Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau
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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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Auf Brücken, insbesondere auf Stahlbrücken, bildet sich im Winter gegenüber den anderen Streckenabschnitten oft vorzeitig Glätte. Dadurch kann der Straßenverkehr in erheblichem Maße gefährdet werden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten das vorzeitige Auftreten von Glätte zu verhindern. Die derzeit gebräuchlichsten Methoden sind die Brücken vorzeitig zu streuen oder automatische Taumittelsprühanlagen zu installieren. In dem vorliegenden Projekt wurde eine weitere, innovative Methode untersucht, nämlich die Temperierung der Fahrbahn mit Hilfe von Geothermie. Dazu wurden Simulationsreihen und damit zusammenhängende praxisnahe Messungen durchgeführt. Die Messungen wurden auf einer eigens hierfür hergestellten Testbrücke aus Stahl-Brückenmodulen sowie in weiteren Testfeldern auf bestehenden Brücken vorgenommen. Der Bericht stellt wichtige Informationen und Ergebnisse zur Verfügung, die notwendig sind, um ein Brücken-Projekt mit Fahrbahn-Temperierung zu planen und umzusetzen. Dabei werden die Aspekte - konstruktive Gestaltung, - thermische Eigenschaften, - mechanische Festigkeit, - Regelstrategien und " Wirtschaftlichkeit eines solchen Systems betrachtet. Weiterhin enthält der Bericht Beispiele, welche Varianten hinsichtlich des geothermischen Systems möglich sind, und gibt Eckdaten zu deren Dimensionierung an. Nach den hier vorliegenden Ergebnissen ist die Realisierung eines Fahrbahn-Temperierungs-Systems mittels Geothermie für Stahlbrücken möglich. Die thermische Leistung ist für den angestrebten Zweck ausreichend. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften konnten zumindest keine kurzfristig erkennbaren Beeinträchtigungen festgestellt werden, wobei hier weiterer Forschungsbedarf besteht. Damit bietet die geothermische Fahrbahntemperierung die Möglichkeit, umweltschonend zur Vermeidung von frühzeitiger Glättebildung auf Straßenbrücken beizutragen.
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Einfluss der veränderten Verkehrsführung bei Ertüchtigungsmaßnahmen auf die Bauwerksbeanspruchungen
(2013)
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.
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Die Anpassung von Bestandsbrücken für zukünftige Verkehrsbelastungen ist häufig mit der Veränderung oder Erneuerung der Fahrbahn verknüpft. Der geänderten Situation entsprechend sind statische Nachweise zur Tragsicherheit erforderlich. Die Nachrechnungsrichtlinie [1] für den Teil Mauerwerk soll mit der Nachrechnung bestehender Gewölbebrücken validiert, sowie auf den aktuellen Stand der computerunterstützten Nachweisführung angepasst werden.
Bei Bogenbrücken aus Mauerwerk und unbewehrtem Beton ist das sogenannte Stützlinienverfahren vorteilhaft anwendbar, da hiermit die Strukturnichtlinearität infolge der belastungsabhängigen Rissbildung mit klaffenden Fugen berücksichtigt wird.
Beim Nachweis von Mauerwerksstrukturen sind im Allgemeinen die drei folgenden Nichtlinearitäten zu berücksichtigen:
• Strukturnichtlinearität (klaffende Fugen)
• Geometrische Nichtlinearität (Knicken)
• Materialnichtlinearität („plastisches“ Verhalten von Mörtel)
Die Analyse nichtlinearer Aufgabenstellungen erfordert deshalb vertiefte Fachkenntnisse des Ingenieurs. Im Gegensatz zur linear-elastischen Berechnung sind hier Sensitivitätsuntersuchungen notwendig, damit sich die Einflüsse bestimmter Eingangswerte besser beurteilen lassen.
