Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau
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Das vorliegende Forschungsvorhaben behandelt den Vergleich von zerstörungsfreien Prüfverfahren, die sich zur Untersuchung von Betonbrücken eignen. Um die in den letzten Jahren erfolgten Neu- und Weiterentwicklungen auf diesem Gebiet hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten und Leistungsgrenzen zu vergleichen und zu bewerten, wurden diese Verfahren in einer Ringversuchsreihe getestet. Dazu wurden zwei Probekörper mit gezielt eingebrachten Fehlstellen hergestellt. Im Mittelpunkt der Untersuchung stand die Analyse von Spannkanälen, wobei sich die Betonrezeptur und die Lage der schlaffen Bewehrung sowie der Spannkanäle an realen Praxisbedingungen orientierten. Zusätzlich wurden Verdichtungsmängel untersucht. Zum Einsatz kamen die Verfahrensgruppen Radar, Ultraschall-Echo und Impact-Echo in jeweils mehreren aktuell entwickelten Verfahrensmodifikationen einschließlich ein- und dreidimensionaler Rekonstruktionsrechnungen. Die Experimente wurden begleitet von Simulationsrechnungen zur Ausbreitung akustischer Wellen und Mikrowellen. Im Ergebnis konnten das Radar- und die Ultraschallverfahren bei nicht zu enger schlaffer Bewehrung die Hüllrohre sicher orten. Die bildgebenden Ultraschallverfahren konnten einige der Verpress- und Verdichtungsmängel im Blindversuch angeben. Das Impact-Echo-Verfahren konnte dagegen seine aus der Literatur bekannte Leistungsfähigkeit zur Analyse der Spannkanäle nicht bestätigen. Mit den Simulationsrechnungen wurden wichtige Ergebnisse zur Unterstützung der Versuchsplanung und der Auswertung gewonnen und der Einfluss der Luftporen des Betons auf die Ultraschallausbreitung quantitativ nachgewiesen. Der derzeitige Entwicklungsstand der Verfahren lässt es noch nicht zu, an Probekörpern mit engmaschiger schlaffer Bewehrung Aussagen über die Lage oder den Zustand des Spannkanals zu treffen.
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Gemäß den "Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von Brückenbelägen auf Stahl" (ZTV-BEL-ST 92) müssen Abdichtsysteme einer Grundprüfung unterzogen werden. Den Kernpunkt dieser Grundprüfung stellt die in den "Technischen Prüfvorschriften für die Prüfung der Dichtungsschichten und der Abdichtungssysteme für Brückenbeläge auf Stahl" (TP-BEL-ST) geregelte Dauerschwellbiegeprüfung dar. Diese Dauerschwellbiegeprüfung soll im Zuge der Überarbeitung des Merkblattes für reaktionsharzgebundene Dünnbeläge auf Stahl zu den "Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von reaktionsharzgebundenen Dünnbelägen auf Stahl" (ZTV-RHD-ST) auch für diese Beläge eingeführt werden. Hierzu war es notwendig, ein praxisnahes und belagunabhängiges Belastungskollektiv für die Dauerschwellbiegeprüfung zu ermitteln. In der Vergangenheit wurde diese Dauerschwellbiegeprüfung mit einer dynamischen Einstufenbelastung durchgeführt, welche die tatsächliche Beanspruchung eines Belages nicht ausreichend darstellt. Im Rahmen der Untersuchungen an der orthotropen Platte der Rheinbrücke Emscher-Schnellweg im Zuge der BAB A 42 wurde ein praxisnahes, aus umfangreichen Messungen der tatsächlichen Verformungen einer orthotropen Fahrbahnplatte unter Verkehr abgeleitetes Mehrstufenkollektiv zur Modifikation der Dauerschwellbiegeprüfung erarbeitet.
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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.
8
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.
7
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.
