5. Brückenkolloquium - September 2022 251 Verstärkung von orthotropen Fahrbahnplatten mit hochfestem Beton Iris Hindersmann Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach, Germany Heinz Friedrich Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach, Germany Zusammenfassung Ältere Brücken mit orthotropen Fahrbahnplatten müssen aufgrund der starken Zunahme des Verkehrs und Defiziten, wie ermüdungsanfällige Konstruktionsdetails, die aus der Planung und Ausführung stammen, verstärkt werden. An orthotropen Fahrbahnplatten wurden in den letzten 15 Jahren vermehrt Schäden entdeckt, welche u.a. den Anschluss im Deckblech betreffen. Um den Schäden zu begegnen sind häufig zusätzlich zur Instandsetzung gerissener Schweißnähte auch Verstärkungsmaßnahmen erforderlich. Eine Verstärkung kann mit hochfestem Beton erfolgen, hierbei ist das Ziel, über die Verbundwirkung zwischen Fahrbahnbelag und orthotroper Fahrbahnplatte eine bessere Lastverteilung zu erreichen und damit eine Reduktion von Spannungen in den Schweißnähten und der Durchbiegung. Der Fahrbahnbelag wird durch eine Schicht aus stahlfaserverstärktem, bewehrtem hochfestem Beton ersetzt. Der Verbund dieser Schicht und des Deckblechs wird über eine zuvor mit Epoxidharz auf der Deckblechoberfläche verklebten Splittschicht erreicht. Die in den Niederlanden entwickelte Methode wurde in Deutschland mit Zustimmung im Einzelfall an vier Brücken angewendet. 1. Einleitung Im Netz der Bundesfernstraßen befinden sich etwa 40.000 Brücken [1]. Ein bedeutender Teil dieser Brücken muss dringend instandgesetzt, ertüchtigt oder erneuert werden. Die Ursachen hierfür sind vielfältig. Der Verkehr auf Bundesfernstraßen ist in den letzten Jahren stark angestiegen und der Güterverkehr hat dabei überproportional an Menge und Gesamtgewicht zugelegt. Als zusätzliche Herausforderung kommt die Verschlechterung des Erhaltungszustandes der Brücken hinzu, die auf einen Rückstau der Erhaltungsmaßnahmen schließen lässt [2; 3]. Der Großteil der Brückenbauwerke in Westdeutschland wurde in den 1960er bis 1980er Jahren gebaut. Bedingt durch hohe Materialpreise und geringe Lohnkosten wurde der Materialeinsatz optimiert. Dieses gilt auch insbesondere für Stahlbrücken mit orthotropen Fahrbahnplatten, da die Kosten für Stahl im Verhältnis zu den Lohnkosten in dieser Zeit sehr hoch waren. 2. orthotrope Fahrbahnplatte Stahlbrücken mit orthotropen Fahrbahnplatten werden häufig eingesetzt, wenn große Spannweiten zu überwinden sind und dem Gewicht der Brücke eine besondere Rolle zugeschrieben wird. Orthotrop bedeutet „rechtwinklig zueinander unterschiedliche Steifigkeiten“ [4]. Abbildung 1: Aufbau einer orthotropen Fahrbahnplatte (in Anlehnung an 5) Der Aufbau der orthotropen Fahrbahnplatte ist in Abbildung 1 gezeigt. Die relevanten Bestandteile sind Deckblech, Längsteifen, Querträger und Hauptträger. Wie bereits in der Einleitung erwähnt wurde auch bei orthotropen Fahrbahnplatten insbesondere in den 1970er Jahren aufgrund der hohen Stahlpreise der Materialeinsatz optimiert, dies führt zu einer Ausführung der Brücken mit besonders geringen Blechdicken. Weiterhin hat der stark angestiegene Verkehr dafür gesorgt, dass die Brücken heute insbesondere Ermüdungsschäden aufwei- 252 5. Brückenkolloquium - September 2022 Verstärkung von orthotropen Fahrbahnplatten mit hochfestem Beton sen [6]. Im Rahmen des Forschungsprojekts von Sedlacek et al. [7] wurde eine Analyse von ca. 40 Brücken mit orthotropen Fahrbahnplatten im Bundesfernstraßennetz durchgeführt. Dabei konnten bei älteren Brücken Schäden in 4 Hauptkategorien erkannt werden. Die Abbildung 2 gibt einen Überblick zu drei der vier Schadenskategorien. Abbildung 2: Schadenskategorien bei orthotropen Fahrbahnplatten [7] Die unterschiedlichen Schadenskategorien betreffen die folgenden Aspekte [7; 8]: • Schadenskategorie 1 - Anschlüsse im Deckblech: Schäden der Kategorie 1 betreffen das Fahrbahnblech an den Verbindungen zu den Längsrippenstegen und sind zumeist ohne einen Bezug zu bestimmten Ausführungsformen der Rippen und Querträger vorhanden (bauweisenunabhängige Schäden). • Schadenskategorie 2 - Anschlüsse im Längssystem: Die Schäden der Kategorie 2 haben in der Regel einen Bezug zu einem bestimmten Detail oder einer Bauart der orthotropen Fahrbahnplatte (bauweisenbedingte Schäden). • Schadenskategorie 3 - Anschlüsse im Quersystem: Hier ist beispielsweise ein Riss in der Verbindungsnaht zwischen Querträger und Hauptträger ein typischer Schaden. • Schadenskategorie 4 - Anschlüsse im Hauptsystem: Ein Beispiel dieser Kategorie ist ein Riss im Haupttragsystem. Die Instandsetzungs- und Verstärkungsmaßnahmen unterscheiden sich für die einzelnen Schadenskategorien, im Rahmen des Artikels wird die Schadenskategorie 1 betrachtet. Instandsetzungsmaßnahmen dienen der Wiederherstellung des planmäßigen Zustandes eines Bauwerks oder seiner Bauteile. Bei orthotropen Fahrbahnplatten sind die Reparatur von Rissen in Schweißnähten oder Blechen die relevanten Maßnahmen. Verstärkungsmaßnahmen sind bauliche Maßnahmen, die mit einer Verbesserung der Tragfähigkeit einhergehen. Bei orthotropen Fahrbahnplatten wird das Ziel verfolgt, mit der Verstärkungsmaßnahme eine Reduktion der lokalen Spannungen und Durchbiegungen über ein verstärktes Deckblech zu erreichen. Wichtig ist hierbei, dass das Eintragen von großer Wärme und damit zusätzlichen Spannungen vermieden werden soll, damit scheiden Lösungen mit umfangreichen Schweißarbeiten aus. Es kommen unterschiedliche Verstärkungsmaßnahmen in Betracht, diesen liegt aber das gleiche Prinzip zugrunde. Zunächst wird der alte Brückenbelag entfernt. Dann erfolgt die jeweilige Verstärkungsmaßnahme. Unabhängig von der Art der Verstärkungsmaßnahme gelten die gleichen Anforderungen wie für herkömmliche Brückenbeläge, diese sind: Dichtigkeit, Griffigkeit, Gradientenausgleich und Dauerhaftigkeit. [7; 9]. Unterschiedliche Verstärkungsmaßnahmen sind [7; 9]: • Hochfester Beton: Der alte Brückenbelag wird bei dieser Maßnahme durch einen stahlfaserverstärkten, bewehrten hochfesten Beton ersetzt. Der hochfeste Beton wirkt dabei im Verbund mit dem Deckblech und fördert die Lastverteilung. Diese Maßnahme wird im folgenden Kapitel näher beschrieben. • Sandwich Plate System (SPS): Bei dieser Verstärkungsmaßnahme wird ein zusätzliches Blech mit Abstandshaltern parallel zum vorhandenen Deckblech positioniert. Der damit entstehende Hohlraum wird mit flüssigem Polyurethan gefüllt und härtet anschließend aus. Mit dem Erhärten des Polyurethankerns entsteht ein Verbund zwischen den beiden Deckblechen. • Aufgeklebte Bleche: Bei dieser Maßnahme werden zusätzliche Stahlbleche zwischen dem Deckblech und dem Fahrbahnbelag angeordnet. Diese Verstärkungsbleche werden kraftschlüssig auf das Deckblech geklebt und erzielen über eine bessere Spannungs- und Kaftverteilung die Verstärkungsleistung. • Hohlraumreiches Asphalttraggerüst mit Nachträglicher Verfüllung (HANV): Bei dieser Verstärkungsmaßnahme wird ein mit Hohlräumen ausgestattetes Asphalttraggerüst, welches aus einer Gesteinskörnung mit einer Sieblinie mit Ausfallkörnung und einem zur Verklebung der Gesteine ausreichenden Bindemittelgehalt besteht, nachträglich mit Epoxidharz verfüllt. Mit dem verfüllten Asphalttraggerüst kann eine höhere Steifigkeit und Verformungsbeständigkeit bei höheren Temperaturen und eine ausreichende Elastizität bei tiefen Temperaturen erreicht werden. 