61 Unterhaltung und Instandsetzung
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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.
Die Erhaltung von Bauwerkssubstanz im Zuge von Verkehrswegen gewinnt zunehmend an Bedeutung. Die wirtschaftliche Optimierung der Planung und Durchführung von Erhaltungsmaßnahmen erfordert die frühzeitige Erkennung von Schäden, die Abschätzung von Schadensentwicklungen, die Vermeidung von Schadensvergrößerungen und die planmäßige und wirtschaftliche Vermeidung oder Beseitigung von Schäden. Der Hauptanteil der Finanzmittel wird für Arbeiten an Betonoberflächen verwendet. Um eine dauerhafte Instandsetzung zu erzielen, ist vor der Einleitung der notwendigen Maßnahmen eine Schadensanalyse durchzuführen, die die Kenntnis der Struktur des vorliegenden Betons voraussetzt. Die bisherigen Verfahren haben unter anderem den Nachteil, dass das Verpressharz nicht ausreichend tief in die Proben eindringt. Zielsetzung dieses Projekts ist die Entwicklung eines neuen Verpressverfahrens, mit dem die vorhandene Betonstruktur von Bauwerken bis in größere Tiefen zu erfassen und leichter und besser zu analysieren ist. Das Verpressverfahren mit fluoreszierendem Harz ermöglicht die Analyse an ungestörten Proben. Mit diesem Verfahren können nahezu alle weiteren porösen Materialien verpresst werden, also auch Naturstein für den Denkmalschutz und Asphaltbeton im Straßenbau. Das mit Harz verpresste Porensystem kann unter dem Mikroskop bei ultraviolettem Auflicht sichtbar gemacht und so Hohlräume, Poren und Risse abgebildet werden.
Kategorie-1-Schäden bei orthotropen Fahrbahnplatten treten als bauweisenunabhängige Schäden in Form von Rissen im Anschlussbereich Deckblech-Längsrippe auf. Zur Vermeidung dieser Schäden sind geeignete Instandsetzungsmaßnahmen zu entwickeln, die zu einer Verminderung der Spannungen und Durchbiegungen in den gefährdeten Bereichen führen. Im Rahmen eines aktuellen Forschungsvorhabens an der Universität Duisburg-Essen wird der Ansatz verfolgt, einen modifizierten Fahrbahnbelag bestehend aus einem mit Epoxydharz oder alternativ mit Bioharz verfüllten Asphalttraggerüsts mit erhöhter mittragender Wirkung einzusetzen. Des Weiteren wird im vorliegenden Beitrag der Einsatz von Betonfertigteilen aus UHPC erläutert.
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.
Der Beitrag behandelt ein Forschungsvorhaben, das die Instandsetzung und Ertüchtigung von Stahlbrücken, deren orthotrope Fahrbahntafeln durch Rissbildung beschädigt sind, die vorzugsweise im Bereich von Schweissnähten zwischen den Anschlüssen der Längsrippen und dem Deckblech aufgetreten ist, zum Ziel hat. Ursache der Schäden sind Materialermüdung infolge des stark gestiegenen Verkehrsaufkommens schwerer Fahrzeuge gegenüber der Bauzeit in den sechziger Jahren und die seitdem erheblich gestiegenen Achslasten. Durch das kraftschlüssige Aufkleben von Stahlblechen auf das Deckblech sollen dessen Steifigkeit erhöht und damit die Durchbiegungen verringert werden. Die Spannungen in den anschliessenden Schweissnaehten nehmen ab und können bei ausreichender Dicke des aufzuklebenden Bleches auf eine nicht mehr ermüdungsrelevante Größenordnung zurückgefuehrt werden. Wegen der sehr komplexen Gesamtaufgabe wurden die Untersuchungen in vier Teilbereiche aufgegliedert: 1. Computer-Simulation der Beanspruchung einer orthotropen Platte unter einem normierten Ermüdungslastmodell. 2. Optimierung der Klebtechnologie. 3. Dauerfestigkeitsuntersuchungen (Versuche). 4. Entwicklung und Prüfung von Konstruktionsdetails. Die Projekte 1 und 2 sind bereits erfolgreich abgeschlossen. Das Projekt 3 steht kurz vor dem Abschluss (10/2005). Projekt 4 wird in 2006 durchgeführt.
