53 Brückenbau
Anhand der durchgeführten Auswertungen der Wetterdaten von sechs verschiedenen repräsentativen Wetterstationen in Deutschland konnte gezeigt werden, dass die Ausführung von Arbeiten mit Reaktionsharzen als Abdichtungs- oder Belagsystem auf Stahlbrücken ohne Schutzmaßnahmen gegen störende Witterungseinflüsse nur in den Monaten Juni-September mit ausreichender Sicherheit möglich ist. In den Monaten April, Mai und Oktober sind solche Arbeiten ohne Schutzmaßnahmen nur mit einer 30- bis 40-prozentigen Sicherheit möglich, weshalb Schutzmaßnahmen oder ein ausreichend langer Zeitraum für die Durchführung der Arbeiten eingeplant werden müssen. In den Monaten Januar, Februar, März, November und Dezember können Arbeiten mit Reaktionsharzen ohne Schutzmaßnahmen mit fast 100-prozentiger Sicherheit nicht ausgeführt werden.
Derzeit beruht das Erhaltungsmanagement von Brücken vornehmlich auf turnusmäßigen visuellen Bauwerksprüfungen. Schäden werden häufig erst entdeckt, wenn sie offensichtlich sind - was unwirtschaftlich ist. Schäden und kritische Reaktionen des Bauwerks kündigen sich allerdings oftmals schon im Inneren der Struktur, in nicht einsehbaren Bereichen und durch die tatsächlich vorliegenden, aber oft nicht genau bekannten Einwirkungen auf das Bauwerk an. Bestands- und Neubau-Brücken sollten daher in der Lage sein, bereits frühzeitig und ergänzend zu den Bauwerksprüfungen Auskunft über ihren Zustand und dessen Entwicklung geben zu koennen. Benoetigt werden hierzu flexible und modular anpassbare Systeme zur messtechnischen Unterstützung in und am Bauwerk, differenzierte Bewertungsverfahren und ein entsprechend erweitertes Erhaltungsmanagement. Hinsichtlich einer messtechnischen Instrumentierung am Bauwerk sind zum einen leistungsfähige und dauerhafte Sensorik zur Erfassung von Einwirkungen und Bauteilreaktionen an diesem sowie zum anderen eine intelligente Messdatenverarbeitung zur Plausibilisierung, Fusion, Interpolation und Reduktion von Sensordatenströmen vor Ort erforderlich. Der Beitrag fasst im Rahmen aktueller Forschung untersuchte Ansätze und Realisierungsmöglichkeiten zur Sensordatenanalyse und -überwachung - wie sie insbesondere zur Sicherstellung belastbarer, stark fehlerminimierter Zustandsinformationen erforderlich sind - unter praktischen Gesichtspunkten einer Umsetzung bei der Überwachung von Brückenbauwerken zusammen. Verschiedene Verfahrensansätze werden hinsichtlich Einsatzbereich, Aufwand und Nutzen diskutiert. Die gewonnenen Erkenntnisse sind von allgemeiner Bedeutung und daher auf andere Bereiche des Erhaltungsmanagements von Infrastruktur übertragbar.