5. Brückenkolloquium - September 2022 253 Verstärkung von orthotropen Fahrbahnplatten mit hochfestem Beton 3. Hochfester Beton für die Verstärkung von orthotropen Fahrbahnplatten bei Stahlbrücken 3.1 Zusammensetzung und Aufbau des Belagssystems mit hochfestem Beton bei den bisherigen Maßnahmen Bei den durchgeführten Maßnahmen in Deutschland wurde ein stahlfaserbewehrter Beton der Festigkeitsklasse C90/ 105, welcher eine Biegezugfestigkeit von 10 N/ mm 2 aufweist, eingesetzt. Wichtig ist, dass die Schwindeigenschaften begrenzt werden, um daraus resultierende Spannungen im Beton und im Gesamttragwerk zu reduzieren. In den bereits ausgeführten Beispielen enthielt der Beton einen Stahlfaserzuschlag von etwa 75 kg/ m³ mit einem Durchmesser von 0,4 mm zur besseren Rissverteilung. Die Dicke der Betonschicht variiert nach Anwendungsfall, ein typischer Wert ist 75 mm [10]. Der Aufbau des bei den bisherigen Maßnahmen eingesetzten Belagssystems mit hochfestem stahlfaserbewehrtem Beton erfolgt nach einem festen System (Abbildung 3): • Abgestreutes Epoxidharz • Stahlfaserbewehrter Beton • Reaktionsharzdünnbelag (RHD-Belag) Abbildung 3: Aufbau System hochfester Beton [11] Der Einbau des Belags erfolgt in definierten Schritten [6; 12]: Nach der Instandsetzung der Risse der orthotropen Fahrbahnplatte wird die Oberfläche des Deckblechs gestrahlt und gereinigt. Der nächste Schritt ist die Aufbringung einer Haftschicht aus Epoxidharz. Im flüssigen Zustand wird dann hochfester, calcinierter Bauxit-Split mit definierter Korngröße und Kornform in die Epoxidharzschicht eingestreut. Die Haftschicht dient dazu, einen Verbund zwischen dem Deckblech und dem hochfesten Beton herzustellen. Nach der Aushärtung wird in einem definierten Abstand zum Deckblech eine Bewehrung aus Betonstabstahl in Längs- und Querrichtung fixiert. Im Anschluss erfolgt die Aufbringung des faserbewehrten hochfesten Betons. Der hochfeste Beton dient der Verstärkung, der besseren Lastverteilung und dem Schutz der Fahrbahnplatte vor Feuchtigkeit und Korrosion. Zum Schluss wird auf dem Beton ein Dünnbelag aufgebracht, der ebenfalls aus Epoxidharz mit eingestreutem Splitt besteht. Dieser dient dem Schutz des hochfesten Betons, stellt eine zusätzliche Dichtungsschicht dar und verbessert die Griffigkeit der Fahrbahnoberfläche. Von Seiten der Betontechnologie gelten hohe Anforderungen hinsichtlich der Ausführungsqualität, wobei insbesondere die folgenden Aspekte zu beachten sind: • Zusammensetzung des Betons • Betonherstellung • Frischbetoneigenschaften • Betonverarbeitung • Betondruckfestigkeit und Biegezugfestigkeit • Verformungsverhalten • Dauerhaftigkeit • Qualitätssicherung Diese Aspekte werden in Grundzügen bei jedem Einsatz von hochfestem Beton verfolgt. Bei den Baumaßnahmen in Beimerstetten und Maxau wurden aufgrund des Pilotcharakters diese Aspekte besonders gründlich untersucht. Im Ergebnis hat sich gezeigt, dass insbesondere die Aspekte Betonrezeptur, Mischung des Betons, Frischbetoneigenschaften, Einbau und Verdichtung des Betons, qualitätssichernde Maßnahmen und Erfahrung, Schulung und Quantität des Personals auf der Baustelle eine bedeutende Rolle spielen. [6; 11]. 3.2 Voraussetzungen und Nutzen für den Einbau des hochfesten Betons zur Verstärkung von orthotropen Fahrbahnplatten bei Stahlbrücken Der Einsatz von hochfestem Beton zur Verstärkung orthotroper Fahrbahnplatten ist unter den folgenden Bedingungen sinnvoll: • Die Restlebensdauer der Brücke beträgt noch mehr als 20 Jahre. • Der Zustand der Brücke zeigt Schäden der Kategorie 1, welche infolge von Materialermüdung entstanden sind. • Die Brücke hat eine hohe verkehrliche Bedeutung, sodass die Mehrkosten wirtschaftlich begründbar sind. • Eine geringfügige Gewichtserhöhung der Brücke ist nicht kritisch bzw. kann über zusätzliche Maßnahmen aufgefangen werden. Der Nutzen des hochfesten Betons ergibt sich über die Verbundwirkung zwischen Fahrbahnbelag und orthotroper Fahrbahnplatte, welche zu einer besseren Lastverteilung führen und damit eine Reduktion von Spannungen in den Schweißnähten und der Durchbiegung erzielen. Dadurch wird die Entstehung weiterer Schäden der Kategorie 1 an orthotropen Fahrbahnplatten vermieden. Die Verbundwirkung wird in deutschen Projekten rechnerisch noch nicht einbezogen, Untersuchungen hierzu laufen aber an den Projekten Maxau und Elster-Saale-Kanal. 