Fahrzeug-Rückhaltesysteme auf Brücken

Die Anforderungen an Rückhaltesysteme auf Brückenbauwerken sind aufgrund der RPS 2009 und der DIN EN 1317 deutlich angewachsen. Systeme mit verbessertem Rückhaltevermögen beanspruchen die Bauwerke mehr als in der Vergangenheit berechnet. Vor allem bei der Nachrüstung von bestehenden Brücken mit höherwertigen Rückhaltesystemen ist die Aufnahme und sichere Weiterleitung der damit verbundenen höheren Anpralllasten in das Bauwerk oftmals schwierig. Im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) und der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) wurden verschiedene Möglichkeiten untersucht, den damit verbundenen Aufwand zu beschränken und praxistaugliche Vorgehensweisen für die konstruktive Ausbildung und die Bemessung von Kappen-Kragarmkonstruktionen zu entwickeln.

Beispielhafte Maßnahme zur Kragarmertüchtigung durch Aktivierung einer Kappen-Kragarm-Rahmentragwirkung (Bild: BASt)

Aufgabenstellung

Fahrzeug-Rückhaltesysteme auf Brückenbauwerken sollen die Folgen von Unfällen gering halten und den Absturz vor allem schwerer Fahrzeuge verhindern. Bei einem Fahrzeuganprall auftretende Lasten müssen aufgenommen und sicher ins Bauwerk geleitet werden. Durch den Anstieg der zu berücksichtigenden Anpralllasten im Rahmen einer Bauwerksbemessung muss sowohl bei neuen Systemen als auch im Falle einer Erneuerung des Fahrzeug-Rückhaltesystems auf bestehenden Brücken nachgewiesen werden, dass derartige Lasten sicher aufgenommen und abgetragen werden können. Ziel der Untersuchungen war neben der Darstellung und Beurteilung der bislang üblichen Ausbildung die Entwicklung und Beschreibung baupraktikabler Vorgehensweisen für Entwurf, Planung, Berechnung und Bemessung geeigneter Kappen-Kragarm-Konstruktionen im Allgemeinen und für die Nachrüstung und Ertüchtigung auf bestehenden Brücken im Besonderen.

Untersuchungsmethode

Einer Untersuchung der aktuellen und in der Vergangenheit üblichen konstruktiven Durchbildung im Brückenkappen- und Kragarmbereich folgte eine kritische Beurteilung der derzeit gültigen Vorgaben zum Lastansatz bei Fahrzeuganprall. Mithilfe von Finite Elemente Berechnungen wurden Effekte, wie die Verteilung der Vertikallasten in Brückenlängsrichtung infolge der Kappen- und vor allem die Gesimsbalkensteifigkeit, die Scheibentragwirkung der Kappe infolge Horizontalkraftbelastung und der Einfluss von linearem und nichtlinearem Materialverhalten der Kappen- Kragarmkonstruktion untersucht. Auf der Grundlage von Anprallversuchen an Rückhaltesystemen, die im Hinblick auf eine optimierte Lastermittlung für Bestandsbauwerke ausgewertet wurden, wurde ein alternativer Lastansatz entwickelt, der den Besonderheiten bestehender Bauwerke Rechnung trägt und gleichzeitig eine sichere Bemessung ermöglicht. Anschließend erfolgte eine Bewertung dieses alternativen Lastansatzes anhand numerischer Untersuchungen, die als Grundlage für die Entwicklung einer Bemessungshilfe zur Biegebemessung an massiven Kragarmen bestehender Brücken diente. Schließlich wurden Maßnahmen zur Kragarmverstärkung unter besonderer Berücksichtigung der Beanspruchungen durch den alternativen Lastansatz erarbeitet.

Ergebnisse

Aufbauend auf den Ergebnissen der Parameterstudie wird für den Fall von zu geringer oder fehlender Kappenanschlussbewehrung im Bestand eine kombinierte Lösung mit Anschlussbewehrung an der Kragarmspitze und der gleichzeitigen Anordnung von Tellerankern empfohlen. Dabei sollten grundsätzlich allseits verschiebbare Anker verwendet werden. Zur Quantifizierung der Tragreserven wurden unter Ansatz der normativen Anpralllasten Berechnungen zur Kragarmbemessung durchgeführt. Die Berücksichtigung der Kappe wirkt sich erwartungsgemäß günstig auf das Tragverhalten aus. Mit der Auswertung von Messergebnissen aus fünf Anprallversuchen konnten die bemessungsrelevanten Beanspruchungssituationen für die Kragarmbemessung identifiziert werden. Auf dieser Grundlage fand die Entwicklung eines alternativen Lastansatzes statt, bei dem die Biegebeanspruchung des Kragarms hauptsächlich auf ausmittig angreifende Vertikallasten zurückgeführt werden kann und die Horizontallast deutlich geringer gewichtet wird, als im normativen Modell. Der alternative Lastansatz ist sowohl auf Stahlsysteme als auch auf Betonsysteme anwendbar.

Folgerungen

Die Ergebnisse der Untersuchung bilden einen Beitrag zur Optimierung der im Eurocode festgeschriebenen Lastmodelle. Sie bieten sowohl Entscheidungshilfe als auch Unterstützung bei der Suche nach geeigneten Lösungen und liefern Angaben für eine ausreichende Bemessung. Die Anwendung des alternativen Lastmodells für bestehende Brücken und für die systematische Aufbereitung der Ertüchtigungsmöglichkeiten für Kappen-Kragarm-Konstruktionen bietet die Voraussetzung, den Aufwand für notwendige Verstärkungen zu reduzieren oder Verstärkungen zu vermeiden.