Brückenertüchtigung mit Carbonbeton

Allgemein bekannt ist, dass zahlreiche Stahl- und Spannbetonbrücken des Bestands statische Defizite im Hinblick auf die Querkraft- und Biegetragfähigkeit aufweisen. Aufgrund ihrer Netz­relevanz bzw. beschränkter Planungs- und Kostenressourcen können kurz- und mittelfristig nicht alle defizitären Bauwerke durch Neubauten ersetzt werden. Daher müssen die Bestandstragwerke ertüchtigt werden, um diese noch für einige Jahre im Bestand halten zu können. Eine ­Verstärkung mit Carbonbeton verspricht, eine minimalinvasive und wirtschaftliche Verstärkungsmethode zu sein, um die häufigsten Defizite von Stahl- und Spannbetonbrücken kompensieren zu können (vgl. Curbach 2021.) Aber auch für die Sanierung zur Widerherstellung der Dauer­haftigkeit von Bestandsbrücken kann Carbon­beton eine wirtschaftliche Instandsetzungsmethode darstellen. Im Bereich des Brücken- und Ingenieurbaus finden sich bisher nur vereinzelte Anwendungen von Textilbetonverstärkungen, die sich zudem auf Instandsetzungen beschränken. Der Schwerpunkt von Verstärkungen im Bereich des Hochbaus war einerseits auf die Material­eigenschaften der am Markt verfügbaren Bewehrungsmaterialien und andererseits auf offene Frage­stellungen zum Tragverhalten zurückzuführen. Aufgrund der Lage im Außenbereich und den nicht vorwiegend ruhenden Lasten ergeben sich bei Brücken gegenüber einer Anwendung in ­Innenräumen höhere Anforderungen an die Komponenten der Verstärkungsmaßnahme. In Verbindung mit Forschungsvorhaben aus der jüngeren Vergangenheit wurden neue textile Bewehrungen entwickelt sowie erweiterte Berechnungsansätze abgeleitet. Der Beitrag gibt ­zunächst einen Überblick über das Verstärkungsverfahren sowie vom Autor betreute Ertüchtigungsmaßnahmen und Sanierungsmaßnahmen an Brückenbauwerken mit Carbonbeton.

Brückenzug über die ­Nidda: Untersicht Teilbauwerk 3 
Foto: cbing

Das Verstärken mit Carbonbeton im Überblick

Seit 2014 liegt eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung für das Verstärken mit Carbonbeton vor, die den Bausatz bestehend aus feinmaschigem Carbongitter und einem Feinkornbeton regelt und stetig fortgeschrieben wird. Durch die hohe Leistungsfähigkeit in Kombination mit den geringen Schichtdicken kann der Werkstoff vielseitig eingesetzt werden. Nachfolgend wird ein kurzer Überblick zu den Verfahrensschritten bei der Verstärkung mit Carbonbeton gegeben.

Zunächst wird der Bestandsbeton soweit freigelegt, bis das Korngerüst und Zuschläge mit einem Durchmesser ≥ 4 mm sichtbar sind. Die hergestellte raue Fuge dient als Kontaktfläche zur ­Applikation der Verstärkungsschicht mit Carbonbeton und entspricht den gleichen Anforderungen, die auch bei einer Verstärkungsmaßnahme mit Spritzbeton vorausgesetzt werden. Im Gegensatz dazu sind aber keine zusätzlichen Verbindungsmittel zur Verdübelung von Bestand und Verstärkungsschicht notwendig.

Darstellung eines ­Carbonbetongitters
Foto: cbing

Nachdem der Untergrund kräftig vorgenässt ­wurde, kann mit dem Applizieren der Verstärkungsschicht begonnen werden. Dies kann im Handlaminierverfahren (i. d. R. für kleine Verstärkungsflächen) oder im Spritzverfahren (i. d. R. für großflächige Verstärkungen) erfolgen. In eine erste Verstärkungsschicht wird anschließend das gewählte Carbongitter oberflächennah eingebettet. Falls mehrere Lagen erforderlich sind, wird erneut eine Feinkornbetonschicht aufgebracht und das Textil erneut eingebettet. Als abschließende Schicht erfolgt der Auftrag der Feinkornbetondeckschicht. Wichtig im Rahmen der Ausführung ist, dass die einzelnen Feinkornbetonschichten frisch-in-frisch verarbeitet werden, um eine mögliche Schalungsbildung in der Verstärkungsschicht auszuschließen. Arbeitsfugen bzw. Verstärkungsabschnitte sind möglich, wobei in den Übergangsbereichen eine Aufrauung mit Besenstrich erforderlich ist. Erschütterungen und Bewegungen während der Verstärkungsarbeiten sind nicht zulässig. Aufgrund der vergleichsweise dünnen Verstärkungsschichten (Gesamtstärke 10 bis ≈ 40 mm) sind diese anfällig für schnelles Austrocknen, ­sodass eine konsequente Nachbehandlung notwendig ist. Aufgrund der Besonderheiten der Verstärkungsmethode ist die Umsetzung von Verstärkungsmaßnahmen mit Carbonbeton nur durch speziell geschultes Personal zulässig und zu überwachen.

