durch die inhomogene Zusammensetzung von Beton erschwert wird. Auch durch die Notwendigkeit der Untersuchungen am Bauwerk wird die Anwendung von Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung im Massivbrückenbau erschwert. Weiterhin ergeben sich Randbedingungen, wie zum Beispiel die Vermeidung von Eingriffen in den Verkehr und minimale Eingriffe in das Bauwerk durch die Untersuchung. Eine Analyse der derzeitig verfügbaren Verfahren hat gezeigt, dass zur Lösung von Fragestellungen des Massivbrückenbaus die Anwendung der Verfahren Impuls-Echo, Ultraschall, Durchstrahlung, IR-Thermographie sowie Radar erfolgversprechend erscheint. Werden mehrere Verfahren in Kombination eingesetzt, können umfassende Informationen über den Umfang von Schäden gewonnen werden. Hierdurch lässt sich in vielen Fällen ein umfassendes Bild über den Zustand des Bauwerkes gewinnen. Die in diesem Bericht beschriebenen Verfahren und deren konsequente Anwendung werden zukünftig eine effektivere Identifikation von Problempunkten im Betonbrückenbau ermöglichen.
Zur zerstörungsfreien beziehungsweise zerstörungsarmen Untersuchung von Betonbrücken sind derzeit eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren verfügbar. Neue, zum Teil vielversprechende Verfahren befinden sich im Stadium der Entwicklung. Im Rahmen dieses Berichtes werden die derzeit verfügbaren Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) im Hinblick auf eine Anwendbarkeit im Massivbrückenbau vorgestellt. Im Vordergrund stehen dabei Verfahren, die zur Auffindung von unter der Oberfläche verborgenen Fehlstellen geeignet sind. Grundsätzlich kann festgestellt werden, dass die Anwendung zerstörungsfreier Prüfverfahren durch die inhomogene Zusammensetzung von Beton erschwert wird. Auch durch die Notwendigkeit der Untersuchungen am Bauwerk wird die Anwendung von Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung im Massivbrückenbau erschwert. Weiterhin ergeben sich Randbedingungen, wie zum Beispiel die Vermeidung von Eingriffen in den Verkehr und minimale Eingriffe in das Bauwerk durch die Untersuchung. Eine Analyse der derzeitig verfügbaren Verfahren hat gezeigt, dass zur Lösung von Fragestellungen des Massivbrückenbaus die Anwendung der Verfahren Impuls-Echo, Ultraschall, Durchstrahlung, IR-Thermographie sowie Radar erfolgversprechend erscheint. Werden mehrere Verfahren in Kombination eingesetzt, können umfassende Informationen über den Umfang von Schäden gewonnen werden. Hierdurch lässt sich in vielen Fällen ein umfassendes Bild über den Zustand des Bauwerkes gewinnen. Die in diesem Bericht beschriebenen Verfahren und deren konsequente Anwendung werden zukünftig eine effektivere Identifikation von Problempunkten im Betonbrückenbau ermöglichen.
Zur ordnungsgemäßen Erhaltung der Bauwerke der Bundesfernstraßen (über 35.000 Brücken sowie über 150 Tunnelbauwerke und eine große Anzahl sonstiger Ingenieurbauwerke) wurde es notwendig, ein Bauwerks-Management-System (BMS) zu entwickeln, mit dem die Steuerung der erforderlichen Instandsetzungsmaßnahmen sowie der dafür notwendigen Haushaltsmittel durchgeführt werden kann. Grundlagen für die Erfassung der Bauwerksdaten und die durchzuführenden Instandsetzungen sind die bei den Straßenbauverwaltungen der Länder vorliegenden einheitlichen Datenbanken der Bauwerke und die regelmäßig durchzuführenden Bauwerksprüfungen nach DIN 1076. Aufgrund der bei den Prüfungen festgestellten Befunde sollen über die Instandsetzungsart und deren Zeitpunkt entschieden und die erforderlichen Mittel eingeplant werden. Die Prozesse des Erhaltungsmanagements - Planung, Realisierung und Controlling - werden im Einzelnen beschrieben und der vorgesehene Zeitplan für die Realisierung des Projektes wird angegeben.
