620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Im ersten Teil des Forschungsvorhabens wurden von der BASt in Zusammenarbeit mit den Straßenbauverwaltungen der Bundesländer vergleichende Untersuchungen an verschiedenen Bauarten von Brückenbelägen auf insgesamt 99 Brücken vorgenommen. Aufgrund der Untersuchungsergebnisse und des damaligen Erfahrungshintergrundes wurden 1987 die Bauarten mit Dampfdruckentspannungsschicht wegen der Gefahr der Unterläufigkeit vom Einsatz im Bereich der Bundesverkehrswege ausgeschlossen. Stattdessen werden seither die Bauarten mit einer flächig verklebten Dichtungsschicht gemäß den "Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für das Herstellen von Brückenbelägen auf Beton" (ZTV-BEL-B) Teile 1 bis 3 verwendet. Die Betonoberfläche der Fahrbahntafel muss bei allen Bauarten mit Reaktionsharz auf Epoxidbasis behandelt werden. Dieser Bericht enthält die Erfahrungen, die seit Einführung der ZTV-BEL-B bei Baustellenbegehungen, bei Stellungnahmen zu Schadensfällen, bei der Mitarbeit in Gremien für die Regelwerkserstellung, bei der Auswertung der Fremdüberwachungsergebnisse der Baustoffe und bei der Führung der "Zusammenstellung der geprüften Stoffe und Stoffsysteme nach ZTV-BEL-B" gewonnen wurden. Es werden die Entwicklungen der Bauarten und die bekannt gewordenen Fehlerquellen geschildert. Die dabei getroffene Auswahl der Schadensfälle erhebt keinen Anspruch auf Repräsentanz. Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Behandlung der Betonoberflächen mit einem Reaktionsharz auf Epoxid-Basis als Grundierung, Versiegelung oder Kratzspachtelung auf einer abtragend vorbereiten Betonoberfläche die Voraussetzung für einen dauerhaften Verbund der nachfolgenden Dichtungsschicht schafft. Weitaus am meisten wird die Bauart nach ZTV-BEL-B Teil 1 mit einer Dichtungsschicht aus einer Bitumenschweißbahn und einer Schutzschicht aus Gussasphalt eingesetzt. Die Bauart nach den ZTV-BEL-B Teil 2 mit einer Dichtungsschicht aus zwei Lagen Bitumen-Bahnen und Schutz- und Deckschicht aus Walzasphalt (Splittmastixasphalt oder Asphaltbeton) wird dort eingesetzt, wo Walzasphalt bevorzugt wird oder Gussasphalt nicht verfügbar ist. Auch bei stärkerer Neigung der Fahrbahn (über ca. 7 Prozent) kann nur Walzasphalt eingebaut werden. Die Bauart nach ZTV-BEL-B Teil 3 mit einer Dichtungsschicht aus flüssig appliziertem Reaktionsharz, meist Polyurethan, und einer Schutzschicht aus Gussasphalt ist wegen des höheren Preises eher für Sonderfälle geeignet, wie Flächen mit komplizierter Geometrie und Aufkantungen, Anschlüsse an vorhandenen Kappen und so weiter. Die bisherigen Erfahrungen bestätigen, dass mit den ZTV-BEL-B Teile 1 bis 3 die Grundlage für den Bau hochwertiger Dichtungsschichten geschaffen wurde. Die in diesem Bericht geschilderten Schäden sind Einzelfälle. Die große Mehrzahl der Brückenbeläge ist ohne Schäden und dichtet den Beton der Brückentafeln zuverlässig ab. Bei Einhaltung der in den ZTV-BEL-B vorgegebenen Anforderungen an die Stoffe und die Bauausführung ist eine hohe Ausführungssicherheit gegeben. Schäden entstanden meistens durch Nichtbeachtung dieser Vorgaben bei der Ausführung, und zwar aus Gründen der Kosteneinsparung oder wegen fehlender Fachkenntnis. Infolge der dauerhaften flächigen Verklebung der Dichtungsschichten nach den ZTV-BEL-B hat die Abdichtung (Dichtungsschicht und Schutzschicht) eine wesentlich längere Lebensdauer als bei den früheren Belägen mit Trennschicht. Anstatt wie früher den gesamten Belag erneuern zu müssen, genügt bei standfester Schutzschicht nun die turnusmäßige Instandsetzung der Deckschicht. Die Abdichtung kann somit über viele Jahrzehnte auf der Brückentafel verbleiben. Wichtige Weiterentwicklungen waren im Beobachtungszeitraum die Fortschreibung der Regelwerke, insbesondere der Technischen Lieferbedingungen und Prüfvorschriften sowie die in die Praxis umgesetzten Forschungsergebnisse auf den Gebieten der Behandlung mit Reaktionsharz auf dauerhaft feuchtem Beton (zum Beispiel Trog- und Tunnelsohlen) sowie auf jungem Beton zur Verringerung der Bauzeit und der Optimierung des Kratzspachtels. Weiterentwicklungen erscheinen noch auf dem Gebiet der Asphalte für die Schutz- und Deckschichten erforderlich, um die Standfestigkeit zur Aufnahme der wachsenden Verkehrsbelastung zu verbessern.
