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Im Rahmen der Erhaltung bestehender Straßen ist die Erfassung und Bewertung der Tragfähigkeit von großer Bedeutung. Zu deren Messung stehen statische, quasistatische und dynamische Verfahren zur Verfügung. Seit etwa 20 Jahren wird weltweit die dynamische Messmethode mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD) angewendet. Die mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD) gemessenen Deflexionen werden meistens unter vereinfachten Annahmen bezüglich der Last, der Materialgesetze für verschiedene Schichten und der dynamischen Effekte analysiert. Um einen Überblick über die wissenschaftlichen Veröffentlichungen zu erhalten, wurde eine Literaturstudie durchgeführt, aus der sich folgende Gliederung ergab: - Arbeits- und Wirkungsweise des FWD, - Rückrechnungsmethoden, - Interpretierbarkeit der FWD-Messergebnisse, - Vergleich verschiedener Rückrechnungsprogramme, - Vergleich verschiedener FWD-Geräte, - Vergleich FWD mit anderen Messverfahren, - Sonstiges. Ein Ergebnis dieser Literaturstudie ist, dass eine theoretische Analyse des FWD-Verfahrens, wie sie in diesem Forschungsvorhaben durchgeführt wurde, noch nicht existiert. Darüber hinaus wurde das FWD-Verfahren detailliert mathematisch-physikalisch analysiert. Anhand der mathematisch-physikalischen Analyse des FWD-Verfahrens wird deutlich, das die E-Moduli elasto-statisch zurückgerechnet werden können. Allerdings kann die Dämpfung ab einer Deflexion von etwa größer gleich 0,4 mm die Messergebnisse des Falling Weight Deflectometer beeinflussen. Wie sich die Dämpfung auf die Messergebnisse auswirkt müsste analysiert werden. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass die Dispersion zu keiner nennenswerten Verfälschung der Impulsform führt. Des weiteren wurden Deflexions-, Einsenkungs- und Krümmungsmessungen auf ehemaligen Untersuchungsstrecken und auf Strecken aus den jungen Bundesländern durchgeführt. Anhand der Messergebnisse auf ehemaligen Untersuchungsstrecken wurden die Schicht-E-Moduli zurückgerechnet und interpretiert. Hierzu wurden folgende Programme verwendet: - Mehrschichtenprogramm, - FWD-Rückrechnungsprogramm, - PROBE90-Programm und - Finite-Element-Programm. Zur Überprüfung der Rückrechnungsergebnisse erfolgten Asphalt-E-Modul-Bestimmungen im Labor.
Bei den Messverfahren für die Tragfähigkeit von Straßenbefestigungen wird bei den jeweils verschiedenen Belastungsarten der Quotient aus der Größe der Last und der sich an der Straßenoberfläche einstellenden vertikalen Einsenkung bestimmt — die Steifigkeit. Anhand der 16 Abschnitte zweier Versuchsstrecken werden die Ergebnisse einer ganzen Anzahl von Tragfähigkeitsmessverfahren miteinander verglichen. Die Verfahren werden beschrieben. Der Verlauf der an der Oberfläche erfassten räumlichen Einsenkungsmulde gestattet im Prinzip die Rückrechnung der Elastizitätsmoduli der einzelnen Schichten einer Straßenbefestigung. Der Grad der Verträglichkeit zwischen gemessenen und mit Hilfe der linearen elastischen Mehrschichtentheorie ermittelten Mulden hängt vom Messverfahren sowie vom Straßenaufbau ab. Für die untersuchten Bauweisen und die verwendeten Messverfahren wird dieser Grad angegeben.
