620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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). Der vorliegende Beitrag gibt einen Übernblick über existierende Verstärkungsmaßnahmen, die bereits in Pilotprojekten erprobt wurden sowie aktuelle Forschungsarbeiten zur Verstärkung von orthotropen Fahrbahnplatten mit Kategorie-1-Schaeden.
Brückenbauwerke werden für eine sehr lange Lebensdauer geplant und errichtet. Vor allem für Straßenbrücken ist bei der Beurteilung eine Abkehr von den reinen Herstellungskosten in Richtung einer lebenszyklusorientierten, ganzheitlichen Bewertung voranzutreiben. Durch die Bottom-Up-Analysen an Realbauwerken, die typische Autobahnbrücken mittlerer Spannweite repräsentieren, wurden detaillierte Untersuchungen durchgeführt. Die Resultate von Lebenszykluskostenrechnungen, Ökobilanzierung und Berechnungen von externen Effekten werden hier für drei Varianten von Autobahnbrücken dargestellt und analysiert.
Brücken stellen eine wichtige Komponente unserer Verkehrsinfrastruktur dar, allerdings werden heutzutage die meisten Entscheidungen im Rahmen von Vergaben auf Grundlage der Herstellungskosten getroffen. Dieses Vorgehen greift indes zu kurz, da die Leistungsfähigkeit von Brücken in der Nutzungsphase und die mit Brückenbaumaßnahmen verbundenen Verkehrsbeeinträchtigungen eine wichtige Rolle spielen. Daher muss es ein Ziel sein, eine lebenszyklusorientierte Analyse und Bewertung in der Planungspraxis zu etablieren. Hierfür stellt der vorliegende Beitrag Grundlagen bereit, indem für die Nachhaltigkeitsanalyse von Brücken einzusetzende Methoden erläutert und in umfangreichen Vergleichsrechnungen angewendet werden. Die Ergebnisse sollen zuständige Behörden, Planern und Bauherren sowohl bei der Gestaltung von Nachhaltigkeitsbewertungssystemen unterstützen als auch Vergleichswerte für typische Autobahnüberführungen bereitstellen.
Brückenseile bestehen aus zahlreichen ineinandergedrehten feuerverzinkten Drähten und sind zusätzlich von mehrschichtigen Beschichtungen vor Korrosion geschützt. Wenngleich derzeit ausschließlich Drähte mit einem Überzug aus reinem Zink zulässig sind, steht mit Galfan " einer Zink-Aluminium- Legierung " ein neuer Überzug zur Verfügung, mit dem sich ein noch besserer Korrosionsschutz erreichen lässt. Unbekannt jedoch war, ob das einzig zugelassene Beschichtungssystem für Brückenseile über eine ausreichende Haftfestigkeit auf Stahlflächen mit Galfan-Überzug verfügt. Im Rahmen des hier beschriebenen Projekts konnte nachgewiesen werden, dass die üblicherweise bei Brückenseilen verwendete Grundbeschichtung auf Stahlflächen mit Galfan-Überzug eine mindestens genauso gute Haftfestigkeit erreicht wie auf Stahlflächen mit herkömmlichem Zink-Überzug. Zu diesem Zweck wurden speziell angefertigte Prüfkörper praxisrelevanten Korrosionsversuchen unterzogen. Die Prüfung der Haftfestigkeit erfolgte in Form von Abreißversuchen. Auf Basis der hier gewonnenen Ergebnisse wurden die auf herkömmliche Art und Weise verzinkten und die mit Galfan verzinkten Probekörper (bei zwei unterschiedlichen Methoden der Oberflächenvorbereitung) gegenübergestellt und miteinander verglichen. Für beide Arten der Oberflächenvorbereitung wurden bei den mit Galfan überzogenen Probekörpern jeweils bessere Ergebnisse erreicht als bei den herkömmlich verzinkten Probekörpern. Folglich kann der Überzug Galfan gegenüber dem Überzug aus reinem Zink im Hinblick auf die Haftfestigkeit der verwendeten Grundbeschichtung als mindestens gleichwertig angesehen werden. Die gewonnenen Resultate sprechen eindeutig für eine Pilotanwendung von Seilen aus Drähten mit Galfan-Überzug in der Praxis.
Der Beitrag enthält wesentliche Ergebnisse einer Untersuchung der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt). Er liefert einen Überblick über den Bestand der Stahlbrücken im Bundesfernstraßennetz und enthält eine Zusammenstellung unterschiedlicher Ertüchtigungsmaßnahmen. Damit bietet er eine wichtige Orientierungshilfe für die Ausrichtung der zukünftigen Forschungsschwerpunkte. Es wird deutlich, dass bei der Entwicklung von Verstärkungsmaßnahmen vordringlicher Forschungsbedarf besteht.
