Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau
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Die Erfahrungen zeigen, dass auch im Brücken- und Ingenieurbau an Bundesfernstraßen die Vorteile von hochfestem und selbstverdichtendem Beton genutzt werden können. Unter den Randbedingungen des Brückenbaus sind insbesondere Vollplattenquerschnitte mit beidseitigen Kragarmen, die ohne Versprung im Querschnitt an die Platte angegliedert sind, für die Ausführung mit hochfestem Beton geeignet. Mit dieser Bauweise wurden Spannweiten bis zu 40 m realisiert. Der Schlankheit der Querschnitte ist jedoch durch die zusätzlichen Kosten für Beton- und Spannstahlbewehrung eine wirtschaftliche Grenze gesetzt. Für die Ausführung von Brückenüberbauten an Bundesfernstraßen in Ortbetonbauweise ist selbstverdichtender Beton aufgrund der üblichen Abmessungen und der konstruktiven Durchbildung von Brücken nicht geeignet. Direkt befahrene Fahrbahntafeln aus hochfestem Ortbeton ohne zusätzliche Abdichtung sind für Brücken an Bundesfernstraßen mit den heute üblichen Verfahren nicht realisierbar. Die Gebrauchseigenschaften von Bauteilen aus hochfestem und/oder selbstverdichtendem Beton, wie z. B. Verformung und Dauerhaftigkeit, haben sich mindestens als vergleichbar mit normalfestem Beton dargestellt. Die Dauerhaftigkeit von hochfestem Beton stellt sich unter der Frost-Tausalz- und Wettereinwirkung an Bundesfernstraßen sogar besser dar, als für normalfesten Rüttelbeton oder selbstverdichtenden Beton. Chlorideindringwiderstand und Karbonatisierungswiderstand des hochfesten Betons sind höher. Selbst dann, wenn infolge von Oberflächenrissen das optische Erscheinungsbild eines Brückenpfeilers beeinträchtigt ist, sind Chlorideindring- und Karbonatisierungstiefe geringer als für normalfesten Beton unter den gleichen Einwirkungen. Die Erfahrungen haben gezeigt, dass bis einschließlich der Festigkeitsklasse C70/85 hochfeste Betone zielsicher hergestellt und eingebaut werden können. Mit abnehmender Festigkeitsklasse werden jedoch die typischen Schwierigkeiten bei der Ausführung der Bauteile geringer. Voraussetzung für die zielsichere Herstellung von hochfestem Beton und/oder selbstverdichtendem Beton ist jedoch die Umsetzung der zwischen Betonhersteller und bauausführendem Unternehmen vorab projektbezogenen, abgestimmten und qualitätssichernden Maßnahmen, die in QS-Plänen, z. B. für Betonherstellung, Transport und Baustelle, niedergelegt werden. Die notwendigen Maßnahmen zur Sicherstellung der geforderten Frischbetoneigenschaften, Hydratationswärmeentwicklung, Festigkeitsentwicklung, Einbauverfahren, Nachbehandlung und Festbetoneigenschaften gehen über das für normalfesten Rüttelbeton Bekannte hinaus. Der Aufwand für selbstverdichtenden Beton geht dabei noch über die für hochfesten Beton hinaus. Aus diesen Gründen wird die Begleitung solcher Baumaßnahmen durch nicht in das Baugeschehen involvierte, kompetente und erfahrene Betoningenieure weiterhin für erforderlich gehalten. Dies wird heute schon mit der Forderung einer Zustimmung im Einzelfall für Bauwerke und Bauteile aus hochfestem oder selbstverdichtendem Beton in den ZTV-ING in die Praxis umgesetzt. Mit zunehmender Verwendung hochfester und/oder selbstverdichtender Betone, auch außerhalb des Brückenbaus, werden die Erfahrung und die Sicherheit im Umgang mit diesen Betonen zunehmen, sodass das Instrument der Zustimmung im Einzelfall dann verzichtbar werden kann.
