Abteilung Brücken- und Ingenieurbau
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). Der vorliegende Beitrag gibt einen Übernblick über existierende Verstärkungsmaßnahmen, die bereits in Pilotprojekten erprobt wurden sowie aktuelle Forschungsarbeiten zur Verstärkung von orthotropen Fahrbahnplatten mit Kategorie-1-Schaeden.
Temperaturen an der Unterseite orthotroper Fahrbahntafeln beim Einbau der Gussasphalt-Schutzschicht
(2003)
Zum Schutz gegen Korrosion und auch zur optischen Gestaltung erhalten Brückenteile aus Stahl Korrosionsschutzbeschichtungen. Bei dem im Regelfall erfolgenden Einbau einer Schutzschicht aus Gussasphalt auf den Deckblechoberseiten werden die Korrosionsschutzbeschichtungen der Deckblechunterseiten thermisch belastet. Eine Temperatur-Zeit-Kurve dieser thermischen Belastung wurde vor 25 Jahren an Brücken gemessen und ist in den Technischen Prüfvorschriften für die Prüfung der Dichtungsschichten und der Abdichtungs-Systeme für Brückenbeläge auf Stahl (TP-BEL-ST) dargestellt. Korrosionsschutzbeschichtungssysteme, die gemäß Anhang A zur ZTV-KOR-Stahlbauten für Deckblechunterseiten vorgesehen sind, müssen im Rahmen dieses Temperatur-Zeit-Regimes wärmebeständig sein. Der Nachweis der Wärmebeständigkeit muss durch eine Prüfung unter Zugrundelegung des aktuellen Temperatur-Zeit-Regimes erfolgen. Seit der erstmaligen Messung der Temperatur-Zeit-Kurve sind die Dichtungssysteme für Stahlbrücken weiterentwickelt worden und haben jetzt vermutlich auch wegen der größeren Dicken einen anderen Wärmedurchgang. Vor weiteren Bestimmungen der Wärmebeständigkeit der Korrosionsschutzbeschichtungssysteme muss daher das Temperatur-Zeit-Regime für die drei Dichtungsschichtregelsysteme gemäß TP-BEL-ST an geeigneten Brücken gemessen und eine neue Temperatur-Zeit-Kurve formuliert werden. Die Kurve wird weiterhin zur Abschätzung der zu erwartenden Wärmebelastung der Korrosionsschutzbeschichtungen für die Planung benötigt. Die Messung der Temperaturen erfolgte an der Unterseite der orthotropen Fahrbahntafeln von neun Bauwerken. Fünf der untersuchten Bauwerke hatten eine Reaktionsharz-Dichtungsschicht, drei Bauwerke eine Bitumen-Dichtungsschicht und ein Bauwerk eine Reaktionharz/Bitumen-Dichtungsschicht aus Bitumen-Schweissbahn. Für die Temperaturmessungen wurden selbstklebende NiCr-Folienthermoelemente verwendet, die auf die vorhandene Korrosionsschutzbeschichtung an der Unterseite der Fahrbahntafeln aufgeklebt wurden. Die gemessenen Maximaltemperaturen lagen zwischen 90,6-° Celsius und 110,0-° Celsius, bei Ausgangstemperaturen des jeweiligen Deckbleches von 3,5-° Celsius bis 26,9-° Celsius. Diese Maximaltemperaturen wurden 20 bis 30 Minuten nach der Beaufschlagung des jeweiligen Flächenelementes mit heißem Gussasphalt erreicht. Es wurde festgestellt, dass die erreichten Maximaltemperaturen und die Wärmeeinwirkungsdauer nicht nur von der Einbautemperatur des Gussasphaltes und der Umgebungstemperatur abhängen, sondern auch bauwerksspezifisch sind. Auf der Grundlage der hier erhaltenen sowie früherer Messergebnisse und deren Auswertungen wurde der Versuch unternommen, eine Berechnung der zu erwartenden Maximaltemperatur an der Unterseite der orthotropen Fahrbahntafel beim Schutzschicht-Einbau vorzunehmen. Es wurde eine Gleichung für die näherungsweise Berechnung der zu erwartenden Maximaltemperatur aufgestellt. Im Ergebnis der Temperaturmessungen an den Brücken wird für künftige Prüfungen der Wärmebeständigkeit von Korrosionsschutzsystemen eine modifizierte Temperatur-Zeit-Kurve empfohlen. Es wird vorgeschlagen, die Dauer der Wärmebeanspruchung auf 6 Stunden zu verlängern und die Temperatur-Zeit-Kurve anzupassen. Abschließend werden Vorschläge zum Verringern der Wärmebelastung von wärmeempfindlichen Korrosionsschutzbeschichtungen während des Einbaus von Gussasphalt-Schutzschichten genannt.
