12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 301 Monitoringkonzept für korrosionsgeschädigte Winkelstützmauern Matthias J. Rebhan Technische Universität Graz, Graz, Österreich Franz Tschuchnigg Technische Universität Graz, Graz, Österreich Roman Marte Technische Universität Graz, Graz, Österreich Alois Vorwagner Austrian Institute of Technology, Wien, Österreich Maciej Kwapisz Austrian Institute of Technology, Wien, Österreich Zusammenfassung Durch das zunehmende Alter der Infrastrukturbauwerke entlang des Straßennetzes kann eine signifikante Zunahme von Schadensfälle bzw. Mangelerscheinungen festgestellt werden. Neben den geotechnischen Schadensbildern sind dies bei Betonbauwerken hauptsächlich Schäden, welche die Dauerhaftigkeit (Betonabplatzungen, Aussinterungen) betreffen. Zudem sind vorallem bei hoch biegebeanspruchten Stützbauwerken (z.B. Winkel- und Spornmauern) Schäden im Bereich der Biegebewehrung zu erkennen. Diese werden durch die Korrosion der Hauptbewehrung im Bereich der Arbeitsfuge verursacht und können zu einer drastischen Abnahme der Tragfähigkeit und daraus folgend auch zu einem Versagen derartiger Bauwerke führen. Eine Erfassung und Beurteilung derartiger Schäden ist nur bedingt möglich. Durch die massiven Querschnitte von Stützbauwerken gelangen zerstörungsfreie Untersuchungsmethoden an ihre physikalischen Anwendungsgrenzen. Des Weiteren ist der Einsatz zerstörender Untersuchungsmittel wie Kernbohrungen nur in einer sehr begrenzten Anzahl möglich. In vorliegendem Beitrag soll daher die Konzeptionierung bzw. auch die versuchstechnische und numerische Validierung eines Monitoringkonzeptes für korrosionsgeschädigte Betonbauteile vorgestellt werden. Dieses basiert auf der Anbringung von Neigungs- und Dehnungsaufnehmern an der Bauwerksvorderseite. Durch eine paarweise und gestaffelte Anordnung dieser Sensortypen ist eine Unterscheidung zwischen Einflussgrößen wie Temperatur, Belastung und Schädigung auf das Bauwerksverhalten möglich. Daraus folgend können korrosionsgeschädigte Bauwerke überwacht bzw. die Veränderung des Verhaltens dieser Bauwerke kann aufgezeigt werden. 1. Korrosionsgeschädigte Winkelstützmauern Bei Winkelstützmauern handelt es sich im Allgemeinen um hochgradig bewehrte Konstruktionen aus Stahlbeton. Die Vorteile einer derartigen Konstruktionsweise sind eine schlanke, und damit material- und ressourcensparende Ausführung. Vorallem bei der Errichtung von Straßentrassen kamen und kommen derartige Bauwerke zur Sicherung und Herstellung von Geländesprüngen zu Anwendung. Zur Herstellung der vertikalen und horizontalen Schenkel einer Winkelstützaber auch Spornmauer sind im Allgemeinen Arbeitsfugen erforderlich. Diese sind durch schalungs- und herstellungstechnische Anforderungen definiert und im Übergangsbereich von Fundament zu Wandschenkel aber auch Wandschenkel zu Sporn (vgl. Bild 1 Links) angeordnet. In diesem Bereich ist, auf Grund der Biegebeanspruchung dieser schlanken und meist hochbelasteten Konstruktionen, ebenfalls die Hauptbiegebewehrung situiert. Durch das Vorhandensein einer Fuge in diesem Bereich kann es daher zu einem Verlust der Depassivierungseigenschaften (vgl. Kapitel 1.1) und damit zu einer Schädigung der Bewehrung kommen. Zudem gestaltet sich die Prüfung und Beurteilung (vgl. [1] & [2]) derartiger Schäden als äußerst schwierige und anspruchsvolle Aufgabe. 