Key words
(German)
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Brückenbau, integrale Brücken, fugenlose Brücken, Brücken ohne Lager, unterhaltsarme Brücken, Langzeiterfahrungen
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Key words
(English)
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Bridge design, integral bridges, jointless bridges, bridges without bearings, low maintenance bridges, long term experiences
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Short description
(German)
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Fahrbahnübergänge und Lager sind Schwachstellen der Brückenkonstruktion und verursachen einen erhöhten Unterhaltsaufwand. Auf Ihren Einsatz ist daher wenn immer möglich zu verzichten (integrale Bauweise). Neben der vollständig integralen Bauweise ohne Fahrbahnübergänge und Lager kann auch lediglich auf die Fahrbahnübergänge verzichtet werden (semi-integrale Bauweise).
Bei integralen und semi-integralen Brücken resultieren (zyklische) Relativbewegungen zwischen Brückenende und angrenzendem Strassenkörper, wodurch Setzungen im Bereich des Brückenendes und Belagsrisse verursacht werden. Dadurch kann die Gebrauchstauglichkeit beeinträchtigt werden.
Die Erfahrungen mit langen integralen und semi-integralen Brücken sind heute nur punktuell dokumentiert, insbesondere hinsichtlich der erforderlichen Unterhaltsarbeiten (Belagsrisse vergiessen, Deckbelag schiften) in Funktion der konstruktiven Ausbildung der Brückenenden. Es ist daher sehr schwierig, die Problematik der Gebrauchstauglichkeit im Bereich der Brückenenden verlässlich zu beurteilen. Um das grosse Potenzial integraler und semi-integraler Brücken ausschöpfen zu können, sind solche Kenntnisse jedoch unabdingbar. Mit dem beantragten Forschungsprojekt sollen daher die Langzeiterfahrungen mit bestehenden integralen und semi-integralen Brücken, primär in der Schweiz, näher untersucht werden.
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Short description
(English)
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Expansion joints and bearings are weak points of bridges and their use leads to the need for maintenance work, even if they have been correctly designed and detailed. For these reasons, these elements should be avoided if possible (integral construction). Apart from fully integral bridges without expansion joints nor bearings, it is also possible to avoid only the expansion joints (semi-)integral construction).
With integral and semi-integral bridges, (cyclic) relative movements occur between the bridge ends and the backfill, causing settlements behind the abutments and cracks in the pavement. These effects may negatively affect serviceability.
Today, there is only very limited information available regarding the long term experiences with integral and semi-integral bridges, particularly regarding the required maintenance works (grouting of cracks in the pavement, pavement shifting), depending on the detailing of the bridge ends. Therefore, it is hardly possible to reliably judge the problem of serviceability near the bridge ends. However, such information is crucial In order to fully profit from the high potential of integral and semi-integral bridges. The proposed research project shall thus investigate the long-term experiences with existing integral and semi-integral bridges in Switzerland.
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Project description
(German)
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Fahrbahnübergänge sind Schwachstellen der Brückenkonstruktion und verursachen, selbst wenn sie konstruktiv sauber ausgebildet werden, einen erhöhten Unterhaltsaufwand. Diese Aussagen treffen in reduziertem Ausmass auch auf Brückenlager zu. Aus diesen Gründen ist bei der Wahl des Lagerungs- und Dilatationskonzeptes gemäss [1] folgender Grundsatz zu beachten: „Die Anzahl der Fahrbahnübergänge und der Lager ist auf das durch das Tragwerkskonzept, die Gebrauchstauglichkeit und die konstruktiven Gegebenheiten bestimmte Minimum zu beschränken (integrale Bauweise)“.
Neben der vollständig integralen Bauweise ohne Fahrbahnübergänge und Lager kann auch lediglich auf die Fahrbahnübergänge verzichtet werden. Mit solchen semi-integralen Brückenenden können Zwängungen im Überbau und in den Widerlagern gegenüber integralen Brücken wesentlich reduziert werden. Semi-integrale Brückenenden sind daher oft sinnvoll, zumal Lager in der Regel dauerhafter sind als Fahrbahnübergänge und in vielen Fällen ohne grossen Aufwand und insbesondere ohne Verkehrssperrungen ausgewechselt werden können.