Ansätze zur Bewertung der Restsubstanz und insbesondere der Restnutzungsdauer von Asphaltschichten basieren in der Regel auf Ermüdungshypothesen. Allen Modellen liegt das mit unterschiedlichen Laborverfahren ermittelte Ermüdungsverhalten von Asphaltprobekörpern zugrunde. Im Rahmen dieses Projektes sollte der Effekt der Materialermüdung an Asphaltschichten nachgewiesen werden, die bereits über den Nutzungszeitraum der RStO 86/89 von 20 Jahren hinaus dem Klimageschehen und der Verkehrsbelastung ausgesetzt waren. Dazu wurde ein E-Modul-Vergleich zwischen Asphaltproben aus der äußeren Radspur - dem "belasteten Bereich" - und der Fahrstreifenmitte - dem "unbelasteten Bereich" - durchgeführt. Es wurden 17 Straßen (Bundesstraßen, Landstraßen) mit jeweils 500 m Länge aus dem ehemaligen Forschungsvorhaben der BASt "Langzeitbeobachtungen an ausgewählten Streckenabschnitten" in die Untersuchungen einbezogen. Insgesamt wurden 1320 Probekörper aus der Deck- und Tragschicht der entnommenen Bohrkerne hergestellt und an ihnen mittels Zweipunkt-Biegeversuch der absolute E-Modul bestimmt. Die Auswertung ergab, dass sich beim absoluten E-Modul nach 27 Jahren Verkehrsbelastung keine einheitliche Tendenz zwischen belastetem und unbelastetem Bereich abzeichnete. Genauso häufig wie an Probekörpern aus dem belasteten Bereich ein kleinerer E-Modul bestimmt wurde, galt dies auch umgekehrt, und zwar für die Deckschicht als auch für die Tragschicht gleichermaßen. Häufig war auch kein Steifigkeitsunterschied zwischen beiden Bereichen feststellbar. Diese Ergebnisse werden durch parallel durchgeführte Deflexionsmessungen mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD) bestätigt. Eine Abschätzung oder gar Bestimmung der Restnutzungsdauer von verkehrsgerecht dimensionierten flexiblen Straßenbefestigungen erscheint derzeit nicht möglich. Die Ergebnisse deuten an, dass die Nutzungszeiträume für nach den RStO ausgelegten und ausgeführten Fahrbahnbefestigungen wesentlich länger anzusetzen sind. Die Ermüdung von Asphaltschichten kann dennoch nicht ausgeschlossen werden. Nach den durchgeführten Untersuchungen muss davon ausgegangen werden, dass die Ermüdung in Straßenbefestigungen andersartig und in wesentlich längeren Zeiträumen als bisher angenommen verläuft und geeignetere Übertragungsfunktionen für Ergebnisse aus Laboruntersuchungen auf das Gebrauchsverhalten entwickelt werden müssen. Als ausschlaggebendes Verhaltenskriterium für schwerer belastete Asphaltbefestigungen erweist sich die Spurrinnenbildung. Hieraus kann die Notwendigkeit einer Erhöhung der Widerstandsfähigkeit der Asphaltdecke gegenüber der Spurrinnenbildung abgeleitet werden. Die Notwendigkeit, die Schicht-Konstruktions-dicken von Fahrbahnbefestigungen zu erhöhen, konnte nicht nachgewiesen werden.