254 5. Brückenkolloquium - September 2022 Verstärkung von orthotropen Fahrbahnplatten mit hochfestem Beton 3.3 Ablauf beim Einsatz von hochfestem Beton zur Verstärkung von orthotropen Fahrbahnplatten bei Stahlbrücken Die Abbildung 4 zeigt das Ablaufschema beim Einsatz von hochfestem stahlfaserbewehrtem Beton zur Verstärkung von orthotropen Fahrbahnplatten inklusive der Zustimmung im Einzelfall. Zu Beginn des Einsatzes ist eine Bestandsaufnahme der Brücke notwendig. Eine genaue Untersuchung der Schäden und deren Ursachen, eine Nachrechnung, Dokumentation des Verkehrsaufkommens inklusive der Abschätzung der zukünftigen Entwicklung und Nutzungsdauer ist erforderlich. Die Verstärkung der orthotropen Fahrbahnplatten von Brücken mit hochfester Beton oder alternativen Varianten sollten unter Berücksichtigung der vorhandenen Schäden und der Restnutzungsdauer im nächsten Schritt überprüft werden. Als Entscheidungshilfe bezüglich des Einsatzes von hochfestem Beton dienen die in Kapitel 3.2. genannten Voraussetzungen. Der nächste Schritt ist die Beantragung der Zustimmung im Einzelfall, da es sich nicht um eine Regelbauweise handelt. Der Einsatz von hochfestem Beton ist immer mit einer Zustimmung im Einzelfall verbunden, wie auch der Einsatz von Reaktionsharzdünnbelag als zusätzliche Dichtungsschicht und zur Verbesserung der Griffigkeit der Fahrbahnoberfläche auf Stahlbrücken. Im Rahmen dieser Beantragung sind die folgenden Aspekte zu beschreiben: • Informationen zum Bauwerk inklusive Fotos und Pläne, • Schadensbilder und deren Ursachen, • Nutzen des Einsatzes von hochfestem Beton, • Vorplanung der Baudurchführung inklusive Pläne und • Überlegungen zu messtechnischen Begleitung. Im Anschluss erfolgt die Überprüfung der Zustimmung im Einzelfall und zumeist (bei Einbindung durch das BMDV) eine Beurteilung der Maßnahme durch die BASt. Nach Erteilung der Zustimmung im Einzelfall kann die Ausschreibung der Maßnahme erfolgen. Für die Ausschreibung ist es von großer Bedeutung, dass der Bauablauf so gut wie möglich vorher geplant wird. Dieses gilt insbesondere für die folgenden Aspekte: • Einhausung der Maßnahme unter Beachtung von Aspekten der Befestigung der Einhausung und einer eventuell notwendigen Klimatisierung, • Örtlichkeiten zur Lagerung von Kühlcontainer und einer Mischanlage in direkter Nähe zur Maßnahme, • Fertigung einer Probeplatte, welche unter den gleichen Bedingungen hergestellt werden soll, wie die eigentliche Maßnahme. Ziel ist Probeplatte ist die Darlegung der Qualität des Einbaus und des Materials, • Möglichkeiten der Zufuhr des hochfesten Betons während des Einbaus und • Darlegung der messtechnischen Begleitung (Zeitschiene sowie nötige Eingriffe in die Bauausführung). Diese Anforderungen, welche in die Ausschreibung aufgenommen werden sollten, ergeben sich teilweise aufgrund der Anforderungen aus der Zustimmung im Einzelfall. Vorgeschrieben sind aktuell: • Herstellung einer Probeplatte, • Zelteinhausung der Fahrbahn, • Betontechnologische Begleitung der Probeplatte und des Fahrbahneinbaus, • Enge und strenge Grenzen beim auszuschreibenden Produkt und • Führung eines Qualitätshandbuchs. Vor dem Einbau des Belagssystems mit hochfestem Beton erfolgt eine Instandsetzung der gerissenen Schweißnähte. Eine messtechnische Begleitung der Maßnahme kann sinnvoll sein, Möglichkeiten der messtechnischen Begleitung bei den bisherigen Maßnahmen und deren Ziele werden in Kapitel 5 beschrieben. Evtl. erfolgt eine fachtechnische Begleitung der Maßnahme durch die BASt. Die Maßnahme endet mit einer Schlussbetrachtung. 