5. Brückenkolloquium - September 2022 169 Zur Verstärkung von Ingenieurbauwerken unter Verkehr Von der Forschung in die Praxis Prof. Dr.-Ing. Jürgen Feix Leopold-Franzens Universität Innsbruck, Innsbruck, Österreich Dr. Johannes Lechner Prof. Feix Ingenieure GmbH, München, Deutschland Dipl.-Ing. Matthias Egger Leopold-Franzens Universität Innsbruck, Innsbruck, Österreich Zusammenfassung In den letzten 10 Jahren wurde von den Autoren ein ganzer Werkzeugkasten an Methoden zur Verstärkung von Bestandsbauwerken entwickelt. Als besonders effektiv haben sich dabei zwei Verfahren herausgestellt. Zum einen der Einsatz von Verbundankerschrauben, die als nachträgliche Bewehrung in Betonquerschnitte eingebracht werden können und so vor allem fehlende Querkraft- und Durchstanzbewehrung ersetzen können. Zum anderen der Einsatz von dünnen, textilbewehrten Betonschichten, die auf Bestandstrukturen aufgebracht werden können, um die Tragfähigkeit für Biege-, Querkraft- und Torsionsbeanspruchungen zu verstärken. Die Wirksamkeit der Verstärkungsmethoden wurde in Versuchen und numerisch evaluiert und zur Zulassungsreife gebracht. Damit steht einer breiten Anwendung nichts mehr im Wege. Der Beitrag behandelt die Wirkungsweise der Verstärkungsmethoden an Hand von Forschungsergebnissen, aber vor allem an Hand von ausgeführten Pilotprojekten. 1. Einleitung Seit vielen Jahren wird an der Universität Innsbruck am Arbeitsbereich für Massivbau und Brückenbau intensiv an der nachträglichen Verstärkung von bestehenden Stahl- und Spannbetontragwerken geforscht. Durch neue und innovative Verstärkungsmethoden sollen speziell bestehende Infrastrukturbauwerke an die aktuellen Anforderungen in Hinsicht auf die steigenden Verkehrslasten und die gestiegenen normativen Anforderungen angepasst werden können. Für bestehende Tragwerke, insbesondere für Infrastrukturbauwerke braucht es Verstärkungssysteme, welche schnell und einfach und möglichst nur von einer Seite und damit unter weitestgehender Aufrechterhaltung der Nutzung des Tragwerks installiert werden können. Nur so können die Umwelteinflüsse einer Verstärkung etwa durch aufwändige Verkehrsumleitungen, Verkehrssperren o.ä. so gering wie möglich gehalten und somit ein Beitrag zur Nachhaltigkeit der vorhandenen Infrastruktur geleistet werden, wie auch in [1] beschrieben wird. 1.1 Verstärkung mit Betonschrauben Besonderes Augenmerk in der Forschung wurde unter anderem auf den Einsatz von Betonschrauben als nachträglich eingebaute Bewehrung für schubbeanspruchte Bauteile gelegt. Dabei werden aus der Verankerungstechnik bekannte und für diese Anwendung adaptierte Betonschrauben als nachträgliche Schubbewehrung in das Tragwerk eingebracht und ersetzen damit fehlende Querkraft- oder Durchstanzbewehrung. Die Anwendung von Betonschrauben als nachträgliche Querkraft- oder Durchstanzbewehrung wurde 2019 durch das Deutsche Institut für Bautechnik bauaufsichtlich als Verstärkungssystem zugelassen (vgl. [2], [3]). 170 5. Brückenkolloquium - September 2022 Zur Verstärkung von Ingenieurbauwerken unter Verkehr Abb. 1: In das Bohrloch installierte Betonschraube mit Rückverankerung an der Tragwerksaußenseite und mechanisches Tragsystem durch Hinterschnitt 1.1.1 Tragsystem der Betonschrauben Abbildung 1 zeigt eine der Schrauben, deren Anwendung durch die bauaufsichtlichen Zulassungen für die nachträgliche Verstärkung abgedeckt wird. In den Zulassungen sind zwei Schraubendurchmesser geregelt (d 0 = 22-mm und d 0 = 16 mm), die jeweils in zwei Ausführungen hinsichtlich des Anschlussgewindes eingesetzt werden können. In Abbildung 1 ist auch das Verbundgewinde am vorderen Ende der Schrauben zu erkennen, welches sich beim Eindrehen der Schrauben in das vorgebohrte Loch in die Bohrlochwandung schneidet. Damit wird ein sehr robustes Tragsystem auf Basis des Hinterschnitts erzeugt, welches unempfindlich gegenüber Ausführungsfehlern, wie etwa nicht ausreichend gereinigten Bohrlöchern ist. Zusätzlich wird in das Bohrloch vor dem Eindrehen der Schraube auch mit einem Verbundmörtel injiziert, der den Zwischenraum zwischen Bohrloch- und Schraubenoberfläche füllt, wodurch die Traglast nochmals um ein Drittel steigt, wie in [4] gezeigt wird. 1.1.2 Vorteile der