Längs- und Querschnitt – Teilbauwerke 1 und 2
Illustration: cbing

Die Autobahnbrücken über die Nidda

Im Rahmen der Verstärkung dreier Autobahnbrücken über die Bundesautobahn (BAB) A 648 wurden erstmals Spannbetonbrücken mit Carbon­beton zur Sicherstellung eines ausreichenden Ankündigungsverhaltens verstärkt. Das Brückentrio setzt sich hierbei aus zwei Schwesterbauwerken aus den 1970er-Jahren und einem älteren Tragwerk aus den 1960er-Jahren zusammen. Während die beiden Schwesterbauwerke bereits 2020 mit Carbonbeton verstärkt wurden, folgte die Ausführung von Teilbauwerk 3 erst 2021. Der Brückenzug ist Bestandteil des Westkreuzes Frankfurt a. M. und Knotenpunkt der BAB A 5 und A 648. Beide Autobahntrassen sowie die dazugehörigen Verbindungswege überqueren im weitläufigeren Kreuzungsbereich den Fluss Nidda.

Bei allen Überbauten wurde Spannstahl verbaut, der als spannungsrisskorrosionsgefährdet gilt. Die Tragwerke zeigten rechnerisch kein ausreichendes Ankündigungsverhalten, sodass ein plötzliches Versagen des Überbaus nicht auszuschließen war. Um das Tragfähigkeitsdefizit zu beheben, wurde eine Verstärkung notwendig. In Hinblick auf die exponierte Lage im Verkehrsnetz am Westkreuz Frankfurt a. M. stellte sich die Verstärkung mit Carbonbeton als wirtschaftlichste und minimalinvasivste Verstärkungsmöglichkeit heraus.

Bauwerksüberblick Längs- und Querschnitt Teilbauwerk 3
Illustration: cbing

Eine ausführliche Darstellung zu Konzeption, Planung und Ausführung der Verstärkungsmaßnahmen am Brückenzug geben die Kurzbeschreibungen der Teilbauwerke.  

Die Teilbauwerke 1 und 2 (TBW 1 und TBW2) sind als zweistegige Plattenbalken mit einer konstanten Konstruktions­höhe von 1,20 m ausgelegt. Die 3-feldrigen Durchlaufträger überspannen die Nidda mit einer Spannweite von ≈ 32 m, wobei die Randfelder mit jeweils ≈ 17,5 m anschließen. Die lichte Höhe in den Randfeldern betrug im Bereich der flussläufigen Radwege lediglich ≈ 1,75 m, sodass das Lichtraumprofil bereits stark eingeschränkt war.

Aufgrund der ungünstigen Stützweitenverhältnisse aus Rand- zu Hauptfeld ist die Spanngliedführung entsprechend angepasst. Während diese im Hauptfeld parabolisch unter Ausnutzung der vorhandenen Konstruktionshöhe verläuft, sind die Spannglieder in den Randfeldern gleichmäßig über die Querschnittshöhe verteilt. Seinerzeit kam das Spannverfahren Philipp Holzmann (KA 141/40) zur Anwendung. Insgesamt sind über die gesamte Überbaulänge 13 Spannglieder mit jeweils 40 Drähten und einem Einzelquerschnitt von 30 mm² verbaut.

Das dritte Teilbauwerk (TBW 3) weist im Verhältnis zum Hauptfeld erneut kurze Randfelder auf. Das Hauptfeld überspannt mit ≈ 38 m die Nidda bei einer Konstruktionshöhe von ebenfalls 1,20 m. Gegenüber den beiden anderen Teilbauwerken sind hier sowohl das Rand- als auch das Hauptfeld als Hohlkasten ausgeführt. Hier kam das Spann­verfahren Polenzky und Zöllner A 100 zur Anwendung, bei dem ebenfalls gefährdeter Sig­ma-Oval-Spannstahl verbaut wurde. Eine Besonderheit stellt die Gründung des Bauwerks dar, da der Überbau auf Pendelstützen lagert und somit die üblichen Kastenwiderlager entfallen.

