Brückenkolloquium
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2510-7895
expert verlag Tübingen
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Sonderprogramm Plattenbrücken des Landesbetrieb Straßenwesen Brandenburg
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Felix Kaplan
Oliver Steinbock
Thomas Bösche
Michael Grune
Im Bauwerksmanagement des Landesbetrieb Straßenwesen werden Sonderprogramme formuliert. Dabei werden Bauwerke mit ähnlichen Problemen zusammengefasst und mit regional übergreifenden Ansätzen bearbeitet. Eines der Sonderprogramme umfasst die Brücken, die als Plattentragwerk mit Baujahr bis 1985 ausgeführt wurden. Die in der Zeit bis 1985 errichteten Stahlbeton-Plattenbrücken stellen mit 97 Brücken einen nicht unerheblichen Anteil des Brückennetzes im Land Brandenburg dar und sind insbesondere im Landstraßennetz zu finden. Mit dem Ziel, allgemeine Aussagen zu diesen Brücken zu erhalten, werden die Bauwerke in einem Sonderprogramm zusammengefasst und anhand von Referenzbauwerken untersucht. Somit lassen sich Randbedingungen abgrenzen und der Untersuchungsumfang für die Einzelbauwerke kann durch eine gezielte Gruppierung reduziert werden. Zwischenzeitlich liegen erste Ergebnisse für den Teilbestand der Einfeldplattenbrücken mit einer Spannweite von 10 bis 15 m vor. Die rechnerischen Nachweise der Referenzbauwerke und daraus abgeleitete Ertüchtigungskonzepte werden in diesem Beitrag dargestellt.
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5. Brückenkolloquium - September 2022 407 Sonderprogramm Plattenbrücken des Landesbetrieb Straßenwesen Brandenburg Felix Kaplan M. Sc. Landesbetrieb Straßenwesen Brandenburg, Hoppegarten, Deutschland Dr.-Ing. Oliver Steinbock Curbach Bösche Ingenieurpartner Beratende Ingenieure PartG mbB, Dresden, Deutschland Prof. Dr.-Ing. Thomas Bösche HTW Dresden, Dresden, Deutschland Michael Grune M. Sc. HTW Dresden, Dresden, Deutschland Zusammenfassung Im Bauwerksmanagement des Landesbetrieb Straßenwesen werden Sonderprogramme formuliert. Dabei werden Bauwerke mit ähnlichen Problemen zusammengefasst und mit regional übergreifenden Ansätzen bearbeitet. Eines der Sonderprogramme umfasst die Brücken, die als Plattentragwerk mit Baujahr bis 1985 ausgeführt wurden. Die in der Zeit bis 1985 errichteten Stahlbeton-Plattenbrücken stellen mit 97 Brücken einen nicht unerheblichen Anteil des Brückennetzes im Land Brandenburg dar und sind insbesondere im Landstraßennetz zu finden. Mit dem Ziel, allgemeine Aussagen zu diesen Brücken zu erhalten, werden die Bauwerke in einem Sonderprogramm zusammengefasst und anhand von Referenzbauwerken untersucht. Somit lassen sich Randbedingungen abgrenzen und der Untersuchungsumfang für die Einzelbauwerke kann durch eine gezielte Gruppierung reduziert werden. Zwischenzeitlich liegen erste Ergebnisse für den Teilbestand der Einfeldplattenbrücken mit einer Spannweite von 10 bis 15-m vor. Die rechnerischen Nachweise der Referenzbauwerke und daraus abgeleitete Ertüchtigungskonzepte werden in diesem Beitrag dargestellt. 