Für das Pilotprojekt „Intelligente Brücke im Digitalen Testfeld Autobahn“ wurde das Bauwerk BW 402e im Bereich des AK Nürnberg mit vier einzelnen, voneinander unabhängigen Monitoring­Systemen, einem Server und einer Internet­Verbindung ausgestattet. Die Monitoring­Systeme bestehen aus zwei intelligenten Kalottenlagern, einer intelligenten Schwenktraversen­Dehnfuge, dem System RTMS zur Erfassung relevanter Brückenkennwerte und Verkehrsbelastungen und einem drahtlosem Sensornetz zur Erfassung von Bauwerkseigenschaften und Wetter. Während der fünfjährigen Projektlaufzeit wurde der Betrieb und die Funktionsfähigkeit der Anlage sichergestellt, sodass die Systeme Datenerfassungsquoten zwischen 70 % und 97 % erreichten. Alle Systeme verarbeiten die Sensordaten automatisiert auf der lokal installierten Hardware zu relevanten Kenngrößen, die den Zustand des Bauwerks, einzelner Bauteile sowie Verkehrseinwirkungen und klimatische Einwirkungen erfassen. Diese aggregierten Daten sowie die Messdaten werden auf dem Server gespeichert bzw. in einer Datenbank abgelegt. Basierend auf dieser Datenbank werden die Ergebnisse kontinuierlich und mit einem möglichst geringen Zeitversatz tabellarisch und grafisch auf einer Webpage den Betreibern zur Verfügung gestellt. Zu den Ergebnissen, die auf der Webpage dargestellt werden, gehören Status der Messsysteme und Einzahlwerte zum Bauwerksstatus und Verkehr, Wetterdaten, Verkehrsdaten und Oberflächentemperaturen, Bauwerkssteifigkeit und externe Vorspannung, statistisch ausgewertete Messdaten und Auslastungsgrade, Daten der intelligenten Fahrbahnübergangskonstruktion und der intelligenten Lager, Messdaten aus dem drahtlosen Sensornetz, Störungen bzw. Ausfall der Internetanbindung und Informationen zum Bauwerk.

Der Brückenbau in Deutschland kann auf eine lange Tradition in der Überwachung der Bauwerke verweisen und die Entwicklung der Rechentechnik gestattet in immer komplexeren Strukturen die Verwaltung der Bauwerksdaten in Datenbanken. Verfügbare Programmsysteme wie zum Beispiel das Bauwerks Management System erlauben die Erfassung, Verwaltung und Auswertung der Bauwerksdaten. Die Entwicklung der Rechentechnik wird auch durch die Entwicklung der Messtechnik begleitet, so dass zunehmend intelligente Sensorik den Alltag begleitet. Eine automatisierte Messwerterfassung an Bauwerken und deren Auswertung wird Monitoring genannt. Heute existieren sowohl Monitoringsysteme, die sich durch die technische Ausstattung und entsprechende Auswerteverfahren auszeichnen, als auch jeweils getrennte Komponenten. Da schließt das Projektziel an, welches die Analyse der Möglichkeiten des Einsatzes von Monitoringsystemen zur Bewertung des Schädigungszustandes von Brücken für die Tragfähigkeit und die Restnutzungsdauer beinhaltet. Es wird eine Literaturanalyse hinsichtlich existierender Monitoringsysteme mit genannter Zielstellung angefertigt. Im Ergebnis wird festgestellt, dass es gegenwärtig keine Monitoringsysteme gibt, die explizite Aussagen zur Tragfähigkeit erlauben. Die gegenwärtigen Systeme zeigen globale Schädigungen auf und bewerten dann auf der Basis notenähnlicher Strukturen. Im Rahmen des Projektes wird eine Konzept für ein Monitoringsystem entwickelt, welches für konkrete Versagensszenarien - dem Festigkeitsversagen und der Ermüdung - quantifizierte aber unscharfe Aussagen zur Tragfähigkeit und Restnutzungsdauer für die untersuchte Brücke erlaubt. Der Abstand zum Versagen durch Übergang des Tragwerks in einen Bruchzustand (Tragfähigkeit) wird im konzipierten Monitoringsystem durch den Zuverlässigkeitsindex Beta und die Versagenswahrscheinlichkeit Pf beschrieben. Die Restnutzungsdauer bei Tragfähigkeitsminderungen ist implizit bei den veränderlichen Basisvariablen und den Schädigungsverläufen abgebildet. Als Maß für Aussagen zur expliziten Restnutzungsdauer infolge Materialermüdung dienen die Schädigungssumme D und die zugehörige Nutzungsdauer tzD. Zur Abgrenzung sicherer und unsicherer Bereiche werden diese Daten für verschiedene Zeitpunkte im Lebenszyklus des Bauwerkes ermittelt und in Relation betrachtet. Monitoringbasiert werden hierfür Kenndaten des Tragsystems ermittelt und Beanspruchungen durch ergänzende Simulationen des aktuellen Verkehrs abgeleitet. Das Monitoringkonzept sieht den Erkenntnissen der Literaturanalyse folgend dieses Vorgehen als Interaktion von Rechnung, Messung und Auswertung vor. Die Untersuchungen werden in diesem Projekt theoretisch geführt, die empfohlenen Auswertealgorithmen zur monitoringbasierten Bewertung von Tragfähigkeit und Restnutzungsdauer für balkenartige Spannbetontragwerke auf Basis von Beispielen anderer Projekte rechnerisch erprobt.