Bei integralen und semi-integralen Brücken verursachen die Längenänderungen des Brückenüberbaus infolge von Temperaturänderungen, Vorspannung, Kriechen und Schwinden des Betons Zwängungen im Tragwerk, weil die Verschiebungen des Überbaus durch den Unterbau, insbesondere durch die Brückenenden, behindert werden. Infolge der Nachgiebigkeit der Brückenenden resultieren zudem Relativbewegungen zwischen Brückenende und angrenzendem Strassenkörper. Diese (zyklischen) Bewegungen haben Setzungen im Bereich des Brückenendes zur Folge und können bei grösseren Verschiebungen zu Belagsrissen führen, wodurch die Gebrauchstauglichkeit beeinträchtigt werden kann.
Die Erfahrungen mit langen integralen und semi-integralen Brücken sind heute nur punktuell dokumentiert, insbesondere hinsichtlich der erforderlichen Unterhaltsarbeiten (Belagsrisse vergiessen, Deckbelag schiften) in Funktion der konstruktiven Ausbildung der Brückenenden. Es ist daher sehr schwierig, die Problematik der Gebrauchstauglichkeit im Bereich der Brückenenden verlässlich zu beurteilen. Im Rahmen der Forschungsprojekte AGB 2003/001 und 2005/019 wurde daher eine Studie über das Langzeitverhalten der bestehenden integralen und semi-integralen Brücken in der Schweiz als wichtige Grundlage identifiziert, um das grosse Potenzial integraler und semi-integraler Brücken ausschöpfen zu können [3].
Bei der zurzeit laufenden Überarbeitung der Astra-Richtlinie für konstruktive Einzelheiten von Brücken [2], neues Kapitel 3 „Brückenende“ (ersetzt die bisherigen Kapitel 3 „Übergang Brücke-Strasse“ und Kapitel 8 „Brückenende“ der Richtlinie) bestätigte sich, dass bessere Kenntnisse über die Langzeiterfahrungen mit bestehenden integralen Brücken erforderlich sind. Insbesondere wären hier Anhaltspunkte über das Risiko von Belagsrissen in Funktion der Bewegungslänge sowie fundierte Aussagen über den Einfluss der konstruktiven Ausbildung des Brückenendes auf das Langzeitverhalten derselben erwünscht (welche konstruktiven Details funktionieren besser, welche funktionieren schlechter oder gar nicht).
Mit dem beantragten Forschungsprojekt sollen daher die Langzeiterfahrungen mit bestehenden integralen und semi-integralen Brücken, primär in der Schweiz, näher untersucht werden. Diese Untersuchung gestaltet sich wie folgt:
- Evaluation geeigneter Objekte, mit Unterstützung durch Kunstbauten-Datenbank des Astra und Befragung der Fachspezialisten Kunstbauten des Astra sowie der Brückeningenieure der kantonalen Tiefbauämter
- Studium der Bauwerksakten (Konzept, Inspektionsresultate und durchgeführte Unterhaltsarbeiten)
- Besichtigung der Bauwerke, Aufnahme des heutigen Zustands (fotografische Dokumentation, Messung von Rissbreiten in Bauwerk und Belag)
- Befragung des Bauherrn (insbesondere bezüglich bisher erfolgter Unterhaltsarbeiten)
- Zusammenstellung der Resultate (Tabellen und Diagramme)
Für die Untersuchung werden einige lange integrale Bauwerke mit verschiedenartiger konstruktiver Ausbildung der Brückenenden und unterschiedlicher Verkehrsbelastung ausgewählt. Nach Möglichkeit werden zudem die Resultate einer zurzeit laufenden Erhebung ähnlichen Inhalts im Kanton Graubünden in die Untersuchung mit einbezogen. Der Einbezug internationaler Erfahrungen wird höchstens punktuell erfolgen (z. Bsp. Detail aus dem Bundesland Hessen (D) mit gleitend gelagerter Schlepplatte und Fahrbahnübergang aus Polymerbitumen).
Die Resultate werden in einem Schlussbericht zusammengestellt. Auf Basis der Resultate kann der in der Astra-Richtlinie für konstruktive Einzelheiten von Brücken [2], Kapitel 3 „Brückenende“ angegebene, zulässige Bereich für integrale und semi-integrale Brücke überprüft und bei Bedarf angepasst werden.
