Manuskript zum

ExpertengesprchInstandsetzung

orthotroperFahrbahnplatten

Bundesanstalt fr StraenwesenBergisch Gladbach, 19. Oktober 2005

Inhaltsverzeichnis

G. Albrecht: Entwicklungsgeschichte der orthotropen Fahrbahnplatte S. 3

E.Seemann: Die Haseltalbrcke im Zuge der BAB A3,Frankfurt Nrnberg S. 10

G. Sedlacek;M. Paschen: Untersuchung zur nachhaltigen Instandsetzung von orthotropen Fahrbahnplatten S. 18

J.S. Leendertz;F.B.P. de Jong: Erfahrungen aus den Niederlanden S. 36

. Bucak: Reparatur durch Stegaufpflasterung S. 42

H. Friedrich: Instandsetzung durch Aufkleben von Stahlblechen S. 59

3Entwicklungsgeschichte derorthotropen FahrbahnplatteProf. Dr.-Ing. G. Albrecht,Lehrstuhl fr Stahlbau,TU Mnchen

1. VorwortWie das Wort "orthotrop" entstanden ist, weres erfunden hat etc. knnten nur die Zeitzeu-gen der 50er Jahre im letzten Jahrhundertbeantworten

Auf jeden Fall ist es eine Verballhornung bzw.eine Abkrzung von "orthogonal anisotrop" gemeint ist also nichts anderes als "rechtwink-lig zueinander unterschiedliche Steifigkeiten".

Es ist jedoch ein faszinierendes Wort, das denkonstruktiv vertiefenden Studenten in seinenBann zieht vor allem, wenn er zudem nochStahlbauVertiefer ist. Dieses Wort "orthotrop"riecht frmlich nach einem groen Geheimnis.Liest man dann noch die berhmte Differenti-algleichung von [Huber] und meint noch sieeinigermaen verstanden zu haben, dannsprt man untrglich: das ist der Gipfel derStahlbau - Wissenschaft.

Mit so genannten anerkannten Berechnungs-verfahren [Pelikan / Elinger], [Giencke]konnte man nun "genau" z. B. auf die 3.Stelle nach dem Komma die Spannungen frein exakt definiertes Lastbild und exakt defi-nierte Randbedingungen in einer orthotropenPlatte bestimmen.

Die sthlerne Fahrbahnplatte war geboren welche Behrde, welcher Prfingenieur httees gewagt, sie in Frage zu stellen, zumal nichtnur die Wissenschaft sondern auch die ge-ballte Stahlbauindustrie hinter ihr stand

2. HistorieDer Sinn von Brcken ist die Verbindung vonzwei oder mehr Punkten, die Menschen sonstnur unter greren Anstrengungen oder garnicht erreichen knnen. Wie wichtig Brckensind, erkannte man besonders im alten Rom,wo der Oberbrckenbauer, der Pontifex Maxi-mus [Trajan], hchste Ehren genoss.

Alte und neue Brcken haben grundstzlicheine Gemeinsamkeit:

Man bentigt eine Fahrbahn frFugnger, Reiter, Pferdefuhrwerke, Au-tos, Lastkraftwagen, Eisenbahnenu.v.a.m., auch fr militrisches Gert. Ge-rade letzteres war - nicht nur in Rom -Antriebsfeder fr Innovationen.

Man bentigt ein Tragsystem, das dieFahrbahn untersttzt.

Dieses Tragsystem entwickelte sich nach denBedrfnissen, z. B. Fahrbahnbreite, Gehweg-breite, zu berbrckende Lngen bzw. Sttz-weiten usw.

Grundstzlich wurden die einzelnen Teile auf-grund von Erfahrungen konstruiert oder spternach entwickelten Bemessungsregeln dimen-sioniert.

Bild 1: Kettenbrcke Nassau / Lahn 1830

Das Grundsatzprinzip lautete:Jedes Bauteil bernimmt die zugewieseneLast und gibt sie dem nchsten, untersttzen-den Bauteil weiterbis zum Lager, Pfeiler undBaugrund (s. Bild 1 und 2).

Bild 2: Lngsschnitt und Grundriss

4Ein planmiges Zusammenwirken einzelnerBauteile bzw. deren Mehrfachfunktion im Ge-samtbauwerk war nicht vorgesehen. Dies galtfr Fahrbahnplatten aus Stahlbeton, die plan-mig als "schlaff bewehrte" Platten konzipiertwurden, aber nicht planmig mit den darunterliegenden genieteten Stahltrgern verdbeltwurden. Um ein unkontrolliertes Reien desStahlbetons infolge Mitwirkung im Haupttrag-system weitgehendst zu vermeiden, wurdenQuerfugen im Abstand von ca. 15 bis 25 mangeordnet.

Die ungewollte Verdbelung durch vorhandeneNietkpfe fhrte zu den bekannten Schdenund wegen des Versagens der Fugenabdich-tungen und des Tausalzangriffes zu z. T. irre-parablen Strukturschden hierfr gibt esviele Beispiele. In den bereits oben zitierten50er Jahren mit den enormen WiederaufbauAufgaben nach den Zerstrungen des 2. Welt-krieges flossen neue Ideen in die Bauingeni-eurLandschaft.

Mit der Idee einer planmigen Mitwirkung derStahlbeton-Fahrbahnplatte durch so genannteSchubverbnde beim Wiederaufbau der Hn-gebrcke Kln Rodenkirchen wurde [Hom-berg] der Wettbewerb gewonnen.

Die planmige Mitwirkung einer Stahlbeton-fahrbahnplatte mit sthlernen Trgern berDbel fiel ebenfalls in diese Zeit [Sattler],[Fritz und Wippel].

Mehrfachwirkung von Teil - Tragsystemen imGesamtsystem kam "in Mode" sei es ausdem Flugzeugbau oder aus dem Schiffsbau[Wulstflachsthle].

Auf jeden Fall wurde mit dem MAN-Forschungsbericht 1957 [Pelikan / Elinger]

ein Meilenstein zur Entwicklung der orthotro-pen Platte gelegt.

3. Zur Anwendung3.1 AllgemeinesNachfolgend werden die Teile einer orthotro-pen Platte und deren Funktion im Gesamtsys-tem dargestellt. Hierfr betrachtet man zu-nchst den Aufbau einer sthlernen Deckbr-cke z. B. als zweistegigen Plattenbalken (s.Bild 3):

Das Deckblech oder Fahrbahnblech wirdmit einem rutschfesten Belag z. B. As-phalt versehen, der auch zur Lastver-teilung konzentrierter Radlasten dient. Ei-ne mglichst regelmige Untersttzungdieses Deckbleches muss zwingend er-folgen, da so genannte dnnwandigeBauteile vorliegen.

Diese Untersttzung durch in der Regel lngsorientierte Rippen muss durchQuertrger wiederum untersttzt werden.Der Quertrgerabstand ist eine Funktionder Rippenform:

Offene torsionsweiche Rippen bentigeneine Untersttzung von ca. 1,5 bis 2,5 m,d.h. Quertrgerabstand und dazu geh-rend Quersteifen fr die Stege bzw. Quer-schotte fr Hohlksten sind auf o. g.Abstnde begrenzt. Aus Kostengrndenwurde berlegt, wie diese Abstnde zuvergrern sind. Die Lsung war die Ent-wicklung einer torsionssteifen Fahrbahn-rippe, die Quertrgerabstnde von 3 bis5 m ermglichte.

Bild 3: Beispiel Stahlbrcke mit orthotroper Platte

1000

1 5 0

150

2 5 015 0

1 ,5 %

2000

1480

1 ,5 %

M o n ta ges to

K a lo t ten la ger

1530

2 0 00

1,5 %

21 50

1000

80

600

2280

H T - B

35 00

800

2230

3 5 00

75 00

11 80 0

21 50

20 00 25 0

F e ld b e re ich

H T - A

E n tw s se ru ng

S t tz b e re i ch

53.2 Patente kontra EntwicklungDie Trapezsteife, die aus einem abgekantetenBlech [6 bis 10 mm] besteht, hat folgendeVorteile:

sie bentigt nur zwei Schweinhte zurVerbindung mit dem Deckblech und

sie ermglichte Quertrgerabstnde biszu 5 m [Donaubrcke Schalding].

Leider gab es hierfr eine Patentschrift, diejeden Brckenbauchef reizte, mit abweichen-den Lsungen dieses Patent zu umgehen. Sowurden U- Profile, Sektkelchprofile, V- Profileund andere im Prinzip schlechtere Lsungenkreiert. Ein besonders einprgsames Beispielzeigt die lngste Stahlbrcke Deutschlands,nmlich die 1,8 km lange Ruhrtalbrcke Min-tard im Zuge der BAB A52 zwischen Essenund Dsseldorf [1963 bis 1965]:

Ein Sektkelchprofil hat vier Schweinhtepro Querschnitt, also zwei mehr als einTrapezprofil.

Bei knapp 40 Fahrbahnrippen in derFahrbahntafel der Brcke bedeutet dies2 x 40 x 1,8 km = ca. 150 km Schwei-naht zu viel.

Ggf. wre die geringe Patentgebhr (?) in derSumme preiswerter gewesen

O. g. Donaubrcke Schalding im Zuge derBAB A3 wurde nach Ablauf des Patentes als

erste neue Stahlbrcke mit TrapezprofilenAnfang der 70er Jahre erbaut und ist nachWissen des Verfassers trotz einer gewissen"Vibrationsempfindlichkeit" bis heute ohnegravierende Mngel.

3.3 Hinweise zur Berechnung undKonstruktion

Ein Berechnungsverfahren hatte sich bereits inden 60er Jahren aus Grnden der bersicht-lichkeit durchgesetzt man bedenke hierbeidie damaligen EDV-Mglichkeiten nmlichdie Aufteilung des komplexen Brckenquer-schnittes in Teilsysteme, wobei die Reaktions-krfte jeweils von einen zum nchsten Systembertragen werden:

das Deckblech: starr gesttzt durch dieRippen

das Deckblech als Obergurt der Rippen[orthotrope Platte]; starr gesttzt durchdie Quertrger

Trgerrost Rippen und Quertrger: starrgesttzt durch die Haupttrger

Haupttrgerberechnung usw.Stillschweigend setzt man "Kompatibilitt derSysteme" voraus. Man erkennt hier sehr leichtdie Mehrfachwirkung des Deckbleches, aberauch die Mitwirkung der Rippen im Haupttrag-system usw. (s. Bild 4).

Bild 4: Berechnungsverfahren

Dbl

LR

System 1: Deckblech auf Lngsrippen (LR) starr gelagert

Aufgliederung in 4 Untersysteme

LR

QT (EI )

System 2: Lngsrippen auf starren Quertrgern (QT)

LR

QT (EI < )

System 3: Bercksichtigung der Biegeweichheit der Quertrger

System 4: Haupttragsystem: LR und Quertrger auf Haupttrger (HT)

HT

QT

Unter-bauten

6O. g. Auflistung ist nicht vollstndig, weil beikomplexeren Systemen, z. B. Schrgseilbr-cken im Bereich von Seileinleitungen weitereTrgerroste und Scheibenfaltwerke betrachtetwerden mssen [Roik, Albrecht, Weyer].

Leider ergab sich nach div. Jahren bei stndigwachsendem Verkehr unter immer schwererwerdenden Lasten eine gewisse Hufung typi-scher Schden. Diese konnten mit o. g. ver-einfachten Berechungsverfahren nicht erfasstwerden:

Risse in den Schweinhten zwischenRippensteg und Deckblech sowie

Risse in den Durchdringungen Rippen Quertrgerstege.

Eine Expertenrunde erarbeitete 1998 Regelnfr eine ermdungssichere Konstruktion vonorthotropen Platten [BMVBW]. Erfreulicher-weise wurden diese Regeln nahezu 1:1 imEurocode 3 aufgenommen [DIN Fachbericht103; 03/2003].

Fr einige Regeln sollen nachfolgend Erlute-rungen gegeben werden.

Schweinaht zwischen Rippensteg undDeckblech:

Bei den blichen Berechnungsverfahrenergaben sich Halskehlnhte von 3,5 bis 4mm Dicke.Infolge Deckblechbiegung durch die ho-hen Radlasten werden auch Biegemo-mente in die Rippenstege durch Rah-menwirkung bertragen und zwar ent-sprechend den Steifigkeiten Deckblech12 mm; Rippe 6 mm (s. Bild 5).

Bild 5: Biegung des Fahrbahnblechs aus Radlasten a)und infolge von Durchbiegungsunterschiedenzwischen einzelnen Rippen b) (DIN FB 1033/2003)

Es ist einleuchtend, dass eine Verbin-dungsnaht von 3,5 bis 4 mm ein wesent-lich kleineres Widerstandsmoment als die

Rippendicke von z. B. 6 mm hat. Hinzukommt die Beanspruchungsart, die inKerbgruppe 36 einzuordnen ist.Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, dieNahtdicke gleich der Rippenblechdickeauszufhren auch bei Reparaturen.

Durchdringung Rippe Quertrger:Aus Durchbiegung der Rippen ergibt sicheine Verdrehung dieses Kreuzungspunk-tes, die zu Zwngungsspannungen fhrt(s. Bild 6 links).

