620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Im Rahmen des vorliegenden Forschungsprojekts ist ein Ansatz entwickelt und validiert worden, um die Beanspruchungen aus dem Einbau des Heißasphalts auf Stahlbrücken zu bestimmen. Für diese Untersuchungen wurden für zwei repräsentative Stahlbrückenbauwerke (Hochmoselbrücke mit Hohlkastenquerschnitt und Mühlenfließbrücke mit offenem Querschnitt auf zwei Hauptträgern) detaillierte FEM-Ausschnittmodelle in ANSYS erstellt. Diese Modelle erlauben eine thermisch transiente Simulation des Heißasphalteinbaus zur Erfassung der Temperaturentwicklungen in dem Stahlbrückenquerschnitt. Der Vergleich mit beim Heißasphalteinbau aufgenommenen Messdaten zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. In den Simulationen wurden eine Vielzahl von Parametern untersucht, die vom Herstellungsprozess und von meteorologisch klimatischen Randbedingungen abhängig sind, wobei die Grundfunktionalität der Beläge (wie Einbaubarkeit, Standfestigkeit, Griffigkeit, Dauerhaftigkeit) bei den betrachteten Grenzwerten der untersuchten Parameter gewährleistet bleibt:
- Anzahl Einbaubahnen (1, 2, 4)
- Einbautemperatur Asphaltmischgut (180°C bis 230°C)
- Ausgangstemperatur konstant über QS (5°C bis 30°C)
- Ausgangstemperatur gradierend über QS (0°C/ 5°C bis 25°C/ 50°C)
- Strahlung Asphalt (Emissionsverhältnis ε= 0 bis 0,93)
- Einbaugeschwindigkeit (0,5 bis 2,5 m/min)
- Schichtdicke Schutzschicht (2,5 bis 5,0 cm)
- Schichtdicke Deckschicht (3,5 bis 4,5 cm)
- Bauart (1 oder 2) und Dicke Dichtungssystem (1,0 bis 2,5 mm; oder 5,0 bis 12,5 mm)
- Deckblechdicke (10 bis 14 mm)
Von den herstellprozessabhängigen Parametern sind in Bezug auf die Temperaturentwicklung die deutlichsten Effekte durch Variation der Einbautemperatur, der Schutzschichtdicke und der Auswahl und Dicke des Dichtungssystems zu verzeichnen. Dagegen sind die Effekte der Parameter Einbaugeschwindigkeit und Deckschichtdicke geringer.
Bei den meteorologisch klimatischen Randbedingungen hat die Höhe der Ausgangstemperatur einen hohen Einfluss auf die Maximaltemperatur in den Stahlbauteilen nach dem Asphalteinbau. Konstant über den Querschnitt veränderte Ausgangstemperaturen führen zu über den gesamten Querschnitt nahezu konstanten Temperaturänderungen. Dagegen ist der Einfluss von ausgänglichen Temperaturgradienten über den Querschnitt (z.B. Tagesgangkurven/ Sonneneinstrahlung) am Deckblech am größten.
Basierend auf den ermittelten Temperaturfeldern sind die transienten Spannungsentwicklungen am Brückenquerschnitt und in der orthotropen Fahrbahnplatte zu ermitteln. Dabei sind neben den lokalen Spannungen infolge der örtlichen Temperaturbeanspruchungen auch die Spannungen aus globalen Einflüssen des gesamten Brückenbauwerks zu berücksichtigen.
Bei den zu untersuchenden großen Stahlbrücken sind aufgrund limitierender CPU keine befriedigenden Ergebnisse mit einem FEM-Einzelmodell möglich. Daher wurde ein FEM-Ausschnittmodell für die lokalen Effekte mit einem in MATLAB geschriebenen Lamellen-Modell kombiniert, welches die weiteren Effekte erfasst. Das Lamellenmodell berücksichtigt Kopplungen unter Einhaltung des Gleichgewichts sowie der Effekte aus Schubverzerrung. Die am lokalen FEM-Modell ermittelten thermisch transienten Temperaturfelder werden als Eingangsdatensätze verwendet. Die berechneten Spannungen stimmen sehr gut mit einem kurzen FEM-Beispielmodell sowie mit vorliegenden Messdaten an der Mühlenfließbrücke überein.
Für die wesentlichen Parameter der vorangegangen thermischen Simulationen wurden Berechnungen mit dem Lamellenmodell durchgeführt und die maßgebenden Längsspannungen am Querschnitt, sowie die Verformungen am Anfangs- und Endauflager bestimmt.
Bei Variation der Einbautemperatur des Gussasphaltmischguts wird ein direkter, linearer Zusammenhang festgestellt. Eine Reduktion der Asphaltierbreite führt zu einer Zunahme der Druckspannungen in der Fahrbahnplatte, jedoch gleichzeitig zu einer Reduktion der Zugspannungen am Kragarm. Dagegen werden die höchsten Endlagerverschiebungen durch Erhöhung der Einbaugeschwindigkeit verursacht.
Bei den Untersuchungen der meteorologisch klimatischen Randbedingungen wird gezeigt, dass die Druckspannungen bei höheren Ausgangstemperaturen geringer sind. In dem Falle, dass der Brückenquerschnitt vor dem Asphaltieren nur am Deckblech eine höhere Temperatur aufweist, erzeugt die Temperaturbeanspruchung aus dem Heißasphalt vergleichsweise geringere Zugspannungen. An den Brückenendlagern addieren sich die Längsverformungen aus Heißasphalteinbau und hoher Umgebungs-temperatur auf.