1. Überblick Sonderprogramm 1.1 Allgemein Im Landesbetrieb Straßenwesen Brandenburg wurde in den vergangenen Jahren ein Erhaltungsmanagement für die Brückenbauwerke etabliert. Im Rahmen des Erhaltungsmanagements wurden sogenannte Sonderprogramme definiert. Dabei wird das Ziel verfolgt, Bauwerke mit ähnlichen Problemen zusammenzufassen. Durch eine systematische, regional übergreifende Bearbeitung dieser Probleme sollen Synergien genutzt und ggf. Musterlösungen erarbeitet werden. Dieses einheitliche Vorgehen erhöht die Validität der Maßnahmenfestlegungen und verspricht eine Effizienzsteigerung bei der Bearbeitung der Erhaltungsmaßnahmen, vgl. [1]. Dieser Beitrag behandelt das Sonderprogramm Plattenbrücken. Darin sind Plattenbauwerke (ohne Fertigteile) mit Baujahr bis 1985 zusammengefasst. Zum Sonderprogramm gehören 97-Brücken, die somit einen relevanten Anteil des Brückennetzes im Land Brandenburg darstellen. In den Abbildungen 1-bis-3 ist die Zusammensetzung der Bauwerke im Sonderprogramm hinsichtlich Spannweite, Bauwerksalter und Zustandsnote dargestellt. Darin ist zu sehen, dass die Bauwerke zu einem großen Teil vor 1970 errichtet wurden. Der Rückgang bei den Ortbetonbauwerken geht einher mit einer Zunahme der Bauwerke mit Stahlbeton- oder Spannbetonfertigteilkonstruktionen. Die Fertigteilkonstruktionen werden in separaten Sonderprogrammen betrachtet. Abb. 1: Verteilung max. Spannweite der Bauwerke in Abhängigkeit von der Feldanzahl im Sonderprogramm Abb. 2: Verteilung Bauwerksalter im Sonderprogramm 408 5. Brückenkolloquium - September 2022 Sonderprogramm Plattenbrücken des Landesbetrieb Straßenwesen Brandenburg Abb. 3: Verteilung Zustandsnoten im Sonderprogramm Beim Umgang mit den Bauwerken in diesem Sonderprogramm stellen sich zwei wesentliche Herausforderungen. Zum einen schreitet die Alterung der Bauwerke voran. Die Bauwerke die bis 1955 errichtet worden, haben defacto das Ende ihrer wirtschaftlichen Lebensdauer erreicht. Das betrifft bisher ca. 30% der Bauwerke des Sonderprogramms. Für die nächstfolgenden Bauwerke mit Errichtungsdatum bis 1959 steht dies unmittelbar bevor. Aus diesem Grund ist damit zu rechnen, dass sich die durchschnittliche Zustandsnote von jetzt 2,62 weiter verschlechtern wird. Dabei ist von einer hohen Dynamik auszugehen. Zudem wachsen die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Infrastruktur, indem z.-B. höhere Ziellastmodelle ausgegeben, Radwege überführt werden müssen oder Fahrzeugrückhaltesystem erforderlich werden. Bei der Bewertung dieser Brücken ist außerdem davon auszugehen, dass die Bestandskonstruktionen bis zur BK- 30/ 30 nachweisbar sind. Das liegt zum einen darin, dass sich die erforderliche Querkraftbewehrung durch die Umstellung vom Hauptspannungskriterium zum Fachwerkmodel nur schwer rechnerisch nachweisen lässt und gleichzeitig die in der DDR üblichen Biegeformen nicht mehr vollständig als Querkraftbewehrung angesetzt werden können. Ein weiterer Schwachpunkt ist, dass sie ursprünglich nur für ein Bemessungsfahrzeug in der Hauptspur bemessen wurden (vor allem BK-30), was sich zusätzlich negativ auf die eingebaute Querbiegebewehrung auswirkt. 