61 Unterhaltung und Instandsetzung
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Institut
Die objektbezogene Untersuchung und Bewertung von Brücken im Rahmen des Bauwerks-Management-Systems
(2000)
Derzeit wird durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) ein Bauwerks-Management-System (BMS) entwickelt, welches den Bund in die Lage versetzen soll, neben einem Überblick über den Zustand der Bauwerke auf Netzebene auch Aussagen zum Finanzbedarf zu erlangen und Strategien, Ziele sowie Rahmenbedingungen in der Erhaltungspraxis zu verwirklichen. Darüber hinaus sollen den Straßenbauverwaltungen der Länder Empfehlungen zur Durchführung von Maßnahmen auf Objektebene geliefert werden. Für das zu realisierende BMS stellt der Bauwerkszustand eine der wesentlichen Eingangsgrößen dar. Dieser wird üblicherweise im Rahmen der alle sechs Jahre stattfindenden Hauptprüfung nach DIN 1076 festgestellt. Bei komplexen Schadensbildern müssen zusätzlich zur Bauwerksprüfung detaillierte Informationen zu Art und Umfang von Schäden im Rahmen objektbezogener Schadensanalysen erhoben werden. Der Beitrag befasst sich mit der Rolle der objektbezogenen Schadensanalyse im Rahmen des BMS. Dabei wird vertieft auf aktuelle Forschungsarbeiten der BASt zu den Themengebieten "Zerstörungsfreie Prüfverfahren" und "Rechnerische Analysen" eingegangen.
Die ZTV-ING, Teil 3, Abschnitt 4 "Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen" beinhaltet technische und vertragliche Regelungen für Erhaltungsmaßnahmen, mit denen positive Erfahrungen in den Straßenbauverwaltungen gesammelt wurden. Grundsätzlich wird Kompatibilität zur Richtlinie des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton (DAfStb) "Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen", zur DIN EN 1504 "Produkte und Systeme für den Schutz und die Instandsetzung von Betontragwerken" und ihren nationalen Anwendungsdokumenten angestrebt. Im Bericht wird erläutert, welche Schritte für den Schutz und die Instandsetzung von Betonbauteilen im Regelungsbereich der ZTV-ING erforderlich sind und wie das Regelwerk im Zuge der europäischen Harmonisierung weiterentwickelt wird.
Die Standsicherheit und Dauerhaftigkeit von Spannbetonbrücken werden wesentlich durch den Ist-Zustand der Bewehrung und der Spannglieder bestimmt. Bei komplexeren Schadensbildern oder dem Verdacht visuell nicht erkennbarer Schäden sind zur Zustandsbeurteilung detaillierte Informationen über deren Art und Umfang durch Objektbezogene Schadensanalysen zu erheben. Die Anzahl der dazu zu öffnenden Untersuchungsstellen kann durch den Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren (ZfPBau-Verfahren) deutlich reduziert werden. Die Leistungsfähigkeit der automatisierten ZfPBau-Verfahren - Radar, Ultraschallecho und Impact-Echo - für die Ortung von Bewehrung, internen Spanngliedern und gegebenenfalls vorhandenen Verpressfehlern wird anhand von Messungen an der Fuldatalbrücke bei Eichenzell gezeigt. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden bildgebend dargestellt.