Im Rahmen von mehreren vorhergehenden Forschungsprojekten wurden vom Forschungsnehmer Untersuchungen zu den Beanspruchungen von Brückenbauwerken infolge des Straßenverkehrs durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen führten zu den neuen Verkehrslastannahmen für Straßenbrücken im Eurocode 1, Teil 2 (in Verbindung mit dem deutschen nationalen Anhang) und den Ziellastniveaus in der Nachrechnungsrichtlinie. Im Ergebnis von Nachrechnungen müssen die Bestandsbrücken ertüchtigt oder neu gebaut werden. Ertüchtigung von Autobahnbrücken heißt Bauen unter Verkehr. Auf den Bestandsbrücken ist eine veränderte Verkehrsführung erforderlich. Mit einer veränderten Verkehrsführung geht aber unter Umständen auch eine Veränderung der Beanspruchungen der Brückenbauwerke infolge dieser "Umnutzung" einher. Ziel des vorliegenden Forschungsprojektes ist es, den Einfluss der veränderten Verkehrsführung bei Ertüchtigungsmaßnahmen auf die Bauwerksbeanspruchungen zu analysieren. Unter Anwendung einer in den vorhergehenden Projekten entwickelten Vorgehensweise werden Simulationsrechnungen durchgeführt, in denen verschiedenen Varianten von Spuranordnungen auf Überbauquerschnitten betrachtet werden. Des Weiteren werden differenzierte Verkehrscharakteristiken, also verschiedene Verkehrsstärken und Verkehrszusammensetzungen, betrachtet. Grundsätzlich werden hierbei Beanspruchungen, also zum Beispiel resultierende Biegemomente oder Auflagerkräfte, betrachtet. Aus diesem Grund müssen die Berechnungen für definierte Tragsysteme durchgeführt werden. Im vorliegenden Projekt wurden hierzu zwei reale Brückenbauwerke betrachtet, die sich im Zuge von Autobahnen in Nordrhein-Westfalen befinden. Erweitert werden die Betrachtungen auf ein zusätzliches "virtuelles" Tragsystem, um ein gewisses Spektrum von Stützweiten und Querschnittsbreiten analysieren zu können. Grundsätzlich zeigt sich im Ergebnis der Untersuchungen, dass Beanspruchungen aus aktuellem Verkehr bei normaler Verkehrsführung durch das Lastmodell LM1 des DIN-Fachberichtes 101 abgedeckt werden. Für Beanspruchungen aus zukünftigem Verkehr ist das neue Lastmodell LM1 des Eurocodes erforderlich. Im Rahmen von Baumaßnahmen wird im Allgemeinen eine 4+0-Verkehrsführung eingerichtet. Hierbei werden bei zweiteiligen Überbauquerschnitten vier Fahrstreifen über einen Querschnitt geleitet. Dies geht einher mit einer Verengung der Fahrspuren. In solchen Fällen ist davon auszugehen, dass es nicht möglich ist, dass Lkw-Überholverkehr stattfinden kann. Dies führt zu einer wesentlichen Verringerung der Beanspruchungen von Brückenbauwerken, da auch in Stausituationen in den zwei Richtungsfahrbahnen keine Lkw-Fahrzeuge nebeneinander stehen können. Für Verkehrszusammensetzungen entsprechend der aus der Nachrechnungsrichtlinie bekannten Verkehrsart "Große Entfernung" (50 % Sattelzugfahrzeuge) ergibt sich daher eine Abdeckung der Beanspruchungen aus Straßenverkehr durch das Lastmodell BK60 der DIN 1072. Für Verkehrszusammensetzungen analog der Verkehrsart "Mittlere Entfernung" reicht das Lastmodell BK30/30 zu Abdeckung aus. Weitere Differenzierungen hinsichtlich der Verkehrsstärke führen hier zu keinen wesentlichen Änderungen der getroffenen Aussagen.

