Expertengespräch Neue Entwicklungen im Stahlbrückenbau 2008
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Angesprochen wurden aktuelle Entwicklungen beim Neubau und neue Entwicklungen bei Instandsetzungen und Verstärkungen. Eingegangen wird zu Beginn auf den Bestand an Brücken im Bundesfernstraßenbereich und auf die Entwicklung der Stahlpreise zwischen 2004 und 2008 mit einer sprunghaften Verdoppelung im August 2008 gegenüber den Jahren davor. Anschließend wird der Neubau von Stahlbrücken beleuchtet, auch mit Angabe der Möglichkeiten des Bundesministeriums fuer Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) zur Förderung technischer Weiterentwicklungen und Innovationen. Aktuelle Entwicklungen bei Stahlverbundbrücken sind einteilige Überbauquerschnitte, VFT-Träger für Überführungen, luftdicht verschweisste Kästen, Hohlkästen mit Wellstahlträgern und Stahlrohrfachwerke. Alle diese Themen werden mit Beispielen unterlegt dargestellt. Neue Entwicklungen bei Instandsetzungen und Verstärkungen betreffen die verschiedenen Arten der Verstärkung von orthotropen Platten durch Aufkleben von Stahlplatten, Aufbringen einer Sandwichplatte (Sandwich-Plate-System (SPS)), Aufbetonieren einer dünnen Schicht aus ultrahochfestem Beton und Aufbringen eines steiferen Fahnbahnbelags.
Stahlbrücken mit orthotropen Fahrbahnplatten haben in Deutschland eine lange Traditon, bedürfen aber aufgrund der ständig gestiegenen Belastung durch den Schwerverkehr in einigen Fällen einer Instandsetzung oder sogar einer nachträglichen Verstärkung. Der Beitrag stellt vor diesem Hintergrund neue Wege und Methoden zur Verstärkung orthotroper Fahrbahnplatten vor und erläutert die Grundsätze und Randbedingungen ihrer Anwendung. Alle Erfahrungen haben gezeigt, dass nur Verstärkungsmethoden, die das Trag- und Verformungsverhalten der orthotropen Platte beachten und verbessern, erfolgreich sind. Nachdem die technische Entwicklung der orthotropen Platte dargestellt wurde, geht der Bericht auf die Bemessung sowie auf das Trag- und Verformungsverhalten dieses Bauteils ein. Grundsätzlich erfolgt die Berechnung und Bemessung der orthotropen Platte durch Zerlegung des Gesamtsystems in einzelne Subsysteme, die den Kräfteweg von den einwirkenden Reifenlasten bis in die Auflagerkräfte der Brücke stufenweise nachvollziehen. Auf die Bemessung der Subsysteme und die potenziell an den Systemen möglichen Schäden wird eingegangen. In einem weiteren Teil behandelt der Bericht Erfahrungen mit Instandsetzungsverfahren. Die Gefährdung der Dauerhaftigkeit der Bauteile wird in die Kategorien 1 bis 4 eingeteilt, mit Kategorie 1 als höchster Gefährdungsstufe. Die bei den einzelnen Kategorien aufgetretenen Schäden, ihre Ausprägung und die Ursachen des Entstehens werden erläutert. Der Bericht beschreibt auch Planungsmittel für Instandsetzungs- und Verstärkungsmaßnahmen sowie prophylaktische Verstärkungsmaßnahmen und die Entwicklung nachhaltiger Verstärkungen. Dabei spielt bei einigen Maßnahmen die Verbesserung der Verbundeigenschaften zwischen Stahlblech und Asphaltbelag eine wichtige Rolle. Weitere Entlastungsmöglichkeiten des Deckblechs bestehen darin, die Steifigkeit durch eine aufgesetzte Sandwichkonstruktion zu vergrößern oder das Deckblech mit einer 50 mm dicken Schicht aus bewehrtem hochfesten Stahlfaserbeton zu verstärken.