Verstärkung mit Betonschrauben Der wesentliche Vorteil dieses Verstärkungssystems liegt in dem schnellen Einbau mittels konventionellem Bohrverfahren (Hammerbohren oder Kernbohren) und der sofortigen Belastbarkeit der Schrauben nach dem Einbau. Damit ist es möglich das System auch unter laufendem Verkehr auf der Brücke zu installieren bei gleichzeitig kurzen Bauzeiten. Dies ermöglicht eine minimale Störung des Tragwerks und des Verkehrsflusses auf und unter dem Brückentragwerk, da z.B. auch eine Installation von einem Brückeninspektionsgerät aus möglich ist. Durch den Einsatz des Verbundmörtels im Bohrloch wird nicht nur die Traglast durch den vergrößerten Hinterschnitt weiter erhöht, sondern auch ein dauerhafter Korrosionsschutz für die Schrauben durch Verfüllung des Ringspaltes sichergestellt. Im Zusammenwirken mit der vorhandenen Zinklamellenbeschichtung der Schrauben konnte so eine Korrosionswiderstandsklasse C5-I gemäß DIN EN ISO 12944-6 gutachterlich nachgewiesen werden. Das Verstärkungssystem ist daher auch für den Einsatz in stark korrosiven Umgebungen, wie z.B. bei Straßenbrücken mit dem Einsatz von Tausalz geeignet. 1.2 Verstärkung mit Textilbeton An der Universität Innsbruck am Arbeitsbereich für Massivbau und Brückenbau wurde erstmalig die Eignung von Textilbeton für dynamische Belastungen, wie im Brückenbau gegeben, mit experimentellen Methoden nachgewiesen [5]. Darauf auf bauend wurde ein Konzept zur Fahrbahnsanierung von Brücken, bei der eine dünne Textilbetonschicht neben einer Biegezugverstärkung die Funktionen der Abdichtung und des Fahrbahnbelags übernimmt, entwickelt. Die Methodik dieses Systems wurde an zwei Pilotprojekten in den Jahren 2013 und 2014 getestet [6], [7]. Ein zusätzlicher Forschungsschwerpunkt liegt im Bereich der textilen Bewehrungsentwicklung, hierbei werden Flächenbewehrungen mittels Sticktechnologie hergestellt [8]-[10]. Unter anderem wurden diese Bewehrungen in Großbauteilversuchen zur nachträglichen Querkraft- und Torsionsverstärkung von Stahlbeton-Plattenbalkenträgern verwendet und Bemessungsansätze abgeleitet. Das getestete Verstärkungssystem wird aktuell bei der Generalsanierung der Krumbachbrücke, einem dreifeldrigen längsvorgespannten Tragwerk mit einer Länge von 120m unter Verkehr, angewendet. 1.2.1 Aufbau einer Textilbetonverstärkung Die gängigsten Fasermaterialen für Textilbewehrungen sind Carbon und AR-Glas. Diese werden zu gitterartigen Bewehrungsstrukturen verarbeitet und mithilfe von geeigneten Tränkungsmaterialien wie Epoxidharz zur Verbesserung der Material- und Verarbeitungseigenschaften versehen. In Abhängigkeit vom Herstellungsverfahren und der gewählten Materialien gibt es eine Auswahl an unterschiedlichsten Bewehrungsprodukten für ein breites Anwendungsgebiet. Textilbewehrung können als Rollenware, als Mattenware oder als Formbewehrungen in unterschiedlichen Bewehrungsstärken bezogen werden. Auf der Baustelle werden diese im Laminierverfahren in einem Feinbetonmörtel eingebracht. Dabei wird im Vorfeld der Textilbetonverstärkung der Untergrund des Altbetons mittels geeigneten Verfahren wie dem Hoch- 5. Brückenkolloquium - September 2022 171 Zur Verstärkung von Ingenieurbauwerken unter Verkehr druckwasserstrahlen vorbereitet, der Untergrund gereinigt, vorgenässt und anschließend mit dem geplanten Materialschichtauf bau begonnen. Als Feinbetonmörtel können handelsübliche Instandsetzungsmörtel verwendet werden, welche aktuell im Nassspritzverfahren oder händisch aufgebracht werden und auf die Maschenweite der Textilbewehrung sowie der Exposition des Anwendungseinsatzes abgestimmt sind. Die Lagenanzahl der Textilbewehrung erfolgt nach statischer Erfordernis. Gängige Materialschichtstärken im Verstärkungsbereich liegen schlussendlich im Bereich zwischen 1,0 cm und 3,0 cm, wie in Abbildung 2 ersichtlich. Abb. 2: Gängige Textilbetonschichten zur Verstärkung von Ingenieurbauwerken 1.2.2 Vorteile einer Textilbetonverstärkung Die verwendeten Textilbewehrungen sind im Unterschied zu Stahlbewehrungen korrosionsresistent, haben eine geringere Materialdichte und eine wesentlich höhere Zugfestigkeit im Bereich zwischen ca. 2.000 N/ mm² bis 3.600 N/ mm². Dadurch ist ein hohes Verstärkungspotential bei