Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau
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Ein Großteil der Brückenbauwerke in Deutschland hat in Anbetracht der üblichen Nutzungsdauer von 100 Jahren über die Hälfte dieser Zeitspanne überschritten. Zur Wahrung der Sicherheit müssen sämtliche Brückenbauwerke in festgelegten Intervallen geprüft werden. Hierbei wird der IST-Zustand ausgewertet und entsprechend RI-EBW-PRÜF beurteilt, um eine optimale Instandhaltungsstrategie ausarbeiten zu können. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, Modelle der Schadensumfangsentwicklung von häufigen Schäden an Brücken zu erarbeiten und ein Prognoseverfahren für die Zustandsentwicklung von Brückenbauwerken zu konzipieren und damit die statische Bewertung nach RI-EBW-PRÜF um die dynamischen Schädigungsmodelle zu erweitern. Dafür ist es notwendig, die Änderung der Daten aus den Bauwerksprüfungen, die dem Algorithmus zur Berechnung der Zustandsbewertung zu Grunde gelegt werden, mit den Modellen der Schadensumfangsentwicklung für künftige Zeitpunkte vorher zu bestimmen. Hierfür werden Ingenieurmodelle und probabilistische Modelle gewählt: Die S-Shape-Funktionen und Markov-Ketten bzw. -Prozesse, welche anhand von Realdaten und durch Berechnung mit Schädigungsmodellen validiert werden, erweisen sich hierfür als äußerst produktiv. Für beide Modelle werden grundlegende Untersuchungen durchgeführt und gezeigt, dass ein Zusammenhang zwischen den Modellen besteht. Es offenbart sich, dass S-Shape-Funktionen das Potential haben als erste Einschätzung für die Zustandsentwicklung einer Brücke herangezogen zu werden. Zur Anwendung der Markov-Ketten werden Daten aus SIB-Bauwerke aus Nordrhein-Westfalen und Thüringen ausgewertet. Da das zur Verfügung gestellte Datenfeld zu gering ist, werden Optimierungsverfahren und Möglichkeiten geprüft, den Bestand künstlich zu erweitern. Darauf aufbauend kann gezeigt werden, dass eine Optimierung des Verfahrens unter Berücksichtigung kürzerer Prüfintervalle möglich ist. Das Konzept für ein Modell der Schadensumfangentwicklung ist damit komplett.
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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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Die Innenschalen von Straßentunneln in geschlossener Bauweise werden in der Regel als Stahlbetonkonstruktion ausgeführt. Die Ausführung unbewehrter Tunnelinnenschalen kann für den Bauherrn eine erhebliche Kostenersparnis bedeuten, da die Kosten für die Bewehrung und deren Einbau eingespart werden. Unbewehrte Innenschalen für Straßentunnel in geschlossener Bauweise wurden in der Vergangenheit bei einzelnen Projekten in Deutschland bereits ausgeführt. Die Anforderungen an die bauliche Durchbildung und an die Gebrauchstauglichkeitseigenschaften wurden aufgrund fehlender Regelungen in den ZTV-ING objektspezifisch festgelegt. Die im Rahmen dieses Forschungsprojektes durchgeführte Auswertung der Erfahrungen mit unbewehrten Innenschalen zeigt, dass viele der Tunnel eine hohe Anzahl von Rissen und Betonabplatzungen in den unbewehrten Bereichen aufweisen. Die hier erforderlichen nachträglichen Instandsetzungsmaßnahmen führen häufig zu hohen Kosten und Beeinträchtigungen der Tunnelverfügbarkeit. Als Fazit aus diesen Erfahrungen kann der Einsatz von unbewehrten Innenschalen nur in Ausnahmefällen bei vorliegenden besonders günstigen Randbedingungen empfohlen werden. Neben einer günstigen Geologie zählen hierzu noch weitere Parameter, die im vorliegenden Bericht ausführlich dargelegt werden. Zur Vermeidung vertragsrelevanter Probleme bei der Ausführung unbewehrter Innenschalen wird eine klare Festlegung der Gebrauchstauglichkeitseigenschaften der fertigen Tunnelinnenschale empfohlen. Bezüglich der zulaäsigen Rissweiten in unbewehrten Innenschalen wird die Anwendung der Vorgaben aus der Ril 853, Modul 853.4004 empfohlen. In den ZTV-ING sollten für den Sonderfall einer unbewehrten Innenschale auch weiterhin keine speziellen Anforderungen festgelegt werden. Kriterien für die Anwendung unbewehrter Innenschalen wurden im Rahmen dieses Forschungsprojektes erarbeitet und sollten bei Bedarf den Straßenbauverwaltungen der Länder und den Planern zur Verfügung gestellt werden.
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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.
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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.