Durch die steigenden Verkehrszahlen haben sich die Anforderungen an Brückenbauwerke im Bestand in den letzten Jahren deutlich erhöht. Gleichzeitig ergeben sich heute durch Veränderungen in den Normen geringere rechnerische Querkrafttragfähigkeiten und höhere erforderliche Mindestquerkraftbewehrungen. Dadurch kann die Querkrafttragfähigkeit des Längssystems von bestehenden Brückenbauwerken häufig nicht mehr nachgewiesen werden, sodass Verstärkungsmaßnahmen erforderlich werden. In diesem, von der Bundesanstalt für Straßenwesen geförderten Forschungsvorhaben, wurden daher am Institut für Massivbau der RWTH Aachen experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Einfluss einer externen Längsvorspannung auf die Querkrafttragfähigkeit bestehender Spannbetonbrücken durchgeführt. Für die experimentellen Untersuchungen wurden sechs Teilversuche an drei Zweifeldträgern mit parabelförmigem internen Spannglied und einer Stützweite von jeweils 5,5 m durchgeführt. Zwei der drei Träger wurden zusätzlich durch gerade externe Spannglieder vorgespannt. Durch die Versuche wurde der Einfluss der externen Vorspannung auf die Erstrisslasten und Bruchlasten untersucht. Die Träger wurden zusätzlich in beiden Feldern jeweils unterschiedlich bewehrt, wobei eine Trägerhälfte in etwa mit der nach DIN-FB 102 erforderlichen Mindestquerkraftbewehrung bewehrt war und die andere mit der Hälfte davon. Dadurch konnte auch das Tragverhalten bei nicht vollständig vorhandener Mindestquerkraftbewehrung untersucht werden. Parameterstudien mit Finite Elemente Modellen ergänzen die Versuche, um die Einflüsse aus Vorspanngrad, Querkraftbewehrungsgrad, Betonfestigkeit, Querschnitt und Spanngliedführung auf die Querkrafttragfähigkeit näher zu untersuchen. Auf Grundlage der experimentellen und theoretischen Untersuchungen wurden dann bestehende Bemessungs- und Ingenieurmodelle überprueft und modifiziert.
Gegenwärtig wird in den neuen Bundesländern der vorhandene Straßenbrückenbestand einer umfassenden Tragfähigkeitsbewertung unter Erfassung und Berücksichtigung des aktuellen Bau- und Erhaltungszustandes unterzogen.Im Zuge der Nachrechnung kann bei der Einstufung älterer Plattentragwerke in Lastklassen nach DIN 1072 die Nebentragrichtung bei gleichzeitig vorhandenen Tragreserven der Hauptspannrichtung tragfähigkeitsbestimmend werden. Dies trifft vor allem für solche Bauwerke zu, deren Bemessung auf die Betrachtung eines "Meterstreifens" zurückgeführt wurde, und die aus heutiger Sicht oftmals eine zu geringe Querbewehrung erhielten. Mit einem veränderten Rechenmodell zur Schnittgrößenbestimmung gelingt es, vorhandene Bauwerksreserven zu erschließen. Dazu werden dem Benutzer Hilfsmittel in Form von Schnittgrößentafeln sowie Erläuterungen und Hinweise zur Anwendung des Berechnungsverfahrens zur Verfügung gestellt. Ein Beispiel veranschaulicht die durchzuführenden Bearbeitungsschritte. Die Anwendung der aufgestellten Berechnungshilfsmittel darf auf andere plattenartige Bauweisen, wie nicht randverstärkte Balkenreihen oder Platten mit Stahlträger in Beton, ausgedehnt werden, wenn deren Steifigkeitsverteilungen den getroffenen Festlegungen näherungsweise entsprechen. Das beschriebene Berechnungsmodell erfasst die tatsächliche Tragwirkung der zu untersuchenden Bauwerke mit schwacher Querbewehrung realitätsnäher und unterstützt so eine unter Beachtung des Bau- und Erhaltungszustandes zutreffendere Tragfähigkeitsbewertung bei Einhaltung des vorgeschriebenen Sicherheitsniveaus.
