Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau
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Die Leistungsfähigkeit der technischen Infrastruktur spielt für die Wettbewerbsfähigkeit und die gesellschaftliche Entwicklung von Ländern weltweit eine zentrale Rolle. Allerdings ist der Zustand der Infrastruktur in Deutschland unbefriedigend. Es besteht akuter Handlungsbedarf, welcher nicht nur durch höhere Investitionen zu bewältigen ist. Vielmehr braucht es innovative Ansätze im Lebenszyklusmanagement (LzM) der Verkehrsinfrastruktur. Im Rahmen dieses Projektes wurde für die Verkehrsträger Straße, Wasserstraße und Schiene ein verkehrsträgerübergreifendes Konzept für ein indikatorgestütztes LzM-System erarbeitet, wobei sich drei Teilprojekte (TP) unterscheiden lassen. Im TP Objekt wird das Einzelobjekt (z. B. Brücke oder Wehranlagen) als Bauwerk innerhalb eines Netzes und dessen zeitabhängige Zustandsentwicklung betrachtet. Im TP Netz wird die strategische Planung von Prävention-, Unterhalts- und Instandhaltungsmaßnahmen auf der übergeordneten Netzebene behandelt. Eine besondere Herausforderung stellt das TP Schnittstelle, d. h. die Verknüpfung der Netzebene mit der Objektebene dar. Diese Verknüpfung ist eine wichtige Voraussetzung für die Abstimmung strategischer und operativer Maßnahmen im Rahmen des LzM der Verkehrsinfrastrukturbauwerke. Für die Funktionalität des LzM-Systems ist ein einheitliches Bewertungssystem bzgl. des baulichen Zustands und der Verfügbarkeit der Verkehrsbauwerke unabdingbar. Große Herausforderungen stellen dabei der barrierefreie Austausch, die Verarbeitung und die Interpretation der erhobenen Daten von Objekt- auf Netzebene und vice versa dar. Es wurde hierfür ein modularer Prozess entwickelt, dessen Grundstruktur durch zusätzliche Module erweiterbar ist. Der kontinuierliche Verbesserungsprozess (KVP) ist in vier Phasen Plan, Do, Check und Act ausgestaltet (PDCA-Zyklus). Sie dienen der klaren Strukturierung und Trennung zwischen den Planungs- und Ausführungsebenen. In Plan wird festgelegt, welche Ziele verfolgt und wie sie erreicht werden können. Unter Do wird die Ausführung festgelegt. In Check wird die Zielerreichung überprüft und in Act wird auf die Ergebnisse reagiert.
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Lagerwege von Brücken
(2021)
Der ständige Wechsel der klimatischen Einflüsse verursacht in Brücken instationäre Temperaturverteilungen. Dadurch entstehen Dehnungen im Bauwerk, die Verformungen und ggfs. Zwangsbeanspruchungen hervorrufen. Durch die Anwendung von Berechnungsmethoden und Eingangsparameter nach aktuellen Normen sollen die berechneten Lagerwege ausreichende Reserven gegenüber den tatsächlichen aufweisen. Um diese Reserven zu quantifizieren, werden Messungen an verschiedenen Brücken mit unterschiedlichen Bauweisen und Längen durchgeführt.
Die an vier Brücken über 19 Monate gemessenen Temperaturen und Lagerwege sind deutlich geringer als die Kapazität der Lager sowie der nach aktuellen Normen berechneten temperaturinduzierten Verschiebungen.
Umwelt- und Standorteinflüsse, wie einseitige Sonneneinstrahlung oder querende Gewässer unterhalb des Bauwerks, beeinflussen die oberflächliche Bauwerkstemperatur und somit die Lagerverdrehung, haben jedoch keinen nennenswerten Einfluss auf die Lagerverschiebung.
Die ermittelten Wärmeausdehnungskoeffizienten weichen zwischen -6 % und +17 % von den normativen Werten ab.
Eine Berechnung der Lagerwege mit dem Berechnungsmodell nach DIN EN 1991-1-5 und gemessenen Bauwerkstemperaturen bestätigt eine gute Übereinstimmung.
