DE10110606A1 - Verfahren zur kontrollierten Nutzungsdauerverlängerung von Tragwerken, insbesondere von Brücken - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontrollierten Nutzungsdauerverlängerung von Tragwerken, insbesondere von auffällig gewordenen Brücken aus Stahlbeton- und Spannbeton kleinerer bis mittlerer Spannweiten sowie vergleichbarer Hochbauten. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mit Hilfe der experimentellen Tragsicherheitsbewertung erlangbaren objektiven, jedoch nur befristet gültigen Informationen zur aktuell vorhandenen Tragfähigkeit oder zu anderen relevanten Tragwerksfunktionen zu nutzen, so dass es möglich ist, den aktuellen Tragwerkszustand im Verlauf der nachfolgenden weiteren Nutzung jederzeit auf objektiver Grundlage zu bewerten. DOLLAR A Erfindungsgemäß werden bei Planung und Durchführung der experimentellen Tragsicherheitsbewertung (Kurzzeitversuch) relevante Messgrößen (Schlüsselmessgrößen) an geeigneten Stellen der Konstruktion so ausgewählt, dass deren zeitabhängige Veränderungen direkt oder indirekt mit Veränderungen der Tragfähigkeit oder anderer relevanter Tragwerksfunktionen korreliert sind. Für diese Schlüsselmessgrößen werden die im Verlauf des Kurzzeitversuchs als Funktion von Belastung und anderen Umwelteinwirkungen gemessenen Veränderungen registriert und damit gleichzeitig belastungsabhängig kalibriert. Im Ergebnis nachfolgender analytischer statischer Untersuchungen sind für diese Messgrößen solche Grenz- oder Sollwerte abzuleiten und festzulegen, deren zeitweilige oder ständige Überschreitung beginnende negative Veränderungen bei ...

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontrollierten Nutzungs­ dauerverlängerung von Tragwerken, insbesondere von auffällig gewordenen Brücken aus Stahlbeton- und Spannbeton kleinerer bis mittlerer Spannweiten sowie vergleichbarer Hochbauten.

Es ist bekannt, dass die Nutzungsdauer derartiger Tragwerke von vielen Faktoren abhängt, wie z. B. qualitätsgerechte Ausführung, sachgerechte Unterhaltung, natürliche Alterung, überlagerten Schädigungsprozessen, aber auch von wachsenden Funktionsanforde­ rungen, z. B. hinsichtlich Tragfähigkeit und Querschnittsgeomet­ rie. Während beim letztgenannten Grund der aktuelle bauliche Zustand weitgehend belanglos bleibt, erfordern vorzeitiger Abbruch und Neubau aus sonstigen Gründen in aller Regel eine entsprechende bewertungsgestützte Entscheidung. Die bisherige Bewertungspraxis (z. B. nach DIN 1076) ist weitgehend subjektiv geprägt und diffe­ renziert in diesem Sinne kaum nach dem jeweils angetroffenen Tragwerkszustand. Demzufolge tragen die so gewonnenen Bewertungs­ ergebnisse subjektiven Charakter mit allen daraus folgenden Konse­ quenzen. Angelaufene Arbeiten zur Entwicklung eines Bauwerks- Management-Systems lassen für die Zukunft bisher noch keine grund­ sätzlich veränderte Methodik der Zustandsbewertung erwarten. Wachsender Bestand mit entsprechend steigendem Unterhaltungsauf­ wand (allein in Deutschland gibt es inzwischen im Zuge von Fern-, Land- und kommunalen Straßen etwa 80.000 Brücken; in Europa wird der Bestand mit 760.000 Objekten angegeben, von denen jeweils etwa 90% auf Stahlbeton- und Spannbetonbrücken entfallen), sowie bei diesen Bauwerken in steigendem Maße nicht erreichte geplante Nutzungszeiträume belasten in Verbindung mit der undifferenziert praktizierten subjektiven Bewertungspraxis und deren Folgen die öffentlichen Haushalte zunehmend.