5. Brückenkolloquium - September 2022 255 Verstärkung von orthotropen Fahrbahnplatten mit hochfestem Beton 4. Einsatzbeispiele 4.1 Allgemein Der Einsatz von hochfestem Beton zur Verstärkung einer Stahlbrücke erfolgte erstmalig in den Niederlanden auf einem Teil der Calandbrücke im Hafengebiet von Rotterdam im Jahr 2003. Es wurde eine 50 mm dicke Schicht aus hochfestem, bewehrtem Stahlfaserbeton anstelle einer Gussasphaltschicht eingesetzt. Mit der Maßnahme konnten die lokalen Biegespannungen im Deckblech deutlich herabgesetzt und Ermüdungsprobleme bewältigt werden [13]. Im Jahr 2014 wurde zum ersten Mal hochfester Beton zur Verstärkung einer Stahlbrücke in Deutschland eingesetzt. Im Folgenden werden die bisher durchgeführten bzw. geplanten Maßnahmen kurz beschrieben. 4.2 Beimerstetten (L1239) Die Brücke Beimerstetten wurde 1963 gebaut und überführt die L1239 über die Bahnstrecke Stuttgart-Ulm. Die Brücke wurde als Einfeldträger mit einer Spannweite von 40 m und einer Breite von 11 m ausgeführt und hat eine orthotrope Fahrbahnplatte mit einem 12 mm dicken Deckblech mit gewalzten Wulstflachstählen (Abbildung 5). Die Brücke wies zum Beginn der Maßnahme keine Ermüdungsschäden auf und dient als Pilotprojekt für den Ersteinsatz von hochfestem Beton zur Verstärkung der Rheinbrücke Maxau. Abbildung 5: Bestandsplan der Brücke Beimerstetten [6] Der Einbau des Belagssystems mit hochfestem Beton wurde nach der erfolgreichen Betonage der Probeplatte ausgeführt. Nach dem Aufbringen der Epoxidharzschicht wurde die Bewehrung eingebaut. Der Anschluss an das Schrammboard wurde über das Anschweißen der Querbewehrung an ein Kammblech erreicht (Abbildung 6). Im Anschluss erfolgte die Betonage und der Einbau des Dünnbelags. Abbildung 6: Bewehrung für den hochfesten Beton an der Brücke in Beimerstetten [6] Der hochfeste Beton konnte im Pilotprojekt Beimerstetten erfolgreich eingesetzt werden. Hierbei wurden insbesondere Erfahrungen zur Betonrezeptur, Mischung des Betons, Frischbetoneigenschaften, Einbau und Verdichtung des Betons, qualitätssichernde Maßnahmen sowie zur Schulung und Quantität des Personals auf der Baustelle gewonnen. Diese Erfahrungen stellen eine wichtige Grundlage für die weiteren Projekte dar. Die messtechnische Begleitung zur Verstärkungswirkung wird in Kapitel 5 beschrieben. 4.3 Maxau (B10) Die Rheinbrücke Maxau wurde in den Jahren 1963 bis 1966 erbaut, es handelt sich um eine Schrägseilbrücke mit orthotroper Fahrbahnplatte (Abbildung 7). Die Brücke überführt die Bundesstraße B10 über den Rhein und überspannt 2 Felder mit Stützweiten von 175 und 117 m. Die Brücke wurde mit zwei Fahrstreifen je Richtung ausgebildet und ist für die Brückenklasse 60 ausgelegt. Die Verkehrsstärke lag im Jahr 2018 bei ca. 74.000 Kfz/ d mit einem Schwerverkehrsanteil von ca. 9 % [14]. Abbildung 7: Stahlbrücke Maxau [14] Bereits in den 1990er Jahren konnten erste Ermüdungsrisse in der Brücke festgestellt werden. Deren vermehrtes Auftreten in den Folgejahren hatte sofortige Reparatur- 256 5. Brückenkolloquium - September 2022 Verstärkung von orthotropen Fahrbahnplatten mit hochfestem Beton maßnahmen zur Folge. Weiterhin wurden in der Fahrbahn immer häufiger Spurrinnen und damit eine Verringerung der Lastverteilung durch den Fahrbahnbelag und eine stärkere lokale Belastung der Fahrbahnplatte festgestellt. Die notwendige Ertüchtigung wurde im Jahr 2011 durch eine Machbarkeitsstudie erarbeitet und der Einsatz von hochfestem stahlfaserbewehrtem Beton als beste Variante gewählt. Hiermit sollte den Anforderungen an eine verlängerte Nutzungsdauer, ein erhöhtes Verkehrsaufkommen und den Anforderungen der Nachrechnungsrichtlinie gerecht werden. Abbildung 8: Einbau des hochfesten Betons an der Rheinbrücke Maxau 13.04.2019 (BASt 2019) In 2019 konnte der Einbau des hochfesten Betons in zwei Bauabschnitten realisiert werden. Die Abbildung 8 zeigt den Einbau des hochfesten Betons auf der eingehausten Fahrbahn. Die messtechnische Begleitung der Maßnahme wird in Kapitel 5 beschrieben. 