302 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Monitoringkonzept für korrosionsgeschädigte Winkelstützmauern 1.1 Korrosionsschäden Durch das Öffnen bzw. Klaffen einer Arbeitsfuge kommt es zu einem Freiliegen der Bewehrungselemente in diesem Bereich. Vorallem bei Winkelstützmauern kann ein derartiges Schadensbild zufolge unterschiedlicher Ursache auftreten. Dies kann aus einer unzureichenden Planung und Dimensionierung der Bauteile resultieren. So wurden beispielsweise oftmals zu geringe Erddruckansätze bei der Bemessung der Inneren Standsicherheit [3] der vertikalen Wandschenkel angesetzt. Daraus resultierend kommt es zu einer Überbeanspruchung der Konstruktion, welche in weiterer Folge zu einem Klaffen der Fuge führen kann. Bild 1: Links: Querschnitt einer Winkelstützmauer mit Position der Arbeitsfugen und schematischer Darstellung der Hauptbiegebewehrung; Rechts: Ansicht einer korrodierten Arbeitsfuge Zusätzlich können auch ausführungstechnische Mängel wie Kiesnester oder eine zu geringe Betondeckung in diesem Bereich zu Korrosionsschäden an der Hauptbewehrung führen. Bild 2: Freigelegte Bewehrung im Bereich einer Arbeitsfuge (adaptiert nach [4]) Die streuenden Korrosionsschäden in Bild 2 zeigen, dass hier eine sehr unregelmäßige Schädigung der Bewehrung vorliegen kann, welche eine Erfassung dieser äußerst schwierig und anspruchsvoll gestaltet. 1.2 Bauwerksuntersuchungen Wie bereits in Kapitel 1.1 angeführt, liegen bei Winkelstützmauern im Bereich der Anschlussbewehrung in der Arbeitsfuge oftmals weit streuende Korrosionsschäden vor. Diese ist an der Rückseite eines oftmals mehrere Dezimeter mächtigen Betonbauteiles situiert und ist rückseitig durch den zu stützenden Erdkörper verdeckt. Bei der Anwendung zerstörungsfreier Untersuchungsmethoden wie Radar, Ultraschall oder auch der Potentialfeldmessung zeigt sich, dass die Erfassung derartiger Schäden (vgl. [5]) nur bedingt bzw. mit großen Einschränkungen möglich ist. Mit zerstörenden Untersuchungsmethoden wie der Herstellung von Kernbohrungen oder HDW-Sichtschlitzen ist eine direkte visuelle Beurteilung des Bauteilaufbaues und auch einer Korrosionsschädigung (vgl. Bild 3) möglich. Bild 3: Korrodierte Bewehrung in einer Kernbohrung 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 303 Monitoringkonzept für korrosionsgeschädigte Winkelstützmauern Derartige Untersuchungen sind jedoch im Allgemeinen mit einer invasiven Schädigung des Bauteiles und damit einer möglichen Reduktion der Tragfähigkeit verbunden. Zudem bieten diese Untersuchungen lediglich einen punktuellen Einblick in die Schädigung und ermöglichen daher nur bedingt einen Rückschluss auf die Schädigung bzw. die Verteilung der Schädigung entlang der Fuge. 2. Monitoringkonzept Bei einem klassischen Monitoring geotechnischer Bauwerke können Lageänderungen wie Verschiebungen, Setzungen oder Verdrehungen erfasst werden. Diese können durch eine Vielzahl an Effekten und Einwirkungen verursacht werden. Einerseits sind dies Beanspruchungen aus Erddruck, Wasserdruck, Verkehrslast oder Temperatureinwirkungen. Andererseits können erfassbare Veränderungen des Bauwerksverhaltens auch zufolge einer Schädigung des Bauwerkes (z.B. Korrosion im Bereich der Arbeitsfuge) ausgelöst werden. Daher ist es bei einem Monitoringkonzept für korrosionsgeschädigte Bauwerke erforderlich, sowohl zwischen last- und temperaturbedingten Einflüssen, als auch zwischen