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Auswirkungen des Schwerlastverkehrs auf die Brücken der Bundesfernstraßen
BASt-Bericht B 68
Rolf Kaschner,Wilhelm Buschmeyer, Martina Schnellenbach-Held
Peer Lubasch, Jürgen Grünberg, Michael Hansen
Jan Peter Liebig, Karsten Geißler
Dieser Bericht ist nur in digitaler Form erhältlich, 377 Seiten
Erscheinungsjahr: 2009
Preis: 5,00 €
Bestellung eines gedruckten Exemplars beim Carl Schünemann Verlag GmbH
Teil 1: Auswirkungen des zunehmenden Schwerverkehrs auf die Brücken der Bundesfernstraßen
Die im Verkehrsbericht 2000 ausgewiesene Entwicklung des Straßengüterverkehrs wurde bereits nach weniger als der Hälfte des Prognosezeitraums erreicht. Neuere Untersuchungen sagen Steigerungen in der Transportleistung auf den Straßen von 84% bis 2025 und mehr als eine Verdoppelung bis 2050 voraus. Desweiteren ist eine überproportionale Zunahme von Anträgen des genehmigungspflichtigen Schwerverkehrs zu beobachten. Angesichts dieses ungebremsten Wachstums insbesondere auf den Bundesfernstraßen haben das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung und die Bundesanstalt für Straßenwesen veranlasst, mehrere Forschungsprojekte zu Auswirkungen der Schwerverkehrsentwicklung in Auftrag zugeben und wissenschaftlich zu begleiten, um gestützt auf eigene Untersuchungen und die Ergebnisse der Forschungsprojekte erforderliche Maßnahmen zur systematischen und nachhaltigen Ertüchtigung und Erhaltung des Brückenbestandes abzuleiten sowie gesicherte Erkenntnisse zur Fortschreibung der Last- und Bemessungsvorschriften zu erlangen.
Über diese Forschungsaktivitäten wird zusammenfassend berichtet.
In einer ersten Untersuchung wurden die Auswirkungen auf die Nutzungsdauer der Brücken betrachtet und Grundlagen zur Ermittlung des Gefährdungspotentials infolge Ermüdung von Bauwerken und Bauteilen aufgestellt. Die identifizierten Problembereiche "Ermüdung vorgespannter Fahrbahnplatten unter Verkehr", "Koppelfugen älterer Spannbetonbrücken", "Ermüdung nicht schubbewehrter Bauteile" und "Verbund zwischen Bewehrung und Beton" waren Gegenstand eines folgenden Forschungsauftrags.
Die direkte Erfassung und Auswertung der Schwerverkehrseinwirkungen und deren Bauwerksreaktionen mittels eines dynamischen Dauererfassungssystems an der Brohltalbrücke im Zuge der BAB A61 war Aufgabenstellung eines weiteren Forschungsprojektes. Aus Vergleichen zu Erhebungen aus den 80er Jahren an diesem Bauwerk und mittels Sensitivitätsbetrachtungen wurden Prognosen zur Ermüdungsgefährdung von Spannbetonbrücken abgeleitet und Schlussfolgerungen für den Erhaltungsbedarf des Bauwerksbestandes gezogen.
Die Konsequenzen einer in Politik, Wirtschaft und Fachkreisen kontrovers diskutierten allgemeinen Zulassung von Fahrzeugkombinationen nach dem modularem Konzept mit höherer Gesamtgewichte bis zu 60t zur Bewältigung des Straßengüterverkehrsaufkommens wurden in einem dritten Forschungsprojekt analysiert. Ausgehend von Achslast- und Gesamtgewichtserhebungen einer hochbelasteten Bundesautobahn erfolgte durch Verkehrslastsimulationen eine netzweite Analyse zu den statischen Auswirkungen von Schwerverkehrsszenarien mit und ohne 60t-Fahrzeugkombinationen einschließlich einer ersten Grobkostenschätzung für erforderliche Ertüchtigungsmaßnahmen des Brückenbestandes der Bundesfernstraßen. Die Ergebnisse aller durchgeführten Untersuchungen zeigen eine erhebliche Beeinträchtigung der Gebrauchstauglichkeit, der Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit einer Vielzahl bestehender Brückenkonstruktionen infolge des vorhandenen Schwerverkehrs, wobei insbesondere Überladungen einen maßgeblichen Anteil beitragen. Zur Sicherung einer hohen Qualität der Verkehrsinfrastruktur sind deshalb künftig verstärkte Anstrengungen in der Erhaltung und Ertüchtigung der cirka. 38000 Brücken der Bundesfernstraßen erforderlich. Dazu wird gegenwärtig durch die Straßenbauverwaltungen von Bund und Ländern ein Ertüchtigungsprogramm erarbeitet.