Bild 6: Rippen- und Stegbeanspruchungen desQuertrgers an der Rippen Stegblech Verbindung (DIN FB 103, 03/2003)

Diese Zwngungsspannungen sind umsogrer, je dicker das Quertrgerstegblechist.Die Quertrger Stegdicke wird wesent-lich durch die so genannten Zahnspan-nungen bestimmt.Diese hngen vom Schub [Cousinen-Formel] zwischen Deckblech und Quer-trgersteg sowie dem Versatzmomentzwischen Deckblech und "Quertrger-Auskmmung" bzw. "Freischnitt" ab.

Wendet man fr o. g. Cousinen-Formeldie normgeme mittragende Breite frdas Deckblech als Funktion der Quertr-gersttzwerte an, erhlt man ein viel zugroes Statisches Moment, was schnellzu Quertrger- Stegdicken von 25 bisber 30 mm fhren kann. EntsprechendeZwngungen folgen analog. Richtiger undbesser ist die genauere Ermittlung dermittragenden Breite, nmlich die Berck-sichtigung der Einschnrung unter rtli-cher Lasteinleitung. Hier ergeben sichBlechdicken von ca. 15 bis 20 mm (s. Bild7 bis 9).

Einfluss der Quertrger Bauhhe:Bauhhen grer 800 mm sollten ange-strebt werden besser 900 bis 1000 mm.Bei diesen Hhen ist der Einfluss vonVerzerrungen aus Vierendeel Wirkun-gen vernachlssigbar (s. Bild 6 rechts).

7Zu beachten ist im anderen Fall, dass derEinfluss von Schubweichheiten berck-sichtigt werden muss, was nicht jedesProgramm leistet.

Der Rippen Fenstersto:Diese Verbindung wird beim bergangvon einem Montageschuss zum nchstenerforderlich (s. Bild 10).Auch hier sind einige konstruktive Regelnzu beachten.Zwingend erforderlich ist die volle Ver-schweiung der Rippe mit dem Fenster-teil, was durch ein innen liegendesBlechteil zur Badsicherung erreicht wird.Der Luftspalt zwischen Rippe und Fenstersollte gleich der Rippenblechdicke alsoz. B. 6 mm sein.Die Heftnhte zwischen Rippe und Badsi-cherung sind in den Schweispalt zu le-gen, damit die Heftungen beim vollenVerschweien wieder aufgeschmolzenwerden.Bei der Verschweiung insgesamt ist dieSchweireihenfolge so zu whlen, dassmglichst geringe Eigenspannungen ent-stehen.

4. ZusammenfassungTrapezprofile haben sich als die gnstigsteRippenform bei orthotropen Platten erwiesen.Sie werden auch als Beulsteifen fr Stege undUntergurte bei sthlernen Hohlkastenbrckenund bei Verbundbrcken eingesetzt.

Der Leitgedanke war das automatische Ver-schweien der Rippen mit dem Deckblech,was zur Lngsorientierung und zu Schussln-gen von 20 m und mehr fhrte. Aus diesemGrund musste der Quertrger "ausgekmmt"und anschlieend mit Rippen und Deckblechverschweit werden. Man begrenzt heute denQuertrgerabstand auf maximal 4,5 m. Bei derDonaubrcke Schalding mit 5 m Quertrgerab-stand wurden spezielle Manahmen zur Dau-erhaftigkeit des Asphaltes getroffen.

Der Einsatz sthlerner orthotroper Platten ist inder Regel aus Kostengrnden auf exponierteBauwerke begrenzt.

Bild 7: Effektive Lnge Le und Verlauf der mittragendenBreite

Mittragende Gurtbreite zur Bercksichtigungvon Schubverzerrungen nach DIN FB 103:

beff = b0

8Bild 8: Beispiel zur Berechnung orthotroper Platten

Bild 9: Quertrgernachweis (Zahnspannungen)

HT

QT

QT

HTQT

LR

600

16 m

4 m

4 m

Quertrger

Untergurt 300 x 24

Stegblech 100 x 20

Deckblech t = 12 mm

Schnitt durch dieorthotrope Platte Asphaltt = 60mm

Deckblecht = 12 mm

Ab Unter-kante Deckblechbis UK Rippe

a=300 e=300

100

292

Lngsrippe (LR)mit tLR = 6 mm

Die schematischeDarstellung zeigt eineorthotrope Platte mitTrapezsteifen.Bei den Haupt- undQuertrgern handeltes sich um offene,geschweite I-Trger.Der Quertrgerab-stand betrgt 4 m.

Quertrger mit Deckblech und Lngsrippen im Bereich des Haupttrgers

= =

Schubspannung:

2

volle Steghhe (Schnitt I I) :1321 kN V S6,6 (vereinf acht statt )100 2,0 cm I t

= =

= =

z,k

2

Schnitt II II :463,2V 1321 9 0,5* 4 1071,4 kN2

1071 kN7,968 2,0 cm

= = = =

= = = =

Zahnspannung:

ZS

ZS 2 2

1071 60 kNT 10,7; T T 21,4100 30 cmkNM 21,4 30 cm 32 cm 205,4 kNmcm

205,4 6 kN31,8 Versagen!44 0,02 cmDas Stegblech des Quertrgers ist zu dnn!Bei Bercksichtigung der Einschnrung dermittragenden

ZS

Breite ergibt sich allerdingsein deutlich niedrigerer Schubfluss T !

T

ZS

M

TZS

QT -UG

Dbl

600-2x80 = 440100

~80

~30

I

I

~320

hRest = 1000-320 = 680 mm

1000

t= 20

II

II

9Bild 10 Bauliche Durchbildung in der Regelausfhrungder Stahlfahrbahn (DIN FB 103 3/2003)

Die Haseltalbrcke im Zugeder BAB A3, Frankfurt Nrn-bergDipl.-Ing. E. Seemann,Autobahndirektion Nordbayern,Dienststelle Wrzburg

EinleitungDa das Ende der Haseltalbrcke abzusehenist und bereits mit den Planungen fr einenNeubau begonnen wurde, kann man den Vor-trag mit: Lebenslauf eines Bauwerkes unter-titeln. Es sollen die Vorberlegungen zur Pla-nung, der Bau der Brcke und smtliche In-standsetzungsmanahmen dargestellt werden.Das jetzige Bauwerk kann auf Dauer die Be-anspruchung aus der Verkehrsbelastung nichtmehr ertragen und muss durch einen Neubauersetzt werden.

Lage im StraennetzDie Haseltalbrcke befindet sich im Zuge derBAB A3 Frankfurt Nrnberg rund 5 km st-lich der Tank- und Rastanlage Spessart.

Vorstellung des Brckenbauwerkes(Bild 1)Die Haseltalbrcke wurde in den Jahren 1959bis 1961 als orthotrope Platte mit einem s-thetisch ansprechenden geschwungenen -berbau erbaut.

Die Brcke ist 660,40 m lang, besitzt 7 Feldermit Sttzweiten von 76,20 m, 5 x 101,60 m undeinem wiederum 76,20 m weit gespanntenEndfeld. Die gesamte Bauwerkslnge betrgteinschl. der Widerlager 720 m. Das Bauwerkist in der Draufsicht in einen Radius von 2.000m gekrmmt und besitzt einen Wannenhalb-messer von 20.000 m.

Die Fahrbahntafel ist 29,30 m breit und nimmtdie beiden Richtungsfahrbahnen mit jeweils 2Fahrstreifen und dem Seitenstreifen auf. DasBauwerk berspannt das Haseltal in einer ma-ximalen Hhe von rund 70 m. Die Pfeiler sindkreisrunde Hohlpfeiler mit einem Durchmesservon 6 m und einer Wandstrke von 50 cm. DiePfeiler sind auf dem anstehenden Sandseinflach gegrndet. Die WL sind hangseitig offen,so dass sich kein Erddruck aufbauen kann.

AusschreibungDer berbau wurde im Verwaltungsentwurf alsdurchlaufendes Stahlfachwerk mit 2 Haupttr-gern in einem Abstand von 19 m und einerorthotropen Fahrbahnplatte ausgeschrieben.Gleichzeitig musste das Bauwerk als zweidurch eine Mittelfuge getrennte berbautenangeboten werden.

Es war den anbietenden Firmen freigestellt,Sonderentwrfe in Stahl oder Spannbeton demAngebot zu Grunde zu legen. Auch durfte vonden vorgegebenen Sttzweiten abgewichenwerden.

Bild 1

Mit Rcksicht auf die Gre des Bauwerkesund die geforderten Fertigstellungstermine warin der Ausschreibung vorgegeben, dass sichnur Bietergemeinschaften aus mindestens 3Unternehmen beteiligen durften, wobei eineFirma als Hauptunternehmer auftreten sollte.Die federfhrende Firma musste entsprechen-de Referenzen im Stahlbrckenbau vorlegen.

Die Submission des Bauwerkes im Februar1959 brachte 30 Angebote, davon 16 nachdem Amtsvorschlag, 7 Sondervorschlge mitStahlberbauten und 7 Angebote mit Spann-betonkonstruktionen. Die Angebotspreise la-gen zwischen rd. 13 Mio. DM und rd. 20 Mio.DM.

Sondervorschlag der Fa. Hein,LehmannDen Zuschlag erhielt die Bietergemeinschaft(BG) Hein, Lehmann & Co. aus Dsseldorf, mitUntersttzung der Firmen Noell & Co., Wrz-burg sowie der Fa. Seibert aus Aschaffenburgauf einen Sondervorschlag. Die Grndung unddie Unterbauten wurden von den FirmenZblin AG und Huta AG als weitere Beteiligteder BG hergestellt.

Der Stahlberbau besteht aus den

- beiden vollwandigen Haupttrgern in18,526 m Abstand voneinander, mit einerparabelfrmig zur Brckenmitte hin anstei-genden Steghhe von anfangs 3,70 m auf5,0 m

und der im

- Haupttragsystem mitwirkenden orthotro-pen (orthogonal anisotropen) Fahrbahn-platte (Sie besteht aus dem Fahrbahn-blech mit den V-frmigen Lngsrippen imlichten Abstand von 30 cm und den voll-wandigen Quertrgern im Abstand von2,31 m. Die Quertrger kragen beidseitig5,387 m ber die Haupttrger hinaus.)

sowie

- den Lager- und Querverbnden zur Stabi-lisierung der Untergurte der Haupttrgerund zur Ableitung der Horizontalkrfte(Wind, Querschub) in die Lager.

An smtlichen Lagerpunkten sind vertikaleFachwerkverbnde unterhalb der Quertrgerangeordnet. Weiterhin sind Zwischenverbndein den Feldbereichen mit Abstnden von 9,24m, 18,48 m und 27,72 m vorhanden. Die Zwi-schenverbnde stellen keine Untersttzung

der Fahrbahnplatte dar, sondern dienen zurStabilisierung der Haupttrger.

Beeindruckend sind die ausgefhrten Blech-strken:

- Fahrbahntafel 12 mm

- Lngsrippen 6 mm

- Quertrger 8 mm 10 mm

- Haupttrger 10 mm 16 mm

Deshalb besa die Haseltalbrcke seinerzeitden leichtesten Stahlberbau mit einem Fl-chengewicht von nur 248 kg/m.

Die leichte Stahlkonstruktion hat zur Folge,dass jede Fahrzeugberfahrt das Bauwerk zuSchwingungen anregt; diese Schwingungen(Doppelspannungsamplituden) fhrten dazu,dass der Stahl und vor allem die Schweiver-bindungen ermdeten. Im Ergebnis fhrte dieszu Rissen, auf deren Ursachen und Folgenspter noch eingegangen wird.

Die Brcke wurde berwiegend in der Stahl-gte MSt 52-3 hergestellt. Bei den Queraus-steifungen sowie bei Teilen der Lngsausstei-fung wurde MSt 37-2 eingesetzt.

berbauherstellung im Freivorbau:

Der berbau wurde in 32 Abschnitten herge-stellt, wobei die Feldlngen zwischen 20 m bis24 m variierten. Die Vormontage erfolgte amWL Nrnberg. Jeweils eine vorgefertigte ber-bauhlfte wurde ber den bereits montiertenBrckenabschnitt ans berbauende in Rich-tung Frankfurt verbracht, dort mit einem Kranin Position gehoben und mit dem auskragen-den Brckenteil verbunden. Zur Abminderungder Kragmomente sind Hilfsuntersttzungeneingesetzt worden.

Mit den Bauarbeiten wurde am 02.Mai 1959begonnen. Die Richtungsfahrbahn Nrnbergwurde fristgerecht am 01.September 1961 demVerkehr bergeben. Die Verkehrsbergabe derRichtungsfahrbahn Frankfurt folgte am 27.Oktober 1961.

Bauablauf, Besonderheiten beimBauSchon whrend des Baues traten immer wie-der Probleme wegen der Verformungen infolgeder Temperatur auf. Die berbaulnge wurdewhrend der Montage zweimal mit Passst-cken ausgeglichen (verlngert), trotzdemmusste am WL Frankfurt die Auflagerachseund die Kammerwand sowie der Fahrbahn-

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bergang angeglichen werden. Die Bohrungenan den Schraub- und Nietverbindungenstimmten nicht immer berein, so dass dieBohrungen aufgerieben und Verbindungsteilemit strkeren Durchmessern eingesetzt wer-den mussten.

