Beton-Kalender 2015 E-Book
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- Herausgeber: Wiley-VCH
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Sprache: Deutsch
Das Bauen im Bestand bildet einen wesentlichen Anteil der planerischen Tätigkeit für alle Bereiche der gebauten Umwelt. Die Tragwerksbewertung und -planung im Bestand, Schadensanalyse und Ertüchtigungsmaßnahmen für Betonkonstruktionen des Allgemeinen Hochbaus sowie im Besonderen für Parkhäuser und Verkehrswasserbauwerke werden deshalb in diesem Jahrgang schwerpunktmäßig behandelt. Dabei werden auch die Instandsetzungsmaterialien und die Lebensdauerbetrachtung für instandgesetzte Stahlbetonbauteile unter Chlorideinwirkung untersucht. Dem Monitoring und seinen innovativen Möglichkeiten kommt eine besondere Bedeutung zu. Unter dem Schwerpunkt Brücken behandelt der Beton-Kalender die Einwirkungen nach Eurocode 1 auf Brücken sowie den Entwurf, die Bemessung und Konstruktion von Massivbrücken nach Eurocode 2, welche gemeinsam mit ihren Nationalen Anhängen 2013 verbindlich eingeführt und gegenüber den DIN-Fachberichten vom März 2009 erneuert wurden. Ausführliche Erläuterungen aus erster Hand und eine kommentierte Kurzfassung des "DIN-Handbuches Brückenbau" geben Sicherheit für die Praxis. Angesichts der Verkehrsprognose für den Bundesverkehrswegeplan ist die Überwachung und Erhaltung des Brückenbestandes zukünftig ein wesentliches Aufgabengebiet. Insbesondere die Straßenbrücken der 1960er bis 1980er Jahre bedürfen der Untersuchung, ob sie dem wachsenden Verkehrsaufkommen und steigenden Achslasten standhalten und wie sie ertüchtigt werden können. Daher werden hier die Erfahrungen bei der Anwendung der Nachrechnungsrichtlinie Brücken ausgewertet und ihre Ergänzung dargestellt. Der bekannte Beitrag über konstruktive Grundsätze und Bauarten der Bauweise Feste Fahrbahn wird in diesem Jahr auf dem aktuellen Stand der Technik neu bearbeitet. Als besonderes Thema werden die Baudynamik mit ihren Grundlagen und praktischen Anwendungen und die Berechnung und Bemessung von Maschinenfundamenten behandelt. Der Beton-Kalender 2015 ist eine besondere Fundgrube für Praktiker und Wissenschaftler.
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Seitenzahl: 2200
Veröffentlichungsjahr: 2015
Ähnliche
Inhaltsverzeichnis
I Erhalt unserer Bausubstanz
1 Einleitung
2 Einführung und Pressestimmen .
3 Zustand und Eigenschaften unserer Brücken
4 Erhaltungskreislauf
5 Ansätze der Forschung, Bewertung und Nachrechnung von Bestandsbrücken
6 Schlussfolgerungen
7 Danksagung
8 Literatur
II Tragwerksplanung im Bestand – Bewertung bestehender Tragwerke
1 Einleitung
2 Bestandsschutz
3 Besonderheiten bei der Bewertung bestehender Tragwerke
4 Historische Normen und Zulassungen des Beton- und Stahlbetonbaus
5 Ermittlung der maßgebenden Materialkennwerte bestehender Tragwerke
6 Modifizierte Teilsicherheitsbeiwerte für Bestandsbauten
7 Ermittlung der Tragfähigkeit auf der Grundlage von Belastungsversuchen
8 Abschätzung der Feuerwiderstandsdauer historischer Betonkonstruktionen
9 Übersicht historischer Bestimmungen für den Beton- und Stahlbetonbau – Bemessung, Ausführung, Beton, Betonstahl
10 Literatur
III Instandsetzung von Tiefgaragen und Parkhäusern
1 Einleitung
2 Bauliche Situation älterer Tiefgaragen und Parkhäuser
3 Rechtliche Grundlagen bei Instandsetzungen von Parkbauten
4 Bewehrungskorrosion
5 Instandsetzung nach der Instandsetzungs-Richtlinie – Vorgehen und technische Grundlagen
6 Istzustandsfeststellung von Parkbauten – Durchführung erforderlicher Untersuchungen
7 Bestandsschutz – Festlegung des Sollzustands
8 Instandsetzungsplanung
9 DBV-Merkblatt „Parkhäuser und Tiefgaragen“
10 Instandsetzungsdetails bei Parkbauten
11 Wartung, Instandhaltung und Überwachung
12 Literatur
IV Erhaltung und Instandsetzung von massiven Verkehrswasserbauwerken
1 Einführung
2 Regelwerksituation
3 Bauwerke, Bauwerkszustand
4 Planungsgrundlagen, Instandsetzungskonzepte
5 Instandsetzungsverfahren gemäß ZTV-W LB 219
6 Offene Fragen, Entwicklungen
7 Literatur
V Kathodischer Korrosionsschutz im Stahlbetonbau .
1 Allgemeines
2 Grundlagen
3 Anodenmaterialien und -typen
4 Schutzkriterien und technische Regelwerke
5 Ausführungsbeispiele
6 Zusammenfassung
7 Literatur
VI Bewertung der Leistungsfähigkeit von Instandsetzungsmaterialien und der Lebensdauer von instand gesetzten Stahlbetonbauteilen unter Chlorideinwirkung
1 Einleitung
2 Lebensdauerbemessung von (neuen) Stahlbetonbauteilen
3 Chlorideindringwiderstand von Instandsetzungsmaterialien
4 Lebensdauerbemessung von instand gesetzten Stahlbetonbauteilen
5 Zusammenfassung
6 Literatur
VII Innovative Monitoringstrategien für Bestandsbauwerke
1 Einleitung
2 Zerstörungsfreie Untersuchungsmethoden
3 Monitoringmethoden und Grundlagen der Bewertung
4 Grundelemente einer holistischen Lebenszyklusbetrachtung
5 Dynamische Monitoringverfahren – Grundlagen
6 Dynamische Monitoringverfahren – Anwendung
7 Radarinterferometrie zum großflächigen Setzungsmonitoring von Bauwerken
8 Monitoring einer Spannbeton-Hohlkastenbrücke
9 Zerstörungsfreie Überprüfungen und Lebensdauerbewertung einer Bogenbrücke
10 Zusammenfassung und Ausblick
11 Literatur
VIII Baudynamik
1 Einleitung
2 Begriffe, Einheiten und Bezeichnung
3 Theoretische Grundlagen
4 Experimentelle Untersuchungen
5 Anwendungen
6 Weiterführende Literatur
IX Maschinenfundamente
1 Einleitung
2 Maschinenarten
3 Statische Auslegung von Fundamenten
4 Dynamische Auslegung von Fundamenten
5 Konstruktion von Fundamenten
6 Beurteilung von Fundamenten
7 Literatur
X Feste Fahrbahn in Betonbauweise
1 Einleitung – Stand der Technik
2 Bemessung und Konstruktion
3 Entwicklung einer Festen Fahrbahn
4 Feste Fahrbahn auf Brücken
5 Ausgewählte Themen
6 Literatur
XI Einwirkungen auf Brücken nach den Eurocodes
1 Allgemeines über die Eurocodes für die Bestimmung der Einwirkungen auf Brücken
2 Erläuterungen
3 Einwirkungen auf Brücken nach DIN-Handbuch (Eurocode) in Beispielen
4 Literatur
XII Entwurf, Bemessung und Konstruktion von Betonbrücken
1 Anforderungen an Brücken
2 Brückenentwurf
3 Bemessung und Konstruktion von Betonbrücken nach Eurocode 2
4 Innovationen im Betonbrückenbau
5 Nachrechnung und Verstärkung von Brücken
6 Literatur
XIII Die Nachrechnung von Betonbrücken – Fortschreibung der Nachrechnungsrichtlinie
1 Ausgangslage
2 Bauwerksprüfung und Nachrechnung – zur Zustandsbewertung von Brücken
3 Überblick zur Nachrechnung von Bestandsbrücken
4 Erkenntnisse aus der Nachrechnung von Betonbrücken
5 Erkenntnisse und Erfahrungen aus bisherigen Nachrechnungen der Stufe 4
6 Erweiterte Ansätze zum Nachweis der Querkraft- und Torsionstragfähigkeit
7 Möglichkeiten zur Beurteilung der Querkraft- und Torsionstragfähigkeit mit wissenschaftlichen Methoden gemäß Nachweisstufe 4
8 Schlussfolgerungen und Ausblick
9 Literatur
XIV Normen und Regelwerke
1 Einleitung
2 Normenreihe SIA 269 „Erhaltung von Tragwerken“
3 Betonbrücken in Österreich – Planung und Konstruktion nach Eurocode
4 Der Eurocode 2 für Betonbrücken in Deutschland
5 Listen und Verzeichnisse
6 Literatur
Stichwortverzeichnis
Hinweis des VerlagesDie Recherche zum Beton-Kalender ab Jahrgang 1980 stehtim Internet zur Verfügung unter www.ernst-und-sohn.de
Titelfoto: Niederrheinbrücke, WeselFotograf: Nicolas Janberg
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© 2015 Wilhelm Ernst & Sohn, Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Rotherstr. 21, 10245 Berlin, Germany
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Print ISBN: 978-3-433-03073-8oBook ISBN: 978-3-433-60340-6ePDF ISBN: 978-3-433-60486-1eMobi ISBN: 978-3-433-60512-7ePub ISBN: 978-3-433-60513-4
ISSN 0170-4958
Anschriften
Autoren
Ahrens, Mark Alexander, Dr.-Ing.Ruhr-Universität BochumLehrstuhl für MassivbauUniversitätsstraße 15044801 Bochum
Becker, Holger, Dipl.-Ing.Bundesanstalt für WasserbauAbteilung BautechnikKußmaulstraße 1776187 Karlsruhe
Bergmeister, Konrad, Univ.-Prof. Dipl.-Ing.DDr. Dr.-Ing. E. h.Ingenieurbüro BergmeisterPeter-Jordan-Straße 1131180 WienÖsterreich
Bödefeld, Jörg, Dr.-Ing.Bundesanstalt für WasserbauAbteilung BautechnikKußmaulstraße 1776187 Karlsruhe
Dunkelberg, Daniel, Dipl.-Ing.Zilch + Müller Ingenieure GmbHErika-Mann-Straße 6380636 München
Eichler, Thorsten, Dr.-Ing.CORR-LESS Isecke & Eichler Consulting GmbH & Co. KGKurfürstendamm 19410707 Berlin
Fingerloos, Frank, Dr.-Ing.Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein E. V.Kurfürstenstraße 12910785 Berlin
Fleischer, Helmut, Dr.-Ing.Bundesanstalt für WasserbauAbteilung BautechnikKußmaulstraße 1776187 Karlsruhe