schädigungsbedingten Effekten zu unterscheiden. Durch die paarweise Anordnung von Neigungs- und Dehnungsaufnehmern (vgl. Bild 4) an der Bauwerksvorderseite kann dieser Ansatz umgesetzt werden. Bild 4: Messkonzept; Links: Sensorlayout an einer Winkelstützmauer; Rechts: Erfassbare Effekte in Abhängigkeit der Position des Sensors (adaptiert nach [6]) Während die Neigungsaufnehmer klassisch eine Veränderung der Verformung (bzw. Krümmung) des Bauwerkes erfassen, können die Dehnungsaufnehmer an der Bauwerksvorderseite einen Rückschluss auf den Dehnungszustand des Betonquerschnittes geben. So können beispielsweise im Bereich der Arbeitsfuge angebrachte Dehnungsaufnehmer eine mögliche Korrosionsschädigung bzw. eine daraus resultierende Umlagerung innerhalb des Querschnittes (vgl. [7]) erfassen, wohingegen derartige Sensoren am Kopf der Wand bei einer Korrosionsschädigung keine Messwertänderung aufzeigen würden. Bei der Anordnung der Sensorpaare sind hier folgende Punkte zu beachten: - Mehrere Messquerschnitte sollten angeordnet werden, um eine gesamtheitliche Erfassung des Bauwerkes (bzw. eines Blockes) sicherzustellen; - Die gerissenen und ungerissenen Bereiche des Querschnittes sind vorallem in Bezug auf die unterschiedlichen Steifigkeiten zu berücksichtigen. In Bezug auf ein Monitoring von (Bestands-)Bauwerken bzw. auch zur Interpretation möglicher Veränderung stellt die Erfassung von Temperatureffekten eine große Herausforderung dar. Durch eine verteilte Anordnung der Sensoren entlang des Querschnittes wäre es beispielsweise möglich, das periodische, durch Temperatureinwirkungen auftretende Verhalten des Bauwerkes (vgl. 304 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Monitoringkonzept für korrosionsgeschädigte Winkelstützmauern Bild 4 rechts) zu erfassen und damit in der Interpretation des Bauwerksverhaltens einen großen Mehrwert zu geben. Bei der Anordnung und auch der Planung eines derartigen Monitoringkonzeptes sollte jedoch beachtet werden, dass die Erfassung von Korrosionsschäden im Bereich der Arbeitsfuge aus geometrischen Gründen (Schalungsansatz) nicht immer möglich ist. Generell sei zu dem hier kurz beschriebenen Monitoringkonzept angemerkt, dass damit im Allgemeinen lediglich das Verhalten des Bauwerkes (und nur bedingt des Untergrundes) erfasst werden kann. So können Schadensbilder wie diese beispielsweise bei einem Gleiten des Bauwerkes oder bei einer gleichmäßigen Setzung auftreten, nur eingeschränkt damit erfasst werden. Hierzu ist die Anwendung klassischer Monitoringlösungen (geodätische Messungen) erforderlich. Bild 5: Versuchsaufbau zur Nachbildung von Korrosionsschäden 3. Versuchstechnische Nachbildung einer Korrosionsschädigung Zur Validierung bzw. auch zur Erprobung des in Kapitel 2 beschriebenen Monitoringkonzeptes wurden mehrere Versuchsaufbauten und Versuchsreihen durchgeführt. In Bild 5 ist ein invertierter 4-Punkt-Biegeversuch zu erkennen. Mit diesem wurde der vertikale Wandschenkel einer Winkelstützmauer (als Kragträger in Form einer Plattenhälfte) abgebildet. Dazu wurde eine 25 cm starke, 137 cm breite und 500 cm lange Stahlbetonplatte mit einem Bewehrungsgrad von r = 0,66 % (Ø14/ 10) an zwei Auflagerpunkten (Achse A und G) gehalten und mit einer hydraulischen Presse im Bereich der Achse D belastet. Durch die Anbringung einer Lastverteilungseinrichtung konnte ein konstantes Biegemoment in Plattenmitte erzeugt