Prfungen whrend der Bauausfh-rungGteprfungen:

Das Walzmaterial und die Stahlkonstruktionwurden in den Werken durch die Bundesbahnabgenommen. Eine Schweinahtprfung warbesonders fr die Aufdopplungen an denHaupttrger-Untergurten verlangt worden, weildort die hchsten Spannungen auftreten. Dieswurde mittels Rntgenaufnahmen derSchweinhte von Stahlbauanstalten (LGABayern) kontrolliert. Weitere Prfungen derSchweinhte sind durch Rntgenaufnahmender Schweinhte whrend der Montage er-folgt, die anschlieend gesichtet und ausge-wertet wurden. Zum Bauende wurde in einemgroen berbaufeld ein Belastungsversuchdurchgefhrt, wobei eine Last mit schwer be-ladenen Lkw in Hhe von 80% des maximalzulssigen Feldmomentes aufgebracht wurde.Anschlieend sind die Schweinhte an denUntergurt-Aufdopplungen nochmals stichpro-benartig einer Magnetprfung unterzogenworden.

Bauwerkszustand zum Gewhr-leistungsendeIn der Ausschreibung war bereits festgelegtworden, dass fr den Stahlberbau und dieGussaspalt-Schutzschicht eine Gewhrleis-tungsdauer von 10 Jahren zu leisten ist. ZumGewhrleistungsende 1971 wurden folgendeMngel festgestellt:

- Verschleischden an den Fahrbahnber-gngen

- Schweinahtrisse an den V-Steifen(Fensterste), an den Quertrgeran-schlssen und an den Quertrgerunter-gurten, Abrisse der Beulsteifen an denKonsoltrgern

- Undichte Stellen an den Straenablufenund an der Entwsserungsrinne

- Undichtigkeiten an der Mittelkappe

- Fehlstellen an der Beschichtung

- Blasenbildung und starke Fugenausbil-dung im Gussasphalt.

Die gergten Mngel wurden vom Hauptunter-nehmer beseitigt.

Bauwerksprfung 1983Im Jahre 1983 wurde erstmals eine Brcken-hauptprfung durchgefhrt (obwohl die ent-sprechende Vorschrift, die DIN 1076, bereitsseit 1956 eingefhrt war). Die Umsetzung derDIN 1076 bei der ABD Dienststelle Wrzburg,die damals nur die Aufgaben einer Bauleitungwahr nahm, erfolgte erst anfangs der achtzigerJahre. Mglicherweise wurde damals die Be-deutung der Bauwerksprfung unterschtzt.

Es wurde bei der Sichtprfung zahlreiche, zumGroteil systematische Schweinahtrisse fest-gestellt. Man hat die Risse - eingeteilt nachneun verschiedenen Kategorien - aufgelistetund in einer Grundrisszeichnung eingetragen.Man war sich darber im Klaren, dass man beieiner aufwndigeren Prfung, z. B. mit demFarbeindringverfahren oder der Magnetpulver-prfung weitere Risse festgestellt htte.

Die festgestellten Schweinahtrisse lassensich fnf verschiedenen Bereichen zuordnen:

- Kehlnaht zwischen Quertrgerflansch undSteg der Auensteife des Haupttrgers

- Kehlnaht zwischen QT-Flansch undFlansch der Auensteife des Haupttrgers

- Kehlnaht zwischen Quertrgerflansch undInnensteife des Haupttrgers

- Halsnaht zwischen Quertrgersteg und flansch an der Auenseite

- Stumpfnhte an den Lngsrippen (An-schluss an QT- und Fensterste).

Gutachten zu den Schadensursa-chen (Bild 2)Wegen der augenscheinlichen Hufung derRisse an bestimmten Stellen des Tragwerkesvermutete man systematische Schwchen inder Konstruktion. Um herauszufinden, was dieUrsache der Rissbildung ist und in wieweit dasBauwerk durch die Risse gefhrdet war, wur-de Prof. Nather, der damalige Ordinarius frStahlbau an der TU Mnchen beauftragt, einentsprechendes Gutachten zu erstellen.

Herr Prof. Nather hat die Brcke nachgerech-net, hat Materialproben entnehmen lassen und

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es wurden Schwingungsmessungen zur Be-stimmung der Eigenfrequenz des Bauwerkesdurchgefhrt.

Das Ergebnis der Untersuchungen ergab,dass der berbau insgesamt zu weich kon-struiert war. Im Wesentlichen wurden fnf Ur-sachen fr die Rissbildung herausgefunden:

- Ein Modellfehler in der stat. Berechnungfhrte zu einer ungengenden Ausbildungder Verbindung der Stegblechsteifen anden Quertrgerflansch. Die orthotropePlatte und die Haupttrgersteifen bildeneinen Rahmen. Dort mssen die Biege-momente aufgenommen werden. Eine e-lastische Einspannung wurde nicht be-rcksichtigt, sondern der Anschluss er-folgte nur konstruktiv.

Bild 2

- Die gleiche Ursache fhrt zu den Rissen inden Halsnhten zwischen Quertrgerstegund Quertrgerflansch.

- Die Abtriebskrfte aus der waagrechtenKrmmung der Haupttrgeruntergurte wir-ken, je nachdem, ob der Untergurt auf Zugoder auf Druck beansprucht wird, in Rich-tung zum Krmmungsmittelpunkt oderentgegengesetzt. Da Zwischenverbndezur Aufnahme der Abtriebskrfte bzw. zurFormhaltung des Profils nur in Abstndenvon 27,72 m bzw. 18,48 m vorhandensind, treten Biegemomente auf, welche dieSchweinahtverbindung zwischen denHaupttrgersteifen und den Quertrger-flanschen auf Biegung beanspruchen.Diese Beanspruchungen sind in der stat.

Berechnung ebenfalls nicht bercksichtigtworden. Man darf sie vernachlssigen,wenn die Unverformbarkeit des Quer-schnittes gewhrleistet ist, z. B. durch eng-liegende Zwischenverbnde. Diese Vorga-be ist bei der Weichheit der Haseltalbrckenicht gegeben.

- Die Hufung der Schadstellen im Bereichder Auenquersteifen besonders am sdli-chen Haupttrger wird im Gutachten damiterklrt, dass die Spannungen aus Tempe-raturunterschieden zwischen Auen- undInnenrand des Untergurtes dieses Haupt-trgers sowie zwischen Fahrbahntafel undHaupttrgerstegen zu den Schweinaht-rissen fhrten.

- Die Risse an den Stumpfsten derLngsrippen drften berwiegend durchDauerbrche infolge mangelhafterSchweinahtausbildung herrhren.

- Der berwiegende Teil der gesamten -berbaukonstruktion (Haupttrger, Quertr-ger, Lngsrippen) wurde nur fr 95% derGebrauchslasten bemessen. Die Bemes-sung erfolgte nach der DIN 1072 Lastan-nahmen fr Straenbrcken aus dem Jah-re 1937 (!) und zustzlich nach der BE =Berechnungsvorschriften fr Eisenbahn-brcken aus dem Jahre 1956. Man wardamals sicher der Meinung, dass mannach der neueren BE die bessere Brckebauen wrde.

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Besonders diese Annahme hat sich in diesemPunkte nicht nur nicht besttigt, sondern es istdas Gegenteil eingetreten. Wir wissen heute,dass die Verkehrsmengen stetig anwachsenund dass auch die zulssigen Achslastenweiter erhht werden. Es wurde bei einerAuswertung der Verkehrsbelastung auf dieserStrecke festgestellt, dass es keine Seltenheitist, wenn sich 3-5-achsige Lkw mit 42 undmehr Tonnen in einem Querschnitt begegnenoder dass trotz eines berholverbotes fr Lkwund eines angeordneten Abstandes von 100 mberholvorgnge stattfinden.

Um eine Vorstellung ber die Grenordnungder Schwingungsbelastung zu bekommen,wurde die Anzahl der Lkw-berfahrten 1984nherungsweise auf die damalige Lebensdau-er hochgerechnet. In den 23 Jahren habenmehr als 50 Mio. Lkw die Brcke berfahrenund zu Schwingungen angeregt und somit zuden festgestellten Schden beigetragen.

Das Bauwerk war also rechnerisch berbe-lastet, mit steigender Tendenz und besa eineReihe von konstruktiven Schwachstellen.

Als Sofortmanahme wurde eine berprfungder Schweinahtrisse auf Vernderungenveranlasst. Weiterhin wurde ein berholverbotfr Lkw ber 12 t Gesamtgewicht, ein Halte-verbot auf dem Seitenstreifen und Einschrn-kungen fr Schwerlasttransporte angeordnet.

Gutachten zur Bauwerksinstandset-zungMan entschloss sich, nachdem das Gutachtenvorlag, umgehend die Schden am berbauund die Schadensursachen zu beseitigen. HerrProf. Nather hat hierfr ein Instandsetzungs-konzept ausgearbeitet, das sich durch folgen-de Besonderheiten auszeichnete:

- Zur Versteifung der Rahmenecke Fahr-bahnplatte-Haupttrger sollten im Abstandvon 9,24 m Schrgstreben vom Haupttr-geruntergurt zur auskragenden Fahr-bahntafel angeordnet werden.

- Zur Aufnahme der Abtriebskrfte und zurAussteifung der Haupttrger sollte in derUntergurtebene ein horizontaler Fach-werkverband eingezogen werden.

- Zur Aussteifung der sehr weichen Fahr-bahnplatte und zur Untersttzung der QTsollte mittig zwischen den Haupttrgernein zustzlicher Fachwerktrger eingebautwerden, um so mehrere Quertrger an der

Lastabtragung der Verkehrslastenlasten zubeteiligen. Man erwartete auch einen Ab-bau der starken Schwingungen der Fahr-bahnplatte, mit dem Ergebnis die Lebens-dauer der Brcke, insbesondere derSchweinahtverbindungen zu verlngern.

Mit der Bauwerksinstandsetzung sollte aufWunsch der Obersten Bayrischen Baubehrdedie Konstruktion auf die Brckenklasse 60/30verstrkt werden und bei der Bauwerksin-standsetzung sollte der Verkehr so wenig alsmglich eingeschrnkt werden. Dies wurde mitder groen Bedeutung der Verkehrsachse A3begrndet.

Die Bauteile zur Verstrkung sollten smtlichmit Schraubverbindungen an der Altkonstrukti-on ausgefhrt werden, weil man der Meinungwar, dass keine vollwertigen Schweiverbin-dungen unter Verkehr ausgefhrt werdenknnten.

Ausschreibung und Vergabe derBW-InstandsetzungNach den Vorgaben von Prof. Nather wurdendie Ausschreibungsunterlagen 1984 erstellt. ImEntwurf waren auch die einzelnen Arbeits-schritte festgelegt. In den Ausschreibungsbe-dingungen waren auch Belastungsmodelle frzustzlich geforderte Betriebsfestigkeitsnach-weise der Fahrbahnkonstruktion und der neueinzubauenden Teile vorgegeben.

Als wirtschaftlichstes Angebot wurde ein Son-dervorschlag von der Bietergemeinschaft Hein,Lehmann Dillinger Stahlbau Noell abgege-ben.

Die Verbindungen und die Instandsetzung derRisse waren in diesem SV entgegen der Aus-schreibung mit Schweien vorgesehen. Des-halb wurden vor Auftragsvergabe Schweiver-suche an Proben am Bauwerk unter Ver-kehrseinwirkungen durchgefhrt. Nachdem dieProben mit positivem Ergebnis untersucht wa-ren, wurde den Schweiverbindungen unterAuflagen zugestimmt.

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Ausgefhrter Sondervorschlag(Bild 3)Im Juli 1985 wurde mit der Vorabsanierung derauenliegenden Rahmenecken begonnen. Diebiegesteife Einbindung der HT-Quersteifenwurde durch das Einschweien von Rahmen-steifen hergestellt. Dabei wurden auch dievorhandenen Schweinahtrisse saniert. DasHauptmerkmal der Verstrkungsmanahmesind zwei lastverteilende Fachwerks-Lngstrger etwa in den Drittelspunkten zwi-schen den Haupttrgern. Die Lasteinleitungerfolgte an den V-Steifen durch halbhohe -berstlpte Manschetten. Nach kurzer Zeitstellte man fest, dass am Anschluss der Man-schette im QT-Blech neue Risse auftraten.

Bild 3

Ursache war nicht ein Schweifehler, sondernes bildeten sich so genannte Terassenbrcheaus, die durch den Herstellungsvorgang desQT-Steges durch zeilenfrmige Sulfidein-schlsse im Stahlgefge begrndet waren. DerStahl entsprach trotz allem den damaligenGteanforderungen. Es musste daher derLasteinleitungspunkt anders konstruiert wer-den. Dies gelang, indem man beidseitig Kopf-platten mit HV-Verbindungen an den Quertr-gern angeschraubte. Zur Lagesicherung derUntergurte der HT wurden an jedem viertenQuertrger Querbnde ausgebildet, was zueiner regelmigen Aussteifung im Abstandvon 9,24 m fhrte. Die an diesen Stellen vor-

handenen Querverbnde wurden umgebautund in das System integriert. Durch die Ausbil-dung von zwei neuen Lngstrgern konnteauch relativ einfach der Brckenbesichti-gungswagen an deren Untergurten befestigtwerden, welcher in der alten Konstruktion aufden Untergurten der HT fuhr. Die Verstrkungder Konstruktion und die Instandsetzung derSchweinahtrisse erfolgten im Zeitraum Juni1985 bis Mrz 1988.

Nach Abschluss der Ertchtigungsmanahmenwar man der Meinung, die Brcke wrde denkommenden Verkehrsbelastungen bis mind.zum Jahre 2020 gewachsen sein.

