Volkswirtschaftliche Gesichtspunkte beim Bau und der Unterhaltung von Brückenbauwerken erfordern ein effektives Lebenszyklusmanagement. Ein wesentliches Ziel besteht dabei in der zuverlässigen Prognose der Schadensentwicklung. Die Kenntnis über Mechanismen und Auswirkungen einzelner dauerhaftigkeitsrelevanter Beanspruchungen bzw. Schädigungsarten ist relativ weit fortgeschritten. Demgegenüber ist das Wissen über die Wirkungsweise kombiniert auftretender Beanspruchungen an Betonbauwerken bislang unzureichend. Dies gilt auch für den Fall, dass gleichzeitig singuläre Risiken, wie beispielsweise Ausführungsmängel oder Lagerschäden vorliegen. Gerade aber kombinierte Einwirkungen und bereits vorhandene Mängel sind für massive Schäden an Brücken maßgeblich verantwortlich. Diese Problematik wurde im Rahmen der vorliegenden Machbarkeitsstudie eingehend beleuchtet. Zunächst wurden im Rahmen einer umfangreichen Literatursichtung die vorhandenen dauerhaftigkeitsrelevanten Einwirkungen auf Brücken identifiziert sowie deren mögliche Modellierung in Form von Schädigungs-Zeit-Gesetzen aufgezeigt und eingehend diskutiert. In einem nächsten Schritt konnten die bei Brückenbauwerken vorzufindenden Interaktionen zwischen den kombiniert auftretenden dauerhaftigkeitsrelevanten Einwirkungen und singulären Risiken auf der Basis einer Literatursichtung erfasst und in Form einer Interaktionsmatrix anschaulich dargestellt werden. Die verschiedenen Methoden zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit von Betonkonstruktionen wurden aufgezeigt sowie die Grundzüge einer System- und Risikoanalyse vorgestellt. Anhand ausgewählter Bespiele aus der Fachliteratur wurde die prinzipielle Vorgehensweise bei unterschiedlichen Methoden zur Dauerhaftigkeitsbeurteilung dargestellt. Besondere Beachtung galt dabei dem aktuellen Stand der Forschung im Umgang mit kombiniert auftretenden Einwirkungen. Im Ergebnis der umfangreichen Literaturstudie konnte festgestellt werden, dass kombinierte Einwirkungen als Problem im Bereich des Betonbrückenbaus bekannt sind, ihre Erfassung und Modellierung jedoch weder zeitvariante Schädigungs-Zeit-Gesetze noch baustofftechnologische Interaktionen berücksichtigen. Auf der Grundlage der in der Literatur gewonnenen Erkenntnisse wurde ein Ansatz für eine um diese beiden entscheidenden Punkte erweiterte System- und Risikoanalyse erarbeitet. Dieser Ansatz besteht darin, über die Verwendung geeigneter Schädigungs-Zeit-Gesetze und grenzzustandsbezogener Betrachtungen Lebensdauerprognosen durchzuführen. Hierdurch wird eine wirklichkeitsnahe Beurteilung der Dauerhaftigkeit möglich. Die Interaktion der Schädigungsmechanismen wird über einen Faktor η, der die baustofftechnologischen Veränderungen des Betons infolge einer anderen Einwirkung berücksichtigt, in das Modell aufgenommen. Das erarbeitete Konzept wurde durch exemplarische, computergestuetzte Beispielrechnungen hinsichtlich seiner Anwendbarkeit bestätigt. Bis zur Praxiseinführung dieser Methode bedarf es jedoch noch umfangreicher Ausarbeitungen und gezielter weiterführender Forschung.

Eine Bewertung für Betone, die den Anforderungen der Expositionsklasse XF2 genügen sollen, ist derzeit nur nach dem deskriptiven Konzept möglich. Um den Frost-Tausalz-Widerstand von Betonen in der Expositionsklasse XF2 durch ein Laborprüfverfahren nachweisen zu können, wurde in den letzten Jahren das modifizierte CDF-Verfahren (XF2) entwickelt, das einen abgeschwächten Frost-Tausalz-Angriff gemäß XF2-Exposition erzeugt und eine Beurteilung des Frost-Tausalz-Widerstandes bei mäßiger Sättigung zulässt. Hierbei wird bei gleicher Abkühlrate wie beim bekannten CDF-Verfahren für die Exposition XF4 die Minimaltemperatur auf -10 -°C angehoben und die Prüfdauer auf 14 Frost-Tau-Wechsel verkürzt. Aufgrund der geringen Datenbasis war es bisher nicht möglich ein Abnahmekriterium festzulegen, mit dem für die Expositionsklasse XF2 geeignete Betonzusammensetzungen zuverlässig von ungeeigneten unterschieden werden können. Auch konnte das Prüfverfahren für eine Validierung noch nicht ausreichend charakterisiert werden. Eine Validierung des Prüfverfahrens würde es ermöglichen, Betonmischungen auch in der Expositionsklasse XF2 zu bewerten. Die Ziele des Forschungsvorhabens waren deshalb, eine Empfehlung für ein an der Praxis orientiertes Abnahmekriterium zu geben und das modifizierte CDF-Verfahren (XF2) zu validieren. Da eine Bewertung des Frost-Tausalz-Widerstands über ein Laborprüfverfahren nur dann möglich ist, wenn ein an der Praxis orientierter Grenzwert vorliegt, wurde auf Basis der Prüfung von 17 verschiedenen Betonrezepturen eine Empfehlung für ein Abnahmekriterium von 1000 