Die Klimaerwärmung durch Klimaschutzmaßnahmen auf das geringste Maß zu begrenzen ist eine herausfordernde Aufgabe der Gegenwart. Dazu gehören auch Maßnahmen zur Senkung der klima- und umweltschädlichen Auswirkungen des Verkehrs. Mit Blick auf den zunehmenden Güterverkehr hat die Europäische Kommission neue Emissionsziele für schwere Nutzfahrzeuge vorgeschlagen, die ab 2030 gelten sollen. Das führt zu alternativen Antrieben und zu sogenannten emissionsfreien Fahrzeugen (ZEV). Alternative Antriebe wie zum Beispiel Elektroantriebe oder Wasserstoffantriebe führen zu Mehrgewicht im Vergleich zu den aktuellen Diesel LKW‘s und damit bei gleicher Gewichts- und Achslastbeschränkung zu Wettbewerbsnachteilen in der Transportindustrie. Zur Minderung des Problems werden im vorliegenden Bericht Auswirkungen von möglichen Steigerungen der zulässigen Gesamtgewichte Fahrzeuge des Schwerverkehrs auf die Beanspruchung der Brücken untersucht. Auf Grundlage von Verkehrsmessungen werden hierzu Simulationen des aktuellen Schwerverkehrsaufkommens durchgeführt und die Auswirkungen dieser simulierten Verkehrsbänder für verschiedene Tragsysteme und Schnittgrößen berechnet. Aus statistischen Auswertungen der Berechnungsergebnisse werden charakteristische Werte, die über eine Wiederkehrperiode von 1000 Jahren definiert sind, bestimmt. Diese Werte für verschiedene Tragsysteme und Schnittgrößen werden mit den Werten, die sich aus dem Ansatz des Lastmodells 1 des DIN-Fachberichtes 101 (2003) sowie aus historischen Lastmodellen, die im Wesentlichen für die Bestandsbrücken angewandt wurden, verglichen. Diese so entwickelten Referenzwerte werden dann Werten, die auf gleichen Weg durch Steigerungen der zulässigen Gesamtgewichte in 2 t Schritten ermittelt werden, gegenübergestellt. Zur Abrundung der Vergleiche werden Fahrzeugkonstellationen variiert und Berechnungen mit synthetisch erzeugen massekonstanten Verkehren ohne Überladung der Fahrzeuge bereitgestellt. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass das aktuelle Schwerverkehrsaufkommen mit dem Lastmodell 1 des DIN-Fachberichtes 101 (2003) gut erfasst ist, das heißt das Lastmodell 1 des DIN-Fachberichtes 101 ist die aktuell erforderliche Tragfähigkeit der Bestandsbrücken im Zuge des Autobahnnetzes. Im Bestand der Brücken im Autobahnnetz sind infolge der Errichtungsjahre von 1960 bis heute 20,4% der Brücken mit dieser Tragfähigkeit vorhanden. Für Bundesstraßen ist die aktuelle Tragfähigkeit durch das Lastmodell BK 60/30 beschrieben. 48% der Bundesstraßen weisen diese Tragfähigkeit aus. Der Brückenbestand der Bundesstraßen und Autobahnen wird teilweise über seine Tragfähigkeit beansprucht und bedarf Kompensationsmaßnahmen, um die Sicherheit zu gewährleisten. Moderate Variationen der Fahrzeugkonstellation können keinen Beitrag zur Minderung der Brückenbeanspruchungen leisten. Beanspruchungsmindernde Auswirkungen ergeben sich durch den Einsatz von 6-Achs Fahrzeugen anstatt von 5-Achs Fahrzeugen. Deutliche Minderungen der Auslastung können durch regelkonformen Verkehr nachgewiesen werden. Steigerungen der zulässigen Gesamtgewichte können erst nach Modernisierungen und Instandsetzungen der Brücken diskutiert werden. Bei Einhaltung der StVZO hinsichtlich der zulässigen Gewichte entsprechen fast alle Brücken im Autobahnnetz der aktuell erforderlichen Tragfähigkeit und es sind Steigerungen der zulässigen Gesamtgewichte um 2t zusätzlich möglich. Die Untersuchungen wurden für Brücken der Bundesstraßen erweitert, die Ergebnisse entsprechen dem voraus Zitierten. Die Einhaltung der zulässigen Gesamtgewichte muss vor Umsetzung von Steigerungen durch Messungen z.B. über WIM-Stationen belegt sein.