Freudenstein, Stephan, Univ.-Prof. Dr.-Ing.Technische Universität MünchenLehrstuhl und Prüfamt für VerkehrswegebauBaumbachstraße 781245 München
Gehlen, Christoph, Prof. Dr.-Ing.Technische Universität MünchenLehrstuhl für Werkstofe und Werkstofprüfungim BauwesenBaumbachstraße 781245 München
Geisler, Konstantin, M. Sc.Technische Universität MünchenPrüfamt für VerkehrswegebauBaumbachstraße 781245 München
Gieler-Breßmer, Susanne, Dipl.-Ing.IGF Ingenieur-Gesellschaft für BauwerksinstandsetzungGieler-Breßmer & Fahrenkamp GmbHTobelstraße 873079 Süßen
Haveresch, Karl-Heinz, Dr.-Ing.Landesbetrieb Straßenbau NRWRegionalniederlassung Ruhr – Haus EssenPostfach 10234345023 Essen
Heek, Peter, M. Sc.Ruhr-Universität BochumLehrstuhl für MassivbauUniversitätsstraße 15044801 Bochum
Hegger, Josef, Univ.-Prof. Dr.-Ing.Rheinisch-Westfälische Technische HochschuleAachenLehrstuhl und Institut für MassivbauMies-van-der-Rohe-Straße 152074 Aachen
Kolodziejczyk, Agnieszka, Dipl.-Ing.Technische Universität DortmundLehrstuhl BetonbauAugust-Schmidt-Straße 844227 Dortmund
Krawtschuk, Alexander, Dipl.-Ing.Universität für Bodenkultur WienInstitut für Konstruktiven IngenieurbauPeter-Jordan-Straße 821190 WienÖsterreich
Kunz, Claus, Ltd. Baudirektor, Dipl.-Ing.Bundesanstalt für WasserbauKußmaulstraße 1776187 Karlsruhe
Lippert, Peter, Dr.-Ing.DB Netz AGKonstruktiver IngenieurbauRichelstraße 380634 München
Maisner, Matthias, Dipl.-Ing.Bundesanstalt für WasserbauAbteilung BautechnikKußmaulstraße 1776187 Karlsruhe
Mark, Peter, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil.Ruhr-Universität BochumLehrstuhl für MassivbauUniversitätsstraße 15044801 Bochum
Marx, Stefen, Prof. Dr.-Ing.Leibniz-Universität HannoverInstitut für MassivbauAppelstraße 9a30167 Hannover
Marzahn, Gero, Dr.-Ing.Landesbetrieb Straßenbau NRWWildenbruchplatz 145888 Gelsenkirchen
Maurer, Reinhard, Univ.-Prof. Dr.-Ing.Technische Universität DortmundLehrstuhl BetonbauAugust-Schmidt-Straße 844227 Dortmund
Mayer, Till Felix, Dr.-Ing.Ingenieurbüro Schießl Gehlen Sodeikat GmbHLandsberger Straße 37080634 München
Mißler, Michael, Dipl.-Ing.DB Netz AGTechnologiemanagement FahrwegtechnikMainzer Landstraße 18160327 Frankfurt/Main
Mölter, Tristan, Dipl.-Ing.DB Netz AGRichelstraße 380634 München
Müller, Hilmar, Dipl.-Ing. (FH)Bundesanstalt für WasserbauAbteilung BautechnikKußmaulstraße 1776187 Karlsruhe
Neugebauer, Pia, M. Sc.Ruhr-Universität BochumLehrstuhl für MassivbauUniversitätsstraße 15044801 Bochum
Nordhues, Hans-Werner, Dr.-Ing.örner und Partner GbRBeratende IngenieureNiebergallweg 3364285 Darmstadt
Novák, Balthasar, Prof. Dr.-Ing.Universität StuttgartILEK Institut für Konstruktion und EntwurfPfafenwaldring 770569 Stuttgart
Österreicher, Michael, M. Sc.iC Consulenten Ziviltechniker GmbhKaiserstraße 451070 WienÖsterreich
Potucek, Walter, Hofrat Dipl.-Ing. Dr.Fachhochschule FH Campus WienFB Bauingenieurwesen – BaumanagementFavoritenstraße 2261100 WienÖsterreich
Rahimi, Amir, Dipl.-Ing.Bundesanstalt für WasserbauAbteilung BautechnikKußmaulstraße 1776187 Karlsruhe
Reschke, Thorsten, Dr.-Ing.Bundesanstalt für WasserbauReferat B3 BaustofeKußmaulstraße 1776187 Karlsruhe
Sanio, David, Dipl.-Ing.Ruhr-Universität BochumLehrstuhl für MassivbauUniversitätsstraße 15044801 Bochum
Schnell, Jürgen, Prof. Dr.-Ing.Technische Universität KaiserslauternFachbereich BauingenieurwesenMassivbau und BaukonstruktionPaul-Ehrlich-Straße 1467663 Kaiserslautern
Sodeikat, Christian, Dr.-Ing.Ingenieurbüro Schießl Gehlen Sodeikat GmbHLandsberger Straße 37080687 München
Spörel, Frank, Dr.-Ing.Bundesanstalt für WasserbauKußmaulstraße 1776187 Karlsruhe
Stolz, Christian, Dipl.-Ing.DB Netz AGTechnologiemanagement FahrwegtechnikMainzer Landstraße 18160327 Frankfurt/Main
Strauss, Alfred, assoc. Prof. Dipl.-Ing. Dr.Universität für Bodenkultur WienInstitut für konstruktiven IngenieurbauPeter-Jordan-Straße 821190 WienÖsterreich
Teworte, Frederik, Dr.-Ing.H + P Ingenieure GmbH & Co. KGKackertstraße 1052072 Aachen
Vill, Markus, Dipl.-Ing. Dr. techn.Fachhochschule Campus WienDepartement Bauen und GestaltenFachgebiet: Betonbau und BrückenbauFavoritenstraße 2261100 WienÖsterreich
Schriftleitung
Prof. Dipl.-Ing. DDr. Dr.-Ing. E. h.Konrad BergmeisterUniversität für Bodenkultur WienInstitut für Konstruktiven IngenieurbauPeter-Jordan-Straße 82, 1190 Wien
Dr.-Ing. Frank FingerloosDeutscher Beton- und Bautechnik-Verein E.V.Kurfürstenstraße 129, 10785 Berlin
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.Johann-Dietrich WörnerTechnische Universität DarmstadtKarolinenplatz 5, 64289 Darmstadt
Vogel, Thomas, Prof. dipl.-Bauing. ETHETHZ – Eidgenössische Technische Hochschule ZürichIBK – Institut für Baustatik und KonstruktionStefano-Franscini-Platz 148093 ZürichSchweiz
Westendarp, Andreas, Dipl.-Ing.Bundesanstalt für WasserbauAbteilung BautechnikKußmaulstraße 1776187 Karlsruhe
Westerkamp-Freitag, Claudia, Dr.-Ing.Technische Universität DarmstadtInstitut für Werkstofe und Mechanik im BauwesenFranziska-Braun-Straße 364287 Darmstadt
Wörner, Johann-Dietrich, Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.mult.Wörner und Partner GbRBeratende IngenieureNiebergallweg 3364285 Darmstadt
Zilch, Konrad, Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E. h.Zilch + Müller Ingenieure GmbHErika-Mann-Straße 6380636 München
Zwicky, Daia, Prof. Dr. dipl. Bauing. ETHHochschule für Technik und ArchitekturiTEC – Institut für Bau- und UmwelttechnologienBoulevard de Pérolles 801705 FreiburgSchweiz
Verlag
Ernst & SohnVerlag für Architektur und technischeWissenschaften GmbH & Co. KGRotherstraße 21, 10245 Berlinwww.ernst-und-sohn.de
Vorwort
Die Themen im Beton-Kalender 2015 befassen sich schwerpunktmäßig mit dem Erhalt unserer Bausubstanz und mit dem Betonbrückenbau. Die Erhaltung von Bauwerken im Allgemeinen Hochbau und im Ingenieurbau sowie das Management der Inspektion, Bewertung und Durchführung von Instandsetzungs- und Ertüchtigungsmaßnahmen verlangen vom Bauingenieur ein umfassendes Systemdenken sowie solide Kenntnisse über die Methoden. Zudem erleben wir das konzeptionelle Altern (conceptual aging), dass nämlich ältere Bauwerke in anderen Entwurfsprozessen geplant und nach anderen Richtlinien und Normen bemessen und konstruiert wurden als heute. Haben wir früher Ingenieurverstand und -erfahrung mehr vertraut und mit weniger Normvorschriften konstruiert, so steht heute theoretisch sehr viel mehr Wissen zur Verfügung; was jedoch nicht immer bedeutet, dass die Bauwerke von höherer Qualität sind. Diese Ambivalenz kann nur durch kontinuierlichen Erkenntnis- und Erfahrungsgewinn und unter Aufbietung von genügend Zeit und Sorgfalt bei entsprechender Vergütung für das Entwerfen, Konstruieren und Bauen aufgelöst werden.
Peter Mark und Pia Neugebauer zeigen eindrucksvoll die Notwendigkeit zum Erhalt unserer Bausubstanz sowie den Erhaltungskreislauf bei Brücken auf. Exemplarisch werden einzelne Schäden an Brückenbauwerken herausgegriffen, um die Notwendigkeit der Überwachung, des Monitorings sowie der periodischen Überprüfung und der Nachrechnung zu verdeutlichen. Wertvoll sind auch die neuen Erkenntnisse aus der Simulation von Schädigungen, um Prognoserechnungen durchzuführen und die Restnutzungsdauer von Bauwerken abzuschätzen.
Frank Fingerloos, Steffen Marx und Jürgen Schnell beschäftigen sich mit der Tragwerksplanung im Bestand. Zuerst werden die wesentlichen Grundsätze des Bestandsschutzes und dann die besonderen Ingenieurvoraussetzungen bei der Bewertung bestehender Bauwerke aufgezeigt. Interessant sind dabei die historischen Berechnungs- und Bewehrungsregeln sowie Normen, welche sich vielfach an den Hauptspannungen orientierten. Der Ermittlung der maßgeblichen Materialkennwerte bestehender Tragwerke wird ein besonderes Augenmerk geschenkt; dabei haben die Autoren auch festgehalten, dass bei der Nachrechnung alter Betonkonstruktionen eine höhere Ausnutzung der Betondruckzone unter Berücksichtigung des Parabel-Rechteckdiagramms bis in den plastischen Bereich erfolgen kann. Modifizierte Teilsicherheitsbeiwerte für Bestandsbauwerke in Abhängigkeit des Variationskoeffizienten für Beton und Betonstahl werden angegeben, mit Beispielen ergänzt und erwähnt, dass ein kontinuierliches Monitoring sehr hilfreich sein kann. Die bekannte Untersuchung der Tragfähigkeit mit Belastungsversuchen wurde speziell für die Bewertung von Bestandsbauteilen im Hochbau erweitert. Ein ergänzender Abschnitt behandelt Fragen zur Abschätzung der Feuerwiderstandsdauer historischer Betonkonstruktionen. Abschließend gibt es noch eine Übersicht über die historischen Bestimmungen für die Beton- und Stahlbetonbemessung.