Mithilfe der Lufttemperaturen naheliegender Wetterstationen des Deutschen Wetterdiensts wurden standortbezogene Bemessungswerte der Luftschattentemperatur ermittelt. Diese Maximaltemperaturen sind um ca. 2 °C größer, während die Minimaltemperaturen um ca. -4,5 °C kleiner sind. Eine Berechnung nach DIN EN 1991-1-5 mit diesen Bemessungstemperaturen führt zu ca. 8 % größeren Lagerwegen.
Es wird empfohlen, die Bemessungswerte der Außenlufttemperatur für Deutschland kleinskaliger und mit den Klimadaten der letzten drei Jahrzehnte auszuwerten, um Abweichungen zu den gültigen Werten zu identifizieren. Auch sollten die Wärmeausdehnungskoeffizienten von weiteren Brücken anhand von Messdaten ermittelt werden, um die normativen Werte zu prüfen.
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Dieser Bericht beschreibt ein Konzept zur Bestimmung des Nutzens von Monitoringüberwachung an Brückenbauwerken. Infrastrukturbetreiber sind mit alternder Infrastruktur und knappen Ressourcen für Unterhalt und Instandsetzung konfrontiert. Um den Ressourceneinsatz zu optimieren, kann die Entscheidungsfindung bei Unterhalts- und Instandsetzungsfragestellungen durch Monitoring-überwachungen unterstützt werden: dank dem Monitoring stehen bessere Informationen zum Bauwerkzustand und dessen Entwicklung zur Verfügung, die es erlauben Unterhalt und Instandsetzungen optimal zu planen und umzusetzen. Monitoringmaßnahmen verursachen aber auch Kosten, und es stellt sich die Frage nach der Wirtschaftlichkeit der Monitoringmaßnahmen. Diese
Frage ist nicht einfach zu beantworten, weil der Nutzen
stark kontextabhängig ist. Folgende Einflussgrößen
müssen dabei berücksichtigt werden: die Schädigung der Brücke und deren erwartete zeitliche Entwicklung, die Zuverlässigkeit der Brücke, sämtliche Wirkungen der Brücke auf übergeordnete Systeme (Verkehrssystem, Gesellschaft, Wirtschaft, Umwelt), die Kosten der Instandsetzung und
nicht zuletzt die Installations- und Unterhaltskosten
des Monitorings. Das in diesem Forschungsbericht entwickelte Konzept erlaubt es, den Nutzen von Monitoringmaßnahmen
in Funktion von diesen Einflussgrößen zu bestimmen. Das Konzept basiert auf der Value of Information Analyse, die ihrerseits auf der Bayes’schen prä-posteriori Entscheidungsanalyse aufbaut. Das Konzept ist praxisnah aufgebaut und berücksichtigt das etablierte Expertenwissen. Das Konzept nutzt das Schwellwertmonitoring und ist
allgemein ausgelegt, um breit anwendbar zu sein. Es ist nicht schadensspezifisch, monitoringsystemspezifisch oder brückentypspezifisch. Getroffene Annahmen und Vereinfachungen zielen darauf ab, das Konzept für die Bestimmung des Nutzens bei bestehender Brückenvorschädigung in der Praxis ohne vertiefte Kenntnisse der probabilistischen Modellierung und der Zuverlässigkeitsrechnung anwendbar zu machen. Dabei wird insbesondere darauf geachtet, welche Informationen dem Entscheidungsträger vor der Installation des Monitoringsystems zur Verfügung stehen und verwendet werden können. Nach den einleitenden Kapiteln werden in Kapitel 2 die Grundlagen im Rahmen einer Literaturrecherche
zusammengestellt. Die Bestimmung der Kosten infolge von Verkehrsbehinderungen hat dabei eine große Bedeutung.
In Kapitel 3 wird die Bayes’sche Entscheidungsfindung
und deren Anwendung auf die Nutzenbestimmung von Monitoring erläutert.
In Kapitel 4 wird das Konzept zur Bestimmung der
Wirtschaftlichkeit von Monitoringmaßnahmen dargelegt. In Kapitel 4 wird auch die Kostenbestimmung infolge von Verkehrsbehinderungen unter Verwendung von Informationen aus einem Verkehrsmodell erklärt.
In Kapitel 5 wird eine Methode dargestellt, mit der sich ohne automatisierte Berechnung im Verkehrsmodell die gesamtwirtschaftlichen Effekte ermitteln lassen.
