Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau
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Ziel des Forschungsprojektes ist es, die handnahe Bauwerksprüfung gemäß DIN 1076 durch innovative, bildgebende Verfahren zu ergänzen und zu optimieren. Unbemannte Fluggeräte bzw. UAS (Unmanned Aerial System) bieten vielfältige Möglichkeiten zur Bilderfassung und können als unterstützendes, technisches Hilfsmittel in der Brückenprüfung zum Einsatz kommen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden drei Brücken mithilfe von UAS beflogen. Es handelte sich dabei um die folgenden Bauwerke: das Schildescher Viadukt in Bielefeld, die Talbrücke Nuttlar sowie die Europabrücke in Koblenz. Diese drei Brücken weisen unterschiedliche Charakteristika bezüglich Bauart, Oberfläche und Baujahr auf. Durch den Einsatz von UAS konnten Schäden an den genannten Brücken identifiziert werden. In diesem Zusammenhang konnten die von einem Brückenprüfer zuvor getroffenen Vorabeinschätzungen bezüglich der zu identifizierenden Schäden bestätigt bzw. übertroffen werden. Insbesondere die Möglichkeit zur Befliegung schwer zugänglicher Stellen durch den Einsatz von UAS sowie Zeitersparnis während einer Prüfung, macht diese Technologie für die Brückenprüfung interessant. Durch die gezielte Anwendung der UAS Technologie wird eine Reduzierung der Nutzungseinschränkung des Bauwerks verbunden mit einer Qualitätssteigerung der Ergebnisse erreicht. Dies gilt nicht nur für die klassische Brückenprüfung gemäß DIN 1076 sondern auch für Sonderprüfungen aufgrund von außergewöhnlichen Ereignissen wie z.B. Hochwasser oder Unfall.
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Im Sinne der hier vorgesehenen Anwendung kann der Begriff Kletterroboter als eine Vorrichtung definiert werden, welche sich selbständig auf einer beliebig geneigten Bauwerksoberfläche aus unterschiedlichen Materialien fortbewegen und dort verschiedene Arbeiten ausführen kann, wobei für die Fortbewegung keine externen Hilfsmittel wie Hubbühnen oder Schienen erforderlich sind. Kletterroboter werden zur Prüfung und zur Durchführung von Instandsetzungsarbeiten kerntechnischer Anlagen bereits seit längerer Zeit eingesetzt. Mit der Weiterentwicklung dieser hochspezialisierten und komplexen Roboter in Richtung auf universell einsetzbare und einfach zu bedienende Trägersysteme für verschiedenste Aufgabenstellungen ist künftig auch ein wirtschaftlicher Einsatz von Kletterrobotern im Rahmen der Bauwerksprüfung nach DIN 1076 denkbar. Die Entwicklung von Robotersystemen mit der Zielrichtung der Prüfung und Instandsetzung von Bauwerken, Schiffen und Speichertanks wird derzeit durch die Europäische Union in verschiedenen Forschungsprojekten gefördert. Parallel zu diesen Forschungsaktivitäten wurde im Rahmen dieses Projektes der aktuelle Entwicklungsstand derartiger Systeme für den Einsatz bei der Bauwerksprüfung durch eine Testanwendung an einer Betonbrücke festgestellt. Die in Zusammenarbeit zwischen der Bundesanstalt für Straßenwesen, dem Landschaftsverband Westfalen-Lippe und der Bundesanstalt für Materialforschung und - prüfung durchgeführte Testanwendung eines Kletterroboters hat deutlich werden lassen, daß Roboter bei der Prüfung von Betonbauwerken grundsätzlich eingesetzt werden können. Vor einer praktischen Anwendbarkeit derartiger Systeme bei der Bauwerksprüfung nach DIN 1076 ist jedoch noch eine Optimierung der Roboter im Hinblick auf die hier vorliegenden speziellen Anforderungen erforderlich. Unter der Voraussetzung einer zielgerichteten Weiterentwicklung dieser Zugangstechnik, wobei insbesondere die für die Bauwerksprüfung erforderliche Prüftechnik zu berücksichtigen ist, erscheint der künftige Einsatz von Kletterrobotern zur Prüfung schwer zugänglicher Bauteile durchaus möglich.