An 13 Trogbauwerken im Grundwasser wurden Fahrbahnbeläge und der darunter liegende Beton der Sohlen untersucht, um festzustellen, welche bauphysikalischen Besonderheiten in bezug auf die Fahrbahnbeläge gegenüber Brückenbauwerken bestehen. Es sollten Grundlagen dafür geschaffen werden, die in den "Zusätzlichen Technischen Vorschriften und Richtlinien für die Herstellung von Brückenbelägen auf Beton, Ausgabe 1987 (ZTV-Bel-B)" angesprochenen Sondermaßnahmen für Beläge auf Trog- und Tunnelsohlen zu konkretisieren. Neun Bauwerke hatten eine Außenabdichtung ("schwarze Wannen"), bei den anderen vier wurde die Abdichtung gegen das Grundwasser durch Ausführung der Sohlen und Wände aus wasserundurchlässigem Beton ("weiße Wannen") erreicht. Die Fahrbahnbeläge hatten folgende Aufbauten: Beläge nach der ZTV-BEL-B mit flächiger Verklebung zum Beton (4 Bauwerke), andere Beläge mit flächiger Verklebung (2), Beläge mit Abdichtung auf Trennschicht (3), Belagsaufbauten mit vollständigem oder teilweisem Straßenaufbau mit Dichtungsschicht (3) und ohne Dichtungsschicht (1) auf der Trogsohle. Das Alter der Bauwerke lag zwischen zwei und 29 Jahren. Aus den Fahrbahnbelägen (alle in Asphaltbauweise) wurden Ausbaustücke und teilweise auch Bohrkerne entnommen; der Asphalt und der Sohlenbeton wurden visuell bewertet. Aus dem Sohlenbeton wurden Proben zur Bestimmung der Chlorid- und Feuchtegehalte entnommen. Weitere Untersuchungen waren die Ermittlung der Abreißfestigkeit von Flüssigkunststoff-Dichtungsschichten von der Unterlage und Potentialmessungen auf einer Trogsohle und an einer Trogwand. Unter anderem konnten Ergebnisse zur (hohen) Betonfeuchte generell und zur Chloridaufnahme des oberflächennahen Sohlenbetons bei fehlender Fahrbahnabdichtung gefunden werden. Die grundsätzliche Möglichkeit, verklebte Belgsbauarten nach den ZTV-BEL-B auch auf den Trogsohlen mit ihren hohen Feuchtegehalten einzusetzen, konnte an einem ausgeführten Beispiel mit einem Alter von fünf Jahren belegt werden. Weiterhin wurden Erfahrungswerte darüber gewonnen, wann Fugen im Belag über Blockfugen in der Trogsohle ausgebildet werden müssen.
Kategorie-1-Schäden bei orthotropen Fahrbahnplatten treten als bauweisenunabhängige Schäden in Form von Rissen im Anschlussbereich Deckblech-Längsrippe auf. Zur Vermeidung dieser Schäden sind geeignete Instandsetzungsmaßnahmen zu entwickeln, die zu einer Verminderung der Spannungen und Durchbiegungen in den gefährdeten Bereichen führen. Im Rahmen eines aktuellen Forschungsvorhabens an der Universität Duisburg-Essen wird der Ansatz verfolgt, einen modifizierten Fahrbahnbelag bestehend aus einem mit Epoxydharz oder alternativ mit Bioharz verfüllten Asphalttraggerüsts mit erhöhter mittragender Wirkung einzusetzen. Des Weiteren wird im vorliegenden Beitrag der Einsatz von Betonfertigteilen aus UHPC erläutert.
