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Verstärkung von Stahlbrücken mit hochfestem Beton

Bedingt durch zunehmenden Schwerlastverkehr und ermüdungsanfällige Konstruktionsdetails lässt sich insbesondere bei älteren Brücken die ursprünglich angenommene Lebensdauer häufig nicht erreichen. Für Stahlbrücken wurde eine Verstärkungsmethode entwickelt, die darauf basiert, dass der Asphaltbelag durch einen hochfesten Beton ersetzt wird. Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) beauftragte begleitende Untersuchungen bei der Pilotanwendung dieser Methode in Deutschland. Das Ergebnis lässt auf das Potenzial einer deutlichen Verlängerung der Lebensdauer schließen.

Das Foto zeigt den Einbau des BetonsEinbau des Betons unter einem Schutzzelt (Bild: Leonhardt, Andrä und Partner)

Aufgabenstellung

Im Hinblick auf eine erforderliche Verstärkung der Rheinbrücke Maxau wurde die geplante Maßnahme als Pilotprojekt probeweise an einem kleineren Bauwerk getestet. Diese Verstärkungsmaßnahme basiert auf dem Prinzip, den Asphaltbelag durch einen hochfesten Stahlfaserbeton zu ersetzen, der in Längs- und Querrichtung mit Betonstahl bewehrt ist. Der Verbund zum Stahl-Deckblech erfolgt durch eine mit Bauxitsplitt abgestreute Epoxidharzschicht. Um eine ausreichende Griffigkeit zu gewährleisten, erhält die Betonoberfläche einen reaktionsharzgebundenen Dünnbelag. Im Auftrag der BASt wurden von der Firma Leonhardt, Andrä und Partner, Beratende Ingenieure VBI AG begleitende Untersuchungen zu dieser Pilotanwendung durchgeführt.

Das Foto zeigt ein Schutzzelt auf einer BrückeSchutzzelt auf einer Brücke (Bild: Leonhardt, Andrä und Partner)

Untersuchungsmethode

Die Begleitung der Baumaßnahme beinhaltet die Durchführung von Messungen, die Dokumentation des Einbaus und numerische Untersuchungen. Die Messungen erfolgten vor und nach der Verstärkungsmaßnahme mittels Dehnmessstreifen und Wegaufnehmer, die sowohl innerhalb des Brückenhohlkastens als auch auf dem Stahldeckblech der Brücke installiert wurden. Die Dokumentation des Einbaus umfasst neben der Betonage der Brücke selbst auch die Betonage von drei Probeplatten im Vorfeld. Im Rahmen der numerischen Untersuchungen wurden zunächst die Spannungen und Verformungen der Versuchslasten nachvollzogen. Anschließend erfolgte der Vergleich mit Fahrbahnplatten mit herkömmlichen Asphaltbelägen unter verschiedenen klimatischen Bedingungen.

Ergebnisse

Während die Aussagekraft der Dehnungsmessungen unter den Erwartungen lag, lieferten die Verformungsmessungen an der Unterseite sehr plausible Werte und konnten zur Kontrolle der Verbundeigenschaften herangezogen werden.

Im Rahmen der Dokumentation des Einbaus wurden die hohen Anforderungen bei der Betonage offenkundig. Die Mischung des hochfesten Betons vor Ort und der Einbau im Schutzzelt erwiesen sich als sehr personalaufwendig und stellten hohe Qualitätsanforderungen an die sachgerechte Verarbeitung des Frischbetons.

In den numerischen Berechnungen ließ sich zum einen die Wirkung der Verstärkungsmethode auf die verschiedenen Bauteile und Tragsysteme der Stahlbrücke nachvollziehen. Zum anderen konnte der Ansatz des vollen Verbundes zwischen Stahldeckblech und Aufbeton an den Messbereichen durch den Vergleich der Messwerte mit den Rechenergebnissen bestätigt werden. Damit ergibt sich eine signifikante Reduktion der Beanspruchung des Deckblechs durch die erhebliche Vergrößerung der Steifigkeit. Die Querverteilung der Lasten in der Fahrbahnplatte und die Mitwirkung mehrerer Längssteifen wird erheblich verbessert. Dies führt zu einer Entlastung einzelner Steifen im Lasteinleitungsbereich. Daraus resultieren geringere Spannungsschwingspiele im Deckblech, in den Schweißanschlüssen des Deckblechs an die Längssteifen sowie der Längssteifen an die Querträger.

Folgerungen

Im Rahmen des Pilotprojekts wurden wesentliche Grundlagen für den Einsatz des Verfahrens bei ermüdungsgefährdeten Großbrücken geschaffen. Die untersuchte Methode zeigt eine deutliche Verbesserung des Ermüdungswiderstandes der Konstruktion. Das Ergebnis lässt auf das Potenzial einer deutlichen Verlängerung der Lebensdauer schließen.

Strengthening of steel bridges with high performance concrete

As a result of increasing heavy goods traffic and fatigue sensitive construction details, it is often not possible to achieve the originally assumed service life especially of older bridges. A method of strengthening steel bridges has been developed, which is based on replacing the asphalt pavement with high-strength concrete. The Federal Highway Research Institute (BASt) has commissioned accompanying investigations during the pilot application of this method in Germany.

During the pilot project, important foundations were established for using the procedure on major bridges at risk of fatigue. The method investigated demonstrates a clear improvement of the fatigue resistance of the construction. The result indicates the potential of a significant extension of service life.

Forschung kompakt als Download: 12/2017 (PDF, 234KB)

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Zusatzinformationen

Forschung kompakt 12/17
Bericht
Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Heft B 137, 2017

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