4.4 Elster-Saale-Kanal (A9) Die Brücke überführt die Bundesautobahn A 9 über den Elster-Saale-Kanal nördlich von Günthersdorf im Saalekreis. Verstärkt wurde das Teilbauwerk der Richtungsfahrbahn München. Abbildung 9: Brücke über den Elster-Saale Kanal (Autobahn GmbH 2021) Die Brücke wurde ursprünglich 1937 als Zweigelenkrahmen-Stahlkonstruktion mit Kragarmen und Betonfahrbahnplatte errichtet. Der Überbau wurde 1992 durch einen einfeldrigen Stahlüberbau als Trägerrostkonstruktion mit orthotroper Fahrbahnplatte ersetzt (Abbildung 9). Das Brückenbauwerk wurde für die Brückenklasse 60/ 30 nach DIN 1072 geplant und gebaut. Eine Nachrechnung des Tragwerkes gemäß Nachrechnungsrichtlinie erfolgte für das Ziellastniveau BK60/ 30. Als Ergebnis konnte bis auf die Ermüdungsfestigkeit der orthotropen Fahrbahnplatte eine ausreichende Tragfähigkeit nachgewiesen werden. Die Bauwerksprüfung 2017 zeigte neben den üblichen nutzungs- und altersbedingten Mängeln wiederholt Risse in der orthotropen Fahrbahnplatte. Um eine Schadensausbreitung oder Folgeschäden zu vermeiden, war eine grundhafte Instandsetzung mit Verstärkung der orthotropen Fahrbahnplatte erforderlich. Neben der Instandsetzung der gerissenen Schweißnähte stand die Verstärkung des Deckblechs, um einer wiederkehrenden Rissbildung vorzubeugen, im Vordergrund. Die Verstärkung der Brücke mit hochfestem Beton wurde als Variante ausgewählt, da so die Nutzungsdauer der Brücke um 30 Jahre verlängert und die Entstehung weiterer Risse vermieden werden kann. Der Einbau des hochfesten Betons konnte im Jahr 2021 erfolgreich durchgeführt werden (Abbildung 10). Hierbei konnte auf die Erfahrungen aus den bisherigen Maßnahmen zurückgegriffen werden. Abbildung 10: Einbau des hochfesten Betons an der Brücke über den Elster-Saale-Kanal (Autobahn GmbH 2021) 4.5 Rhein-Herne-Kanal (A43) Das westliche Bestandsbauwerk über den Rhein-Herne-Kanal soll während des Ersatzneubaus des östlichen Bestandsbauwerks für ca. 3 bis 5 Jahre für die bauzeitliche Verkehrsführung genutzt werden. Während dieser Zeit wird die Befahrung mit Fahrzeugen über 3,5 t 5. Brückenkolloquium - September 2022 257 Verstärkung von orthotropen Fahrbahnplatten mit hochfestem Beton über eine Schrankenanlage ausgeschlossen. Die Brücke stammt aus dem Jahr 1965 und ist Teil des Emschertalzugs, der aus drei Bauwerken über den Rhein-Herne-Kanal, die Emscher und DB-Strecken besteht. Die Brücke wird täglich von ca. 100.000 Fahrzeugen genutzt und der Schwerlastanteil beträgt 11 Prozent. Es handelt sich um eine Plattenbalkenbrücke mit einer orthotropen Fahrbahnplatte. Erste Schäden konnten bereits 1986 festgestellt werden, diese hatten aber keine Einschränkung der Nutzung zur Folge. Ursache für die Schäden ist der materialsparende Einsatz von Stahl. Weiterhin hat die Brücke Tragfähigkeitsdefizite, diese konnten im Rahmen der Nachrechnung auf Grundlage eines messwertbasierten Bemessungskonzepts dargelegt werden. Die Umsetzung der Maßnahme befindet sich aktuell in der Planung. 5. Ergebnisse begleitender Forschung Die bisherigen Maßnahmen wurden messtechnisch begleitet (Tabelle 1). Tabelle 1: Übersicht zu Brücken mit hochfestem Beton in Deutschland Brücke Jahr Messtechnische Begleitung Beimerstetten 2014 messtechnische Begleitung der Verstärkungswirkung Maxau B10 2019 messtechnische Begleitung der Verstärkungswirkung und Feuchtemessungen Elster-Saale- Kanal A9 2021 messtechnische Begleitung der Verstärkungswirkung und Rissdetektion Rhein-Herne Kanal A43 Geplant 2024 Geplant sind Nachuntersuchungen des hochfester Beton nach ca. 5 Jahren, wenn die Brücke abgebrochen wird Die Ziele der begleitenden Forschung betreffen insbesondere die Quantifizierung der Verstärkungsleistung und betontechnologische Aspekte, wie die Dichtigkeit und Festigkeit des Betons. Im Rahmen dieser Ausarbeitung werden vorwiegend die Aspekte