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.
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.
Aufgrund ständig steigender Verkehrsintensität und gleichzeitig ansteigenden Fahrzeuggewichten werden auch die Stahlbrücken mit orthotropen Fahrbahnplatten hinsichtlich Ermüdung stärker beansprucht. Zumeist wurden diese Brücken in den 60er Jahren gebaut und die heutigen Qualitätsstandards und Empfehlungen wurden nur zum Teil eingehalten. Ein nicht ausreichender Ermüdungswiderstand der Details in Kombination mit steigenden Ermüdungsbeanspruchungen führt früher oder später zu Schäden; bei einigen Brücken in Deutschland sind Schäden aufgetreten. Die zukünftige Verkehrsbeanspruchung führt dazu, dass eine Reparatur alleine nicht ausreichend ist, sondern eine nachhaltige Instandsetzung, das heisst Ertüchtigung bestehender orthotroper Platten erfolgen muss, um auch bei weiter ansteigenden Ermüdungsbeanspruchungen eine hinreichende Gesamtlebensdauer ohne erhöhten Wartungsaufwand sicherzustellen. Vor diesem Hintergrund haben das Bundesministerium fuer Verkehr, Bau- und Wohnungswesen (BMVBW) und die Bundesanstalt fuer Straßenwesen (BASt) ein Forschungsvorhaben in Auftrag gegeben, um nachhaltige Instandsetzungsmaßnahmen zur Ertüchtigung von orthotropen Fahrbahnplatten bei Stahlbrücken unter der besonderen Berücksichtigung des Belagsystems zu untersuchen und zu entwickeln. Zurzeit sind verschiedene Lösungen zur nachhaltigen Ertüchtigung orthotroper Fahrbahnplatten in der Erforschung, teilweise wurden bereits erste Probeanwendungen durchgeführt. Erste Pilotprojekte wurden in Deutschland mit der SPS-Maßnahme, dem Einsatz von PmB 25 und in den Niederlanden unter anderem mit dem hochfesten, mit Stahlfasern versehenen und bewehrten Beton durchgeführt. Zu weiteren Möglichkeiten, wie dem offenporig mit Epoxidharz vergossenen Asphalt, werden noch Bauteilversuche durchgeführt, die die Wirksamkeit solcher Maßnahmen bestätigen sollen. Die Schlussfolgerungen sind zur Zeit wie folgt: - Behandlung bauweisenbedingter Schäden: Zur Behebung der Ursachen sind fallspezifische Lösungen erforderlich, die in der Regel nicht zu einer Verbesserung der allgemeinen Ermüdungsfestigkeit orthotroper Fahrbahnplatten beitragen. - Behandlung bauweisenunabhängiger Schäden: Die Instandsetzung der Schäden ist möglichst in Kombination mit einer geeigneten Ertüchtigungsmaßnahme durchzuführen, sodass die orthotrope Fahrbahnplatte auch für zukünftige Verkehrsbeanspruchungen dauerhaft ist. - Die Instandsetzungsmaßnahmen sind im Gesamtzusammenhang des Brückenbauwerks zu sehen: Die Instandsetzung von Schäden ist in einem Gesamtzusammenhang mit anderen erforderlichen Unterhaltungsmaßnahmen an der Brücke zu sehen, so kann zum Beispiel eine mögliche Schweissreparatur an der Brücke ein Auswahlkriterium für die Art der Belagserneuerung und die Wahl einer geeigneten Abdichtung sein.
