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Jahresbericht 2002
(2003)
Der Jahresbericht der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) gibt wesentliche Ergebnisse aus den fünf Forschungsabteilungen Straßenbautechnik, Brücken- und Ingenieurbau, Straßenverkehrstechnik, Fahrzeugtechnik, Verhalten und Sicherheit im Verkehr wieder. Die Arbeit der Bast besteht sowohl in eigener Forschung als auch in der Betreuung von Forschungsprojekten, die namhafte Institutionen im Auftrag der BASt und des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Wohnungswesen (BMVBW) durchführten. Außerdem wird über die Mitarbeit der BASt an den Forschungsrahmenprogrammen der Europäischen Union sowie über Untersuchungsaufträge der Europäischen Kommission, Stellungnahmen für das BMVBW sowie Prüfaufträge für Dritte berichtet. Einen weiteren Schwerpunkt der BASt bildet die Qualitätssicherung. Ferner wird über die der Bundesanstalt für Straßenwesen zur Verfügung stehenden Forschungseinrichtungen berichtet, auf die Organisation, das Personal, den Haushalt und die zur Verfügung stehende Informationstechnik eingegangen. Darüber hinaus wird über die Öffentlichkeitsarbeit der BASt, die Veranstaltungen und die Auslandsbeziehungen informiert.
Die Brücke hat eine Länge von 660 Metern und überquert das Haseltal mit einer maximalen Höhe von 70 Metern. Sie ist ein Durchlaufträger über sieben Felder mit Stützweiten von 5 x 101,60 Metern für die Mittelöffnungen und 2 x 76,20 Metern für die Endfelder. Zwei im Abstand von 18,53 Metern angeordnete vollwandige Hauptträger unterstützen die als orthotrope Platte ausgebildete 29,30 Meter breite Fahrbahntafel. Die seitlichen Kragarme sind über 5 Meter weit gespannt. Erbaut wurde die Brücke in den Jahren 1959 bis 1961. Die konstruktive Ausbildung des Überbaus wird im Einzelnen beschrieben. Auffällig ist das geringe Flächengewicht des Überbaus von nur 248 Kilogramm je Quadratmeter. Beschrieben wird zunächst der Bauablauf mit einigen Besonderheiten, ausserdem die Prüfungen während der Bauausführung und der Zustand des Bauwerks zum Ablauf der zehnjährigen Gewährleistungszeit. Bei einer Hauptprüfung des Überbaus wurden 1983 neben anderen Schäden zahlreiche systematische Risse, besonders in den Schweissnähten festgestellt, die 1985 bis 1988 zu einer umfangreichen Instandsetzung führten. Im Jahre 2002 wurden erneut viele Risse in den Schweissnähten gefunden, die umgehend wieder instand gesetzt wurden. Es wurden jährliche Sonderprüfungen angeordnet und wegen des desolaten Zustandes des Überbaus ein Neubau beschlossen. Einzelheiten zu den Schadensursachen, die durch Gutachten und Versuche festgestellt wurden, werden dargestellt.
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.