Der Beitrag berichtet in einem ersten Teil über die in den Niederlanden angewendeten Inspektionstechniken zur Feststellung von Schäden (Rissen) bei orthotropen Stahlfahrbahnplatten und in einem zweiten Teil über die Instandsetzung der Moerdijkbruecke mit einer zusätzlichen Deckschicht aus bewehrtem hochfesten Stahlfaserbeton. Die Ausführungen zu den Inspektionstechniken umfassen die visuelle Inspektion, magnetische Inspektion, Farbeindringprüfung, Ultraschallprüfung und Diffraktionseffekt bei Anstrahlen von Fehlern (Time of Flight Diffraction (TOFD)) sowie radiographische Untersuchungen und das Wirbelstromverfahren. Für jede dieser Methoden wird ihre Wirkungsweise, Handhabung und der Anwendungsbereich angegeben. Die Moerdijkbrücke ist eine der meistbefahrenen Brücken in den Niederlanden mit einem erheblichen Schwerverkehrsaufkommen und weist etliche Schäden am Deckblech auf. Die bisher durchgeführte Instandsetzung durch Ausbessern der Längsschweissnähte führte nicht zum erhofften Erfolg. Der Bauherr entschloss sich daher, die Gussasphaltschicht durch einen bewehrten hochfesten Stahlfaserbeton mit einer Dicke von 5 cm mit Verbund zum Stahldeckblech zu ersetzen. Die Spannungen im Deckblech konnten auf diese Weise um einen Faktor 4 bis 5 reduziert werden. Die Methode reagiert jedoch empfindlich auf Abweichungen der Mischungsverhältnisse des Betons und der Viskosität.
Bei Schrägseilbrücken und Hängebrücken ist die Tragfähigkeit und die Betriebsfestigkeit der Seile von entscheidender Bedeutung. Da in Deutschland seit einigen Jahren wieder verstärkt Schrägseilbrücken gebaut werden, kommt den neueren Entwicklungen auf diesem Gebiet eine besondere Bedeutung zu. Diese neuen Entwicklungen werden im Bericht beschrieben. An erster Stelle steht dabei die Anwendung von Litzenbündeln (LBS) in Deutschland bei der fertiggestellten Ziegelgrabenbrücke im Brückenzug der Rügenbrücke und der im Bau befindlichen Niederrheinbrücke Wesel. Diese im Ausland schon seit vielen Jahrzehnten angewendete Bauart stieß in Deutschland bisher auf Bedenken, insbesondere wegen der Prüfbarkeit und des Korrosionsschutzes. Litzenbündel bestehen im Wesentlichen aus 7-drähtigen Spannstahllitzen und speziellen Verankerungsteilen. Auf der freien Länge des Seils sind die Litzen durch ein HDPE-Rohr gegen äussere Beschädigungen und Umwelteinflüsse geschützt. Da Seile aus Litzenbuendeln bisher nicht bauaufsichtlich geregelt sind, war eine Zustimmung im Einzelfall erforderlich. Die Prüfung der Seile bei den regelmäßig durchzuführenden Bauwerksprüfungen ist verbunden mit einem großen technischen Aufwand, hohen Kosten und Beeinträchtigungen des Verkehrs. Der Bericht geht ausführlich auf mögliche Methoden der Seilprüfung ein. Bei der Ziegelgrabenbrücke wurde die magnetinduktive Prüfung, die sich bei vollverschlossenen Seilen seit vielen Jahren bewährt hat, zum Feststellen von Schäden an den Seilen aus Litzenbündeln angewendet. Neue Entwicklungen bei vollverschlossenen Seilen betreffen insbesondere die Korrosionschutzsysteme und die Ausführung der Ankerköpfe. In beiden Bereichen beschreibt der Bericht die Neuerungen. Bei den Instandsetzungen der vollverschlossenen Seile werden angespochen: dauerhafte Seilspreizung zur Verbesserung der Zugänglichkeit bei der visuellen Prüfung, Seilaustausch am Beispiel der Rheinbrücke Düsseldorf-Flehe und die Instandsetzung des Korrosionschutzes mit verschiedenen Methoden. Wegen der neueren technischen Entwicklungen entsprechen die derzeit gültigen einschlägigen Regelwerke teilweise nicht mehr dem Stand der Technik. Sie müssen daher überarbeitet oder gänzlich neu erstellt werden.