Der Bauwerksbestand in Bundesfernstraßen und gleichermaßen in Landes-, Staats- und Kommunalstraßen stammt zum überwiegenden Teil aus der Phase des Wiederaufbaus Deutschlands in den Jahren 1960-1980. Die Bauwerke haben somit ein durchschnittliches Alter von 30 bis 50 Jahren erreicht, was sich inzwischen an zunehmenden Schäden an den Bauwerken zeigt. Die ständige Beobachtung und Prüfung der Bauwerke erhält somit eine zentrale Bedeutung im Rahmen der Sicherheitsphilosophie des Ingenieurbaus und des Bauwerksmanagementsystems. Bauwerksprüfungen nach DIN 1076 sind daher in Zukunft ein wichtiger werdendes Aufgabenfeld, für das gut ausgebildetes und geschultes Personal vorhanden sein muss, um den sehr komplexen Bauwerksbestand richtig beurteilen zu können. Wegen des weiter voranschreitenden Personalabbaus bei den Verwaltungen, wird es dabei zunehmend notwendig werden auch Externe mit dieser verantwortungsvollen Aufgabe zu betrauen. Hierzu ist es Voraussetzung, dass auch diese Bauwerksprüfingenieure die notwendige Qualifikation und Erfahrung haben.
Die objektbezogene Untersuchung und Bewertung von Brücken im Rahmen des Bauwerks-Management-Systems
(2000)
Derzeit wird durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) ein Bauwerks-Management-System (BMS) entwickelt, welches den Bund in die Lage versetzen soll, neben einem Überblick über den Zustand der Bauwerke auf Netzebene auch Aussagen zum Finanzbedarf zu erlangen und Strategien, Ziele sowie Rahmenbedingungen in der Erhaltungspraxis zu verwirklichen. Darüber hinaus sollen den Straßenbauverwaltungen der Länder Empfehlungen zur Durchführung von Maßnahmen auf Objektebene geliefert werden. Für das zu realisierende BMS stellt der Bauwerkszustand eine der wesentlichen Eingangsgrößen dar. Dieser wird üblicherweise im Rahmen der alle sechs Jahre stattfindenden Hauptprüfung nach DIN 1076 festgestellt. Bei komplexen Schadensbildern müssen zusätzlich zur Bauwerksprüfung detaillierte Informationen zu Art und Umfang von Schäden im Rahmen objektbezogener Schadensanalysen erhoben werden. Der Beitrag befasst sich mit der Rolle der objektbezogenen Schadensanalyse im Rahmen des BMS. Dabei wird vertieft auf aktuelle Forschungsarbeiten der BASt zu den Themengebieten "Zerstörungsfreie Prüfverfahren" und "Rechnerische Analysen" eingegangen.
