Ziel des bearbeiteten Forschungsvorhabens war die Untersuchung des Verhaltens von Brücken aus hochfestem Beton. Im Rahmen des vorliegenden Vorhabens wurden drei bestehende Brücken aus hochfestem Beton hinsichtlich der visuell zu bewertenden Oberflächenbeschaffenheit und der mit Hilfe von Messungen ermittelten Karbonatisierungstiefe und Chlorideindringung bewertet: eine Brücke im Zuge der Straße nach Wölkau über die BAB A 17, BW-Nr. 5048569; die Überführung des Eigentümerweges "Freihamer Allee" über die BAB A 96/99, BW-Nr. 7834699; sowie Bauwerk 27-1 Überführung eines Wirtschaftsweges, Buchloe, BW-Nr. 7930585. Dabei konnte festgestellt werden, dass sich der hochfeste Beton hinsichtlich der Karbonatisierungstiefen wie erwartet als sehr dauerhaft erweist. Durch seine dichte Struktur ist nahezu keine Karbonatisierung an den Bauteilen aus hochfestem Beton zu verzeichnen. Lediglich die aus hochfestem Beton hergestellten Pfeiler der Brücken Buchloe und Freihamer Allee zeigen Netzrisse, die auf ungenügende Nachbehandlung der Bauteile zurückgeführt werden könnte. Weiterhin wurde an der Muldebruecke Glauchau der bereits vor Verkehrsfreigabe durchgeführte Belastungstest wiederholt, bei der die damaligen Lastpositionen erneut aufgebracht wurden. Auch hier konnte gezeigt werden, dass sich das hervorragende Tragverhalten auch nach acht Jahren der Nutzung unverändert zeigt. Die große Steifigkeit des Überbaus ist unverändert. Insgesamt konnte festgestellt werden, dass die untersuchten Brücken aus hochfestem Beton die an sie gestellten Anforderungen hinsichtlich Dauerhaftigkeit und Tragverhalten erfüllen. Eventuell wäre zu überprüfen, inwieweit andere Bauteile (insbesondere Pfeiler) aus hochfestem Beton eine ähnliche Netzrissbildung aufweisen. Bei einem Vergleich der Bautagebücher ließen sich möglicherweise Rückschlüsse auf die Einflussfaktoren auf die Rissbildung ziehen.

Volkswirtschaftliche Gesichtspunkte beim Bau und der Unterhaltung von Brückenbauwerken erfordern ein effektives Lebenszyklusmanagement. Ein wesentliches Ziel besteht dabei in der zuverlässigen Prognose der Schadensentwicklung. Die Kenntnis über Mechanismen und Auswirkungen einzelner dauerhaftigkeitsrelevanter Beanspruchungen bzw. Schädigungsarten ist relativ weit fortgeschritten. Demgegenüber ist das Wissen über die Wirkungsweise kombiniert auftretender Beanspruchungen an Betonbauwerken bislang unzureichend. Dies gilt auch für den Fall, dass gleichzeitig singuläre Risiken, wie beispielsweise Ausführungsmängel oder Lagerschäden vorliegen. Gerade aber kombinierte Einwirkungen und bereits vorhandene Mängel sind für massive Schäden an Brücken maßgeblich verantwortlich. Diese Problematik wurde im Rahmen der vorliegenden Machbarkeitsstudie eingehend beleuchtet. Zunächst wurden im Rahmen einer umfangreichen Literatursichtung die vorhandenen dauerhaftigkeitsrelevanten Einwirkungen auf Brücken identifiziert sowie deren mögliche Modellierung in Form von Schädigungs-Zeit-Gesetzen aufgezeigt und eingehend diskutiert. In einem nächsten Schritt konnten die bei Brückenbauwerken vorzufindenden Interaktionen zwischen den kombiniert auftretenden dauerhaftigkeitsrelevanten Einwirkungen und singulären Risiken auf der Basis einer Literatursichtung erfasst und in Form einer Interaktionsmatrix anschaulich dargestellt werden. Die verschiedenen Methoden zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit von Betonkonstruktionen wurden aufgezeigt sowie die Grundzüge einer System- und Risikoanalyse vorgestellt. Anhand ausgewählter Bespiele aus der Fachliteratur wurde die prinzipielle Vorgehensweise bei unterschiedlichen Methoden zur Dauerhaftigkeitsbeurteilung dargestellt. Besondere Beachtung galt dabei dem aktuellen Stand der Forschung im Umgang mit kombiniert auftretenden Einwirkungen. Im Ergebnis der umfangreichen Literaturstudie konnte festgestellt werden, dass kombinierte Einwirkungen als Problem im Bereich des Betonbrückenbaus bekannt sind, ihre Erfassung und Modellierung jedoch weder zeitvariante Schädigungs-Zeit-Gesetze noch baustofftechnologische Interaktionen berücksichtigen. Auf der Grundlage der in der Literatur gewonnenen Erkenntnisse wurde ein Ansatz für eine um diese beiden entscheidenden Punkte erweiterte System- und Risikoanalyse erarbeitet. Dieser Ansatz besteht darin, über die Verwendung geeigneter Schädigungs-Zeit-Gesetze und grenzzustandsbezogener Betrachtungen Lebensdauerprognosen durchzuführen. Hierdurch wird eine wirklichkeitsnahe Beurteilung der Dauerhaftigkeit möglich. Die Interaktion der Schädigungsmechanismen wird über einen Faktor η, der die baustofftechnologischen Veränderungen des Betons infolge einer anderen Einwirkung berücksichtigt, in das Modell aufgenommen. Das erarbeitete Konzept wurde durch exemplarische, computergestuetzte Beispielrechnungen hinsichtlich seiner Anwendbarkeit bestätigt. Bis zur Praxiseinführung dieser Methode bedarf es jedoch noch umfangreicher Ausarbeitungen und gezielter weiterführender Forschung.