Der im deutschen Binnenschiffsverkehr sehr selten vorkommende Anprall von Schiffen auf Brücken ist in dem für die Nachrechnung von Bestandsbrücken anzuwendenden Regelwerk Richtlinie für die Nachrechnung von Straßenbrücken im Bestand der Bundesfernstraßen („Nachrechnungsrichtlinie“) bislang nicht berücksichtigt. Ziel des vorliegenden Forschungsprojekts war es, diese Lücke zu schließen, indem Präzisierungen zur Nachrechnung der Bestandsbrücken auf den Lastfall Schiffsanprall erarbeitet wurden. Diese Präzisierungen stellen kein eigenständiges Nachweiskonzept dar, sondern sind in Verbindung mit den geltenden Vorschriften des Eurocodes inklusive des Nationalen Anhangs anzuwenden. Das Ziel von Nachrechnungen von Bestandsbauwerken besteht vor allem darin, ein ihrer Bedeutungsklasse angemessenes Zuverlässigkeitsniveau sicherzustellen. Es gilt zu überprüfen, ob Maßnahmen, wie z.B. nachträgliche Verstärkungen oder Schutzvorrichtungen, zu ergreifen sind. Solche Maßnahmen sind hinsichtlich des Lastfalls Schiffsanprall sehr teuer. Es gilt daher, besonders sicherheitsgefährdete Bauwerke zu identifizieren. Im vorliegenden Forschungsprojekt wurde zunächst eine umfangreiche Literrecherche unternommen. Einen Großteil dieser Fachveröffentlichung nehmen daher Erörterungen der unterschiedlichen derzeit in Deutschland geltenden Vorschriften ein. Ebenso wurden die US-amerikanische Schiffsanprall-Norm sowie wissenschaftliche Literatur analysiert. Dabei wurde festgestellt, dass der Eurocode vergleichsweise hohe Anpralllasten vorschreibt. Für eine Nachweisführung (bei Bestandsbrücken) sind die Vorschriften allerdings teilweise lückenhaft. Wichtige Präzisierungen, vor allem zur Stoßkraft-Abminderung in Abhängigkeit des Abstandes eines Pfeilers von der Fahrrinne finden sich hingegen im deutschen Nationalen Anhang. In dieser Hinsicht besteht also kein Handlungsbedarf. Weitere wichtige Hinweise zur Fluss-Brücke-Topologie, nämlich zur Ermittlung des grundsätzlichen Gefährdungsraums, sind in einer Richtlinie des (vormaligen) Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) geregelt. Im Sinne einer wirtschaftlichen Bauwerkserhaltung besonders sinnvoll ist eine restnutzungsdauerabhängige Abminderung der Stoßkraft. Dieses Verfahren wurde in einem Merkblatt der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) veröffentlicht. Im vorliegenden Forschungsprojekt wurde gezeigt, dass dieses Verfahren wissenschaftlich fundiert und konsistent hergeleitet wurde und seine Anwendung grundsätzlich sinnvoll ist. Daher wird eine Übernahme dieses Verfahrens in die Nachrechnungsrichtlinie und somit seine Anwendung auch im Zuständigkeitsbereich der Bundesanstalt für Straßen- und Verkehrswesen (BASt) empfohlen. Am Ende der vorliegenden Fachveröffentlichung werden konkrete Textvorschläge zur Fortschreibung der Nachrechnungsrichtlinie dargelegt, wobei auf die Eingliederung des Lastfalls Schiffsanprall in das bestehende vierstufige Verfahren Rücksicht genommen wird. Für Stufe 4 wird eine Formulierung vorgeschlagen, die den Anwendenden einen gewissen Freiraum zur Anwendung wissenschaftlicher Verfahren lässt. Als sinnvoll kann hierbei unter bestimmten Umständen die objektspezifische Ermittlung von Anpralllasten auf probabilistischer Basis angesehen werden.