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Expected findings/ usefulness, beneficiaries
(German)
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Der primäre Nutzen liegt in der Erweiterung der Kenntnisse über das Langzeitverhalten von integralen und semi-integralen Brücken, insbesondere hinsichtlich der erforderlichen Unterhaltsarbeiten (Belagsrisse vergiessen, Deckbelag schiften) und deren Abhängigkeit von folgenden Einflüssen:
- Grösse der Relativverschiebungen zwischen Brückenende und Strassenkoffer (Bewegungslänge)
- konstruktive Ausbildung der Brückenenden (insb. Schleppplatten)
- Ausbildung des Übergangs vom Brückenende zum angrenzenden Strassenkörper
- Belagsaufbau und Vorhandensein von Frässchnitten im Belag oder allenfalls Fahrbahnübergängen aus Polymerbitumen
Als Folge dieser Erkenntnisse wird es – unter Einbezug der Resultate des laufenden Projektes AGB 2005/018 „Ponts à culée intégrée“, welches sich (primär auf der Basis numerischer Simulationen) mit ähnlichen Fragestellungen befasst – möglich sein, die heute bestehenden Unsicherheiten zu reduzieren und damit den Anwendungsbereich integraler und semi-integraler Brücken zu erweitern. Gegebenenfalls können auf dieser Basis die Richtwerte für den Einsatz integraler und semi-integraler Brücken in Kapitel 3 der Astra-Richtlinie für konstruktive Einzelheiten von Brücken angepasst werden.
Auf Basis der Resultate kann der in der Astra-Richtlinie für konstruktive Einzelheiten von Brücken [2], Kapitel 3 „Brückenende“ angegebene, zulässige Bereich für integrale und semi-integrale Brücke überprüft und bei Bedarf angepasst werden. Zudem wird es aufgrund der Resultate des vorliegenden Projektes besser möglich sein, die Zweckmässigkeit der Durchführung von Bauwerksmessungen an einer integralen Brücke zu beurteilen und, falls diese gegeben ist, ein geeignetes Brückenobjekt dafür zu evaluieren. Solche Messungen wären Gegenstand eines vom vorliegenden Gesuch unabhängigen Forschungsprojektes.
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Methods
(German)
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- Evaluation geeigneter Objekte, mit Unterstützung durch Kunstbauten-Datenbank des Astra und Befragung der Fachspezialisten Kunstbauten des Astra sowie der Brückeningenieure der kantonalen Tiefbauämter
- Beschaffung und Studium der Bauwerksakten (Konzept, Inspektionsresultate und durchgeführte Unterhaltsarbeiten)
- Besichtigung der Bauwerke, Aufnahme des heutigen Zustands (fotografische Dokumentation, Messung von Rissbreiten in Bauwerk und Belag)
- Befragung der Bauherren (insbesondere bezüglich bisher erfolgter Unterhaltsarbeiten) Zusammenstellung der Resultate (Tabellen und Diagramme)
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Special tools and infrastructure
(German)
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Kunstbauten-Datenbank des Astra (KUBA) (Unterstützung bei der Objekt-Evaluation)
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Overview of research activities
(German)
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In den letzten Jahren hat die Verbreitung integraler Brücken weltweit stark zugenommen. Der Hauptgrund dafür sind die in vielen Fällen unbefriedigenden Langzeiterfahrungen mit konventionellen Brücken, bei welchen insbesondere die Fahrbahnübergänge eigentliche Schwachstellen darstellen, die einen erhöhten Unterhaltsaufwand verursachen, selbst wenn Sie konstruktiv sauber ausgebildet werden.
Das Verhalten integraler Brücken ist komplex, da es durch zahlreiche, teilweise gegenseitig abhängige Parameter beeinflusst wird. Insbesondere ist die Interaktion des Bauwerks mit dem Baugrund zu berücksichtigen. Der Anwendungsbereich integraler Brücken ist in der Schweiz grundsätzlich durch die Astra-Richtlinie für konstruktive Einzelheiten von Brücken [2] geregelt. Das Kapitel 3 „Brückenende“ dieser Richtlinie (ersetzt die bisherigen Kapitel 3 „Übergang Brücke-Strasse“ und Kapitel 8 „Brückenende“) befindet sich zurzeit in Überarbeitung. Dabei wird näher auf integrale und semi-integrale Brücken eingegangen, und der Anwendungsbereich für solche Lösungen soll vorsichtig erweitert werden. Da Erfahrungen mit langen integralen und semi-integralen Brücken nur punktuell dokumentiert sind, bestehen diesbezüglich jedoch gewisse Unsicherheiten.