Im Oktober 2007 wurde die Rügenbrücke, eine der längsten Hochbrücken Europas, für den Verkehr freigegeben. Der Beitrag befasst sich mit den Erfahrungen, die bei Planung und Bau dieses bemerkenswerten Bauwerks gemacht wurden, insbesondere hinsichtlich der vielen bautechnischen Innovationen bei dem Schlüsselbauwerk des Brückenzuges, der 570 m langen Schrägseilbrücke über den Ziegelgraben. Eine der wesentlichen Erstanwendungen für Deutschland betraf die Ausführung der Schrägseile mit Litzenbündeln des Systems DYNA Grip der SUSPA DSI. Wegen des aus Gründen des Vogelschutzes erforderlichen Mindestdurchmessers der Seile von 12 cm waren vollverschlossene Seile aus ingenieurtechnischen und wirtschaftlichen Gründen benachteiligt, sodass sich der Bauherr für Seile aus Litzenbuendeln entschied. Die Schrägseilbrücke über den Ziegelgraben wird schon jetzt als modernes Wahrzeichen der Stadt Stralsund empfunden. Sie passt sich gestalterisch hervorragend in die Umgebung ein und beeinträchtigt auch nicht die zum Weltkulturerbe zählende Altstadt von Stralsund. Besonders besticht das Bauwerk durch seine Leichtigkeit und die Einpassung der Formen der Bauteile, zum Beispiel wegen der tropfenfoermigen Gestaltung des Pylons und der Pfeiler, in das maritime Umfeld. Da die verwendeten Schrägseil-Litzenbündel noch nicht allgemein bauaufsichtlich zugelassen sind, kam der Qualitätssicherung für die Seile in allen Stufen der Planung, Fertigung, Montage und Bauwerksprüfung eine herausragende Bedeutung zu. Der zugehörige Qualitätssicherungsplan wird im Bericht ausführlich mit den wesentlichen \"schrägseilspezifischen\" Maßnahmen beschrieben. Schwingungen und Ermüdungsbeanspruchungen der Seile durch Fahrverkehr und Wind liessen sich durch einen mehrstufigen, kontinuierlich verdichteten Planungsprozess unter Nutzung von Versuchsdaten und Messungen am Bauwerk wirkungsvoll beherrschen. Aus Sicht der Bauwerksprüfung bestanden anfänglich Bedenken wegen der Erreichbarkeit der bis in 80 m Höhe über dem Brückendeck gespannten Schrägseile und der nicht direkt zugänglichen Litzen innerhalb des Hüllrohres sowie der Verankerungen. Daher wurden alle verfügbaren Prüfverfahren für Schrägseile an der Rügenbrücke getestet. Daraus ergab sich eine Prüfmatrix aus Prüfverfahren, Prüfmittel und Prüfumfang für die gesamte Nutzungsdauer. Zusammenfassend wird festgestellt, dass bei der Ziegelgrabenbrücke Schrägseile aus Litzenbündeln eine den vollverschlossenen Seilen ebenbürtige Bauart darstellen.
Seilverspannte Brücken
(2008)
Der Beitrag behandelt den Entwurf, Besonderheiten der Berechnung und die Bemessung der beiden wichtigsten Bauarten seilverspannter Brücken, der echten Hängebrücke und der Schrägseilbrücke. Bei den Hängebrücken wird zunächst eingegangen auf die geschichtliche Entwicklung, die geprägt ist durch die im Zuge der Verbesserung des Stahls zunehmende Drahtfestigkeit. Anschliessend geht der Bericht ein auf: statisches System, Arten des Ueberbaus, Ausführung der Pylone, Kabel, Hänger und Widerlager. Analog zu den Hängebrücken ist der Beitrag bei den Schrägseilbrücken aufgebaut: geschichtliche Entwicklung, Haupttragwerke, Ueberbau, Pylone und Schrägseile. Hinsichtlich der Besonderheiten der Berechnung werden angesprochen: Anwendung der Theorie II. Ordnung und Betriebsfestigkeitsbeanspruchung. Erläutert wird auch die Montage sowohl der Hängebrücke als auch der Schrägseilbrücke in Wort und Bild.