Der Brückenbau in Deutschland kann auf eine lange Tradition in der Überwachung der Bauwerke verweisen und die Entwicklung der Rechentechnik gestattet in immer komplexeren Strukturen die Verwaltung der Bauwerksdaten in Datenbanken. Verfügbare Programmsysteme wie zum Beispiel das Bauwerks Management System erlauben die Erfassung, Verwaltung und Auswertung der Bauwerksdaten. Die Entwicklung der Rechentechnik wird auch durch die Entwicklung der Messtechnik begleitet, so dass zunehmend intelligente Sensorik den Alltag begleitet. Eine automatisierte Messwerterfassung an Bauwerken und deren Auswertung wird Monitoring genannt. Heute existieren sowohl Monitoringsysteme, die sich durch die technische Ausstattung und entsprechende Auswerteverfahren auszeichnen, als auch jeweils getrennte Komponenten. Da schließt das Projektziel an, welches die Analyse der Möglichkeiten des Einsatzes von Monitoringsystemen zur Bewertung des Schädigungszustandes von Brücken für die Tragfähigkeit und die Restnutzungsdauer beinhaltet. Es wird eine Literaturanalyse hinsichtlich existierender Monitoringsysteme mit genannter Zielstellung angefertigt. Im Ergebnis wird festgestellt, dass es gegenwärtig keine Monitoringsysteme gibt, die explizite Aussagen zur Tragfähigkeit erlauben. Die gegenwärtigen Systeme zeigen globale Schädigungen auf und bewerten dann auf der Basis notenähnlicher Strukturen. Im Rahmen des Projektes wird eine Konzept für ein Monitoringsystem entwickelt, welches für konkrete Versagensszenarien - dem Festigkeitsversagen und der Ermüdung - quantifizierte aber unscharfe Aussagen zur Tragfähigkeit und Restnutzungsdauer für die untersuchte Brücke erlaubt. Der Abstand zum Versagen durch Übergang des Tragwerks in einen Bruchzustand (Tragfähigkeit) wird im konzipierten Monitoringsystem durch den Zuverlässigkeitsindex Beta und die Versagenswahrscheinlichkeit Pf beschrieben. Die Restnutzungsdauer bei Tragfähigkeitsminderungen ist implizit bei den veränderlichen Basisvariablen und den Schädigungsverläufen abgebildet. Als Maß für Aussagen zur expliziten Restnutzungsdauer infolge Materialermüdung dienen die Schädigungssumme D und die zugehörige Nutzungsdauer tzD. Zur Abgrenzung sicherer und unsicherer Bereiche werden diese Daten für verschiedene Zeitpunkte im Lebenszyklus des Bauwerkes ermittelt und in Relation betrachtet. Monitoringbasiert werden hierfür Kenndaten des Tragsystems ermittelt und Beanspruchungen durch ergänzende Simulationen des aktuellen Verkehrs abgeleitet. Das Monitoringkonzept sieht den Erkenntnissen der Literaturanalyse folgend dieses Vorgehen als Interaktion von Rechnung, Messung und Auswertung vor. Die Untersuchungen werden in diesem Projekt theoretisch geführt, die empfohlenen Auswertealgorithmen zur monitoringbasierten Bewertung von Tragfähigkeit und Restnutzungsdauer für balkenartige Spannbetontragwerke auf Basis von Beispielen anderer Projekte rechnerisch erprobt.
Im Sinne der hier vorgesehenen Anwendung kann der Begriff Kletterroboter als eine Vorrichtung definiert werden, welche sich selbständig auf einer beliebig geneigten Bauwerksoberfläche aus unterschiedlichen Materialien fortbewegen und dort verschiedene Arbeiten ausführen kann, wobei für die Fortbewegung keine externen Hilfsmittel wie Hubbühnen oder Schienen erforderlich sind. Kletterroboter werden zur Prüfung und zur Durchführung von Instandsetzungsarbeiten kerntechnischer Anlagen bereits seit längerer Zeit eingesetzt. Mit der Weiterentwicklung dieser hochspezialisierten und komplexen Roboter in Richtung auf universell einsetzbare und einfach zu bedienende Trägersysteme für verschiedenste Aufgabenstellungen ist künftig auch ein wirtschaftlicher Einsatz von Kletterrobotern im Rahmen der Bauwerksprüfung nach DIN 1076 denkbar. Die Entwicklung von Robotersystemen mit der Zielrichtung der Prüfung und Instandsetzung von Bauwerken, Schiffen und Speichertanks wird derzeit durch die Europäische Union in verschiedenen Forschungsprojekten gefördert. Parallel zu diesen Forschungsaktivitäten wurde im Rahmen dieses Projektes der aktuelle Entwicklungsstand derartiger Systeme für den Einsatz bei der Bauwerksprüfung durch eine Testanwendung an einer Betonbrücke festgestellt. Die in Zusammenarbeit zwischen der Bundesanstalt für Straßenwesen, dem Landschaftsverband Westfalen-Lippe und der Bundesanstalt für Materialforschung und - prüfung durchgeführte Testanwendung eines Kletterroboters hat deutlich werden lassen, daß Roboter bei der Prüfung von Betonbauwerken grundsätzlich eingesetzt werden können. Vor einer praktischen Anwendbarkeit derartiger Systeme bei der Bauwerksprüfung nach DIN 1076 ist jedoch noch eine Optimierung der Roboter im Hinblick auf die hier vorliegenden speziellen Anforderungen erforderlich. Unter der Voraussetzung einer zielgerichteten Weiterentwicklung dieser Zugangstechnik, wobei insbesondere die für die Bauwerksprüfung erforderliche Prüftechnik zu berücksichtigen ist, erscheint der künftige Einsatz von Kletterrobotern zur Prüfung schwer zugänglicher Bauteile durchaus möglich.