Mit der entwickelten kombinierten Methode können die o.g. Effekte erstmals – exemplarisch an der ausgewählten Mühlenfließbrücke – in Abhängigkeit von den verschiedenen untersuchten Parametervariationen quantifiziert werden.
Derzeit werden bei dem entwickelten Lamellenmodell die Verschiebungen in Lamellenebene und die Verdrehung senkrecht zur Lamellenebene berücksichtigt. Es besteht die Möglichkeit, das vorhandene Lamellenmodell für zusätzliche Freiheitsgrade weiterzuentwickeln.
Weiter steht die Übertragung der Methode zur Untersuchung des Heißasphalteinbaus auf andere Brückenbauwerke noch aus, dazu zählen neben Stahlbrücken anderer Bauart auch Verbundbrücken.
Auf Brücken, insbesondere auf Stahlbrücken, bildet sich im Winter gegenüber den anderen Streckenabschnitten oft vorzeitig Glätte. Dadurch kann der Straßenverkehr in erheblichem Maße gefährdet werden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten das vorzeitige Auftreten von Glätte zu verhindern. Die derzeit gebräuchlichsten Methoden sind die Brücken vorzeitig zu streuen oder automatische Taumittelsprühanlagen zu installieren. In dem vorliegenden Projekt wurde eine weitere, innovative Methode untersucht, nämlich die Temperierung der Fahrbahn mit Hilfe von Geothermie. Dazu wurden Simulationsreihen und damit zusammenhängende praxisnahe Messungen durchgeführt. Die Messungen wurden auf einer eigens hierfür hergestellten Testbrücke aus Stahl-Brückenmodulen sowie in weiteren Testfeldern auf bestehenden Brücken vorgenommen. Der Bericht stellt wichtige Informationen und Ergebnisse zur Verfügung, die notwendig sind, um ein Brücken-Projekt mit Fahrbahn-Temperierung zu planen und umzusetzen. Dabei werden die Aspekte - konstruktive Gestaltung, - thermische Eigenschaften, - mechanische Festigkeit, - Regelstrategien und " Wirtschaftlichkeit eines solchen Systems betrachtet. Weiterhin enthält der Bericht Beispiele, welche Varianten hinsichtlich des geothermischen Systems möglich sind, und gibt Eckdaten zu deren Dimensionierung an. Nach den hier vorliegenden Ergebnissen ist die Realisierung eines Fahrbahn-Temperierungs-Systems mittels Geothermie für Stahlbrücken möglich. Die thermische Leistung ist für den angestrebten Zweck ausreichend. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften konnten zumindest keine kurzfristig erkennbaren Beeinträchtigungen festgestellt werden, wobei hier weiterer Forschungsbedarf besteht. Damit bietet die geothermische Fahrbahntemperierung die Möglichkeit, umweltschonend zur Vermeidung von frühzeitiger Glättebildung auf Straßenbrücken beizutragen.
Der Bericht liefert einen Überblick über die Gefährdung von stählernen Fahrbahnplatten hinsichtlich Ermüdungsschäden, ordnet diese Gefährdungen in Gefährdungskategorien ein und gibt Strategien und Verfahren zu einer nachhaltigen Instandsetzung vor allem von Deckblechschäden und Schäden an der Verbindung zwischen Längsrippe und Deckblech an. Im Einzelnen geht der Bericht auf die Entwicklung stählerner Fahrbahnplatten bis zur heutigen Standardlösung ein, auf deren Weg sich einige Konstruktionen als besonders schadensanfällig erwiesen haben. Eine Aufgabe ist es daher, bestehende Brücken und die heutige Standardlösung zukunftssicher zu machen. Für die Zukunftssicherung ist besonders die Dauerhaftigkeit des Deckblechs und seiner Verbindungen zu Rippen und Querträgern wichtig. Zur Verringerung der Ermüdungsbelastung des Deckblechs gibt es Verfahren zur direkten Deckblechverstärkung und zur Effizienzsteigerung des Fahrbahnbelags zur Verbesserung der Verbundwirkung mit dem Deckblech. Die vorgestellten und untersuchten Verfahren zur direkten Deckblechverstärkung sind: - Aufbringen einer Elastomersandwichstruktur mit einem neuen zusätzlichen Stahldeckblech (Sandwich Plate System (SPS) , Pilotprojekt in NRW), - Stahlfaserbewehrter hochfester Beton mit Stahlbewehrungseinlagen (Pilotprojekte in den Niederlanden), - Aufkleben von Zusatzblechen (Versuchsstadium). Zur Effizienzsteigerung des Fahrbahnbelags ist es nötig, eine Optimierung zwischen zwei sich widersprechenden Zielsetzungen zu erreichen: 1. Dauerhaftigkeit des Belages durch ausreichende Elastizität des Belags und Reduktion der Verbundwirkung, 2. Dauerhaftigkeit des Stahlblechs und der Verbindungsnaht mit der Längsrippe durch höhere Steifigkeit des Belags und Verbesserung der Verbundwirkung. Dazu sind Versuche mit Belägen mit modifiziertem Bitumen (PmB25A) und mit hohlraumreichem Asphalttraggerüst mit nachträglichem Verguss (HANV) durchgeführt worden, die Tendenzen zu Verbesserungen erkennen lassen. Für eine weitere Optimierung der beiden Varianten sind gezielte Kleinteilversuche zur Bestimmung von temperatur- und frequenzabhängigen Stoffeigenschaften, die sich für Grenzzustandsberechnungen eignen, erforderlich. Die Berechnungsmodelle müssten an bauteilähnlichen Prüfkörpern überprüft werden. Der Bericht gibt Empfehlungen wie eine Verbesserung der Verbundeigenschaften zwischen Stahldeckblech Asphaltbelag erreicht werden kann.