Der Beitrag befasst sich mit den notwendigen Änderungen in den ZTV-ING, Teil 4 Stahlbau, Abschnitt 3 Korrosionschutz zu den Anforderungen an das Personal bei Korrosionschutzarbeiten im Vergleich mit den bisherigen Regelungen der ZTV-KOR-Stahlbauten. Zukünftig muss der Kolonnenführer seine Qualifikation durch den so genannten KOR-Schein nachweisen, bei dem es sich um eine Bescheinigung des Ausbildungsbeirats des Bundesverbandes Korrosionsschutz e.V. (BVK) über eine erfolgreich abgelegte Pruefung handelt. Bis es möglich ist, diesen Schein zu erwerben, werden die Qualifikationsnachweise nach ZTV-KOR-Stahlbauten anerkannt. Die konstituierende Sitzung des Ausbildungsbeirats hat am 17. Juni 2008 stattgefunden. Als Hauptaufgaben des Ausbildungsbeirats sind mit dem Allgemeinen Rundschreiben Straßenbau ARS 13/2007 formuliert worden: Festlegung der Zugangsvoraussetzungen für Lehrgänge zum Erwerb des KOR-Scheins, Formulierung der Lehrinhalte, Erstellung einer Prüfungsordnung, Erarbeitung eines Handbuchs fuer die Lehrgänge, Berufung eines Prüfungsausschusses und Festlegung der Anforderungen an die Ausbildungsstätten.
Der Beitrag befasst sich vor dem Hintergrund der kontrovers diskutierten Zwischenhaftung bei der Ausführung von Korrosionsschutzsystemen fuer Stahl- und Stahlverbundbrücken mit einer Abfrage bei den Bundesländern zu Schäden am Korrosionschutz bei Systemen nach Blatt 87 und Blatt 94 der ZTV-ING, Teil 4, Abschnitt 3. Auslöser für die Abfrage waren Schadensfälle mit grossflächigen Ablösungen der Deckbeschichtung aus Polyurethan, die nach einer Zwischenreinigung auf die Werksbeschichtung aus Epoxidharz aufgebracht worden war. Der Zeitraum zwischen der Beschichtung im Werk und dem Aufbringen der Deckbeschichtung auf der Baustelle kann zwischen einigen Wochen oder Monaten bis - in Ausnahmefällen - zu mehreren Jahren liegen. Mit der Abfrage bei den Straßenbauverwaltungen der Bundesländer sollte herausgefunden werden, ob Schäden aufgetreten sind - und wenn ja - in welchem Umfang. In die Umfrage einbezogen sind die 16 Obersten Straßenbauverwaltungen sowie die DEGES. Gemeldet wurden insgesamt 648 Stahl- und Stahlverbundbrücken, davon 46 mit Schäden am Korrosionsschutz. Die Schadensquote liegt demnach bei 7 Prozent. Es zeigte sich, dass die Enthaftung der Deckbeschichtung unterschiedliche Ursachen haben kann, insbesondere Nichteinhaltung des Sicherheitsabstands zwischen Objekt- und Taupunkttemperatur und unzureichende Reinigung der Zwischenbeschichtung. Ein grundlegendes, systembedingtes Zwischenhaftungsproblem kann nach den bisherigen Umfrageergebnissen nicht bestätigt werden. Sehr wohl sollte jedoch wegen der Schadensquote von 7 Prozent den Ursachen der aufgetretenen Schäden weiter nachgegangen werden.
