Fachbereich Bauingenieurwesen

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1 Fachbereich Bauingenieurwesen Instandhaltung und Sanierung von Spann- und Stahlbetonbrücken Zusammenfassung Diplomarbeit von Thomas Lang Betreuung : Prof. Dr.-Ing Othmar Springer Regensburg, September 2003

2 A. Einleitung Stahl- und Spannbetonteile wurden immer für eine vorgegebene Belastung statisch berechnet, dimensioniert und entsprechend hergestellt. Verschiedene Umstände können jedoch im Laufe der Nutzung eines Bauteils zur Folge haben, daß die ursprünglichen Annahmen für welche die Baustatik erstellt wurde nicht mehr die reale Situation widerspiegeln Die Hauptgründe hierfür sind : Alterung der Baustoffe Korrosion der Bewehrungseinlage Nutzungsänderung des Bauwerks geänderte Normen bezüglich Tragsicherheit resp. Belastungsannahmen usw. Brandfall / Erdbeben Diese Arbeit gibt einen kompakten Überblick über diese wichtigsten und modernen Methoden zur Instandhaltung und Sanierung von Stahl- und Spannbetonbrücken. Das Hauptaugenmerk richtet sich dabei einerseits auf die Entstehung, das erkennen und die Beseitigung von Betonschäden. Andererseits wird ausführlich auf die Möglichkeiten zur Wiederherstellung und Vergrößerung der Gesamttragfähigkeit von Brückenbauwerken eingegangen. B. Nach DIN sind unter Instandhaltung alle Maßnahmen zur Bewahrung und Wiederherstellung eines Sollzustandes sowie die Feststellung und Beurteilung eines Ist Zustandes von technischen Mitteln eines Systems zu verstehen. Bei Ingenieurbauwerken im Zuge von Straßen und Wegen sind demnach unter dem Begriff Bauwerksinstandsetzung alle Maßnahmen der Bauwerksunterhaltung und die Bauwerksüberwachung und Bauwerksprüfung nach DIN 1076 zusammenzufassen. Abbildung 1: Bereiche der Bauwerksinstandhaltung Bauwerksinstandhaltung Bauwerksunterhaltung Bauwerksüberwachung und Bauwerksprüfung Wartung und Pflege der Bauwerke Instandsetzung der Bauwerke Th.Lang Fachhochschule 2 Regensburg SS 03

3 Um Brücken in einem ordnungsgemäßen baulichen Zustand zu erhalten und um jederzeit ihre Standsicherheit garantieren zu können, müssen die einzelnen Bauwerke regelmäßig geprüft werden. Zur Einschätzung des Ist-Zustandes stehen eine Vielzahl von Unterlagen zur Verfügung: Bauwerksbuch Fertigstellungsabnahme (mit Niederschrift festgestellter Mängel und Schäden) Zwischenprüfberichte (einfache Prüfung alle drei Jahre) Gewährleistungsabnahme (nach fünf Jahren) Hauptprüfberichte (alle sechs Jahre) Prüfbericht aus besonderen Anlaß Lagerprüfberichte Risspläne Erfassungsbögen von Rissen in Spannbetonüberbauten Erfassungsbögen von Lagerschäden weitere Berichte über spezielle Untersuchungen z.b. Korrosionsschäden, Spannstahlschäden etc. gutachtliche Stellungnahmen zu festgestellten Schäden Abnahmeniederschriften und/oder Berichte erfolgter Instandsetzungen B.1. Sanierung von Betonschäden Betonschäden sind meist auf ungenügende Planung, mangelhafte Ausführung oder nicht erfolgte Nachbehandlung zurückzuführen. Oberflächenschäden auf Beton erkennt man an den typischen Erscheinumgsbildern die leicht zu erkennen und zuzuordnen sind. Dies sind im Einzelnen: Rostfahnen Biege- und Trennrisse, Rissbreiten über 1mm Risse entlang der Bewehrung und an Bauteilecken, Absprengungen Oberflächenrisse, ohne ausgeprägte Richtung, vor allem bei flächigen Bauteilen Zonen erhöhter Porosität nach Einwirkung von Feuchtigkeit Salzanreicherungen, Ausblühungen Treten solche optischen Hinweise für Betonschäden auf, sind vor einer Sanierung zunächst die genauen Ursachen für Entstehung des Schadens zu ermitteln. Dazu dienen einfache optische Prüfungen, aber auch die mechanische und chemische Analyse sind dabei erforderlich. Nur mit deren Kenntnis ist es möglich eine nachhaltige Sanierung durchzuführen. - Rissesanierung Risse im Stahlbeton lassen sich nicht grundsätzlich vermeiden. Ihre Breite muß jedoch auf ein unschädliches Maß beschränkt oder der Riß planmäßig geschlossen werden, um die Dauerhaftigkeit, Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit von Betonbauteilen zu gewährleisten. Th.Lang Fachhochschule 3 Regensburg SS 03