This document describes the development and state of the art of orthotropic steel bridges in Germany. Following a short historical review of the performance of orthotropic bridge decks over the last decades, the present traffic loads are described and related to the resistance of the existing structures. Based on four different hazard categories, this paper describes different retrofitting methods. Although several promising strengthening techniques are introduced and evaluated, it appears that further research is urgently required in order to improve these techniques.
Beläge auf Brücken sind Bestandteile der Straße und haben in erster Linie die Anforderungen zu erfüllen, die sich aus verkehrstechnischer Sicht ergeben. In diesem Zusammenhang besteht eine enge Verknüpfung mit dem Straßenbau, die zur Übernahme der geltenden Regelungen für den Belag, insbesondere für die dem Verkehr zugewandte Deckschicht führt. Auch bautechnisch gelten daher für die Zusammensetzung und Ausführung der Asphaltbeläge auf Brücken grundsätzlich die ZTV-Asphalt und ebenso die entsprechenden ergänzenden Regelwerke. Da jedoch die Unterlage für die Funktionsfähigkeit des Belages eine erhebliche Bedeutung hat, beeinflusst diese Schnittstelle den Brückenbelag erheblich und muss zu einer erweiterten Betrachtung unter bautechnischen Aspekten führen. Dieses gilt in besonderem Maße für die Stahlbrücken, die mit der orthotropen Fahrbahnplatte eine sehr differenzierte Unterlage für den Belag darstellen. Infolge hoher Radlasten auf dem Belag erfährt die orthotrope Fahrbahnplatte Verformungen, die zu hohen Spannungen in der Randzone des Asphaltbelages führen. Durch die schubfeste Verbindung Fahrbahnblech/Belag wird der Belag im Verbundkörper zum Mittragen herangezogen mit besonderen Beanspruchungen im Asphaltkörper und in der Verbundfuge. In Abhängigkeit von der Temperatur und der Art der Verbindung mit der Unterlage kann die mittragende Wirkung praktisch zwischen circa 25 Prozent und circa 60 Prozent liegen, gemessen am Unterschied der Durchbiegungen des Bleches ohne beziehungsweise mit Belag, weshalb an Beläge auf Stahlbrücken zusätzliche Anforderungen gestellt werden. Zwischen der Stahloberfläche und der Schutzschicht wird eine Dichtungsschicht angeordnet, die die Stahloberfläche gegen eindringendes Oberflächenwasser schützt und zugleich eine schubfeste Verbindung zum Asphaltbelag ermöglicht. Die baustellengerechte Ausführung dieser Dichtungsschicht stellte sich, wie die im Rahmen dieses Projektes durchgeführten Schadensanalysen und Untersuchungen gezeigt haben, als sehr problematisch heraus. Durch diese Schadensanalysen konnte in Verbindung mit umfangreichen Untersuchungen eine Optimierung dieser Dichtungsschichten erarbeitet werden. Zur Absicherung der hohen Qualität der anhand dieser Untersuchungen entwickelten Dichtungsschichten wurden Prüfungen ausgearbeitet und die Anforderungen und Toleranzen ermittelt, die bei der Grundprüfung und der Güteueberwachung dieser Dichtungsschichten einzuhalten sind. Diese sind eingeflossen in die "Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von Brückenbelägen auf Stahl" (ZTV-BEL-ST) und die TL- und TP-BEL-ST.