Teil 2: Schwerlastverkehr auf Bundesfernstraßen – Erfassung, Erhaltungsbedarf für Brücken
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden die Auswirkungen des derzeitigen und prognostizierbaren Schwerlastverkehrs mit zu erwartenden höheren Gesamtgewichten und Achslasten auf den Erhaltungszustand der bestehenden Brückenbauwerke im Netz der Bundesfernstraßen untersucht. Zur Erfassung der aktuellen Verkehrslastbeanspruchung wurden umfangreiche Messungen durchgeführt. Besonderer Schwerpunkt des Messprogramms war die automatisierte Dauerüberwachung (Monitoring) einer Spannbetonbrücke. Ausgehend von den hierbei gewonnenen Ergebnissen wurde die beobachtete Verkehrssituation als optimistisches Szenario der Verkehrsentwicklung definiert. Des Weiteren konnte ein möglicherweise eintretendes pessimistisches Szenario der Verkehrsentwicklung abgeleitet werden. Für beide Verkehrsszenarien wurden bauteilspezifische Schwachstellen hinsichtlich Ermüdung und Dauerhaftigkeit analysiert, dies insbesondere für ältere Spannbetonüberbauten. Die Ergebnisse wurden – soweit möglich – auf den Verbundbrückenbau übertragen. Auf dieser Grundlage wurden Vorschläge für eine optimale Erhaltungsstrategie einschließlich Schlussfolgerungen für den Gesamtbestand entwickelt sowie derzeitige Technische Regelwerke im Hinblick auf eine ggf. erforderliche Anpassung an Nutzungsänderungen geprüft.
Teil 3: Auswirkungen des Schwerverkehrs auf die Nutzungsdauer der Brückenbauwerke der Bundesstraßen
Die Lebensdauer bestehender Brückenbauwerke hängt stark von den gegenwärtigen und prognostizierten ermüdungsrelevanten Beanspruchungen ab. Diese resultieren in erster Linie aus der Schwerverkehrsbelastung in Kombination mit einer realitätsnahen Temperaturerfassung. In dem vorliegenden Forschungsbericht werden vorgespannte Fahrbahnplatten, Koppelfugen, nicht-schubbewehrte Bauteile, der Verbund sowie Fahrbahnübergänge hinsichtlich ihrer zu erwartenden Lebensdauer unter Ermüdungsbeanspruchung untersucht.
Als Grundlage für die Ermüdungsuntersuchungen dienen vier in Längsrichtung vorgespannte repräsentative Brücken. Dabei handelt es sich um eine auch in Querrichtung vorgespannte Kastenträgerbrücke über elf Felder, eine schiefwinklige Plattenbrücke über drei Felder, eine auch in Querrichtung vorgespannte Plattenbalkenbrücke über sieben Felder sowie eine Plattenbalkenbrücke über vier Felder. Diese Brücken werden in der numerischen Berechnung durch aufwendige räumliche Modelle abgebildet und analysiert.
Mit den Ergebnissen aus der numerischen Berechnung werden die Ermüdungsnachweise nach DIN Fachbericht 102 [FB102-03] geführt und durch einen definierten Ausnutzungsgrad veranschaulicht. Dieser wird für die Ermüdungsnachweise des Beton- und Spannstahls sowie des Betons in Brückenlängs- und -querrichtung an den maßgebenden Orten ermittelt.