Es wird ein Überblick zur Thematik Lärm an Fahrbahnübergängen mit technischen Entwicklungen zur Lärmminderung gegeben. Dabei wird eingegangen auf die Anforderungen und Einsatzkriterien von Fahrbahnübergängen, aktuelle Forschungsvorhaben und -ergebnisse sowie auf Erfahrungen mit den verschiedenen Ausführungsarten von Fahrbahnübergängen, bei denen sich durch konstruktive Veränderungen oder Ergänzungen Lärmminderungen ergaben. Angesprochen werden auch die Inhalte und neuesten Entwicklungen bei der Europäischen Technischen Zulassungsleitlinie für Fahrbahnübergänge, die ETAG FÜ. Diese ETAG enthält Regelungen für verschiedene Familien von Fahrbahnübergängen, nämlich Unterflurübergänge, Fahrbahnübergänge aus Asphalt, Fahrbahnübergänge mit einem Dehnprofil, Mattenübergänge, Fingerübergänge, Rollverschlüsse und Lamellenübergänge. In einem Ausblick werden folgende Themen angesprochen: Überarbeitung der Regelwerke ZTV-ING und TL/TP-FÜ, Einführung der ETAG FÜ und die Berücksichtigung aus den Ergebnissen der Forschungsvorhaben, insbesondere aus dem Forschungsvorhaben "Leiser Straßenverkehr 2".
Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) ist an mehreren Forschungsvorhaben im Zusammenhang mit der Instandsetzung und Verstärkung von orthotropen Fahrbahnplatten beteiligt. Der Beitrag stellt die dabei gemachten Erfahrungen und die Entwicklungen der Verstärkungsverfahren in einem Überblick dar. Ein Großteil der Stahlbrücken wurde in Deutschland in den 1960er und 1970er Jahren nach den damals gültigen Regelwerken gebaut. Bei Erstellung dieser Regelwerke war die ermüdungswirksame Belastung durch den rasant steigenden Schwerlastverkehr nicht absehbar. Die damals erstellten Bauwerke weisen nach heutigem Kenntnisstand daher teilweise Defizite auf, die zu Schäden in Form von Schweißnaht- und Blechrissen geführt haben, die zu aufwändigen Instandsetzungen führten. Die Schäden werden in vier Kategorien eingeteilt, die sich jeweils beziehen auf die Anschlüsse am Deckblech, im Längssystem (Längssteifen), im Quersystem (Querträger) sowie im Hauptsystem (Hauptträger). Bei Anschlüssen im Hauptsystem sind bisher jedoch keine Schäden bekannt. Da das Deckblech und seine Anschlüsse infolge der direkten Lasteintragung durch die Reifen besonders gefährdet sind, konzentrieren sich die aktuellen Untersuchungen zu Instandsetzungsmethoden auf die dort aufgetretenen Schäden. Erfolgversprechend haben sich herausgestellt: direkte Deckblechverstärkung durch Stahlbleche, Aufbringen einer Sandwichplatte (Sandwich-Plate-System (SPS)) und Aufbringen von hochfestem bewehrten Stahlfaserbeton sowie die Verbesserung der Mitwirkung des Fahrbahnbelages durch erhöhte Steifigkeit des Asphaltbelags (zum Beispiel hohlraumreiches Asphaltgerüst mit nachträglichem Verguss) und bessere Haftung. Alle Varianten verringern die lokalen Spannungen und Verformungen signifikant und bewirken dadurch einen erhöhten Ermüdungswiderstand.