Da für den Einsatz auf Brücken offenporige Deckschichten nicht geeignet sind, wurden in drei Abschnitten Untersuchungen zum lärmmindernden Verhalten dichter Deckschichten mit unterschiedlicher Oberflächentextur durchgeführt. Zur Vereinfachung der Untersuchungen wurden die Erprobungsstrecken nicht auf Brücken angelegt, sondern in zwei Abschnitten im Rahmen von Erneuerungsmaßnahmen im Zuge von Straßen und in einem Abschnitt durch Untersuchung verschiedener Varianten in bereits länger liegenden Strecken. Als Mischgut wurde Splittmastixasphalt 0/5 und Asphaltbeton 0/5 nach ZTVbit-StB in Dicken von 3 bis 4 cm verwendet mit unterschiedlichen Abstreuungen der Körnungen 1/3 mm bis 2/5 mm, in einem Fall wurde ein Dünnschichtbelag aus SMA 0/8 und AB 0/5 mit unterschiedlicher Abstreuung untersucht. Weiterhin wurden auf einer Deckschicht aus AB 0/11 drei unterschiedliche Oberflächenbehandlungen in die Untersuchungen einbezogen, PmB-Emulsion beziehungsweise Epoxidharz mit Abstreuungen. Die relative Abminderung der Lärmpegel gegenüber Referenzstrecken erreichte Werte bis etwa 3 dB(A), die Einbindung der Abstreusplitte in die Oberfläche des SMA 0/5- beziehungsweise AB 0/5-Mischgutes war aber mangelhaft und nicht von Dauer. Dabei verhielt sich die Chromerzschlacke feiner Körnung besser als andere Materialien. Die Kornfraktion 2/5 mm war bereits als zu grob einzustufen. Bei den Oberflächenbehandlungen ergaben sich deutlich bessere Einbindungen der Abstreumaterialien, aber bei der Behandlung mit Epoxidharz zeigte die AB 0/11-Deckschicht deutliche Risse. Das bisher durchgeführte Programm kann noch kein befriedigendes Ergebnis für den Einsatz dichter Beläge mit einer dauerhaft wirksamen Lärmminderung aufzeigen. Es werden aber auf der Grundlage der Einzelergebnisse Hinweise für weitere Untersuchungen zur Optimierung verschiedener Varianten gegeben, die bereits in ein entsprechendes neues Programm eingeflossen sind.
Dieser Beitrag gibt einen Überblick über Instandsetzung und Verstärkung von Stahlbrücken mit Schäden im Bereich von Anschlüssen im Längssystem orthotroper Stahlbrücken, im speziellen bei Längssteifen aus Y-Profilen. Basierend auf Literatur und Recherche, wurden im Projekt Ermüdungsrisse, die an existierenden Stahlbrücken mit Y-Profilen beobachtet wurden, zusammengestellt und kategorisiert. Eine Reihe der im Rahmen des Projektes ausgewerteten Erfahrungsberichte zeigte, dass rein schweißtechnische Instandsetzungen auf Dauer nicht erfolgreich waren. Deshalb wurden für die detaillierten Untersuchungen nur Maßnahmen mit mechanischen Verbindungsmitteln vorgesehen. Die an Y-Profilen entwickelten Instandsetzungs- und Verstärkungsmaßnahmen wurden in 20 Ermüdungsversuchen experimentell analysiert. Die originalen Prüfkörper wurden entsprechend den Fertigungsplänen bestehender Brücken hergestellt. Nach den Ermüdungsversuchen wurden die Prüfkörper repariert und unter den gleichen Randbedingungen erneut geschwungen. Bei der ersten Versuchsreihe wurde eine Verstärkung mit Seitenwinkel und Lasche vorgesehen, bei denen die Winkel im geschlossenen Teil der Y-Profile mit Blindnieten befestigt waren. Die Blindnieten zeigten kein Versagen und erst bei deutlich höherer Schwingzahl als im Originalzustand ging z.T. von der künstlichen Rissspitze ein neuer Riss aus. Bei der zweiten Versuchsreihe mit Stegverstärkung konnten nach der gleichen maximalen Schwingspielzahl, die im Originalzustand zu Rissen geführt hatte, keine Risse dokumentiert werden. In der 3. Versuchsreihe, die im Bereich des 1/2 I-Profils mit einer Zusatzlasche repariert worden war, ging nach Verstärkung mit Zusatzlasche bei geringerer Schwingzahl als im Originalzustand ein Riss vom künstlichen Ermüdungsriss bzw. vom Bohrloch der angeschraubten Lasche aus. Bei der Auswertung wurden mit Hilfe eines numerischen Modells die Ermüdungsversuche validiert, um die Wirksamkeit der Maßnahmen zu bewerten. Insgesamt konnte das Vorhaben erfolgreich beendet werden. In weiterfühgrenden Untersuchungen sollten vor allem die versuchstechnischen Untersuchungen systematisch ergänzt werden.