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Die Fahrbahnbreite der Rodenkirchener Rheinbrücke (Hängebrücke) wurde durch Hinzufügen einer dritten Tragseilebene verdoppelt. Diese Baumaßnahme bot die Gelegenheit, messtechnische Kontrollen durchzuführen und insbesondere die Bauteiltemperaturen zu erfassen. Der Bauablauf umfasste mehrere Besonderheiten: So war die Gradiente des neuen Bauwerkteiles an die vorhandene anzupassen, die abgängige Betonfahrbahnplatte wurde durch eine Stahlleichtfahrbahn ersetzt, womit gleichzeitig Gewicht gespart wurde, durch Ablassen und Anspannen does neuen Tragkabels wurden Lasten umgelagert. Diese Leistungen setzen erhöhte Genauigkeitsanforderungen bei der Prüfung der Bauwerksgeometrie voraus. Die Bundesanstalt für Straßenwesen hat während der Bauarbeiten mit einer am Bauwerk installierten Messanlage kontinuierlich die Temperaturen der Hauptbauteile (Tragkabel, Hänger, Pylon, Hauptträger) registriert. In der vorliegenden Auswertung werden die Temperaturverläufe, die sich bei charakterischen Witterungskonstellationen in den Bauteilen ergaben, dargestellt. Die während des Messzeitraumes festgestellten Extremwerte der Bauteiltemperaturen werden angegeben und die Auswirkungen von Temperaturveränderungen auf die Bauwerksverformung exemplarisch aufgezeigt. Damit werden Anhaltspunkte und Empfehlungen für ähnliche Bauvorhaben gegeben.
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Zur zerstörungsfreien beziehungsweise zerstörungsarmen Untersuchung von Betonbrücken sind derzeit eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren verfügbar. Neue, zum Teil vielversprechende Verfahren befinden sich im Stadium der Entwicklung. Im Rahmen dieses Berichtes werden die derzeit verfügbaren Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) im Hinblick auf eine Anwendbarkeit im Massivbrückenbau vorgestellt. Im Vordergrund stehen dabei Verfahren, die zur Auffindung von unter der Oberfläche verborgenen Fehlstellen geeignet sind. Grundsätzlich kann festgestellt werden, dass die Anwendung zerstörungsfreier Prüfverfahren durch die inhomogene Zusammensetzung von Beton erschwert wird. Auch durch die Notwendigkeit der Untersuchungen am Bauwerk wird die Anwendung von Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung im Massivbrückenbau erschwert. Weiterhin ergeben sich Randbedingungen, wie zum Beispiel die Vermeidung von Eingriffen in den Verkehr und minimale Eingriffe in das Bauwerk durch die Untersuchung. Eine Analyse der derzeitig verfügbaren Verfahren hat gezeigt, dass zur Lösung von Fragestellungen des Massivbrückenbaus die Anwendung der Verfahren Impuls-Echo, Ultraschall, Durchstrahlung, IR-Thermographie sowie Radar erfolgversprechend erscheint. Werden mehrere Verfahren in Kombination eingesetzt, können umfassende Informationen über den Umfang von Schäden gewonnen werden. Hierdurch lässt sich in vielen Fällen ein umfassendes Bild über den Zustand des Bauwerkes gewinnen. Die in diesem Bericht beschriebenen Verfahren und deren konsequente Anwendung werden zukünftig eine effektivere Identifikation von Problempunkten im Betonbrückenbau ermöglichen.