Verstärkungskonzept für Teilbauwerke 1 und 2
Illustration: cbing

Verstärkungskonzepte mit Carbonbeton für die Teilbauwerke

Aufgrund des fehlenden Ankündigungsverhaltens bei Spannungsrisskorrosion bei den Teilbauwerken war die Gefahr eines plötzlichen Versagens nicht auszuschließen, sodass Handlungsbedarf bestand. Seitens des Bauherrn wurden zunächst verschiedene konventionelle Verstärkungsmethoden projektiert. Die Vorschläge lieferten jedoch keine zufriedenstellende Lösung im Hinblick auf die örtlichen Randbedingungen und die stati­schen Anforderungen.  

Verstärkungskonzept für Teilbauwerke 1 und 2

Kritisch zeigte sich der Nachweis zur Vermeidung eines spröden Versagens an den TBW 1 und 2. Insbesondere die Randfelder und die Stützbereiche wiesen kein ausreichendes Ankündigungsverhalten auf. Unter Berücksichtigung der „Handlungsanweisung Spannungsrisskorrosion“ des BMDV, wurde eine Verstärkungsmaßnahme mit Carbonbeton konzipiert. Im Konkreten wurde für TBW 1 und 2 eine abgestufte Bewehrungsführung festgelegt. An der Brückenunterseite wurden aus statischen Gründen drei Lagen durchgehend verlegt und partiell um zwei Lagen ergänzt. An der Brückenoberseite wurden im Stützbereich bis zu sechs Lagen notwendig. Die Lagen 1 bis 4 sind hierbei abgestuft nur im Stützbereich verlegt und fungieren im Sinne einer Zulage. Die beiden äußeren Lagen 5 und 6 sind über die gesamte Bauwerkslänge angeordnet und bilden eine Grundbewehrung. Die streifenförmige Ausführung der Verstärkungsmaßnahme ergab sich seinerzeit aus der Breite der verfügbaren Mattenware. Aufgrund der dünnen Auftragsdicken war es möglich, die Carbonbetonverstärkung in den Fahrbahnaufbau zu integrieren.

Autor: Oliver Steinbock gehört zum Team von Curbach Bösche Ingenieure Dresden. Seine Dissertation zum Thema „Verstärkung von Stahl- und Spannbetonbrücken mit Carbonbeton“ ist auf dem Server der TU Dresden verfügbar: rb.gy/tz2d54
www.cbing.de
Foto: privat

Aspekte bei der Verstärkungsmaßnahme von Teilbauwerk 3

Die Verstärkung an TBW 3 erfolgte ähnlich wie bei den beiden anderen Teilbauwerken, da auch hier unter Anwendung der Handlungsanweisung des BMDV kein Ankündigungsverhalten über die Bauwerkslänge nachgewiesen werden konnte. Das Tragwerk zeigte rechnerisch jedoch ein insgesamt gutmütigeres Ankündigungsverhalten als TBW 1 und 2. In Kombination mit einer erweiterten Untersuchung nach dem alternativen stochastischen Nachweisverfahren für den Spannungsrisskorrosionsnachweis von Straßenbrücken (Rauert/ Zehetmaier 2018) konnte die Verstärkungsmaßnahme auf die Bauwerksoberseite beschränkt werden. In den Stützbereichen sowie bei Spanngliedabstufungen wurden bis zu vier Lagen in Längsrichtung notwendig, die in den statisch nicht relevanten Bereichen auf zwei konstruktive Lagen reduziert wurden.

Neben der Verstärkungsmaßnahme zur Sicherstellung der Resttragsicherheit im Falle einer Spannungsrisskorrosion zeigte sich jedoch auch der Kragarmanschnitt als defizitär. Grund hierfür war einerseits die ungünstige Anordnung der Fahrstreifen sowie die vergleichsweisen langen Kragarme, sodass hierfür eine Verstärkung in Querrichtung notwendig wurde. Auch hier kam die Materialkombination aus SITGrid 040 und Pagel TF-10 zum Einsatz, die in einer fünften Lage im Kragarmbereich um 90 ° zur Längsrichtung gedreht wurde und somit in Querrichtung wirkt.