Viele ältere Betonbrücken im Zuge der Bundesfernstraßen müssen wegen massiver Schäden in den nächsten Jahren instandgesetzt, verstärkt oder ersetzt werden. Angesichts dieser Herausforderungen an die Straßenbauverwaltungen und der damit verbundenen Minimierung der Kosten kommt der zielgerichteten Auswahl geeigneter Verstärkungstechniken besondere Bedeutung zu. Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) hat daher die Erfahrungssammlung "Verstärkung älterer Beton- und Spannbetonbrücken" in Auftrag gegeben. Es wird ein Überlick über die Erfahrungssammlung (siehe AN 01596101) gegeben. In der Dokumentation wird der Stand der Technik der im Massivbrückenbau eingesetzten Verstärkungsmaßnahmen auf der Grundlage von 76 Anwendungsfällen gegeben. Außerdem werden repräsentative Verstärkungsmaßnahmen in anonymisierter Form detailliert beschrieben. Unter dem Oberbegriff "Verstärkungsmaßnahmen" sind Methoden zur Wiederherstellung oder Erhöhung der Tragfähigkeit oder Gebrauchstauglichkeit zu verstehen, während die unterschiedlichen technischen Lösungen zur Umsetzung dieser Maßnahmen als "Verstärkungstechniken" bezeichnet werden. Eine Ertüchtigung liegt dann vor, wenn man die Tragfähigkeit über den Ursprungszustand hinaus steigert. Zu den beschriebenen Verstärkungstechniken zählen: zusätzliche Vorspannung, Querkraftverstärkung mit Stabspanngliedern oder Schublaschen aus Stahl, schubfest aufgeklebte, in Schlitze eingeklebte oder vorgespannte CFK-Lamellen und aufgeklebte Stahllaschen. Verstärkungstechniken sind auch Querschnittsergänzungen mit verdübeltem Beton, mit Zusatzbewehrungen in Nuten oder zusätzlicher Betonstahlbewehrung. Ebenso zählen dazu Querschnittsergänzungen durch Spritzbeton mit zusätzlicher Betonstahlbewehrung. Einige dieser Verstärkungstechniken werden detailliert beschrieben. Des Weiteren wird zu 34 repräsentativen Maßnahmen ein Überblick gegeben. Als Erweiterung der Zusätzlichen Technischen Vertragsbestimmungen und Richtlinien für Ingenieurbauwerke (ZTV-ING) wurde auf der Basis der Erfahrungssammlung ein Regelwerkentwurf zum Verstärken von Betonbauteilen erstellt.
Ziel des Forschungsprojektes ist es, die handnahe Bauwerksprüfung gemäß DIN 1076 durch innovative, bildgebende Verfahren zu ergänzen und zu optimieren. Unbemannte Fluggeräte bzw. UAS (Unmanned Aerial System) bieten vielfältige Möglichkeiten zur Bilderfassung und können als unterstützendes, technisches Hilfsmittel in der Brückenprüfung zum Einsatz kommen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden drei Brücken mithilfe von UAS beflogen. Es handelte sich dabei um die folgenden Bauwerke: das Schildescher Viadukt in Bielefeld, die Talbrücke Nuttlar sowie die Europabrücke in Koblenz. Diese drei Brücken weisen unterschiedliche Charakteristika bezüglich Bauart, Oberfläche und Baujahr auf. Durch den Einsatz von UAS konnten Schäden an den genannten Brücken identifiziert werden. In diesem Zusammenhang konnten die von einem Brückenprüfer zuvor getroffenen Vorabeinschätzungen bezüglich der zu identifizierenden Schäden bestätigt bzw. übertroffen werden. Insbesondere die Möglichkeit zur Befliegung schwer zugänglicher Stellen durch den Einsatz von UAS sowie Zeitersparnis während einer Prüfung, macht diese Technologie für die Brückenprüfung interessant. Durch die gezielte Anwendung der UAS Technologie wird eine Reduzierung der Nutzungseinschränkung des Bauwerks verbunden mit einer Qualitätssteigerung der Ergebnisse erreicht. Dies gilt nicht nur für die klassische Brückenprüfung gemäß DIN 1076 sondern auch für Sonderprüfungen aufgrund von außergewöhnlichen Ereignissen wie z.B. Hochwasser oder Unfall.