In Kapitel 6 ist die Umsetzung des Konzepts in einem Microsoft Excel-Tool detailliert beschrieben.
In Kapitel 7 und 8 wird das Konzept und das Excel-
Tool auf zwei reale Praxisbeispiele angewendet.
Anhand der beiden Beispiele wird exemplarisch die
Wirtschaftlichkeit der Monitoringstrategie untersucht.
Basierend darauf wird eine Entscheidungsempfehlung
für oder gegen die Installation des Monitoringsystems gegeben.
In diesem Forschungsauftrag wurde ein einfach anzuwendendes
und praxistaugliches Konzept entwickelt, um den wirtschaftlichen Nutzen von Monitoring zu bestimmen. Abschließend wurden aufgrund der Erkenntnisse aus diesem Forschungsprojekt weitere Forschungs- und Entwicklungsmöglichkeiten identifiziert.
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Verursacht durch die alternde Bausubstanz, den kontinuierlich gestiegenen Schwerlastverkehr, in Verbindung mit vorhandenen Defiziten bestehender Straßenbrücken, wird der Ersatzneubau zunehmend an Bedeutung gewinnen. Die Umsetzung von Ersatzneubauten verursacht gegenwärtig starke Verkehrsbeeinträchtigungen, da diese in aller Regel vor Ort am vorhandenen Brückenstandort hergestellt werden.
In dem vorliegenden Projekt wurden neben der Darstellung des gegenwärtigen Vorgehens für den Ersatzneubau von Betonbrücken schwerpunktmäßig innovative und nachhaltige Bauweisen und Bauverfahren entwickelt, welche die Verkehrseinschränkungen und die Bauzeit am Bauwerksstandort stark verkürzen. Es erfolgte dabei die Betrachtung der vier auf deutschen Autobahnen am häufigsten realisierten Systeme: Rahmen bis 30 m Stützweite, Einfeldbauwerke mit einer Gesamtlänge zwischen 10 m – 30 m, Zweifeldbauwerke mit einer Gesamtlänge bis 70 m und Dreifeldbauwerke mit einer Gesamtlänge von bis zu 100 m.
Das derzeitige Vorgehen wurde mit den innovativen Ansätzen über eine Bewertungsmatrix, auch unter Berücksichtigung der Nachhaltigkeit verglichen und entsprechende Vorzugslösungen herausgearbeitet.
Für die vier Tragsysteme wurden auf Grundlage der bewerteten Varianten Bauweisen und Verfahren ausgewählt und daraus Konzepte für die Realisierung erarbeitet. Im Einzelnen ist für jedes Tragsystem ein Konzept in Form eines Bauwerksentwurfes entwickelt worden. Im Ergebnis der Konzeptbearbeitung ist festzustellen, dass durch Modularisierung der Bauwerke und Verlagerung der Fertigung in ein Fertigteilwerk und der Einsatz von geeigneten Bauverfahren, wie dem Verschubverfahren, die Verkehrseinschränkungen in einem erheblichen Maß reduziert werden können. Gleichzeitig führt die Verringerung der Verkehrseinschränkung auch dazu, dass die durch baustellenbedingte Staus verursachten CO2-Emissionen erheblich reduziert werden können.
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Bei der ersten Bauwerksprüfung nach dem Austausch des Brückenbelags wird bei Stahlbrücken häufig eine überproportional hohe Anzahl an Schweißnahtrissen in der orthotropen Fahrbahnplatte festgestellt. Die naheliegende Vermutung ist, dass diese Schäden im Zusammenhang mit den Beanspruchungen stehen, die beim Austausch des Brückenbelags entstehen.
Relevante Beanspruchungen können beim Entfernen des alten Brückenbelags, z. B. durch die dynamischen Belastungen beim Fräsen oder beim Einbau des neuen Brückenbelags, durch die thermische Belastung beim Einbau des Gussasphaltes oder ggf. beim Walzen, z. B. durch die dynamischen Belastungen beim Verdichten von Walzasphalt-Deckschichten auftreten.
Verschärft wird die Problematik durch die Entwicklung von immer leistungsfähigeren Maschinen wie Hochleistungsfräsen oder Asphalt-Fertiger mit immer breiteren Einbaubohlen.