1
Im Rahmen einer Tastversuchsreihe wurde der Frage nachgegangen, ob durch das Aufbringen von Deckschichten aus kunststoffmodifizierten Betonen/Mörteln eine Realkalisierung karbonatisierter Randzonen von Betonbauteilen bewirkt werden kann. Die Tastversuche wurden an 9 Betonplatten 30 x 30 x 10 cm, die ca. 4 mm tief karbonatisiert waren, durch Aufbringen von zwei unterschiedlichen kunststoffmodifizierten Betonersatzsystemen (PCC-Systeme) und einem Zementmörtel durchgeführt. Aus den Versuchen ergibt sich, dass eine Realkalisierung zuvor karbonatisierter Zonen eintritt. Unter Zutritt des in der Luft vorhandenen Kohlendioxyds ist dieser Zustand jedoch nicht stabil. Schon nach 24 Stunden Lufteinwirkung ist die Realkalisierung nicht mehr vorhanden. In der Praxis kann eine solche schnelle, erneute Karbonatisierung jedoch ausgeschlossen werden, da die aufgebrachte alkalische Deckschicht bei ausreichender Dicke und Dichte einen direkten Luftzutritt an die realkalisierte Zone verhindert. Somit ist auch durch das Aufbringen ausreichend dicker und dichter Schichten aus PCC eine Realkalisierung zuvor karbonatisierter Randzonen möglich.
107
Im Zuge von Nachrüstungsarbeiten konnten Kunststoffdichtungsbahnproben (KDB) aus fünf deutschen Straßentunneln entnommen werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens FE 15.461/2008/ERB "Materialeigenschaften von Kunststoffdichtungsbahnen bestehender Straßentunnel" beauftragte das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS), vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), die ausgebauten KDB-Proben systematisch zu untersuchen. Die Kunststoffdichtungsbahnen waren zwischen 10 und 23 Jahren in den jeweiligen Straßentunneln eingebaut. Im ersten Schritt wurden die Materialeigenschaften der KDB-Proben mit dafür geeigneten Methoden charakterisiert, wie Thermischen Analysen (DSC,OIT), Dichtebestimmung, Zugprüfung (mechanischen Eigenschaften), Ermittlung des Stabilisatorgehalts (ICOT), der Dicke der KDB sowie der Qualität der Fügenaht und der geotextilen Schutzschicht. Im Verlauf des Vorhabens wurden Bergwasserproben aus den Straßentunneln entnommen und analysiert. Der Auftraggeber übermittelte der BAM die Ergebnisse zur Auswertung. Bei der Entnahme wurden folgende Parameter vor Ort bestimmt: Entnahmetemperatur, pH-Wert sowie partiell der Sauerstoffgehalt. Im Prüflabor wurden dann die Bestimmung der Leitfähigkeit und die Elementaranalyse mittels ICP-OES zur Bestimmung der Metallionenkonzentration (u. a. Eisen, Mangan und Kupfer)durchgeführt. Zusätzlich wurden weiterführende Versuche zur Oxidationsbeständigkeit im Autoklaven in Anlehnung an DIN EN ISO 13438 durchgeführt, um den Einfluss von Metallionen auf die oxidative Beständigkeit zu untersuchen. Mit Hilfe der Daten aus der Bergwasseranalyse wurde ein geeignetes Modellmedium entwickelt, die im Autoklaventest an einem bereits ohne Metallionen untersuchten Produkt (Produkt II, FE 15.449/207/ERB) erprobt wurden. Die aus diesem Forschungsprojekt entstehenden neuen Erkenntnisse sollen in die aktuelle Normungs- und Gremienarbeit eingebracht werden.