Es ist weiter bekannt, dass die aktuell vorhandene Tragfähigkeit geschädigter oder in anderer Weise auffällig gewordener Tragstruk­ turen mit Hilfe der Methode der experimentellen Tragsicherheitsbewertung (Probebelastung mit stufenweise eingetragenen Versuchslas­ ten) mit entsprechendem versuchstechnischen Aufwand wirklichkeits­ nah, d. h. objektiv basiert bestimmt werden kann. Allerdings tragen die so gewonnenen Ergebnisse Kurzzeitcharakter. Daher ist deren Gültigkeitsdauer vor allem wegen möglicher fortschreitender alterungs- oder schädigungsbedingter Zustandsveränderungen in der Regel auf eine Größenordnung von 5 bis 10 Jahren begrenzt. Außer­ dem ist bekannt, zeitabhängige Zustandsveränderungen an Tragwerken als Folge äußerer Einwirkungen oder materialspezifischer Verände­ rungen relativ zu einem Bezugszeitpunkt auf dem Wege von Langzeit­ beobachtungen auswählbarer Messgrößen mittels Monitoring messtech­ nisch zu quantifizieren.

Als wichtige Messgrößen wurden bisher die Formänderung (Durchbie­ gung, Dehnungsverhalten, Rissbreite, Drahtbrüche), das Schwin­ gungsverhalten (Dämpfung, Eigenfrequenz) und Potentialdifferenzen bei Korrosionsprozessen bekannt. Zur Erfassung sind verschiedene Messverfahren und Messgeräte in der Erprobung bzw. im Einsatz, wie faseroptische Systeme/Lichtleitersensoren, Radarinterferometer, Laserabtastung, Beschleunigungssensoren, Ultraschall und chemische Sensoren.

Voneinander unabhängige Anwendungen jeder dieser beiden Verfahren befinden sich im Bauwesen seit einigen Jahren in der pilothaften Erprobung. Die Methode der experimentellen Tragsicherheitsbewer­ tung hat kürzlich in Form einer Richtlinie eine erste Legalisie­ rung erfahren. Die nachhaltige Rationalisierung dieser Methode ist Ziel weitergehender Entwicklungen. Für Langzeitbeobachtungen mittels Monitoring sind bisher hauptsächlich objektspezifisch entwickelte Prototypanwendungen bekannt geworden. Daneben stehen in jüngster Zeit auch erste Systemlösungen, allerdings jeweils auf spezifische Funktionsanforderungen zugeschnitten, kommerziell zur Verfügung. In der DE OS 33 11 575 ist eine Einrichtung und Verfahren zur Bauabnahme veröffentlicht, die aber ebenfalls keine Aussagen über die zeitabhängige Veränderung des Tragverhaltens bei älteren Bauwerken ermöglicht.

Zweck der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, welches es insbesondere bei auffällig gewordenen Tragwerken gestattet, deren Abbruch und Neubau oder teure Instandsetzungen auf längere Zeit kontrolliert zu vermeiden und so die Beobachtungsaufwendungen durch die Nutzungsdauerverlängerung zu amortisieren und daneben beträchtliche ökonomische und ökologische Ressourcen einzusparen.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mit Hilfe der expe­ rimentellen Tragsicherheitsbewertung erlangbaren objektiven, jedoch nur befristet gültigen Informationen zur aktuell vorhande­ nen Tragfähigkeit oder zu anderen relevanten Tragwerksfunktionen zu nutzen, so dass es möglich ist, den aktuellen Tragwerkszustand im Verlauf der nachfolgenden weiteren Nutzung jederzeit auf objek­ tiver Grundlage zu bewerten.

