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Bau und Erhaltung von Betonbrücken

Fahrbahnplatten von Betonbrücken (2119001)
Ziel des Projekts ist die Erarbeitung einer einheitlichen, nachvollziehbaren und eindeutig reproduzierbaren Vorgehensweise zur Ermittlung der erforderlichen Fahrbahnplattendicken für in Bauwerksquerrichtung nicht vorgespannte Fahrbahnen von Betonbrücken. Durch die Festlegung einheitlicher Planungs- und Bemessungsgrundsätze, die eine sichere und zugleich wirtschaftliche Konstruktion gewährleisten und für den gesamten Planungsprozess gelten, soll Kostensicherheit für den Auftraggeber erreicht werden.

Intelligente Brücke – Verfahren zur Auswertung, Verifizierung und Aufbereitung von Messdaten (15.0636)
Ergänzend zur bisher üblichen schadensbasierten Bauwerksprüfung erfolgt unter dem Begriff „Intelligente Bücke“ die Entwicklung eines adaptiven Systems zur kontinuierlichen Bereitstellung relevanter Informationen für eine ganzheitliche Zustandsbewertung durch den Einsatz von geeigneter Sensorik in Verbindung mit Analyse- und Bewertungsverfahren. Hierdurch werden online Hinweise auf zu erwartende Schädigungen und Zustandsänderungen ermöglicht. In Kombination mit Prognose- und Strukturmodellen und unter Einbindung bislang verfügbarer Informationen aus Datenbanken, wird damit die Grundlage für ein zuverlässigkeitsorientiertes und präventives Erhaltungsmanagement geschaffen. Die Zuverlässigkeit von Fernüberwachungssystemen hängt maßgeblich von der lückenlosen Gewinnung plausibler und belastbarer Sensordaten über den gesamten Nutzungszeitraum eines Monitoringsystems ab. Eine vorab durchgeführte Machbarkeitsstudie zeigt, dass sich modellbasierte und statistische Verfahren für die Aufbereitung von Messdaten optimal ergänzen. Ziel dieses Projektes ist es, ein Konzept für die Analyse und -aufbereitung von Sensordaten unter Berücksichtigung praxisrelevanter Aspekte – beispielsweise fehlende Zeitsynchronität oder Echtzeitanalysen – sowie geeignete Algorithmen für wichtige Schritte der Datenaufbereitung und der Extraktion von höherwertigen Informationen aus Daten zu entwickeln. Die entwickelte Algorithmen sollen zudem anhand von Daten aus der Pilotstudie "Intelligente Brücke im Digitalen Testfelds Autobahn" erprobt werden.

Querkraftbemessung von Fahrbahnplatten – Erarbeitung einer einheitlichen Vorgehensweise zur Ermittlung der erforderlichen Querschnittsabmessungen von Fahrbahnplatten ohne Querkraftbewehrung (15.0639)
Die mit Einführung der Eurocodes für den Brückenbau deutlich gestiegenen Tandemachslasten des Lastmodells LM 1 zur Dimensionierung neuer Bauwerke, führen in der Bemessungspraxis häufig zu Problemen beim Nachweis der Querkrafttragfähigkeit der Fahrbahnplatten ohne Querkraftbewehrung. Die bisherigen Erfahrungen machen deutlich, dass die Ergebnisse der Berechnungen in Abhängigkeit von den gewählten Modellen sowie den berücksichtigten Annahmen erheblich variieren können. Vor diesem Hintergrund sind einheitliche Planungs- und Bemessungsgrundsätze für den gesamten Planungsprozess vom Entwurf bis zur Ausführung aus Bauherrensicht unerlässlich. Nur mithilfe von einheitlichen vertraglich festgelegten Regeln kann hier Planungs- und damit Kostensicherheit erreicht werden. Ziel ist die Erarbeitung einer einheitlichen und nachvollziehbaren Vorgehensweise zur Ermittlung von Beanspruchungen und Widerständen auf Basis der derzeitigen Bemessungsregeln gemäß DIN EN 1992-2/(NA). Darüber hinaus sollen auch die Auswirkungen der möglichen Einführung der derzeit in der Diskussion befindlichen Querkraftbemessungsregeln für die zukünftige Weiterentwicklung des EC 2 berücksichtigt werden.