Neben dieser Ermüdungsuntersuchungen werden vier weitere Lastmodelle untersucht, um die Auswirkungen schwerer Fahrzeuge beurteilen zu können.
Bei den Brücken mit Spanngliedkopplungen werden an den Koppelstellen ebenfalls die Ausnutzungsgrade bestimmt. Zudem wird der Stand der Forschung gesammelt, Besonderheiten herausgestellt und ein tabellarischer Überblick über die gängigsten Spannverfahren und deren Schadenspotential gegeben.
Die Fahrbahnplatten werden als nicht schubbewehrte Bauteile von Brücken auch probabilistisch untersucht. Als Grundlage für die Zuverlässigkeitsanalyse werden experimentelle Untersuchungen aus der Literatur ausgewertet, um die Ungenauigkeit des Bemessungsmodells für die Ermüdungstragfähigkeit unter Querkraftbeanspruchung zu quantifizieren. Mit der anschließenden FORM-Auswertung werden Versagenswahrscheinlichkeiten bestimmt und ein Bezug zur voraussichtlichen Nutzungsdauer geschaffen.
Der aktuelle Wissensstand über den Verbund unter Ermüdungsbeanspruchung wird dokumentiert und zudem auf die Ermüdungsuntersuchungen von Fahrbahnübergängen kurz eingegangen. Die gesammelten Erkenntnisse werden in Beurteilungskriterien für Brückentragwerke unter Ermüdungsbeanspruchung gebündelt.
Teil 4: Auswirkungen der Zulassung von 60t-Lkw auf Brückenbauwerke im Zuge der Bundesfernstraßen
Eine zukunftstaugliche und leistungsfähige Transportinfrastruktur trägt wesentlich zur Wettbewerbsfähigkeit eines Wirtschaftsraumes bei. Dementsprechend wird seit einiger Zeit die Zulassung von Lkw mit einem Gesamtgewicht von 60 Tonnen geprüft, was deutlich über dem bisherigen maximalen Fahrzeug-Gesamtgewicht liegt.
Die vorhandenen Brücken wurden im Regelfall nach den Grundlagen der DIN 1072 "Straßen- und Wegebrücken; Lastannahmen", berechnet beziehungsweise nachträglich überprüft. Den entsprechenden Lastannahmen liegt aber kein Verkehr mit 60t-Fahrzeugen zugrunde. Deswegen sind bei einer regulären Zulassung insbesondere die Auswirkungen auf die vorhandene bauliche Substanz des Brückennetzes zu beachten.
Im Rahmen dieses Projektes wird untersucht, welche Auswirkungen die Zulassung von 60t-Lkw auf die Tragfähigkeit verschiedener Brückensysteme hat. Die Auswertung soll im Hinblick auf die externalen Beanspruchungen unter Verwendung statistischer Verkehrsdaten des Straßenverkehrs erfolgen. Dabei werden mit Hilfe von Simulationsberechnungen Angaben zur Beanspruchung der Brückenbauwerke in ausgewählten Schnitten erarbeitet. Die Berechnungen wurden für verschiedene typische Brückensysteme und mit unterschiedlichem Anteil von Schwerfahrzeugen im Verkehrsstrom durchgeführt. Anhand der Ergebnisse sollen Rückschlüsse auf die wichtige Frage gezogen werden, ob und wie viel Spielraum zum bisherigen Bemessungsniveau besteht. Die (stützweitenabhängigen) Ergebnisse werden dann in Relation zum Brückenbestand gleichfalls in Abhängigkeit der Stützweite gesetzt.