Am Beispiel einer real ausgeführten Verbundbrücke als Referenzbauwerk werden hier im Rahmen einer Nachhaltigkeitsanalyse drei Varianten des Korrosionsschutzes untersucht. Über den gesamten Lebenszyklus dieser integralen Autobahnüberfuehrung wird eine Ökobilanz erstellt, die Lebenszykluskosten sowie die externen Effekte (Umweltwirkungen aus Fahrzeugbetrieb, Fahrzeugbetriebskosten und Verspätungskosten) ermittelt und für die drei Varianten verglichen. Dabei ist eine herkömmliche organische Beschichtung, die während des Lebenszyklus zweimal erneuert wird mit einer Feuerverzinkung zu vergleichen. Betrachtet wird als weitere Variante in den Analysen eine Feuerverzinkung, bei der nach 66 Jahren das Aufbringen einer organischen Beschichtung erfolgt. Im Rahmen der Ökobilanz werden sechs Wirkungskategorien ausgewiesen. Bei Ausführung der Feuerverzinkung ergeben sich Einsparungen über den gesamten Lebenszyklus im Vergleich zur organischen Beschichtung. Die Umweltwirkungen aus dem Herstellungsprozess der Feuerverzinkung sind in der Ökobilanz deutlich sichtbar und demnach nicht zu vernachlässigen. Allerdings können diese erhöhten Auswirkungen in der Herstellung durch Einsparungen während der Nutzungsphase kompensiert werden. Die Berechnungen der Lebenszykluskosten zeigen, dass sich bereits für die Herstellungskosten eine Reduzierung durch den Einsatz einer Feuerverzinkung ergibt. Darüber hinaus sind bei der Variante der Feuerverzinkung weniger eingreifende Instandhaltungsmaßnahmen während der Nutzugsphase notwendig, so dass in Bezug auf die Lebenszykluskosten die Feuerverzinkung die absolut geringsten Kosten aufweist. Die externen Effekte können einerseits in die Ökobilanz integriert und andererseits über einen Monetarisierungsansatz als externe Kosten ausgewiesen werden. Die durch Baumaßnahmen verursachten Eingriffe in den Verkehr (geänderte Geschwindigkeiten) lassen gegenüber der Normalstrecke veränderte Schadstoffausstöße und Treibstoffverbräuche entstehen. Diese Emissionen verursachen für die hier untersuchten Varianten Umweltwirkungen, die in der Größenordnung der Emissionen des Brückenbauwerks bzw. auch darüber liegen. Bei der Berechnung von Fahrzeugbetriebskosten und Verspätungskosten übersteigen auch diese die Lebenszykluskosten des Brückenbauwerks in allen Varianten. Im Vergleich mit einer organischen Beschichtung ergeben sich für die untersuchte Referenzbrücke über den Lebenszyklus reduzierte externe Effekte für die Feuerverzinkung, gefolgt durch das Duplexsystem. Zusammenfassend ergibt sich für die hier untersuchte Referenzbrücke die Variante der Feuerverzinkung als die Lösung, die den größten Beitrag zu nachhaltigen Entwicklung leistet. Da es sich um eine Referenzbrücke mit klar definierten Randbedingungen handelt, ist die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Brückenbauwerke nicht ohne Weiteres gegeben. So kann bei einem geringeren durchschnittlichen täglichen Verkehr (DTV) die Bedeutung der externen Effekte stark zurückgehen. Die Ergebnisse sind damit als einzelfallbezogen einzustufen.
Temperaturen an der Unterseite orthotroper Fahrbahntafeln beim Einbau der Gussasphalt-Schutzschicht
(2003)
Zum Schutz gegen Korrosion und auch zur optischen Gestaltung erhalten Brückenteile aus Stahl Korrosionsschutzbeschichtungen. Bei dem im Regelfall erfolgenden Einbau einer Schutzschicht aus Gussasphalt auf den Deckblechoberseiten werden die Korrosionsschutzbeschichtungen der Deckblechunterseiten thermisch belastet. Eine Temperatur-Zeit-Kurve dieser thermischen Belastung wurde vor 25 Jahren an Brücken gemessen und ist in den Technischen Prüfvorschriften für die Prüfung der Dichtungsschichten und der Abdichtungs-Systeme für Brückenbeläge auf Stahl (TP-BEL-ST) dargestellt. Korrosionsschutzbeschichtungssysteme, die gemäß Anhang A zur ZTV-KOR-Stahlbauten für Deckblechunterseiten vorgesehen sind, müssen im Rahmen dieses Temperatur-Zeit-Regimes wärmebeständig sein. Der Nachweis der Wärmebeständigkeit muss durch eine Prüfung unter Zugrundelegung des aktuellen Temperatur-Zeit-Regimes erfolgen. Seit der erstmaligen Messung der Temperatur-Zeit-Kurve sind die Dichtungssysteme für Stahlbrücken weiterentwickelt worden und haben jetzt vermutlich auch wegen der größeren Dicken einen anderen Wärmedurchgang. Vor weiteren Bestimmungen der Wärmebeständigkeit der Korrosionsschutzbeschichtungssysteme muss daher das Temperatur-Zeit-Regime für die drei