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Neue Daten und Verfahren, um neue, nachhaltige Brücken zu bauen und vorhandene nachzurüsten

Die Sanierung und Verstärkung von Brücken ist teuer und zeitaufwendig und bringt deutliche sozioökonomische Verluste mit sich. Brückenbetreiber und -ingenieure fordern seit Längerem effizientere und weniger störende Verfahren für die Reparatur, Verstärkung und Instandhaltung von Brücken. Eine EU-Initiative hat sich dieser Forderung nun angenommen.

Verkehr und Mobilität
Industrielle Technologien

Die Häufigkeit und Kosten für Brückenreparaturen in Europa sind deutlich gestiegen. Die Gründe dafür sind ein höheres Verkehrsaufkommen, als bei der anfänglichen Konzeption erwartet wurde, raue Umgebungsbedingungen, die Verwendung von Streusalz, eine schlechte Qualität des Baumaterials und eine eingeschränkte Wartung.

Neue Möglichkeiten für die Konstruktion und Nachrüstung von Stahl-Beton-Verbundbrücken

Die externe Vorspannung nach der Betonierung ist eine anerkannte, zuverlässige Ertüchtigungsmethode für die Sanierung vorhandener und die Errichtung neuer Brücken. „Damit die Vorteile der korrosionsbeständigen Eigenschaften und hohen Festigkeit ausgeschöpft werden können, kommen für externe Spannglieder zunehmend faserverstärkte Polymer-Verbundwerkstoffe anstelle von herkömmlichen aus Stahl zum Einsatz“, erklärt Theodore Karavasilis, Koordinator des EU-finanzierten Projekts TimePresCompBridge. Spannglieder sind Stahlseile bzw. -drähte, die für vorgespannte Konstruktionselemente aus Beton, zum Beispiel Träger, genutzt werden. Bisherige Forschungsarbeiten zu vorgespannten Stahl-Beton-Verbundbrücken waren auf kurzfristige Belastungen ausgelegt. Diese Forschungsarbeit wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen gefördert. „Der unvermeidliche Verlust der langfristigen Leistung vorgespannter Verbundbrücken ist in der Praxis jedoch das Hauptanliegen, vor allem wenn Spannglieder aus faserverstärkten Polymer-Verbundwerkstoffen verwendet werden. Bei vorgespanntem Beton handelt es sich um eine im Bauwesen genutzte Art von Beton, die während der Herstellung deutlich verdichtet wird, um verstärkt zu werden.

Die Effektivität externer Spannglieder aus faserverstärkten Polymer-Verbundwerkstoffen

Projektpartner haben ein zuverlässiges Analyse- und Konstruktionsverfahren für Stahl-Beton-Verbundbrücken entwickelt, die mit externen Spanngliedern aus faserverstärkten Polymer-Verbundwerkstoffen vorgespannt werden. Sie untersuchten das Biegeverhalten und quantifizierten Zwängungsmomente in vorgespannten zweifeldrigen Stahl-Beton-Verbundträgern. Anhand einer parametrischen numerischen Untersuchung wurde beurteilt, wie effektiv die Verstärkung eines durchgehenden Stahl-Beton-Verbundträgers mit externen Spanngliedern unterschiedlicher Querschnittsflächen ist. Darüber hinaus begutachtete TimePresCompBridge die Zwängungsmomente in durchgehenden vorgespannten Verbundträgern mit unterschiedlichem Spanngliedaufbau unter symmetrischer und asymmetrischer Belastung. Die Ergebnisse zeigten, dass die externe Vorspannung nicht nur die Tragfähigkeit deutlich erhöht, sondern auch die Umverteilungsmöglichkeiten des Moments durchgehender Stahl-Beton-Verbundträger verbessert. Die Analyse zeigt auch, dass wichtige Zwängungsmomente während der gesamten Belastung bei durchgehenden vorgespannten Verbundträgern vorhanden sind. „Daher müssen Zwängungsmomente unbedingt bei der festigkeitsmäßigen Auslegung dieser Art von Brücken berücksichtigt werden“, merkt Karavasilis an. Das Forschungsteam beurteilte die Nutzung externer Spannglieder aus faserverstärkten Polymer-Verbundwerkstoffen anstelle von solchen aus Stahl bei der Vorspannung von Stahl-Beton-Verbundträgern. Es führte numerische Simulationen für ein- und zweifeldrige vorgespannte Verbundträger durch. Dabei wurden vor allem kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK), aramidfaserverstärkte Polymere und konventionelle vorgespannte Spannglieder aus Stahl hinsichtlich einer Vorspannung zwischen 0 % und 60 % verglichen. „Die Ergebnisse zeigten, dass sich Träger aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und Spannglieder aus Stahl ähnlich verhalten, während Spannglieder aus aramidfaserverstärkten Polymeren zu einer geringeren Traglast und einer höhere Verformungsfähigkeit führen“, so Karavasilis weiter. „TimePresCompBridge hat sich mit der Notwendigkeit auseinandergesetzt, neue Brücken zu entwerfen, die wirtschaftlicher sind, weniger Material erfordern und eine längere Lebensdauer haben, und Brücken bei minimalen Verkehrs- und Betriebsstörungen zu modernisieren und instand zu halten“, fasst Karavasilis zusammen. Als Ergänzung zum Projekt untersucht das Konsortium aktuell die Wettbewerbsfähigkeit vorgespannter Stahl-Beton-Verbundbrücken mit externen Spanngliedern aus faserverstärkten Polymer-Verbundwerkstoffen unter realistischen Bedingungen. Dabei werden sowohl die strukturelle Leistung als auch die Kosten betrachtet.

Schlüsselbegriffe

TimePresCompBridge, Brücke, Spannglied, faserverstärkter Polymer-Verbundwerkstoff, Spannglied aus faserverstärkten Polymer-Verbundwerkstoffen, Stahl-Beton-Verbundbrücke, Verbundträger, vorgespannter Stahl-Beton-Verbundwerkstoff, vorgespannte Stahl-Beton-Verbundbrücke

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