Bei der ersten Bauwerksprüfung nach dem Austausch des Brückenbelags wird bei Stahlbrücken häufig eine überproportional hohe Anzahl an Schweißnahtrissen in der orthotropen Fahrbahnplatte festgestellt. Die naheliegende Vermutung ist, dass diese Schäden im Zusammenhang mit den Beanspruchungen stehen, die beim Austausch des Brückenbelags entstehen.
Relevante Beanspruchungen können beim Entfernen des alten Brückenbelags, z. B. durch die dynamischen Belastungen beim Fräsen oder beim Einbau des neuen Brückenbelags, durch die thermische Belastung beim Einbau des Gussasphaltes oder ggf. beim Walzen, z. B. durch die dynamischen Belastungen beim Verdichten von Walzasphalt-Deckschichten auftreten.
Verschärft wird die Problematik durch die Entwicklung von immer leistungsfähigeren Maschinen wie Hochleistungsfräsen oder Asphalt-Fertiger mit immer breiteren Einbaubohlen.
Im Rahmen des Forschungsprojekts werden Grundlagen für weiterführende Untersuchungen zum Thema „Beanspruchung von Stahlbrücken beim Austausch des Brückenbelags“ erarbeitet und dargestellt. Im Mittelpunkt steht dabei die Temperaturbelastung der Stahlkonstruktion infolge des „Einbaus des neuen Brückenbelags“.
Zu diesem Zweck wurden verschiedene Erneuerungsmaßnahmen fachtechnisch begleitet, um den Prozessablauf zu dokumentieren und um exemplarische Temperaturverteilungen in der orthotropen Fahrbahnplatte während des Asphalteinbaus zu ermitteln. Dabei handelt es sich um folgende Bauwerke:
• Rheinbrücke Leverkusen
Einbau einer Deckschicht aus Gussasphalt am 20.05.2016.
• Wiehltalbrücke
Fräsen, Einbau einer Deckschicht aus lärmreduziertem Porous Mastix Asphalt (PMA), Walzen am 17.07.2017.
• Rheinbrücke Duisburg-Neuenkamp
Einbau einer Deckschicht aus Gussasphalt am 15.08.2017.
• Hochmoselbrücke
Einbau einer Schutzschicht aus Gussasphalt am 28.06.2019.
Die daraus ermittelten Ergebnisse bilden eine erste Grundlage für weitergehende numerische Parameterstudien. Darüber hinaus werden Empfehlungen für zukünftige Baumaßnahmen gegeben.
Ein Großteil der heute vorhandenen Stahlbrücken wurde in den 1960er Jahren errichtet, als man der Problematik der Materialermüdung noch nicht den notwendigen Stellenwert eingeräumt hatte. Seit Ende der 1990er Jahre ist bei diesen Bauwerken eine stetige Zunahme von Schäden zu verzeichnen, die durch die geringe Ermüdungsfestigkeit einzelner Konstruktionsdetails in Kombination mit erhöhten Beanspruchungen durch den zunehmenden Schwerverkehr verursacht werden. Da Ersatzneubaumaßnahmen sowohl mit hohen Kosten als auch mit langwierigen Genehmigungsverfahren verbunden sind, gilt es, den Bestand der vorhandenen Bauwerke ausreichend lange zu erhalten.
Um auch bei weiter ansteigenden Ermüdungsbeanspruchungen eine hinreichende Restlebensdauer sicherzustellen, werden wirksame Konzepte und neue Lösungen für die Erhaltung von Stahlbrücken erforderlich. Mit der „Verstärkung des Deckblechs orthotroper Fahrbahnplatten durch Aufkleben von Stahlblechen“ wird ein spezieller, jedoch vielversprechender Lösungsansatz verfolgt und eingehend untersucht. Die erforderlichen Untersuchungen sind so umfangreich, dass die folgenden vier aufeinander bezogenen Projekte initiiert wurden, um eine angemessene Abwicklung zu gewährleisten:
• Numerische Untersuchungen
• Klebtechnologie
• Dauerfestigkeitsuntersuchungen
• Fugen- und Randausbildung
Im Projekt „Numerische Untersuchungen“ wird am Beispiel der orthotropen Platte der Rheinbrücke Duisburg-Neuenkamp mithilfe eines numerischen Modells gezeigt, dass die Verstärkung des Deckblechs eine sinnvolle Maßnahme ist, um Spannungen in der Platte und örtliche Durchbiegungen des Deckblechs wirkungsvoll zu vermindern.