1.2 Kriterienkatalog für die Übertragbarkeit der Ergebnisse Ziel der Betrachtungen im Sonderprogramm ist es die Nachrechnung und Maßnahmenkonzeption an Referenzbauwerken durchzuführen. Die Ergebnisse sollen anschließend auf den gesamten Bauwerksbestand im Sonderprogramm übertragen werden. Damit diese Übertragung erfolgen kann, müssen verschiedene Kriterien definiert und dann jeweils am Einzelbauwerk überprüft werden. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist vorgesehen die folgenden Kriterien in die Überprüfung aufzunehmen: - ursprüngliches Lastmodell: Der Bemessung auf dem Gebiet der ehemaligen DDR lagen teilweise andere, niedrigere Lastmodelle zugrunde als in der BRD. Aus dem Grund sind z. B. viele der Bauwerke im nachgeordneten Netz (Landstraßen II. Ordnung nach TGL) ursprünglich auf die BK-30 nach DIN 1072 bemessen, siehe exemplarisch [2]. - Schiefe des Bauwerks - Tatsächliche Betondruckfestigkeit - Bewehrungsgrad bzw. Bewehrungsführung - Bauteilschlankheit - Vorhandene Schadensbilder - Anforderungen der überführten Sachverhalte (z.- B. Hochwasserszenarien) Dieser Kriterienkatalog wird im Zuge der weiteren Bearbeitung ergänzt. Dabei sind auch die Einflüsse der einzelnen Parameter auf die Übertragbarkeit zu quantifizieren. 2. Einfeldplattenbrücken mit Spannweiten zwischen 10-m und 15-m 2.1 Beschreibung Aus Abb.-1 ist bereits ersichtlich, dass es bei den Konstruktionen auch eine gewisse Variation gibt. Um die Aufgabe besser bearbeiten zu können wurden deshalb Untergruppen definiert. Die erste zur Bearbeitung anstehende Untergruppe sind die Einfeldplattenbrücken (EFPB) mit Spannweiten zwischen 10 bis 15-m. Der Bauwerksbestand in dieser Unterkategorie umfasst insgesamt 29-Bauwerke. Die Verteilung der Bauwerke auf die Spannweiten ist in Abb.-4 dargestellt. Die Spannweiten und die Konstruktion wurden dabei als Abgrenzungskriterien verwendet, weil hierdurch eine große Vergleichbarkeit der Bauwerke erwartet wird. Abb. 4: Verteilung max. Spannweite der Bauwerke der EFPB 10 bis 15m (grün), sonstige Bauwerke des Sonderprogramms (grau) In dieser Gruppe sind somit alle EFPB mit den größeren Spannweiten enthalten. Die Brücke mit einer maximalen Spannweite von 16-m wurde mit Hohlkörpern hergestellt und ist deshalb im Hinblick auf die Konstruktion nicht mit den anderen vergleichbar. Die Abgrenzung nach „unten“ erfolgte zunächst relativ grob am Sprung der Stützweiten. Diese Grenze ist im Zuge der weiteren Bearbeitung nochmal zu prüfen und bei Bedarf anzupassen. In den Abb. 5 und 6 sind die Verteilungen des Bauwerksalters und der Zustandsnoten dargestellt. Hier zeigt sich eine relativ geringe Varianz, so dass die Annahme einer hohen Übertragbarkeit gegeben ist. 5. Brückenkolloquium - September 2022 409 Sonderprogramm Plattenbrücken des Landesbetrieb Straßenwesen Brandenburg Abb. 5: Verteilung des Bauwerksalters für EFPB mit Spannweite 10 bis 15 m Abb. 6 Verteilung der Zustandsnoten für EFPB mit Spannweite 10 bis 15 m 2.2 Auswahl repräsentativer Bauwerke Es wurde festgelegt, dass in einem ersten Schritt 3 Bauwerke von 29-Bauwerke aus dieser Untergruppe gemäß [3] nachgerechnet werden. Da in dieser Untergruppe bereits 2-Bauwerke in der Vergangenheit verstärkt wurden, waren diese beiden Bauwerke im Rahmen einer Ortsbegehung zu besichtigen. Ziel ist es dabei Aussagen über die Dauerhaftigkeit der Maßnahmen zu ziehen und Hinweise für zukünftige Ausführungen zu geben. Näheres zu den Bauwerken ist nachfolgend dargestellt. 