BelagserneuerungenAm Ende der Gewhrleistung und danachimmer wieder musste der Fahrbahnbelag ge-flickt und teilweise ausgebessert werden. ImJahre 1988 wurde deshalb fr beide Rich-tungsfahrbahnen getrennt, eine Erneuerungder Abdichtung und des Belages ausgeschrie-ben. Dazu wurden statische Berechnungenwegen der berbauverformung beim Belags-abtrag, fr den Wrmeeintrag beim Einbau derGussasphalt-Schutzschicht und fr die Lager-und Pfeilerbeanspruchung in Querrichtungangestellt. Der erste Bauabschnitt (Richtungs-fahrbahn Nrnberg) erfolgte von April bis Juli1988, zwei Wochen spter folgte die Rich-tungsfahrbahn Frankfurt. Durch einen frhen

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Wintereinbruch im November d. J. litt die Qua-litt der Ausfhrung trotz Einsatz eines groenSchutzzeltes. Im gleichen Zeitraum April bisNovember 1988 wurden die bergangskon-struktionen und die Abdichtungen auf beidenWiderlagern erneuert, sowie auch Betonin-standsetzungen an den Leitwnden durchge-fhrt.

Instandsetzung der UnterbautenIm Jahre 1989 wurde eine Betoninstandset-zung der Pfeiler und der Widerlager beauf-tragt. Betonfehlstellen wurden aufgeholt undRisse verpresst. In den begehbaren Pfeilernwurden die Leitern nach den gltigen Sicher-heitsvorschriften umgerstet.

Erneuerung des Korrosionsschut-zesDurch den Einbau der zustzlichen Haupttr-ger- und Querverbnde war es wirtschaftlicher,am gesamten berbau den Korrosionsschutzjetzt zu erneuern. Der alte Beschichtungsauf-bau bestand aus zwei GrundbeschichtungenBleimennige und zwei Deckbeschichtungenaus Eisenglimmer mit Aluminiumpulver. WeilBleimennige als umweltschdlich eingestuftist, wurden Strahlschuttanalysen in Auftraggegeben. Als weitere Umweltschutz-Auflagenwaren vorab als sog. Nullproben Boden- undWasseranalysen sowie Untersuchungen anFichtennadeln auf Blei- und Zinkgehalt durch-zufhren. Whrend und einige Zeit nach derBaumanahme war diese Beprobung als Be-weissicherung durchzufhren. Fr die Aus-schreibung wurden auch statische Berechnun-gen zum Nachweis der Tragfhigkeit der Br-cke unter Einwirkung der Arbeitsgerste inAuftrag gegeben. Es ergab sich eine maximaleGerstlnge von rd. 160 m.

Auf Grundlage der DIN 55928, Teil 5 wurdedas neue Korrosionsschutzsystem mit folgen-dem Aufbau gewhlt:

Grundbeschichtung: Epoxidharz Zinkstaub

Kantenschutz: EP-Zinkphosphat

1. + 2. Deckbeschichtung: EP-Eisenglimmer

3. Deckbeschichtung: PU-Harz- Eisenglimmer

Gesamtschichtdicke: 390 m

Der Strahlschutt wurde zusammen mit derAltbeschichtung durch Einschmelzen im Hoch-ofen verwertet.

Im Zuge der Beschichtungsarbeiten wurden diePressenansatzpunkte fr Lagerwechsel ver-strkt und zwischenzeitlich eingetreteneSchadstellen an den Schweinhten beseitigt.Zustzlich wurden auch die Entwsserungsein-richtungen erneuert oder umgebaut. Die Ar-beiten wurden im Zeitraum April 1994 bis Ok-tober 1997 durchgefhrt, wobei eine Anstrich-flche von rd. 78.000 m beschichtet wurde.

Weitere InstandsetzungsarbeitenWeitere Instandsetzungen wurden durch Nut-zung, Verschlei oder auch durch grereBelastung erforderlich, auf die aber nicht weitereingegangen wird. Erneuerung der Brcken-gelnder, Instandsetzung der Leiteinrichtun-gen, Austausch der Rollenlager auf den Wi-derlagern durch Kalottengleitlager. Wiederholtmussten die Fahrbahnbelge instand gesetztwerden, ebenso die Fahrbahnbergnge.

Belagserneuerung, Teil 2Wie bereits oben erwhnt, fand der Einbau derAbdichtung auf der Richtungsfahrbahn Frank-furt im Jahre 1988 unter sehr schlechten Witte-rungsbedingungen statt, mit der Folge, dassjhrlich Reparaturarbeiten am Belag vorge-nommen werden mussten, verbunden mit ent-sprechenden Verkehrseinschrnkungen. Alsder Zustand nicht mehr gehalten werdenkonnte, wurde im Jahre 2001 eine Abdich-tungs- und Belagserneuerung der beidenFahrstreifen ausgeschrieben und beauftragt.Dabei konnte auf frhere Untersuchungen undNachrechnungen zurckgegriffen werden. Eswurde in der Ausschreibung z. B. vorgegeben,mit welcher Einbaugeschwindigkeit der Guss-asphalt maximal aufgebracht werden durfte. Eskonnte aber auch nicht verhindert werden,dass an einigen Stellen das Deckblech beimAbfrsen des Belages beschdigt wurde, ob-wohl die Abtragstiefe auf 3 cm eingestellt war.Einigen Aufwand bedurfte es beim Abtrag derAbdichtungsschicht. Sie wurde mit einerSchneide abgeschabt und anschlieendhchstdruckwassergestrahlt. Erst mit zweima-ligem Kugelstrahlen im Kreuzgang war einereine Stahloberflche fr die Neuabdichtungerreicht worden.

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Schweinahtrisse an den V-SteifenBei einer turnusmigen BauwerksprfungAnfang 2002 wurden berraschend viele neueSchweinahtrisse an den V-Steifen festge-stellt. Stellenweise verzweigten sich die Rissein das Blech der Steifen selbst oder an einerStelle sogar in das Deckblech. Herr Prof. Alb-recht, Ordinarius fr Stahlbau an der TU Mn-chen wurde in die Prfung mit eingeschaltet.Der Verlauf der einzelnen Risse wurde doku-mentiert und in einen bersichtsplan eingetra-gen (zu den bereits vorherigen Instandsetzun-gen). Es zeigte sich, dass ausgehend von denschlecht geschweiten Fenstersten, dieausgebessert waren, eine Hufung nebendiesen Bereichen auftrat. Der Grund wurdedarin gesehen, dass in eine einmal abgerisse-ne und wieder angeschweite Steife die ur-sprnglichen Schnittgren nicht mehr zu-rckkehren. Die abgewanderten Schnittgr-enanteile fhren dort zu hheren Beanspru-chungen, was dann beschleunigt zu weiterenErmdungsrissen fhrt. Durch die Schnittgr-enumlagerung aus der Gesamttragwirkunginfolge der angerissenen Steifen knnen bzw.mssen sich neue lokale Tragsysteme ausbil-den, welche dann auch das Grundmaterialhochgradig beanspruchen. Wenn es dort zueiner Rissbildung kommt, knnen Haupttrag-glieder gefhrdet werden, welche von einemviel grerem Verkehrslastbereich beeinflusstwerden und dies kann zu besonders gefhrli-chen Versagensszenarien fhren. Als Sofort-manahme wurde der Schwerlastverkehr vonder Brcke verbannt und es wurde umgehenddie Instandsetzung der Schweinahtrisse aus-geschrieben. Die Arbeiten wurden im Winter2002/2003 nachts und an den Wochenendenunter Verkehrseinschrnkungen durchgefhrt.Im weiteren wurde eine jhrliche Sonderpr-fung veranlasst, mit dem Ergebnis, dass zurZeit wieder an ber 80 V-Steifen die Schwei-nhte erneuert und die Anschlsse an denQuertrgern verstrkt werden.

Im Jahre 2002 wurde Vertretern des BMVBWim Rahmen einer Bereisung das Bauwerk mitseinen Schwchen vorgestellt. Ergebnis derBesprechung war, umgehend mit der Planungeines Ersatzneubaues zu beginnen. Die neueBrcke soll gleich fr den sechsstreifigen Aus-bau der BAB A3 ausgelegt und auch vorabgebaut werden.

Davon wird dann an anderer Stelle berichtetwerden

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Untersuchung zur nachhaltigen Instandsetzungvon orthotropen FahrbahnplattenProf. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gerhard SedlacekDipl.-Ing. Michael Paschen,Ing.-Bro Prof. Sedlacek & Partner,Aachen

Zusammenfassung:Aufgrund stndig steigender Verkehrsintensitt und gleichzeitig ansteigenden Fahrzeuggewichtenwerden auch die Stahlbrcken mit orthotropen Fahrbahnplatten hinsichtlich Ermdung strkerbeansprucht. Zumeist wurden diese Brcken in den 60er Jahren gebaut und die heutigenQualittsstandards und Empfehlungen wurden nur z. T. eingehalten.

Ein nicht ausreichender Ermdungswiderstand der Details in Kombination mit steigendenErmdungsbeanspruchungen fhrt frher oder spter zu Schden; bei einigen Brcken inDeutschland sind Schden aufgetreten.

Die zuknftige Verkehrsbeanspruchung fhrt dazu, dass eine Reparatur alleine nicht ausreichend ist,sondern eine nachhaltige Instandsetzung, d. h. Ertchtigung bestehender orthotroper Platten erfolgenmuss, um auch bei weiter ansteigenden Ermdungsbeanspruchungen eine hinreichendeGesamtlebensdauer ohne erhhten Wartungsaufwand sicherzustellen.

Vor diesem Hintergrund haben das Bundesministerium fr Verkehr, Bau- und Wohnungswesen(BMVBW) und die Bundesanstalt fr Straenwesen (BASt) ein Forschungsvorhaben in Auftraggegeben, um nachhaltige Instandsetzungsmanahmen zur Ertchtigung von orthotropenFahrbahnplatten bei Stahlbrcken unter der besonderen Bercksichtigung des Belagsystems zuuntersuchen und zu entwickeln.

1. EinleitungDie wesentlichen Merkmale des Bestandes von orthotropen Fahrbahnplatten in Deutschland sind:

- Entwicklung von der Optimierung des Stahlgewichts zur bestmglichen Ausnutzung desTragvermgens zur Reduzierung der Fertigungskosten,

- daraus folgende Vernderung der Lngsrippenprofile, der verwendeten Fertigungsverfahrenund der Quertrgerabstnde,

- Einsatz bei zahlreichen Grobrcken,

- Einsatz in zentralen Verkehrswegen.

Die meisten dieser Brcken sind seit mehr als 30 Jahren im Einsatz, teilweise in Strecken mit denhchsten Verkehrsbeanspruchungen, die z. Zt. in Deutschland auftreten.

Das Bundesministerium fr Verkehr, Bau und Wohnungswesen hat zusammen mit der Bundesanstaltfr Straenwesen einen Forschungsauftrag erteilt, mit dem mit folgenden Arbeitsschritten diederzeitige Situation untersucht und mgliche Verbesserungsmanahmen entwickelt werden sollen:

- Erfassung verschiedener Schadensarten,

- Untersuchung von bisher durchgefhrten Sanierungskonzepten,

- Entwicklung von Instandsetzungsmanahmen fr eine nachhaltige Ertchtigung vonorthotropen Fahrbahnplatten unter besonderer Bercksichtigung des Belagsystems und inHinblick auf die zuknftige Verkehrsentwicklung.

Die nachfolgenden Abschnitte geben eine Zusammenfassung von Zustandsberichten von ca. 40Stahlbrcken mit orthotroper Fahrbahnplatte, die die verschiedenen Bauarten und unterschiedlichenSchden darstellen. Erste Schlussfolgerungen aus der Untersuchung von Instand-setzungsmanahmen werden gezogen und mgliche neue Lsungen fr eine nachhaltigeInstandsetzung werden vorgestellt.

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2. bersicht ber die derzeitige SituationDer folgende berblick ist eine Zusammenfassung der Auswertung von Brckenprfberichten nachDIN 1076 und Gutachten, die zu bestimmten Schden durchgefhrt wurden. Die verschiedenenBrcken reprsentieren die zeitliche Entwicklung der orthotropen Fahrbahnplatte in Deutschlandhinsichtlich der Fertigungsverfahren und Detailausbildung. Tabelle 1 gibt einen berblick ber dieuntersuchten Brcken.

