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Lebensdauerprognose von Brückenbauwerken aus Beton

Die Bemessung der Lebensdauer von Brückenbauwerken aus Beton wird zurzeit deskriptiv über die Zuordnung von Expositionsklassen und entsprechenden betontechnologischen und geometrischen Anforderungen bei der Planung, Herstellung und Ausführung des Betonbauteils durchgeführt. Für die karbonatisierungs- und chloridinduzierte Bewehrungskorrosion stehen rechnerische Prognosemodelle zur Verfügung. Im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) wurde der Einfluss von Modellparametern eines probabilistisch basierten Lebensdauermodells untersucht. Die Ergebnisse liefern Erkenntnisse zu Berechnungsverfahren, die einen Übergang von den derzeitigen Bewertungsverfahren zu einem zuverlässigkeitsbasierten Verfahren ermöglichen können.

Das Bild zeigt eine Brücke, auf der 2 Lkw fahren. Einwirkungen bei einer Dauerhaftigkeitsbemessung: CO2 aus der Luft und Cl aus Tausalz, Frost, Temperatur und Schadstoffen (Bild: BASt)

Aufgabenstellung

Nach gültigem Regelwerk sollen Brückenbauwerke aus Beton tragsicher, gebrauchstauglich und dauerhaft während der Nutzungsdauer sein. Die Dauerhaftigkeitsbemessung von neu zu errichtenden Infrastrukturbauwerken erfolgt zurzeit rein deskriptiv anhand expositionsabhängiger Angaben zu Betonzusammensetzung, Bauteilgeometrie und Ausführungsregeln. Durch regelmäßige Einzelprüfung und Überwachung werden die Veränderungen und eventuelle Schäden visuell bewertet und dokumentiert.

Für die Bemessung der Dauerhaftigkeit im Bereich der karbonatisierungs- und chloridinduzierten Korrosion stehen probabilistische Prognosemodelle für den Grenzzustand der Depassivierung der Bewehrung zur Verfügung. Der Grenzzustand wird erreicht, wenn der kritische Chloridgehalt an der ersten Bewehrungslage erreicht wird, beziehungsweise wenn die Karbonatisierungsfront bis zu dieser vordringt. Im Auftrag der BASt untersuchte der Lehrstuhl für Werkstoffe und Werkstoffprüfung im Bauwesen an der Technischen Universität München den Einfluss von Eingangsmodellparametern eines probabilistich basierten Lebensdauermodells für Brückenbauwerke aus Beton.

Untersuchungsmethode

Als Grundlage der Untersuchung wurden die aktuellen deskriptiven Bemessungsregeln nach ZTV-ING zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit von Chlorid (XD)- und Karbonatisierungs (XC)-exponierten Bauwerken herangezogen.

Die Auswahl der Bemessungssituationen und der Eingangsparameter bildete ein breites Spektrum möglicher Umgebungsbedingungen und Materialwiderstände ab. Es wurden „kritische“ Bemessungssituationen betrachtet: starke Einwirkungen und schwache Materialwiderstände wurden starken Materialwiderständen und schwachen Einwirkungen gegenübergestellt. Die Modelleingangsparameter wurden eindeutig der Widerstands- oder Einwirkungsseite zugeordnet. Die klimatischen Bedingungen wurden anhand von Klimadaten verschiedener Orte in Deutschland herausgesucht. Mithilfe von Sensitivitäts- und Dominanzanalysen wurden die rechnerischen Einflüsse der Eingangsvariablen auf die Zuverlässigkeit ermittelt.

Für die Überprüfung der Berechnungen standen die Daten von 6 Brücken- und 2 Tunnelbauwerken zur Verfügung. Die für die Bemessungssituationen ermittelten Zuverlässigkeitsspektren wurden mit der Zielzuverlässigkeit nach 100 Jahren Nutzungsdauer verglichen.

Ergebnisse

Die Anwendung voll-probabilistischer Prognosemodelle für den Grenzzustand der Depassivierung der Bewehrung für Brückenbauwerke im Zuge der Bundesfernstraßen ist unter bestimmten Voraussetzungen möglich. Für die kritischen Bemessungssituationen wurde festgestellt, dass die Betondeckung für XC-ex-ponierte Bauteile den größten Einfluss auf die Genauigkeit der Ergebnisse ausübt, und dass Modellunsicherheiten durch genaue Angaben des Alterungsexponents vom Chloriddiffusionskoeffizient, der Oberflächenchloridkonzentration und der Temperatur die Modellunsicherheit für XD-exponierte Bauteile reduziert werden. Jedoch sind die a priori berechneten Zuverlässigkeitsspektren sehr breit, weshalb sich für ein einzelnes Bauwerk ohne Inspektionsdaten keine konkrete, bauwerksspezifische Restnutzungsdauer ableiten lässt. Eine sinnvolle Anwendung von voll-probalistischen Modellen stellt jedoch hohe Anforderungen an die Quantität und Qualität der Inspektionsergebnisse. Ein für eine voll-probabilistische Dauerhaftigkeitsbemessung mögliches Inspektionskonzept wurde aufgestellt. Bewertungskriterien wurden abgeleitet.

Folgerungen

Die vorliegende Untersuchung stellt einen wichtigen Schritt für einen möglichen Übergang von der rein deskriptiven zu einer rechnerischen Dauerhaftigkeitsbemessung dar. Durch die Bestimmung der Lebensdauer können notwendige Erhaltungsmaßnahmen vorhergesagt werden. Die Ergebnisse beantworten offene Fragen aus früheren Forschungsprojekten; kommende Untersuchungen können von ihnen profitieren.

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