OSIMAB (2117010)
Im Rahmen einer zunehmenden Digitalisierung stehen bereits heute umfangreiche Daten zur Verfügung, die im Rahmen neuer und innovativer Ansätze für ein prädiktives Lebenszyklusmanagement von Straßenverkehrsinfrastrukturen Verwendung finden können. Für Brückenbauwerke können zusätzliche Informationen mittels dauerhafter Strukturüberwachungssysteme gewonnen werden. Insgesamt ermöglicht dies einen innovativen Ansatz, um Strukturdefizite und Gefahren sowie deren zeitliche Entwicklung frühzeitig zu erkennen und – wenn nötig – Gegenmaßnahmen rechtzeitig zu treffen. Mit dem innovativen Ansatz von OSIMAB wird ein ganzheitliches Konzept für die Überwachung und Zustandsbewertung von Straßenbrücken verfolgt. Neben der Erkennung und Bewertung des aktuellen Zustands sollen auch Prognosen für die weitere Entwicklung aus den am Bauwerk gewonnenen Daten und ihrer zeitlichen Veränderung in Verbindung mit Vorhersagemodellen erstellt werden. Durch die direkt anschließende Bewertung potenzieller Risiken und möglicher Maßnahmen zur Aufrechterhaltung und Wiederherstellung der vorgesehenen Zielzuverlässigkeit, wird mit OSIMAB eine Plattform geschaffen, die ein frühzeitiges Einleiten von Maßnahmen zur Sicherstellung der Verfügbarkeit von Bauwerken erstmals durch einen ganzheitlichen Ansatz ermöglicht. So können Einschränkungen des Verkehrsflusses minimiert und erforderliche verkehrliche oder bauliche Maßnahmen unmittelbar oder mit ausreichender Vorlaufzeit geplant und umgesetzt werden.

Innovativer und nachhaltiger Ersatzneubau von Betonbrücken (15.0596)
Aufgrund der alternden Bausubstanz, des kontinuierlich gestiegenen Schwerlastverkehrs, weiteren prognostizierten Erhöhungen sowie der vorhandenen Defizite bei bestehenden Straßenbrücken gewinnt der Ersatzneubau zunehmend an Bedeutung. Bei der Erstellung von Straßenbrücken als Ersatzneubauten resultieren während der Bauzeit durch die temporäre, vollständige oder teilweise Außerbetriebnahme der Bauwerke Beeinträchtigungen des Verkehrsflusses. Gerade auf hochbelasteten Streckenabschnitten sind deshalb Vorgehensweisen gefragt, welche sowohl die notwendigen verkehrlichen Einschränkungen als auch die Bauzeit insgesamt auf ein Minimum reduzieren und damit die Verfügbarkeit des Bauwerks sicherstellen. Für den „Ersatzneubau“ sollen unter Berücksichtigung der verschiedenen Bauweisen und Bauverfahren Vorgehensweisen bereitgestellt werden, welche unter Einbeziehung von innovativen Lösungsansätzen Verkehrsbehinderungen auf ein Minimum reduzieren.