Steigende Transportleistungen im Straßenverkehr stehen derzeit stagnierenden Investitionen in die Straßeninfrastruktur gegenüber. Aus der dadurch erhöhten Verkehrsdichte auf Bundesautobahnen folgt zwangsläufig, dass es zunehmend schwerer wird, die für Unterhaltungs- und Instandsetzungsarbeiten erforderlichen Fahrstreifensperrungen vorzunehmen, ohne dabei massive Störungen im Verkehrsablauf hervorzurufen. Daher war das Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens, neue Empfehlungen zur Planung und Organisation von Arbeitsstellen kürzerer Dauer im Hinblick auf eine möglichst weitgehende Stauvermeidung zu geben. Inhalt des ersten Teils ist die Erarbeitung praxisverwertbarer und standardisierter Maßnahmen zur Stauvermeidung für den Regelbetrieb in Autobahnmeistereien. Neben der Auswertung bereits vorhandener Forschungsergebnisse erfolgt auch ein Abgleich mit den internationalen Regelwerken zur Sicherung von Arbeitsstellen. Mit Hilfe von Feldversuchen werden die betrieblichen und verkehrlichen Auswirkungen solcher Maßnahmen erfasst und Hinweise für ihren Einsatz im Alltagsbetrieb gesammelt. In einem zweiten Teil werden die erhobenen Verkehrsdaten aus den Feldversuchen für die Berechnung der Reisezeitverluste an Arbeitsstellen kürzerer Dauer genutzt. Über ein mikroskopisches Simulationsmodell erfolgt eine Erweiterung der Datenbasis, ohne die negativen Konsequenzen von zusätzlichen Feldversuchen in Kauf nehmen zu müssen. Anschließend dient ein makroskopisches Simulationsmodell zur Ermittlung der auftretenden Zeitverluste im Vergleich der Fälle mit und ohne Einsatz von Maßnahmen zur Staureduktion. Der dritte und letzte Teil der Untersuchung führt die Ergebnisse zusammen und nimmt, auf der Grundlage einer Systematik zur objektiven Bewertung von Maßnahmen zur Staureduktion, eine Analyse und Beurteilung vor. Sie ist die Basis der am Schluss gegebenen organisatorischen Detail- und übergeordneten Strategieempfehlungen.
Vorbemerkungen: Schwingungsanfällige Zugglieder im Sinnen dieser Regelungen sind Hänger und Schrägkabel als Seile oder Vollprofile von Schrägseilbrücken, Hängebrücken und Bogenbrücken. Nachfolgend werden Bemessungsregeln für Hänger von Bogenbrücken angegeben. Stählerne Hänger von Bogenbrücken sind schlanke Zugglieder zwischen der Fahrbahnplatte einer Brücke (bzw. dem Versteifungsträger) und dem darüber gespannten Bogen. Die Verbindung zwischen Hänger und Bogen bzw. Versteifungsträger erfolgt meistens über angeschweißte Anschlussbleche. Ermüdungswirksame Doppelspannungsamplituden, die je nach Häufigkeit und Intensität zu Rissbildung führen können, entstehen bei runden Hängern insbesondere durch wechselnde Verkehrsbelastung und wirbelerregte Querschwingungen, sowie in Einzelfällen auch durch Regen-Wind-induzierte Schwingungen. Rechteckige Hängerquerschnitte können durch Verkehrsbelastung und wirbelerregte Querschwingungen ermüdungsrelevant beansprucht bzw. durch Galloping zu instabilen Schwingungen angeregt werden. Die nachfolgenden Regelungen und Empfehlungen für eine dauerhafte Konstruktion und einen ermüdungssicheren Hängeranschluss wurden für Rundstahl- und Flachstahlhänger hergeleitet und sind folglich auf diese zu beziehen. Eine Übertragung auf andere Querschnittsformen kann zwar erfolgen, allerdings sind hierzu weitergehende Überlegungen bezüglich anzusetzender Kraftbeiwerte, Wirklängen und nachzuweisenden Frequenzbereichen notwendig.