Bei Wellstahlbauwerken handelt es sich um wirtschaftliche und dauerhafte Ingenieurbauwerke für die Unterführung von Verkehrswegen, die sich seit Jahrzehnten in der Anwendung bewährt haben. Hierbei werden wellprofilierte biegeweiche Stahlrohre in den Boden eingebettet und als Unterführungsbauwerke benutzt. Die Lastabtragung der eingebetteten biegeweichen Stahlrohre basiert auf einer Interaktion der Rohrschale mit dem umgebenden Boden und erfolgt deshalb hauptsächlich in Ringrichtung. Die Bemessung von Wellstahlbauwerken erfolgt in Deutschland derzeit gemäß den Allgemeinen Rundschreiben Straßenbau (ARS) Nr. 20/1997 und Nr. 12/1998. Die darin aufgeführten Bemessungsregeln stammen aus den 70iger Jahren und basieren auf der Veröffentlichung (KLÖPPEL & GLOCK, 1970). Diese Bemessungsregeln beruhen jedoch noch auf dem damals üblichen Globalsicherheitskonzepts für die Nachweisführung und genügen nicht mehr den Anforderungen der neuen europäischen Normengenerationen deren Sicherheitsphilosophie auf dem Teilsicherheitskonzept beruht. Im Zuge der nationalen Einführung der europäischen Bemessungsnormen (Eurocodes) im Straßenbau in Form der DIN-Fachberichte werden derzeit auch die bestehenden Bemessungsrichtlinien für Wellstahlbauwerke überarbeitet und sollen zukünftig in die Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV ING, Teil 9, Abschnitt 4) aufgenommen werden. Neben allgemeinen Änderungen und Anpassungen der Einwirkungen wird bei der Überarbeitung hinsichtlich der Bemessung hauptsächlich die Umstellung der Nachweise vom Globalsicherheitskonzept auf das Teilsicherheitskonzept vollzogen. Durch diese Überarbeitung der bestehenden Richtlinien für Wellstahlbauwerke werden im Hinblick auf die Bemessung von Wellstahlbauwerken wesentliche Änderungen herbeigeführt, die eine genauere Betrachtung und ggf. Anpassung der Bemessungsrichtlinien erfordern. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde daher auf Grundlage von vergleichenden Betrachtungen die Anwendung der neuen Bemessungsrichtlinien fuer Wellstahlbauwerke erprobt, sowie das vorliegende Sicherheitsniveau im Vergleich zu den bisher bestehenden Bemessungsrichtlinien für Wellstahlbauwerke überprüft. Der Schwerpunkt der durchgeführten Untersuchungen lag daher auf der Durchführung von umfangreichen Vergleichsberechnungen an unterschiedlichen Einbausituationen von Wellstahlbauwerken, anhand derer die Auswirkungen der Regelwerksumstellung aufgezeigt wurden. Ergänzend zu diesen Vergleichsberechnungen wurden separate Untersuchungen zum Nachweis der Schraubenverbindung und zum Nachweis am Schrägschnitt durchgeführt. Ferner wurde in Form von Stabwerksberechnungen nach Theorie II. Ordnung noch das Stabilitäts- und Beanspruchungsverhalten von Wellstahlbauwerken mit großen Spannweiten untersucht. Auf Grundlage der durchgeführten Untersuchungen und Vergleichsberechungen konnten für Wellbauwerke nachfolgende wesentliche Erkenntnisse und Empfehlungen für die weitere Überarbeitung des Regelwerks abgeleitet werden: - Mit Ausnahme des Nachweises "Durchschlagen des Bauwerksscheitel für h/s < 0,7" führt die vorgenommen Umstellung des Nachweiskonzepts zu keinen wesentlichen Änderungen des Sicherheitsniveaus. Für diesen Nachweis wird empfohlen, auch zukünftig das höhere Sicherheitsniveau für gedrungene Querschnittsformen mit h/s < 0,7 aufrecht zu erhalten. - Die Anpassung bzw. Erhöhung der Verkehrslast von 45 kN/m2 auf 65 kN/m2 führt mit Ausnahme des Nachweises "Grundbruch im Scheitel" lediglich zu einer effektiven Vergrößerung der Beanspruchung von max. 13%. Dies begründet sich in erster Linie durch den Wegfall des Schwingbeiwertes im neuen Regelwerk. - Bezüglich der Schraubenverbindung wird empfohlen, die Festlegung der Tragfähigkeit gemäß den europäisch harmonisierten Regeln in DIN EN 1990:2002 durchzuführen. - Beim Nachweis "Grundbruch im Scheitel" kommt es infolge der Umstellung des Regelwerks zu größeren Änderungen des Sicherheitsniveaus, das in erster Linie das Ergebnis der Nachweisführung selbst und der Lastanpassung ist. Will man wie bei allen anderen Nachweisen, das bestehende Sicherheitsniveau beim Übergang vom alten ins neue Regelwerk weitestgehend aufrecht erhalten, so sind weitere Maßnahmen erforderlich. - Es wird empfohlen den im alten Regelwerk festgelegten Anwendungsbereich bzgl. der Spannweite und der Überdeckung auch im neuen Regelwerk bei zu behalten.