Tabelle 1: berblick ber untersuchte Brcken

System Baujahr Lngsrippenart Quertrger1) Brckenflche2)

Balkenbrcke 1948 Flachsteife 2,45 437/21

Balkenbrcke 1951 T-Steife 1,91 412/31

Hngebrcke 1951 Wulstflachprofil 1,81 497/27

Balkenbrcke 1958 Trapezprofil 2,50 274/31

Schrgseilbrcke 1959 Flachsteife 2,15 691/30

Balkenbrcke 1961 eingepasste V-Steife 3,74 661/29

Fachwerkbrcke 1962 eingepasste V-Steife 3,00 375/26

Fachwerkbrcke 1962/1971 Sektkelchprofil 2,753 699/14

Balkenbrcke 1964 Wulstflachprofil 1,95 81/30

Balkenbrcke 1965 Wulstflachprofil 1,73 527/34

Schrgseilbrcke 1965 Sektkelchprofil 2,57 687/38

Hngebrcke 1965 Sektkelchprofil 2,525 803/23

Balkenbrcke 1966 Sektkelchprofil 3,60 1800/28

Balkenbrcke 1966 Wulstflachprofil 1,65 597/34

Balkenbrcke 1966 Wulstflachprofil 1,50 931/29

Schrgseilbrcke 1967 Trapezprofil 3,215 463/19

Balkenbrcke 1968 Sektkelchprofil 3,20 770/31

Balkenbrcke 1969 Wulstflachprofil 2,00 89/32

Balkenbrcke 1970 Trapezprofil 2,03 80/11

Balkenbrcke 1970 Sektkelchprofil 3,20 318/22

Schrgseilbrcke 1970 Sektkelchprofil 2,50 778/36

Balkenbrcke 1971 Trapezprofil 2,20 287/23

Fachwerkbrcke 1972 Trapezprofil 3,125 344/8

Balkenbrcke 1972 Trapezprofil 4,00 1053/30

Balkenbrcke 1972 Trapezprofil 4,00 705/31

Balkenbrcke 1972 Trapezprofil 5,00 1020/31

Balkenbrcke 1972 Sektkelchprofil 3,00 518/19

Balkenbrcke 1974 Trapezprofil 3,00 80/31

Schrgseilbrcke 1974 Trapezprofil 2,15 520/18

Schrgseilbrcke 1974 Trapezprofil 2,475 435/32

Fachwerkbrcke 1976 Trapezprofil 3,25 133/36

Fachwerkbrcke 1983 Trapezprofil 4,00 462/24

Schrgseilbrcke 1990 Trapezprofil 4,20 618/35

Balkenbrcke 1994 Trapezprofil 3,50 703/18

Hngebrcke 1995 Trapezprofil 2,625 567/26

Balkenbrcke 1995 eingepasstes Trapezprofil 2,75 77/13

Schrgseilbrcke 2002 Trapezprofil 3,75 729/391) Quertrgerabstand [m]2) Lnge und Breite der Brcke[m]

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Bild 1a gibt ein berblick ber die verschiedenen Detailausbildungen fr die Lngsrippenprofile, Bild1b zeigt die verschiedenen anzutreffenden Schweinhte zwischen der Lngsrippe und demDeckblech.

a)

Lngsrippen

OffeneSteifen

GeschlosseneSteifen

Wulstflachstahl

L-Steifen

Flachsteifen

Heutiger Standard

b)

Schweinaht zwischenLngsrippe und Deckblech

Kehlnaht Stumpfnaht

Ohne Eindringtiefe Volle EindringtiefeRestspalt < 2 mmHeutiger Standard

Geringe Eindringtiefe

Bild 1: Verschiedene Lngsrippenprofile und Schweinhte zwischen Lngsrippe und Deckblech

21

Die Untersuchung der Schden ergab die kritischen Stellen der orthotropen Fahrbahnplatte, sieheBild 2

a)

1

23

4

6

7

Haupttrger

Lngsrippen

Deckblech

Quertrger

5 a5 b

5 c

8

5 d

Deckblech

Schweinaht Deckblech - Lngsrippe

Lngsrippensto

Schweinaht Lngsrippe - Quertrger

Quertrgerausnehmung

Verbindung Quertrgeruntergurt

Haupttrgersteg

Verbindung Quertrgersteg -

Haupttrgersteg

b)

Freischnitt'Straenbrcken'

KeinQuertrger-ausschnitt

Freischnitt'Eisenbahnbrcke'

Quertrger-ausschnitt

ohne Freischnitt

Bild 2: Kritische Detailstellena) Kritische Punkte der orthotropen Fahrbahnplatteb) Ausfhrung der Verbindung zwischen Rippe und Quertrgerstegblech

Die Art der Schden lsst sich in zwei Hauptgruppen unterteilen:

1. Schden mit einem Bezug zu einem bestimmten Detail oder einer Bauart der orthotropenFahrbahnplatte (bauweisenbedingte Schden), dies sind z. B.- Risse in den Quertrgerstegen bei der Ausfhrung mit offenen Steifen,- Risse in der Schweinaht zwischen eingepassten Lngsrippen und Quertrgerstegen,- Risse in den Fenstersten der Lngsrippen.

2. Schden ohne einen Bezug zu bestimmten Ausfhrungsformen der orthotropenFahrbahnplatten (bauweisenunabhngige Schden), dies sind z. B.- Risse in der Verbindung zwischen Lngsrippe und Deckblech.

22

3 Schden mit einem Bezug zu einem Detail oder BauweiseBild 3 zeigt einige exemplarische Schden.

Bauweise Schdena) offene Steife Riss im Quertrgersteg

b) angepasste Lngsrippe Riss in der Schweinaht zwischen Lngsrippe undQuertrgersteg

c) Fenstersto der Lngsrippe Riss in der Schweinaht zwischen den Lngsrippen

Bild 3: Bauweisenbedingte Schden

Fr die bauweisenbedingten Schden knnen zunchst folgende Schlussfolgerungen gezogenwerden:

- in der Regel besteht kein Zusammenhang zwischen dem lokalen Schadensort innerhalb derVerkehrsflche und der jeweiligen Spureinteilung auf der Brcke, d. h. z. B. keine Konzentration inden Schwerverkehrsspuren

- die Anzahl von entdeckten Schden steigt unmittelbar nach dem Austausch des gesamtenFahrbahnbelags an, s. Bild 4.

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Festgestellte Risse

0255075

100125

1998 1999 2000 2001 2002 2003

Jahr

Anz

ahl

1997 Erneuerung des Fahrbahnbelags

Bild 4: Zusammenhang zwischen Belagserneuerung und entdeckten Schden

Es gibt jedoch z. Zt. noch keinen Beleg, dass die Schden nach der Belagserneuerung ausschlielichdurch die hohen Temperaturen beim Einbringen von Gussasphalt (teilweise mehr als 230C)verursacht werden, es werden jedoch bisher durch Beschichtung verdeckte Risse sichtbar.Unzureichende Nahtqualitt in Kombination mit den hohen Temperaturbeanspruchungen und damitverbundenen Zwngungen scheinen zu den Schden zu fhren.

Fr eine erfolgreiche Instandsetzung solcher Schden sind besondere Detailuntersuchungen undVorbereitungen erforderlich. So sind z. B. fr die Instandsetzung von Rissen an der Verbindungeingepasster Lngsrippen und dem Quertrgersteg (s. Bild 5) folgende Umstnde zu bercksichtigen:

- die Materialeigenschaften des Quertrgerstegs in Dickenrichtung,- der geometrische Versatz der eingepassten Lngsrippen in Brckenlngsrichtung,- ausreichende Vorwrmung whrend der Instandsetzungsarbeiten,- Schrumpfeffekte aufgrund der Schweifolge und- Behandlung bergroer Spalte.

ffn u n g s w in k e l

L n g s r ip p e

Q u e r t r g e r s te g

L n g s r ip p e

S c h n i t t A - A M 1 :5

AA

D e ta i l I M 1 :1 0

D e ta i l I

16

6 0 0 6 0 0

1 5 0 1 5 0

1 5 0 1 5 0

237,

5

S p a l t

5 0

a u f 2 m m v e r r in g e r n

Vers

atz

2 m

m

Bild 5: Instandsetzung von Schweinahtrissen zwischen eingepassten Rippen und Quertrgerstegen

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4. Bauweisenunabhngige SchdenBild 6 zeigt typische Schadensstellen von gerissenen Verbindungsstellen zwischen Deckblech undLngsrippe, die unabhngig von dem gewhlten Lngsrippenprofil und der jeweiligen Bauweiseauftreten knnen.

Bild 6: Risse in der Verbindungsnaht zwischen Deckblech und Lngsrippelinks: Sektkelchprofilrechts: Trapezprofil - instandgesetzte Naht zur spteren Prfung noch ohne Beschichtung

Bei dieser Schadensart ist ein Zusammenhang zwischen dem Schadensort und derVerkehrsbeanspruchung zu erkennen, d. h. zumeist findet sich eine Konzentration von solchenSchden im Bereich der Schwerlastverkehrsspur, Tabelle 2 stellt zwei Beispiele vor.

Tabelle 2: Risse in der Verbindungsnaht zwischen Lngsrippe und Deckblech

3.30

1.30

501. Fahrspur 3.75

60-70cm 60-70cm Leit- streifenBereiche der

Spurrillenbildung

6 7 8 9 10 11 12 13

t

t

B

D= 12 mm

= 80 mm

Risse an den Rippen 8 und 11

Brckenklasse 60 - ca. 3000Schwerfahrzeuge/Tag

Schden:Risse zwischen Sektkelchprofil und demDeckblech in der Schwerverkehrsspur

Ursache:Unzureichende Nahtqualitt in dembergangsbereich zwischen automatischhergestellter Schweinaht und dem Beginn derHandschweiung

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

PKW-Fahrspur LKW-Fahrspur

t tB D

Risse

= 10 mm = 4 mm

= 5 mmtL

Brckenklasse 45 - ca. 2500Schwerfahrzeuge/Tag

Schden:Risse in der Verbindungsnaht zwischenTrapezprofil und Deckblech im Bereich derSchwerverkehrsspur

Ursache:Unzureichende Nahtqualitt, Dnnbelag (ca. 10mm), hhere Brckenlasten (Brckenklasse 60)

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Fr die Verbindungsnaht zwischen den Steifen und dem Deckblech werden im DIN-Fachbericht 103bzw. pr EN 1993-2 Stahlbrcken die Detailanforderungen (Nahteindringtiefe, Toleranzen, etc.)definiert, eine bersicht zu diesen Empfehlungen gibt das Bild 7.

Quertrgerabstand

Quertrger

QuertrgerQuertrger

Schnitt A - A

A

A

Detail IIDetail II Detail II

Deckblech

Deckblech

ca. 2,00 bis 4,00 m

abschnittsweise Instandsetzung= = = = =

300 300300300

2 mm 2

mm50

Bild 7: Empfehlungen fr die Ausfhrung der Instandsetzung der Verbindungsnaht zwischen der Lngssteife und demDeckblech

Aufgrund der Beanspruchung kommt dem Restspalt besondere Bedeutung zu; nach DIN Fachbericht103 und prEN 1993-2 Stahlbrcken ist ein Restspalt von < 2 mm definiert, Bild 8 zeigt dieAnforderungen und verschiedene Resultate von Verfahrensprfungen.

2

b)

a)

Halsnhte Rippe - Deckblecha) automatische Schweiungb) Handschweiung

2 mm

2 mm

2 mm

2 mm

#

#

#

#

t

t

a t

a t

Definition nach DIN-Fachbericht 103

und prEN 1993-2

ungengende Eindringtiefe Wurzel Fehler undHei-Risse, diewhrend desSchweivorgangsauftreten

Bild 8: Anforderungen und Schnitte durch die Verbindungsnaht; Lngsrippe Deckblech

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In der Praxis hat sich die Definition des Restspaltes von kleiner 2 mm als ein guter Kompromissbewhrt, da hierdurch fr die Fertigung ein ausreichender Freiraum besteht, eine gute Nahtqualitt zuerreichen. Eine Festlegung von Spaltmaen kleiner als 0,5 mm, wie in ECCS Forschungsberichtengefordert und auch mit hheren Ermdungsfestigkeiten verbunden wird, kann mit den blichenFertigungsverfahren nicht durchgehend sicher erreicht werden. Die Gefahr von heirisshnlichenFehlern und Wurzelfehlern steigt bei den hierfr erforderlichen Schweiparametern.

5. Nachhaltige Instandsetzung von orthotropen FahrbahnplattenFr die Instandsetzung von Schden in den Verbindungsnhten zwischen Lngsrippen und Deckblechund fr die weitere Dauerhaftigkeit augenscheinlich ungeschdigter Bereiche stellt sich die Frage, obeine Schweinahtqualitt entsprechend den Detailanforderungen nach prEN 1993-2 ausreichend ist.In Bezug auf die weitere Dauerhaftigkeit interessiert die zuknftige Entwicklung im Bereich derFahrzeuge und der Reifen (s. Bild 9).

Fr die, mit dieser Entwicklung erwartete Beanspruchung ist die Verbindungsnaht zwischenLngsrippe und Deckblech ausreichend, es knnen sich aber Defizite bei der Beanspruchbarkeit ananderen Stellen der orthotropen Fahrbahnplatte ergeben. Dies knnten z. B. Deckblechrisse sein, dieim Anschluss an Instandsetzungen der Verbindungsnaht Lngsrippe-Deckblech auftreten, wieErfahrungen in anderen Lndern zeigen.

Bild 9: Mgliche neue Fahrzeugkonfigurationen und Footprints fr einen Super Single Reifen vom Typ 495/45 R22.5

Die Erfahrungen aus der erfolgreichen Instandsetzung solcher Schden in Deutschland ist:- in der Regel treten in den instandgesetzten Bereichen keine neuen Risse auf,- eine Instandsetzung unter Verkehr ist mglich, wobei in der Regel der lokale Bereich vom

Verkehr freigehalten wird,jedoch- ist es immer mglich, dass im Laufe der Zeit weitere neue Risse auerhalb des

instandgesetzten Bereichs zeigen.Aus diesem Grund ist eine nachhaltige Instandsetzung der orthotropen Fahrbahnplatte einschlielichder Verbindungsnhte dann gegeben, wenn das Beanspruchungsniveau durch die Verbundwirkungzwischen Belag und Stahlstruktur deutlich reduziert wird.Ermdungsberechnungen nach pr EN 1993 zeigen, dass eine ausreichende Lebensdauer derVerbindung Lngsrippe Deckblech nur unter Bercksichtigung des Verbundes zwischen Belag undStahlstruktur zu erreichen ist, s. Bild 10.