Im Raum Leipzig wurde ein dWiSta-System an 3 BAB - Knotenpunkten und 8 Anschlussstellen (AS) als Pilotprojekt geplant und realisiert. Das Forschungsvorhaben hat dieses Projekt begleitet. Dabei waren Untersuchungen zur Akzeptanz derartiger informationsgestützter Wechselwegweiser, insbesondere unter dem Aspekt ihres Einsatzes an den Anschlussstellen, durchzuführen und die Wirkungen aus verkehrlicher und wirtschaftlicher Sicht zu bewerten. Für die Einarbeitung in die projektspezifischen Planungen und Betriebskonzepte wurden Planungs-und Applikationsunterlagen ausgewertet. Von anderen deutschen Städten/ Regionen wurden Informationen über partiell mit dWiSta vergleichbare Systeme und über die Planung und Umsetzung weiterer dWiSta-Projekte ausgewertet. Eine theoretische Alternativfalluntersuchung verglich dWiSta an AS mit der verkehrlichen Wirksamkeit und Wirtschaftlichkeit anderer Verkehrsbeeinflussungs-und Informationssysteme. Außerdem wurden die realen verkehrlichen Probleme/Ereignisse auf den BAB im Raum Leipzig vor dem dWiSta-Einsatz analysiert. Die erste praktische Untersuchung erfolgte während des dWiSta - Testbetriebs zur Fußballweltmeisterschaft 2006. Sie beinhaltete eine Auswertung der dWiSta - Schaltungen nach Verkehrs- und Betriebsdaten sowie Meldungen über den Verkehrsablauf. Die Verständlichkeit der Anzeigen wurde vor Ort überprüft. Auf zwei P+R-Plätzen fanden umfängliche Befragungen von Verkehrsteilnehmern statt. Es konnte eine gute Akzeptanz der dWiSta-Routenempfehlungen festgestellt werden. Eine zweite Datenauswertung wurde für dWiSta-Schaltungen im 1. Quartal 2007 durchgeführt. Eine beispielhafte Nutzen-Kosten-Rechnung für Bau und Betrieb einer dWiSta an AS im Raum Leipzig zeigte, dass in Abhängigkeit von Ereignishäufigkeit, Verkehrsbelastung und Umwegfaktoren ein Nutzenquotient von 1,4 und höher erreicht werden kann. Die Ergebnisse der Untersuchungen bestehen in konkreten Empfehlungen zum weiteren dWiSta-Einsatz im Raum Leipzig und aus allgemein anwendbaren Einsatzkriterien für dWiSta an BAB Anschlussstellen.
Ziel der Untersuchungen war es, die Leistungsfähigkeit von SVB für die Anwendung im Straßentunnelbau zu verifizieren. Insbesondere sollte geprüft werden, ob die Robustheit des SVB gegenüber den in der Baupraxis auftretenden Veränderungen bei den Ausgangsstoffen und den Herstellbedingungen ausreichend ist und ob Fehler bei der Umschließung komplizierter Einbauteile in Tunnelinnenschalen durch den Einsatz von SVB vermieden werden können. Die Untersuchungen erfolgten an einem Straßentunnelbauwerk. Im Zuge der Ausführung des Schlossbergtunnels (B 277, Ortsdurchfahrung Dillenburg, Hessen) wurde eine cirka 30 m lange Versuchsstrecke mit insgesamt 6 Innenschalenblöcken aus SVB ausgeführt. Dieses Pilotprojekt wurden durch das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS), vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), im Jahr 2003 iniziiert. Unter Beachtung der vorhandenen Ausgangsstoffe, aber auch der vorherrschenden Gegebenheiten an der mobilen Baustellenmischanlage geschuldet, wurde ein SVB der Festigkeitsklasse C30/37 konzipiert. Die Betonzusammensetzung zeichnet sich durch eine Verarbeitungszeit von mindestens 2 Stunden, eine Ausschalfestigkeit von mindestens 3 N/mm2 nach 12 Stunden und eine durch die Verwendung von Flugasche reduzierte Hydratationswärmeentwicklung aus. Die Herstellung, der Einbau und die Nachbehandlung des SVB erfolgte entsprechend einer erteilten Zustimmung im Einzelfall (ZiE) unter Beachtung des speziell für den Tunnelbau abgestimmten Qualitätsmanagementssystems (QS-Pläne, Betonier- und Nachbehandlungskonzept). Während den sechs Betonagen der Tunnelinnenschalen, welche von Ende 2005 bis Anfang 2006 stattfanden, erfolgte ein