3. Untersuchung der repräsentativen Bauwerke 3.1 Kurzbeschreibung der nachgerechneten Bauwerke Abb. 7: B5 Brücke über die Dosse in Wusterhausen Bei den ausgewählten Repräsentanten handelt es sich um drei Brücken die allesamt als Stahlbetonüberbau und als Vollquerschnitt ausgeführt sind, siehe Abbildungen 7 bis 9. Mit Spannweiten zwischen 13-m und 14-m liegen die Brücken in der oberen Hälfte des ausgewählten Spannweitenbereiches. Bei Konstruktionshöhen von ≈ 0,8-m bis 1,02-m ergeben sich Schlankheiten zwischen 13 und 17, die somit im bautechnisch gängigen Bereich liegen. Die gewählten Überbauten weisen nur geringe Schiefen im Grundriss auf und überbrücken allesamt 2-spurige Staatstraßen über Gewässer. Die Überbauten ruhen auf Betonlinienlagern die wiederum auf Schwergewichtswiderlagern bzw. Kastenwiderlagern gründen. Abb. 8: B167 Brücke über den Havelableiter in Liebenwalde Auch in Hinblick auf die Materialeigenschaften sind de Überbauten repräsentativ. Das älteste Bauwerk wurde 1955 errichtet und ist mit glatten Betonstählen bewehrt. Die planmäßigen Betonfestigkeiten streuen recht weit, bei einer Einstufung nach [3] in heutige Festigkeitsklassen zwischen C-12/ 15 und C-35/ 45. Abb. 9: L167 Brücke über den Seeverbinder in Neuruppin Auf Grundlage der aktuellen Bauwerksprüfungen lagen die Zustandsnoten zwischen 2,2 und 2,5 womit sich die Brücken in einem befriedigenden bis ausreichenden Bauwerkszustand befanden. Statisch bedenkliche Schäden konnten an den Bauwerken nicht festgestellt werden. Die drei Bauwerke sind aktuell in die BK-30/ 30 eingestuft und erhielten eine Klassifizierung für den Traglastindex 410 5. Brückenkolloquium - September 2022 Sonderprogramm Plattenbrücken des Landesbetrieb Straßenwesen Brandenburg (TLI) III: Der Traglastindex, als Ergänzung zum Bauwerkszustand, dient der strukturellen Einordnung des Bauwerks. Ausgehend von einer ersten Bewertung auf Grundlage von Baujahr, der Gegenüberstellung von Soll- und Ist-Tragfähigkeit sowie der Netzrelevanz kann die Dringlichkeit baulicher Maßnahmen abgeleitet werden, siehe [4]. Mit einem TLI III liegen die Bauwerke im mittleren Bereich (I bis V). Eine Abstufung des Überbaus erfolgt entweder wegen einer Unterschreitung des angestrebten Ziellastniveaus oder aufgrund struktureller Schwächen des Entwurfes (z.-B. stark veralteter Regelwerke). Für die vorliegenden Brücken wird das Ziellastniveau (BK-60 im L-Netz bzw. BK-60/ 30 im B-Netz) unterschritten woraus langfristig (bis 2035) eine Untersuchung der Tragwerke notwendig wird. 3.2 Kurzbeschreibung der bereits verstärkten Tragwerke Für eine erweiterte Bestandsanalyse wurden zudem zwei bereits ertüchtigte bzw. instandgesetzte Bauwerke betrachtet. Die Bauwerke wurden zwischen 1953 und 1960 errichtet und weisen Spannweiten zwischen 10,6-m und 15,2-m auf. Die ebenfalls als Plattenvollquerschnitt ausgeführten Überbauten sind der BK- 30/ 30 zugeordnet, wurden jedoch in der Vergangenheit bereits mit Hilfe von geklebten Stahlbzw. CFK-Lamellen verstärkt. Während bei der Brücke ü.-d. Greifenhainer Fließ eine Verstärkung mit breiten Stahllamellen ausschließlich in Längsrichtung erfolgte (Abb.