Etwa seit der europäischen Nachkriegszeit werden Spannbetonbrücken aus voll vorgefertigten Überbausegmenten ohne zusätzliche Ortbetonverbindung hergestellt. Diese als Segmentbrückenbau bekannte Bauweise ermöglicht durch die Minimierung von Herstellungsschritten auf der Baustelle äußerst wirtschaftliche und schnelle Bauverfahren und wird daher mittlerweile weltweit mit steigender Tendenz angewendet. Der vorliegende Artikel beleuchtet zunächst die zeitliche Entwicklung und weltweite Verbreitung der Segmentbauweise im Brückenbau durch die Auswertung einer internationalen Datenbank für Ingenieurbauwerke. Anschließend werden einige zentrale Technologien bei der Herstellung von Fertigteilsegmenten, der konstruktiven Durchbildung von Segmentfugen und Spanngliedern sowie Montageverfahren von Segmentfertigteilbrücken nach dem derzeitigen Stand der Technik vorgestellt. Mit einem Blick in einige jüngere Forschungsarbeiten werden die Anwendung von innovativen Baumaterialien wie Hochleistungsbetonen und carbonfaserverstärkten Kunststoffen in der Segmentbauweise und die sich damit eröffnenden konstruktiven Möglichkeiten diskutiert. Abschließend wird anhand einiger Ansätze des aktuellen Forschungsprogramms SPP 2187 ein Ausblick in eine mögliche Zukunft des Betonfertigteilbaus in einer digitalisierten Bauindustrie gegeben.
Carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) has proven to be an excellent replacement for conventionally used steel in the construction industry. This is especially relevant in bridge engineering, where its corrosion resistance, low weight-to-strength ratio, and outstanding fatigue properties can be put to appropriate use, for example, to prestress the bridge girders. These properties are a huge part of the success of prestressed CFRP bridges, which tremendously increase the structural and material efficiency and hence help facilitate the construction of slender and durable bridges. However, apart from the structural performance of the bridges, the aspect of sustainability (environmental viability, economic feasibility, and social acceptance) plays a vital role in determining the overall efficiency. Prior studies have illustrated that the CFRP reinforcements in themselves are relatively unsustainable as compared to conventional steel reinforcements. However, owing to the extraordinarily high material efficiency generally associated with structures built with CFRP reinforcements, it can be hypothesized that these are equally or even more sustainable as compared to their counterparts. In this study, an aspect of sustainability, namely, environmental impact, is addressed. As a first part of the study, cradle-to-gate CO 2 emissions for conventional building materials and CFRP have been thoroughly reviewed and documented. Attributed to the heterogeneity of the data available for CO 2 emissions from CFRP reinforcements, three scenarios (favorable, realistic, and unfavorable) were drawn up. Based on these values, a comparative life cycle assessment was undertaken for two bridge systems, namely, Rosensteinsteg II (already constructed) and an overpass over German highway A-20 (design in process). For each bridge system, two separate variants with steel and CFRP reinforcements were considered.For Rosensteinsteg II, a reduction of approximately 28% was observed in the Discussion on this paper must be submitted within two months of the print publication. The discussion will then be published in print, along with the authors' closure, if any, approximately nine months after the print publication.
Zusammenfassung Durch den Wiederaufbau des Rosensteinstegs II wurde ein bemerkenswertes Brückenbauwerk in der Tradition des Stuttgarter Leichtbaus wieder für die Öffentlichkeit nutzbar gemacht. Da die außerordentlich schlanken Betonelemente in der Vergangenheit erhebliche Korrosionsschäden aufwiesen, wurde für den Wiederaufbau nach einer korrosionsfreien Alternative zur Stahlbewehrung gesucht. Mit einer Mattenbewehrung aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) konnte eine materialgerechte Bewehrung und eine günstige Tragwirkung der Betonelemente erzielt werden. Die Betonplatten wurden im Rahmen einer Zustimmung im Einzelfall in einer zerstörenden Prüfung im Maßstab 1 : 1 an der Technischen Universität Berlin geprüft. Der Artikel behandelt die besonderen Randbedingungen des Projekts, die Auswahl des Bewehrungsmaterials unter Berücksichtigung der formalen Anforderungen aus Zulassung und Vergabe, die Bemessung und Auslegung der Betonelemente mit Carbonfaserbewehrung sowie die Durchführung und Ergebnisse der Bauteilversuche.