4 Vor jeder Rissinjektion sind jedoch folgende Punkte genau zu klären: Rissursache Risstiefe und Verlauf Rissuferbewegungen durch Temperaturänderungen bzw. dynamische Belastungen Feuchtigkeit, Verschmutzung des Risses Nach Erörterung dieser Punkte kann man Abschätzen ob eine Rissesanierung Sinn macht und mit welchen Materialien sie ausgeführt werden sollte. Hier stehen dann Epoxidharze, Zementleim und Polyurethanharze zur Auswahl. - Sanierung von Betonfehlstellen Betonersatz kann in Form von Spritzbeton oder händisch eingebracht werden. Dabei werden folgende Materialien verwendet: SPCC Betonersatzsysteme Betonersatzsysteme auf Basis Zementmörtel/Beton mit Kunststoffzusatz (PCC) Betonersatzsysteme auf Basis Reaktionsharzmörtel/ Beaktionsharzbeton - Oberflächenschutzmaßnahmen Wenn die Oberfläche eines Stahlbetonbauteils infolge von Herstellungsmängeln nicht die erforderliche Dauerhaftigkeit aufweist, kann man einer möglichen oder erneuten Schadensentstehung durch Oberflächenschutzmaßnahmen begegnen. Allgemein können Oberflächenschutzmaßnahmen für Beton folgende Aufgaben übernehmen: Vorbeugender oder nachträglicher Schutz vor betonschädlichen Stoffen Abdichtung gegen Flüssigkeiten und Gase Erhöhung der Griffigkeit und des Verschleißwiderstandes Schutz vor Verschmutzung, farbliche Gestaltung Beeinflussung der elektrischen Leitfähigkeit Eine genau Zuordnung der einzelnen Oberflächenschutzmaßnahmen zu bestimmten Anwendungsbereichen und Leistungsmerkmalen ist den maßgebenden Regelwerken ZTV- SIB und DAfStb RiLi-SIB Teil 1,2,3 zu entnehmen. - Sanierung von Fahrbahnplattenabdichtungen bei Brücken Bei Betonbrücken ist es notwendig, unter dem Straßenoberbau eine Dichtung, die den Konstruktionsbeton vor dem Eindringen von Wasser und Tausalzlösung schützt,aufzubringen. Bei dieser Abdichtung unter dem Fahrbahnbelag treten immer wieder Schäden auf, die umgehend beseitigt werden müssen. Handelt es sich um kleinere Schadensflächen die genau zu orten sind, kann die Neuabdichtung durchaus lokal begrenzt bleiben. Hinweise dafür sind einzelne wasserführende Tropftüllen. Meist wird jedoch im Zuge einer Fahrbahndeckenerneuerung die gesamte Brückenfläche neu abgedichtet. Th.Lang Fachhochschule 4 Regensburg SS 03