werden. Die Korrosionsschädigung wurde durch eine Korrosionsfuge in Plattenmitte bewerkstelligt. In dieser wurde durch die Methode des elektrochemischen Abtrages eine gleichmäßige Reduktion des Bewehrungsdurchmessers erzielt. Zur Überprüfung des Messkonzeptes wurde ein redundantes Messlayout appliziert, welches im Wesentlichen aus vier Neigungssensoren an der Oberseite der Platte (04a bis 04d) und drei Dehnungsaufnehmern an der Unterseite (05c bis 05e) bestand. Mit diesen konnten sowohl die Neigungsänderungen entlang der Plattenmittelachse erfasst werden, als auch der Einfluss auf die Betonstauchungen. Neben der Aufbringung einer Korrosionsschädigung konnten mit diesem Versuchsaufbau auch last- und temperaturbedingte Einflüsse auf das Bauteil bewerkstelligt werden. Eine genauere Dokumentation des Versuchsaufbaues findet sich in [5] und [8]. 4. Untersuchungsergebnisse In Bild 6 sind einige Ergebnisse des in Kapitel 3 angeführten Versuchsstandes dargestellt. Auf der Abszisse des Diagrammes ist die durch die Neigungssensoren 04a - 04d (vgl. Bild 5) erfasste Veränderung der Plattenneigung an der Oberseite dargestellt. Auf der Ordinate ist die dazugehörige Kraft (Achse D in Bild 5) angeführt. Die Ergebnisse sind hier sowohl für die Versuchsreihe (gemessen - durchgezogene Linien) als auch für die numerische Simulation einer Korrosionsschädigung (simuliert gestrichelte Linien) in einem Diagramm dargestellt. Im rechten Bereich des Diagrammes lässt sich ein konstanter Anstieg der Neigungen zufolge einer Korrosionsschädigung erkennen. Wobei hier die Belastung des Versuchsaufbaues nicht verändert wurde. Der linke Bereich des Diagrammes zeigt, dass eine Zunahme der Belastungen ebenfalls durch einen Anstieg der Neigungsänderung erkennbar ist. Zudem zeigt sich, dass beispielsweise eine Laststeigerung auch mit den verwendeten numerischen Modellen 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 305 Monitoringkonzept für korrosionsgeschädigte Winkelstützmauern und Stoffgesetzen (vgl. [5] und [9]) entsprechend abgebildet werden kann und hier eine gute Übereinstimmung zwischen den Versuchsergebnissen und den numerischen Berechnungen vorliegt. Die Ergebnisse der Untersuchungen und auch einer numerischen Simulation des Versuches zeigen, dass durch eine Erfassung der Neigungsänderung generell auf lastbzw. korrosionsbedingte Einflüsse rückgeschlossen werden kann. Unter praktischen Gesichtspunkten ist hierbei jedoch zu beachten, dass es zu einer Überlagerung unterschiedlicher Effekte wie beispielsweise einer Temperatureinwirkung gemeinsam mit einer Korrosionsschädigung kommen wird. Zur Identifikation unterschiedlicher Effekte können daher die Messergebnisse der Dehnungsmessungen an der Bauwerksvorderseite (Betonstauchungen siehe Sensoren 05c - 05e in Bild 5) herangezogen werden. Die dafür erforderliche Herangehensweise bei der Interpretation ist in Bild 4 in der rechten Tabelle dargestellt. Ergebnisse einer derartigen Auswertung und der dazugehörigen Interpretation sind in [8] und [9] sowie dem Abschlussbericht des Forschungsprojektes SIBS [5] angeführt. Bild 6: Neigungsänderungen bei Zunahme der Korrosionsschädigung und bei Laststeigerung 5. Zusammenfassung & Ausblick Mit den hier vorliegenden Ausführungen zeigt sich, wie anspruchsvoll und herausfordernd der Umgang mit bestehenden Stützbauwerken ist. Bereits die Erfassung des Bauwerkszustandes, als