Erfindungsgemäß werden bei Planung und Durchführung der experimen­ tellen Tragsicherheitsbewertung (Kurzzeitversuch) relevante Mess­ größen (Schlüsselmessgrößen) an geeigneten Stellen der Konstrukti­ on so ausgewählt, dass deren zeitabhängige Veränderungen direkt oder indirekt mit Veränderungen der Tragfähigkeit oder anderer relevanter Tragwerksfunktionen korreliert sind. Für diese Schlüs­ selmessgrößen werden die im Verlauf des Kurzzeitversuchs als Funktion von Belastung und anderen Umwelteinwirkungen gemessenen Veränderungen registriert und damit gleichzeitig belastungsabhän­ gig kalibriert. Im Ergebnis nachfolgender analytischer statischer Untersuchungen sind für diese Messgrößen solche Grenz- oder Soll­ werte abzuleiten und festzulegen, deren zeitweilige oder ständige Überschreitung beginnende negative Veränderungen bei der Tragfä­ higkeit oder vergleichbar relevanten Hauptfunktionen signalisiert. Während der nachfolgenden Langzeitbeobachtung mit Hilfe eines geeigneten Monitoring-Systems bietet der Vergleich der aktuell gemessenen Istwerte mit den Grenz- oder Sollwerten die Grundlage der jeweiligen Zustandsbewertung. Das Monitoring-System ist so aufgebaut, dass sein Einsatz bei unterschiedlichen Beobachtungs­ aufgaben möglich ist (flexibel anpassbar an z. B. variierende Objektart und -größe, statische und dynamische Messmodi, spezifi­ sche Infrastruktur- und Umweltbedingungen), dass es über eine hohe Lebensdauer bei geringem Unterhaltungsaufwand verfügt, dass die bidirektionale Kommunikation (Datentransfer, Einstellungen zu Betriebsmodus und Messregime, Fehlermeldungen u. a.) entfernungsu­ nabhängig über Telefonleitung oder über das Internet erfolgen kann, dass mehrere Einzelsysteme im Verbund betrieben werden können und dass die selektive Verfügbarkeit aller relevanten Informationen für ein auswählbares Objekt des Systemverbundes durch das zugehörige Datenmanagement sichergestellt wird. Abhängig vom objekt- und datumspezifischem Bewertungsergebnis kann schließ­ lich über die Einleitung erforderlicher Maßnahmen entschieden werden.