Ziel des Forschungsvorhabens war die Untersuchung des Einflusses einzelner Zustandsparameter auf das Unfallgeschehen unter Berücksichtigung von Verkehrs- und Infrastrukturmerkmalen. Durch die Zusammenführung von Informationen aus den beiden Netzanalysesystemen "Zustandserfassung und -bewertung" (ZEB) und der (Empfehlungen für die) "Sicherheitsanalyse von Straßennetzen" (ESN) sollten Verbesserungspotenziale für die Optimierung des Sicherheitsmanagement der Straßeninfrastruktur abgeleitet werden. Daten aus drei Analyseländern für Bundesautobahnen sowie Bundes- und Landesstraßen wurden datentechnisch durch neu geschaffene Aggregations- und Auswerteverfahren auf ein gemeinsames Netzmodell aufbereitet. In Pilotanalysen wurden deskriptive Auswertungen des Unfallgeschehens und der Zustandsparameter durchgeführt. Verschiedene Analysemethoden für die Quantifizierung eines Zustandseinflusses auf das Unfallgeschehen wurden vergleichend gegenübergestellt und zentrale Randbedingungen (z. B. Abschnittslängen, Verteilungskennwerte der Zustandsparameter) definiert. Anhand multikriterieller Analyseansätze wurden Zusammenhänge zwischen Zustandsgrößen (z. B. Griffigkeit, Quer- und Längsebenheit), Infrastrukturparametern (z. B. Fahrstreifenanzahl, Längs- und Querneigung oder Kurvigkeitsäquivalent), den Verkehrsmengen und dem Unfallgeschehen modellhaft beschrieben. Für die Griffigkeit lassen sich signifikante und verallgemeinerbare Zusammenhänge mit Fahr- und Längsverkehrsunfälle auf Bundes- und Landesstraßen ableiten. Bei den übrigen untersuchten Zustandsgrößen " z. B. Ebenheit in Längs und Querrichtung " ergaben sich keine einheitlichen Ergebnisse. Aus den Modellen wurde ein allgemeingültiges Verfahren entwickelt, welches vermeidbare Unfallkosten pro Jahr für Veränderungen in der Griffigkeit bei gegebenen Infrastrukturgrößen abschätzt. Das dargestellte DV-Verfahren ermöglicht den bidirektionalen Datenaustausch zwischen der ZEB und der ESN und die Berücksichtigung der zusammengeführten Informationen im Rahmen des Erhaltungsmanagements.
Bei der Brücke Beimerstetten erfolgt als Pilotprojekt in Deutschland eine Verstärkung einer orthotropen Platte mit stabstahlbewehrtem hochfestem Stahlfaserbeton, dessen Verbund mit dem Deckblech über eine zuvor verklebte Splittschicht hergestellt wird. Diese Verstärkungsmethode wurde in den Niederlanden entwickelt und bei Pilotprojekten eingesetzt. Die Brücke Beimerstetten ist als Einfeldtraeger mit einer Spannweite von 40,35m als einzelliger, stählerner Hohlkasten ausgebildet. Die Aussteifung erfolgt durch Querrahmen im Regelabstand von 2,00m. Die orthotrope Fahrbahnplatte besteht aus einem 12mm dicken Deckblech und Wulstflachstählen als Längsrippen im Abstand von ca. 250 bis 300mm. Vor dem Einbau des Betons wurden Probeplatten hergestellt, die zur versuchstechnischen Untersuchung der Methode unter Baustellenbedingungen durch das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) herangezogen wurden. Nach zwei fehlerhaften Versuchen konnte bei der dritten Probeplatte durch den Einsatz einer druckluftbetriebenen Rüttelbohle, unterstuetzt durch Flaschenrüttler ein vollflächiger Verbund des hochfesten Betons mit dem geklebten Split nachgewiesen werden. Der Einbau des stabstahlbewehrten hochfesten Stahlfaserbetons ist sehr anspruchsvoll und benoetigt unter erschwerten Bedingungen in einer Einhausung eine grosse Anzahl gut geschultes Personal. Am Bauwerk durchgeführte Verformungs- und Dehnungsmessungen konnten im laufenden Baustellenbetrieb nur eingeschränkt durchgeführt werden. Über numerische Berechnungen wurde das Tragverhalten der orthotropen Fahrbahnplatte ohne Belag, mit Aspahltbelag bei unterschiedlichen klimatischen Bedingungen und mit dem Aufbeton ermittelt. Der Abgleich von Mess- und Rechenergebnissen lässt auf einen vollen Verbund zur Zeitpunkt der Messungen schließen. Im Vergleich mit alternativen Verstärkungsmethoden zeigt das Pilotprojekt Beimerstetten gute Verstärkungseigenschaften und eine deutliche Verbesserung des Ermüdungswiderstandes der orthotropen Platte. Hinsichtlich der Dauerhaftigkeit des Verstärkungsverfahrens liegen unzureichende Erkenntnisse vor.