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Im Rahmen des 12-monatigen Forschungsprogramms "Intelligente Straßenverkehrsinfrastruktur durch 3D-Modelle und RFID-Tags", aufgesetzt von der Bundesanstalt für Straßenwesen, entwickelte die HOCHTIEF Solutions AG ein Konzept für ein Infrastruktur-Informationssystem. Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, das bestehende System der öffentlichen Anstalt für den Betrieb und Erhalt von Brückenbauwerken, sowie die dazugehörigen Workflows mithilfe neuer Technologien zu optimieren. Das entwickelte Konzept für ein Infrastrukturinformationssystem ISIS, kurz für Intelligente StraßenverkehrsInfraStruktur, wurde als eine Schale um die bereits vorhandene Straßeninformationsbank-Bauwerke (SIB-BW) herum konzipiert. Alle Prozesse und Datenflüsse, die rund um diese Datenbank bestehen, bleiben damit unverändert. Zusätzliche Informationen und Dokumente, die an die vorhandenen Datensätze angefügt werden sollen, werden in dem neuen System abgelegt und mit dem Bestandsdatensatz verknüpft. Ziele: - Informationsbereitstellung optimieren, - 3D unterstützte Dokumentation des Bauwerksprüfprozesses, - Anlehnung an bestehende Prozesse, - Einbindung mobiler Endgeräte und Zustandssensoren. ISIS gründet sich auf folgende Komponenten: - Bauwerksmodelle: -- 2D-Platzhalter für Bestandsbauten, -- 3D-Modelle für Neubauten, - mobile Schadensaufnahme via mobiler Endgeräte, - Frühwarnsysteme auf Basis von RFID-Technologie (Feuchtigkeit und Korrosion), - 3D-Pins für die Markierung relevanter Punkte (RFID-Detektoren, Schäden, etc.), - Hardware mit hoher Verfügbarkeit und Akzeptanz (iPads). Um allen Beteiligten den Zugriff zu dem Informationssystem zu ermöglichen, wird das System zur Ausführung auf einer Online-Plattform konzipiert. Alle relevanten Informationen eines Straßenverkehrsinfrastrukturprojektes können in konsolidierter Form bereitgestellt werden. Die bisher dezentrale und inkompatible Datenhaltung in mehreren Teilsystemen wird unterbunden und eine einfache und durchgängige Nutzung des Datenbestandes in Planung, Bau und Betrieb wird ermöglicht. Um den Prozess der Bauwerksprüfung effizienter zu gestalten, sollen Informationen zum Bauwerkszustand mithilfe der 3D-Pin-Markierung und dem Einsatz von Radiofrequenz-Technologie (RFID) regelmäßig überprüft werden, um Bauwerksschäden frühzeitig erkennen zu können.
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Das Bundesfernstraßennetz ist verschiedenen Herausforderungen wie u.a. das gesteigerte Verkehrsaufkommen und die hohe Altersstruktur der Bauwerke ausgesetzt. Aktuell basiert das Erhaltungsmanagement von Brücken auf regelmäßigen Bauwerksinspektionen, die weitestgehend aus einer visuellen Bewertung bestehen. Um den derzeitigen Herausforderungen adäquat zu begegnen sowie vorausschauend handeln zu können, müssen neue, effektive und effiziente Lösungen gefunden werden. Daher hat die BASt 2011 den Forschungsschwerpunkt „Intelligente Brücke“ ins Leben gerufen. Unter Verwendung digitaler Technologien und Methoden wurde damit eine Grundlage für ein prädiktives Erhaltungsmanagement geschaffen, welches Bauwerkseigentümer bei der Gewährleistung der Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit ihrer Bauwerke unterstützen soll.
Im Rahmen dieses Berichts wurden die relevanten zumeist konzeptionellen Arbeiten aus den Jahren 2011 bis 2020 zusammengestellt. Der Fokus liegt dabei auf den Aspekten Datenerfassung, -aufbereitung, -analyse und -bewertung, -management sowie Qualitätssicherung. Die erfolgten Arbeiten bilden die Grundlage für die Realisierung verschiedener Reallabore, in denen ausgewählte Entwicklungen und Forschungsansätze an Bauwerken unter realen Bedingungen erprobt, bewertet und weiterentwickelt werden.
Das Reallabor „Intelligente Brücke im Digitalen Testfeld Autobahn“ wird in diesem Bericht im Detail vorgestellt und die eingesetzten Systeme hinsichtlich ihrer Praxistauglichkeit und Dauerhaftigkeit beurteilt.
Bei dem Bauwerk handelt es sich um eine vierfeldrige Spannbeton-Hohlkastenbrücke, die mit den vier Messsytemen „Brückenkennwerte“, „drahtloses Sensornetzwerk“, „instrumentierte Lager“ und „instrumentierter Fahrbahnübergang“ ausgestattet ist. Über einen Zeitraum von 5 Jahren erfolgen an dem Reallabor Forschungsprojekte, mit dem Ziel, die Messsysteme im Zusammenhang zu Demonstrieren und Verfahren zur zuverlässigen Erfassung und automatisierten Auswertung sowie eine Webanwendung zur Publikation der Ergebnisse zu entwickeln. Damit stehen Informationen zu Verkehr, Wetter- und Klimaeinflüssen, bauteil- und bauwerksbezogene Kennwerte zur Verfügung.