Auch wenn Kosten für die Fugenfüllungen der Randfugen auf Brücken beim Einbau des Belages nur eine untergeordnete Rolle spielen, so haben diese Fugenfüllungen einen großen Anteil an Schäden und den daraus resultierenden Instandsetzungsmaßnahmen. Im Rahmen des Projektes "Entwicklung eines Prüfverfahrens zur Kennzeichnung des Alterungsverhaltens von Fugenfüllungen in Verkehrsflächen" wurde bei der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) eine Mess- und Belastungseinrichtung entwickelt, mit der die in der Praxis auftretenden Beanspruchungen von Fugenmassen labortechnisch nachgestellt werden können. Dabei sollen sowohl die Fugenbewegungen als auch die witterungsbedingten Beanspruchungen simuliert werden. Zur Kalibrierung dieser Mess- und Belastungseinrichtung wurden von der BAM im Rahmen des Projektes "Untersuchungen des Verhaltens von Fugenfüllungen in Erprobungsstrecken" an der Ruhrtalbrücke Mintard im Zuge der BAB A 52 verschiedene Fugenmassen eingebaut und mehrere Jahre hinweg untersucht.
Auch wenn Kosten für die Fugenfüllungen der Randfugen auf Brücken beim Einbau des Belages nur eine untergeordnete Rolle spielen, so haben diese Fugenfüllungen einen großen Anteil an Schäden und den daraus resultierenden Instandsetzungsmaßnahmen. Für die Festlegung der Ausbildung der Fugenfüllungen (z.B. mit oder ohne Unterfüllstoff) und eine Optimierung der verwendeten Materialien ist es wichtig, die tatsächlichen Belastungen, also insbesondere die Fugenbewegungen zu kennen. Um die tatsächlich auftretenden Fugenbewegungen an der Ruhrtalbrücke Mintard im Zuge der BAB A 52 abschätzen zu können, wurden im Rahmen dieses BASt-Projektes kurzfristige, tageszyklische sowie langfristige Fugenbewegungen an den Randfugen gemessen. Dabei waren drei Gruppen von Fugenbewegungen zu unterscheiden: - Fugenbewegungen infolge Tragwerksverformungen durch Verkehrslasten, - tageszyklische Fugenbewegungen basierend auf Temperaturunterschieden zwischen dem Belag und der Unterlage oder zwischen der Kappe und der Unterlage, sowie auf unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Belages und der Unterlage, - langfristige bis jahreszyklische Fugenbewegungen, z.B. aus langfristigen bis jahreszeitlichen Temperaturschwankungen. Für die Fugenbewegungen aus Verkehr ergaben sich Maximalwerte von ca. 16 -µm. Bei der Betrachtung der Ergebnisse ist eine Häufung der Fugenbewegungen aus Verkehr in dem Bereich zwischen 10 -µm und 16 -µm zu erkennen. Die Fugenbewegungen in diesem Bereich können zu einem großen Teil dem Fahrzeugtyp 10 (Sattelfahrzeug mit der Achsfolge 1+1+3) zugeordnet werden. Es ist anzunehmen, dass diese Fugenbewegungen also durch Fahrzeuge mit einem Gewicht im Bereich von 40 t verursacht werden. Der Verlauf der Fugenbewegungen entspricht einer Einflusslinie mit einer Frequenz von ca. 1,1 Hz. Bei den tageszyklischen Fugenbewegungen ergaben sich für maximale tageszyklische Temperaturunterschiede von 11 K maximale Fugenbewegungen von 0,08 mm. Werden diese gemessenen Fugenbewegungen auf die bei maximal möglichen tageszyklischen