Das Baumaterial Mauerwerk lässt sich bei genauerer Analyse nicht mehr als elastisches Kontinuum abbilden, da sich die Struktur entsprechend der Einwirkungskombination durch Rissbildung mit sich öffnenden Fugen verändert. Mithilfe der Methode der finiten Elemente entsteht mit Einbau von Kontaktelementen zwischen den Fugenrändern der Steine das sogenannte Diskontinuumsmodell. Die verknüpften Kontaktelemente übertragen nur Druck- und Reibungskräfte. Dieses wichtige Detail ermöglicht die realitätsnahe Modellierung von Mauerwerk mit Rissbildung unter Laststeigerung.
Die Tragfähigkeit von Mauerwerk wird neben der Steindruckfestigkeit im Besonderen von der Steinzugfestigkeit bestimmt. Bei Bogenbrücken aus quaderförmigem Natursteinmauerwerk spielt wegen der verhältnismäßig geringen Fugendicke die Mörteldruckfestigkeit eine untergeordnete Rolle. In der aktuellen Normung wird vereinfachend auf der Widerstandsseite nur ein einziger Sicherheitsbeiwert Ƴm festgelegt. Zur rechnerischen Erschließung weiterer Tragreserven lassen sich aber auch die Einzelkomponenten auf der Widerstandsseite absichern.
1. Die Teilsicherheitsfaktoren basieren auf folgendem Nachweisprinzip:
Berechnung der Beanspruchung der Konstruktion über Spannungen mit Schnittgrößen (Stützlinie oder Stützfläche); Darstellung als Beanspruchungspfad
2. Ermittlung der Beanspruchbarkeit des Mauerwerks (Darstellung als Bemessungs-Traglastkurve)
3. Vergleich Beanspruchung ≤ Beanspruchbarkeit
Am Beispiel von fünf Gewölbebrücken aus Mauerwerk wird die Nachrechnungsrichtlinie für den Einsatz aktueller Rechentechnik und dem aktuellen Stand der Normung validiert. Im Zuge dieses Forschungsvorhabens sind für die praktikable Nachweisführung Vorschläge zur Aktualisierung der Richtlinie dokumentiert.
Dabei wurden folgende Parameter untersucht:
• Geometrie mit verschiedener Spannweite, Stichhöhe, Bogendicke, Kreisbögen mit konstantem und konischem Querschnittsverlauf vom Scheitel bis zum Kämpfer
• Steifigkeit der Bögen mit E-Modul für Mauerwerk
• Steifigkeit der Aufbauten als Auffüllung (Hinterfüllung)
• Laststellungen mit Lastverteilung in Querrichtung (mitwirkende Breite)
• Einwirkung aus Temperatur
• Mauerwerksart: Ziegel- Natursteinmauerwerk
• Mauerwerk verschiedener Festigkeiten
• Bemessungsfestigkeit aus Sicherheitskonzept
• Bemessungs-Tragfähigkeit unter ausmittiger Beanspruchung (Bemessungs-Traglastkurve)
Die Ausnutzungsgrade für die Nachweise wurden dokumentiert:
1. Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZT)
• Ausnutzungsgrad für maßgebende Einwirkungskombination
• Ausweis der Tragreserve für eine mögliche Laststeigerung (faktorisierbare Lastbilder)
2. Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (GZG)
• Nachweis, dass unter dem 1,0-fachen Lastmodell der Querschnitt rechnerisch nur bis zur Querschnittsmitte aufreißen (klaffen) darf, d.h. Resultierende der Beanspruchung mit Ausmitte bis zur 2. Kernweite (m ≤ 2)
• Nachweis, dass unter ständigen Einwirkungen der Querschnitt rechnerisch überdrückt ist, d. h. Resultierende der Beanspruchung mit Ausmitte bis zur 1. Kernweite (m ≤ 1)
Die Beispielbrücken ließen sich auf Grundlage der ergänzten Nachrechnungsrichtlinie nachweisen, wobei alle geforderten Grenzzustände eingehalten sind.