Maximierung der Verfügbarkeit von Bestandsbrücken aus Stahl und Beton (2117005)
Bauliche Erhaltungsmaßnahmen von Infrastrukturbauwerken bedingen meist die teilweise oder vollständige temporäre Sperrung und damit in der Regel bauzeitige Verkehrsführungen, die reduzierte Kapazitäten und erhöhte Unfallrisiken bedingen. Zudem führen gleichzeitige Bau- und Erhaltungsmaßnahmen an mehreren Bauwerken zu einer Einschränkung der Leistungsfähigkeit des Bundesfernstraßennetzes. Ziel des Projekts ist es, die Verfügbarkeit von Bestandsbrücken aus Stahl und Beton während der Durchführung baulicher Erhaltungsmaßnahmen zu maximieren. Hierzu werden Erkenntnisse, Verfahren und Methoden bereitgestellt, die die Einschränkung der Verfügbarkeit und Leistungsfähigkeit der Bestandsbrücken bei der Durchführung von Erhaltungsmaßnahmen minimieren. Gegenstand der Untersuchungen sind sowohl der Planungs- als auch der Bauprozess auf Objektebene. Für typische bauliche Maßnahmen werden aktuelle Bauverfahren und Bautechnologien hinsichtlich der Verfügbarkeit der Bestandsbauwerke analysiert und unter Berücksichtigung der Betriebsweisen optimiert. Dabei werden auch Optimierungsaspekte durch neue Verfahrensansätze und eine koordinierte Maßnahmenplanung einbezogen. Der Baupraxis werden konkrete Konzepte in Form von Handlungshinweisen und Hilfsmitteln zur Verfügung gestellt, die den gesamten Planungs- und Bauprozess berücksichtigen.

Digitales Testfeld Autobahn – Intelligente Brücke – Untersuchungsprogramm (15.615)
Ergänzend zur bisher üblichen schadensbasierten Bauwerksprüfung erfolgt unter dem Begriff „Intelligente Brücke“ die Entwicklung eines adaptiven Systems zur kontinuierlichen Bereitstellung relevanter Informationen für eine ganzheitliche Zustandsbewertung durch den Einsatz von geeigneter Sensorik in Verbindung mit Analyse- und Bewertungsverfahren. Im „Digitalen Testfeld Autobahn“ werden Entwicklungen neuer Konzepte und Technologien demonstriert und zugänglich gemacht. Als Pilotprojekt für die Intelligente Brücke dient der Neubau einer vierfeldrigen Spannbeton-Hohlkastenbrücke in Bayern. Sensorgesteuerte Mess- und Auswertetechnik wurde bereits installiert, die im laufenden Verkehr Einwirkungen und Bauwerksreaktionen erfasst und analysiert. Die Kalibrierung erfolgt zur Verkehrsfreigabe des Bauwerks. Im Vordergrund stehen Verkehrsdaten des Schwerverkehrs. Das Bauwerk dient dabei als Überwachungssystem, das brückenspezifische Kennwerte im fließenden Verkehr erfasst und verarbeitet. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen als Grundlage zur Evaluation und Prognose des Zustands sowie der Zuverlässigkeit des Bauwerks und seiner Bauteile. Die erfassten und aufbereiteten Informationen werden dem Betreiber online zur Verfügung gestellt. Das System wird im Rahmen eines fünfjährigen Untersuchungsprogramms in Zusammenwirken mit der Autobahndirektion Nordbayern betrieben. Ziel ist die Demonstration der Funktionstüchtigkeit und Anwendbarkeit der Intelligenten Brücke zur zuverlässigkeitsorientierten Bewertung des Zustands von Straßenbrücken und damit als Grundlage zur Gewährleistung der Sicherheit im Rahmen einer ganzheitlichen und nachhaltigen Erhaltungsplanung.

Koordinierung und Weiterentwicklung des Themenschwerpunkts intelligente Brücke (2116009)
Aufgrund von alternder Bausubstanz, steigenden Verkehrslasten, Auswirkungen des Klimawandels und eines begrenzten Budgets, steht das Bundesverkehrsstraßennetz vor großen Herausforderungen. Schäden an Bauwerken werden meist erst dann entdeckt, wenn das Schadensausmaß bereits hoch ist. Um derzeitiges schadensbasiertes und reaktives Vorgehen bei der Erhaltung weiterzuentwickeln, werden seit 2011 unter dem Themenschwerpunkt „Intelligente Brücke" adaptive Systeme zur Informationsbereitstellung in Echtzeit und ganzheitliche Bewertung erarbeitet. Innerhalb des Projektclusters wurden zahlreiche Projekte zur intelligenten Sensorik, Bauwerks- und Schädigungsmodellen und zuverlässigkeitsorientierten Bewertungsmethoden durchgeführt. Ziel dieses Projektes ist die Koordinierung und die Weiterentwicklung des Themenschwerpunkts auf dem Weg zum Demonstrator (www.intelligentebruecke.de).