Das Bundesministerium für Verkehr hat die Bundesanstalt für Straßenwesen beauftragt, die Beanspruchung und das Verhalten von Fahrbahnübergängen aus Asphalt bei kurzzeitig schnell auftretenden Horizontallasten (Bremslasten) zu untersuchen. Die Messungen sollten an Brückenüberbauten ohne definierten Festpunkt (schwimmende Lagerung) durchgeführt werden. Die Ergebnisse der Bauwerksmessungen finden Eingang in die Formulierung von technischen Spezifikationen für Fahrbahnübergänge aus Asphalt (Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von Fahrbahnübergängen aus Asphalt in Belägen auf Brücken und anderen Ingenieurbauwerken aus Beton, ZTV-BEL-FÜ; Technische Prüfvorschriften für Fahrbahnübergänge aus Asphalt, TP-BEL-FÜ). In dem vorliegenden Bericht sind die Messungen an einem Bauwerk in der Nähe der Ortschaft Kirchhain sowie an einem Bauwerk im Zuge der B 55n beschrieben. Die Messergebnisse machen deutlich, dass Fahrbahnübergänge aus Asphalt neben den durch Bremslasten verursachten Horizontalverschiebungen auch durch die infolge der Vertikallasten aus Fahrzeugüberfahrten resultierenden Verdrehungen der Endquerschnitte beansprucht werden. Für das Bauwerk Kirchhain wurden Messungen mittels eines Belastungsfahrzeuges für die beiden Lastfälle Überfahrt ohne Bremsen und Überfahrt mit Bremsen durchgeführt. Zur Überprüfung der Ergebnisse dieser Messungen wurden parallel numerische Berechnungen durchgeführt. Neben den Messungen mit dem Belastungsfahrzeug erfolgten für beide Bauwerke auch Messungen unter Verkehr. Hieraus ergaben sich erste Hinweise im Hinblick auf die Aufstellung von Belastungskollektiven für Fahrbahnübergänge aus Asphalt. Weiterhin konnten die für die Beanspruchung von Asphaltübergängen maßgebenden Frequenzen ermittelt werden.
Brückenbeläge auf orthotropen Fahrbahnplatten unterliegen infolge des Trag- und Temperaturverhaltens der Konstruktionen hohen Beanspruchungen. Zur Erfassung des Einflusses von Verkehrsbelastungen und Temperatureinwirkungen auf das Verhalten orthotroper Fahrbahnplatten einschließlich Brückenbelag und auf die Haftung zwischen Brückenbelag und Stahlblech dient die Dauerschwellbiegeprüfung, die heute einen wesentlichen Bestandteil der Grundprüfung für Brückenbeläge auf Stahl darstellt. Im Rahmen des Forschungsprojektes "Untersuchung am Brückenbelag einer orthotropen Fahrbahnplatte" wurden durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) Messungen an zwei Brückenbauwerken durchgeführt. Weiterhin wurden zwei Probekörper mit in den einzelnen Belagsschichten applizierten Dehnungsmessstreifen hergestellt und einer Prüfung gemäß TP-BEL-ST unterzogen. Um die Ergebnisse dieser Laborversuche direkt mit den Bauwerksmessungen vergleichen zu können, weisen Probekörper und Brückenbauwerke einen identischen Belagsaufbau auf. Zur Klärung des Einflusses von Temperatur und Art der Lasteinleitung auf das Last-Verformungsverhalten des Verbundkörpers wurden zusätzlich numerische Berechnungen nach der Methode der Finiten Elemente (FEM) durchgeführt. Das Ziel dieser Untersuchungen bestand einerseits in der Überprüfung der Vorgaben für die Dauerschwellbiegeprüfung am Bauwerk selbst. Andererseits wurden anhand der Messergebnisse Last- beziehungsweise Verformungskollektive aufgestellt, welche die wirkliche Beanspruchung aus Verkehr so beschreiben, dass hieraus verbesserte Annahmen für die zukünfige Durchführung der Dauerschwellbiegeprüfung abgeleitet werden können. Aus einer Gegenüberstellung der Dehnungen zwischen Dauerschwellbiegeprüfung und Bauwerk lässt sich ableiten, dass die Vorgaben der Dauerschwellbiegeprüfung im Hinblick auf das statische System und die Lasteinleitung modifiziert werden sollten. Weiterhin zeigen die aus den Bauwerksmessungen abgeleiteten Pfeilhöhenkollektive, dass die Dauerschwellbiegeprüfung auch hier den Verhältnissen in situ nicht in allen Punkten gerecht wird.