5 Grundsätzlich stehen drei Varianten der Abdichtung nach ZTV-BEL-B zur Auswahl: Abdichtung mit einlagiger Bitumenschweißbahn gemäß ZTV-BEL-B, Teil 1/87 Abdichtung mit zweilagiger Bitumendichtungsbahn gemäß ZTV-BEL-B, Teil 2/87 Abdichtung mit Polyurethan Flüssigfolie gemäß ZTV-BEL-B, Teil 3/87 Die ZTV-BEL-B gelten für bituminöse Brückenbeläge, die auf Brückentafeln aus Beton neu herzustellen oder zu erneuern sind, sowie gemäß Anhang zur ZTV-BEL-B für die Herstellung von Fahrbahnbelägen auf Trog- Tunnelsohlen aus Beton. B.2 Sanierung von Schäden am Bewehrungsstahl - Kathodischer Korrosionsschutz Der Kathodische Korrosionsschutz (KKS) ist ein aktives Schutzverfahren, bei dem der elektrochemische Korrosionsvorgang elektrisch beeinflußt wird. Die Grundlage des Verfahrens bildet die Potentialabhängigkeit der Korrosionsgeschwindigkeit. Im Betonbau wird der kathodische Korrosionsschutz erst seit wenigen Jahren als flächiger Korrosionsschutz verwendet, weshalb Langzeiterfahrungen fehlen. In erster Linie findet der KKS momentan Anwendung bei Chlorid geschädigten Brücken. Die ursprüngliche Anwendungsgebiete sind jedoch: äußerer Schutz erdverlegter stählerner Anlagen wie z.b. Rohrleitungen, Lagerbehälter Stahlwasserbauwerke im Kontakt mit Süß- oder Salzwasser Innenschutz von stählernen Tanks, Behältern, Fördereinrichtungen und Rohrleitungen B.3. Maßnahmen zur Sicherung und nachträglichen Erhöhung der Tragsicherheit - Nachträglicher Einbau von externen Spanngliedern Der Definition nach sind externe Spannglieder nachträglich vorgespannte Spannglieder die außerhalb des Betonquerschnittes, aber innerhalb des umhüllenden Betontragwerkes liegen und nur durch Verankerungen und Umlenksättel mit diesen verbunden sind. Nachträglich werden externe Spannglieder immer dann eingesetzt, wenn die Gebrauchstauglichkeit durch die ursprünglich eingebaute Bewehrung nicht mehr gewährleistet wird. Üblich ist dabei momentan der Einbau von Stahlspannglieder, aber es werden auch CFK- Spannglieder angeboten. Das CFK- Spannglied besitzt materialspezifische Vorteile, wird aber in Anbetracht der hohen Materialkosten sehr selten verwendet. - Unterspannung von Brückenträgern Wie oben erläutert sind laut Definition externe Spannglieder immer vom Bauwerk umschlossen und laufen somit im inneren des Kastenquerschnitts. Th.Lang Fachhochschule 5 Regensburg SS 03

6 Bei Brücken mit Plattenbalkenquerschnitt ist dies natürlich nicht möglich und so spricht man hier von einer Verstärkung durch Unterspannung des Bauwerks. Die externen Spannglieder oder seile werden zum Zugband eines unterspannten Trägers wenn sie zur Erzielung eines größeren Hebelarmes durch Luftstützen auf größeren Abstand zum Träger gehalten werden. Die Stützungen werden aus Stahlträgern gefertigt und bilden eine Fachwerkstruktur. - Verstärkung mit Klebebewehrung Diese Art der Tragwerksverstärkung hat in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen, da es sich hierbei um eine schnelle, wirtschaftliche und meist ohne große Eingriffe in die Bausubstanz realisierbare Verstärkungsmethode handelt. Anwendung finden hier Stahllamellen, CFK-Lamellen und CFK-Matten. Geklebte Bewehrung ist für vorwiegend ruhende, als auch nicht ruhende Beanspruchung geeignet. Die Eignung für die Durchführung der Klebearbeiten unter laufenden Verkehr bei lediglich eingeschränkten Schwerlastverkehr ist nachgewiesen. Eine weitere Verbesserung dieses Verfahrens stellt der Einsatz von vorgespannten CFK- Lamellen und eingeschlitzt verklebten CFK- Lamellen dar. Als besonderer Vorteil der eingeschlitzten Lamelle gilt der exzellente Verbund mit dem Bauwerk. Ein Delaminieren ist hier nicht zu befürchten und die gesamte Bruchzugkraft einer Lamelle kann auf einer Einschlitzlänge von 20 bis 30 cm in den Betonuntergrund eingeleitet werden. - Verstärkung mit Spritzbeton Die Verstärkung erfolgt durch Vergrößerung des Betonquerschnittes und / oder Erhöhung des Bewehrungsanteils. In der Regel wird hier natürlich auch die Konstruktion im belasteten Zustand verstärkt, d.h. der neu aufgebrachte Querschnittsteil kann sich nur an der Aufnahme zusätzlicher Lasten beteiligen, die nach der Verstärkung aufgebracht werden. Solch eine Mitwirkung der Verstärkung ist grundsätzlich nur möglich, wenn die durch zusätzliche Belastung auftretende Verformung des Altbetons über die Anschlußfuge in den Neubeton weitergegeben werden kann. Deshalb müssen hier Folgende Punkte besonders beachtet werden: Zugfestigkeit in der Anschlußfuge Reibungswiderstand in der Anschlußfuge Normalspannung zur Anschlußfuge Diese Grundüberlegung über die Anschlußfuge wird auch in den Richtlinien des DAfStb festgelegten Anforderungen deutlich. - Verstärkung mit textilbewehrten Beton Diese Art der Verstärkung befindet sich momentan noch in der Entwicklung, die von der TU Dresden im Sonderforschungsbereich 528 betrieben wird. Diese Entwicklungsarbeit ist allerdings noch nicht abgeschlossen und der Baustoff sicher noch nicht serienreif, hat aber Potential in der Zukunft eine gute Rolle im Bereich der Bauwerksverstärkung zu spielen. Th.Lang Fachhochschule 6 Regensburg SS 03