einem gleichzeitig geringen zusätzlichen Konstruktionseigengewicht gegeben. Zusätzlich wird die Bestandsbewehrung durch eine oberflächliche Textilbetonschicht gegen äußere Einflüsse geschützt und die Dauerhaftigkeit eines Ingenieurbauwerks erhöht. Die Tragfunktion einer Textilbewehrung ist sehr ähnlich zu der einer Stahlbewehrung. Unterschiedliche Schnittgrößen wie Biegung, Torsion oder Querkraft können aufgenommen werden. Für die Materialauslegung können bekannte Bemessungsansätze aus dem Stahlbetonbau mit Anpassungen an die Charakteristiken des Textilbetons übernommen werden. Neben einer Traglasterhöhung kann eine Textilbetonschicht auch lediglich die Funktion einer dauerhaften Schutzschicht übernehmen, wie bei einigen Sanierungsvorhaben gefordert. Hier übernimmt die Textilbewehrung die Aufgabe einer Rissverteilung und kann daher beispielsweise mit einem geringeren Bewehrungsgehalt ausgeführt werden. Aufgrund der hohen Vielfalt an Textilbewehrungskonfigurationen kann somit eine wirtschaftliche Lösung für unterschiedliche Randbedingungen erarbeitet werden. 2. Wissenschaftliche Untersuchungen Auf bauend auf den Grundideen wurden für die Entwicklung bzw. Weiterentwicklung der Verstärkungssysteme mehrere Einzel- und Bauteilversuche durchgeführt, um zuerst die generelle Eignung nachzuweisen und in nachfolgenden Schritten einzelne Parameter des Verstärkungssystems zu untersuchen. Diese Untersuchungen wurden durch numerische Simulation mit der Finiten Elemente-Methode und nicht-lineare Materialmodell begleitet, um weitere Parameter kostengünstig untersuchen zu können. 2.1 Querkraftversuche mit Verstärkung mit Betonschrauben In einem ersten Schritt wurde die generelle Eignung der Verbundankerschrauben als nachträgliches Verstärkungselement sowohl für die Querkraftverstärkung, als auch für die Durchstanzverstärkung mit mehreren Versuchen erfolgreich nachgewiesen. Auf den Erkenntnissen der ersten Versuche auf bauend, wurde ein Versuchsprogramm entwickelt, welches zur bauaufsichtlichen Zulassung des Systems geführt hat. Im Folgenden werden einige Versuchsdetails der Zulassungsversuche gezeigt. Detaillierte Informationen zu den Versuchsergebnissen sind z.B. in [11]-[14] zu finden. Abbildung 3 zeigt den Versuchsauf bau für die Versuche an Stahlbetonplattenstreifen mit Verstärkung durch nachträglich eingebaute Verbundankerschrauben. Die Querkraftversuche wurden als Dreipunktbiegeversuche durchgeführt, wobei für diese Versuchsserie an Plattenstreifen verschiedene Schraubentypen und Installationsarten untersucht wurden. So wurden etwa die Setztiefe der Schrauben und der Schraubendurchmesser variiert. Abb. 3: Versuchsauf bau für die Querkraftversuche an Plattenstreifen mit Verstärkung durch Verbundankerschrauben Alle durchgeführten Versuche wurden jeweils mit Referenzversuchen ohne Querkraftbewehrung verglichen und zeigten je nach Konfiguration erreichbare Traglaststeigerungen von bis zu 150 % gegenüber den Referenzversuchen. In Abbildung 4 sind die Traglaststeigerungen der Versuche an Plattenstreifen mit einer Höhe von 32 cm dargestellt. Hier konnte eine maximale Traglaststei- 172 5. Brückenkolloquium - September 2022 Zur Verstärkung von Ingenieurbauwerken unter Verkehr gerung gegenüber Referenzversuchen ohne Querkraftbewehrung von maximal 90% erreicht werden. Die gezeigten Kurven stellen dabei Mittelwerte von jeweils drei Einzelversuchen dar. Abb. 4: Kraft-Verformungskurven von zwei dynamischen Querkraftversuchen mit 5-Mio Lastwechseln im Vergleich zu zwei statisch belasteten Versuchen mit identischer Konfiguration Darüber hinaus wurden auch dynamische Versuche an den Stahlbetonbalken mit zyklischen Lasten (5 Mio. Lastwechsel) mit wirklichkeitsnaher Schwingbreite durchgeführt. Bei allen Versuchen konnte kein Versagen während der zyklischen Belastung festgestellt werden, wie die Traglastkurven in Abbildung 4 zeigen. Darin wird ein Vergleich mit rein statisch belasteten Versuchen zu zyklisch belasteten Versuchen dargestellt. Es zeigt sich, dass die zyklische Belastung und anschließende statische Belastung bis zum Bruch sogar etwas größere Versagenslasten ergeben. Somit lässt sich keine Beeinträchtigung der Traglast des Systems bei dynamisch belasteten Bauteilen erkennen. 