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In den neuen Bundesländern sind Fertigteilbrücken weit verbreitet. Aufgetretene Mängel, insbesondere bedingt durch ein nicht ausreichendes Abdichtungssystem, erfordern Instandsetzungsmaßnahmen. Dazu sind Erkenntnisse über das Verformungsverhalten notwendig. Im vorliegenden Projekt wurde an repräsentativen Bauwerken das Verformungsverhalten unter - kurzzeitigen Einwirkungen, insbesondere Verkehrslasten und - langzeitigen Einwirkungen, insbesondere Temperaturbelastung untersucht. Als Ergebnis ist zusammenzufassen: - Die mit höherer Frequenz auftretenden Verformungen unter Kurzzeiteinwirkungen verhalten sich erheblich günstiger als in der Planung vorgesehen. Sie erreichen daher in bezug auf die Gesamtverformung nur eine untergeordnete Größe. - Die mit geringer Frequenz auftretenden Verformungen unter Langzeiteinwirkungen stellen sich bei der meist vorhandenen durchgehenden Lagerung auf Mörtelleisten und Zwischenstützen als Rahmen mit Riegel/Stiel- oder Riegel/Scheibensystemen am Widerlager viel ungünstiger als geplant ein, da sich die Gesamtverformungen im Gegensatz zu bisherigen Annahmen an einem Widerlager einstellen und sich somit die Dehnlänge über die gesamte Bauwerkslänge erstreckt. Die Verschiebungen an den Innenstützen sind unbedeutend. - Bei Anordnung einer beweglichen Lagerlinie kann davon ausgegangen werden, dass sich die Gesamtverformungen planmäßig am Verformungslager einstellen. Die Größe der maßgebenden Verformungen unter Langzeiteinwirkungen ist direkt abhängig von den Bauwerksabmessungen (Stützweite, Reihung der Felder, Bauwerkslänge, Lagerungsart) und ist über die Dehnlänge bauwerksspezifisch zu berücksichtigen.
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Der vorliegende Bericht beschreibt Konzepte für eine intelligente Brücke auf der Grundlage einer zuverlässigkeitsbasierten Zustandsbewertung unter Berücksichtigung von Bauwerksinformationen, welche aus Prüfungen, Inspektionen und Überwachung gewonnen werden. Das Brückensystem wird durch ein Modell beschrieben, welches den zentralen Teil des Konzeptes darstellt. Das Modell wird in Schädigungsmodelle und ein Tragwerkssystem-Modell unterteilt. Dieses Modell wird a-priori durch die Eingangsdaten (welche etwa die Geometrie, die Materialien und die Verwendung der Brücke beschreiben) charakterisiert. Aus diesen ergeben sich dann auch die Ausgangsmodelle. Um die signifikanten Streuungen und Unsicherheiten adäquat abzubilden sind diese Modelle probabilistisch. Das Modell liefert eine sich kontinuierlich ändernde probabilistische Zustandsbewertung. Die Zustandsbewertung gibt eine Aussage über den Zustand und die Zuverlässigkeit des Brückensystems und seiner Bauteile und dient als Grundlage für die Planung und die Optimierung von Maßnahmen. Die Verwendung von Resultaten aus Inspektionen, Prüfungen und Überwachungen erfolgt durch eine Aktualisierung der Modellparameter. Die Aktualisierung beruht auf der Methode der Bayes'schen Aktualisierung und wird auf der Grundlage der entwickelten Klassifizierung der Bauwerksinformationen mit entsprechenden Methoden durchgeführt. Dieses Verfahren erlaubt es, alle Informationen in konsistenter Weise in ein einziges Modell einfließen zu lassen. Dabei wird die Genauigkeit und Aussagekraft der gewonnenen Daten und Beobachtungen explizit berücksichtigt. Durch die Aktualisierung der Modellparameter unter Berücksichtigung von Systemeffekten wird die Zustandsbewertung der Bauteile und des Brückensystems aktualisiert. Das ermöglicht die Planung und die Optimierung von Maßnahmen unter Berücksichtigung der Bauwerksinformationen. Auf diese Weise wird die intelligente Brücke mit Inspektionen und Überwachungen zu einem adaptiven System, welches sich Veränderungen anpassen kann.