Nachtrag: Untersuchungen von "worst-case"-Szenarien
Im Rahmen dieses Nachtrags wird weiterführend untersucht, welche Auswirkungen die Zulassung von 60t-LKW auf die Tragfähigkeit verschiedener Brückensysteme unter Ansatz von Grenzwerten für die wesentlichen Parameter hat. Dazu werden 5 verschiedene "worst-case"- Szenarien festgelegt. Die Auswertungen erfolgen unter Verwendung statistischer Verkehrsdaten des Straßenverkehrs im Hinblick auf die extremalen Beanspruchungen. Die Berechnungen wurden für verschiedene typische Brückensysteme unter Berücksichtigung von Schwerfahrzeugen im Verkehrsstrom durchgeführt. Die 5 betrachteten "worst-case"-Szenarien beinhalten:
- Höhe des Schwingbeiwertes
- DTSV-Aufkommen
- Zusätzlicher Genehmigungspflichtiger Schwerverkehr im Verkehrsstrom
- Variationen der Stauanteile
- Erhöhung des Anteils der LKW in der Nebenspur
Um die Auswirkung der "worst-case"- Szenarien zu beurteilen, werden die gewonnenen Ergebnisse denen gemäß Bericht vom 20.03.2007 jeweils vergleichend gegenübergestellt.
Effects of heavy-duty traffic on federal highway bridges
Part 1: Effects of increasing heavy-duty traffic on federal highway bridges
The increase in goods traffic on roads predicted in the 2000 traffic report was reached within less than half of the predicted period. More recent investigations have shown that an increase of 84% in the transport load on roads can be expected by 2025 and that the transport load will double by 2050. In addition, there has been an over-proportional increase in applicants for heavy-duty transport permits. In view of this unhindered growth, especially on federal highways, the Federal Ministry for Transport, Construction and Urban Affairs and the Federal Highway Research Institute have initiated several research projects about the effects of an increase in heavy-duty traffic, the results of which will be combined with its own research and investigations to determine the measures required for the systematic and sustainable strengthening and maintenance of existing bridges, as well as to obtain definite knowledge to be used for compiling future load and measuring regulations.
A comprehensive report about these research activities has been compiled.
During the first investigation, the effects on the service life of the bridges were investigated and a basis for determining the risk potential as a result of the fatigue of constructions and components was compiled. The problem areas identified, id est "fatigue of pre-stressed roadway plates under traffic load", "joints of older pre-stressed concrete bridges", "fatigue of non-shear-reinforced components" and "links between reinforcement and concrete" were the subject of a follow-up research project.
Direct measuring and evaluation of the effects of heavy-duty traffic and the way in which constructions react, using a dynamic, continuous measuring system at the Brohltal bridge during the course of BAB A61, formed the subject of another research project. Comparisons of investigations conducted on this construction during the 1980s and the results of sensitivity studies resulted in predictions for the fatigue risks of pre-stressed concrete bridges, with conclusions being drawn about the amount of maintenance such constructions would require.
The consequences of a general permit for vehicle combinations according to the modular concept for higher total weights of up to 60 tonnes to cope with the increase in goods traffic by road, which has caused some controversy in political, economic and technical circles, was analysed in yet another research project. Starting with the axle load and total weight information for a federal motorway with a high traffic load, traffic load simulations were carried out to obtain a network-wide analysis of the statistical effects of heavy-duty traffic scenarios with and without 60-tonne vehicle combinations, including an initial rough cost estimate for the required reinforcement of the existing federal highway bridges.
The results of all the studies conducted show that the serviceability of existing bridge constructions, their carrying capacity and durability are significantly adversely affected by the existing heavy traffic, with overloading responsible for a major part of this effect. To ensure that the transport infrastructure remains of high quality, additional efforts will have to be made to maintain and reinforce the approximately 38 000 federal highway bridges in Germany. The federal and state road-building offices are currently working out a reinforcement programme.
Part 2: Heavy traffic on federal trunk roads: Acquisition and Maintenance Requirements for bridges
Within the scope of this research project effects of present and future heavy traffic on the maintenance condition of existing bridge constructions of the federal trunk road network were analyzed. The future heavy traffic was incorporated on the basis of predicted higher total weights as well as increased axle loads for the vehicles. Extensive measurements were performed to acquire the actual operational demands due to traffic loads. The automated monitoring of a prestressed concrete bridge represented a main issue within the overall measuring program. Based on the obtained results the observed traffic situation was defined as optimistic scenario for the future traffic development. Furthermore a possibly occurring pessimistic scenario for the future traffic development could be derived. For both scenarios susceptibilities of structural members to fatigue and durability were analyzed. Especially older superstructures of prestressed concrete bridges were considered. As far as possible the gained results were transferred to steel-concrete composite bridge structures. Suggestions for an optimal maintenance strategy including conclusions for the total number of bridges were developed. Technical standards were checked with regard to an adjustment to changed operational demands.