Christian Sodeikat und Till F. Mayer geben einen Überblick über die Instandsetzung von Tiefgaragen und Parkhäusern. Einige konstruktive Anforderungen, wie die Entwässerungs- und Gefällesituation, Arbeits- und Dehnfugen sowie zulässige Rissbreiten werden anhand von Beispielen dargelegt. Die Beratungs- und Aufklärungspflicht des Planers gegenüber dem Bauherrn, die rechtlichen Grundlagen bei der Instandsetzung von Parkbauten sowie die Regelwerke zu Schutz und Instandsetzung von Betontragwerken stellen die Voraussetzungen bei jeder Instandsetzung dar. Ausführlich gehen die Autoren auf die Korrosion, insbesondere auf die chloridinduzierte Korrosion der Bewehrung ein. Der Hauptteil widmet sich der Instandsetzung auf der Basis der DAfStb-Instandsetzungs-Richtlinie in der Fassung von 2001; die Neufassung soll frühestens 2016 erscheinen. Darüber hinaus werden die aktuellen Untersuchungsmethoden zur Feststellung des Istzustandes, die Instandsetzungsmethoden an einzelnen Beispielen sowie die Ausführungsvarianten aus dem DBV-Merkblatt „Parkhäuser und Tiefgaragen“ und einige interessante Instandsetzungsdetails dargestellt. Mit einem Abschnitt über die Wartung, Instandhaltung und Überwachung sowie den zusätzlichen Wert eines Monitorings über den gesamten Lebenszyklus schließt dieser wissenschaftlich und baupraktisch wertvolle Beitrag ab.
Andreas Westendarp, Holger Becker, Jörg Bödefeld, Helmut Fleischer, Claus Kunz, Matthias Maisner, Hilmar Müller, Amir Rahimi, Thorsten Reschke und Frank Spörel erläutern Methoden der Erhaltung und Instandsetzung von massiven Verkehrswasserbauwerken. Die Wichtigkeit funktionstüchtiger Wasserstraßen zeigt sich darin, dass die Mehrzahl der Großstädte sowie Industriezentren der Bundesrepublik Deutschland, aber auch die Städte entlang der Donau über Wien nach Budapest biszum Schwarzen Meer, darüber verbunden sind. Neben den eigentlichen Wasserbauwerken gewährleisten etwa 1.600 Brücken in Deutschland einen zuverlässigen Betrieb der Wasserstraßen. Etwa 50 % dieser Bauwerke sind älter als 80 Jahre und etwa 30 % sind älter als 100 Jahre. Nach einem Überblick über die aktuellen Regelwerke werden die Bauweisen, die Verfahren zur Zustandsbeurteilung sowie aktuelle Ergebnisse von Bauwerksinspektionen an Schleusen und Wehren dargestellt. Sehr detailliert wird auf die Methoden und Systeme der Instandsetzung auch unter Berücksichtigung der Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen – Wasserbau (ZTV-W) für Schutz und Instandsetzung der Betonbauteile von Wasserbauwerken (LB 219 – 2013) eingegangen. Eine Bereicherung für die Praxis stellen die beschriebenen Beispiele der Instandsetzung von Bewegungsfugen und weiterer konstruktiver Details dar.
Thorsten Eichler und Susanne Gieler-Breßmer behandeln den kathodischen Korrosionsschutz. Im Allgemeinen ist diese Instandsetzungsmethode immer dann wirtschaftlich, wenn hohe Chloridgehalte mit einer Depassivierung der Bewehrung einhergehen, die jedoch noch nicht zu einer starken Schädigung des Bauwerks geführt haben. Detailliert werden die chemischen Grundlagen aus der neuesten Literatur zusammengestellt und ein guter Überblick über die Anodensysteme und Anwendungen gegeben. Die wichtigsten Regelwerke, wie DIN EN ISO 12696 für den kathodischen Korrosionsschutz und DIN EN 15257 für die organisatorischen Abläufe, werden erläutert. Die Anwendungsbeispiele zeigen die Wirksamkeit als präventive oder als Instandsetzungsmaßnahmen.
Christoph Gehlen, Amir Rahimi, Thorsten Reschke und Andreas Westendarp beschäftigen sich mit der Bewertung der Leistungsfähigkeit von Instandsetzungsmaterialien und der Lebensdauer von instand gesetzten Stahlbetonbauteilen unter Chlorideinwirkung. Wertvoll sind die Beschreibungen von Versuchsergebnissen der Chloriddiffusion und -migration mit deren zeitlicher Entwicklung. Damit kann durch geeignete Untersuchungen die Leistungsfähigkeit der Instandsetzungsmaterialen bewertet werden, da die Zusammensetzungen dieser Materialien vielfach nicht bekannt sind. Die Bemessung der Lebensdauer von instand gesetzten Stahlbetonbauteilen kann mit dem bekannten Sicherheitsindex β auf der Grundlage eines prognostizierten Chloridtransports erfolgen.
Konrad Bergmeister, Peter Mark, Michael Österreicher, David Sanio, Peter Heek, Alexander Krawtschuk, Alfred Strauss und Mark Alexander Ahrens zeigen in ihrem Beitrag über innovative Monitoringstrategien für Bestandsbauwerke den aktuellen Stand des Wissens im Bereich zerstörungsfreie Baustoffuntersuchung und Monitoring. Den Grundlagen für das Monitoring, den statistischen Auswertungen, wird besondere Aufmerksamkeit geschenkt. Innovativ ist die holistische Lebenszyklusbetrachtung, bei der jedem Bauwerk und Bauteil eine bestimmte Lebensdauer zugeordnet wird. Die mathematischen Grundlagen der dynamischen Monitoringsysteme mit digitaler Signalverarbeitung sowie die Näherungsverfahren zur automatisierten Bestimmung der Dämpfung bilden das Wissen, um Feldmessungen an realen Bestandsbrücken zu interpretieren. Interessant ist die satellitengestützte Radarinterferometrie zum großflächigen Setzungsmonitoring von Gebäuden. Beeindruckend ist die erzielbare Genauigkeit vertikaler Verformungswerte im Submillimeterbereich. An Bestandsbrücken wurden Bauwerksmonitoring zur Beurteilung der Ermüdung sowie Georadarmessungen zur Untersuchung des Hinterfüllmaterials verwendet. In diesem Beitrag wird nachgewiesen, dass Monitoringsysteme bereits bei der Planung der Lebenszyklen mitgedacht und bei Neubauten eingesetzt werden sollten.
Claudia Westerkamp-Freitag und Johann-Dietrich Wörner haben die theoretischen Grundlagen der Baudynamik und deren Berechnungsverfahren zusammengestellt. Ein Abschnitt widmet sich den experimentellen Untersuchungen zur Bestimmung wichtiger Verhaltensparameter, wie Dämpfung und Steifigkeit. Wertvoll sind die Darstellungen der Einwirkungen, wie beispielsweise Glockenlasten, Maschinenlasten, Wind- und Erdbebenlasten.
Hans-Werner Nordhues beschreibt im Beitrag über die Maschinenfundamente einleitend die verschiedenen Maschinenarten und die Prinzipien zur Auslegung von Maschinenfundamenten. Der Einfluss des Betons auf die Steifigkeit ist genauso wie die Fundamentbreite gering (linear); jedoch werden wertvolle baupraktische Hinweise zur Hydratation und zur Festigkeitsentwicklung gegeben. Die aktive Isolierung bei der dynamischen Auslegung von Fundamenten sowie die konstruktive Durchbildung mit eingebauten Sensoren zur Messung von Temperatur und Verformungen runden diesen Beitrag ab.
Stephan Freudenstein, Konstantin Geisler, Tristan Mölter, Michael Mißler und Christian Stolz stellen den aktuellen Stand des Wissens über die Feste Fahrbahn aus Beton zusammen. Die grundsätzlichen Bauarten und die speziellen Systeme für Brücken und Tunnel werden beschrieben sowie die neuesten internationalen Entwicklungen erwähnt. Ein wesentlicher Abschnitt widmet sich der Bemessung und konstruktiven Durchbildung mit den spezifischen Materialkenndaten. Am Beispiel einer Gleistragplatte wird die Berechnung dargestellt. Interessant sind die Schritte der notwendigen Laborprüfungen und Nachweise bei der Entwicklung einer neuen Festen Fahrbahn. Spezifisch werden die Anforderungen und die Bemessung der Festen Fahrbahn auf Brücken sowie ausgewählte Themen der Inspektion und der Instandhaltung behandelt.
Teil 2 des Beton-Kalenders 2015 enthält spezielle Themen des Brückenbaus sowohl in Bezug auf die aktuellen Eurocodes als auch über die Nachrechnung von Bestandsbrücken.
Balthasar Novák und Peter Lippert beschäftigen sich mit den Einwirkungen auf Brücken nach den Eurocodes. Detailliert werden die Lastmodelle für neue Brücken und Brückenpfeiler beschrieben, während bei Bestandsbauwerken die anzusetzenden Achslasten aus der Nachrechnungsrichtlinie entnommen werden können. Am Beispiel einer 4-feldrigen Straßenbrücke sowie an einer 3-feldrigen Eisenbahnbrücke werden die Einwirkungen nach dem DIN-Handbuch Eurocode 1, Band 3: Brückenlasten dargestellt.
Karlheinz Haveresch und Reinhard Maurer behandeln Entwurf, Bemessung und Konstruktion von Betonbrücken nach Eurocode 2 in Deutschland. Die wesentlichen Anforderungen bei der Planung von neuen Brücken sowie die Unterschiede bei der Umgestaltung von Bestandsbrücken werden strukturiert dargestellt. Beginnend mit den Balkenbrücken werden Bogenbrücken, Sprengwerksbrücken und Rahmenbrücken beschrieben. Die konstruktive Durchbildung der Brückenüberbauten sowie der Widerlager, Pfeiler und Gründungen werden baupraktisch erläutert und mit Beispielen ergänzt. Ein Abschnitt ist den Bauverfahren gewidmet, beginnend mit dem Erbauen auf einem Traggerüst, über das Taktschiebeverfahren, Freivorbauverfahren hin zum Bauen mit Fertigteilen. Die Grundlagen der Tragwerksplanung werden behandelt und die Bemessung nach Eurocode 2 detailliert dargelegt. Die Nachweise der Tragfähigkeit, der Gebrauchstauglichkeit und der Ermüdung werden anhand von Beispielen veranschaulicht, sodass sie wertvolle Hilfen in der Ingenieurpraxis bieten. Vervollständigt wird der Beitrag mit dem Thema der externen Vorspannung, welche vielfach auch bei der Ertüchtigung von Bestandsbrücken angewandt wird.
