Lebenszykluskostenanalyse einer Straßenbrücke in Rahmenbauweise aus Beton mit nichtmetallischer Bewehrung

Abstract

Die Lebenszykluskosten von Bauwerken, sowohl im Tief- als auch im Hochbau, gewinnen bei Investitionsentscheidungen immer mehr an Bedeutung. In dieser wissenschaftlichen Arbeit wird das Einsatzpotential nichtmetallischer Bewehrungen bei einem Infrastrukturbauwerk, genauer einer Straßenbrücke in Rahmenbauweise, analysiert. Hauptkostentreiber bei der Instandhaltung von Infrastrukturbauwerken sind Schäden, die durch Korrosion verursacht werden. Der Einsatz von nichtmetallischer Bewehrung birgt aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit großes Potential zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit. Potentielle Einsatzfelder von nichtmetallischer Bewehrung sind Bereiche, wo die Verbesserung der Dauerhaftigkeit, Materialeffizienz und Instandhaltung gefordert ist. In dieser Arbeit werden Lebenszyklusanalysen für eine Straßenbrückein Rahmenbauweise durchgeführt, um das ökonomische Einsatzpotenzial an einem sehr häufig vorkommenden Infrastrukturbauwerk zu bewerten. Die Gegenüberstellung der vier analysierten Bewehrungsmaterialien (Stahl, Glas, Basalt, Carbon) erfolgt unter Berücksichtigung der materialspezifischen Bemessung, der Annahme einer verbesserten Instandhaltung und der Beachtung eines entsprechenden Entsorgungsszenarios. Die Auswirkungen einzelner Parameter werden mithilfe einer Sensitivitätsanalyse quantifiziert, und für die bedeutendsten Parameter werden zusätzliche Szenarien untersucht.Der erste Abschnitt behandelt grundlegende Aspekte nichtmetallischer Bewehrungen, einschließlich des Entwurfs materialgerechter Bauteile und der Dauerhaftigkeit von Beton mit nichtmetallischer Bewehrung. Es wird auf die Herausforderungen des Stahlbetons eingegangen, welche sich auf Nachhaltigkeit, Instandhaltung und Schäden beziehen. Anschließend werden die Grundlagen der Lebenszykluskostenanalyse erläutert. Der zweite Abschnitt befasst sich mit Lebenszyklusanalysen einer Straßenbrücke in Rahmenbauweise. Dieser umfasst die Beschreibung des Entwurfs, die Bemessung für materialgerechte Bauteile sowie die Methodik zur Berechnung und die Berechnung der Lebenszykluskosten. Im dritten Abschnitt werden die Ergebnisse analysiert, und anschließend wird eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um die wichtigsten Parameter zu ermitteln. Im nächsten Schritt wird eine Analyse mit verschiedenen Szenarien durchgeführt, um das Einsatzpotenzial von nichtmetallischer Bewehrung besser zu verdeutlichen.Es wurde gezeigt, dass höhere Investitionskosten der nichtmetallischen Bewehrungen durchgeringere Betriebs- und Nutzerkosten kompensiert werden können. Die Kosteneinsparungen werden durch geringere Instandhaltungsarbeiten und zugleich kürzere Maßnahmendauern erzielt.Der Einsatz von Bewehrungen aus Basaltfasern kann basierend auf dem derzeitigen Kenntnisstand bereits ökonomische Vorteile im Vergleich zu Betonstahl bieten. Der Einsatz von Carbon ist aufgrund der hohen Anschaffungskosten, der hohen Lebenszykluskosten und der geringen Nachhaltigkeit noch mit Hindernissen verbunden. Die Sensitivitätsanalyse hat gezeigt, dass die Zinssätze zu den Parametern gehören, die den größten Einfluss auf die Lebenszykluskosten haben.Zusätzlich zu den Zinssätzen haben das Verkehrsaufkommen und die Geschwindigkeitsdifferenz einen signifikanten Einfluss auf die Nutzerkosten. Die untersuchten Szenarien zeigen, dass bei einem hohen Verkehrsaufkommen (JDTV 30.000 bis 40.000) über und/oder unter der Brücke nicht nur für die Basaltfaser, sondern auch für die Glasfaser ökonomisches Einsatzpotential besteht.

The life cycle costs of structures, both in civil engineering and building construction, are becoming increasingly important in investment decisions. This thesis analyses the potential useof non-metallic reinforcements in an transport infrastructure, more precisely an integral roadbridge. The use of non-metallic reinforcement has great potential to improve durability due to the higher corrosion resistance. Potential fields of application for non-metallic reinforcementare areas where the improvement of durability, material efficiency and maintenance is required.The main cost drivers in the maintenance of infrastructure structures are damages caused by corrosion. In this thesis, life cycle analyses are carried out for an integral road bridge in order to investigate the economic potential on a very frequently occurring infrastructure type. The comparison of the four analysed reinforcement materials (steel, glass, basalt, carbon) takes into account the material-specific design, the assumption of improved maintenance and the consideration of a corresponding disposal scenario. The effects of individual parameters are quantified using a sensitivity analysis, and additional scenarios are analysed for the most relevant parameters.The first section deals with fundamental aspects of non-metallic reinforcement, including the specific design requirements and the durability of reinforcement made out of fibre-reinforcedpolymers. The challenges of reinforced concrete relating to sustainability, maintenance and deterioration are discussed. Subsequently, the basics of life cycle cost analysis are explained.The second section deals with life cycle analyses of an integral road bridge. This includes the description of the design, the structural design of components with non-metallic reinforcements as well as the methodology for the calculation of the life cycle costs. In the third section, the results are analysed and then a sensitivity analysis is carried out to determine the most relevant parameters. In the next step, an analysis with different scenarios is carried out to better illustrate the ideal application field of non-metallic reinforcement.It was shown that higher investment costs for non-metallic reinforcements can be compensated for by lower operating and user costs. The cost savings are achieved through less maintenance work and at the same time shorter durations of maintenance measures. Based on current knowledge, the use of basalt fibre reinforcement can already offer economic advantages compared to reinforcing steel. The use of carbon fibre reinforcement is still associated with obstacles due to the high costs, high life cycle costs and lower sustainability. The sensitivity analysis has shown that interest rates are one of the parameters that have the greatest influence on life cycle costs.In addition to interest rates, the volume of traffic and the speed difference have a significant influence on user costs. The scenarios investigated show that with a high volume of traffic(JDTV 30,000 to 40,000) above and/or below the bridge, there is economic potential not only for reinforcement made out of basalt fibre, but also for glass fibre.