Durch die kontinuierlichen Erkenntnisse zu Einwirkungen und Status des Bauwerks und der instrumentierten Bauteile kann der Betreiber der Brücke unterstützt werden. Die im Rahmen des Reallabors „Intelligente Brücke im Digitalen Testfeld Autobahn“ gewonnenen Erkenntnisse und Erfahrungen schaffen eine wichtige Grundlage für die Konzeption weiterer Reallabore.
Anhand von Reallaboren werden kontinuierlich Realdaten generiert, die als Grundlage für weitere Forschung dienen können im Hinblick auf u.a. die Verifizierung von Systemannahmen, Überprüfung und Kalibrierung von Ingenieurmodellen sowie die Weiterentwicklung von datenbasierten Algorithmen. Darüber hinaus bieten Reallabore optimale Bedingungen zur Erprobung und Weiterentwicklung von praxistauglichen und zuverlässigen Innovationen.
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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.
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Fahrbahnübergänge aus Asphalt dienen der Überbrückung von Fugenspalten, die sich durch Bewegungen infolge Temperaturänderungen, Schwinden und Kriechen des Betons, Verkehrsbelastung usw. am Ende oder zwischen einzelnen Abschnitten von Brückenüberbauten oder auch Trog- und Tunnelsohlen bilden. Die Fahrbahnübergänge müssen sich den Bewegungen anpassen, dabei eben bleiben, die Radlasten tragen können und wasserdicht sein. Fahrbahnübergänge aus Asphalt bestehen aus einem viskoelastischen Asphalt-Dehnkörper, der den Brücken- bzw. Straßenbelag über dem Fugenspalt auf ca. 50 cm Breite ersetzt. Im Rahmen einer im Jahr 1996, zwei Jahre vor Einführung des einschlägigen Regelwerks ZTV-BEL-FÜ, durchgeführten Umfrage bei den Straßenbauverwaltungen der Länder zu Erfahrungen mit Fahrbahnübergängen aus Asphalt wurden der Bundesanstalt für Straßenwesen insgesamt 724 Übergänge gemeldet. Sie verteilen sich auf 343 Bauwerke. Die Umfrage bezog sich zwar auf Objekte in Bundesfernstraßen, gemeldet wurden jedoch auch Fahrbahnübergänge in Land-, Kreis- oder Gemeindestraßen, die einen Anteil von 23% der gemeldeten Fahrbahnübergänge ausmachen. Nur 7% der Fahrbahnübergänge wurden im Zuge des Neubaues von Brückenüberbauten eingebaut, bei Instandsetzungen 89% (keine Angaben: 4%). Die meisten gemeldeten Fahrbahnübergänge enden in Querrichtung stumpf an den Schrammborden der Kappen. Bei dieser Ausführungsart bestehen erhebliche Zweifel hinsichtlich der Wasserundurchlässigkeit im Bereich des Anschlusses. Die solide Ausführung mit im Kappenbereich durchlaufendem Fahrbahnübergang wurde nur bei 12% umgesetzt. Häufigster Einbauort war mit 84% an den Enden von Brückenüberbauten im Übergang zum anschließenden Straßenoberbau. Die Fahrbahnübergänge sollten mindestens 4 Jahre unter Verkehr gelegen haben. Diese Voraussetzung wurde von 65% der gemeldeten Objekte erfüllt. Von dieser Teilmenge hatten 20% Schäden, welche die Funktion nicht beeinträchtigten, 12% wiesen Schäden mit Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit auf. Bei weiteren 7% lagen nicht näher erklärte Schäden vor. Die am häufigsten gemeldeten Schäden waren das Auswandern der Tränkmasse in den Rollspuren, freigelegtes Korngerüst und Ausbruch von Mineralkorn. Diese drei weniger schweren Schadensarten traten bei 22% aller gemeldeten Übergänge auf. Verdrückungen wurden bei 17% der gemeldeten Übergänge festgestellt. Sie können bei starker Ausprägung die Verkehrssicherheit beeinträchtigen. Schwerwiegende Schäden waren Ablösungen von den Flanken des angrenzenden Belages bei 10% der gemeldeten Objekte, Rissen im Fahrbahnübergang bei 9% und Ablösungen von der Unterlage bei 2%. Es wurde