Absturzsicherung auf Brücken
(2008)
Der Beitrag behandelt den aktuellen Stand der Normung und Ausführung von Absturzsicherungen auf Brücken. Zu den Absturzsicherungen gehören sowohl die Fahrzeug-Rückhaltesysteme als auch Geländer, die den Absturz von Personen verhindern sollen. Die verschiedenen Fahrzeug-Rückhaltesysteme sind: Stahlschutzplanken, Betonschutzwände, transportable Schutzwände und Anpralldämpfer. Die zugehörigen Regelungen finden sich in den Richtlinien für passive Schutzeinrichtungen an Straßen (RPS), die derzeit an die Europäische Norm EN 1317 Rückhaltesysteme an Straßen angepasst werden. Die nationalen Regelwerke müssen auf die in der Europäischen Norm vorgegebenen Leistungsklassen, die die bisherigen Beschreibungen der Schutzsysteme ersetzen, Bezug nehmen. Die dabei zu berücksichtigenden Leistungsmerkmale sind: Aufhaltevermögen, seitliche Auslenkung und Insaßenbelastung. Damit der Anwender Systeme zielgerichtet auswählen kann, sind für alle Schutzsysteme Anprallversuche erforderlich, mit denen das System in eine Aufhalteklasse eingestuft wird. In einer Tabelle werden die Aufhalteklassen (N1, N2; H1,H2,H3; H4a und H4b) mit den bei den Anprallprüfungen einzuhaltenden Versuchsparametern aufgelistet. Normales Aufhaltevermögen gewährleisten die Klassen N1 und N2, höheres Aufhaltevermögen die Klassen H1 bis H3 und sehr hohes Aufhaltevermögen die Klassen H4a und H4b. Am Fahrbahnrand von Brücken wird bei Autobahnen und autobahnähnlichen Straßen im Normalfall die Aufhaltestufe H2 gefordert; bei besonderer Gefährdung Dritter unter der Brücke jedoch H4b. Bei den übrigen Straßen reichen, abhängig vom Schwerverkehrsanteil, die Aufhaltestufen H1 beziehungsweise H2. Da Leistungsanforderungen an die Systeme der Schutzeinrichtungen auf Brücken gefordert werden, sind vom Hersteller Nachweise der auf das Bauwerk einwirkenden Kräfte beim Fahrzeuganprall zu führen.
In einem Kurzabriss wird über ein Forschungsvorhaben berichtet, das zum Ziel hat, geeignete Maßnahmen zur Heizung von Straßenbrücken zwecks Glättevermeidung im Winter zu entwickeln. Das Projekt wird durch die Bundesanstalt für Straßenwesen betreut und durch die RWTH Aachen und die Universität der Bundeswehr München bearbeitet. Es ist bekannt, dass Brückenfahrbahntafeln eher vereisen als die angrenzende Strecke und damit ein erhöhtes Sicherheitsrisiko für den Verkehrsteilnehmer bilden. Bisher wird diesem Gefahrenpotenzial durch ein Frühwarnsystem mit vorsorglichem Streudienst oder in einigen besonders gefährdeten Bereichen durch Taumittelsprühanlagen begegnet. Die Salzstreuung bringt jedoch Nachteile für die Dauerhaftigkeit der Brücken und für die Umwelt mit sich. Eine intelligente Beheizung der Fahrbahntafeln mit Nutzung der Geothermie bildet eine umweltschonende Variante zur Vermeidung von Glättebildungen auf Brücken. Wird die Geothermie auch im Sommer betrieben, so könnte die Fahrbahnplatte gekühlt und damit der Bildung von Spurrinnen entgegengewirkt werden. In europäischen Nachbarländern gibt es bereits ausgeführte Pilotprojekte der Brückenheizung, bei denen jedoch eine vollständige Freihaltung von Eis vorgenommen wird. Bei dem vorgestellten Forschungsvorhaben soll hingegen das Vereisungsverhalten auf der Brücke dem der Strecke angepasst werden. Dies erfolgt mittels einer neu entwickelten Mess-, Steuerungs- und Regelungsanlage, die die meteorologischen und bauwerksspezifischen Randbedingungen berücksichtigt und gleichzeitig den Energieaufwand minimiert. Nach durchgeführten Laboruntersuchungen wurde das System auf einem Freigelände mit gutem Erfolg getestet. Im nächsten Schritt wird im Rahmen der Erneuerung einer Straßenbrücke im Zuge der B 208 über den Elbe-Lübeck-Kanal ein Pilotprojekt durchgeführt.
