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.

Einbau 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.

Schutzzelt 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.