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Fahrzeuge Ermdungslastmodell 2 Ermdungslastmodell 4

A

A

A

A

A

B

B B

B

B

B C C C

C

C

C

C C

90 kN 70 kN 130 kN

70 kN 120 kN 120 kN

70 kN 150 kN 3 x 90 kN

70 kN

70 kN 130 kN 90 kN 2 x 80 kN

140 kN 2 x 90 kN

190 kN

4.5 m 4.5 m

1.3 m4.5 m

3.2 m 5.2 m1.3 m 1.3 m

3.2 m

4.8 m 3.6 m 4.4 m1.3 m

6.0 m1.8 m

80 kN

90 kN

190 kN90 kN

90 kN 180 kN 120 kN 2 x 110 kN

4.2 m

5.2 m

6.0 m

3.6 m 4.4 m1.3 m

3.4 m

4.8 m

3.2 m

140 kN

180 kN

140 kN

2 x 120 kN

3 x 120 kN

1.3 m

1.3 m1.3 m

1.8 m

1275

300 300300

HV-NahtHV-NahtHV-Naht

Ermdungsnachweise nach prEN 1991-3 Verkehrslasten auf BrckenReine Stahlkonstruktion < 10 Jahre

Heutige Bauweise75 mm Belag Gussasphalt - PmB 45 30 - 50 Jahre

Mgliche zuknftige Bauweise75 mm Belag Gussasphalt - PmB 25 70 - 90 Jahre

Bild 10: Nachweis der Ermdungssicherheit nach pr EN 1991-3 und pr EN 1993-2 fr die Verbindungsnaht zwischenLngsrippe und Deckblech

Aufgrund dieser berlegungen, setzen die meisten Vorschlge fr Instandsetzungsmanahmen aneiner Verbesserung der Verbundeigenschaften an.

Einen berblick ber derzeitige Probeanwendungen oder zuknftigen Instandsetzungsmanahmengibt das Bild 11.

NB4BT4

NT3NB3BT3

NT2NB2BT2

NT1

BB7

BB6

BT1 NB1

BB5

BB4

BB3

BB2

BB1

BB8

BT5

Ertchtigungsmanahmen vonorthotropen Fahrbahnplatten

BestehendeBrcken

NeueBrcken

AsphaltBelag

AsphaltBelag

StahlStruktur

StahlStruktur

SubstitutionAsphaltbelag

ModifikationAsphaltbelag

Verbund zwischenAsphalt u. Stahl

Asphaltbelagmit Epoxyd Harz

Asphaltbelagmit Epoxyd Harz

Erhhung derSteifigkeit PmB 25

Erhhung derSteifigkeit PmB 25

AsphaltBewehrung

ReflektionsBelag

Geklebte Platten(Stahl , CFK, GFK)

Hochfester BetonB 110 / Stahlfasern

Hochfester BetonB 110 / Stahlfasern

Sandwich PlateSystem (SPS)

Sandwich PlateSystem (SPS)

Hhere Deck-blechsteifigkeit

Substitution derStahlstruktur

Erhhung derIsotropie

ZustzlicheVerstrkungen

Schweinaht-nachbehandlung

Austausch vonSchweinhten

Ausfllen derLngsrippen

GeschweiteVerstrkungen

Bild 11: Mgliche Instandsetzungsmanahmen fr einen nachhaltigen Nachweis der Ermdungssicherheit nach pr EN 1991-3und pr EN 1993-2 fr die Verbindungsnaht zwischen Lngsrippe und Deckblech

Einzelne Lsungen werden im Nachfolgenden vorgestellt.

28

6. Substitution oder Ergnzung des Belags6.1 AllgemeinesVon groem Interesse bei der nachhaltigen Instandsetzung sind Manahmen, die folgendeRandbedingungen erfllen:

a) Schweilose Verstrkungen

Jede neue Schweinaht, die an einer bestehenden orthotropen Fahrbahnplatte angebracht wirdund jeder Schweischrumpf ergeben auch neue potentielle Ansatzpunkte fr Schden, die diegesamte Platte betreffen knnen.

b) Beibehaltung der Schadenstoleranz, d. h. ausreichende Frhwarnung,

Die Verstrkungsmanahmen mssen auch weiterhin eine einwandfreie Inspektionsmglichkeitaller tragenden Verbindungen sicherstellen.

c) Deutliche Entlastung der kritischen Stellen durch Manahmen mit entsprechenderWirtschaftlichkeit.

d) Einhaltung von Randbedingungen, d. h. idealerweise kann die Verstrkungsmanahme z. B. imRahmen einer anstehenden Asphalterneuerung durchgefhrt werden oder aber dieVerkehrssperrungen der Brcke entsprechen den Zeitrumen einer blichenInstandsetzungsmanahme.

Im weiteren wird auf einige mgliche nachhaltige Instandsetzungsmanahmen eingegangen.

6.2 Sandwich Plate System (SPS)Durch das kanadische Ingenieurbro Intelligent Engineering (IE) wurde ein Sandwichsystembestehend aus zwei Stahlblechen und dazwischenliegendem Elastomerkern entwickelt. Das SandwichPlate System (SPS) bewirkt durch die Versteifung des Deckblechs eine bessere Lastverteilung undVerbundwirkung bei der orthotropen Fahrbahnplatte.

Bild 12 zeigt die prinzipielle Anwendung bei einer orthotropen Fahrbahnplatte.

Dieses System wird in Deutschland durch den Lizenznehmer Fa. Krupp Stahlbau Hannoverangeboten.

80 mm Asphaltbelag6 mm Stahldeckblech30 mm ElastomerschichtBestehendes Stahldeckblech

Bild 12: Sandwich Plate System

29

Zur berprfung der Wirksamkeit dieser Manahme wurden umfangreiche Versuche an der RWTH Aachen an D-Brcken-Fahrbahnplatten durchgefhrt, s. Bild 13 und 14.

a) b)

c) d)

Bild 13: Bauteilversuche an D-Brcken-Fahrbahnplattena) D-Brckensystembrckeb) Fahrbahnplattec) Probekrper mit SPS Verstrkung und Referenzplatted) Detailaufnahme

30

Querverteilung

-1,0

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13Stahl

5-20

6-20

5-30

6-30

Spannungen:- fr Reifen n. prEN 1991-2 Reduktion von N um41,6% - fr WBSS-tyre (495) Reduktion von N um 38,5%-

WBSS-Reifen erhhen N um 22% im Vergleich zunormalen Reifen (ohne SPS)

- WBSS-Reifen erhhen N um12% im Vergleich zunormalen Reifen (mit SPS)Dehnungen:

- die Reduktion der lokalen Durchbiegung ist auf 59%

Lastfall 1 Lastfall 2

Bild 14: Ergebnisse von Berechnungen, die durch Bauteilversuche besttigt wurden

Eine erste Probeanwendung an einem Bauwerk fand an einer Brcke der U-Bahnlinie U2 in Berlinstatt, wo ermdungsanfllige Tonnenblechkonstruktionen nachhaltig instandgesetzt wurden, s. Bild15.

Bild 15: Anwendung der SPS-Technologie bei der U-Bahnlinie U2 in Berlin

Eine weitere Probeanwendung fand im Juli/August 2005 an der Schnwasserparkbrcke bei Krefeld inZuge der A57 statt.

31

Auf Initiative des Bundesministeriums fr Verkehr, Bau und Wohnungswesen und dem LandesbetriebStraen.NRW wurde ein berbau dieser Brcke ausgewhlt um die praktische Umsetzung und dieWirksamkeit der SPS-Manahme an einer permanenten Brcke unter realistischenVerkehrsbeanspruchungen zu prfen.

Bild 16 bis 18 zeigen Detailaufnahmen dieser Baumanahme, die Tabelle 3 gibt die Bauwerksdatenan.

Querschnitt Grundri

Ansicht Erste Probemessung vor der Baumanahme

Bild 16: Schnwasserparkbrcke bei Krefeld im Zuge der A 57

32

Begleitversuche zur TemperaturentwicklungbeimGussasphalteinbau

Wrmeentwicklung beim Heieinbau des Belagsauf dem SPS (Referenzobjekt: D-Brcken-fahrbahnplatte)

Testfahrzeug fr Belastungsversuche Messungen: vor der Baumanahme, nach Entfernendes Belags, nach Einbau SPS und nach Belageinbau

Bild 17: Begleitmanahmen zur Erfolgskontrolle

Entfernen des alten Belags Einhausung

Herstellung der Kavitten (Zwischenrume fr dasElastomer), sichtbar sind die Randleisten, das neueStahldeckblech wird auf diesen Randleistenaufgeschweit

Injektion von einzelnen Kavitten, Stahltrgerdienen als Niederhaltung whrend derPolymerisation

Bild 18: Detailaufnahmen vom Bauablauf

33

Tabelle 3: Daten zur BaumanahmeBauwerk: SchnwasserparkbrckeBauwerkslnge: 70 mBreite zwischen Schrammborden: 11,50 mInstandgesetzte Flche: ca. 800 m2

Quertrgerabstand: 2,03 mLngsrippen: TrapezprofilElastomerzwischenschicht: 30 mmNeues Stahldeckblech: 6 mmBauzeit: 5 Wochen, 11.07.2005 - 15.08.2005Bauherr: Bundesministerium fr Verkehr, Bau und

WohnungswesenStraen.NRW, Betriebssitz GelsenkirchenStraen.NRW, Niederlassung Krefeld

Ausfhrende Baufirma: Krupp Stahlbau Hannover GmbHWissenschaftliche Betreuung: Prof. Feldmann; Lehrstuhl fr Stahlbau der RWTH

Prof. Hanswille, BochumBundesanstalt fr Straenwesen

Prfingenieur: Prof. Sedlacek, Aachen

Fr dieses Pilotprojekt wurde durch das zustndige Referat des Bundesministeriums fr Verkehr, Bauund Wohnungswesen eine Zustimmung im Einzelfall erteilt.

Whrend der Durchfhrung der Baumanahme und z. Zt. unter laufendem Verkehr finden an derBrcke Messungen hinsichtlich der Wirksamkeit statt.

Eine abschlieende Stellungnahme zur Wirksamkeit der SPS Manahme durch die wissenschaftlicheBetreuergruppe und den Prfingenieur ist fr das Frhjahr 2006 vorgesehen. Erste Messergebnissebesttigen die positive Wirksamkeit der Manahme in der Form, wie sie auch fr die Bauteilversuchean den D-Brcken-Fahrbahnplatten festgestellt wurden.

6.3 Einsatz von hochfestem, mit beigefgten Stahlfasern und bewehrtem BetonIn den Niederlanden wird z. Zt. die Verstrkung des Deckbleches mit 50 mm hochfestem, mitStahlfasern versehenem und bewehrtem Beton an verschiedenen Objekten durchgefhrt.

Bild 19 zeigt eine Prinzipskizze und den Randbereich einer z. Zt. laufenden Verstrkungsmanahmebei der Moerdijk Brcke in der Nhe von Rotterdam.

50 mm Beton B 110 mit StahlfasernBewehrungBestehendes Stahldeckblech

Aufbau Randbereich bei der Moerdijkbrcke

Bild 19: Hochfester mit beigefgten Stahlfasern und bewehrter Beton als direkter Fahrbahnbelag

Details und weitere Informationen sind dem Bericht Erfahrungen aus den Niederlanden von HerrnLeendertz und Herrn de Jong, sowie [3] zu entnehmen.

34

6.4 Aufgeklebte VerstrkungsblecheIm Rahmen eines Forschungsvorhabens, das z. Zt. bei der BAST in Bearbeitung ist, wird dieVerstrkung des Deckblechs durch ein aufgeklebtes Blech untersucht, wobei sowohl die geeignetenKlebstoffe, als auch die Vorgehensweise und Wirksamkeit untersucht werden.

Bild 20 zeigt das Prinzip und erste Probeversuche.

Weitere Informationen sind dem Vortrag Instandsetzung durch Aufkleben von Stahlblechen vonHerrn Friedrich zu entnehmen.

80 mm Asphaltbelagzustzliche Stahlplattebestehendes Stahldeckblech

Prinzip Probeversuch

Bild 20: Instandsetzung von aufgeklebten Stahlblechen

6.5 Modifikationen der AsphaltbelgeDer Standardbelag bei einer Stahlbrcke entspricht den geregelten Bauarten nach ZTV BEL ST, d. h.in der Regel aus den zugelassenen Bauarten fr die Dichtungsschicht und zwei 35 mm starkeGussasphaltschichten mit einem Polymer modifiziertem Bitumen (Pm B45).

Um die Verbundeigenschaften zwischen dem Asphaltbelag und dem Stahlblech weiter zu steigernwerden verschiedene Lsungen z. Zt. untersucht.

~ 75-80mm

Deckschicht(Gussasphalt)

(Gussasphalt)Schutzschicht

AsphaltBelag

DichtungsschichtStahldeckblech

Bild 21: Regelaufbau fr Stahlbrcken

- Einsatz von Pm B25Durch die Reduktion des Bindemittelgehaltes wird der Asphaltbelag steifer, somit erhht sichdie Verbundwirkung. Untersuchungen belegen die Einsetzbarkeit auch bei tiefenTemperaturen, so dass unter normalen Einsatzbedingungen keine Rissbildung zu erwartenist.