Dichtungsschichtregelsysteme gemäß TP-BEL-ST an geeigneten Brücken gemessen und eine neue Temperatur-Zeit-Kurve formuliert werden. Die Kurve wird weiterhin zur Abschätzung der zu erwartenden Wärmebelastung der Korrosionsschutzbeschichtungen für die Planung benötigt. Die Messung der Temperaturen erfolgte an der Unterseite der orthotropen Fahrbahntafeln von neun Bauwerken. Fünf der untersuchten Bauwerke hatten eine Reaktionsharz-Dichtungsschicht, drei Bauwerke eine Bitumen-Dichtungsschicht und ein Bauwerk eine Reaktionharz/Bitumen-Dichtungsschicht aus Bitumen-Schweissbahn. Für die Temperaturmessungen wurden selbstklebende NiCr-Folienthermoelemente verwendet, die auf die vorhandene Korrosionsschutzbeschichtung an der Unterseite der Fahrbahntafeln aufgeklebt wurden. Die gemessenen Maximaltemperaturen lagen zwischen 90,6-° Celsius und 110,0-° Celsius, bei Ausgangstemperaturen des jeweiligen Deckbleches von 3,5-° Celsius bis 26,9-° Celsius. Diese Maximaltemperaturen wurden 20 bis 30 Minuten nach der Beaufschlagung des jeweiligen Flächenelementes mit heißem Gussasphalt erreicht. Es wurde festgestellt, dass die erreichten Maximaltemperaturen und die Wärmeeinwirkungsdauer nicht nur von der Einbautemperatur des Gussasphaltes und der Umgebungstemperatur abhängen, sondern auch bauwerksspezifisch sind. Auf der Grundlage der hier erhaltenen sowie früherer Messergebnisse und deren Auswertungen wurde der Versuch unternommen, eine Berechnung der zu erwartenden Maximaltemperatur an der Unterseite der orthotropen Fahrbahntafel beim Schutzschicht-Einbau vorzunehmen. Es wurde eine Gleichung für die näherungsweise Berechnung der zu erwartenden Maximaltemperatur aufgestellt. Im Ergebnis der Temperaturmessungen an den Brücken wird für künftige Prüfungen der Wärmebeständigkeit von Korrosionsschutzsystemen eine modifizierte Temperatur-Zeit-Kurve empfohlen. Es wird vorgeschlagen, die Dauer der Wärmebeanspruchung auf 6 Stunden zu verlängern und die Temperatur-Zeit-Kurve anzupassen. Abschließend werden Vorschläge zum Verringern der Wärmebelastung von wärmeempfindlichen Korrosionsschutzbeschichtungen während des Einbaus von Gussasphalt-Schutzschichten genannt.
Neben Ermüdungsschäden an orthotropen Fahrbahnplatten sind bei Stahlbrücken auch Schäden an nicht direkt befahrenen Konstruktionsteilen der Quersysteme (Kategorie-3-Schäden) festgestellt worden. Das stetig steigende Verkehrsaufkommen führt zu einer Verschärfung des Problems, so dass die Dauerhaftigkeit betroffener Brückenkonstruktionen auch durch diese Schäden gefährdet wird. Anhand ausgewählter Beispiele aus der Literatur und Praxis der Straßenbauverwaltungen werden Kategorie-3-Schäden systematisch untersucht. Die Erfahrungen werden zusammengestellt, ausgewertet und typisiert. Die wesentlichen Ursachen sind Überbeanspruchungen, ermüdungsanfällige Konstruktionsweisen, mangelnde Ausführungsqualität und Modellierungsfehler bei den Berechnungen. Eine Verknüpfung typischer Schadensbilder mit allgemeinen Ursachen ist in gewissem Umfang möglich, so dass der Bericht eine erste Hilfestellung bei der Behandlung von Kategorie-3-Schäden sein kann. Weiterhin werden ausgeführte und weitere Instandsetzungs- und Ertüchtigungsvarianten an stählernen Balkenbrücken mit Hohlkasten- und offenem Querschnitt in allgemeiner Form mit numerischen FE Berechnungen untersucht, um Vor- und Nachteil herauszustellen. Es zeigt sich, dass eine möglichst gleichmäßige Steifigkeitsverteilung im Aussteifungssystem anzustreben ist. Aber auch mit verkehrsleitenden Maßnahmen wie eine Verlegung der Fahrstreifen ohne Eingriff in das Tragwerk lassen sich die kritischen Beanspruchungen u.U. deutlich reduzieren. Ein besonderes Augenmerk wird in diesem Bericht auf die Bauwerkserhaltungsmaßnahme, vollständig auf aussteifende Verbände zu verzichten, gelegt. Der Formerhalt des Brückenquerschnitts wird dabei ausschließlich über die Rahmenwirkung der Quersysteme realisiert. Umfangreiche numerische Untersuchungen beleuchten die Spannungsänderungen der kritischen Details, aber auch mögliche Umlagerungen im gesamten Tragwerk durch die Änderung des Aussteifungssystems. Weiterhin werden auch experimentelle Untersuchungen angestellt, um die Wirksamkeit und Effizienz dieser Variante zu bewerten. Schließlich werden die untersuchten Ertüchtigungs- und Instandsetzungsvarianten bewertet und es werden allgemeine Empfehlungen zur Behandlung von Kategorie-3-Schäden gegeben.