Das Ziel des Forschungsprojektes FE 15.0688/2021/ARB „Abdichtung von Verkehrsflächen auf Betonbrücken nach TL BEL-B 1“ ist es, die Auswirkung einer Absenkung der Einbautemperatur der Gussasphaltschutzschicht auf den Verbund mit den darunter liegenden Systemen zu untersuchen. Zudem sollte überprüft werden, ob eine zweilagige Grundierung gegenüber der Versiegelung Vorteile im Haftverbund bringt. Zu diesem Zweck wurden maschinell und von Hand Probefelder mit mehreren Baustoffkombinationen (Dichtungsschicht / Reaktionsharz) hergestellt und im Anschluss mit Gussasphalt mit einer Einbautemperatur von 190 °C bzw. 230 °C überbaut. Der dritte Teilbereich wurde nicht überbaut und die Dichtungsschichten anschließend frei bewittert. Um den Einfluss der Oberfläche zu beurteilen wurde die behandelte Betonoberfläche als Versiegelung und als zweilagige Grundierung ausgeführt. Für die Untersuchungen wurde eine Probefläche, bestehend aus einer kugelgestrahlten Betonoberfläche, erstellt. Auf dieser Probefläche wurden mehrere Probefelder mit verschiedenen Reaktionsharz- / Polymerbitumen-Schweißbahnkombinationen angelegt. Zwei Reaktionsharze basieren auf dem Reaktionskunststoff PMMA und vier auf Epoxidharz. Als Dichtungsschicht wurden verschiedene Polymerbitumen-Schweißbahnen gewählt sowie zwei Abdichtungssysteme mit einer Dichtungsschicht aus Flüssigkunststoff gewählt. Nach dem Einbau der Dichtungsschichten wurde die Haftung auf der behandelten Betonoberfläche mittels Abziehversuchen von Hand und Abreißversuchen geprüft. Zudem wurde die Abreißfestigkeit nach dem Einbau der Gussasphaltschicht und nach einer einjährigen Liegezeit bestimmt. Die Anforderungen an die Haftung wurden von allen Baustoffkombinationen im Wesentlichen erfüllt. Auffällig waren die geringen Haftungen in den Probefeldern, in denen PMMA verwendet wurde. Dies ist auf die hohen Temperaturen während des Einbaus sowie dem aus der schnellen Reaktion folgenden schlechten Eindringverhalten in die Betonunterlage und der schlechten Einbindung des Abstreumaterials zurückzuführen. Hinsichtlich der Einbautemperatur des Gussasphaltes (190 °C bzw. 230 °C) wurden keine Unterschiede im Haftverhalten der Abdichtung festgestellt. Auch ein Einfluss der Art der behandelten Betonoberfläche (Versiegelung bzw. zweilagige Grundierung) wurde nicht festgestellt. Eine Zunahme von Hohllagen stellte sich nur im nicht mit Gussasphalt überbauten Teilbereich ein.

Bei Lärmschutzwänden (LSW) aus Beton, die aus einer Vorsatzschale aus haufwerksporigem Leichtbeton (HPLB) im monolithischen Verbund mit einer gefügedichten Stahlbetontragschale bestehen, wurden diverse Schadensbilder festgestellt. Diese reichen von Rissen, Abplatzungen und Abwitterungen im HPLB der Vorsatzschale bis hin zum lokalen Ablösen und Herabfallen des HPLB von der Tragschale. Ziel des Forschungsvorhaben FE 15.0687/2020/HRB war es die Ursachen und Entstehungsmechanismen dieser Schäden umfassend zu analysieren, um eine schadensfreie und dauerhafte Qualitätssicherung von LS-Elementen aus Beton mit Vorsatzschale aus HPLB zu gewährleisten. Dafür wurde der Bauwerkszustand von fünf LSW, bei denen charakteristische Schäden aufgetreten sind, dokumentiert und untersucht. Zudem wurden Materialstudien zum Einfluss der Zusammensetzung von HPLB auf die schadensrelevanten Materialeigenschaften durchgeführt. Die im Rahmen der vorliegenden Untersuchungen ermittelten maßgeblichen Mechanismen für die Schadensentwicklung an LS-Elementen aus Beton mit einer JPLB-Vorsatzschale sind auf die folgenden Hauptfaktoren zurückzuführen: thermische Zwangs- und Eigenspannungen sowie unzureichender Frost-Taumittel-Widerstand der Materialien der Vorsatzschale, der durch eine hohe Wasseraufnahmekapazität und -speicherung der HPLB bedingt ist. Insbesondere bei HPLB aus überwiegend feinporigen Materialien (z.B. Quarzsand) besteht aufgrund ihrer ungünstigen hygrischen Eigenschaften und mangelnden Frost-Taumittel-Widerstandsfähigkeit für LS-Elemente aus Beton ein erhöhtes Schadensrisiko. Hinsichtlich der konstruktiven Ausführung von LSW aus Beton mit Vorsatzschale aus HPLB sollten Bauweisen vermieden werden, die einen zusätzlichen Wassereintrag begünstigen.