Temperaturänderungen von 15 K zu erwartenden Werte extrapoliert, so ergeben sich für die Fugenbewegungen der Ruhrtalbruecke Mintard maximale Fugenbewegungen von 0,12 mm. In einem zweiten Schritt wurden die langfristigen bis jahreszeitlichen Fugenbewegungen gemessen. Die gemessenen Fugenbewegungen lagen im Mittel bei 0,7 mm (wobei diese Messwerte aufgrund des Messverfahrens auch die Fugenbewegungen aus Verkehr sowie die tageszyklischen Fugenbewegungen enthalten). In einem Einzelfall wurde eine Fugenbewegung von 1,1 mm gemessen. Bei den im Bereich der Bundesfernstraßen verwendeten Belägen und Abdichtungssystemen nach den ZTV-ING Teil 7 Abschnitt 4 (Abdichtungen im vollen Verbund) kann bei den Randfugen auf Stahlbrücken davon ausgegangen werden, dass die Fugenbewegungen (Summe aus langfristigen, tageszyklischen und verkehrsinduzierten Fugenbewegungen) im Regelfall 1 mm nicht überschreiten. Die tageszyklischen Fugenbewegungen liegen in einer Größenordnung von < 0,2 mm und die verkehrsinduzierten Fugenbewegungen in einer Größenordnung von < 0,02 mm.
Der vorliegende Bericht beschreibt Konzepte für eine intelligente Brücke auf der Grundlage einer zuverlässigkeitsbasierten Zustandsbewertung unter Berücksichtigung von Bauwerksinformationen, welche aus Prüfungen, Inspektionen und Überwachung gewonnen werden. Das Brückensystem wird durch ein Modell beschrieben, welches den zentralen Teil des Konzeptes darstellt. Das Modell wird in Schädigungsmodelle und ein Tragwerkssystem-Modell unterteilt. Dieses Modell wird a-priori durch die Eingangsdaten (welche etwa die Geometrie, die Materialien und die Verwendung der Brücke beschreiben) charakterisiert. Aus diesen ergeben sich dann auch die Ausgangsmodelle. Um die signifikanten Streuungen und Unsicherheiten adäquat abzubilden sind diese Modelle probabilistisch. Das Modell liefert eine sich kontinuierlich ändernde probabilistische Zustandsbewertung. Die Zustandsbewertung gibt eine Aussage über den Zustand und die Zuverlässigkeit des Brückensystems und seiner Bauteile und dient als Grundlage für die Planung und die Optimierung von Maßnahmen. Die Verwendung von Resultaten aus Inspektionen, Prüfungen und Überwachungen erfolgt durch eine Aktualisierung der Modellparameter. Die Aktualisierung beruht auf der Methode der Bayes'schen Aktualisierung und wird auf der Grundlage der entwickelten Klassifizierung der Bauwerksinformationen mit entsprechenden Methoden durchgeführt. Dieses Verfahren erlaubt es, alle Informationen in konsistenter Weise in ein einziges Modell einfließen zu lassen. Dabei wird die Genauigkeit und Aussagekraft der gewonnenen Daten und Beobachtungen explizit berücksichtigt. Durch die Aktualisierung der Modellparameter unter Berücksichtigung von Systemeffekten wird die Zustandsbewertung der Bauteile und des Brückensystems aktualisiert. Das ermöglicht die Planung und die Optimierung von Maßnahmen unter Berücksichtigung der Bauwerksinformationen. Auf diese Weise wird die intelligente Brücke mit Inspektionen und Überwachungen zu einem adaptiven System, welches sich Veränderungen anpassen kann.