Expertennetzwerk: Dauerüberwachung von Bestandsbrücken - Quantifizierung von Zuverlässigkeit und Nutzen (2116014)
Die Entwicklung von Strategien zur Gewährleistung der Verfügbarkeit der Ingenieurbauwerke mit Hilfe zuverlässigkeitsbasierter Methoden oder Verfahren steht im Vordergrund der künftigen Forschungsaktivitäten. Aufgrund der starken Zunahme des Verkehrs kann es bei Brücken- und Ingenieurbauwerken zu Tragfähigkeitsdefiziten und Beschränkungen der Restnutzungsdauer kommen. Da eine Verstärkung und/oder Ersatz aller betroffenen Bauwerke kurzfristig nicht möglich sein wird, sollen im Rahmen dieses Projektes Konzepte und Vorgehensweisen für die Überwachung und die zuverlässigkeitsbasierte Bewertung von Bestandbauwerken ermittelt werden. Das Projekt wird im Rahmen des BMVI-Expertennetzwerks "Wissen - Können - Handeln" im Themenfeld 3 "Verlässlichkeit der Verkehrsinfrastruktur erhöhen" bearbeitet.

Lebensdauerprognose von Betonbrücken (2116017)
Nach gültigem Regelwerk sollen Brückenbauwerke aus Beton tragsicher, gebrauchstauglich und dauerhaft unter Belangen wirtschaftlicher Aspekte während einer Nutzungsdauer von circa 100 Jahren sein. Ein Nachweis der Dauerhaftigkeit durch umgebungsbedingte Einwirkungen wird zurzeit mit deskriptiven Konzepten geregelt, die auf Erfahrungswerten basieren. Dabei werden konstruktive und stoffbedingte Anforderungen in Abhängigkeit der jeweiligen Umgebung zugeordneten Expositionsklassen dargestellt. Eine quantitative Vorhersage der Lebensdauer ist nicht möglich. Der rechnerische Nachweis oder eine Bemessung der Dauerhaftigkeit wird weltweit angestrebt und die Methoden sind schon heute im Regelwerk enthalten. Grundlagen für Betonbauwerke sind physikalische und chemische Schädigungsmodelle, die auf experimentell bestimmten Modellparametern basieren. Solche Modelle streben den rechnerischen Nachweis der Lebensdauer für verschiedene dauerhaftigkeitsmindernde Einwirkungen an. Hinweise für eine baupraktische Umsetzung fehlen jedoch. Auf welche Weise die angestrebte Lebensdauer erreicht wird, hängt einerseits vom Bemessungskonzept und anderseits von Wirtschaftlichkeitsüberlegungen ab. Ziel dieses Projektes ist die Absicherung der Verfahren der Dauerhaftigkeitsbemessung mit brückenspezifischen Beiwerten. Die im Rahmen dieses Projektes erarbeiteten Ergebnisse stellen die Grundlage für die weitere Entwicklung und Verfahren der Lebensdauerprognose dauerhafter Brückenbauwerke aus Beton dar.

Verfahren zur wirtschaftlichen Instandsetzung von Brückenkappen (89.0298)
Brückenkappen unterliegen aufgrund ihrer exponierten Position einer erhöhten Frost-Tau(salz)-Beanspruchung. Hierdurch bedingt kann es zu verschiedenen Schadensbildern kommen. Beeinflusst wird das Auftreten derartiger Schäden unter anderem durch die Auswahl der Zementarten und Gesteinskörnungen, Herstellungsbedingungen, Oberflächenstruktur und Nachbehandlung. Zur Sicherung der Substanz der Bauwerke sind für die verschiedenen Schadensbilder wirtschaftliche Instandsetzungsmaßnahmen mit hoher Dauerhaftigkeit zu dokumentieren beziehungsweise als Vorschläge zu erarbeiten. Bei der flächigen Instandsetzung geschädigter horizontaler, der Witterung ausgesetzter und begehbarer Betonflächen werden in der Praxis unterschiedliche Verfahren und Systeme eingesetzt, für welche noch eine Reihe von Fragestellungen zu klären sind, um abschließend Empfehlungen für effiziente und effektive Erhaltungsmaßnahmen aufstellen zu können.