Das Ziel dieses Forschungsprojektes war es, ein umfassendes Konzept für ein „Geburtszertifikat“ von Brückenbauwerken allgemein zu entwickeln und dann an einer konkreten realen Brücke prototypisch umzusetzen. Das Geburtszertifikat soll dabei als Grundlage für die Zustandsüberwachung und Erhaltungsplanung über den gesamten Lebenszyklus der Brücke dienen. Im Mittelpunkt steht dabei die sogenannte Nullmessung, die eine detaillierte, systematische Erfassung und Dokumentation des Ausgangszustandes des Bauwerks nach der Fertigstellung und vor der Verkehrsfreigabe mit vielfältigen Prüf- und Messmethoden beinhaltet. Die Nullmessung dient somit der Charakterisierung eines Initialzustands (Referenzzustand nach der Fertigstellung). Der ermittelte Referenzzustand ist die Grundlage für Vergleichsbetrachtungen im Rahmen der Erfassung und Bewertung des Bauwerkszustandes im Zuge der Erhaltung und des Bauwerksmanagements. Er bildet erstmalig die Basis, um im Laufe des Lebenszyklus auftretende Veränderungen und Schäden frühzeitig durch den Bezug zum Referenzzustand zu detektieren und in ihrer Entwicklung zu dokumentieren und zu bewerten. Durch die Einführung dieses Konzeptes kann das Geburtszertifikat den Ausgangspunkt für die Umsetzung prädiktiver Erhaltungsmethoden darstellen. Dabei umfasst das Geburtszertifikat eine möglichst breite und aussagekräftige Erfassung und Dokumentation physikalischer Parameter, chemischer Aspekte und geometrischer Eigenschaften des Bauwerks. Zu den physikalischen Parametern zählen beispielsweise Materialdehnungen, Verschiebungen, Eigenfrequenzen und -formen, die wichtige Hinweise auf das Tragverhalten der Brücke geben. Diese Daten werden durch sensorbasierte Systeme, wie beispielsweise Dehnungsmessstreifen, faseroptische Sensoren, und Beschleunigungsaufnehmer einmalig oder kontinuierlich über einen Zeitraum von einem Jahr vor oder kurz nach der Inbetriebnahme des Bauwerks erfasst und durch geeignete Prozessierung der Messdaten ermittelt. Chemische Aspekte, wie die Bestimmung des Chloridgehalts, der Carbonatisierungstiefe und des Feuchtigkeitsgehalts des Betons, liefern wichtige Informationen über die Dauerhaftigkeit des Bauwerks. Diese chemischen Aspekte sind entscheidend, um eine mögliche Korrosion der Bewehrung frühzeitig zu erkennen, bevor gravierende strukturelle Schäden auftreten. Das Geburtszertifikat soll nicht nur chemische Aspekte und physikalische Parameter wie die statischen oder dynamischen Parameter, sondern auch mit bildbasierten oder anderen ZfP-Verfahren erfassbare Eigenschaften beinhalten. Die geometrische Beschreibung der Brücke ist daher ein weiterer zentraler Bestandteil des Geburtszertifikats. Dabei sind die Form und die Oberflächenstruktur des Tragwerks vor Verkehrsfreigabe der Brücke aufzunehmen. Diese geometrischen Aspekte des Referenzzustands sollen durch ein georeferenziertes hochgenaues 3D-Bauwerksmodell definiert werden, das beispielsweise photogrammetrisch auf Basis systematisch generierter Bilddaten oder mithilfe von Scanningverfahren generiert wurde und anschließend in ein vorhandenes As-Built-Modell integriert wird. Die geometrische Aufnahme in Form einer „Nullmessung“ ist insbesondere für zukünftige Verformungsermittlungen sowie schadensfokussierte Zustandsbewertungen auf Basis vielfältiger sensor- und bildbasierter Monitoringverfahren ein wichtiger Ausgangspunkt. Am 3D-Bauwerksmodell können die vielfältig erfassten Eigenschaften und Zustandsparameter zusätzlich eindeutig und nachvollziehbar verortet werden. Das Geburtszertifikat wird in einer standardisierten, leicht zugänglichen Form als kompakte und übersichtliche Zusammenfassung der wichtigsten Informationen in Form eines PDF-Dokumentes erstellt. Zur Gewährleistung einer langfristigen und flexiblen Nutzung und digitalen Verarbeitung der gewonnenen Daten enthält das PDF-Dokument Verweise auf alle Datensätze und Modelle, die zusätzlich bereitgestellt werden. Diese Verlinkungen beinhalten detaillierte Mess- und Bilddaten, abgeleitete oder aggregierte Parameter, Modelle und andere relevante Informationen, die zur Beurteilung des Zustandes notwendig sind. Diese Informationen werden in entsprechenden Datenbanken und strukturierten Dateisystemen gespeichert. Abschließend wird das erarbeitete Konzept des Geburtszertifikates prototypisch an einem Bauwerk umgesetzt. Dabei wird auf die verschiedenen, zuvor erarbeiteten Eigenschaften und Aspekte eingegangen und dargestellt wie einzelne Parameter und das georeferenzierte 3D-Bauwerksmodell ermittelt werden können. Zudem wird auch die Ableitung von Daten für die Zustandsbewertung sowie das Datenmanagement thematisiert. Das Geburtszertifikat unterstützt die Einbindung in moderne digitale Infrastruktursysteme, wie das Lebenszyklusmanagement von Brücken, und bildet die Grundlage für die Integration in Überwachungssysteme wie Digitale Zwillinge. Die Einführung eines solchen digitalen Zertifikates für Brücken ist ein wichtiger Schritt hin zu einer nachhaltigeren und effizienteren Nutzung von Infrastrukturressourcen.