Gero Marzahn, Josef Hegger, Reinhard Maurer, Konrad Zilch, Daniel Dunkelberg, Agnieszka Kolodziejczyk und Frederik Teworte befassen sich mit der Fortschreibung der deutschen Nachrechnungsrichtlinie von Betonbrücken. Dabei stellen die Autoren aktuelle Erkenntnisse aus der Nachrechnung von Betonbrücken und ein neues Verkehrslastmodell (4+0-System) für die Durchführung von Erhaltungsmaßnahmen unter Verkehr vor. Interessant sind die Erkenntnisse über die Defizite bei der Bewehrung zur Abdeckung der verschiedenen Schnittgrößen. Vertiefend wurden die Nachrechnung mit genaueren wissenschaftlichen Methoden (Stufe 4), insbesondere für Querkraft und Torsion, sowie die erweiterten Ansätze zum Nachweis der Querkraft- und Torsionstragfähigkeit behandelt. Wertvoll für die Praxis sind die angeführten Nachrechnungsbeispiele und die daraus gewonnenen Erkenntnisse.
Im Beitrag Normen und Regelwerke hat Frank Fingerloos eine konsolidierte Fassung des Eurocodes 2 für Betonbrücken in Deutschland aufbereitet. Daia Zwicky und Thomas Vogel stellen die Schweizer Normenserie SIA 269, insbesondere den Betonteil SIA 269/2 zur Erhaltung von Tragwerken, vor. Walter Potucek und Markus Vill erläutern die Anwendung der Eurocodes 1 und 2 mit den Nationalen Anhängen für Betonbrücken in Österreich. Damit wird ein guter Überblick über den aktuellen Stand der Normen zur Bestandsbewertung und zu Betonbrücken in den drei Ländern Deutschland, Österreich und Schweiz gegeben.
Der Erhalt unserer Bausubstanz sowie der Brückenbau sind die Themen dieses Jahrgangs. Umfangreiches Fachwissen wurde zusammengestellt und anhand von anschaulichen Beispielen aus der Berufspraxis für die Anwendung aufbereitet. Damit stellt der Beton-Kalender 2015 wieder eine Fundgrube zum vertieften Studium sowie eine Hilfe für die Ingenieurarbeit dar. Wir wünschen allen Freunden des Beton-Kalenders viel Erfolg in der täglichen Arbeit und den Mut trotz mancher Limitierungen durch die Normen mit neuem Wissen innovative Projekte zu gestalten!
Wien, Berlin, Darmstadt, im September 2014
Konrad Bergmeister, Wien
Frank Fingerloos, Berlin
Johann-Dietrich Wörner, Darmstadt
I Erhalt unserer Bausubstanz
Peter Mark, BochumPia Neugebauer, Bochum
1 Einleitung1)
Angesichts immer älter werdender Brücken in Deutschland gibt dieser Beitrag einen Überblick über den Erhaltungszustand ihrer Bausubstanz und gegenwärtige sowie zukünftige Aufgabenbereiche eines nachhaltigen Brückenmanagements. Näher beleuchtet werden Schädigungsumfang, Schadensursachen sowie Gegenmaßnahmen. Außerdem wird ein Einblick in den Stand von Nachrechnung, Lebensdauerabschätzung und -optimierung sowie des Monitorings gewährt. Neben Beispielen für die bautechnische und organisatorische Umsetzung von entsprechenden Maßnahmen wird auch das Kriterium der Wirtschaftlichkeit mit einbezogen. Die Ausführungen gehen bewusst nicht in die technischen Details, um einen breiten Überblick zu geben.
2 Einführung und Pressestimmen
Brückenbauwerke in Deutschland und Europa werden immer älter. Durch jahrzehntelange klimatische Einfüsse, Tausalze und den ständigen Verkehrsfuss sind sie – bei manchen mehr, bei manchen weniger sichtbar – „in die Jahre gekommen“. Wie die Wahrnehmung in der Öfentlichkeit hierzu ist, zeigen die gesammelten Überschriften von Zeitungsartikeln in Bild 1 deutlich. Pressestimmen in Tageszeitungen sprechen bereits von „Bröckelbrücken“ [2] oder „Urlauberbremsen“ [3] (Bild 1) und auch investigative Fernsehsendungen greifen die Thematik immer häufger auf, z. B. [4].
Und tatsächlich befinden sich Deutschlands Brücken oftmals in einem verbesserungswürdigen Zustand. Ein Großteil der Straßenbrücken stammt aus den 1960er- und 1970er-Jahren, wie es Bild 2 mit einer chronologischen Darstellung für Brücken im Zuge von Autobahnen und Fernstraßen zeigt. Die Mehrzahl der Eisenbahnbrücken stammt sogar noch vom Ende des 19. bzw. Anfang des 20. Jahrhunderts [11] und wird auch heute noch intensiv genutzt. Durchschnittsalter von 40 und mehr Jahren bei Straßenbrücken und rund 80 Jahren bei Eisenbahnbrücken sind typisch, aber nicht ungewöhnlich, bedenkt man ihre planmäßige Nutzungsdauer von bis zu 100 Jahren und mehr.
Bild 1. Zeitungsausschnitte zu Erhaltungszuständen von Brücken (nach [2, 3, 5–10])
Dementsprechend treten bei vielen Brückenbauwerken Alterungserscheinungen auf. Die über die Jahrzehnte stetig steigenden Verkehrslasten setzen den Bauwerken zu. Waren in den 1960er-Jahren die Bundesautobahnen noch weitgehend leer (Bilder 3a und b), so werden sie heutzutage stark frequentiert und sind für den Güterverkehr unerlässlich (Bild 3c). Bedeutsam ist insbesondere die enorme Zunahme an Schwerverkehr mit seinen hohen Gewichten und seinem oft nicht nur auf die rechte Fahrspur beschränkten, sondern mehrspurigen Auftreten.
Hieraus entsteht die schwierige Aufgabe, sowohl zweckmäßige Sanierungs- und Instandhaltungskonzepte als auch geeignete Nachrechnungsmethoden für Bestandsbrücken zu entwickeln, die die aktuellen Anforderungen und die zum Erbauungszeitpunkt angesetzten Konzepte gleichermaßen berücksichtigen. Dabei fließen sowohl das Alter der Brücken, ihre Eigenschaften und der Anspruch an die Nutzung als auch die bereits vorhandenen Schädigungen mit ein.
3 Zustand und Eigenschaften unserer Brücken
Typische Schäden an den Oberflächen von Stahlbeton- und Spannbetonbrücken treten durch Korrosion der Bewehrung auf. In der Regel findet eine Volumenvergrößerung beim Korrodieren statt, an der Betonoberfläche entstehen Risse und mit der Zeit Abplatzungen. Hierbei ist grundsätzlich zwischen zwei Ursachen zu unterscheiden.
Ist das Bauteil direktem Spritzwasser von Verkehrsflächen ausgesetzt, kann es zu chloridinduzierter Korrosion kommen, wenn höhere Chloridkonzentrationen die Bewehrungslagen erreichen.
Bild 2. Altersstrukturen der Straßenbrücken im Zuge der Bundesfernstraßen (nach [12])
Bild 3. a) Österreichische Autobahn in den 1960er-Jahren (Dipl.-Ing. E. Holl), b) Blick auf die A 40 zwischen Essen und Mülheim Ende der 1950er-Jahre (M. Zils), c) die A 40 bei Bochum heute
Ansonsten ist der Stahl im Beton normalerweise durch dessen Alkalität vor Korrosion geschützt. Über die Jahre jedoch reduziert sich der alkalische „Schutzschild“ durch Karbonatisierung von der Oberfläche aus und führt zu den beschriebenen Korrosions- und Abplatzungserscheinungen, wenn die Stahlebene erreicht ist. Bild 4a zeigt einen extremen, maßgeblich durch Chlorideinfluss entstandenen Korrosionsschaden, bei dem praktisch keine Betondeckung mehr vorhanden ist.
Besonders bei geringer Betondeckung – sei es geplant aufgrund des Erbauungsjahres oder unabsichtlich durch Ungenauigkeiten bei der Bauausführung erzeugt – kommt es zu den beschriebenen Schädigungen. In der Regel kann davon ausgegangen werden, dass ältere Bauteile eine zu geringe Betondeckung aufweisen, weil die Erkenntnis über die Notwendigkeit höherer Deckungswerte erst über die Zeit reifte.
Koppelstellen von Spannstählen bildeten zu Beginn der Spannbetonbauweise Schwachstellen, da sie zunächst an einigen wenigen Stellen konzentriert wurden [14–16]. Risse von zum Teil erheblicher Breite waren die Folge. Bild 4b zeigt einen typischen derartigen Rissschaden, der sich über den gesamten Querschnitt durchzieht. Die heute übliche Verteilung der Koppelstellen verhindert dies, da genügend Mindestbewehrung vorgesehen ist und Restdruckspannungen die Zugspannungen des abschnittsweisen Bauprozesses überdrücken. In der Regel werden mindestens 30 % der Spannglieder ungestoßen durch eine Koppelstelle geführt [17].
Von außen nicht sichtbare Korrosionsschäden können an internen Spanngliedern auftreten. Sie entstehen beispielsweise, wenn die Hüllrohre der Spannglieder nicht vollständig verpresst wurden oder hohe Chloridkonzentrationen die Spannglieder erreichen, was aber eher selten vorkommt. Bild 4c zeigt ein solches Schadensbild. Schäden an Spanngliedern möglichst frühzeitig zu erkennen ist wesentlich, da die Spannglieder den maßgebenden Beitrag zum Tragwiderstand leisten und es bei oft fehlender Mindestbewehrung zu Versagensarten ohne Vorankündigung kommen kann.