umfangreiches Bauwerksmonitoring. Dabei wurden die relevanten Frisch- und Festbetonkennwerte, wie zum Beispiel seitlicher Frischbetondruck, Frisch- und Festbetontemperaturen sowie das Verformungserhalten bis ein Jahr nach der Herstellung überwacht. Um die Ausführungsqualität des SVB quantifizieren zu können, wurden neben einer visuellen Begutachtung, auch Wasserdichtigkeitstests und zerstörungsfreie Dickenmessungen durchgeführt. Die Untersuchungen hinsichtlich der Wasserdichtigkeit zeigten, dass es keine wasserführenden Risse bei den sechs Blöcken gibt. Eine Verbesserung der Dichtigkeit bei den Blockfugen konnte nicht nachgewiesen werden. Die gesammelten Erfahrungen beim Einbau des SVB können prinzipiell als positiv bewertet werden, SVB kann den zum Teil schwierigen tunnelbauspezifischen Bedingungen standhalten. Der eingesetzte SVB hatte im Vergleich zu konventionellen Rüttelbeton keine nachteiligen Festbetonkennwerte. Wie aus zahlreichen anderen SVB-Projekten im Ingenieurbau bekannt ist, sind allerdings erhöhte Qualitätssicherungsmaßnahmen notwendig, um alle geforderten Eigenschaften zielsicher zu erreichen. Dieser Mehraufwand macht es aber notwendig, dass vor jeder Tunnelbaumaßnahme genauestens kalkuliert wird, ob und in welchen Bereichen der Einsatz von SVB sinnvoll ist. Aufgrund der gesammelten Erfahrungen wird eine weitere Verwendung von SVB im Tunnelbau, speziell in Bereichen mit komplizierten Geometrien, hohen Bewehrungsgraden und Einbauteilen, zum Beispiel Kaverne, empfohlen. Die Anwendung für die eigentliche Tunnelinnenschale ist unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu entscheiden.
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.
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".
Im Forschungsvorhaben wurde eine vergleichende Analyse der Baulastträgerkosten von Einhausungsbauwerken und Tunneln in offener Bauweise über den Lebenszyklus durchgeführt. Betrachtet wurden die Einhausungsarten oben offene Einhausungen, seitlich offene Einhausungen (Galerien) und geschlossene Einhausungen mit Verglasungen im Decken- und/oder Wandbereich. Der Analyse wurden mittlere Kostensätze für die Erhaltung (Erneuerung und Unterhaltung) der Bauwerke zugrundegelegt, die aus vorliegenden Objektdaten von Einhausungen und Tunneln gewonnen wurden. Die Gegenüberstellung der Kosten erfolgte für fiktive Gegen- und Richtungsverkehrsbauwerke mit einer Länge von 100 bis 6.000 Metern. Die bauliche Gestaltung sowie die betriebs- und sicherheitstechnische Ausstattung der Einhausungen wurden aus den Ergebnissen einer parallel durchgeführten Risikoanalyse (FE 15.492/2010/FRB) abgeleitet. Ziel der Gegenüberstellung war insbesondere die Ermittlung des Kosteneinflusses der Beleuchtungs- und Lüftungsauslegung. Als Vergleichsgröße wurden nach dem Modell der Ablösebeträge-Berechnungsverordnung (ABBV) kapitalisierte Erhaltungskosten verwendet. Im Ergebnis zeigte sich, dass alle Einhausungsarten mit geringeren Kosten als nach RABT 2006 ausgestattete Vergleichstunnel verbunden sind. In Abhängigkeit von Bauwerkslänge und Betriebsform ergaben sich für seitlich offene Einhausungen um 35 bis 45 %, für oben offene Einhausungen um 15 bis 40 % und für geschlossene Einhausungen um 10 bis 20 % niedrigere Erhaltungskosten. Auf Grundlage der ermittelten Kostensätze und dem Modell der ABBV wurde ein Softwaretool erstellt, mit dem die verschiedenen Einhausungsarten einem Vergleichstunnel gegenübergestellt werden können und das die zu erwartenden Kostendifferenzen ausgibt. Basierend auf den Ergebnissen wurden Standardisierungskonzepte für das Regelwerk erarbeitet, die unter Beibehaltung des Sicherheitsniveaus nach RABT 2006 eine wirtschaftlich optimierte Ausstattung von Einhausungen ermöglichen sollen.