94
In dem geltenden Regelwerk für Straßentunnel, der ZTV-ING, ist das derzeitige rechnerische Nachweisverfahren zum baulichen Brandschutz für Rechteckrahmenquerschnitte im Teil 5, Abschnitt 2 über ein vereinfachtes Nachweisverfahren mit Ansatz eines Temperaturgradienten von 50 K in Wand und Decke geregelt. Alternativ kann nach ZTV-ING ein "genauerer" rechnerischer Nachweis durchgeführt werden, der jedoch in der Praxis kaum angewendet wird, da hierzu bisher keine eindeutigen Regelungen zur Durchführung vorliegen. Es stellen sich insbesondere die Fragen, inwieweit über einen genaueren rechnerischen Nachweis Einsparpotenziale bei der Bewehrung gegenüber dem vereinfachten Nachweis vorliegen und welchen Einfluss eine verlängerte ZTV-ING-Kurve (55 Minuten Vollbrandphase statt 25 Minuten Vollbrandphase) auf die erforderlichen Bewehrungsgehalte hat. Im vorliegenden Forschungsvorhaben wurden die genaueren rechnerischen Nachweise für typische Rechteckrahmenquerschnitte von Straßentunneln (ein- und zweizellig) auf Grundlage des Eurocodes EN 1992-1-2 [4], "Allgemeines Rechenverfahren", durchgeführt. Aufgrund des deutlich unterschiedlichen Abplatzverhaltens von Beton ohne PP-Fasern und Beton mit PP-Fasern mit entsprechendem Einfluss auf das Tragverhalten im Brandfall wurden differenzierte Berechnungen durchgeführt. Die Annahmen für die Größe und den Zeitpunkt der Betonabplatzungen basieren auf den Auswertungen von Großbrandversuchen für Rechteckrahmen [10]. In zusätzlichen statischen Berechnungen wurde der Lastfall nach dem Brand mit Berücksichtigung der veränderten Baustoffeigenschaften durch die Brandeinwirkung nachgewiesen. Auf Grundlage der durchgeführten Berechnungen wurde ein Leitfaden mit Musterstatik für den genaueren rechnerischen Brandschutznachweis erstellt. Der Leitfaden mit Musterstatik soll bei der zukünftigen Dimensionierung von Rechteckkonstruktionen von Straßentunneln einen optimierten Brandschutznachweis mit einhergehenden Kostenoptimierungen gegenüber dem bisherigen vereinfachten Brandschutznachweis ermöglichen. Es hat sich gezeigt, dass der genaue rechnerische Nachweis des Brandfalls ein komplexes Berechnungsverfahren ist, das in der Praxis noch nicht erprobt ist. Auf Grundlage der Ergebnisse des genaueren rechnerischen Nachweisverfahrens wurde ein für die Praxis zweckmäßiges Berechnungsverfahren mit Vorgabe eines von der Bauteildicke abhängigen linearen Temperaturgradienten entwickelt. Voraussetzung für die Anwendung dieses Nachweisverfahrens sind vergleichbare Randbedingungen im Brandfall hinsichtlich Größe von Betonabplatzungen und Temperaturverteilungen im Bauteil, welche bei der Verwendung von Betonen mit PP-Fasern und entsprechenden Vorgaben an Rezeptur, Herstellung und Verarbeitung gesehen werden. Für eine Fortschreibung der ZTV-ING, Teil 5, Abschnitt 2, Nr. 10 "Baulicher Brandschutz" werden entsprechende Empfehlungen formuliert.
93
Die Anforderungen an Brückenbauwerke haben sich in den vergangenen Jahren infolge der steigenden Verkehrszahlen deutlich erhöht. Gleichzeitig hat sich mit der Umstellung der Normen der rechnerische Querkraftwiderstand von Bauteilen ohne Querkraftbewehrung verringert. Daher lässt sich für Brückenbauwerke im Bestand mit Fahrbahnplatten ohne Querkraftbewehrung nach derzeitigen technischen Regeln oft nicht eine ausreichende Querkrafttragfähigkeit nachweisen. Allerdings sind die berechneten Tragfähigkeiten aufgrund einer Unterschätzung der mitwirkenden Plattenbreite konservativ. Der derzeit gültige Ansatz zur Berechnung der Querkrafttragfähigkeit ohne Querkraftbewehrung nach DIN-Fachbericht 102 (2009) wurde anhand einer Querkraftdatenbank kalibriert, die hauptsächlich aus Versuchen an Balken besteht. Bislang wurden nur wenige Versuche zur Querkrafttragfähigkeit