Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau
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Dieser Beitrag gibt einen Überblick über Instandsetzung und Verstärkung von Stahlbrücken mit Schäden im Bereich von Anschlüssen im Längssystem orthotroper Stahlbrücken, im speziellen bei Längssteifen aus Y-Profilen. Basierend auf Literatur und Recherche, wurden im Projekt Ermüdungsrisse, die an existierenden Stahlbrücken mit Y-Profilen beobachtet wurden, zusammengestellt und kategorisiert. Eine Reihe der im Rahmen des Projektes ausgewerteten Erfahrungsberichte zeigte, dass rein schweißtechnische Instandsetzungen auf Dauer nicht erfolgreich waren. Deshalb wurden für die detaillierten Untersuchungen nur Maßnahmen mit mechanischen Verbindungsmitteln vorgesehen. Die an Y-Profilen entwickelten Instandsetzungs- und Verstärkungsmaßnahmen wurden in 20 Ermüdungsversuchen experimentell analysiert. Die originalen Prüfkörper wurden entsprechend den Fertigungsplänen bestehender Brücken hergestellt. Nach den Ermüdungsversuchen wurden die Prüfkörper repariert und unter den gleichen Randbedingungen erneut geschwungen. Bei der ersten Versuchsreihe wurde eine Verstärkung mit Seitenwinkel und Lasche vorgesehen, bei denen die Winkel im geschlossenen Teil der Y-Profile mit Blindnieten befestigt waren. Die Blindnieten zeigten kein Versagen und erst bei deutlich höherer Schwingzahl als im Originalzustand ging z.T. von der künstlichen Rissspitze ein neuer Riss aus. Bei der zweiten Versuchsreihe mit Stegverstärkung konnten nach der gleichen maximalen Schwingspielzahl, die im Originalzustand zu Rissen geführt hatte, keine Risse dokumentiert werden. In der 3. Versuchsreihe, die im Bereich des 1/2 I-Profils mit einer Zusatzlasche repariert worden war, ging nach Verstärkung mit Zusatzlasche bei geringerer Schwingzahl als im Originalzustand ein Riss vom künstlichen Ermüdungsriss bzw. vom Bohrloch der angeschraubten Lasche aus. Bei der Auswertung wurden mit Hilfe eines numerischen Modells die Ermüdungsversuche validiert, um die Wirksamkeit der Maßnahmen zu bewerten. Insgesamt konnte das Vorhaben erfolgreich beendet werden. In weiterfühgrenden Untersuchungen sollten vor allem die versuchstechnischen Untersuchungen systematisch ergänzt werden.
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Ein Großteil der heute vorhandenen Stahlbrücken wurde in den 1960er Jahren errichtet, als man der Problematik der Materialermüdung noch nicht den notwendigen Stellenwert eingeräumt hatte. Seit Ende der 1990er Jahre ist bei diesen Bauwerken eine stetige Zunahme von Schäden zu verzeichnen, die durch die geringe Ermüdungsfestigkeit einzelner Konstruktionsdetails in Kombination mit erhöhten Beanspruchungen durch den zunehmenden Schwerverkehr verursacht werden. Da Ersatzneubaumaßnahmen sowohl mit hohen Kosten als auch mit langwierigen Genehmigungsverfahren verbunden sind, gilt es, den Bestand der vorhandenen Bauwerke ausreichend lange zu erhalten.
Um auch bei weiter ansteigenden Ermüdungsbeanspruchungen eine hinreichende Restlebensdauer sicherzustellen, werden wirksame Konzepte und neue Lösungen für die Erhaltung von Stahlbrücken erforderlich. Mit der „Verstärkung des Deckblechs orthotroper Fahrbahnplatten durch Aufkleben von Stahlblechen“ wird ein spezieller, jedoch vielversprechender Lösungsansatz verfolgt und eingehend untersucht. Die erforderlichen Untersuchungen sind so umfangreich, dass die folgenden vier aufeinander bezogenen Projekte initiiert wurden, um eine angemessene Abwicklung zu gewährleisten:
• Numerische Untersuchungen
• Klebtechnologie
• Dauerfestigkeitsuntersuchungen
• Fugen- und Randausbildung
Im Projekt „Numerische Untersuchungen“ wird am Beispiel der orthotropen Platte der Rheinbrücke Duisburg-Neuenkamp mithilfe eines numerischen Modells gezeigt, dass die Verstärkung des Deckblechs eine sinnvolle Maßnahme ist, um Spannungen in der Platte und örtliche Durchbiegungen des Deckblechs wirkungsvoll zu vermindern.