Der Straßenverkehr ist in den letzten Jahrzehnten in Deutschland und Europa stetig angestiegen und aktuelle Verkehrsprognosen zeigen eine Fortsetzung dieses Trends. Für die Ermittlung des aktuell gültigen Lastmodells wurden umfangreiche Verkehrslastmessungen in verschiedenen europäischen Ländern durchgeführt. Auf Basis von neueren Verkehrserhebungsdaten wurde im Rahmen des Forschungsprojektes FE 15.451/2007/FRB ein zukunftsfähiges Lastmodell für den Neubau von Straßenbrücken entwickelt. Das Ergebnis führte zu Erhöhungen der Anpassungsfaktoren für das Lastmodell 1 im DIN Fachbericht 101. Durch die Anwendung dieses neuen Lastmodells ist bei neu zu planenden Brücken der erwartete zukünftige Schwerverkehr angemessen berücksichtigt. Die bestehenden Ingenieurbauwerke im Straßennetz wurden auf Basis der zum Errichtungszeitpunkt gültigen Normen und Regelungen erstellt. Für Brücken im Bundesfernstraßennetz wurden dabei bis zur Einführung der DIN-Fachberichte das Lastmodell \"BK60/30\" der DIN 1072 (12-1985) und vor 1985 das Lastmodell \"BK60\" der DIN 1072 (06-1967) verwendet. Für Ingenieurbauwerke im Zuge von weniger frequentierten Straßennetzen wurde auch das Lastmodell \"BK30/30\" der DIN 1072 (12-1985) bzw. \"BK30\" der DIN 1072 (06-1967) angewendet. Außerdem können die Bauwerke, die vor 1985 erstellt wurden, aufgrund der für die Errichtung verwendeten Entwurfs- und Bemessungsregeln systematische Schwachstellen aufweisen. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die zu erwartenden zukünftigen Einwirkungen aus dem Schwerverkehrsaufkommen durch die Lastmodelle der älteren Normengeneration nur bedingt abdeckt sind. Die Defizite der Lastannahmen und der angewandten Konstruktionsgrundsätze erfordern eine aktuelle Überprüfung der Bauwerke hinsichtlich ihrer Tragfähigkeit. Bei vorhandenen Mängeln sind Ertüchtigungsmaßnahmen erforderlich. In Anbetracht des zahlenmäßigen Umfanges dieser Bauwerke im deutschen Straßennetz sind weder Ertüchtigungsmaßnahmen noch Ersatzneubauten kurzfristig möglich. Im Rahmen des Forschungsprojektes soll daher ermitteltet werden, unter welchen Bedingungen die Einwirkungen aus dem aktuellen Verkehrsaufkommen durch die Lastmodelle älterer Normengenerationen abgedeckt werden. Hierzu werden zum einen unterschiedliche Verkehrsaufkommen und unterschiedliche Verkehrszusammensetzungen betrachtet und andererseits zusätzliche Kompensationsmaßnahmen für das Verkehrsaufkommen. Des Weiteren wird untersucht, wie sich reduzierte Restnutzungsdauern auf die Ergebnisse auswirken. Die vorliegenden Untersuchungen sind dabei unterteilt in Betrachtungen für das Bundesfernstraßennetz und das untergeordnete Straßennetz (Landstraßen, Kreisstraßen usw.). Für das Bundesfernstraßennetz wird dabei nachfolgend, differenziert für verschiedene Verkehrsstärken, ermittelt, welches der betrachteten Lastmodelle die Einwirkungen aus dem aktuellen Verkehrsaufkommen ohne zusätzliche Kompensationsmaßnahmen abdeckt. Anschließend wird ermittelt, für welches Lastmodell (LM 1, BK 60/30, BK60) welche zusätzlichen Kompensationsmaßnahmen erforderlich sind, um ebenfalls die Einwirkungen aus dem aktuellen Verkehrsaufkommen abzudecken. Die betrachteten Kompensationsmaßnahmen sind dabei eine Abstandsbeschränkung im fließenden Verkehr, ein Lkw-Überholverbot und die Einschränkung des genehmigungspflichtigen Großraum- und Schwerlastverkehrs ohne Routenbeschränkung oder mit Dauergenehmigung. Für das untergeordnete Straßennetz werden verschiedene Verkehrscharakteristiken betrachtet (Langstreckenverkehr, Mittelstreckenverkehr, Ortsverkehr). In Abhängigkeit der Verkehrscharakteristik und des Verkehrsaufkommens wird auch hier bestimmt, welches der betrachteten Lastmodelle das aktuelle Verkehrsaufkommen abdeckt. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden detailliert dargestellt und zu einer Empfehlung für die aktuell in Erarbeitung befindliche Nachrechnungsrichtlinie zusammengefasst. Die Zusammenstellung von Ansätzen für weiterführende Untersuchungen bildet den Schluss des vorliegenden Berichtes.