-10), wurde die Brücke ü.-d. Nuthegraben bei Thyrow mit Hilfe von CFK-Lamellen sowohl in Längsals auch in Querrichtung ertüchtigt, siehe Abb.-11. Abb.-10: Verstärkter Überbau mit Stahllamellen ü.d. Greifenhainer Fließ bei Müschen Abb.-11: Verstärkter Überbau mit CFK-Lammellen ü.d. Nuthegraben bei Thyrow 4. Zwischenfazit und Ausblick 4.1 Zwischenfazit Die statischen Untersuchungen der Überbauten zeigten, dass eine rechnerische Einstufung der Überbauten über die BK-30/ 30 hinaus im Ist-Zustand nur unter Anwendung erweiterter Nachweisformate (d.h. Stufe 4 nach [3]) möglich sind. Grund hierfür sind die bereits vorab prognostizierten Schwächen bei der Bewehrungsführung, woraus einerseits rechnerische Defizite bei der Querkrafttragfähigkeit, andererseits Defizite bei der Biegetragfähigkeit (insbesondere in Querrichtung) resultieren. Als aussichtsreich für die Problematik der Querkrafttragfähigkeit zeigten sich alternative Rechensätze nach MC- 2010 [5] bzw. Rechensätze bei Auf biegungen von Längseisen (z.B. potenzieller Schubriss, z.-B. [6]). In Hinblick auf die Biegetragfähigkeit wurde eine Verstärkung mit bereits etablierten Verstärkungsmethoden (Stahl- oder CFK-Lamellen) oder neueren Methoden (Carbonbetonverstärkung) als vielversprechend betrachtet um eine Anhebung der Brückenklasse zu erzielen. Hierbei ist jedoch anzumerken, dass eine Biegeverstärkung nur in einem begrenzten Maße erfolgten kann und beispielsweise durch die Querkrafttragfähigkeit des Überbaus limitiert ist. Des Weiteren ist bei der Konzeption von Verstärkungsmaßnahmen die Bestandssituation vor Ort mit einzubeziehen. Da die Betonfestigkeiten bei den vergleichsweisen kleinen Spannweiten eher niedrig sind, sind geklebte bzw. nachträglich applizierte Verstärkungsmaßnahmen nicht unproblematisch. Diese Verstärkungsmaßnahmen benötigen einen ausreichend tragfähigen Untergrund (Haftzugfestigkeit) damit die Kraft aus den zusätzlich angebrachten Zugelementen auch zuverlässig in die Bestandskonstruktion übertragen werden können. Das hier besondere Sorgfalt notwendig ist, zeigt ein Schadensfall am Bespiel der Brücke ü.-d. Nuthegraben, der im Rahmen der Vor-Ort-Besichtigung angetroffen wurde, siehe Abb.-12. Im Konkreten zeigte sich bei einer querorientierten CFK-Lamelle ein Abriss der Lamelle am Plattenrand und somit im Verankerungsbereich. Der 5. Brückenkolloquium - September 2022 411 Sonderprogramm Plattenbrücken des Landesbetrieb Straßenwesen Brandenburg Schaden äußert sich in Form von Rissen bzw. hohl liegenden Betonbereichen unterhalb der Lamelle. Auf den Abb.-11 und 12 ist zudem der vergleichsweise dicke Auftrag der Lamellen ersichtlich, obwohl die Lamellen selbst dünn (≈ 3-mm) sind. Grund hierfür war einerseits eine Krümmung bzw. Überhöhung des Überbaus andererseits die zweiaxiale Verstärkung in Längs- und Querrichtung. Bei den quer orientierten CFK-Lamellen können somit bei Beanspruchung abhebende Kräfte entstehen und zu einem Ablösen führen. Bei der ausschließlich in Längsrichtung und mit Stahllamellen verstärkten Brücke ü.-d. Greifenhainer Fließ konnten keine vergleichbaren Schäden vorgefunden werden. Die Lamellen waren hier im Verankerungsbereich mit zusätzlichen Schrauben gesichert. Trotz Beschichtungsmaßnahmen konnten jedoch an den Stahllamellen erhöhte Korrosion festgestellt werden. Abb.