2.2 Querkraft- und Torsionsverstärkung mit Textilbeton Abbildung 5 zeigt ein Verstärkungskonzept eines Stahlbeton-Plattenbalkens auf Querkraft und Torsion bei der die gesamte Stegfläche sowie die Stegunterseite mittels einer Textilbetonschicht ummantelt wird. Die Textilbewehrung besteht aus Matten- und Formbewehrungen welche mit versetzten Überlappungsstößen im Trägerquerschnitt und in Trägerlängsrichtung eingebaut werden. Die Bewehrung wird über einen Textilbetonkragen über eine Länge von ca. 60-cm auf der Unterseite der Fahrbahnplatte sowie einem zusätzlichen punktuellen Verankerungssystem im Abstand von 50-cm verankert. Letzteres besteht aus einer Ankerplatte und einer Verbundankerschraube. Als Verbundankerschraube wird das System wie in Abbildung 1 dargestellt verwendet. Je nach statischer Erfordernis wird das Torsions- oder Querkraftdefizit durch eine einlagige, bei einer Schichtstärke von 2-cm, oder eine zweilagige Textilbewehrung, bei einer Schichtstärke von 3-cm, aufgenommen. Abb. 5: Querkraft- und Torsionsverstärkungskonzept von Stahlbeton-Plattenbalken mittels Textilbeton und Verankerungssystem Im Zuge dieser Systementwicklung wurden Klein- und Bauteilversuche durchgeführt. In einer ersten Bauteilversuchsserie wurden dabei fünf Bewehrungskonzepte mit unterschiedlichen Bewehrungsparametern sowie Kombinationen mit und ohne Verankerungssystem untersucht. Die schlussendliche Konfiguration mit der höchsten Traglast wurde anschließend in einer zweiten Bauteilserie auf Querkraft in einem Drei-Punkt-Biegeversuch und auf Torsion in einem dafür entwickelten Torsionsversuchstand geprüft. Die Probekörperabmessungen sowie der Stahl- und Textilbewehrungsgehalt wurde an einem Praxisbeispiel im Maßstab 1: 3 abgeleitet. In jeder Bauteilserie wurde ein Versuchskörper ohne Textilbetonverstärkung ausgeführt um den Laststeigerungsfaktor zu ermitteln. Abbildung 6 zeigt die Ergebnisse im Vergleich zu den unverstärkten Versuchskörpern. Die Querkraftversuche werden mit Q1 bis Q6 bezeichnet und der Torsionsversuch mit T1. Bei den Varianten Q4, Q5, Q6 und T1 wurde die oben beschriebene Verankerungskonstruktion verwendet. Die positive Funktionsweise ist im Vergleich zu den Varianten Q1 bis Q3 deutlich zu erkennen. Die Varianten Q6 und T1 wurden in der zweiten Bauteilserie getestet. Im Falle einer Querkraftverstärkung wurde ein Laststeigerungsfaktor von 1,67 und bei der Torsionsverstärkung ein Faktor von 1,47 erzielt. Dabei wurden im Unterschied zu den unverstärkten Versuchskörpern die gewünschten Versagensmechanismen auf Querkraft oder Torsion in der Textilbetonschicht nicht erreicht. Beim verstärkten Querkraftversuch wurde ein lokales Lasteinleitungsversagen beobachtet und beim Torsionsversuch war das vorhandene Verformungsvermögen des Versuchstands ausgeschöpft. Das bedeutet die erzielten Laststeigerungsfaktoren können als unterer Grenzwerte angesehen werden (vgl. [9], [15]). 5. Brückenkolloquium - September 2022 173 Zur Verstärkung von Ingenieurbauwerken unter Verkehr Abb. 6: Erzielte Laststeigerungsfaktoren in Bauteilversuchsserien mit dem Verstärkungskonzept im Vergleich zu unverstärkten Stahlbeton-Plattenbalken 3. Pilotanwendungen der Verstärkungssysteme Auf Basis der Versuchsergebnisse und der Erkenntnisse aus den Versuchen konnten in den letzten Jahren einige Pilotanwendungen mit den neuen Verstärkungsverfahren umgesetzt werden, wovon nachfolgend einige ausgewählte Projekte dargestellt werden. 3.1 Querkraftverstärkung einer Plattenbrücke Es wurde eine Eisenbahnunterführung der 1980er Jahre verstärkt, welche als Plattenbrücke ausgeführt ist und an welcher bereits deutliche Schubrisse an beiden Plattenrändern zu erkennen waren, wie auch in Abbildung-7 anhand des Monitorings an den Rissen ersichtlich ist. Abb. 7: Einfeldrige Plattenbrücke einer Eisenbahnüberführung mit bestehenden Schubrissen. Auf der Brücke liegen vier Gleise und Weichen einer Hauptverkehrsstrecke weshalb Baumaßnahmen von der Oberseite nicht möglich waren. Durch den Einbau von Betonschrauben als nachträgliche Querkraftverstärkung von der Unterseite in mehreren parallelen Reihen an beiden Seiten der Platte, wie in Abbildung 8 erkennbar ist, war es möglich die Platte auf das