Im Rahmen des Forschungsprojekts werden Grundlagen für weiterführende Untersuchungen zum Thema „Beanspruchung von Stahlbrücken beim Austausch des Brückenbelags“ erarbeitet und dargestellt. Im Mittelpunkt steht dabei die Temperaturbelastung der Stahlkonstruktion infolge des „Einbaus des neuen Brückenbelags“.
Zu diesem Zweck wurden verschiedene Erneuerungsmaßnahmen fachtechnisch begleitet, um den Prozessablauf zu dokumentieren und um exemplarische Temperaturverteilungen in der orthotropen Fahrbahnplatte während des Asphalteinbaus zu ermitteln. Dabei handelt es sich um folgende Bauwerke:
• Rheinbrücke Leverkusen
Einbau einer Deckschicht aus Gussasphalt am 20.05.2016.
• Wiehltalbrücke
Fräsen, Einbau einer Deckschicht aus lärmreduziertem Porous Mastix Asphalt (PMA), Walzen am 17.07.2017.
• Rheinbrücke Duisburg-Neuenkamp
Einbau einer Deckschicht aus Gussasphalt am 15.08.2017.
• Hochmoselbrücke
Einbau einer Schutzschicht aus Gussasphalt am 28.06.2019.
Die daraus ermittelten Ergebnisse bilden eine erste Grundlage für weitergehende numerische Parameterstudien. Darüber hinaus werden Empfehlungen für zukünftige Baumaßnahmen gegeben.
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Für den äußeren Korrosionsschutz von vollverschlossenen Seilen werden üblicherweise ausschließlich für diesen Zweck zugelassene Beschichtungssysteme verwendet. Das hier beschriebene Wickelverfahren mit Korrosionsschutzbändern stellt eine interessante Alternative dar, vor allem, wenn dadurch bei Bestandsbauwerken auf umfangreiche Rüstarbeiten verzichtet werden kann. Die wesentlichen Voraussetzungen für eine erfolgreiche Anwendung dieses Verfahrens werden am Beispiel von Erhaltungsmaßnahmen an der Talbrücke Obere Argen aufgezeigt.
Das Korrosionsschutzsystem besteht aus zwei Lagen von Butylkautschukbändern, die jeweils mit 50%iger Überlappung um das Seil gewickelt werden. Da die Applikation mit Hilfe eines Wickelroboters vollautomatisch erfolgt, sind keine Gerüste, Hubsteiger, Einhausungen oder sonstige Maßnahmen notwendig, wodurch sich erhebliche Kosten- und Zeitvorteile ergeben können. Bei den Anschlüssen an den Verankerungen im Anfangs- und Endbereich der Seile werden die Korrosionsschutzbänder mit Hilfe eines Handwickelgerätes aufgebracht. Um die Haftung der Bänder auf der Seiloberfläche in diesen Bereichen zu optimieren, erfolgt hier in der Regel eine Grundbeschichtung mittels Primer.
An 22 Schrägseilen der Talbrücke Obere Argen wurde der Korrosionsschutz mittels des Wickelverfahrens erneuert. Im Vergleich zu der bisher aufgebrachten Beschichtung stellt dies mindestens eine gleichwertige Alternative dar.
Aufgrund der guten Erfahrungen und in Anbetracht der möglichen Minimierung von Verkehrseinschränkungen wird eine entsprechende Fortschreibung der ZTV-ING Teil 4 Abschnitt 5 „Korrosionsschutz von Brückenseilen“ empfohlen. Solange jedoch die Umwicklung von vollverschlossenen Seilen mit Korrosionsschutzbändern hier noch nicht geregelt ist, darf dieses Verfahren im Zuständigkeitsbereich des BMVI nur mit einer Zustimmung im Einzelfall erfolgen. Der vorliegende Bericht enthält Empfehlungen und Hinweise, die zur Vereinfachung und Beschleunigung dieses Prozesses beitragen sollen.