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.

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.

Der Bericht liefert einen Überblick über die Gefährdung von stählernen Fahrbahnplatten hinsichtlich Ermüdungsschäden, ordnet diese Gefährdungen in Gefährdungskategorien ein und gibt Strategien und Verfahren zu einer nachhaltigen Instandsetzung vor allem von Deckblechschäden und Schäden an der Verbindung zwischen Längsrippe und Deckblech an. Im Einzelnen geht der Bericht auf die Entwicklung stählerner Fahrbahnplatten bis zur heutigen Standardlösung ein, auf deren Weg sich einige Konstruktionen als besonders schadensanfällig erwiesen haben. Eine Aufgabe ist es daher, bestehende Brücken und die heutige Standardlösung zukunftssicher zu machen. Für die Zukunftssicherung ist besonders die Dauerhaftigkeit des Deckblechs und seiner Verbindungen zu Rippen und Querträgern wichtig. Zur Verringerung der Ermüdungsbelastung des Deckblechs gibt es Verfahren zur direkten Deckblechverstärkung und zur Effizienzsteigerung des Fahrbahnbelags zur Verbesserung der Verbundwirkung mit dem Deckblech. Die vorgestellten und untersuchten Verfahren zur direkten Deckblechverstärkung sind: - Aufbringen einer Elastomersandwichstruktur mit einem neuen zusätzlichen Stahldeckblech (Sandwich Plate System (SPS) , Pilotprojekt in NRW), - Stahlfaserbewehrter hochfester Beton mit Stahlbewehrungseinlagen (Pilotprojekte in den Niederlanden), - Aufkleben von Zusatzblechen (Versuchsstadium). Zur Effizienzsteigerung des Fahrbahnbelags ist es nötig, eine Optimierung zwischen zwei sich widersprechenden Zielsetzungen zu erreichen: 1. Dauerhaftigkeit des Belages durch ausreichende Elastizität des Belags und Reduktion der Verbundwirkung, 2. Dauerhaftigkeit des Stahlblechs und der Verbindungsnaht mit der Längsrippe durch höhere Steifigkeit des Belags und Verbesserung der Verbundwirkung. Dazu sind Versuche mit Belägen mit modifiziertem Bitumen (PmB25A) und mit hohlraumreichem Asphalttraggerüst mit nachträglichem Verguss (HANV) durchgeführt worden, die Tendenzen zu Verbesserungen erkennen lassen. Für eine weitere Optimierung der beiden Varianten sind gezielte Kleinteilversuche zur Bestimmung von temperatur- und frequenzabhängigen Stoffeigenschaften, die sich für Grenzzustandsberechnungen eignen, erforderlich. Die Berechnungsmodelle müssten an bauteilähnlichen Prüfkörpern überprüft werden. Der Bericht gibt Empfehlungen wie eine Verbesserung der Verbundeigenschaften zwischen Stahldeckblech Asphaltbelag erreicht werden kann.