Designniveau des Eurocodes zu verstärken. Durch den Einbau von unten von den beiden Gehwegen neben der Straße (siehe Abbildung 7 und 8) war es möglich sowohl den Verkehr auf aber auch unter dem Tragwerk während der Verstärkungsmaßnahmen ohne Einschränkungen aufrecht zu erhalten. Abb. 8: Einbau der Querkraftverstärkung mit Betonschrauben in mehreren parallelen Reihen von unten in die Platte 3.2 Durchstanzverstärkung einer Plattenbrücke Im Zuge der Nachrechnung einer stark schiefwinkligen, dreifeldrigen Plattenbrücke aus den 1950er Jahren wurde ein Tragfähigkeitsdefizit hinsichtlich der Durchstanztragfähigkeit bei den Punktauflagern der Lagerachsen im Feld festgestellt. Die Brücke ist an den Zwischenauflagern einzelnen Pendelstützen gelagert, wie in Abbildung 9 und 10 zu erkennen ist. Eine Einstufungsberechnung aus dem Jahr 2006 ergab eine Brückenklasse 16/ 16 für das vorhandene Bauwerk. Daher wurde die Überfahrt über das Tragwerk auf 16to Fahrzeuge beschränkt. Da das Tragwerk für den Ausweichverkehr im Zuge naheliegenden Streckensperrung genutzt werden sollte, musste das Tragwerk auch für langsam fahrende Einzelfahrzeuge mit größeren Lasten freigegeben werden. Das Ziellastniveau der erneuten Nachrechnung lag damit bei der Brückenklasse 30/ 0. Die Nachrechnung mit diesen Lasten ergab im Wesentlichen ein Durchstanzdefizit bei den jeweils beiden äußeren Stützen an beiden Seiten der Zwischenauflagerachsen. 174 5. Brückenkolloquium - September 2022 Zur Verstärkung von Ingenieurbauwerken unter Verkehr Abb. 9: Plattenbrücke über 3 Felder mit punktgestützten Zwischenauflagern Um dieses Lasten aufnehmen zu können, wurde daher eine Durchstanzertüchtigung mit Betonschrauben vorgesehen. Der Einbau der Verstärkung erfolgte ausschließlich von der Tragwerksunterseite von einem Brückeninspektionsgerät aus, um den Fahrbahnbelag und die Abdichtung nicht erneuern zu müssen. In einem ersten Schritt wurde die vorhandene Bewehrung an der Tragwerksunterseite mittels zerstörungsfreier Prüfverfahren detektiert und die Einbaupunkte entsprechend angezeichnet. Aufgrund der großen Menge an Bewehrung in der oberen Lage der Platte über den Zwischenauflagern, wurde die Bohrtiefe der Verstärkung so gewählt, dass die Schraubenspitzen knapp unterhalb der oberen Bewehrungslage liegen und damit eine Beschädigung der oberen Biegebewehrung vermieden werden kann, was zu einer geringfügig geringeren Traglast führt, aber deutlich einfacher auszuführen ist. Ebenfalls wird mit diesem Vorgehen die Störung des Tragwerks minimiert, da Bewehrungsschäden der oberen Biegezugbewehrung weitestgehend vermieden werden können. Aufgrund der Querneigung der Brücke weist die Platte eine variierende Dicke über die Querrichtung auf, womit die Einbautiefe für jedes Bohrloch abweichend ist. Die erforderlichen Bohrlängen wurden vorab anhand der Bestandspläne bestimmt. Die Schrauben konnten jedoch in einer einheitlichen Länge geliefert werden, da das System über das Anschlussgewinde im hinteren Bereich mit den dazugehörigen Rückverankerungsmuttern (vgl. Abbildung 1) an die jeweilige erforderliche Länge angepasst werden kann. Abb. 10: Angezeichnete Einbaupunkte der Durchstanzverstärkung um die Stützen nach vorangegangener Bewehrungsdetektion mittels zerstörungsfreier Prüfverfahren 3.3 Biege- und Querkraftverstärkung einer Eisenbahn-Spannbetonbrücke Neben Querkrafttragfähigkeitsdefiziten weisen manche Spannbetonbrücken auch ein Defizit bei der vorhandenen Biegebewehrung auf. Insbesondere betroffen sind hier Bauwerke mit spannungsrisskorrosionsgefährdeten Spannstählen. Die zweifeldrige Spannbetonbrücke der Eisenbahnüberführung ist ein davon betroffenes Bauwerk. Die Brücke wurde mittels des damals gebräuchlichen Sigma Oval Spannstahl vorgespannt. Abb. 11: Konzept der Biege- und Querkraftverstärkung durch externe Biegebewehrung in Form von Stahllaschen und Querkraftverstärkung mittels durch den Hohlkörper installierte Betonschrauben Im Zuge einer Nachrechnung konnte kein Riss-vor-Bruch Nachweis geführt werden, weshalb keine Restnutzungsdauer des Tragwerks nachweisbar war. Um für einen Ersatzneubau jedoch ausreichend Planungszeitraum zu erhalten, wurde für das bestehende Tragwerk mittels Betonschrauben und Stahllaschen