Gemäß den "Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von Brückenbelägen auf Stahl" (ZTV-BEL-ST 92) müssen Abdichtsysteme einer Grundprüfung unterzogen werden. Den Kernpunkt dieser Grundprüfung stellt die in den "Technischen Prüfvorschriften für die Prüfung der Dichtungsschichten und der Abdichtungssysteme für Brückenbeläge auf Stahl" (TP-BEL-ST) geregelte Dauerschwellbiegeprüfung dar. Diese Dauerschwellbiegeprüfung soll im Zuge der Überarbeitung des Merkblattes für reaktionsharzgebundene Dünnbeläge auf Stahl zu den "Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von reaktionsharzgebundenen Dünnbelägen auf Stahl" (ZTV-RHD-ST) auch für diese Beläge eingeführt werden. Hierzu war es notwendig, ein praxisnahes und belagunabhängiges Belastungskollektiv für die Dauerschwellbiegeprüfung zu ermitteln. In der Vergangenheit wurde diese Dauerschwellbiegeprüfung mit einer dynamischen Einstufenbelastung durchgeführt, welche die tatsächliche Beanspruchung eines Belages nicht ausreichend darstellt. Im Rahmen der Untersuchungen an der orthotropen Platte der Rheinbrücke Emscher-Schnellweg im Zuge der BAB A 42 wurde ein praxisnahes, aus umfangreichen Messungen der tatsächlichen Verformungen einer orthotropen Fahrbahnplatte unter Verkehr abgeleitetes Mehrstufenkollektiv zur Modifikation der Dauerschwellbiegeprüfung erarbeitet.
Brückenbeläge auf orthotropen Fahrbahnplatten unterliegen infolge des Trag- und Temperaturverhaltens der Konstruktionen hohen Beanspruchungen. Zur Erfassung des Einflusses von Verkehrsbelastungen und Temperatureinwirkungen auf das Verhalten orthotroper Fahrbahnplatten einschließlich Brückenbelag und auf die Haftung zwischen Brückenbelag und Stahlblech dient die Dauerschwellbiegeprüfung, die heute einen wesentlichen Bestandteil der Grundprüfung für Brückenbeläge auf Stahl darstellt. Im Rahmen des Forschungsprojektes "Untersuchung am Brückenbelag einer orthotropen Fahrbahnplatte" wurden durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) Messungen an zwei Brückenbauwerken durchgeführt. Weiterhin wurden zwei Probekörper mit in den einzelnen Belagsschichten applizierten Dehnungsmessstreifen hergestellt und einer Prüfung gemäß TP-BEL-ST unterzogen. Um die Ergebnisse dieser Laborversuche direkt mit den Bauwerksmessungen vergleichen zu können, weisen Probekörper und Brückenbauwerke einen identischen Belagsaufbau auf. Zur Klärung des Einflusses von Temperatur und Art der Lasteinleitung auf das Last-Verformungsverhalten des Verbundkörpers wurden zusätzlich numerische Berechnungen nach der Methode der Finiten Elemente (FEM) durchgeführt. Das Ziel dieser Untersuchungen bestand einerseits in der Überprüfung der Vorgaben für die Dauerschwellbiegeprüfung am Bauwerk selbst. Andererseits wurden anhand der Messergebnisse Last- beziehungsweise Verformungskollektive aufgestellt, welche die wirkliche Beanspruchung aus Verkehr so beschreiben, dass hieraus verbesserte Annahmen für die zukünfige Durchführung der Dauerschwellbiegeprüfung abgeleitet werden können. Aus einer Gegenüberstellung der Dehnungen zwischen Dauerschwellbiegeprüfung und Bauwerk lässt sich ableiten, dass die Vorgaben der Dauerschwellbiegeprüfung im Hinblick auf das statische System und die Lasteinleitung modifiziert werden sollten. Weiterhin zeigen die aus den Bauwerksmessungen abgeleiteten Pfeilhöhenkollektive, dass die Dauerschwellbiegeprüfung auch hier den Verhältnissen in situ nicht in allen Punkten gerecht wird.
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.
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.