Der Brückenbau in Deutschland kann auf eine lange Tradition in der Überwachung der Bauwerke verweisen und die Entwicklung der Rechentechnik gestattet in immer komplexeren Strukturen die Verwaltung der Bauwerksdaten in Datenbanken. Verfügbare Programmsysteme wie zum Beispiel das Bauwerks Management System erlauben die Erfassung, Verwaltung und Auswertung der Bauwerksdaten. Die Entwicklung der Rechentechnik wird auch durch die Entwicklung der Messtechnik begleitet, so dass zunehmend intelligente Sensorik den Alltag begleitet. Eine automatisierte Messwerterfassung an Bauwerken und deren Auswertung wird Monitoring genannt. Heute existieren sowohl Monitoringsysteme, die sich durch die technische Ausstattung und entsprechende Auswerteverfahren auszeichnen, als auch jeweils getrennte Komponenten. Da schließt das Projektziel an, welches die Analyse der Möglichkeiten des Einsatzes von Monitoringsystemen zur Bewertung des Schädigungszustandes von Brücken für die Tragfähigkeit und die Restnutzungsdauer beinhaltet. Es wird eine Literaturanalyse hinsichtlich existierender Monitoringsysteme mit genannter Zielstellung angefertigt. Im Ergebnis wird festgestellt, dass es gegenwärtig keine Monitoringsysteme gibt, die explizite Aussagen zur Tragfähigkeit erlauben. Die gegenwärtigen Systeme zeigen globale Schädigungen auf und bewerten dann auf der Basis notenähnlicher Strukturen. Im Rahmen des Projektes wird eine Konzept für ein Monitoringsystem entwickelt, welches für konkrete Versagensszenarien - dem Festigkeitsversagen und der Ermüdung - quantifizierte aber unscharfe Aussagen zur Tragfähigkeit und Restnutzungsdauer für die untersuchte Brücke erlaubt. Der Abstand zum Versagen durch Übergang des Tragwerks in einen Bruchzustand (Tragfähigkeit) wird im konzipierten Monitoringsystem durch den Zuverlässigkeitsindex Beta und die Versagenswahrscheinlichkeit Pf beschrieben. Die Restnutzungsdauer bei Tragfähigkeitsminderungen ist implizit bei den veränderlichen Basisvariablen und den Schädigungsverläufen abgebildet. Als Maß für Aussagen zur expliziten Restnutzungsdauer infolge Materialermüdung dienen die Schädigungssumme D und die zugehörige Nutzungsdauer tzD. Zur Abgrenzung sicherer und unsicherer Bereiche werden diese Daten für verschiedene Zeitpunkte im Lebenszyklus des Bauwerkes ermittelt und in Relation betrachtet. Monitoringbasiert werden hierfür Kenndaten des Tragsystems ermittelt und Beanspruchungen durch ergänzende Simulationen des aktuellen Verkehrs abgeleitet. Das Monitoringkonzept sieht den Erkenntnissen der Literaturanalyse folgend dieses Vorgehen als Interaktion von Rechnung, Messung und Auswertung vor. Die Untersuchungen werden in diesem Projekt theoretisch geführt, die empfohlenen Auswertealgorithmen zur monitoringbasierten Bewertung von Tragfähigkeit und Restnutzungsdauer für balkenartige Spannbetontragwerke auf Basis von Beispielen anderer Projekte rechnerisch erprobt.
Zur Untersuchung des Tragverhaltens von Pflasterbefestigungen und ihrer möglichen Optimierung wurden Großversuche an einer Straßenprüfmaschine sowie Laborversuche sowohl unter dynamischer als auch statischer Beanspruchung durchgeführt. Neben einer Modifizierung von Druckschwell- und Spreizversuchen wurde auch ein neues Verfahren - der Pflasterscherversuch - entwickelt, mit dem der horizontale Verschiebungswiderstand von verdichteten Pflasterdecken mit vergleichsweise geringem Aufwand ermittelt werden kann, indem das Pflaster auf der Bettung unter kontinuierlicher Erfassung des Kraft-Verformungsverhaltens abgeschert wird. Mit den Ergebnissen der Untersuchungen konnte der Einfluss der einzelnen Komponenten einer Pflasterdecke - Pflastersteine, Bettung, Fugen und Verband - auf deren vertikalen Verformungs- und horizontalen Verschiebungswiderstand ermittelt werden. Insgesamt wurde festgestellt, dass die Tragfähigkeit einer Pflasterbefestigung maßgeblich durch die Steifigkeiten der einzelnen