Bild 4. a) Starke Korrosionsschäden an Bewehrungsstählen eines Unterzugs, b) Rissschaden an einer Koppelfuge, eingezeichnet sind der Spanngliedverlauf sowie die Koppelstellen, c) Korrosionsschäden an internen Spanngliedern, d) Blattkorrosion an einer Stahlbrücke (nach [13])
Neben der durch andere Bemessungsvorschriften und Einwirkungen geprägten Bauteilausbildung und -konstruktion und dem damit einhergehenden, nicht wie heute konsequent verfolgten Duktilitätsprinzip stellen bei Bestandsbrücken die mittlerweile stark gestiegenen Verkehrslasten und die reduziert vorhandenen Bewehrungsgrade für Biege- und Schubbewehrung ein Defizit dar. Nach heutigen Maßstäben wären viele Bestandsbrücken unterbemessen. Sie weisen also ein geringeres Sicherheitsniveau im Vergleich zu heutzutage gebauten Brücken auf. Dabei sind allerdings die veränderte Restnutzungsdauer und ggf. vorhandene Umlagerungspotenziale zu berücksichtigen.
Bei reinen Stahlbrücken kann es bedingt durch mangelhafte Erneuerung des Korrosionsschutzes ebenfalls zu vielfältigen Schäden durch Korrosion kommen. Ein charakteristisches Beispiel zeigt Bild 4d. Zu sehen ist eine bereits ausgeprägte Blattrostbildung, die gerade an Verbindungsstellen (Nieten, Schrauben) mit Zutritt von Tausalzen und stehendem Wasser bzw. Feuchtigkeit vermehrt auftritt.
Neben Schäden am Bauwerk selbst, treten besonders an klassischen Verschleißbauteilen wie Lagern, Fahrbahnübergängen oder dem Entwässerungssystem und in Fugen zwischen Bauteilen Schäden auf, die auch Einfluss auf die Beschaffenheit und die Tragsicherheit der Gesamtkonstruktion haben können. Ein regelmäßiger Austausch bzw. eine Rehabilitation sind hier vonnöten.
Die Bilder 5a bis c zeigen einige Beispiele schadhafter Lager. So können Lagersockel durch hohe Pressungen und fehlende Bewehrungseinfassung weggebrochen, Gleitschichten verschoben sein bzw. Undichtigkeiten an Topflagern auftreten.
Bild 5. a) bis c) Beispiele für schadhafte Lager und Lagerpunkte, d) als Nistmöglichkeit genutzter Hohlraum einer Brücke mit Verschmutzungen durch Vogelkot und Nistmaterial (nach [13])
Einen Aspekt für sich stellt der Vogelkot dar, der besonders in unverschlossenen Hohlkastenquerschnitten und auf Auflagerbänken durch seine Menge und zum Teil aggressive chemische Wirkung problematisch werden kann (Bild 5d). Das gilt für die Brücke selber, aber auch für die Bauwerksprüfer und Inspektoren, die sich aufgrund der oft sehr beengten Platzverhältnisse derartigen Verunreinigungen kaum entziehen können. An vielen Brücken sind bereits Schutzkonstruktionen gegen nistende Vögel eingebaut. Für neue Brücken ist dies bereits Standard.
Einen Überblick über die Zustandsentwicklung und -verteilung von Brückenbauten gibt die Grafik in Bild 6. Dargestellt sind Bewertungen von Brücken der Bundesfernstraßen. Die Beurteilungsskala reicht nach RI-EBW-PRÜF [18] von 1 (sehr gut) bis 4 (ungenügend), wobei der Zustand ab der Note 3 für Brücken schon als „kritisch“ bewertet wird. Beurteilt werden im Rahmen der Brückenprüfungen nach DIN 1076 [12] Standsicherheit, Verkehrssicherheit und Dauerhaftigkeit, wobei die Gesamtnote der schlechtesten Bewertung aus den drei Kriterien entspricht. Sie kann also eine eingeschränkte Dauerhaftigkeit aufweisen oder – durch die Gesamtnote allein nicht zu unterscheiden – eine eingeschränkte Standsicherheit, was natürlich von erheblich differenzierter Bedeutung ist. Eine Note 4 bedeutet, dass eine oder mehrere der genannten Bedingungen nicht mehr gegeben sind. Der Trend geht eindeutig zu einem Anstieg in den befriedigenden bis ausreichenden Bereich, während die Bauwerke, die als sehr gut bis gut eingestuft werden, zahlenmäßig abnehmen und dann mit der Zeit in dem befriedigenden Bereich (2,0 bis 2,4) wiederzufinden sind. Ähnlich verhält es sich mit den Brücken der Einstufung von 3,0 bis 3,4 bzw. 3,5 bis 4,0. Ihre Zahl ist in den letzten Jahren leicht rückläufig und findet sich nach Instandsetzung in einer besseren oder bei weiterer Degradation in der nächstschlechteren Klasse wieder bzw. taucht nach Wirtschaftlichkeitsprüfung und daraus ggf. resultierendem Abriss bzw. Ersatzneubau nicht mehr bzw. in den vorderen Skalen auf [19].
Besondere Aufmerksamkeit verdient die sogenannte konzeptionelle Alterung, international unter dem Begriff „conceptual aging“ bekannt. Gemeint ist der Einfluss des ständigen technischen Fortschritts, sodass ältere technische Bauwerke automatisch gegenüber dem aktuellen Stand zurückfallen. Diese Eigenschaft ist praktisch jedem technischen Gerät oder Bauteil gemein und im kontinuierlichen Erkenntnisgewinn und der Fortschreibung von Vorschriften begründet. Das heißt, dass nicht nur Brücken aus den 1970er-Jahren konzeptionell anders entworfen worden sind als heutige Brücken. Auch andere Gebrauchsgegenstände wie beispielsweise Automobile haben eine solche Entwicklung erfahren. Ein PKW von 1978 (Bild 7a) entspricht auch nicht mehr den Standards eines vergleichbaren Modells von 2014 (Bild 7b), auch wenn die Nutzungszeiten von Fahrzeugen und Bauwerken natürlich nicht vergleichbar sind.
Bild 6. Entwicklung der Zustandsnoten für Brücken an Bundesfernstraßen mit Bewertung nach RI-EBW-PRÜF (nach [18, 19])
Die Ansprüche, im Falle von Brücken beispielsweise die rechnerisch zu berücksichtigenden Verkehrslasten, sind gewachsen. Bis heute haben sich die Verkehrslasten etwa verdoppelt. Bild 8 zeigt ihre Entwicklung seit den 1950er-Jahren an einem Beispiel. Ebenso dargestellt sind wesentliche technische Weiterentwicklungen für Spannbetonbrücken mit Auswirkungen auf die Vorschriftenlage.
Um den wachsenden Ansprüchen gerecht zu werden, haben sich neue Bauverfahren – z. B. die Vorspannung – entwickelt und durchgesetzt, die bei modernen Brücken heutzutage Standard sind, ähnlich wie bei Autos, in denen heute Sitzgurte, Airbags, elektronische Hilfen und höhere PS-Zahlen auch die Regel sind, weil die Ansprüche in vielerlei Hinsicht gestiegen sind bzw. man aus der Vergangenheit und Fehlern gelernt hat. So lassen sich zwei bezeichnende Aspekte der konzeptionellen Alterung ausmachen, nämlich die Ansprüche an die Nutzung und die an die Sicherheit. Bei Spannbetonbrücken liegen typische konzeptionelle Defizite [20] oft in
Bild 7. Vergleichbare PKWs eines deutschen Herstellers aus a) 1978 und b) 2014
Bild 8. Ausgewählte Entwicklungsschritte der Verkehrslasten, Vorschriften und technischen Neuerungen für Spannbetonbrücken über die vergangenen Jahrzehnte
Betont sei an dieser Stelle noch einmal, dass es sich hierbei nicht um fehlerhafte Planung oder Ausführung handelt, sondern um einen Vergleich heutiger und vergangener Bemessungsanforderungen.
4 Erhaltungskreislauf
Um die Unterhaltung und den Erhalt von Brücken zu gewährleisten, ist ein speziell darauf abgestimmtes Zusammenspiel aus technischem Erhaltungskreislauf und strategischen Regelungen notwendig (Bild 9). Man kann hier von einem kombinierten Brückenmanagement sprechen, bei dem die Strategien zum Bauwerkserhalt den Zielsetzungen und Regelungen der Verkehrslastträger von Bund, Ländern und Kommunen unterworfen sind und diese wiederum den technischen Erhaltungskreislauf an sich steuern [22].
Bild 9. Kreislauf der Erhaltung und strategische Regelung (nach [17])
Bild 10. Hilfsgerätschaften zur handnahen Brückenprüfung; a) Leiter und Schwimmponton, b) Kabelbefahrgerät [25], c) Hubsteiger
Die strategischen Regelungen umfassen neben der Zielsetzung durch die Verkehrslastträger vor allem das für die Unterhaltung und den Erhalt von Brücken erforderliche Termin- und Kostenmanagement sowie bei Neubauten die Erstellung von lebensdauerorientierten Entwürfen und im Falle von Instandsetzungen die lebensdauerorientierten Erhaltungsmaßnahmen.
Im technischen Kreislauf geht es um die Umsetzung technischer Maßnahmen im Laufe der Nutzung einer Brücke. Bei einem Bestandsbauwerk sind dies ausgehend von der Bewertung des Ist-Zustandes (Bauwerksprüfung) im Falle von Auffälligkeiten eine Nachrechnung bzw. Schadensanalyse („Objektbezogene Schadensanalyse (OSA)“ [23]). Nach entsprechender Prüfung wirtschaftlicher bzw. technischer Konsequenzen können Instandsetzungen oder Verstärkungen, aber auch Ersatzneubau bzw. Rückbau folgen.
Brückenbauwerke sind regelmäßig in Bauwerksprüfungen zu untersuchen. Im Rahmen der DIN 1076 „Ingenieurbauwerke im Zuge von Straßen und Wegen – Überwachung und Prüfung“ [24] werden diese Prüfungen spezifiziert, sodass zwischen Hauptprüfungen (H), Einfachen Prüfungen (E), Prüfungen aus besonderem Anlass (S) und Begehungen unterschieden werden kann.
Die erste Hauptprüfung wird bei Brücken vor der Abnahme der Bauleistung durchgeführt (H0), die zweite folgt bei Ablauf der Gewährleistungsfrist. Danach wird eine solche Hauptprüfung alle sechs Jahre durchgeführt. Von den zuvor genannten Prüfungen ist sie die umfangreichste und detaillierteste. Sie umfasst eine handnahe Überprüfung der Standsicherheit, der Verkehrssicherheit und der Dauerhaftigkeit. Hierbei werden im Einzelnen Über- und Unterbauten, die Beschilderung, die Gründung, massive Bauteile, Stahlbauteile, Lager, Übergangskonstruktionen und Gelenke sowie Abdichtungen, Fahrbahnen und die Entwässerung geprüft. Außerdem werden etwaige Verkleidungen, Schutzvorrichtungen und falls erforderlich der Korrosionsschutz begutachtet. Die gesamte Prüfung ist auch an schwer zugänglichen Stellen, bei Bedarf mithilfe von Hubsteigern oder ähnlichem Gerät, durchzuführen. Vorhandene Verschmutzungen (z. B. Buschwerk oder Vogelkot), die die Begutachtung wichtiger Punkte behindern, müssen im Vorhinein entfernt sein [24].