- Einsatz von Karbongitter im AsphaltbelagDurch eine eingelegte Bewehrung soll die Rissbildung im Asphalt vermieden werden,hierdurch kann eine Reduktion der Verbundwirkung aufgrund von Rissen beseitigt werden.

35

- Offenporiger, mit Epoxydharz vergossener AsphaltErste probeweise Anwendung an Bushaltestellen belegen eine hohe Standfestigkeit dieserBelge auch bei hohen Sommertemperaturen

- Reflektionsschichten auf dem AsphaltbelagReflektionsschichten auf den Standardbelgen oder helle Gesteinseinstreuungen knnen eineTemperaturreduktion im Asphalt bei Sonneneinstrahlung im Sommer durch Reflektion derSonnenstrahlung bewirken, so dass der Abfall der Verbundwirkung reduziert wird.

Inwieweit diese Manahmen wirksam und wirtschaftlich sind werden weitere Untersuchungenergeben.

7. SchlussfolgerungenZ. Zt. sind verschiedene Lsungen zur nachhaltigen Ertchtigung orthotroper Fahrbahnplatten in derErforschung, teilweise wurden bereits erste Probeanwendung durchgefhrt. Erste Pilotprojektewurden in Deutschland mit der SPS Manahme, dem Einsatz von PmB 25 und in den Niederlandenu. a. mit dem hochfesten, mit Stahlfasern versehenen und bewehrten Beton durchgefhrt. Zu weiterenMglichkeiten, wie dem offenporig mit Epoxid Harz vergossenen Asphalt werden nochBauteilversuche durchgefhrt, die die Wirksamkeit solcher Manahmen besttigen sollen.

Die Schlussfolgerungen sind z. Zt. wie folgt:

- Behandlung bauweisenbedingter Schden:

Zur Behebung der Ursachen sind fallspezifische Lsungen erforderlich, die in der Regel nicht zueiner Verbesserung der allgemeinen Ermdungsfestigkeit orthotroper Fahrbahnplatten beitragen.

- Behandlung bauweisenunabhngiger Schden:

Die Instandsetzung der Schden ist mglichst in Kombination mit einer geeignetenErtchtigungsmanahme durchzufhren, so dass die orthotrope Fahrbahnplatte auch frzuknftige Verkehrsbeanspruchungen dauerhaft ist.

- Die Instandsetzungsmanahmen sind im Gesamtzusammenhang des Brckenbauwerks zusehen:

Die Instandsetzung von Schden ist in einem Gesamtzusammenhang mit anderen erforderlichenUnterhaltungsmanahmen an der Brcke zu sehen, so kann z. B. eine mglicheSchweireparatur an der Brcke ein Auswahlkriterium fr die Art der Belagserneuerung und dieWahl einer geeigneten Abdichtung sein.

8. Literatur[1] Untersuchung zur nachhaltigen Instandsetzung von orthotropen Fahrbahnplatten von

Stahlbrcken unter Bercksichtigung des Belagssystems, 1. Zwischenbericht FE15.405/2004/CRB, Auftraggeber: Bundesministerium fr Verkehr, Bau- und WohnungswesenDurchfhrung: Bundesanstalt fr Strassenwesen, Bearbeitung: Ing.-Bro Prof. Sedlacek &Partner, Aachen 2005

[2] Sedlacek, G.; Paschen, M.; Geler, A.; Wagener, J.: Gutachten zur Verwendung des Sandwich-Plattensystems SPS fr die Verstrkung der Stahlfahrbahnplatten des D-Brckengertes,Lehrstuhl fr Stahlbau der RWTH Aachen in Zusammenarbeit mit dem Ing.-Bro Prof. Sedlacek& Partner, Aachen, Mrz 2005

[3] Boersma,P.D.; de Jong, F.B.P.: Techniques and solutions for rehabilitation of orthotropic steelbridge decks in the Netherlands, Ministry of Transport, Public Works and Water Management

[4] Paschen, M.: Untersuchungen zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit orthotroperFahrbahnplatten von Straenbrcken (in Vorbereitung)

[5] Vortragsprsentation der Fa. Krupp Stahlbau Hannover in Krefeld vom 3.08.2005[6] Sedlacek, G.; Feldmann, M.; Paschen, M.; Geler, A.: SPS-Applications in bridge design,

Safety- and economy- aspects, PU Magazine, Vol 2, No 4, Oktober 2005

36

Erfahrungen ausden NiederlandenDipl.-Ing. J. S. Leendertz,Dipl.-Ing. F. B. P. de Jong,Bouwdienst Rijkswaterstaat,Niederlande

Aspekte zur Ermdungvon orthotropen Fahrbahnplattenin den NiederlandenDipl.-Ing. J. S. Leendertz,Bouwdienst Rijkswaterstaat,Niederlande

1. Allgemeines

Rijkswaterstaat wurde vor etwa 200 Jahrenvom Bruder des franzsischen Kaisers Napo-leon gegrndet und ist in den Niederlanden derEigner aller Autobahnen, Flsse, Kanle,Deiche und Wehre sofern sie von nationalerBedeutung sind.

In der Vergangenheit hat Rijkswaterstaat dieBauwerksplanung selbst bernommen, jetzterfolgt die Planung meist ber sogenannteDesign and Build Kontrakte.

2. Lastbertragung

Die Lastbertragung von den Rdern auf dieorthotrope Fahrbahnplatte erfolgt bei Brckenmit dickeren Belgen (>50mm) ber die As-phaltschicht oder bei Brcken mit dnnerenBelgen (

37

Bild 3: bersicht der ermdungsempfindlichen Details

Tab. 1: bersicht von Schadenstypen (P=Praxis, T=Versuch)

Observation Loca-tion

Deck plateLongitudinal weldTransverse weldDeck plate to crossbeamContinuous closed stiffener to deck plate

No cracksNo cracksNo cracksCracks, predominantly in bridges with a thin wearingcourse and in some heavily trafficked bridges with athick wearing course (P),(T)

D.1D.2D.3D.1.4

Open stiffenerStiffener to deck plate weld No cracks S.0Closed stiffenerStiffener to deck plate weld

Stiffener spliceClosed stiffener fitted between crossbeamsContinuous stiffener at crossbeam connection:

1) Welded around2) With oval cope hole3) With Haibach cope hole4) On plate support

Numerous cracks in heavily trafficked bridges (P),(T)Cracks in various bridges (P),(T)Cracks in various bridges (P),(T)

Cracks in test specimens (T)Cracks in test specimens (T)Cracks in test specimens (T)Cracks in test specimens (T)

S.1

S.2S.3

S.4.1S.4.2S.4.3S.4.4

Crossbeam

Crossbeam web to deck plate weldCrossbeam to open stiffenerCrossbeam to closed stiffener between crossbeamsCrossbeam to continuous closed stiffener:

1) Welded around2) With cope hole

3) With Haibach cope hole4) With plate support

Cross beam web, free edge of cope hole

No cracksCracks in crossbeam web near stiffener (P)Cracks from stiffener and weld into crossbeam (P), (T)

Cracks in test specimens (T)Cracks in web near stiffener and at cope hole edge(P), (T)Cracks in test specimens (T)No cracksCracks in real crossbeams (P) and test specimens (T)

C.1C.2C.3

C.4.1C.4.2

C.4.3C.4.4C.4.5

38

4. Deckblechrisse

Allgemeine Aspekte bezglich Deckblechrisseund Instandsetzungsmanahmen sind in demanschlieenden Beitrag Analysen und Lsun-gen fr Instandsetzung Orthotroper Stahlbr-cken in den Niederlanden (Deckblech-Riss-Problematik) von P.D. Boersma, N.B.P. deJong und J.S. Leendertz enthalten und weitereDetails zu den Analysen und Manahmenwerden ausfhrlich im darauf folgenden Bei-trag Instandsetzung mit hochfestem, bewehr-tem Stahlfaserbeton von N.B.P de Jong er-lutert.

5. Risse in den Verbindungen zwischenden Steifen

Analysen (Lit. 3) zeigten, dass die geschweiteVerbindung mit der Schweibadsicherung einesehr niedrige Ermdungsfestigkeit hatte. Inmanchen Fllen wurde die Verbindung mitZwang zu Stande gebracht; das fhrte zu einerSchweinaht mit einer sehr kleinen Basis, diekeinen Schrumpf erlaubte. Inzwischen existie-ren bessere Vorgaben fr die Schweinaht-vorbereitung und es wird ein gengend hoherErmdungswiderstand erreicht. Bild 4 zeigtdieses Detail.

Bild 4: Verbindung zwischen den Trapezsteifen

6. Verbindungen von durchgehendennicht geschlossenen Steifen mit Quer-trgern

Bei zwei Brcken wurden Risse gefunden (Bild5). Eine Analyse zeigte, dass nicht die direkteLastbertragung, aber die Kombination vonQuertrger-Biegung und Verdrehung von derSteife unter Fahrzeugbelastung die Hauptur-sache war. Die Aussparung wurde etwas er-hht und seitdem wurden keine Schden mehrfestgestellt.

7. Steifen zwischen den Quertrgern

Die Verbindungen von Trapezsteifen zwischenden Quertrgern (Bild 6) haben eine sehr nied-rige Ermdungsfestigkeit, obwohl voll ge-schweite Verbindungen besser sind als Eck-nhte.

Bild 5: Verbindung einer offenen Steife mit dem Quer-trger

Bild 6: Trapezsteifen zwischen den Quertrgern

8. Andere Verbindungen

Bei den anderen Verbindungen wurden bisjetzt nur in Ausnahmefllen Risse festgestellt.Ausfhrlicher werden die Details auch in Lit. 4,7 10 abgehandelt.

Bild 7: Durchgehende Trapezsteife rundum geschweit

Bild 8: Durchgehende Trapezsteife mit ovalerAussparung

Riss

1

1 Schweibadsicherung 2 Trapezsteife

39

Bild 9: Durchgehende Trapezsteife mit Haibach Aus-sparung

Bild 10: Durchgehende Trapezsteife ber Sttze(Schwebende Decke)

9. Schlussfolgerungen

Als Schlussfolgerungen knnen folgendePunkte festgehalten werden:

Die Ermdung wurde schon frh als Risikobetrachtet.

Die am meisten gefhrdeten Stellen liegen inder Nhe der Straenoberflche.

Die frheren Randbedingungen fr Versuchesind bisweilen berholt.

Herstellung und Bauweise sollten bereits beimEntwurf bercksichtigt werden.

10. Literatur

Eine Auswahl von Literatur (ausgenommenDeckblechprobleme):

1. prEN 1991-2 Eurocode 1 :2002 Actionson structures Part 2 : Traffic loads onbridges

2. Fisher, J.W. (1977), Bridge Fatigue Guide,Design and Details, American Institute ofSteel Construction Inc., New York, UnitedStates of America

3. Kolstein, M.H., Back, J.de, (1989), Meas-urement and Interpretation of Dynamic

Loads on Bridges, Phase 3, FatigueStrength of Orthotropic Steel Decks, Part2, Trough to Cross Beam connections,Research sponsored by the EuropeanCommunity of Steel and Coal, Delft Uni-versity of technology, faculty of civil Engi-neering, The Netherlands

4. Bruls, A., Caramelli, S., Cuninghame,J.R., Jacob, B., Kolstein, M.H., Lehrke,H.P. Pautremat, E. Le, (1997), Measure-ment and Interpretation of Dynamic Loadson Bridges, Phase 4, Fatigue Strength ofOrthotropic Steel Decks, Part 2, Trough toCross Beam connections, Researchsponsored by the European Community ofSteel and Coal, Delft University of tech-nology, faculty of civil Engineering, TheNetherlands

5. Instituut TNO voor Bouwmaterialen enBouwconstructies (1976)Onderzoek naarhet gevaar voor het ontstaan van vermo-eiingsscheuren in de langslas tussen hetdek en de verstijvingsrib in een orthotropeplaatbrug Rapport B-76-39

6. Drost, T., (1965), Vermoeiingsscheurenaan verbindingen tussen langsliggers endwarsdragers bij orthotrope plaatvloeren,Delft University of Technology, Faculty ofCivil Engineering, The Netherlands,Scriptie 6-65-8

7. Falke, J. (1983), Zum Tragverhalten undzur Berechnung von Quertrgern or-thotroper Platten, Dissertation, technischeUniversitt Carolo_Wilhelmina, Braun-schweig, Germany

8. Haibach, E., Plasil,I., (1983), Untersu-chungen zur Betriebsfestigkeit von Stahl-leichtfahrbahnen mit Trapezhohlsteifen inEisenbrckenbau, Der Stahlbau, WilhelmErnst und Sohn.

9. Leendertz, J.S., Kolstein, M.H., Warden-ier, J., (1995), The Behaviour of TroughStiffener to Cross beam Connections inOrthotropic Steel Bridge Decks, HeronVolume 40, Delft University, The Nether-lands

10. Ypeij, E. (1972), New Developments inDutch Steel Bridge Building, IABSE Con-gress, Amsterdam, The Netherlands

40

Analysen und Lsungen fr In-standsetzung orthotroper Fahr-bahnplatten in den Niederlanden(Deckblech-Riss-Problematik)Dipl.-Ing. P. D. Boersma,Dipl.-Ing. F. B. P. de Jong,Dipl.-Ing. J. S. Leendertz,Bouwdienst Rijkswaterstaat,Niederlande

1. Einfhrung

Im Jahr 1996 wurden am beweglichen Teil vonder Brienenoordbrcke in der Autobahn A16bei Rotterdam Risse im Deckblech festgestellt.Bild 1 zeigt einen Riss und Fig. 2 zeigt dieBrcke beim ffnen fr die Schifffahrt.