In den letzten Jahrzehnten wurden weltweit zahlreiche Forschungsarbeiten über integrale Brücken ausgeführt. Im Rahmen der Forschungsprojekte AGB 2003/001 und 2005/019 wurde der Stand der Forschung zusammengefasst [3]. Auch in der Schweiz sind verschiedene Forschungsarbeiten ausgeführt worden resp. zurzeit in Bearbeitung. Neben dem bereits erwähnten Sachstandsbericht [3], welcher den nationalen und internationalen Stand der Technik auf dem Gebiet der integralen Brücken zusammenstellt und weiteren Forschungsbedarf aufzeigt, ist dies namentlich das Forschungsprojekt AGB 2005/018 „Ponts à culée intégrée“. Ziel dieser Arbeit ist es, die massgebenden Bereiche hinsichtlich der Boden-Bauwerks-Interaktion bei konventioneller Ausbildung des Brückenendes zu identifizieren (primär auf der Basis von numerischen Simulationen) und auf dieser Basis innovative Lösungen vorzuschlagen, mit welchen der Unterhaltsbedarf minimiert werden kann.
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Project aims
(German)
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Die Erfahrungen mit bestehenden integralen und semi-integralen Brücken sind heute nur punktuell dokumentiert, insbesondere hinsichtlich der erforderlichen (Belags-)Unterhaltsarbeiten. Um das grosse Potenzial integraler und semi-integraler Brücken ausschöpfen zu können, sind solche Kenntnisse jedoch unabdingbar. Mit dem beantragten Forschungsprojekt sollen daher die Langzeiterfahrungen mit bestehenden(semi-)integralen Brücken näher untersucht werden.
Auf Basis der Resultate kann der in der Astra-Richtlinie [2] angegebene zulässige Bereich für (semi-) integrale Brücke überprüft und bei Bedarf angepasst werden. Das Projekt wird zudem Erkenntnisse über die Zweckmässigkeit und, falls diese gegeben ist, die Wahl einer geeigneten (semi-)integralen Brücke für die Durchführung von Bauwerksmessungen liefern. Diese wären Gegenstand eines unabhängigen Forschungsprojektes.
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Project aims
(English)
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Today, there is only very limited information available regarding the long term experiences with integral and semi-integral bridges, particularly with respect to the required (pavement) maintenance. However, such information is crucial in order to fully profit from the high potential of (semi-)integral bridges. The research project shall thus investigate the long-term experiences with existing (semi-)integral bridges.
Based on the results, the limit of applicability for (semi-)integral bridges according to the guideline [2] can be verified and adapted if appropriate. Furthermore, the proposed project will be helpful in order to decide whether on-site measurements of an existing integral bridge would be useful and – if yes - contribute to the selection of an appropriate bridge. Such measurements would be part of an independent project.
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Research agenda
(German)
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Phase |
Arbeit |
Zeitbedarf |
Jahr |
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I |
Evaluation bestehender langer integraler Brücken |
3 Monate |
1. Quart. 2010 |
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II |
Aufnahme des heutigen Bauwerkszustands (Beschaffung Bauwerksunterlagen, Begehungen vor Ort) |
6 Monate |
2.+3. Quart. 2010 |
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III |
Informationsbeschaffung über bisherigen Unterhaltsbedarf (Bauwerksunterlagen, Befragung von Unterhaltsverantwortlichen) |
6 Monate |
3. Quart 2010
4. Quart. 2010 |
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IV |
Berichtsentwurf |
3 Monate |
1. Quart. 2011 |
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V |
Definitiver Bericht, Projektabschluss |
3 Monate |
1.+2. Quart. 2011 |
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Transfer and application
(German)
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Ergänzung / Präzisierung der Richtwerte in der Astra-Richtlinie für konstruktive Einzelheiten von Brücken (Kapitel 3 „Brückenende“). Anwendung durch Projektverfasser und Prüfingenieure.