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Verfahren und Modelle zur Quantifizierung der Zuverlässigkeit von dauerüberwachten Bestandsbrücken
(2020)
Die Dauerüberwachung wurde schon in der Vergangenheit als eine mögliche Kompensationsmaßnahme zur Sicherstellung von Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit erkannt. Dabei soll die Überwachungsanlage eine Warnmeldung auslösen, wenn der Brückenzustand kritisch wird. Durch die rechtzeitige Umsetzung von Maßnahmen soll das Brückenversagen dann verhindert werden. Die Versagenswahrscheinlichkeit des Bauwerks ist folglich geringer, da zusätzliche Information aus Dauerüberwachung vorliegen. Die Quantifizierung dieser Versagenswahrscheinlichkeit war bislang nicht möglich. Das Ziel dieser Arbeit war, eine Methode zur Quantifizierung der Zuverlässigkeit von dauerüberwachten Brücken vorzuschlagen. Im Zuge dieser Arbeit wurden u. a. die bestehenden Überwachungsmaßnahmen analysiert und Bewertungsmethoden verglichen. Dazu wurde eine Population aus 100 Brücken eines Typs künstlich erstellt und analysiert. Die vorgeschlagene Methode zur Quantifizierung der Zuverlässigkeit von dauerüberwachten Brücken geht von zwei Arten des möglichen Versagens der Überwachungsmaßnahme aus. Erstens, dass trotz Analyse der Überwachungsdaten ein gravierender Schaden nicht erkannt wird und es zum Versagen kommt; und zweitens, dass nicht genug Zeit bleibt, eine risikoreduzierende Maßnahme umzusetzen. Es wurde eine Methode vorgeschlagen, die die Versagenswahrscheinlichkeit in beiden Fällen quantifiziert. Dabei werden gewisse Annahmen, z. B. bezüglich des Versagensmechanismus und der Extremwertverteilung der Verkehrslast und der Indikatoren, getroffen. Die Auswirkungen von lastbedingten Schädigungen auf die gemessenen Indikatoren werden hierbei durch FE-Simulationen bestimmt. Mögliche Ausfälle der Anlage werden durch Verlängerung der nötigen Erfassungsdauer berücksichtigt.
Die Datengrundlage dazu wurde durch Erfahrungswerte der Ausfallraten, die im Rahmen des Projektes durch eine Umfrage erhoben wurden, gebildet. Unsicherheiten der Messwerterfassung werden bei der Festlegung der Schwellwerte berücksichtigt. Die Methode wurde am Fallbeispiel der Hochstraße Gifhorn angewandt und der Zugewinn der operativen Zuverlässigkeit durch die Überwachungsmaßnahme wurde ermittelt.
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Als Fugenfüllungen für die Fugen zwischen dem Asphaltbelag und dem Schrammbord werden in den ZTV Fug-StB 01 heiß verarbeitbare elastische Fugenmassen vorgeschrieben. Bei Fugenspaltbreiten ab 15 mm sind zwischen den Fugenfüllungen neben der Schutzschicht und den Fugenfüllungen neben der Deckschicht als Unterfüllstoff rechteckige Profile oder Trennstreifen vorzusehen. Dieser eingelegte Unterfüllstoff oder Trennstreifen soll die Drei-Flanken-Haftung der Fugenfüllung verhindern, da hierdurch die Spannungen an den Fugenflanken vergrößert würden, was zu einem Ablösen der Fugenflanken führen könnte. Die Verwendung der Unterfüllstoffe und Trennstreifen ist aber nicht unproblematisch, da Wasser, welches durch kleine Schäden in die Fugen eindringt, sich entlang des Unterfüllstoffes verteilen kann. Der Schrammbord wird über große Längen geschädigt, wobei diese Schädigung evtl. lange Zeit unerkannt bleibt. Im Rahmen des Forschungsprojektes 98222 "Bewegungen der Randfugen auf Brücken" hat sich aus der Gegenüberstellung der tatsächlich gemessenen mit den sich aus den Abmessungen der Randfugen ergebenden theoretisch möglichen Fugenbewegungen gezeigt, dass die Fugenfüllungen der Randfugen auf Brücken bei weitem nicht bis an die Grenze ihrer Dauerfestigkeit belastet werden. Ein Weglassen der Unterfüllstoffe sollte daher theoretisch möglich sein, ohne die Dauerhaftigkeit der Fugenfüllung zu gefährden. Allerdings sind die Bedingungen auf der Baustelle in den meisten Fällen nicht mit den Bedingungen bei der Prüfung der Dauerfestigkeit der Fugenfüllungen im Labor zu vergleichen. Daher treten in der Praxis oftmals Schäden auf. Durch Feldversuche sollte daher im Rahmen dieses Projektes überprüft werden, welche Auswirkungen das Weglassen des Unterfüllstoffes in der Praxis haben kann. Die Ergebnisse der Zustandsbewertung nach circa dreijähriger Liegezeit der Fugenfülllungen zeigen, dass die Unterschiede in der Dauerhaftigkeit der Ausführung der Fugenfüllungen mit und ohne Unterfüllstoff eher geringfügig sind. Eine weitere sporadische Beobachtung der Fugenfüllungen über die nächsten Jahre erscheint angebracht. Eine eindeutige und in allen Fällen zutreffende Beantwortung der Frage, ob die Fugenfüllungen der Randfugen mit oder ohne Unterfüllstoff ausgeführt werden sollen, ist dennoch zurzeit noch nicht möglich. Die bisherigen Ergebnisse machen jedoch deutlich, dass die Sorgfalt beim Einbau den weitaus größten Anteil an der Dauerhaftigkeit der Fugenfüllungen hat.