die Biege- und Querkraft- 5. Brückenkolloquium - September 2022 175 Zur Verstärkung von Ingenieurbauwerken unter Verkehr tragfähigkeit soweit angehoben, dass eine Restlebensdauer des Tragwerks von 20 Jahren erzielt werden konnte. Die Verstärkung wurde dabei zum einen durch externe Bewehrung in Form von Stahllaschen an beiden Seiten des Hohlkörpers ausgeführt, wie in Abbildung 11 zu erkennen ist. Die Stahllaschen wurden in Form von einzelnen Schüssen mit Betonschrauben an den Stegen befestigt und anschließend miteinander verbunden und vorgespannt. Diese Stahllaschen wurden mit Betonschrauben mit ca. 2 m Länge in die Endquerträger der Brücke rückverankert. Zum anderen wurden etwa 1,25 m lange Betonschrauben als nachträgliche Querkraftbewehrung durch die Hohlkörper der Brücke von unten eingebaut und damit die Querkrafttragfähigkeit des Tragwerks erhöht. Abb. 12: Einbau der Verstärkung von unten mit Sperrung einzelner Fahrspuren auf der Autobahn aber ohne Einschränkung auf dem Tragwerk Der Einbau der Verstärkung konnte durch das neue Verstärkungssystem mit den Betonschrauben mit mechanischer Tragwirkung unter vollem Verkehr auf dem Tragwerk erfolgen. Durch den Einbau der Biegeverstärkung durch Laschen in einzelnen Segmenten, welche anschließend über konventionelle Schraubenverbindungen miteinander verbunden und vorgespannt werden konnten, musste auf der Autobahn unter dem Tragwerk immer nur eine Fahrspur für den Einbau gesperrt werden, wie Abbildung 12 zeigt. Anlässlich dieser Pilotanwendung wurden auch die Umweltauswirkungen im Vergleich einer Ertüchtigung, eines Neubaus mit Abbruch des bestehenden Tragwerks und der Sperre eines Tragwerks für einen bestimmten Zeitraum untersucht (vgl. [16]). Die gezeigten Auswirkungen auf den Treibhauseffekt, die Versauerung und dem nicht-erneuerbaren kumulierten Energieaufwand werden jeweils auf die zeitliche Sperre des Tragwerks bezogen. Dabei zeigt sich, dass eine Sperrung des Tragwerks und der damit verbundenen Stauwirkung bzw. dem damit verbundenen Ausweichverkehr die mit Abstand größten Umweltauswirkungen mit sich bringen, wie Abbildung 13 zeigt. So liegen eben die Umwelteinflüsse infolge des Umleitungsverkehrs von einem Tag Sperrung des Tragwerks bei etwas unter der Hälfte des gesamten Ersatzneubaus inklusive Abbruch und etwa beim doppelten Umwelteinfluss gegenüber der gesamten Verstärkungsmaßnahme. Bei einem geschätzten Zeitraum für die Herstellung des Ersatzneubaues von etwa 1,5 Jahren zeigt sich, dass der Umwelteinfluss des Neubaus im Vergleich zu den Umweltauswirkungen des Ausweichverkehrs und der Staubildung mit einem Prozentsatz von deutlich unter einem Prozent verschwindend gering wird. Abb. 13: Betrachtung der Umweltauswirkungen der Ertüchtigungsmaßnahme am Tragwerk im Vergleich mit einem Tag Sperre und 1,5 Jahren Sperre, nach [16] 176 5. Brückenkolloquium - September 2022 Zur Verstärkung von Ingenieurbauwerken unter Verkehr 3.4 Textilbetonsanierung ÖBB-Bahnunterführung Kundl Bei einer ÖBB-Bahnunterführung wurden die straßenseitig zugewandten Betonoberflächen aufgrund von umfangreichen Korrosionsschäden an der Stahlbewehrung und erheblichen Mängeln an der Betonoberfläche einer umfangreichen Betonsanierungsmaßnahme unterzogen. Neben einer klassischen Betonsanierung wurden hierbei Testflächen für ein Sanierungskonzept mittels Textilbeton zur Verfügung gestellt mit dem Ziel einer dauerhaften und wartungsfreien Konzeptlösung. Zusätzlich diente das Projekt zum Erfahrungsgewinn für eine baupraktische Anwendung von Textilbeton. Vor allem in Bereichen, die einer Exposition von Taumitteln, insbesondere Streusalz, ausgesetzt sind, kann zukünftig der Einsatz einer textilen Bewehrung in Kombination mit passenden Instandsetzungsmörteln Vorteile mit sich bringen. Die Eignung der verwendeten Systemkomponenten für dieses Praxisprojekt wurde unter anderem an Frost-Tausalz-Wechselversuchen überprüft [17]. Als Beton wurde ein handelsüblicher Instandsetzungsmörtel R4, XF4 gem. [18] verwendet. Als Bewehrung wurde eine einlagige gestickte Carbon-Textilbewehrung eingesetzt. Vor dem Materialauftrag wurde der schadhafte Bestandsbeton entfernt und die Oberflächenvorbereitung abgeschlossen. Der Instandsetzungsmörtel wurde