Bild 10 zeigt die handnahe Prüfung verschiedener Brücken mithilfe unterschiedlicher Gerätschaften. Für kleine, nicht allzu hohe Brücken reichen meist einfache Zugangsmittel wie Leitern aus. Um größere Höhen zu überwinden, bieten sich Hubsteiger an, während für Schrägkabelbrücken ein eigens hierfür entwickeltes Kabelbefahrgerät [25] zur Kabelprüfung Anwendung finden kann.
Zur Prüfung selbst können neben klassischen visuellen Methoden beispielsweise auch die endoskopische Untersuchung der Innenseiten von Stahlbauteilen und die Messung der Betondeckung zählen (Bild 11).
Ein wesentlicher Bestandteil der Prüfung von Stahlbetonbauwerken ist die Erfassung und Dokumentation von Rissen und deren Rissweiten. Üblicherweise werden Rissweiten bei Bauwerksprüfungen manuell mithilfe von Risskarten (Bild 12a) bestimmt, wobei für feine Risse eine Einteilung in Schritten von 0,05 mm erfolgt. Hier hängt jedoch die genaue Einordnung mitunter stark von der Einschätzung des Betrachters ab. Daher kommen immer öfter die digitale Rissmessung mithilfe von Risskameras (Bild 12b) oder vergleichbare photogrammetrische Verfahren [26–29] zusätzlich zur manuellen zum Einsatz. Die Risskamera bietet die Möglichkeit, eine Messung der Rissbreite mit einer Genauigkeit von ca. 0,02 mm objektiv durchzuführen, ist georeferenzierbar und ermöglicht es außerdem, die fraktale Rissstruktur zu erfassen und zu dokumentieren [30].
Bild 13 zeigt ein exemplarisches Graustufenbild sowie die gesammelten, in einem Diagramm mithilfe spezieller Software zusammengestellten Daten zur Rissbreitenbestimmung. Der zu messende Rissbereich ist im Graustufenbild zur besseren Sichtbarkeit weiß hervorgehoben.
Bild 11. a) Endoskopische Untersuchung, b) Messung der Betondeckung (nach [13])
Die Rissaufnahme am Bauwerk erfolgt durch direktes Aufsetzen der Kameraapparatur, bestehend aus einem Tubus und einer handelsüblichen Digitalkamera, auf die Bauteiloberfläche (Bild 12b). Der Innenraum des Tubus wird hierbei, von äußerem Streulicht abgeschirmt, durch LED-Lampen ausgeleuchtet [30].
Die eigentliche Bildanalyse erfolgt mithilfe einer Grauwerteanalyse, um zwischen dem Riss, also Pixeln mit dunkler Farbe, und der übrigen Betonoberfläche mit hellerer Farbe über Schwellenwertabtrennungen zu unterscheiden. Die Rissbreite wird dabei ermittelt, indem senkrecht zu den Stationen die Helligkeitsänderung der Pixel analysiert und der Mittelwert dieser Abstände gebildet wird (Bild 13, Diagramm) [30].
Die auf diese Art gewonnenen Daten ermöglichen die detaillierte und vor allem objektive und reproduzierbare Beobachtung und Dokumentation von Rissen, ihrer Entstehung und ihrem Fortschreiten [31].
Bild 12. Rissweitenmessung mithilfe a) einer klassischen Risskarte und b) einer Risskamera [30]
Zwischen zwei Hauptprüfungen erfolgt nach drei Jahren eine sogenannte Einfache Prüfung, die in der Regel weniger aufwendig durchgeführt wird als eine Hauptprüfung. Beispielsweise ist nicht notwendigerweise der Einsatz von Hilfsgerät erforderlich, da es sich lediglich um eine „intensive, erweiterte Sichtprüfung“ [24] handelt. Trotzdem sollten alle angrenzenden Funktionsteile mitgeprüft werden. Außerdem werden die Ergebnisse der vorangegangenen Prüfung berücksichtigt und überprüft. Bei gravierenden Verschlechterungen der Schäden oder weitreichenden, ernst zu nehmenden Neuschäden kann eine Einfache Prüfung dann auch zum Umfang einer Hauptprüfung erweitert werden [24].
Zusätzlich zu den zeitlich geregelten Haupt- und Einfachprüfungen können bei Bedarf, beispielsweise bei tragfähigkeitsbeeinflussenden Ereignissen wie Unfällen auf oder unter der Brücke, Sonderprüfungen oder Begehungen angeordnet werden, die im Umfang an den jeweiligen Fall anzupassen sind. Sie ersetzen aber niemals eine Haupt- oder Einfachprüfung [24].
Bild 13. Aufnahmebereich und Auswertungsdiagramm einer Risskamera (nach [30])
Im Allgemeinen können mithilfe von Bauwerksprüfungen alle sichtbaren Defizite identifiziert und lokalisiert werden, die anschließend bei der Entscheidung für oder gegen eine Handlungsnotwendigkeit oder auch innerhalb von Nachrechnungen Verwendung finden können. Sichtbare bzw. rechnerische Defizite können sich in der Biege- und Querkrafttragfähigkeit, an Gurtanschlüssen, bei der Torsionslängsbewehrung, an Koppelfugen aufgrund von Ermüdung und durch Spannungsrisskorrosion bemerkbar machen und wurden hinsichtlich ihrer derzeitigen und evtl. zukünftigen Berücksichtigung innerhalb der Nachrechnungsrichtlinie [32] diskutiert. Speziell zum Umgang mit Defiziten im Bereich der Querkrafttragfähigkeit von bestehenden Spannbetonbrücken wurden von Hegger et al. Grundlagen [33] sowie Empfehlungen bei Sichtung und Überprüfung [34] definiert. Hinsichtlich des Erhaltungskreislaufes speziell von Brückendecks stellten z. B. Feldman et al. Untersuchungen zur Kostenentwicklung und Instandsetzungsstrategien in [35] vor. Diese aufgeführten Literaturhinweise sind nur einige Beispiele für Quellen, die das Thema Erhaltung und Lebensdauerorientierung diskutieren. Die Vielzahl an differenzierter Literatur zu vielen Unterpunkten der Erhaltung und Lebensdauer verdeutlicht einmal mehr die weltweite Aktualität dieses Themas sowie die Breite des für die Praxis, aber auch für die Forschung relevanten Spektrums.
5 Ansätze der Forschung, Bewertung und Nachrechnung von Bestandsbrücken
5.1 Monitoring
Neben der erläuterten, für alle Brücken gleich ablaufenden Prüfroutine gewinnt mittlerweile auch das (kontinuierliche) Monitoring maßgebender Tragwerksbereiche stetig an Bedeutung. Monitoring kennzeichnet ein gezieltes Beobachten und kann sich auf geschädigte Bereiche, besonders sensitive Tragelemente, aber auch auf neue Brückenbauteile gekoppelt an Einwirkungsmessungen beziehen [36, 37]. Es kann zeitlich andauernd, aber auch punktuell erfolgen. Zentraler Punkt ist es, durch reale Messdaten zu genaueren Beurteilungsgrößen zu kommen, was gerade bei gealterten Brücken zum Erhalt entscheidend sein kann [38]. Hierbei kommen verschiedene technische Hilfsmittel zum Einsatz, um über einen längeren Zeitraum bestimmte Aspekte der Schadensentwicklung, beispielsweise die Rissbildung, zu beobachten, die Ergebnisse zu sammeln und anschließend zur Beurteilung der Restnutzungsdauer auszuwerten.
Bild 14. Beispiel zum Einfluss von Änderungen in der Spannungsamplitude auf eine Lastspielzahl
Das Monitoring kann außerordentlich vielfältig sein und umfasst ganzheitlich zuvor zu definierende Kriterien von Verformungen, Tragfähigkeit oder Gebrauchstauglichkeit. Zahlreiche Aufsätze und Forschungsinitiativen zeigen die große Bedeutung [39–43]. Beispiele sind die Untersuchung von Tragkabeln bei Brückenhängern [44], aber auch die direkte Interaktion von Verkehrslasten zu Spannungswerten in Spanngliedern, wie in Bild 16 dargestellt. Insgesamt bietet die in Abschnitt 4 erläuterte Brückenprüfstruktur eine sehr gute Möglichkeit, ein regelmäßiges und kontinuierliches (Basis)Monitoring in unterschiedlichen Bereichen durchzuführen. Bei Notwendigkeit von zeitlich kürzeren Beobachtungsintervallen können diese individuell angeglichen werden.
Bild 15. Messquerschnitte an der Brücke „Pariser Straße“ in Düsseldorf
Bild 16. Videoabgleich von Verkehrseinwirkungen mit den Messwerten von Dehnungsmessstreifen [45]
Die Ermüdung von Spannstählen spielt bei Monitoringuntersuchungen mehr und mehr eine Rolle. Grund ist, dass ältere Spannbetonbrücken keine rechnerische Auslegung gegen ermüdungswirksame Einwirkungen besitzen und die Auswertung ertragbarer Spannungsschwingzahlen sehr sensitiv auf Änderungen reagiert. Bild 14 zeigt dieses Phänomen am Beispiel einer Wöhlerlinie mit um knapp 5 % unterschiedlichem Eingangsniveau im Spannungsspiel (y-Achse), das sich aufgrund der logarithmischen Darstellung in fast einer Halbierung auf die ertragbaren Lastwechsel N auswirkt. Weitere wesentliche Parameter mit Streuungen sind die ansetzbaren Verkehrslasten, die Modellbildung des Tragwerks und tatsächliche Materialparameter.
Misst man hingegen die tatsächlichen Belastungen am Spannstahl, kann die Differenz zwischen konventionellem Ermüdungswiderstand, ermittelt mit Berechnungsmodellen gängiger Vorschriften und realen Messungen am Bauwerk, mehrere Größenordnungen betragen. Ausgedrückt in einer Nutzungsdauer heißt das, Restnutzungsdauern von wenigen Monaten bis zu Jahren oder Jahrzehnten. Dass solch eine Erkenntnis für den wirtschaftlichen Brückenerhalt überaus wertvoll ist, liegt auf der Hand. Bild 15 zeigt für das Monitoringbeispiel einer Hochstraßenbrücke in Düsseldorf Messquerschnitte mit zugehörigen Messgrößen an der Brücke.