-12: Schadensfall an der Brücke u.d. Nuthgraben bei Thyrow 4.2 Ausblick und weiteres Vorgehen Vor dem Hintergrund der vorliegenden Zwischenergebnisse kann festgehalten, dass eine mäßige Erhöhung der Tragfähigkeit für Tragwerke in Netz von Staats- und Ortsverbindungsnetz zielführend sein kann, um die Tragwerke noch für eine längere Zeit im Bestand zu halten. Des Weiteren zeigen die Untersuchungen, dass diese Ziele mit vergleichsweise überschaubaren Ertüchtigungsmaßnahmen erreicht werden können. Wie die Begutachtung von bereits verstärkten Bauwerken zeigte, ist hier jedoch mit besonderer Sorgfalt vorzugehen. Hier zeigten sich Schwächen bei der Verstärkung mit nachträglich geklebten Lamellen, sodass bei den nachfolgenden Betrachtungen auch die Möglichkeiten einer Carbonbetonverstärkung näher betrachtet werden soll, siehe auch [7] oder [8]. Bei höheren Anforderungen bzw. wenn ein sehr hohes Ziellastniveau erreicht werden soll sind auch mögliche Verstärkungsmethoden über eine reine Biegeverstärkung hinaus, u.a. zur Erhöhung der Querkrafttragfähigkeit z.B. mit Hilfe von Betonschrauben zu betrachten, siehe z.-B.-[9]. Im Ergebnis der weiteren Betrachtungen sind dann Aussagen über die technische Machbarkeit von Instandsetzungsbzw. Verstärkungsmaßnahmen möglich. Unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit und der Nachhaltigkeit können optimierte Entscheidungen für den zukünftigen Umgang mit den Bauwerken getroffen und umgesetzt werden. Literatur [1] Degenhardt, K., et al.: Strategisches Bauwerkserhaltungsmanagement im Landesbetrieb Straßenwesen Brandenburg. 5. Brückenkolloquium TAE 09/ 2022 [2] TGL 0-1072: 1964: TGL- 0-1072: Verkehrsbau, Straßen- und Wegbrücken, Lastannahmen. DDR-Standard. Ausgabe 1964-06 [3] Nachrechnungsrichtlinie: Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (Hrsg.): Richtlinie zur Nachrechnung von Straßenbrücken im Bestand (Nachrechnungsrichtlinie). Ausgabe 2011-05 inkl. 1. Ergänzung 2015-04 [4] Marzahn, G., Mertzsch, O.; Kramer, L.: Der Traglastindex zur Bewertung struktureller Eigenschaften von Straßenbrücken. u.- a. Stahlbau 89 (2020) 10, S. 865-873 [5] fib - Fédération Internationale du Béton International Federation for Structural Concrete (Hrsg.): Model Code for Concrete Structures 2010. Ausgabe 2013-10 [6] Ö-Norm B 4008-2: 2019-11-15. Bewertung der Tragfähigkeit bestehender Tragwerke - Teil 2 Brückenbau. [7] Steinbock, O.: Verstärkung von Stahl- und Spannbetonbrücken mit Carbonbeton. Dissertation. Dresden: 2022. [8] Steinbock, O.; Curbach, M.; Bösche, T.: Ertüchtigung einer Stahlbetonstraßenbrücke mit Carbonbeton. In: Foster, F.; Gilbert, R.; Mendis, P.; Al-Mahaidi, R.; Millar, D. (Hrsg.): Tagungsband zum 4. Brückenkolloquium - Fachtagung für Beurteilung, Planung, Bau, Instandhaltung und Betrieb von Brücken. 8./ 9.9.2020 an der Technischen Akademie Esslingen, Esslingen: 2020, S. 651-662. [9] Feix, J.; Lechner, J.; Spiegl, M.; Walkner, R.: Nachhaltige Bauwerksverstärkung mit Betonschrauben. In: Bergmeister, K.; Fingerloos, F.; Wörner, J.-D. (Hrsg.): Beton Kalender 2021, Fertigteile, Integrale Bauwerke 2021. Berlin: 2021