Im Beitrag wird über Rissbildungen in orthotropen Fahrbahnplatten, die im "Schubzahn" des Querträgerstegblechs von den Anschlussschweissnähten trapezförmiger Längsträger ausgehen, berichtet. Der Rissausgangspunkt liegt im Bereich der Ausnehmung des Querträgersteges für die durchlaufenden Längsträger. Durch Optimierung der Querträgerausnehmung und örtliche Verstärkung (Aufpflasterung) des Querträgerstegblechs im Bereich des Schubzahnes soll eine dauerhafte Instandsetzung der aufgetretenen Schäden ermöglicht werden. Durch genauere numerische und versuchstechnische Untersuchungen soll diese Aussage untermauert werden. Einzelheiten der bereits durchgeführten Untersuchungen werden mitgeteilt.
Die Lastübertragung von den Fahrzeugrädern auf die Fahrbahntafel wird beschrieben, und es wird eine Übersicht der ermüdungsempfindlichen Schweissnahtbereiche von Deckblech, Längssteifen und Querträgern gegeben. Die charakteristischen Schwachpunkte der Schweissverbindungen werden in Skizzen dargestellt.
Die Brücke hat eine Länge von 660 Metern und überquert das Haseltal mit einer maximalen Höhe von 70 Metern. Sie ist ein Durchlaufträger über sieben Felder mit Stützweiten von 5 x 101,60 Metern für die Mittelöffnungen und 2 x 76,20 Metern für die Endfelder. Zwei im Abstand von 18,53 Metern angeordnete vollwandige Hauptträger unterstützen die als orthotrope Platte ausgebildete 29,30 Meter breite Fahrbahntafel. Die seitlichen Kragarme sind über 5 Meter weit gespannt. Erbaut wurde die Brücke in den Jahren 1959 bis 1961. Die konstruktive Ausbildung des Überbaus wird im Einzelnen beschrieben. Auffällig ist das geringe Flächengewicht des Überbaus von nur 248 Kilogramm je Quadratmeter. Beschrieben wird zunächst der Bauablauf mit einigen Besonderheiten, ausserdem die Prüfungen während der Bauausführung und der Zustand des Bauwerks zum Ablauf der zehnjährigen Gewährleistungszeit. Bei einer Hauptprüfung des Überbaus wurden 1983 neben anderen Schäden zahlreiche systematische Risse, besonders in den Schweissnähten festgestellt, die 1985 bis 1988 zu einer umfangreichen Instandsetzung führten. Im Jahre 2002 wurden erneut viele Risse in den Schweissnähten gefunden, die umgehend wieder instand gesetzt wurden. Es wurden jährliche Sonderprüfungen angeordnet und wegen des desolaten Zustandes des Überbaus ein Neubau beschlossen. Einzelheiten zu den Schadensursachen, die durch Gutachten und Versuche festgestellt wurden, werden dargestellt.
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.
Sofern Risse in Spannbetonüberbauten die Spannbewehrung kreuzen, bedarf es zunächst einer eingehenden Ursachenforschung mit Beurteilung des Ist-Zustandes sowie Angaben zu eventuell notwendigen Instandsetzungsmaßnahmen. Bisher wurden die der Beurteilung zugrunde gelegten Annahmen von den jeweils eingesetzten Gutachtern zum Teil unterschiedlich getroffen, was zu ungleichen Aussagen führte. Zur Erzielung eines bundeseinheitlichen Erhaltungsstandards ist daher eine Handlungsanweisung erforderlich, die einheitliche Annahmen für die Nachrechnung, Beurteilung und die Art und Weise des Vorgehens vorgibt. Die Anweisung behandelt: 1. Die Bestandsaufnahme mit Datenaufbereitung und Berechnungen. Das Ergebns ist eine Beschreibung des Ist-Zustandes des Bauwerks ohne Bewertung, ob eine Instandsetzung notwendig ist. 2. Beurteilung der untersuchten Querschnitte hinsichtlich der Notwendigkeit einer Instandsetzung und, sofern erforderlich, Festlegung der Instandsetzungsart im Rahmen einer gutachterlichen Stellungnahme. Die einzelnen Arbeitsschritte zu 1. und 2. werden beschrieben. Die durchzuführenden Maßnahmen, entweder nur Abdichtung des Risses oder Verstärkung der Zusatzbewehrung aus Betonstahl oder Spannbewehrung, werden kurz beschrieben.