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Berichtsnummer
(German)
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679
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Berichtsnummer
(English)
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679
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Literature
(German)
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[1] Bundesamt für Strassen ASTRA (2005), Richtlinie Nr. 12001: „Projektierung und Ausführung von Kunstbauten der Nationalstrassen“
[2] Bundesamt für Strassen, ASTRA (2005), Richtlinie Nr. 12004: „Konstruktive Einzelheiten von Brücken“
[3] Kaufmann W. (2008), Bundesamt für Strassen ASTRA, Forschungsbericht Nr. 629, „Integrale Brücken – Sachstandsbericht“
[4] Muttoni, A., Ponts à culée intégrée, Forschungsprojekt AGB 2005/018, Bundesamt für Strassen, in Bearbeitung.
[5] Berger, D., Graubner, C.-A., Pelke, E. und Zink, M., „Besonderheiten bei Entwurf und Bemessung integraler Betonbrücken,“ Beton- und Stahlbetonbau, Vol. 99, Heft 4, 2004, pp. 295-303.
[6] Bridge Structure Design Criteria, Appendix C, „Guidelines for Design of Integral Abutments“, Alberta Transportation Service, 2003, 24+10 pp.
[7] Burke, M. P., Jr., „Integral Bridges,“ Transportation Research Record, No 1275, Transportation Research Board, National Research Council, Washington, D.C., USA, 1990.
[8] Connal, J., „Integral Abutment Bridges – Australian and US Practice,“ Proceedings, Austroads Bridge Confegrence, 2004, 19 pp.
[9] Design Manual for Roads and Bridges, Part 12, BD 42/96 Amendment No. 1, “The Design of Integral Bridges“, UK Highways Agency, 2003, 12 pp.
[10] Engelsmann, St., „Integrale Betonbrücken: Entwerfen und Bemessen von Brücken ohne Lager und Fugen,“ Dissertation, Universität Stuttgart, 1998, 188 pp.
[11] Engelsmann, St., Schlaich, J., und Schäfer, K., „Entwerfen und Bemessen von Betonbrücken ohne Fugen und Lager,“ Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Heft 496, Beuth Verlag, 2000, 124 pp.
[12] England, G.L., Tsang, N.C., and Bush, D.I., „Integral bridges: a fundamental approach to the time-temperature loading problem,“ Thomas Telford, London, 2000, 152 pp.
[13] Geier, R. et al., „Planung integraler Brücken,“ RVS Ausschuss Entwurfs- und Planungsgrundlagen, Österreichische Forschungsgesellschaft Strasse-Schiene-Verkehr, Bericht in Vorbereitung.
[14] Husain, I., and Bagnariol, D., „Performance of Integral Abutment Bridges,“ Report BO-99-04, Ministry of Transportation of Ontario, 1999, 20 pp.
[15] Kerokoski O., „Soil-Structure Interaction of Long Jointless Bridges with Integral Abutments,“ Tampere University of Technology, Publication 605, 136 pp.
[16] Koskinen, M., „Soil-structure interaction of jointless bridges on piles,“ Dissertation, Tampereen Teknillinen Korkeakoulu, 1997, 184 pp.
[17] Kunin, J., and Alampalli, S., „Integral Abutment Bridges: Current Practice in the US and Canada,“ Special Report, No. 132, TRDB, New York State Department of Transportation, 1999, 19 pp.
[18] Ministerio de Fomento, Dirección General de Carreteras, Guía para la concepción de puentes integrales en carreteras, Madrid, 2000, 108 pp.
[19] Pötzl, M., Schlaich, J., und Schäfer, K., „Grundlagen für den Entwurf, die Berechnung und die konstruktive Durchbildung lager- und fugenloser Brücken,“ Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Heft 461, Beuth Verlag, 1996, 125 pp.
[20] Pötzl, M., und Naumann, F., „Fugenlose Betonbrücken mit flexiblen Widerlagern,“ Beton- und Stahlbetonbau, Vol. 100, Heft 8, 2005, pp. 675-685.
[21] Pritchard, B. (Hrsg.), „Continuous and Integral Bridges“, Proceedings of the Henderson Colloquium ‘Towards Joint-Free Bridges’ organized by the British Group of IABSE, Spon Press, 1993, 295 pp. Schüller, M., „Konzeptionelles Entwerfen und Konstruieren von Integralen Betonbrücken,“ Beton- und Stahlbetonbau, Vol. 99, Heft 10, 2004, pp. 774-789.
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