Die industrielle Computertomographie (CT) ermöglicht den Blick „hinter die Kulissen“ von erhärteten Betonbauteilen und liefert hochpräzise Messdaten aus dem Bauteilinneren. Unter der Voraussetzung der Verfügbarkeit eines für das Bauteil geeigneten Computertomographen kann so eine Vielzahl von Informationen erfasst werden, die zuvor meist nur durch eine Bauteilöffnung/‐zerstörung zugänglich war. Diese Informationen, wie z. B. die genaue Bewehrungslage oder die lokale Häufung von Lufteinschlüssen im Beton, sind relevant für die Qualität von Betonfertigteilen und können in einem Qualitätssicherungssystem im Betonfertigteilwerk gewinnbringend eingesetzt werden. Besonders im Rahmen der Automatisierung und Digitalisierung der Betonfertigteilherstellung birgt eine in den Fließfertigungsprozess integrierte CT‐Qualitätsüberwachung ein großes Potenzial. Auf diese Weise können beispielsweise Segmentfertigteilbrücken hergestellt werden, bei denen die einzeln qualitätsgeprüften Fertigteilsegmente später auf der Baustelle durch Vorspannung und mithilfe von verzahnten Kontaktfugen zu Brücken verbunden werden. Mit den durch CT erfassten Informationen ist es möglich, schwankende, bislang durch die Teilsicherheitsbeiwerte abgedeckte Parameter genau zu analysieren und somit das Sicherheitskonzept für Beton neu zu denken. Durch die Kontrolle von streuenden Parametern und die darauffolgende Reduktion von sicherheitsbedingtem Materialverbrauch kann ein wertvoller Beitrag zum Klimaschutz und zur Schonung von natürlichen Ressourcen geleistet werden.
Die modularisierte und automatisierte Serienfertigung von Betonfertigteilen verspricht enorme Produktivitätssteigerungen in der Betonfertigteilindustrie bei gleichzeitig höherer Bauteilqualität, effizienterem Rohstoffeinsatz und verringerten Prozessabfällen. So werden durch die Modernisierung eines bisher überwiegend handwerklich geprägten Industriezweigs sowohl Ressourcen und Emissionen eingespart, als auch neue Wachstums‐ und Wertschöpfungsmöglichkeiten in Zeiten des anhaltenden Fachkräftemangels erschlossen. Modulares Bauen erfordert dabei die Erforschung und Entwicklung von neuartigen Prozessen, Bauweisen und Baumaterialien, welche die serielle und automatisierte Herstellung von Betonfertigteilen in effizienter Weise ermöglichen. Passgenau hergestellte Betonfertigteilmodule können ohne übergreifende Längsbewehrung und mit trockenen, ohne Kleber ausgeführten Fugen schnell und flexibel zu z. B. Segmentbrücken gefügt werden. Am Ende ihrer Nutzungszeit können sie zerstörungsfrei zurückgebaut und idealerweise in einem zweiten Lebenszyklus wiederverwendet werden. In einer Versuchsreihe haben die Autoren die Tragfähigkeit von glatten und feinverzahnten Trockenfugen untersucht, welche sich für das Fügen von modularen Segmentbrücken aus Carbonbeton eignen. In dem vorliegenden Beitrag werden die durchgeführten Versuche, die beobachteten Versagensmechanismen und quantitativen Versuchsergebnisse sowie der Vergleich mit international verfügbaren Bemessungsregeln diskutiert.
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