7 Zum Prinzip kann man jedoch sagen, daß hier die Funktion der Bewehrung von Textilien aus alkaliresistentem Glas (AR- Glas), Carbon oder synthetischen Kunststoffen (Polyproylen, PVA, u.a ) übernommen wird. Die Textilien sind in der Regel flächig zweidimensionale Gebilde, die als Bewehrung eingesetzt, sehr kleine Rissbreiten und eine sehr gute Rissverteilung erkennen lassen. Da weiterhin die für den Textilbeton eingesetzten Fasern im Gegensatz zur klassischen Betonstahlbewehrung keine Betondeckung zur Sicherstellung des Korrosionsschutzes, ist die Herstellung extrem schlanker Bauteile möglich. C. Schlußbemerkung Die Sanierung von Betonbrücken ist ein sehr weitreichendes und vor allem aber auch ein sehr interessantes Themengebiet. Da ist zunächst einmal die einfache Betonsanierung, die früher oder später an jedem Betonbauwerk von Nöten ist. Betonschäden werden immer auftreten, egal wie intensiv das Qualitätsmanagement betrieben wird, und deshalb ist es auch für jeden Bauingenieur ein absolutes Muß, die Grundlagen und Grundtechniken der Betonsanierung zu kennen. Gerade die gute Kenntnis der Entstehungsursachen von Betonschäden, die zu deren Analyse und Beseitigung von Nöten ist, schärft das Auge für fehlerhafte Ausführungen beim Neubau eines Bauwerks. Mit einem fundiertem Wissen über Bauschäden wird schon der Grundstein für eine qualitativ hochwertige Bauausführung gelegt. Die Vielseitigkeit und von ständigen Neuerungen bestimmte Thematik der Bauwerkssanierung, wird besonders bei Betrachtung der Möglichkeiten, die für eine Tragwerksverstärkung in Frage kommen deutlich. Was dort heutzutage bereits mit hochmodernen Baustoffen, wie beispielsweise Kohlefasern möglich ist, ist erstaunlich. Jedoch sind teilweise noch erhebliche höhere Kosten bei deren Einsatz mit einzukalkulieren. Aber auch intensive Forschungsbemühungen, wie beispielsweise textilbewehrter Beton an der TU Dresden, machen deutlich, daß dieser Sparte des Bauwesens in Zukunft eine große Bedeutung zugemessen wird. Das Neubauaufkommen im Brückenbau ist rückläufig, wo hingegen die Brückensanierung Zuwachsraten verzeichnen kann. Gerade die frühzeitige Beachtung solcher Innovationen können in der von starkem Konkurrenzdruck geprägten Baubranche, ein Schüssel für einen späteren Wettbewerbsvorteil sein. Th.Lang Fachhochschule 7 Regensburg SS 03