Beispiele

Die Erfindung soll nachstehend an einem für ein kleineres Objekt charakteristischem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. An einer etwa 40 Jahre alten dreifeldrigen Spannbetonbrücke wurden bereits vor längerer Zeit Korrosionsschäden an den Einzelstab­ spanngliedern festgestellt. Als Ursache kamen Planungs- und Aus­ führungsmängel in Betracht (zu enger Spanngliedabstand, örtlich mangelhaft verdichteter Beton, teilweise nicht verpresste Spann­ glieder). Trotz erfolgter aufwendiger Sanierung zeigten sich später neue Mängel, die auf weitergehende Korrosionsvorgänge hindeuteten. Aufgrund dieser Situation wurden zunächst Abbruch und Neubau der Brücke in Betracht gezogen, im weiteren Verlauf dann aber ein Kurzzeitversuch (Probebelastung mit stufenweise eingetra­ genen Versuchslasten) und anschließender Langzeitbeobachtung mittels Monitoring nach dem Prinzip der "kontrollierten Nutzungs­ dauerverlängerung" vorgesehen. Die Ergebnisse aus dem Kurzzeitver­ such belegten, dass die rechnerische Tragfähigkeit infolge der vorhandenen Korrosionsschäden bisher nicht in Mitleidenschaft gezogen wurde. Als Schlüsselmessgrößen wurden zwei bei maximaler Versuchsbelastung beobachtete Risse sowie redundant dazu zwei Durchbiegungen in Feldmitte der Hauptöffnung ausgewählt. Mehrere Temperatur-, Luftfeuchte- und Beschleunigungssensoren (letztere zwecks Signalauslösung zur automatischen Erfassung von Überfahrten durch Fahrzeuge mit unzulässiger Belastung) vervollständigten die zu beobachtenden Messgrößen. Als maßgebende Grenzwerte, deren dauerhafte Überschreitung eine beginnende Gefährdung des Tragwerkes signalisieren würde, wurde die beginnende Öffnung (w 0,01 mm) der beiden unter Normalbedingungen geschlossenen Risse ermit­ telt. Das Monitoring-System besteht in diesem Fall aus je zwei Rissweiten-, Neigungs-, Beschleunigungs- sowie Luftfeuchtesensoren und 6 Temperatursensoren, drei Multi-Sensor-Module und einem Master mit Kommunikationseinheit. Als Masterstandort wurde ein Pfeilerkopf gewählt; Energieversorgung und bidirektionale Daten­ übertragung erfolgen netz- bzw. drahtgebunden. Das Messregime sieht Messungen mit allen Sensoren (mit Ausnahme der Beschleuni­ gungssensoren) alle zwei Stunden vor. Daneben ist die ereignisab­ hängige Erfassung von Überfahrten mit Fahrzeugmassen m 30 t im dynamischen Messmodus vorgesehen. Die Kommunikation mit dem Moni­ toring-System zwecks Datentransfer und Funktionskontrolle wird manuell oder automatisch hergestellt. Die Messphasen können bei der vorliegenden Aufgabenstellung auf z. B. je zwei Monate im Sommer und im Winter eingeschränkt werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur kontrollierten Nutzungsdauerverlängerung von Tragwerken, insbesondere von Brücken aus Stahlbeton und Spannbeton kleinerer bis mittlerer Spannweite sowie vergleichbarer Hochbauten, deren aktuelle Tragfähigkeit z. B. mittels stufenweise eingetragener statischer Probebelastung im Kurzzeitversuch bestimmt wurde, dadurch gekennzeichnet,
dass Kurzzeitversuch und Langzeitbeobachtung so miteinander kombiniert werden, dass es gelingt, die bisher vorwiegend subjektive Zustandsbewertung vor allem der Tragfähigkeit auf objektiver Grundlage durchzuführen und damit eine neue Bewertungsqualität zu erreichen,
mit Hilfe der im Kurzzeitversuch gewonnenen Meßdaten zur Charakterisierung des aktuellen Belastungs-Formänderungs­ verhaltens, gegebenenfalls unter Beachtung dessen Abhängigkeit von Temperatur und anderen Einflüssen mittels statischer Analyse für ausgewählte Messgrößen Grenzwerte zu bestimmen, deren zeitweilige oder ständige Überschreitung als objektives Anzeichen für einsetzende systematische und irreversible Veränderungen des Tragverhaltens zu werten sind,
wobei zur Langzeitbeobachtung ein geeignetes Monitoring-System am Tragwerk zu installieren ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Planung oder Auswertung des Kurzzeitversuches eine begrenzte Anzahl solcher Messgrößen (Rissbreite, Durchbiegung, Neigung usw.)ausgewählt werden, deren von Störeinflüssen bereinigte zeitabhängige Veränderungen der zugehörigen Messwerte objektiv mit Veränderungen der Tragfähigkeit der Tragstruktur korreliert sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Durchführung des Kurzzeitversuchs die Messdaten der ausgewählten Messgrößen als Funktion der stufenweise eingelei­ teten Belastung oder anderer relevanter Einwirkungen so regist­ riert und damit kalibriert werden, dass sie als Bezugs- und Bewertungsbasis für die während der nachfolgenden Langzeitbeobachtung erfassten Meßdaten geeignet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Langzeitbeobachtung ein modular aufgebautes, aus elektri­ schen, optischen, akustischen und/oder chemischen Sensoren, Multi- Sensor-Modulen und einem oder mehreren Mastern einschließlich Kommunikationseinheit sowie der zugehörigen Software-Module beste­ hendes Monitoring-System Verwendung findet.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Art und Anzahl der Sensoren zur Beobachtung der ausgewählten Messgrößen, Netz- oder solargestützte Energieversorgung sowie drahtgebundene oder drahtlose bidirektionale Datenübertragung für die Verbindungen Multi-Sensor-Modul-Master, ggf. Master-Master sowie Master-Zentrale abhängig von Objektart, -größe und/oder -lage ausgewählt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Monitoring-System in den beiden Messmodi Dauermessung (Messzeitpunkte einzelner oder aller Sensoren in frei wählbaren Zeitabständen) und ereignisabhängiger Messung (automatisch durch Fremderregung oder Überschreitung eines einstellbaren Triggerwer­ tes einer ausgewählten Messgröße ausgelöster dynamischer Messvor­ gang mit Registrierung von Pretriggerwerten) betrieben werden kann.

7. Verfahren nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die objektgebundenen Hardware-Systemkomponenten wahlweise auch für den Einsatz unter extremen oder stark veränderlichen Umweltbedingungen (Temperatur, Luftfeuchte, Spritzwasser, Stoßbe­ anspruchung, biologischem Angriff, Vandalismus) ausgelegt werden können.