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Auch wenn Kosten für die Fugenfüllungen der Randfugen auf Brücken beim Einbau des Belages nur eine untergeordnete Rolle spielen, so haben diese Fugenfüllungen einen großen Anteil an Schäden und den daraus resultierenden Instandsetzungsmaßnahmen. Für die Festlegung der Ausbildung der Fugenfüllungen (z.B. mit oder ohne Unterfüllstoff) und eine Optimierung der verwendeten Materialien ist es wichtig, die tatsächlichen Belastungen, also insbesondere die Fugenbewegungen zu kennen. Um die tatsächlich auftretenden Fugenbewegungen an der Ruhrtalbrücke Mintard im Zuge der BAB A 52 abschätzen zu können, wurden im Rahmen dieses BASt-Projektes kurzfristige, tageszyklische sowie langfristige Fugenbewegungen an den Randfugen gemessen. Dabei waren drei Gruppen von Fugenbewegungen zu unterscheiden: - Fugenbewegungen infolge Tragwerksverformungen durch Verkehrslasten, - tageszyklische Fugenbewegungen basierend auf Temperaturunterschieden zwischen dem Belag und der Unterlage oder zwischen der Kappe und der Unterlage, sowie auf unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Belages und der Unterlage, - langfristige bis jahreszyklische Fugenbewegungen, z.B. aus langfristigen bis jahreszeitlichen Temperaturschwankungen. Für die Fugenbewegungen aus Verkehr ergaben sich Maximalwerte von ca. 16 -µm. Bei der Betrachtung der Ergebnisse ist eine Häufung der Fugenbewegungen aus Verkehr in dem Bereich zwischen 10 -µm und 16 -µm zu erkennen. Die Fugenbewegungen in diesem Bereich können zu einem großen Teil dem Fahrzeugtyp 10 (Sattelfahrzeug mit der Achsfolge 1+1+3) zugeordnet werden. Es ist anzunehmen, dass diese Fugenbewegungen also durch Fahrzeuge mit einem Gewicht im Bereich von 40 t verursacht werden. Der Verlauf der Fugenbewegungen entspricht einer Einflusslinie mit einer Frequenz von ca. 1,1 Hz. Bei den tageszyklischen Fugenbewegungen ergaben sich für maximale tageszyklische Temperaturunterschiede von 11 K maximale Fugenbewegungen von 0,08 mm. Werden diese gemessenen Fugenbewegungen auf die bei maximal möglichen tageszyklischen Temperaturänderungen von 15 K zu erwartenden Werte extrapoliert, so ergeben sich für die Fugenbewegungen der Ruhrtalbruecke Mintard maximale Fugenbewegungen von 0,12 mm. In einem zweiten Schritt wurden die langfristigen bis jahreszeitlichen Fugenbewegungen gemessen. Die gemessenen Fugenbewegungen lagen im Mittel bei 0,7 mm (wobei diese Messwerte aufgrund des Messverfahrens auch die Fugenbewegungen aus Verkehr sowie die tageszyklischen Fugenbewegungen enthalten). In einem Einzelfall wurde eine Fugenbewegung von 1,1 mm gemessen. Bei den im Bereich der Bundesfernstraßen verwendeten Belägen und Abdichtungssystemen nach den ZTV-ING Teil 7 Abschnitt 4 (Abdichtungen im vollen Verbund) kann bei den Randfugen auf Stahlbrücken davon ausgegangen werden, dass die Fugenbewegungen (Summe aus langfristigen, tageszyklischen und verkehrsinduzierten Fugenbewegungen) im Regelfall 1 mm nicht überschreiten. Die tageszyklischen Fugenbewegungen liegen in einer Größenordnung von < 0,2 mm und die verkehrsinduzierten Fugenbewegungen in einer Größenordnung von < 0,02 mm.
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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.