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Zur Zustandsbeurteilung von Brückenfahrbahnplatten ist es wichtig, die Feuchte und den Salzgehalt des bewehrten Betons zu kennen. Üblicherweise wird die Versalzung mittels Potenzialmessung bestimmt und durch Laboranalyse von Proben verifiziert. Diese Methode erfordert aber das Entfernen des Fahrbahnbelags. Um eine zerstörungsfreie Bestimmung des Betonzustandes und des Salzgehaltes des Betons mit einem fahrzeugbasierten Messsystem von der Fahrbahn aus durchführen zu können, wurde eine Kombinationsmethode aus Georadar und Magnetfeldmessung entwickelt. Ermittelt man die komplexe Dielektrizitätskonstante (DK) des Baustoffs im Mikrowellen-Bereich, so ist es möglich, über entsprechende Kalibrationskurven seine Feuchte und seinen Salzgehalt abzuleiten. Mit einem 1 GHz-Bodenradar wird die Laufzeit der elektromagnetischen Wellen von der Fahrbahnoberfläche bis zur oberflächennahen Bewehrung bestimmt. Die Tiefe dieser Bewehrungsstähle wird unabhängig durch eine magnetische Gleichfeld-Methode ermittelt. Nach Aufmagnetisierung werden mehrere Gradientenkomponenten des statischen magnetischen Feldes der Bewehrungsbügel gemessen und daraus die Bügeltiefe berechnet. Diese magnetische Tiefenbestimmung ist unabhängig von den dielektrischen Eigenschaften der dazwischen befindlichen Materialien. Durch Vergleich der Radar-Laufzeit mit der magnetisch gemessenen Tiefe lässt sich der Realteil der effektiven DK des überdeckenden Betons bestimmen. Die Analyse der reflektierten Radar-Amplitude erlaubt eine Abschätzung des Salzgehaltes. Zusätzlich wurde ein dielektrischer Resonator für die Feuchte- und Salzgehaltmessung von Baustoffen entwickelt, der aus einer zylindrischen Mikrowellenkeramik hoher DK in einem halboffenen Metallgehäuse besteht. Aus der Messung der Resonanzfrequenz und der Güte beim Aufbringen des Resonators auf den Baustoff lässt sich sein Feuchte- und Salzgehalt ableiten. Die an Beton-Probekörpern bekannter Feuchte und Versalzung durchgeführten experimentellen Untersuchungen bestätigten die Erwartungen. Ein Radar-Magnet-Messwagen wurde entwickelt und auf zwei Brückenbauwerken erfolgreich erprobt. Die effektive komplexe DK konnte gut bestimmt werden.
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Die Überwachung und Prüfung von Brücken im Zuge von Bundesfernstraßen erfolgt in Deutschland nach der DIN 1076 in festgelegten Zeitintervallen. Im Zuge der "Objektbezogenen Schadensanalyse" (OSA) hat sich der Einsatz kombinierter zerstörungsfreier Prüfverfahren wie Ultraschallecho, Impakt-Echo und Radar an mehreren Spannbetonbrücken als geeignet erwiesen, Umfang und Ursache ungeklärter Schäden zuverlässig zu ermitteln. Diese Verfahrenskombination wurde auch für die Untersuchungen an der Spannbetonbrücke im Zuge der Autobahn A1 bei Hagen verwendet. Dazu wurden von der BAM scannende Messwerterfassungssysteme entwickelt, mit denen die Prüfverfahren automatisiert für großflächige Untersuchungen angewendet werden können. Erstmals wurde ein Saugscanner verwendet, der zerstörungsfrei am Bauwerk befestigt werden kann. Der Bericht zeigt, wie die großflächigen Ergebnisse der Untersuchung bildgebend dargestellt werden können. Dem Ingenieur ist es damit möglich, einen Bezug zu Bestandsplanunterlagen herzustellen. Sofern keine Bestandsplanunterlagen existieren, können diese unter bestimmten Randbedingungen aus den Messergebnissen rekonstruiert werden. Bei der Längsspannung der Brücke handelt es sich um das System Baur-Leonhardt, das aus steifen Blechkästen besteht, in die Litzen eingelegt und zementös verpresst wurden. Über diese Konstruktion lagen noch keine Erfahrungen mit zerstörungsfreien Prüfverfahren vor. Deshalb wurden Modellrechnungen für verschiedene Verpresszustände durchgeführt, um die zu erwartenden Ergebnisse vorab zu ermitteln. Die Messergebnisse machen deutlich, dass mit den verwendeten Verfahren der Verlauf der Spannglieder sehr präzise dargestellt werden kann und dass die Lage der Umlenkstellen, die dickeres Blech in zwei Lagen aufweisen, zuverlässig bestimmt werden kann. An der Brücke wurde erstmals großflächig die Phasenauswertung von Ultraschallsignalen zur Ortung von Verpressfehlern durchgeführt. Die Messungen ergaben keine Hinweise auf Verpressfehler. Die Richtigkeit dieser Aussage wurde durch das Öffnen der Spannglieder im Zuge des Abrisses bestätigt.