Schichten beeinflusst wird. Um die Steifigkeit der Pflasterdecke selbst zu erhöhen, sind Mineralstoffe mit hohem Scherwiderstand und ausreichender Kornfestigkeit zu verwenden (beispielsweise gebrochene Gemische der Körnung 0/ 8 mm) und die Bestandteile der Pflasterdecke so zu kombinieren, dass eine möglichst große Verbundwirkung zwischen den einzelnen Pflastersteinen entsteht. Demgegenüber wird die Standfestigkeit bei horizontaler Beanspruchung größtenteils durch eine ausreichende Einbettung der Pflastersteine in das Bettungsmaterial (zum Beispiel mit einer Bettung der Körnung 0/5 mm) und einen möglichst hohen Reibungswiderstand zwischen den Mineralstoffen von Bettung und Fuge einerseits und den Pflastersteinen andererseits sowie eine lastverteilende Anordnung der Steine positiv beeinflusst. Um den Aufbau einer Pflasterdecke im jeweiligen Anwendungsfall zu optimieren, können im Rahmen von Voruntersuchungen der vertikale Verformungswiderstand von Bettungs- und Fugenmaterialien vereinfachend mit einem Druckschwellversuch unter behinderter Seitendehnung sowie der horizontale Verschiebungswiderstand einer Decke mit dem neu entwickelten Pflasterscherversuch überprüft werden
Um ein zuverlässiges Straßennetz aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, neue innovative Ansätze in das Erhaltungsmanagement der Brückenbauwerke im Bundesfernstraßennetz zu integrieren und weiterzuentwickeln. Ergänzend zu den turnusmäßigen Bauwerksprüfungen nach DIN 1076 wird daher ein adaptives Konzept bereitgestellt, das es ermöglichen soll zum einen Zustandsveränderungen frühzeitig zu erfassen und zu bewerten und zum anderen mit Hilfe von erfassten Einwirkungen und Widerständen zukünftige Zustandsentwicklungen zu prognostizieren. Die zu konzipierenden Systeme setzen sich im Wesentlichen aus der Datenerfassung mit Hilfe von Sensorik und den zur echtzeitnahen Verwendung und Bewertung notwendigen Modellen zusammen. Im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte wurden einzelne Bausteine eines solchen adaptiven Systems erarbeitet.
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.
Während bei Schrägseilbrücken in Deutschland bis 2004 nahezu ausschließlich vollverschlossene Spiralseile (VVS) verwendet wurden, kommen bei den jüngsten Bauwerken mitunter spezielle Zugelemente zum Einsatz, die den Spanngliedern im Spannbetonbau ähneln. Sie werden aus einzelnen geschützten Litzen hergestellt und infolgedessen als Litzenbündelseile (LBS) bezeichnet. Im Rahmen des vorliegenden Beitrags werden die Vor- und Nachteile der beiden Bauarten dargestellt, um den Straßenbauverwaltungen der Länder eine Entscheidungshilfe für zukünftige Ausschreibungen zur Verfügung zu stellen. Die gesamte Betrachtung beschränkt sich daher auf die in Deutschland vorgesehenen Systeme und Ausführungsdetails. Nach einer Analyse der beiden Bauarten werden die Systeme gegenübergestellt und verglichen. Die Analyse erfolgt für beide Seiltypen analog. Nach einer technischen Beschreibung und einer Erläuterung der maßgeblichen Regelwerke werden beide Systeme anhand von Anwendungen in der Praxis veranschaulicht: die vollverschlossenen Spiralseile am Beispiel eines Seilaustauschs an der Rheinbrücke Flehe und die Litzenbündelseile am Beispiel des Neubaus der Rheinbrücke Wesel. Anschließend wird jeweils auf entscheidende Leistungsmerkmale von Brückenseilen eingegangen. An diesen Leistungsmerkmalen ist daraufhin auch die Gegenüberstellung der beiden Bauarten ausgerichtet. Im Einzelnen stehen hier folgende Aspekte im Mittelpunkt: Sicherheit/Redundanz, Schwingungsverhalten, Dauerhaftigkeit, Erhaltung und Ertüchtigung sowie Wirtschaftlichkeit. Als Ergebnis wird deutlich, dass sowohl VVS als auch LBS höchsten Anforderungen hinsichtlich Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit genügen und dass Unterschiede in der Wirtschaftlichkeit von projektspezifischen Rahmenbedingungen abhängen.