ausgewertet, inwieweit einzelne Parameter zur Schadensbildung führen können. Allerdings lässt die vorliegende Datenbasis nur begrenzt Rückschlüsse auf die Schadensursachen zu, da die Einflüsse von Planungs- und Ausführungsfehlern mit den erfassten Daten nicht zu beurteilen sind. Aufgrund der Datenstruktur war auch eine Auswertung für die Parameter Fabrikat des Fahrbahnübergangs sowie Dicke, Breite, Quer- und Längsneigung nicht möglich. Dehnlängen der Tragkonstruktionen bis zu 30 m haben offensichtlich keinen Einfluss auf die Schadensbildung. Eine Auswertung für größere Dehnlängen war wegen der hier zu geringen Datenmenge nicht möglich. Ebenso konnten bei elastischer ("schwimmender") Lagerung von Brückenüberbauten und bei der durchschnittlichen täglichen Verkehrsstärke (DTV) keine Abhängigkeiten erkannt werden. Möglicherweise übt aber der Schwerverkehrsanteil (DTV SV) einen geringen Einfluss aus. Fahrbahnübergänge, die regelmäßigem Bremsen und Anfahren und regelmäßig stehendem Kfz-Verkehr ausgesetzt sind, hatten dagegen deutlich häufiger Schäden in Form von Verdrückungen und Auswandern der Tränkmasse in den Rollspuren als die normal beanspruchten. Dieselben Schadensformen treten auch vermehrt bei Übergängen auf, welche die Straßenachse im flachen Winkel kreuzen. Der Anteil der in der Umfrage erfassten Fahrbahnübergänge mit Schäden erscheint nicht unerheblich, wenngleich die Mehrzahl dieser Schäden nicht die Funktionsfähigkeit beeinträchtigt hat. Es ist zu erwarten, dass durch die mit den ZTV-BEL-FUE gestellten Anforderungen an Prüfungen, Planung und Ausführung Schäden künftig auf ein Minimum reduziert werden.
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Aktuell werden Brücken intensiv in festgelegten Zyklen untersucht, wodurch hohe Kosten entstehen, jedoch das Zusammenwirken der Konstruktionsteile und Systemabhängigkeiten nur unzureichend berücksichtigt werden. Durch eine risikobasierte Bauwerksprüfung ist es möglich, den Prüfumfang jeder Bauwerksprüfung auf Basis wissenschaftlich basierter Risikobetrachtungen auf Schadensebene festzulegen und nur bei Vorliegen einer entsprechenden Schädigungswahrscheinlichkeit zu prüfen. Hierzu wird das betrachtete Bauwerk mithilfe mehrerer Untergliederungsebenen bis zu den möglichen Schäden aufgegliedert. Für sämtliche Schäden werden auf Grundlage mechanischer oder physikalischer/chemischer Überlegungen Schädigungsmodelle definiert und für alle Schäden verschiedene Schädigungsniveaus, bezogen auf die Auswirkungen auf die Standsicherheit, Verkehrssicherheit und Dauerhaftigkeit, festgelegt. Durch eine Darstellung der Schäden mittels probabilistischer Modelle, lässt sich die Wahrscheinlichkeit, dass ein Schaden ein bestimmtes Schädigungsniveau erreicht, errechnen. Wenn die Wahrscheinlichkeit, dass ein Schaden ein bestimmtes Schädigungsniveau erreicht hat, eine zugehörige Grenzwahrscheinlichkeit erreicht, ist eine Bauwerksprüfung zur Bestätigung dieses Schadensniveaus durchzuführen. Es wird eine Systematik vorgeschlagen, die für jedes Schädigungsniveau, die Ermittlung der Grenzwahrscheinlichkeit ermöglicht. Durch die Bauwerksprüfung kann der tatsächliche Bauwerkszustand festgestellt und die Schädigungsprognose durch Einbezug dieser Erkenntnisse in die Schädigungsmodelle, angepasst werden. Durch das vorgeschlagene Modell ist es möglich, beim Umfang der Bauwerksprüfung den tatsächlichen und den prognostizierten Bauwerkszustand zu berücksichtigen. Die für die Bauwerksprüfung bereitstehenden Mittel lassen sich effizienter einsetzen und "Schwachpunkte" eines Bauwerks werden gemäß ihrer Schädigungswahrscheinlichkeit häufiger geprüft.