von Platten unter punktförmiger Belastung durchgeführt. Im vorliegenden von der Bundesanstalt für Straßenwesen geförderten und am Institut für Massivbau der RWTH Aachen durchgeführten Forschungsvorhaben wurde durch experimentelle und theoretische Untersuchungen das Querkrafttragverhalten von Platten genauer analysiert. Die experimentellen Untersuchungen bestanden aus insgesamt 17 Bauteilversuchen in zwei Versuchsserien. In der ersten Versuchsserie wurde die Fragestellung der sich einstellenden Lastverteilungsbreite bei Platten ohne Querkraftbewehrung im Zustand II untersucht. Hierzu wurde durch Variation der Plattenbreite (0,5 m bis 3,5 m) an Einfeldsystemen gezielt der Übergang von der Balkentragwirkung zur Plattentragwirkung analysiert. Anschließend wurde der Einfluss der Schubschlankheit (2,9 bis 5,4) auf das Querkrafttragverhalten überprüft. In der zweiten Versuchsserie wurde an Kragarmen von zweistegigen Plattenbalken der Einfluss der Vouten sowie des Momenten-Querkraftverhältnisses untersucht. Aufbauend auf den Versuchen der ersten Versuchsserie wurden nichtlineare Finite-Elemente-Berechnungen zur Untersuchung weiterer Einflüsse (z. B. Betonfestigkeit, Längs- und Querbewehrungsgrad, Druckbewehrung, Plattendicke, Stützweite) durchgeführt. Auf Grundlage der durchgeführten theoretischen und experimentellen Untersuchungen wurden abschließend die bestehenden Bemessungsansätze modifiziert und anhand von Versuchen aus der Literatur überprüft.
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Im Rahmen des Projektes wurde der Frage nachgegangen, wie Art und Intensität der Betonoberflächenvorbereitung und die thermische Beanspruchung durch Aufschweissen einer Bitumenschweissbahn sowie Aufbringen von Gussasphalt den Verbund zwischen Beton und Grundierung, dem Verbindungselement zwischen Untergrund und Dichtungsschicht aus einer Bitumenschweissbahn, beeinflusst. Variiert wurden: - Beton (ein C30/37, Oberfläche abgezogen, und ein C35/45, geglättet), - Betonoberflächenbehandlung (Kugelstrahlen, Walzenfräsen und Klopffräsen sowie Kombinationen aus Fräsen und Strahlen), - Rautiefe (0,2-0,3 mm = klein (leicht angestrahlt); 0,5-0,6 mm = mittel (Feinkorn freigelegt); 0,6-0,9 mm = gross (Grobkorn freigelegt) und - Grundierung (3 Varianten). Beurteilt wurde die Qualität des Verbundes anhand des Abreissversuches, der vor und nach dem Grundieren sowie nach der thermischen Beanspruchung, die wirklichkeitsgetreu simuliert wurde, durchgeführt wurde. Die Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden: Die Mindestanforderungen der ZTV-ING Teil 7 Abschnitt 1 hinsichtlich der Abreissfestigkeit (1,5 N/mmÌ£ im Mittel, 1,0 N/mmÌ£ je Prüfstelle) wurden mit allen Verfahren und Rauheiten zu jedem Zeitpunkt erreicht. Tendenziell wurden die höchsten Abreissfestigkeiten mit alleinigem Kugelstrahlen erzielt, wobei kein signifikanter Unterschied zwischen den damit hergestellten Rautiefen (gering und mittel) bestand. Walzenfraesen allein (grosse Rautiefe) führte zur geringsten Abreissfestigkeit. Nachgeschaltetes Kugelstrahlen erhöhte die Abreissfestigkeit. Auch ohne Betonoberflächenvorbereitung konnten überwiegend genauso hohe Abreissfestigkeiten erreicht werden wie mit Oberflächenvorbereitungsverfahren. Nach der thermischen Beanspruchung traten jedoch zum Teil Adhäsionsbrüche zwischen Grundierung und Beton auf, und die Anforderungen an die Abreissfestigkeit wurden nicht immer erfüllt. Daher sollte die Betonoberfläche immer abtragend vorbereitet werden. Bei Anwendung von Betonoberflächenvorbereitungsverfahren wurde im Abreissversuch immer Betonbruch erzielt und die Abreissfestigkeit durch die thermische Beanspruchung beim Aufschweissen der Bitumenschweissbahn und beim Aufbringen von Gussasphalt nicht negativ beeinflusst.