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Nachrechnung bestehender Stahl- und Verbundbrücken - Restnutzung

Die deutliche Zunahme des Schwerverkehrs in den vergangenen Jahrzehnten und der prognostizierte weitere Anstieg führen neben höheren statischen Lasten auch zu einer größeren Beanspruchung von Stahl- und Verbundbrücken hinsichtlich der Materialermüdung. Neben der Bewertung der statischen Tragfähigkeit gewinnt daher die Bewertung der Restnutzungsdauer für bestehende Straßenbrücken zunehmend an Bedeutung. Sie zählt zu einem der wesentlichen Entscheidungskriterien für die Beurteilung von Investitionen in die Bauwerkserhaltung bis zum Neubau.

Das Foto zeigt eine beispielhafte Modellierung eines Blockdübels zur Berechnung der StrukturspannungenBeispielhafte Modellierung eines Blockdübels zur Berechnung der Strukturspannungen (Bild: BASt)

Aufgabenstellung

Die Richtlinie zur Nachrechnung von Straßenbrücken im Bestand (Nachrechnungsrichtlinie) stellt ein vierstufiges Nachweiskonzept zur Verfügung, welches auch Ermüdungs- respektive Restnutzungsdauernachweise beinhaltet. Im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) untersuchte das Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet “Entwerfen und Konstruieren-Stahlbau” an der Technischen Universität Berlin die Auswirkungen der Anwendung dieser Regelungen. Der Fokus richtete sich dabei vor allem auf das derzeit gültige Nachweiskonzept für Ermüdungsnachweise gemäß Nachrechnungsrichtlinie. Darauf aufbauend sollten Anpassungs- und Ergänzungsvorschläge formuliert und weiterer Forschungsbedarf benannt werden. Maßgabe aller Verbesserungsvorschläge war sowohl eine Zunahme der Nachweisgenauigkeit als auch die Wahrung der Umsetzbarkeit in der praktischen ingenieurmäßigen Anwendung.

Untersuchungsmethode

Da die Gesamtheit aller für den Ermüdungsnachweis in Frage kommenden Nachweisverfahren und Anwendungsfälle recht umfangreich ist, werden Untersuchungen zu den verschiedenen Nachweiskonzepten an einer repräsentativen Auswahl vorhandener Straßenbrücken durchgeführt. Für den Fall, dass die normgemäßen Beanspruchungskollektive, gemessen an der realen Beanspruchung, zu ungünstig sind, werden Daten aus Verkehrszählungen einbezogen sowie ein messwertgestützter Schadensäquivalenzfaktor ermittelt. Bei einer nicht eindeutigen Zuordnung zum Nennspannungskerbfall wird beispielhaft das Strukturspannungskonzept angewendet. Die Anwendung probabilistischer Methoden für den Fall, dass der Nachweis allgemein nicht erfüllt werden kann oder die vorhandene Sicherheit näher bestimmt werden soll, wird beispielhaft am Stoß eines Bodenbleches gezeigt. Entsprechende Verbesserungsvorschläge für die Regelungen der Nachrechnungsrichtlinie werden abgeleitet.

Ergebnisse

Die Verwendung von bauwerksspezifischen Daten (beispielsweise Daten aus Verkehrszählungen) kann die Nachweisgenauigkeit erheblich verbessern. Zu klären ist allerdings unter anderem die Berücksichtigung der künftigen Entwicklung des Verkehrsaufkommens sowie das geringere Verkehrsaufkommen der Vergangenheit. Um das Nachweiskonzept der Nachrechnungsrichtlinie nachhaltig zu verbessern, wird die Einführung eines messdatenbasierten Schadensäquivalenzfaktors vorgeschlagen. Damit könnten bauwerksspezifische Daten aus einfachen Dehnungsmessungen am Bauwerk unter Berücksichtigung des prognostizierten Verkehrszuwachses in den Nachweis eingehen. Die Anwendung des Strukturspannungskonzeptes ist nur unter Berücksichtigung definierter Modalitäten zu empfehlen. Da Stahlbrücken im Straßenbrückenbau häufig große Stützweiten aufweisen, erscheint es lohnenswert, mithilfe von Vergleichsrechnungen für verschiedene Systeme und Stützweiten eine einfache Ausschlussregelung auf Grundlage der Brückenklassen 60 und 60/30 zu entwickeln, bei welcher der Ermüdungsnachweis in Haupttragrichtung generell entfallen könnte. Ähnliche Regelungen für Straßenbrücken enthält der DIN-Fachbericht 103. Um eine Vergleichbarkeit und Prüfbarkeit für probabilistische Nachweise zu ermöglichen, sollte die Festlegung bestimmter Eingangsgrößen in der Richtlinie diskutiert werden.

Folgerungen

Mit den Ergebnissen der Untersuchung konnte der Verbesserungsbedarf für die Nachrechnungsrichtlinie formuliert und weiterer Forschungsbedarf beschrieben werden. Die Integration von Verkehrszählungen in die Systematik der Ermüdungsnachweise erscheint als erfolgversprechende Möglichkeit, durch die Einbeziehung objektspezifischer Verkehrsdaten die Ermüdungssicherheit bestehender Stahl- und Verbundbrücken nachzuweisen. Durch Messungen am Bauwerk abgeleitete Schadensäquivalenzfaktoren erscheinen aussichtsreich, konkrete Regelungen zur Vorgehensweise und zur praxistauglichen Anwendung setzen jedoch weitergehende Untersuchungen voraus.

Assessment of existing steel-and composite bridges – Remaining service life

Significant increases in heavy goods traffic in recent decades and predicted further increases for the future are leading to higher static loads and therefore to increased stress and strain on steel and composite bridges with respect to material fatigue. In addition to assessing their static load carrying capacity, it is becoming increasingly important to assess the remaining service life of existing road bridges. Indeed, this now ranks as one of the main decision-making criteria for investment decisions regarding structural maintenance and the building of new structures.

The results of this study were used to identify and formulate any improvements which might be necessary in the recalculation guidelines, and to outline further research requirements. The integration of traffic counts in the system of fatigue monitoring would appear to be a promising way of establishing the fatigue resistance of existing steel and composite bridges by including object-specific traffic data. Damage equivalence factors derived from readings on the structures themselves appear promising; concrete guidelines covering procedures and operational applications still require further research.

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Zusatzinformationen

Forschung kompakt 05/16
Bericht
Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Heft B 123, 2016

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