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Fußplatten sind Konstruktionsteile aus Stahl, die der Verankerung von Stahlschutzplanken auf Brücken dienen. Zum Schutz vor Korrosion werden sie feuerverzinkt. Seit Anfang 2000 gehen bei der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) vereinzelt Meldungen über vorzeitige Kantenkorrosion solcher Fußplatten ein. Im Rahmen dieses Projektes wurden Dokumentationen über die Bauwerke erstellt, an denen Kantenkorrosion an Fußplatten der BASt gemeldet wurden. Einige Fußplatten wurden Untersuchungen im Labor unterzogen. Korrosion von Fußplatten breitet sich in der Regel von den Kanten aus, wobei meistens die verkehrzugewandten Kanten betroffen sind. Die Ursachen hierfür sind komplex. Zweifelsohne spielen korrosive Belastung durch Chloride aus den tauenden Streustoffen und Ansammlungen von Straßensedimenten eine wesentliche Rolle. Trotz dieser starken Korrosionsbelastung bleiben Fußplatten an den Bundesautobahnen in der Regel jahrzehntelang rostfrei. In seltenen Fällen tritt eine vorzeitige Korrosion an Fußplatten auf. Als Auslöser dafür werden Unregelmäßigkeiten im Aufbau des Zinküberzuges vermutet. Die Ursache dafür konnte nicht ermittelt werden. Beim Auftreten von Kantenkorrosion an Fußplatten wird empfohlen, die betroffenen Flächen mechanisch von Rost zu befreien und mit einem zinkstaubhaltigen Reparaturbeschichtungsstoff nach DIN EN ISO 1461 zu beschichten. In gravierenden Fällen ist der Austausch der Fußplatten in Betracht zu ziehen.
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Zu den Maßnahmen der Erhaltung des Korrosionsschutzes von Stahlbauten zählen die Ausbesserung, die Teilerneuerung und die Vollerneuerung. Das Ziel dieses Projektes ist es, die vorhandenen Erfahrungen zur Teilerneuerung zusammenzutragen und ausgewählte Maßnahmen im Hinblick auf ihre Bewährung fachtechnisch zu bewerten. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ist nicht Gegenstand dieses Projektes. Im Rahmen des Projektes wurden Teilerneuerungsmaßnahmen der Korrosionsschutzbeschichtungen unter fachtechnischen Aspekten auf ihre Bewährung untersucht. Als Kriterium für die Bewertung von Teilerneuerungsmaßnahmen wurde die Standzeit der teilerneuerten Beschichtung bis zum Erreichen der typischen Zustände für die Entscheidung "Vollerneuerung" nach RI-ERH-KOR festgelegt. Eine Teilerneuerungsmaßnahme gilt als bewährt, wenn eine Standzeit von mindestens 20 Jahren erreicht wird. Teilerneuerungsmaßnahmen zur Erhaltung des Korrosionsschutzes haben sich aus fachtechnischer Sicht bewährt. Sie werden weiterhin unter Beachtung der RI-ERH-KOR zur Anwendung empfohlen.