Das Projekt „Klebtechnologie“ beschreibt die Entwicklung eines praxistauglichen Klebverfahrens, das auf die speziellen Rahmenbedingungen abgestimmt wurde, die bei der Erhaltung von orthotropen Fahrbahnplatten bestehen.
Kern des Projekts „Dauerfestigkeitsuntersuchungen“ bildet ein aufwändiges Versuchsprogramm mit praxisnahen Dauer-Schwell-Biege-Prüfungen. Als wesentliches Ergebnis wurde der Nachweis erbracht, dass die Klebverbindungen den dynamischen Beanspruchungen aufgrund der herkömmlichen Verkehrsbelastung dauerhaft widerstehen können.
Im Projekt „Fugen- und Randausbildung“ wurde die Anordnung von Fugen und die Gestaltung von Randabschlüssen konzipiert und deren Tauglichkeit untersucht. In Anlehnung an das Projekt „Dauerfestigkeitsuntersuchungen“ wurde anhand von Versuchen eine ausreichende Ermüdungsfestigkeit nachgewiesen.
Die im Rahmen dieser vier Projekte durchgeführten Untersuchungen werden erläutert und die erzielten Ergebnisse dargestellt. Damit sind die labortechnischen Untersuchungen zur „Verstärkung des Deckblechs orthotroper Fahrbahnplatten durch Aufkleben von Stahlblechen“ erfolgreich abgeschlossen. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden eine wesentliche Grundlage für erste Pilotanwendungen in der Praxis.
Anhang A enthält alle wesentlichen Parameter, Ergebnisse, Einzelwerte und Fotos.
Bei der vorliegenden Veröffentlichung handelt es sich um eine von der „Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Bauwissenschaften der Universität Duisburg-Essen“ genehmigte Dissertation zum Erwerb des Doktorgrades. Die mündliche Prüfung fand am 04.11.2022 statt. Gutachterin und Gutachter waren Frau Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Natalie Stranghöner und Herr Univ.-Prof. Dr.-Ing. Markus Feldmann.
Herzlich bedanke ich mich an dieser Stelle bei Frau Prof. Stranghöner sowohl für die perfekte Betreuung aber insbesondere auch für den entscheidenden Impuls, die Arbeiten in einer Dissertation zu bündeln, bei Herrn Prof. Feldmann für die Begutachtung sowie bei zahlreichen Kolleginnen und Kollegen aus der Abteilung Brücken- und Ingenieurbau der BASt für die Unterstützung auf vielfältige Art und Weise und dabei ganz besonders bei Herrn Bert Quaas und Herrn Michael Staeck für den engagierten Einsatz im Labor und an der Hydropulsanlage.
Der Beitrag behandelt ein Forschungsvorhaben, das die Instandsetzung und Ertüchtigung von Stahlbrücken, deren orthotrope Fahrbahntafeln durch Rissbildung beschädigt sind, die vorzugsweise im Bereich von Schweissnähten zwischen den Anschlüssen der Längsrippen und dem Deckblech aufgetreten ist, zum Ziel hat. Ursache der Schäden sind Materialermüdung infolge des stark gestiegenen Verkehrsaufkommens schwerer Fahrzeuge gegenüber der Bauzeit in den sechziger Jahren und die seitdem erheblich gestiegenen Achslasten. Durch das kraftschlüssige Aufkleben von Stahlblechen auf das Deckblech sollen dessen Steifigkeit erhöht und damit die Durchbiegungen verringert werden. Die Spannungen in den anschliessenden Schweissnaehten nehmen ab und können bei ausreichender Dicke des aufzuklebenden Bleches auf eine nicht mehr ermüdungsrelevante Größenordnung zurückgefuehrt werden. Wegen der sehr komplexen Gesamtaufgabe wurden die Untersuchungen in vier Teilbereiche aufgegliedert: 1. Computer-Simulation der Beanspruchung einer orthotropen Platte unter einem normierten Ermüdungslastmodell. 2. Optimierung der Klebtechnologie. 3. Dauerfestigkeitsuntersuchungen (Versuche). 4. Entwicklung und Prüfung von Konstruktionsdetails. Die Projekte 1 und 2 sind bereits erfolgreich abgeschlossen. Das Projekt 3 steht kurz vor dem Abschluss (10/2005). Projekt 4 wird in 2006 durchgeführt.
Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) ist an mehreren Forschungsvorhaben im Zusammenhang mit der Instandsetzung und Verstärkung von orthotropen Fahrbahnplatten beteiligt. Der Beitrag stellt die dabei gemachten Erfahrungen und die Entwicklungen der Verstärkungsverfahren in einem Überblick dar. Ein Großteil der Stahlbrücken wurde in Deutschland in den 1960er und 1970er Jahren nach den damals gültigen Regelwerken gebaut. Bei Erstellung dieser Regelwerke war die ermüdungswirksame Belastung durch den rasant steigenden Schwerlastverkehr nicht absehbar. Die damals erstellten Bauwerke weisen nach heutigem Kenntnisstand daher teilweise Defizite auf, die zu Schäden in Form von Schweißnaht- und Blechrissen geführt haben, die zu aufwändigen Instandsetzungen führten. Die Schäden werden in vier Kategorien eingeteilt, die sich jeweils beziehen auf die Anschlüsse am Deckblech, im Längssystem (Längssteifen), im Quersystem (Querträger) sowie im Hauptsystem (Hauptträger). Bei Anschlüssen im Hauptsystem sind bisher jedoch keine Schäden bekannt. Da das Deckblech und seine Anschlüsse infolge der direkten Lasteintragung durch die Reifen besonders gefährdet sind, konzentrieren sich die aktuellen Untersuchungen zu Instandsetzungsmethoden auf die dort aufgetretenen Schäden. Erfolgversprechend haben sich herausgestellt: direkte Deckblechverstärkung durch Stahlbleche, Aufbringen einer Sandwichplatte (Sandwich-Plate-System (SPS)) und Aufbringen von hochfestem bewehrten Stahlfaserbeton sowie die Verbesserung der Mitwirkung des Fahrbahnbelages durch erhöhte Steifigkeit des Asphaltbelags (zum Beispiel hohlraumreiches Asphaltgerüst mit nachträglichem Verguss) und bessere Haftung. Alle Varianten verringern die lokalen Spannungen und Verformungen signifikant und bewirken dadurch einen erhöhten Ermüdungswiderstand.
Für den äußeren Korrosionsschutz von vollverschlossenen Seilen werden üblicherweise ausschließlich für diesen Zweck zugelassene Beschichtungssysteme verwendet. Das hier beschriebene Wickelverfahren mit Korrosionsschutzbändern stellt eine interessante Alternative dar, vor allem, wenn dadurch bei Bestandsbauwerken auf umfangreiche Rüstarbeiten verzichtet werden kann. Die wesentlichen Voraussetzungen für eine erfolgreiche Anwendung dieses Verfahrens werden am Beispiel von Erhaltungsmaßnahmen an der Talbrücke Obere Argen aufgezeigt.
Das Korrosionsschutzsystem besteht aus zwei Lagen von Butylkautschukbändern, die jeweils mit 50%iger Überlappung um das Seil gewickelt werden. Da die Applikation mit Hilfe eines Wickelroboters vollautomatisch erfolgt, sind keine Gerüste, Hubsteiger, Einhausungen oder sonstige Maßnahmen notwendig, wodurch sich erhebliche Kosten- und Zeitvorteile ergeben können. Bei den Anschlüssen an den Verankerungen im Anfangs- und Endbereich der Seile werden die Korrosionsschutzbänder mit Hilfe eines Handwickelgerätes aufgebracht. Um die Haftung der Bänder auf der Seiloberfläche in diesen Bereichen zu optimieren, erfolgt hier in der Regel eine Grundbeschichtung mittels Primer.
An 22 Schrägseilen der Talbrücke Obere Argen wurde der Korrosionsschutz mittels des Wickelverfahrens erneuert. Im Vergleich zu der bisher aufgebrachten Beschichtung stellt dies mindestens eine gleichwertige Alternative dar.
Aufgrund der guten Erfahrungen und in Anbetracht der möglichen Minimierung von Verkehrseinschränkungen wird eine entsprechende Fortschreibung der ZTV-ING Teil 4 Abschnitt 5 „Korrosionsschutz von Brückenseilen“ empfohlen. Solange jedoch die Umwicklung von vollverschlossenen Seilen mit Korrosionsschutzbändern hier noch nicht geregelt ist, darf dieses Verfahren im Zuständigkeitsbereich des BMVI nur mit einer Zustimmung im Einzelfall erfolgen. Der vorliegende Bericht enthält Empfehlungen und Hinweise, die zur Vereinfachung und Beschleunigung dieses Prozesses beitragen sollen.