Durch die in den letzten Jahren enorm gestiegenen Verkehrsbelastungen und damit einhergehenden gestiegenen lokalen Beanspruchungen im Deckblech kommt es bei bestehenden Stahlbrücken mit orthotropen Fahrbahnplatten vermehrt zu Ermüdungsschäden im Bereich der geschweißten Anschlüsse der Längsrippen an das Deckblech (Kategorie-1-Schäden). Ziel des Forschungsprojekts war es zu untersuchen, ob sich durch eine erhöhte mittragende Wirkung des Fahrbahnbelags die lokalen Radlasten besser verteilen lassen und die Spannungen im Bereich der Anschlüsse Längsrippe " Deckblech somit reduziert werden können. Zum Nachweis einer erhöhten mittragenden Wirkung wurden numerische und experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Untersucht wurden die folgenden Asphaltvarianten: Gussasphalt als Referenzsystem, sowie hohlraumreiche Asphaltgerüste mit nachträglicher Verfüllung (HANV, verfüllt mit Epoxidharz und mit Bioharz). Zusätzlich wurde untersucht, ob es möglich ist, auf den Einsatz der Pufferschicht zu verzichten, um damit die mittragende Wirkung des Fahrbahnbelags zusätzlich zu erhöhen. Die experimentellen Untersuchungen umfassten sowohl statische als auch dynamische 5-Punkt-Biegeversuche, die bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt wurden. Die Prüfkörper bestanden aus einem Stahlblech mit Asphaltbelag und Pufferschicht nach ZTV-ING Teil 7, Abschnitt 4 und einer Abdichtung nach Bauart 1. Während der Versuchsdurchführung wurden die Verformungen an der Unterkante des Stahlblechs gemessen. Aus den aufgezeichneten Versuchsdaten wurden zunächst Kraft-Verformung-Kurven erstellt, aus denen anschließend Verformungsmodule abgeleitet wurden, um die mittragende Wirkung der einzelnen Belagsvarianten zu bewerten. Auf Grundlage der experimentellen Untersuchungen ließen sich lediglich erste Tendenzen zur Erhöhung der mittragenden Wirkung ableiten. Der geringe Prüfumfang von zwei Prüfkörpern je Variante und die teilweise starken Streuungen in den Versuchsergebnissen ließen keine quantitative Bewertung der Ergebnisse zu. Die numerischen Untersuchungen an einem 3D-Finite-Elemente-Modell ergaben, dass sich durch eine höhere Asphaltsteifigkeit die Spannungen im Deckblech um bis zu 40 % reduzieren lassen. Der Verzicht auf die Pufferschicht kann bei niedrigen Asphaltsteifigkeiten, so wie sie beim derzeit eingesetzten Gussasphalt vorliegen, ebenfalls eine Reduktion der Spannungen um ca. 25% bewirken. Für eine quantitative Bewertung der untersuchten Varianten sind Großbauteilversuche unverzichtbar. Hierdurch ließen sich herstellungsbedingte Streuungsfaktoren minimieren und die Auswirkungen der Verwendung von verfüllten Asphaltmaterialien am tatsächlichen Detail Längsrippe " Deckblech untersuchen.