der Messung der Verstärkungsleistung dargestellt. Punktuelle Einwirkungen durch Achs- und Radlasten sind die Ursache für Ermüdungsschäden an den Schweißnähten der orthotropen Fahrbahnplatte. Durch den Einsatz des hochfesten Betons soll eine bessere Verteilung der Lasten und damit eine Verstärkungswirkung erreicht werden. Ziel der messtechnischen Begleitung ist u.a. die Erfolgskontrolle der Verstärkungsmaßnahme [6]. An der Brücke Beimerstetten und der Rheinbrücke Maxau erfolgten Belastungsfahrten vor Beginn der Bauarbeiten, auf der freien Fahrbahnplatte, kurz nach der Herstellung des hochfesten Betons und nach einer 6-monatigen Einsatzzeit des hochfesten Betons. Ziel der Belastungsfahrten war die Erfassung von statischen und dynamischen Systemantworten. Mit den erhobenen Messdaten werden numerische Modelle kalibriert, welche dann zur rechnerischen Erfolgskontrolle genutzt werden können [6; 15]. An der Brücke Beimerstetten wurden Dehnungsmessstreifen in der Feldmitte der Fahrbahn mit hohen globalen Druckbeanspruchungen und im Auflagebereich ohne nennenswerte globale Spannungen eingesetzt. Die Abbildung 11 zeigt die Messbereiche im Querschnitt der Brücke. [6]. Abbildung 11: Messbereiche der Brücke Beimerstetten [6] Im Ergebnis zeigte sich, dass der hochfeste Beton einen starren Verbund mit dem Deckblech eingeht und deutliche Steigerungen der Steifigkeit erfasst werden. Weiterhin wird die Beanspruchung der orthotropen Fahrbahnplatte in Bezug auf die Ermüdung signifikant reduziert. Eine Entlastung einzelner Bereiche mit hoher Lasteinleitung konnte durch eine bessere Querverteilung erreicht werden. Dieses führt zu geringen Spannungsschwingspiel und einer deutlichen Erhöhung der potenziellen Lebensdauer der Brücke. An der Brücke Maxau wurden zur Bemessung der Validierung des FE-Modells Dehnungsmessstreifen an verschiedenen Punkten der Brücke eingesetzt um das globale Tragverhalten zu ermitteln (Abbildung 12). Abbildung 12: messtechnische Ausstattung der Rheinbrücke Maxau mit Dehnungsmessstreifen im Bereich des Querverbands der Achse [16] Weiterhin wurde die globale Durchbiegung der Brücke über Tachymetermessungen unterhalb der Brücke ermittelt. Hierzu wurden an der Unterseite der Brücke 258 5. Brückenkolloquium - September 2022 Verstärkung von orthotropen Fahrbahnplatten mit hochfestem Beton entsprechende Kugelprismen angebracht. Im Fall der Rheinbrücke Maxau wurde ein mobiler Kran als Belastungsfahrzeug für alle Belastungsversuche eingesetzt. Messungen wurden während der Überfahrt und zusätzlich mit festen Positionen des Krans durchgeführt. [15] Die vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass eine deutliche Reduktion der lokalen ermüdungswirksamen Beanspruchungen im Bereich der orthotropen Fahrbahnplatte erreicht wird. Dieses trifft sowohl auf die Reduktion der auftretenden Spannungen direkt unter der Radaufstandsfläche als auch die bessere Lastverteilung zu. Ursache für die Reduktion ist, dass durch die Verstärkungsmaßnahme benachbarte Steifen stärker beim Lastabtrag mitwirken. Daher kann auf Grundlage der bisherigen Erkenntnisse die beabsichtigte Wirkung der Verstärkungsmaßnahme bestätigt werden. An der Brücke über den Elster-Saale-Kanal erfolgten lokale Messungen über lokale Dehnungs- und Verformungsmessungen mit Dehnungsmesstreifen und Wegenehmern an den Unterseiten der Rippen. Auch hier wurden Belastungsversuche auf dem ursprünglichen Fahrbahnbelag, dem Deckblech und dem neuen Belag durchgeführt. Ziel dieser Messungen war das Aufzeigen der Verstärkungswirkung. Im Ergebnis konnte die Verstärkungswirkung nachgewiesen werden, da die Steifigkeit der orthotropen Fahrbahn erhöht werden konnte, was sich in verringerten Dehnung- und Verformungsmessungen nach der Verstärkung zeigt [17]. Für die orthotrope Fahrbahnplatte besteht eine Korrosionsgefahr, wenn Wasser in das Belagssystem eindringen