Bild 1: Riss

Bild 2: Beweglicher Teil der Brienenoordbrcke

Die folgenden Aktivitten wurden ausgefhrt:

1) Analyse der Verkehrsbelastung (Fahr-zeugtypen, Lasten, Anzahl)

2) Inspektionsergebnisse vom Belagbei anderen Brcken

Schlielich wurde das PSR-Projekt gestartet:

Problematiek Stalen Rijdekken

Problematik Sthlerne Fahrbahntafel

2. PSR Ziele

Da sich in der niederlndischen Infrastrukturetwa 80 feste und bewegliche Brcken vonnationaler Bedeutung befinden, wurden diefolgenden Ziele gesetzt:

1) Analyse, welche Phnomene die Risseverursachen und wie diese in den Griff zukriegen sind.

2) Koordination von verschiedenen Parallel-initiativen.

3) Entwicklung von praktikablen, aber nichtzu teuren Lsungen.

4) Primr wird das Deckblech betrachtet.

Die folgenden Einflsse mussten bercksich-tigt werden:

Die Verkehrsbelastungen sind grergeworden und die Anzahl von Fahrzeu-gen hat in den letzten 20 Jahren zuge-nommen.

Die Ermdungsbelastungen wurden fr-her wohl bercksichtigt aber nicht gen-gend im Hinblick auf den heutigen Ver-kehr.

Hohe lokale Spannungen treten insbe-sondere im Deckblech auf.

3. Aufteilung des Projekts

Die folgenden Aspekte werden untersucht:

1) Inspektion

TOFD (Time of Flight Diffraction) Crack Pec: Inspektion durch 5 cm Be-

lag

US unter der Fahrbahntafel Andere Inspektionsmethoden Probabilistische Analysen als Unter-

sttzung von Inspektion und Unterhal-tung

2) Ermdungsanalysen

3) Instandsetzungsmanahmen

4) Lebensdauer verlngernde Manahmen

Calandbrcke als Pilotprojekt (AndereProjekte folgen)

5) Entwurfsregeln

6) Neue konstruktive Konzepte

41

Tab. 1: Beispiele:

Brcke, Belagsstrke (cm) Jahr Ermdungsberechnung Erste gefundene Risse

Ketel Bridge, beweglich (1 cm) 1968 2002 1998

Scharsterrijn, beweglich (1 cm) 1972 2004 2002

Van Brienenoord, beweglich (1 cm) 1990 1996 1997

Caland Bridge, beweglich (1 cm) 1969 1991 1998

Caland Bridge, fest (5 cm) 1969 2003 2002

Bridge Hagestein, fest (5 6 cm) 1980 2006 2002

Galecopper Bridge, fest (5 6 cm) 1971 1996 2002

Juliana Bridge, beweglich (1 cm) 1966 1997 2001

Bridge Ewijk, fest (5 6 cm) 1972 2001 Noch nicht

Muider Bridge, fest (5 6 cm) 1971 2006 Noch nicht

Instandsetzung mit hochfestem,bewehrtem StahlfaserbetonDipl.-Ing. F. B. P. de Jong,Bouwdienst Rijkswaterstaat,Niederlande

Auch in den Niederlanden sind die orthotro-pen Fahrbahnplatten von dem Ermdungs-phnomen betroffen; verschiedene Detailsweisen Risse auf.

Sehr bekannt sind zum Beispiel die Erm-dungsrisse, die im beweglichen Teil der Brie-nenoordbrcke bei Rotterdam im Sommer1997 gefunden wurden. Von den verschiede-nen ermdungsgefhrdeten Details sind zweiArten von Rissen besonders hervorzuheben:Die Deckblechrisse und die Risse in derLngsnaht zwischen Deckblech und Trog-steife.

Um diese Ermdungsprobleme zu lsen, isteine neue Art von Instandsetzungsphiloso-phie entwickelt worden. Folgende Bereichewerden unterschieden:

Ermdungs- bzw. Dauerfestigkeitsbe-rechnungen,

Instandsetzungsmethoden fr die ganzeFahrbahntafel und

Inspektionstechniken.Es wurden Instandsetzungsmethoden frbewegliche und feste Stahlbrcken entwi-ckelt.Eine sehr effektive Lsung fr feste Stahlbr-cken besteht darin, den in den Niederlandenblicherweise 50 mm dicken Gussasphalt

durch eine 50 mm dicke Schicht aus hochfes-tem, bewehrtem Stahlfaserbeton zu ersetzen.

Diese Instandsetzungsmethode wurde aufeinem Teil der Calandbrcke im Hafengebietvon Rotterdam im Jahr 2003 ausgefhrt. Andem Bauwerk wurden Spannungsmessun-gen sowohl vor als auch nach dem Ersetzendes Asphalts durch den Stahlfaserbetondurchgefhrt. Die lokalen Biegespannungenim Deckblech haben sich infolge der In-standsetzungsmanahme um etwa 70% bis80% verringert. Mit dieser starken Verringe-rung konnten die Ermdungsprobleme be-wltigt werden.

Bild 1: Prinzipskizze

42

Reparatur durch Stegaufpflasterung

Prof. Dr.-Ing. . Bucak,Stahl- und Leichtmetallbau,FH Mnchen

1. Stand der Wissenschaft und Technik, Literatur

Die erste grundlegende Arbeit ber orthotrope Platten entstand Mitte der 50er Jahre von Pelikan undEsslinger [1] gefolgt von Untersuchungen der LBF an 4,0 mm lagen Probekrpern mit dicken Stegble-chen (20 mm) fr das Eisenbahnbundesamt [2] mit modifizierter Ausnehmung und von Gauger + Ox-ford [3] fr torsionssteife Lngstrger. Ende der 80er Jahre liefen die ersten europischen For-schungsprogramme mit unterschiedlichen Hohlsteifenformen, deren Ergebnisse in [4] zusammenfas-send verffentlicht wurden.

Nach den ersten Rissen an den Staustufentoren Iffezheim wurden in Karlsruhe im Rahmen des SFB210 [7] die ersten Grobauteilversuche durchgefhrt.

hnliche Untersuchungen zur Erforschung deraufgetretenen Risse liefen hauptschlich in Japan[16], den USA [6] und in Holland [11]. Miki [10] gibteinen zusammenfassenden Bericht ber die Sch-den an japanischen Brcken und durchgefhrteReparaturmanahmen.

Bild 1: 9,0 m langer QTR- Probekrper der Karlsruher Untersuchungen

Aus [11] geht hervor, dass die Brienenoord Brcke in Rotterdam nach 7 Jahren Betrieb total erneuertwerden musste. Alle Risse waren im Bereich der hochbelasteten Fahrspuren aufgetreten, hnlich wiebei der Autobahnbrcke Karlsruhe [13] und diejenigen der Autobahndirektion Nord [12]. die Brckender Autobahndirektion Nord werden seit mehreren Jahren immer durch Ausfugen und Schweienrepariert.

Als Ergebnis der hollndischen Untersuchungen sollte eine Brcke an dieser Stelle in Rotterdam nachder durchgefhrten Verkehrszhlung und unter Verwendung der EC 3 S-N-Linien und der Miner Regelbei einer Bemessungslinie von 67 MPa und F = 1,1 folgende Lebensdauer erreichen:- 2,4 Jahre bei einer Fahrbahnblechdicke von 18 mm

- 18 Jahre bei einer Fahrbahnblechdicke von 24 mm

- 80 Jahre bei einer Fahrbahnblechdicke von 28 mm.

Diese utopischen Blechdicken knnen nicht Grundlage der zuknftigen Brckenbauwerke darstellen.Da die ersten Risse an den hollndischen Brcken vom Lngstrgerschweisto ins Fahrbahnblecheinwachsen (hnlich wie an der Karlsruher Autobahnbrcke), fhren die amerikanischen Kollegen

43

derzeit in einem groangelegten Forschungsprogramm [9] (gleichzeitige Prfung von 4 groen Fahr-bahntafeln, siehe Bild 2) Untersuchungen mit geschweiten bzw. unterschiedlich geschraubtenLngssteifensten an der Lehigh University (ATLASS-Laboratory) durch.

Bild 2: Probekrper mit geschraubten Lngstrgersten- Versuch an der Lehigh University, USA

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2. Schden an der Autobahnbrcke Karlsruhe

Die Schden an der Autobahnbrcke auf der A5 bei Karlsruhe aus dem Jahre 1982 knnen in dreiGruppen eingeteilt werden.

Gruppe 1:

Risse, die von den LTR-Stostellen ins Deckblechwandern

Gruppe 2:

Risse am QTR- Steg, entwe-der von der Schweikerbeoder von der Brennschnitt-kante ausgehend

Gruppe 3:

Risse an ausgesteiften Rah-menecken

Bild 3: Risse an der Karlsruher Autobahnbrcke

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Ausnehmungsform der bestehenden Brcke

Modifizierte Ausnehmung

(erster Vorschlag)

Bild 4: Spannungen an Quertrger- Ausnehmungen

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Bild 5: Autobahnbrcke Karlsruhe, DMS Applikation

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Belastungsmessung 11-3

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6Zeit [s]

Span

nung

[N/m

m]

724A1

724A2

724I1R

724I2R

725A2R

Bild 6: Autobahnbrcke Karlsruhe; Querschnitt, Achslasten (theoretisch); Situation im Betrieb;Ergebnisse der Spannungsmessungen

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3. Reparaturvorschlag zur Sanierung der Risse am Quertrger ausgehend von der Aus-nehmung

Die Ausarbeitung eines Reparaturvorschlages zur Sanierung und Ertchtigung von Stahlbrckenmit orthotroper Fahrbahn fr die Schadensart Risse am Quertrger ausgehend von der Ausnehmung(siehe Bild 7) soll durch Optimierung der Ausbildung der Ausnehmung und der Aufpflasterung deskritischen Stegbereichs erreicht werden. Die nachfolgenden Angaben wurden durch FE-Berechnungen untermauert. Durch Bauteilversuche sollen die Durchfhrbarkeit der Sanierungsma-nahme und die anschlieend zu erwartende Lebensdauer ermglicht werden.

Bild 7: Risse am Quertrger ausgehend von der Ausneh-mung

Bild 8: Reparatur mittels Aufpflasterung des Stegblechs

Die Instandsetzung einer Brcke ist deutlich kostengnstiger als ein Neubau. Die bisherige Repara-turform (Ausfugen und Zuschweien) mchten wir als ad-hoc Manahme definieren. Im Rahmeneiner Diplomarbeit wurden 3 Vorversuche durchgefhrt, die eine Lebensdauer nach dem Schweienvon etwa 30 % bis 50 % der ursprnglichen Lebensdauer ergab. Dieser Wert soll genauer verifiziertwerden. Nach den bisherigen Arbeiten aus Mnchen stellt sich als wirtschaftlich optimale Lsungdie Aufpflasterung des Stegblechs nach dem Ausfugen und Zuschweien des Risses dar. DieseAussage soll durch genauere numerische Untersuchungen verifiziert und durch versuchstechnischeUntersuchungen untermauert werden. Wissenschaftliche Kenntnisse werden ohne Zweifel auftreten,werden allerdings auch ebenso dazu fhren, dass neue Erkenntnisse beim Sanieren und Ertchtigenvon Brcken erfahren werden.

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4. Methodik des Vorgehens, alternative Lsungen

Folgende Reparaturschritte wurden vorgesehen.

4.1 Anbringen eines Rissstoppers, Ausfugen und Zuschweien des Risses.

Bild 9 zeigt einen durch Zuschweien sanierten Riss als ad-hoc Manahmen. Das Zuschweien desRisses ist aber auch beim Sanieren mittels Blechaufpflasterung erforderlich, da sonst der ursprngli-che Riss sofort ber der Schweinaht des Pflasterbleches in das neue Verstrkungsblech bertragenwird (siehe Bild 10 und 11)

Bild 9. Durch Schweien sanierter Riss, Autobahnbrcke Karlsruhe

Bild 10: Risse an der QTR-Ausnehmung (Rissende mit einemQuerstrich gekennzeichnet)

Bild 11: Riss wurde bertragen durch die Schweinahtauf das Verstrkungsblech (vorhandene Rissewerden vor dem Aufpflastern nicht zugeschweit

4.2 Schweinahtausbildung

Zur Klrung des Problems, welche Schweinahtausbildung im vorliegenden Fall den gnstigstenKerbfall darstellt wurden in Mnchen ebenfalls einige Vorversuche durchgefhrt (siehe Bild 12). DasVerstrkungsblech wurde mit einem um die ffnung gebogenen Vierkantmaterial simuliert. Darauswurde ersichtlich, dass im vorliegenden Detail Kehlnahtschweiungen besser sind als HV-Nhte.Durch verschiedene Probekrperformen und weitere versuchstechnische Untersuchungen soll dieseAussage noch verifiziert werden.

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Bild 12: Versuchskrper mit aufgetretenem Riss (Risse traten immer an der Seite mit K- Naht-