Um die Auswirkungen des demografischen Wandels auf den Straßenbetriebsdienst zu analysieren, wurde in der Zeit von Juli 2013 bis Februar 2014 eine Altersstrukturanalyse, eine Tätigkeitsbeschreibung und eine Mitarbeiterbefragung durchgeführt. Die Altersstrukturanalyse zeigte, dass in der Mehrzahl der Bundesländer eine ungünstige Altersverteilung vorliegt, d.h. ein Großteil der Belegschaft ist aktuell in der Altersklasse der über 40-Jährigen. Das bedeutet, dass die Tätigkeiten des Straßenbetriebsdienst in 10 Jahren überwiegend von Mitarbeitern im Alter über 50 bewältigt werden muss, sollte sich an der Altersstruktur nichts ändern. Bei der Tätigkeitsbeschreibung wurde deutlich, dass als Folge der meist jahrelangen belastenden Arbeitsbedingungen mit erheblichen physischen und psychischen Einschränkungen der Mitarbeiter zu rechnen ist, die somit die schwierigen Tätigkeiten im Straßenbetriebsdienst kaum noch bewältigen können. Bei der Mitarbeiterbefragung zeigte sich, dass die Straßenwärter im Großen und Ganzen mit ihrer Tätigkeit zufrieden sind, das Ende ihrer Erwerbslaufbahn aber durchaus kritisch sehen. Es wurde deutlich, dass die Befragten ihren Beruf mögen und ihn gerne und lange ausüben möchten. Dafür wünschen sie sich neben besserer technischer Ausstattung mehr Anerkennung für ihre Tätigkeit. Diese Ergebnisse weisen auf einen Handlungsbedarf in den Bereichen Gesundheitsförderung, Arbeitsorganisation und Personalmarketing auf. Expertenbefragungen in der Zeit von Juli 2014 bis Oktober 2014 zeigten, dass in einigen Bundesländern bereits positive Ansätze in diesen Handlungsfeldern vorhanden sind, die weiter entwickelt, gestärkt und koordiniert werden sollten. Präventive Maßnahmen sollten ergriffen werden, um die Gesundheit der vorhandenen Mitarbeiter möglichst lange zu erhalten. Auch durch eine alternskritische Organisation und Gestaltung der Arbeit könnte eine Entlastung der Mitarbeiter erfolgen. Maßnahmen des Personalmarketing sind erforderlich, um den künftigen Personalbedarf zu decken.
Im vorliegenden Projekt wurden in der Praxis verbreitete Materialien zur Schlaglochsanierung hinsichtlich ihrer Haltbarkeit untersucht. Zunächst erfolgte eine Online-Befragung von Straßenbaulastträgern, um sowohl die Art der zum Einsatz kommenden Materialien als auch deren Einbaubedingungen umfassend zu ermitteln. Erwartungsgemäß zeigte sich, dass Kaltasphalte am weitesten verbreitet sind. Die Online-Befragungsergebnisse begründeten die Vorauswahl der Materialien, die sowohl im Labor als auch im Rahmen von Großversuchen (Rundlaufanlage) geprüft wurden. Dabei handelte es sich um diverse nicht-reaktive und reaktive Kaltasphalte, Heißasphalte sowie Sonderasphalte. Um entsprechende vergleichende Untersuchungen reproduzierbar durchführen zu können, musste zunächst ein Verfahren zur Erstellung von Musterschlaglöchern entwickelt werden. Diesbezüglich erwies sich ein Substitutionsverfahren als das am besten geeignete, bei dem ein Ersatzkörper in die Deckschicht eingebaut und gezogen wird. Die Großversuche zeigten auf, dass die Standfestigkeit der untersuchten Sanierungsmaterialien auf Grundlage des Kriteriums der Gesamtverformung stark voneinander abweichen. Während der Überrollung mit gleichzeitiger Beregnung wurden im Gegensatz zu Frost und Tauen erhebliche Schädigungen festgestellt. Ein Vergleich der Großversuche mit Laborversuchen zeigte, dass mittels modifizierten Spurbildungsversuchs die beste Korrelation verzeichnet werden kann. Ob mit einer Vergleichmäßigung der Versuchsrandbedingungen eine zufriedenstellende Übertragbarkeit möglich ist, müssen weitergehende Untersuchungen zeigen. Zusammenfassend konnte festgestellt werden, dass sich Heißasphalte als Materialien mit besonders guter Haltbarkeit erwiesen haben und sich bei Kaltasphalten die generelle Tendenz gezeigt hat, dass reaktive Kaltasphalte haltbarer sind als nicht-reaktive. Jedoch ist zu betonen, dass es sowohl gut haltbare nicht-reaktive Materialien gibt als auch schlecht haltbare reaktive Materialien.