im Nassspritzverfahren aufgetragen und die Textilbewehrung oberflächennahe einlaminiert. Die abschließende Deckschicht wurde in einer planmäßigen Materialstärke von 1,25-cm aufgetragen. Abb. 14: Textilbeton-Testflächen an der ÖBB-Bahnunterführung in Kundl Im Unterschied zur klassischen Betonsanierung konnte dieser Materialauftrag in der bestehenden Betondeckung realisiert und somit die ursprüngliche Bauwerksgeometrie beibehalten werden. Des Weiteren wurde im Unterschied zur konventionellen Betonsanierung auf ein nachträgliches Oberflächenschutzsystem verzichtet, da von einer dauerhaften Textilbetonschicht ausgegangen wird. In Abbildung 14 ist die fertiggestellte Textilbeton- Testfläche zu sehen. Die im Zuge der Arbeiten gewonnene Erfahrungen sollen in zukünftigen Projekten und Leitlinien einfließen und als Grundlage für Richtlinien und Regelwerke zur Anwendung von Textilbeton in der Betonsanierung Verwendung finden (vgl. [19]). 3.5 Textilbetonverstärkung der Krumbachbrücke Die Krumbachbrücke wurde in den Jahren 1981 bis 1983 als dreifeldrige, längsvorgespannte Spannbetonkonstruktion mit Plattenbalkenquerschnitt mit jeweils vier Hauptträgern in den Randfeldern und als Hohlkastenquerschnitt mit drei Kammern im Mittelfeld, erbaut. Im Grundriss liegt die Brücke in einem Bogen mit Radien zwischen 71,5-m bis 143,5-m. Die gesamte Brückenlänge beträgt 120-m. Aufgrund von vorhandenen Schadensbildern an den Plattenbalkenquerschnitten der Randfelder, deutliche Schrägrissbilder und horizontale Verformungen der Stege zufolge Querkraft und Torsion sind erkennbar, ist die Dauerhaftigkeit und volle Tragfähigkeit ohne Verstärkung nicht mehr gegeben. Zusätzlich zeigte eine statische Nachrechnung defizitäre Bereiche der Fahrbahnplatte und ein bereichsweises Querkraft- und Torsionslängsbewehrungsdefizit der Hohlkästen. In Teilbereichen der Fahrbahnplatte liegt die Problematik in einer zu geringen Stegeinspannbewehrung und in Plattenquerrichtung in einem Querkraftdefizit sowie einer zu geringen oberen Biegebewehrung. Für diese Defizite wurden Verstärkungskonzepte auf Basis der Textilbetontechnologie erarbeitet um eine Restlebensdauer von weiteren 50 Jahren sicherzustellen. Abb. 15: Herstellung einer Textilbeton Testflächen am Bauwerk Die Entscheidungsgrundlage für eine solche Verstärkung wurde in unterschiedlichen Planungs- und Entwicklungsphasen mit mehreren Projektpartnern erarbeitet. Die Bauausführungsarbeiten haben im Mai 2022 begonnen. Die Fertigstellung ist im Herbst 2023 geplant. Schlussendlich werden alle Plattenbalkenquerschnitte sowie Teilbereiche der Hohlkastenquerschnitte mit einer gestickten Carbon-Textilbewehrung mit dem beschriebenen Verstärkungskonzept in Punkt 2.2 ausgeführt. Die obere Biegeverstärkung der Fahrbahnplatte wird ebenso mit Textilbetontechnologie realisiert. Die notwendige Rahmeneckverstärkung sowie die Querkraftverstärkung der Fahrbahnplatte wird mit Verbundankerschrauben nach dem Konzept in Punkt 2.1 bewerkstelligt. Zur Qualitätssicherung der aktuell noch nicht genormten Textilbetonbauweise wurde im Vorfeld eine dreistufige Vorgehensweise mit Maßnahmen vor, während und nach der Bauausführung gemeinsam mit dem Planer und Auftrag- 5. Brückenkolloquium - September 2022 177 Zur Verstärkung von Ingenieurbauwerken unter Verkehr geber eingeführt. So werden beispielsweise Mindestanforderungen an Kleinversuchen im Labor überprüft. Bild 15 zeigt die Ausführung einer Testfläche am Bauwerk, deren Qualitätsprüfung an Versuchen vor Ort und im Labor vorgenommen wurde (vgl. [15]). 4. Zusammenfassung Auf Basis von wissenschaftlicher Forschung konnten an der Universität Innsbruck von der Grundidee neuer Verstärkungsmöglichkeiten, Systeme für die nachträgliche Verstärkung von Brückenbauwerken entwickelt werden. Diese Systeme zeichnen sich durch einen schnellen Einbau unter laufender Nutzung der Tragwerke zum einen, aber zum anderen auch durch ressourcenschonenden Einsatz von Materialien aus. Durch die durchgeführten Einzel- und Bauteilversuche zu den Verstärkungssystemen konnten bauaufsichtliche Zulassungen für das Verstärkungssystem der nachträglich eingebauten Bewehrung in Form von Verbundankerschrauben erreicht werden. Darüber hinaus konnten die