Ertüchtigung der Stahlbetonplattenbrücke über das Alte Fließ in Kleinsaubernitz

Im Jahr 2020 wurde ebenfalls eine ≈ 9 m spannende Stahlbetonplattenbrücke aus den 1950er-Jahren mit Carbonbeton instandgesetzt, die ­repräsentativ für den Brückenbestand im untergeordneten Verkehrsnetz steht. Das Bauwerk liegt im sächsischen Kleinsaubernitz und sollte aufgrund des erhöhten Schwerlastaufkommens ­sowie der Nutzung als Ausweichroute der A 4 ertüchtigt werden. Im Konkreten war eine Anhebung der Tragfähigkeit um eine Brückenklasse angestrebt. Dies konnte mit der ausgeführten Carbonbetonverstärkungsmaßnahme mit einer Schichtstärke von lediglich 20 mm und vier Lagen Carbongitter realisiert werden. Aufgrund der Erstanwendung in Sachsen war auch hier eine Zustimmung in Einzelfall (ZiE) zu erwirken, in der zu großem Teil auf Ergebnisse des Forschungsvorhabens zum Carbonbeton C³ Carbon Concrete Composites (C3-V1.2) zurückgegriffen werden konnte. Die Effektivität der Verstärkungsmaßnahme wurde durch einen anschließenden Belas­tungsversuch validiert. Auch dieses Beispiel zeigt die Vorteile von Carbonbetonverstärkungen im Bereich des Brückenbaus. So konnte die Verstärkungsmaßnahme inklusive Untergrundvorbereitung, Ausführung und Nachbehandlung innerhalb von nur drei Wochen durchgeführt werden. Die Ausführungen in der Sommerferienzeit sowie die kurze Sperrzeit während der Baumaßnahme reduzierten die Verkehrseinschränkungen auf ein Minimum.

Sanierungs- und Ertüchtigungsmaßnahmen mit Carbonbeton und Ausblick

In der jüngeren Vergangenheit wurden weitere Ertüchtigungsmaßnahmen erfolgreich umgesetzt. Besonders erwähnenswert sind hierbei die Maßnahmen an der Krumbachbrücke in Vorarlberg in Österreich. Der Überbau war hier als Plattenbalkentragwerk ausgebildet, wobei die Stege zeitgenössisch sehr schmal und hoch ausgeführt wurden. Aufgrund des geringen Torsionswiderstands dieser Konstruktion wurde eine Verstärkung notwendig. Zudem ergaben sich auch hier Defizite in Querrichtung des Tragwerks, sodass eine Verstärkung der Fahrbahntafel notwendig wurde. Für eine ausführliche Darstellung der Verstärkungsmaßnahmen wird auf den Tagungsband des 30. Brückenbausymposiums verwiesen.

Neben den ausgeführten Ertüchtigungsmaßnahmen findet die Verstärkung mit Carbonbeton auch bei der Sanierung von Tragwerken Anwendung. Eine erste Applikation erfolgte u. a. an einer Bogenbrücke bei Naila mit dem Ziel, die Dauerhaftigkeit des Brückentragwerks wiederherzustellen. Eine vergleichbare Sanierungsmaßnahme wurde 2022 auch bei der denkmalgeschützten Brücke in Thainburg umgesetzt. Ähnlich der oben beschriebenen Verstärkungsmaßnahme in Kleinsaubernitz erfolgte jüngst auch die Ertüchtigung eines weiteren Plattentragwerks eines Privatbetreibers im sächsischen Raum. Über die Maßnahme wird zeitnah ausführlicher publiziert.

Aufgrund der noch nicht geregelten Carbonbetonbauweise im Bereich des Brückenbaus sind weiterhin noch Zustimmungen im Einzelfall notwendig, die parallel zum Planungsprozess eingeholt werden müssen und somit einer flächendeckenden Anwendung im Wege stehen. Weiterhin besteht noch Optimierungspotenzial für die Verstärkungsmethode mit Carbonbeton in der Ausführung, da aufgrund des hohen handwerklichen Anteils die Ausführungsqualität stark personalabhängig ist. Letztlich kann mit den vorgestellten Projekten jedoch festgehalten werden, dass das Verstärken mit Carbonbeton für den Brückenbau erfolgreich angewendet werden kann und somit eine alternative Verstärkungsvariante zu bereits etablierten Methoden darstellt.