Die Korrosionsbeschichtungen von Brückenteilen aus Stahl werden beim nachträglichen Einbau einer Gussasphaltschicht durch Hitzeeinwirkungern belastet, wodurch es zu Beschädigungen kommen kann. Die Autoren befassen sich mit der Frage, wie groß derartige Wärmebelastungen sind, wie sie prüftechnisch simuliert und wie sie künftig in der Baupraxis minimiert werden können.
Die "Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von Brückenbelägen auf Stahl" (ZTV-BEL-ST 92) einschließlich der Technischen Lieferbedingungen (TL-BEL-ST) und der Technischen Prüfvorschriften (TP-BEL-ST) wurden im Jahr 1992 eingeführt und lösten das bis dahin gültige "Merkblatt für bituminöse Brückenbeläge auf Stahl" ab. Mit Einführung dieser neuen Vorschriften wurde eine Reihe neuer Prüfungen und Anforderungen für die Abdichtungssysteme für Stahlbrücken vorgeschrieben. Ein Teil der Prüfungen und Anforderungen konnte aufgrund fehlender Erfahrungen nicht endgültig formuliert werden, sondern wurde als Vorschlag in die Vorschriften aufgenommen. Um entsprechende Erfahrungen zu sammeln, die bei einer späteren Überarbeitung in die Regelwerke einfließen sollten. Durch die Auswertung der Ergebnisse der seit der Einführung der ZTV-BEL-ST 92 durchgeführten Grundprüfungen sowie Eigen- und Fremdüberwachungen konnten die Anforderungen und Toleranzen für die Prüfungen der Abdichtungssysteme für Beläge auf Stahlbrücken überprüft und angepasst werden. Für eine Reihe von Prüfungen konnten anhand der Ergebnisse erstmals Anforderungen und Toleranzen festgelegt werden. In der zurzeit gültigen Fassung der ZTV-BEL-ST sind hinsichtlich der Standfestigkeit der verschiedenen Abdichtungssysteme in Abhängigkeit von der resultierenden Neigung der Fahrbahntafel und der Verkehrsbelastung fünf verschiedene Verschiebungsklassen zugelassen. Zukünftig wird unabhängig von der Neigung und der Verkehrsbelastung die Verschiebungsklasse 1 gefordert, da sich diese Verschiebungsklasse bei allen drei Bauarten der Abdichtungssysteme erreichen lässt. Die thermische Belastungsprüfung der Reaktionsharzschichten unter Verwendung von heißem Silikonol wurde aus Arbeitsschutzgründen durch eine thermische Belastungsprüfung unter Verwendung von heißem Sand ersetzt. Die analytischen Prüfungen zur Identifizierung der Reaktionsharze wurden durch die Thermogravimetrische Analyse ergänzt. In Verbindung mit der IR-Spektroskopie ist so im Zweifelsfall eine schnelle Überprüfung der verwendeten Materialien möglich. Die Prüfbedingungen wurden anhand einer Ringanalyse festgelegt. Des Weiteren konnte die Anwendbarkeit der Gelpermeationschromatographie zur Bestimmung des Anteils der Polymere in der Klebemasse von Bitumen-Schweißbahnen bei aPP-modifiziertem Bitumen nachgewiesen und die erreichbare Genauigkeit bestimmt werden. Für die Dauerschwellbiegeprüfung wurde ein neues praxisgerechtes Belastungskollektiv eingeführt. Im Anschluss an die Dauerschwellbiegeprüfung werden an den beanspruchten Probekörpern die Abreissfestigkeiten an drei festgelegten Stellen gemessen. Anhand der durchgeführten Untersuchungen konnten die noch vorhandenen Lücken in den Prüfvorschriften für die Prüfung der Abdichtungssysteme für Beläge auf Stahlbrücken geschlossen werden.