g/m-² mittlerer aufsummierter Abwitterung nach 14 Frost-Tau-Wechseln gegeben. Dieses Kriterium gilt für die untersuchten Betone, die bis auf die Mindestdruckfestigkeit die Anforderungen an die DIN-Normen erfüllen. Um die Prüfstreuung des modifizierten CDF-Verfahrens (XF2) zu beurteilen und damit die Qualität des Prüfverfahrens abschätzen zu können, wurden die Präzisionsdaten in Anlehnung an DIN ISO 5725 ermittelt. Die Präzision ist ein wichtiges Kriterium für die Qualität eines Prüfverfahrens. Die Wiederholpräzision wurde am cbm der TU München durch die Prüfung von 29 Betonen mit 17 verschiedenen Zusammensetzungen bestimmt. Bei einer mittleren Abwitterung von 1500 g/m-² lag die Wiederholpräzision mit rund 13 % leicht über der Wiederholpräzision, die für das bereits bekannte CDF-Verfahren ermittelt wurde. Für eine mittlere aufsummierte Abwitterung von 1000 g/m-² ergibt sich ein Variationskoeffizient von 13,9 %. Die Präzision unter Zwischenbedingungen umfasst den Einfluss aus der Betoncharge (Zeit) sowie aus unterschiedlichen Bearbeitern und Prüfgeräten. Die in diesem Forschungsvorhaben durchgeführten Untersuchungen zeigten mit einem Variationskoeffizienten von 18% bei einer mittleren Abwitterung von 1000 g/m-² eine verhältnismäßig geringe Streuung der Prüfergebnisse unter Zwischenbedingungen. Die Vergleichspräzision gibt das Maximum der Streuung an. Sie wird durch Messungen unter veränderlichen Bedingungen (verschiedenen Labors, verschiedenen Bearbeiter und verschiedene Geräteausstattung) ermittelt. Zur Bestimmung der Vergleichspräzision wurde ein Ringversuch durchgeführt, an dem sich fünf deutsche Institute beteiligten. Untersucht wurden drei Betone, die sich deutlich in ihrem Frost-Tausalz-Widerstand unterschieden. Die Betonqualitäten konnten eindeutig voneinander unterschieden werden. Alle Institute ermittelten für jeden Beton eine Steigung im Abwitterungsverlauf, die der erwarteten Schädigung entsprach. Bei einer mittleren Abwitterung von 1000 g/m-² ergab sich ein Variationskoeffizient unter Vergleichsbedingungen von 26 %. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass das modifizierte CDF-Verfahren (XF2) gemäß DIN EN ISO 17025 validiert ist. Die Korrelation zur Praxis wurde bereits in einem vorangegangen Forschungsvorhaben festgestellt. Für die hier untersuchten Betone wurde ein Abnahmekriterium von 1000 g/m-² mittlerer aufsummierter Abwitterung nach 14 Frost-Tau-Wechseln abgeleitet. Die Präzision des modifizierten CDF-Verfahrens (XF2) liegt in der Größenordnung anderer etablierter Festbetonprüfungen (zum Beispiel der Druckfestigkeitsprüfung). Demnach liefert das modifizierte CDF-Verfahren (XF2) reproduzierbare und präzise Ergebnisse.

Der vorliegende Forschungsbericht behandelt die Bewertung der Nachhaltigkeit von Erhaltungs- und Ertüchtigungsmaßnahmen an Straßenbrücken. Die Grundlage für die Nachhaltigkeitsbewertung der einzelnen Maßnahmen bildet dabei die in den vorhergehenden Forschungsvorhaben FE 15.0490 "Entwicklung einheitlicher Bewertungskriterien für Infrastrukturprojekte im Hinblick auf die Nachhaltigkeit" (GRAUBNER, 2010) und FE 09.0164 "Einheitliche Bewertungskriterien für Elemente der Straßenverkehrsinfrastruktur im Hinblick auf Nachhaltigkeit - Straße und Tunnel" (FISCHER, 2013) entwickelte Systematik. Ziel des aktuellen Forschungsvorhabens ist es, die vorhandene Systeme zur Nachhaltigkeitsbewertung für die Straßeninfrastrukturelemente Brücke, Tunnel und freie Strecke so zu modifizieren und zu erweitern, dass diese auch für die Beurteilung der Nachhaltigkeit von Erhaltungs- und Ertüchtigungsmaßnahmen an Straßenbrücken einsetzbar sind. Um die relevanten Kriterien für die Bewertung der Nachhaltigkeit zu identifizieren, wurde eine Studie zum prognostizierten Erhaltungsbedarf des Streckenabschnitts Langenbruck-Holledau auf der Bundesautobahn A9 München-Nürnberg herangezogen. Zudem wurden das aktuelle Forschungsvorhabens FE 15.0570 "Verstärkung älterer Beton- und Spannbetonbrücken - Erarbeitung einer Erfahrungssammlung" (SCHNELLENBACH-HELD, 2014) ausgewertet sowie eine weitere Studie zum Einsparpotenzial durch Überprüfung der tatsächlichen Einwirkungen und Widerstände genutzt, um ein möglichst realitätsnahes Bewertungssystem zu erstellen. Die Nachhaltigkeit der einzelnen Erhaltungs- und Ertüchtigungsmaßnahmen soll auf Ebene des übergeordneten Verkehrsnetzes beurteilt werden. Es wurden deshalb verschiedene Betrachtungsebenen zur Beurteilung der Nachhaltigkeit eingeführt mit Hilfe derer die einzelnen Maßnahmen bezüglich ihrer Auswirkungen auf das umgebende Straßennetz überprüft und die Vorteile einer Bündelung bzw. Koordination der einzelnen Maßnahmen aufgezeigt werden können.