Auf der einen Seite wurde durch Probebelastungen, Materialproben, Verkehrsmessungen und Klimadatenaufzeichnung die Modellbildung mehr und mehr verbessert. Auf der anderen Seite wurden diese Verbesserungen mit den Messdaten am Spannglied verglichen. Bild 16 zeigt solch einen Abgleich zwischen visuell aufgenommenen Verkehrslasten und den messbaren Spannstahldehnungen. Es zeigt sich aufgrund der vielen unsicheren Parameter, dass gerade bei Ermüdungsuntersuchungen Messungen um ein Vielfaches günstiger liegen können als Berechnungen, die inhärent Modellvereinfachungen beinhalten müssen.
Neben den hier beschriebenen, eher lokal orientierten Möglichkeiten des Monitorings kommen speziell für Verformungsuntersuchungen an Bauwerken in ihrer Gesamtheit mittlerweile auch neue, satellitengestützte Verfahren der Radarinterferometrie zur Anwendung. Hierbei werden Radardaten genutzt und innerhalb von mehreren Überflügen, wobei der Beobachtungszeitraum theoretisch beliebig über Jahre hinweg ausgedehnt werden kann, hinsichtlich „Verformungen“ (Phasenunterschieden) ausgewertet. Die Methodik ist zurzeit noch in der Entwicklung, besitzt aber großes Potenzial, zukünftig einfache Vermessungen großflächig durchzuführen [46, 47].
5.2 Nachrechnung
Die Nachrechnung von Bestandsbrücken muss nach speziellen Gesichtspunkten erfolgen, da sowohl den zum Erbauungszeitpunkt maßgebenden Modellvorstellungen als auch den damals angesetzten Einwirkungen und Materialwiderstandswerten Rechnung getragen werden muss. Um diesem Anspruch gerecht zu werden, wurde im Mai 2011 die „Richtlinie zur Nachrechnung von Straßenbrücken im Bestand (Nachrechnungsrichtlinie)“ [48] eingeführt, siehe auch [49]. Sie vereint die Erfahrungen aus der Praxis, die bei der Nachrechnung von Bestandsbrücken gesammelt wurden, mit den Ergebnissen aus Forschungsvorhaben und Pilotprojekten, die speziell hierfür durchgeführt worden sind [50].
Ziel der Nachrechnungsrichtlinie ist es, dem anwendenden Ingenieur einen „erweiterten Handlungsrahmen“ [48] zu geben sowie ihm die Möglichkeit zu bieten, „Reserven des Tragwerks und der Baustoffe stärker auszunutzen, ohne das nach der DIN EN 1990 geforderte Zuverlässigkeitsniveau einzuschränken“ [48].
Bei der Nachrechnung wird zwischen vier Stufen unterschieden [51]:
Die Anwendung der Stufen 3 und 4 muss mit dem Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung abgestimmt werden bzw. bedarf dessen Zustimmung.
Bei der Modellierung des statischen Systems sollte auf die Modellbildung der Ursprungsstatik Rücksicht genommen werden, um die Bemessung und die Materialverteilung nicht durch eine geänderte räumliche Verteilung zu beeinflussen. Die Modellbildung hat also eine nicht unerhebliche Wirkung auf die Ergebnisse.
Prinzipiell sinken mit ansteigender Stufe die rechnerischen Anforderungen an das Tragwerk. Gleichzeitig steigt der Berechnungs- und Modellierungsaufwand, um Tragwerk und Beanspruchungen so genau wie möglich zu erfassen.
Bei der Wahl der Berechnungsmethode ist eine möglichst feine und detaillierte zu bevorzugen, um etwaige „Reserven“ des Systems aufzuspüren und nutzbar zu machen, die beispielsweise bei separater Betrachtung und anschließender Überlagerung der Längs- und Querrichtung verborgen bleiben können [52–54]. Hier bieten sich räumliche Schalenabbildungen für eine höhere Lastausbreitung am Querrahmen (Bild 17a) oder materiell nichtlineare Berechnungen an, die besonders bei Temperatureinwirkungen auf Mauerwerksbrücken einen Vorteil bringen (Bild 17b) [52, 53]. Bild 17a zeigt dazu errechnete Bewehrungsmengen an einem „1-m“-Plattenstreifen, die im Bereich der Bodenplatte unterhalb der tatsächlich vorhandenen liegen. Die Prüfung am räumlichen System mit real deutlich günstigerer Ausbreitung der Einzelradlasten über den Kastenquerschnitt zeigt, dass tatsächlich noch Tragreserven vorhanden sind.
Bild 17. a) Räumliches Schalenmodell und Bewehrungsmengen eines „1-m“-Plattenstreifens und b) materiell nicht-lineares Finite-Elemente-Modell einer Brücke (nach [22, 52])
Welchen Einfluss das zugrunde gelegte Modell auf die Einstufung der Tragfähigkeits- und Dauerhaftigkeitsreserven einer Bestandsbrücke innerhalb eines Nachrechnungsverfahrens hat, wird auch bei der Kochertalbrücke (erbaut 1976–1979) im Zuge der Autobahn A 6 deutlich [55]. Innerhalb der Nachrechnung auf Basis eines „Eingussmodells“, das sich an den Bestandsunterlagen orientierte, stellte sich zunächst heraus, dass die Brücke Brückenklasse 60 nur mit Einschränkungen erreichte. Nach Abwägung der Randbedingungen sowie des im Allgemeinen relativ guten Zustands der Brücke wurde die Berechnung überarbeitet und insbesondere auch die Bauzustände berücksichtigt, sodass die gestiegenen Beanspruchungen aus Verkehr zu einem großen Teil kompensiert werden konnten und eine wirtschaftliche Instandsetzung im Gegensatz zu einem Ersatzneubau möglich war [55].
Neben dem technischen Geschick des Ingenieurs sind vertiefte Kenntnisse über aktuelle und ehemals übliche Berechnungs- und Konstruktionsweisen nötig. Da Instandsetzungsmaßnahmen oder Änderungen an Bestandsbauwerken immer auch mit großem Aufwand verbunden sind, ist bei der Nachrechnung von Brücken unter Ausnutzung der heutzutage möglichen rechnerischen Finesse vorzugehen, um Verstärkungs- und Instandsetzungsmaßnahmen tatsächlich auf ein notwendiges Minimum zu reduzieren. Folgende Punkte [22] haben sich für die Nachrechnung von Bestandsbrücken als günstig erwiesen, wobei grundlegende Rahmenbedingungen und weitere Hinweise in der Nachrechnungsrichtlinie [48, 50] zu finden sind:
Bezüglich der praktischen Anwendung der Nachrechnungsrichtlinie haben Fischer et al. in [32] Nachrechnungen von Brücken ausgewertet. Sie unterstreichen ihre Notwendigkeit, zeigen aber auch weiteren Verbesserungs- und Überarbeitungsbedarf auf.
5.3 Verstärkung mit externer Vorspannung
Zur nachträglichen Verstärkung von Spannbetonbrücken haben sich verschiedene Strategien entwickelt. Hierzu zählen neben anderen Verfahrensweisen die Ergänzung von nicht vorgespannten, z. T. aufgeklebten oder eingeschlitzten Armierungen in Längs-, Quer- oder geneigter Längsrichtung sowie verschiedene Vorspannmethoden, hauptsächlich extern und in Brückenlängsrichtung angeordnet, z. B. [54, 62–68].
Im Vordergrund aller Verstärkungsmaßnahmen sollte die Minimierung der Eingriffe und Schwächungen am Bestandsbauwerk und eine tatsächliche Entlastung der Konstruktion – besonders hinsichtlich der Verkehrsbelastungen – stehen. Hierbei ist zu beachten, dass zeitabhängige Umlagerungen häufig einen Großteil dieser Entlastungen wieder aufzehren.
Bild 18. Verstärkung mit umgelenkten externen Spanngliedern und zugehörige Schnittgrößenverläufe (nach [69])
Besonders bei Hohlkastenbrücken bietet sich eine externe Längsvorspannung an, da sie kontrollierbare, definierte Zusatzlängsspannungen erbringt und die Eingriffe ins Tragwerk für Endverankerung, Lasteinleitung sowie Umlenkung an den Querträgern gering bleiben. Die Führung kann gerade oder polygonartig umgelenkt erfolgen (Bild 18). Ausgleichen lassen sich Defizite wie Normalspannungsüberschreitungen, zu geringe Biegetragfähigkeiten oder Unterschreitungen von Mindestbewehrungsmengen aus der Zugkeilabdeckung. Die auftretenden zusätzlichen Längsdruckspannungen sind in der Regel unproblematisch und durch die Wahl der Spanngliedführung beeinflussbar bzw. allein durch oft erhebliche Nacherhärtungen abgedeckt.
Externe Spannglieder tragen nicht nur zur Erhöhung der Biegetragfähigkeit bei, sondern können ebenso zur Querkraftverstärkung genutzt werden. Daher bieten sich an Beton- oder Stahlelementen umgelenkt geführte Spanngliedverläufe mit entlastender Querkraftwirkung an [69, 70]. Bild 18 zeigt das Prinzip mit den Umlenkkräften in den Raumrichtungen x, y und z aus der Vorspannung P und errechneten Schnittgrößen. Die auftretende zusätzliche Drucknormalkraft wirkt sich – auch bei rein gerade geführten Strängen – zusätzlich widerstandserhöhend aus, da sie im Zusammenhang mit Querkräften hohe Bogentragwirkungen nahe der Auflager aktiviert [71, 72].
5.4 Lebensdaueranalysen und Optimierung
Nach DIN 1045-1:2008 [73] und DIN EN 1992-1-1 + NA [74] gilt ein Betontragwerk als angemessen dauerhaft, wenn die Anforderungen an
erfüllt sind. Die angenommene Nutzungsdauer beträgt im Allgemeinen 50 Jahre, bei Brücken oder monumentalen Bauwerken 100 Jahre oder mehr. Eine explizite Berechnung einer Nutzungsdauer erfolgt nicht, sondern eine indirekte Abschätzung aus relevanten Parametern.
Nach europäischen Vorschriften der DIN EN 1990 [75] ist eine weitergehende Unterteilung je nach Planungsgröße der Nutzungsdauer in Klassen von 1 bis 5 vorgesehen (Tabelle 1). Brücken und auch andere Ingenieurbauwerke sind demnach der Klasse 5 mit einer Nutzungsdauer von 100 Jahren zuzuordnen.