kann. Die zulässige Rissbreite wird daher rechnerisch auf 0,1 mm begrenzt. Um die Rissbildungen in Fahrbahnplatte und der Verbundschicht zu überwachen wurden faseroptische Sensoren in der Beton- und der Verbundschicht eingebaut. Diese dienen der frühzeitigen Erkennung von Rissen, der Bestimmung von Rissweiten und Rissaktivitäten. Weiterhin soll eine etwaige Delamination von Verbundschicht und Stahlplatte überwacht werden. Dieses erfolgt durch die messtechnische Begleitung der Verbundwirkung und der Detektion von Ort und Ausmaß ggf. auftretender Verluste der Verbundwirkung. Die messtechnische Überwachung erfolgt mit faseroptische Sensoren in der Epoxidhaftschicht und im hochfesten Beton [18]. In ersten Auswertungen konnten Mikorisse in der Betonschicht in den Messungen längs zur Brücke erkannt werden. In den Messungen quer zur Brücke zeigen sich in der Mitte der Brücke erhöhte Dehnungen, welche zu den Rändern hin abnehmen. Mögliche Erklärungen sind unterschiedliche Temperaturen oder die Verkehrsbelastung. Im Rahmen von Folgemessungen sollen diese Ergebnisse verifiziert und analysiert werden [18]. 6. Fazit Die durchgeführten Maßnahmen zeigen, dass mit dem Einsatz von hochfestem, stahlfaserbewehrtem Beton die gewünschte Verstärkungswirkung orthotroper Fahrbahnplatten erzielt wird. Bislang sind Schäden der Kategorie 1 nach der Umsetzung der Verstärkungsmaßnahme nicht mehr entstanden. Um die mittragende Wirkung von hochfestem Beton auch rechnerisch ansetzen zu können, erfolgen aktuell die Auswertungen der messtechnischen Begleitung und die FE-Modellierung an den bereits durchgeführten Maßnahmen. Basierend auf den Berechnungen lässt sich ein Ingenieurmodell entwickeln, welches den rechnerischen Nachweis der Ermüdungsfestigkeit von mit hochfestem Beton ertüchtigten orthotropen Fahrbahnplatten in Zukunft ermöglichen kann. Die Messkonzepte haben das Ziel die globale Tragwirkung der Brücken zu erfassen [6; 15]. Erforderlich ist hierbei die Betrachtung der Ermüdung der Verbundfuge. Der Einsatz des hochfesten Betons ist mit einem erhöhten Arbeits- und Zeitaufwand durch die Zustimmung im Einzelfall, die Einhausung der Baustelle, das Erstellen der Probeplatte und die intensive betontechnologische Begleitung der Maßnahme verbunden. Dieser Mehraufwand wird auch in Zukunft entstehen, da eine Aufnahme des hochfesten Betons als Regelbauweise für die Verstärkung von Stahlbrücken mit orthotropen Fahrbahnplatten vorerst nicht geplant ist. Ursache ist die geringe Anzahl an Brücken mit orthotropen Fahrbahnplatten, bei denen sich eine Verstärkung mit hochfestem Beton als zielführend darstellt. Um die in Deutschland bereits gemachten Erfahrungen zusammenzustellen und den gesamten Prozess von der Planung bis zur Ausführung besser zu strukturieren ist ein Workshop in der BASt geplant. Die Ergebnisse des Workshops dienen als Grundlage für die Erstellung von Planungshilfen zur Erleichterung und Beschleunigung zukünftiger Verstärkungsmaßnahmen mit hochfestem Beton an Stahlbrücken mit orthotropen Fahrbahnplatten. Literaturverzeichnis [1] BASt (2021) Brückenstatistik 2021 [online]. https: / / www.bast.de/ BASt_2017/ DE/ Ingenieurbau/ Fachthemen/ brueckenstatistik/ bruecken_hidden_node.html; jsessionid=5B433DB2E30E52E- AC951347516663896.live21304. [2] BMVI (26.10.2015) Stand der Ertüchtigung von Straßenbrücken der Bundesfernstraßen. [3] Marzahn, G. (2016) Instandsetzungsbedarf von Infrastrukturbauten in Deutschland in: Müller, H. S.; Nolting, U.; Haist, M. [Hrsg.] 12. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung. Karlsruhe. [4] Albrecht, G. (2005) Entwicklungsgeschichte der orthotropen Fahrbahnplatte in: BASt [Hrsg.]. [5] DIN-Fachbericht 103: 2009-03 DIN Fachbericht 103: Stahlbrücken. [6] Mansperger, T. et al. (2017) Verstärkung von Stahlbrücken mit hochfestem Beton. 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