Verstärkungssysteme hinsichtlich ihrer Verstärkungswirkung und Wirtschaftlichkeit weiter optimiert werden. Damit konnten die Einbauzeiten nochmals verringert und die Störungen am Tragwerk selbst aber auch die Verkehrsstörungen durch die Maßnahmen auf ein Minimum reduziert werden. Durch zahlreiche Pilotprojekte, welche in den letzten Jahren umgesetzt werden konnten, wurden Erfahrungen mit dem Einsatz der neuen Verstärkungssysteme gewonnen. Dies gilt auch speziell für weitere Sonderanwendungen der Systeme, oder den kombinierten Einsatz der beiden. Dabei zeigte sich, dass bestehende Brückentragwerke aus Beton durch den Einsatz der Verstärkungssysteme wieder auf den aktuellen Stand der Technik gebracht werden können und somit viele weitere Jahre im Netz erhalten werden können. Auch damit kann ein wesentlicher Beitrag zur Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit im Bauwesen beigetragen werden. Literatur [1] Feix, J., & Lechner, J. (2020). Nachträgliche Querkraftverstärkung von Brückentragwerken mit Betonschrauben. 4. Brückenkolloquium - Beurteilung, Ertüchtigung und Instandsetzung von Brücken, Esslingen, 349-357. [2] Deutsches Institut für Bautechnik, „Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung - TOGE TSM BC SB reLAST für die Durchstanzverstärkung“, Z-15.1- 340, 2019. [3] Deutsches Institut für Bautechnik, „Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung - TOGE TSM BC SB reLAST für die Querkraftverstärkung“, Z-15.1- 339, 2019. [4] J. Lechner, N. Fleischhacker, C. Waltl, und J. Feix, „Zum Verbundverhalten von Betonschraubdübeln mit großem Durchmesser“, Beton- und Stahlbetonbau, Bd. 112, Nr. 9, S. 589-600, 2017 [5] J. Feix, M. Hansl, “Zur Anwendung von Textilbeton für Verstärkungen im Brückenbau,” in Festschrift zum 60. Geburtstag von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Manfred Keuser - Berichte aus dem Konstruktiven Ingenieurbau, pp. 289-295, 2012. [6] J. Feix, M. Hansl, “Pilotanwendungen von Textilbeton für Verstärkungen im Brückenbau,” in 25. Dresdner Brückenbau Symposium, pp. 99-110, 2015. [7] M. Egger, J. Feix, “Textilbeton im Ingenieurbau,” in Tagungsband Innsbrucker Bautage, pp. 88-107, 2017. [8] M. Egger, J. Feix, “Gestickte textile Bewehrungen für die Beton-Leichtbauweise,” in Beiträge zur 5. DAfStb- Jahrestagung mit 58. Forschungskolloquium Band 1, pp. 110-121, 2017. [9] M. Egger, “Gestickte Textilbewehrungen für Beton,” Dissertation Universität Innsbruck, 2022. [10] M. Egger, C. Waltl, J. Konzilia, T. Fröis, “Gestickte Textilbewehrungen für Beton,” in Tagungsband Innsbrucker Bautage, pp. 79-107, 2022. [11] J. Lechner and J. Feix, “First experiences with concrete screw-anchors as post-installed shear reinforcement in concrete bridges,” Civil Engineering Design, vol. 2019, no. 1, pp. 17-27, 2019, doi: 10.1002/ cend.201800004. [12] J. Feix and J. Lechner, “Development of a new shear strengthening method for existing concrete bridges,” 2014. [13] R. Walkner, M. Spiegl, and J. Feix, “Experimentelle Untersuchungen und Vorstellung eines Bemessungsansatzes zur Durchstanzverstärkung von Betonbauteilen mit Betonschrauben,” Bauingenieur, vol. 95, no. 1, pp. 26-36, 2020. [14] M. Spiegl, R. Walkner, H. Axmann, E. Pilch, A. Schön, and J. Feix, “Betonschrauben als Durchstanzertüchtigung für statisch und zyklisch belastete Platten,” Bauingenieur, vol. 93, no. 7, pp. 274-285, 2018. [15] C. Waltl, M. Egger, N. Plattner, “Krumbachbrücke - Textilbetonverstärkung,” in Tagungsband Innsbrucker Bautage, pp. 433-456, 2022. [16] F. Gschösser, R. Schneider, A. Tautschnig, and J. Feix, “Retrofitting Measure vs. Replacement - LCA Study for a Railway Bridge,” in Sustainable Built Environment (SBE) Regional Conference Zurich 2016., 2016, pp. 472-477. doi: 10.3218/ 3774-6. [17] J. Konzilia, M. Egger, J. Feix, “Experimental investigation on salt frost scaling of textile-reinforced concrete,” in Structural Concrete, pp. 1-16, 2022. [18] ÖBV-Richtlinie, “Erhaltung und Instandsetzung von Bauten aus Beton und Stahlbeton,” Österreichische Bautechnik Vereinigung, Wien, 2019. [19] J. Konzilia, M. Egger, C. Waltl, K. Kutscher, “Dauerhafte Betonsanierung mittels Textilbeton,” in Tagungsband Innsbrucker Bautage, pp. 257-271, 2022.