Das Projekt „Klebtechnologie“ beschreibt die Entwicklung eines praxistauglichen Klebverfahrens, das auf die speziellen Rahmenbedingungen abgestimmt wurde, die bei der Erhaltung von orthotropen Fahrbahnplatten bestehen.
Kern des Projekts „Dauerfestigkeitsuntersuchungen“ bildet ein aufwändiges Versuchsprogramm mit praxisnahen Dauer-Schwell-Biege-Prüfungen. Als wesentliches Ergebnis wurde der Nachweis erbracht, dass die Klebverbindungen den dynamischen Beanspruchungen aufgrund der herkömmlichen Verkehrsbelastung dauerhaft widerstehen können.
Im Projekt „Fugen- und Randausbildung“ wurde die Anordnung von Fugen und die Gestaltung von Randabschlüssen konzipiert und deren Tauglichkeit untersucht. In Anlehnung an das Projekt „Dauerfestigkeitsuntersuchungen“ wurde anhand von Versuchen eine ausreichende Ermüdungsfestigkeit nachgewiesen.
Die im Rahmen dieser vier Projekte durchgeführten Untersuchungen werden erläutert und die erzielten Ergebnisse dargestellt. Damit sind die labortechnischen Untersuchungen zur „Verstärkung des Deckblechs orthotroper Fahrbahnplatten durch Aufkleben von Stahlblechen“ erfolgreich abgeschlossen. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden eine wesentliche Grundlage für erste Pilotanwendungen in der Praxis.
Anhang A enthält alle wesentlichen Parameter, Ergebnisse, Einzelwerte und Fotos.
Bei der vorliegenden Veröffentlichung handelt es sich um eine von der „Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Bauwissenschaften der Universität Duisburg-Essen“ genehmigte Dissertation zum Erwerb des Doktorgrades. Die mündliche Prüfung fand am 04.11.2022 statt. Gutachterin und Gutachter waren Frau Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Natalie Stranghöner und Herr Univ.-Prof. Dr.-Ing. Markus Feldmann.
Herzlich bedanke ich mich an dieser Stelle bei Frau Prof. Stranghöner sowohl für die perfekte Betreuung aber insbesondere auch für den entscheidenden Impuls, die Arbeiten in einer Dissertation zu bündeln, bei Herrn Prof. Feldmann für die Begutachtung sowie bei zahlreichen Kolleginnen und Kollegen aus der Abteilung Brücken- und Ingenieurbau der BASt für die Unterstützung auf vielfältige Art und Weise und dabei ganz besonders bei Herrn Bert Quaas und Herrn Michael Staeck für den engagierten Einsatz im Labor und an der Hydropulsanlage.
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Vor dem Hintergrund des stetig anwachsenden Güterverkehrs und der bestehenden Altersstruktur der Brückenbauwerke ist die Verstärkung von Stahlbeton- und Spannbetonbrücken von zunehmender Bedeutung für die Straßenbauverwaltungen. In dem vorliegenden Sachstandsbericht werden zunächst Ursachen aufgezeigt, die eine Verstärkungsmaßnahme erforderlich machen können. Die praxisrelevanten Verstärkungsmethoden werden dargestellt und in Bezug auf ihre Anwendbarkeit differenziert. Auf mögliche Einschränkungen bei der Anwendbarkeit der Verfahren wird eingegangen. Im Weiteren wird der Erfahrungsstand ausgewählter Straßenbauverwaltungen der Länder bezüglich durchgeführter Verstärkungsmaßnahmen betrachtet. Es wird untersucht, welche Schadensfälle hauptsächlich eine Verstärkungsmaßnahme erforderlich machen und welche Verstärkungsmethoden vorzugsweise eingesetzt werden. Eine differenzierte Betrachtung zeigt, dass sich einzelne Verstärkungsmethoden für bestimmte Anwendungsfälle bewährt haben. Anhand analysierter Spannbetonbrücken werden Klassifizierungs- und Beurteilungskriterien aufgestellt und auf ihre Anwendbarkeit geprüft. Ziel ist die Zuordnung der Schadensfälle zu bestimmten Bauwerkseigenschaften. Abschließend werden Verfahrensmuster für mögliche Verstärkungsverfahren dargestellt. Anhand schematischer Abbildungen können dem Bauwerk in Abhängigkeit des Baujahrs mögliche bzw. wahrscheinliche Schadensfälle zugeordnet werden. Die Wahl eines geeigneten Verstärkungsverfahrens kann in Abhängigkeit des Schadensfalls anhand weiterer Diagramme erfolgen.
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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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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.