Part 3: Effects of heavy traffic on the service life of federal road bridge constructions
The service life of existing bridge constructions strongly depends on the current and predicted fatigue strain. This is mainly the result of heavy traffic loads in combination with realistic temperature measurements. This research report investigates pre-stressed roadway plates, joints, components without shear reinforcement, composite materials as well as roadway transitions with regard to their expected service life under fatigue stress conditions.
Four longitudinally pre-stressed, representative bridges served as a basis for the fatigue investigations. One is a box girder bridge that has also been horizontally pre-stressed over eleven fields, one is a slab bridge over three fields with an odd angle, another a T-beam bridge over seven fields that has also been horizontally pre-stressed and the last is a T-beam bridge over four fields. These bridges were represented and analysed using numerical calculations and complex spatial models.
The results obtained in the numerical calculations provide proof of fatigue according to DIN Technical Report 102 [FB102-03], represented by a predefined degree of utilisation. This is determined for the proof of fatigue of the concrete and pre-stressed steel as well as the concrete in the longitudinal and horizontal direction of the bridge at the relevant points.
Apart from these fatigue investigations, four other load models were investigated to assess the effects of heavy vehicles.
For the bridges with tension element links, the degree of utilisation at the links was also determined. In addition, current research is being collected, particular aspects highlighted and a tabular overview of the most current linking processes and their potential for damage is being compiled.
The roadway plates are not reinforced against shear forces and are also being subjected to probability studies. The basis for the reliability analysis are experimental investigations taken from the relevant literature, with the aim of quantifying the inaccuracy of the measuring model with regard to the fatigue load capacity when subjected to shear forces. The subsequent FORM evaluation determines the probability of failure and creates a link to the expected service life.
The current state of knowledge about composite materials subjected to fatigue is being documented, with a brief overview of the fatigue studies carried out on roadway transitions.
The collected findings are being bundled in evaluation criteria for bridge constructions subject to fatigue stress.
Part 4: Effect referring the admittance of 60 tons heavy-weight vehicles on bridges within the scope of federal roads and freeways
A sustainable and effective traffic infrastructure is necessary for the competitiveness of an economic area. According to this the admittance of trucks with a total weight of 60 tons has to be checked.
Existing bridges were calculated and checked referring to DIN 1072, but traffic with a total weight of 60 tons was not considered. In this way it is very necessary to pay attention to the effects on the existing bridges, especially their structural substance.
The effect on the load capacity of several bridge-systems through 60 tons-trucks will be checked in this project. Using statistical data from road traffic the aim is to look after extreme stresses. Therefore, with support of simulations it is possible to get values of stress at selected points. The simulations were made with different typical systems of bridges and different ratio of heavy-weight vehicles in the traffic. Regarding to these results it should be shown, whether there is any tolerance to our existing design-Level. Depending the span, results will be related to the stock of bridges.
Appendix: Analysis of "worst-case" scenarios
With this appendix it should be analysed the effect of the admittance of 60 tons heavy-weight vehicles to the load capacity of different bridge systems under approach of limit values for the significant parameters. Therefore five different "worst-case"-scenarios were defined. The evaluation occurred by using statistical data of road traffic with regard to extremal loading. The calculations were made for different typical bridge systems in consideration of heavy-weight vehicles in the traffic flow.
The five tested "worst-case"-scenarios include:
- the altitude of the vibration coefficient
- "DTSV number"
- additional authorised heavy-weight vehicles in traffic
- variations of proportion of traffic jam
- increasing of proportion of vehicles in the beside lane.
For the evaluation of the effect from these “worst-case”-scenarios the obtained results were compared to the results from the report of March, the 20th 2007.