Bewertung von Beton für Ingenieurbauwerke an Bundesfernstraßen mit dem CDF-Verfahren XF2 (2114010)
Der Frost-Tausalz-Widerstand ist für die Dauerhaftigkeit von Betonbauwerken an Bundesfernstraßen von hoher Bedeutung. Vor dem Hintergrund sich verändernder Bindemittel für Beton ist ein Prüfverfahren zum Nachweis der Gleichwertigkeit mit den im Zuge von Bundesfernstraßen bewährten Bindemitteln von hoher Bedeutung. Hierfür geeignet ist das für diesen Zweck entwickelte CDF-Verfahren XF2. Das neue CDF-Verfahren XF2 wurde zur Prüfung von Beton in der Expositionsklasse XF2 speziell für die Belange der Bundesfernstraßen entwickelt und validiert. Die dabei und im Rahmen eines ersten Ringversuchs gewonnenen Erfahrungen mit dem neuen Prüfverfahren sind in eine Prüfvorschrift überführt worden. Vor Übernahme des neuen CDF-Verfahrens in das Regelwerk für Brücken und Ingenieurbauten an Bundesfernstraßen wird eine Verbesserung der Akzeptanz des neuen CDF-Verfahrens XF2 angestrebt. Dazu ist es erforderlich, einen zweiten Ringversuch unter Berücksichtigung der neuen Prüfvorschrift durchzuführen und, ergänzend dazu, Erfahrungen mit dem Abnahmekriterium durch Prüfung unterschiedlicher Betonrezepturen zu sammeln.

Verbundprojekt: Intelligentes multifunktionales Verstärkungs- und Schutzsystem aus textilbewehrtem Hochleistungsmörtel für Brückenbauwerke „SMART-DECK“ - Teilvorhaben: Anforderungen und Beurteilung des präventiven Erhaltungskonzepts SMART-DECK (2114021)
Die Dauerhaftigkeit und Nutzung von Straßenbrücken wird sowohl durch Undichtigkeiten der Abdichtungsebene oberhalb des Konstruktionsbetons als auch durch eine zu geringe Querkrafttragfähigkeit bei Bestandsbauwerken maßgeblich begrenzt. Insbesondere Korrosionsschäden infolge chloridinduzierter Korrosion können weder mit den heute verwendeten lokal begrenzt messenden Sensoren noch mit einer turnusmäßig stattfindenden Brückenprüfung frühzeitig sowie zuverlässig detektiert werden. Im Rahmen des Verbundprojekts wird eine innovative, multifunktionale und dünne Zwischenschicht aus Textilbeton entwickelt, die sowohl für den Neubau als auch für Bestandsbauwerke eingesetzt werden kann. Sie kombiniert die Funktionen „Vollflächiges Echtzeit-Monitoringsystem zur Detektion von Feuchteeindringung bei Fahrbahnplatten von Brückenbauwerken“,  „Vollflächiger, abschnittsweise steuerbarer, präventiver kathodischer Korrosionsschutz (pKKS)“ sowie „Verstärkende Funktion: Erhöhung der Querkrafttragfähigkeit“. Im Rahmen des vorliegenden Projekts werden Anforderungen an SMART-DECK definiert und die erzielten Entwicklungen in den einzelnen Arbeitspaketen der Verbundpartner aus Nutzer- beziehungsweise Bauwerkseigentümer beurteilt. Es wird ein erster Demonstrator auf dem BASt-Gelände realisiert und ein Brückenbauwerk für einen Großdemonstrator vermittelt. Zudem wirkt die BASt bei der Erstellung von Entwurfsregeln zur Nutzbarmachung und Unterstützung einer zügigen Einführung in die Praxis mit.