Im Rahmen des AP-Projektes sollten Fragen zur Dauerhaftigkeit von permanenten AGS beantwortet werden. Für die dazu erforderlichen Untersuchungen wurden sechs permanente AGS aus dem Verzeichnis der geprüften AGS ausgewählt. Die Graffitiprophylaxen dieser AGS wurden auf Prüfkörpern aus Beton appliziert und der Freibewitterung ausgesetzt. Die farblichen Veränderungen der Prüfplatten im Zuge der Untersuchungen wurden messtechnisch erfasst. Die Applikationen der Graffitiprophylaxen auf die Prüfkörper lassen das Erscheinungsbild generell dunkler erscheinen. Die Bandbreite reicht von kaum wahrnehmbaren Verdunkelungen bis hin zu starken Verdunkelungen. Die Betrachtung der Ergebnisse nach fünfjähriger Freibewitterung zeigt kein einheitliches Bild. Bei drei AGS wurde eine weitere Verdunkelung der Graffitiprophylaxe festgestellt, während bei 2 AGS eine deutliche Aufhellung der Graffitiprophylaxe festgestellt wurde. Bei einem AGS traten großflächige Ablösungen auf, so dass eine Bewertung der farblichen Veränderungen entfällt. Als Folge der Freibewitterung hat sich lediglich bei einer Graffitiprophylaxe eine Tendenz zur Vergilbung gezeigt. Die schichtbildenden Graffitiprophylaxen (5 AGS) wurden nach Ende der Freibewitterungszeit visuell hinsichtlich Ablösungen, Risse und Blasen bewertet. Bei drei AGS lautet das Ergebnis keine Ablösungen, keine Risse, Blasengrad m0/g0. Bei einem AGS wurden Ablösungen und Risse festgestellt. Ein AGS zeigte großflächige Ablösungen. Die Funktionalitätsprüfung, das heißt die Prüfung der Entfernbarkeit von aufgetragenen Farbmitteln wurde im Abstand von 4 Monaten durchgeführt. Bei zwei AGS wurden nach fünfjähriger Freibewitterung und 15 Reinigungszyklen die Anforderungen an die Funktionalität sehr deutlich erfüllt. Ein weiteres AGS erfüllt die Funktionalität bis zum 15. Zyklus, lediglich bei der Betrachtung der Einzelfarbflächen kommt es beim 15. Zyklus zu einer geringfügigen Überschreitung des Grenzwertes. Zwei AGS zeigen zunächst sehr gute Ergebnisse, erfüllen dann aber nach 28 beziehungsweise 40 Monaten plötzlich die Anforderungen an die Funktionalität nicht mehr. Bei einem AGS ist von Beginn an eine stetige Abnahme der Funktionalität festzustellen, wobei nach 36 Monaten die Anforderung an die Funktionalität nicht mehr erfüllt wird. Die Anforderungen an die Funktionalität werden von den untersuchten AGS also mindestens bis zu einer Freibewitterungszeit von 28 Monaten erfüllt. Somit wird die in den ZTV-ING, Abschnitt 3, Teil 2 festgelegte Verjährungsfrist für Mängelansprüche von 2 Jahren bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Verlängerung der Verjährungsfrist für Mängelansprüche auf 5 Jahre nicht generell möglich ist. Zwei der untersuchten AGS zeigen auch nach 5 Jahren Freibewitterungszeit eine Funktionalität, die deutlich besser als der festgelegte Grenzwert ist. Bei dem AGS mit der filmbildenden Graffitiprophylaxe wurden Abreißuntersuchungen durchgeführt. Die ermittelten Abreißwerte liegen deutlich über den Werten, die ZTV-ING Teil 3 Abschnitt 4 von Oberflächenschutzsystemen fordert. Es konnte aufgezeigt werden, dass AGS auch nach fünfjähriger Freibewitterung und Funktionalitätsprüfungen zum einen die Anforderungen an AGS und zum anderen auch Anforderungen an OS erfüllen. Von vielen Straßenbauverwaltungen werden solche Systeme gefordert. Entsprechende Regelungen entstehen durch eine "Verknüpfung" der jeweiligen Regelwerke für AGS und OS im Rahmen des Projektes F1100.21008 "Erarbeitung der TL/TP AGS - Oberflächenschutzsysteme und Mauerwerk".