Tabelle 1. Zuordnungstabelle der Klasse der Nutzungsdauern für unterschiedliche Bauwerkstypen nach DIN EN 1990 + NA [75]
Klasse der Nutzungsdauer
Planungsgröße der Nutzungsdauer (in Jahren)
Beispiele
1
10
Tragwerke mit befristeter Standzeit
2
10 bis 25
austauschbare Tragwerksteile, z. B. Kranbahnträger, Lager
3
15 bis 30
landwirtschaftlich genutzte und ähnliche Tragwerke
>30
maschinentechnische Anlagen
4
50
Gebäude und andere gewöhnliche Tragwerke
5
100
monumentale Gebäude, Brücken und andere Ingenieurtragwerke
>100
strategische Bauwerke, Staumauern, wichtige Infrastrukturprojekte
Bis zum Ende einer Nutzungsdauer muss der Tragwerkswiderstand R mit einem akzeptablen Sicherheitsabstand im Sinne einer Fraktilwertanalyse die Einwirkungen S überschreiten. Bild 19 zeigt dieses Konzept im Prinzip über die Zeit t. Um dieses Ziel zu erreichen, können verschiedene Ansätze verfolgt werden. Entweder werden von vornherein höhere Tragwerkswiderstände angesetzt (durchgehende hellgraue Linie) oder es werden nachträgliche Instandsetzungsmaßnahmen in Kauf genommen (durchgehende dunkelgraue Linie), um zwischenzeitlich das Widerstandsniveau wieder zu erhöhen und am Ende die gleiche Nutzungsdauer zu erreichen, obwohl zu Beginn geringere Reserven eingeplant wurden.
Welcher Ansatz verfolgt werden sollte, ist von Fall zu Fall unterschiedlich. Im Fall nachträglicher Instandsetzungsmaßnahmen sollten diese schon zu Beginn in die Wirtschaftlichkeitsbeurteilung mit einfließen. Erhöhte primäre Baukosten können sich über die Lebensdauer als deutlich günstiger erweisen. Bei der Bewertung von Baukosten ist daher ein Blick über die Nutzungszeit dringend angeraten und immer häufiger Standard bei Neubauten [77–79].
Bild 19. Entwicklung von Tragwiderstand R und Einwirkung S über die Zeit [76]
Bild 20. Entwicklung einer rechnerischen Brückenverformung über die Zeit mit Häufigkeitsverteilung einer rechnerischen Lebensdauer (vgl. [76])
Neben einer Degradation der Materialwiderstände über die Jahre sollte auch eine Zunahme der Einwirkungen S (gestrichelte Linie in Bild 19) berücksichtigt werden. Denn sowohl die Verkehrs(last)zahlen als auch z. B. die Windeinwirkungen (z. B. Stürme) und Temperaturextreme haben innerhalb der vergangenen Jahre und Jahrzehnte zugenommen und werden voraussichtlich auch in Zukunft weiter ansteigen.
Zur Abschätzung von Restnutzungsdauern sind Prognoseberechnungen notwendig [76, 80]. Solche Prognosen haben immanent mit Unschärfe zu tun, werden also unsicherer, je weiter die Voraussage reicht und je schlechter Ausgangsdaten bzw. Einwirkungen bekannt sind. Bild 20 zeigt das Prinzip einer sich immer stärker aufweitenden Häufigkeitsverteilung einer errechneten Brückendurchbiegung über die Zeit. Ergebnis ist also die Abschätzung einer erwarteten Eigenschaft wie einer Nutzungsdauer, z. B. als Fraktil- oder Mittelwert einer Häufigkeitsverteilung. Dabei gibt es wenig sensitive Parameter, wie oft die Druckfestigkeit des Betons, aber auch die Lebensdauer stark einschränkende Einflüsse, wie eine Spannstahl- oder Bewehrungskorrosion. Dies gilt für das dabei angenommene Beispiel einer vorgespannten Bogenbrücke und kann von Tragwerk zu Tragwerk sehr unterschiedlich sein.
Bild 21. Aufweitung der rechnerischen Nutzungsdauer (TLD) am Beispiel a) der Betondruckfestigkeit und b) der Korrosionsrate (aus [76])
Bild 22. Einordnung der Unsicherheit und Bewertung der Eingriffsmöglichkeit oder Einflussnahme auf unterschiedliche Parameter (nach [80])
Bild 21 zeigt Beispiele von Simulationsberechnungen über die Zeit mit geringen Streuungen bzw. sehr hoher Streubreite. Kombiniert mit anderen Einflussgrößen wie beispielsweise der Verkehrseinwirkung kann es zu sehr ausgeprägten Streubreiten kommen.
Wichtig ist es, Quellen von Unsicherheiten – international als „sources of uncertainty“ [81–83] bezeichnet – zu reduzieren. Das betrifft die Ausgangslage eines Tragwerks (Initialzustand) über Material-, Geometrie- und Schädigungsuntersuchungen, die Einwirkungen im Sinne vorheriger und prognostizierter Werte über z. B. Verkehrszählungen sowie die Modellbildung über Kalibrierungen und Vergleichsdaten. Dabei sind gerade die Einwirkungen aus Verkehrslasten und die Schädigungen von zentraler Bedeutung, da sie von großem Einfluss sind. Bild 22 zeigt dies in einer qualitativen Bewertung.
Tragwerke werden in der Regel für Einwirkungen aus Lasten und Zwängen bemessen und nur indirekt für Lebensdauern dimensioniert. Simulationsbasiert und bislang nur für sehr einfache Szenarien können sie aber auch in ihren Grunddaten von Querschnitt, Materialien, Stützweiten o. Ä. für lange Nutzungszeiten optimiert werden [76, 84]. Sind relevante variable Parameter bekannt, können die Ergebnisse von Lebensdaueranalysen in sogenannte Antwortflächen der Freiwerte angenähert werden, die dann zur günstigeren Einstellung (Optimierung) variabler Werte wie z. B. einer Betondeckung oder einem Querschnittswert verwendbar sind.
Mit den Freiwerten x lässt sich die klassische Optimierungsaufgabe einer Minimierung einer Funktion Q unter Gleichheits- und Ungleichheitsrestriktionen h bzw. g in eine Maximierung der Nutzungsdauer TND entwickeln.
(1)
Dabei wird die Lebensdauer als Funktion der Freiwerte angenähert, als Beispiel hier mit linearem Ansatz.
(2)
Nun lassen sich mit Gl. (2) alle Freiwerte in ihrem Einfluss auf die untersuchte Lebensdauer auch mathematisch bewerten und in vorzugebenden Bereichen einstellen. Bild 23 zeigt als Visualisierung von derartigen Antwortflächen eine zweiparametrige mit einem Detailausschnitt und den zugrunde liegenden Berechnungspunkten, aus denen über eine Minimierung von Fehlerquadraten die Antwortfläche bestimmt wurde.
Mit sich stetig verbessernden Berechnungsmethoden und Rechenleistungen sowie höherwertigen auch gekoppelten Schädigungsansätzen erscheinen tatsächliche Auslegungen von Tragwerken nach Optimierungskriterien einer Nutzung – z. B. Reduktion der Gesamtkosten aus Bau, Erhalt und Rückbau oder Lebensdauer jenseits von 200 Jahren [85] – in den kommenden Jahren mehr und mehr möglich.
Bild 23. Zweiparametrige Antwortfläche mit Detailausschnitt
6 Schlussfolgerungen
Bauwerke zu erhalten ist unbestritten eine dringende Notwendigkeit, sei es aus wirtschaftlichem Betrachtungswinkel oder aus organisatorischem. Ein kompletter Ersatz alter Bauwerke durch Neubauten ist nicht möglich und vor dem Hintergrund von Verstärkungs- und Erhaltungspotenzial auch nicht sinnvoll. Gleichzeitig verdienen die Bauwerke respektvollen Umgang, zeigen sie doch die beeindruckenden bautechnischen und konstruktiven Fertigkeiten ihrer Planer und Erbauer, die gerade in den Berechnungsmöglichkeiten auf deutlich einfachere Methoden zurückgreifen mussten.
Der Erhalt der Brückenbausubstanz ist daher nicht nur eine volkswirtschaftlich wichtige und mobilitätssichernde Aufgabe, er ist zudem technisch höchst anspruchsvoll und facettenreich. Es gilt hierbei mit dem vorliegenden Bestand auszukommen, d. h. mit bestehenden Konstruktionen und Bemessungsauslegungen, die lediglich mit großem Aufwand merklich veränderbar sind. Dies betrifft jegliche Bereiche. Darunter sei besonders die Angleichung an höhere Verkehrslasten hervorgehoben, aber auch die Erneuerung von gealterten Materialien mit korrodierten – größtenteils nicht oder nur begrenzt schweißfähigen – Stählen und die Anpassung von Fahrbahnbreiten. Daher ist bei Überprüfung, Nachrechnung und Verstärkung besonderes ingenieurtechnisches Geschick gefragt. Regelmäßige Instandhaltungen sind unverzichtbar, wenn der Brückenbestand seinen planmäßigen Nutzungszeitraum von 100 Jahren oder mehr erfüllen soll.
Umso mehr rückt eine weitblickende, auf Lebensdauer ausgelegte Strategie für neue Brückenbauwerke in den Fokus. Ziel ist es, nicht nur die zukünftigen Verkehrsentwicklungen – wie weitreichend erscheint heute die bereits vor rund 60 Jahren erfolgte Einführung eines 60-Tonnen-Bemessungsfahrzeugs in die Berechnungsvorschriften von Straßenbrücken – adäquat abzuschätzen und beim Entwurf zu berücksichtigen, sondern auch das Tragwerk insgesamt lebensdauerorientiert zu planen. Dies schließt eine Aufwandsminimierung über die Nutzungsdauer, also beim eigentlichen Bau, der Unterhaltung mit gezielten Möglichkeiten der Anpassung und dem Rückbau bzw. der Rezyklierung mit ein.
Monitoring bestehender, aber auch neu erbauter Brücken in ihren wesentlichen Tragelementen wird eine zentrale Aufgabe der kommenden Jahre sein. So lassen sich bessere Einschätzungen gewinnen und Brücken näher an tatsächlich mögliche Lebensdauern heranführen. Dies wird sicher auch die Akzeptanz von qualitativ hochwertigen Bauwerksprüfungen stärken, die sich nicht direkt messbar investiv auswirken, sondern wie beispielsweise Inspektionen von PKWs Voraussetzung für angemessene Nutzung, Instandsetzung und langfristige Planungssicherheit sind.
7 Danksagung
Viele der dargestellten Forschungsergebnisse wurden durch Förderer und Partner unterstützt. Gedankt sei daher der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die gewährten Förderungen im Rahmen der Sonderforschungsbereiche 398 und 837 sowie mehreren Einzelprojekten, dem Amt für Verkehrsmanagement der Landeshauptstadt Düsseldorf für die Möglichkeit, an Brücken und anderen Tragwerken Messungen durchzuführen und die Zurverfügungstellung vielfältiger Kenndaten für die Auswertungen sowie dem Ingenieurbüro Grassl für Bild- und Datenmaterial.
8 Literatur
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