Grundlage für eine aussagekräftige Bewertung und Beurteilung, stellt eine fordernde Aufgabe für Ingenieure und Ingenieurinnen dar. Vor allem bei durch Korrosion verursachten Schäden gestaltet sich die Einschätzung des Schadensausmaßes und des Schadensfortschrittes als schwierig und kann oftmals nicht eindeutig geklärt werden. Mit dem vorliegenden Paper wurde die Anwendung eines neuen Monitoringkonzeptes zur Erfassung von Korrosionsschäden bei Winkelstützmauern aufgezeigt. Dieser Ansatz konnte mit einer versuchstechnischen und künstlichen Nachbildung einer Korrosionsschädigung auf seine Anwendbarkeit hin untersucht werden. Dabei zeigte sich, dass ein richtig konzeptioniertes Messlayout sowohl die Erfassung von Korrosionseinflüssen als auch die Auswirkungen einer Laständerung bzw. einer Temperatureinwirkung ermöglicht. Vertiefte Untersuchungen zu der hier angeführten Versuchsreihe aber auch zur numerischen Abbildung einer Korrosionsschädigung und deren Auswirkungen auf den Erddruck sind im Abschlussbericht des Forschungsprojektes SIBS [5] angeführt. 6. Danksagung Die Untersuchungen und Forschungstätigkeiten in diesem Bereich der Geotechnik und des Bauens im Bestand konnten und werden dank des durch die FFG geförderten Forschungsprojektes SIBS - „Sicherheitsbewertung bestehender Stützbauwerke“ - durchgeführt. Der Dank für die Unterstützung in diesem Projekt geht an die Vereinigung Österreichischer Bohr-, Brunnen- und Spezialtiefbauunternehmungen (VÖBU), die Autobahnen- und Schnellstraßen- Finanzierungs- Aktiengesellschaft (Asfinag) und die Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB), sowie an das gesamte Forschungsteam sowie die Wirtschaftspartner und Unterstützer des Forschungsprojektes. Literaturverzeichnis [1] RVS 13.03.61; Qualitätssicherung bauliche Erhaltung, Überwachung, Kontrolle und Prüfung von Kunstbauten, Nicht geankerte Stützbauwerke; Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie; Wien; 07.01.2014 [2] ÖGG Empfehlungen zur vertieften Prüfung und Beurteilung bestehender, unverankerter Stützbauwerke; Salzburg; 2018 [3] Koppelhuber C.; Vergleich der Erddruckansätze auf Stützbauwerke; Masterarbeit Institut für Bodenmechanik und Grundbau der Technischen Universität Graz; 10.10.2017; Graz [4] Vollenweider; Evaluation de l’état des murs de souténement béton à semelles Etude pilote; Rapport de synthèses des phases 1 et 2; Schweizerische Eidgenossenschaft, 2014 [5] Abschlussbericht Forschungsprojekt SIBS; Arbeitsgruppe SIBS; VÖBU; Wien; 2019 [6] Rebhan et. al.; Korrosionsschäden an Winkelstützmauern - versuchstechnische und rechnerische Nachbildung; Geomechanics and Tunneling 12; Ernst & Sohn Verlag; Berlin; 2019 306 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Monitoringkonzept für korrosionsgeschädigte Winkelstützmauern [7] Rebhan et. al.; Safety assessment of existing retaining structures; Geomechanics and Tunneling 10; Ernst & Sohn Verlag; Berlin; 2017 [8] Rebhan, M. J.; Korrosionsschäden bei Winkelstützmauern; Dissertation; Technische Universität Graz; Institut für Bodenmechanik, Grundbau und Numerische Geotechnik; Graz; 2019 [9] Kwapisz, M.; Vorwagner, A.; Lechner, A.; Rebhan, M. J.; Investigations on Existing Concrete Cantilever Walls Subjected to Reinforcement Corrosion; Proceedings of the 2017 fib Symposium - High Tech Concrete - Where Technology and Engineering Meet; Seiten 2083-2091; Maastricht; 2017