Development of a new, monitoring based dynamic truck weight registration system to analyse real operational impact conditions and the consequence for successive loading modelling on steel bridges - exemplified at the Europabrücke

Abstract

Die Europabrücke gehört einer Tragwerksgeneration an, die Anfang der 1960er Jahre errichtet wurde. Die Brücke stammt damit aus einer Ära, in der Masseneinsparung die Maxime des Bauens war. Die kontinuierlich steigende wirtschaftliche Bedeutung der hochrangigen Straßen-Infrastruktur, der ersatzlose Wegfall des Transitvertrages zwischen Österreich und der Europäischen Union (2003) sowie die EU-Osterweiterung führten zu einer aktuellen, nicht vorhersehbar gewesenen Beanspruchungssituation im Vergleich zur a priori angenommenen -natürlichen - Bauwerksalterung während der Planung. In langjähriger Zusammenarbeit mit der ASFINAG Alpenstraßen GmbH wurden zahlreiche Messungen und Sonderuntersuchungen durchgeführt, welche in der Realisierung einer Dauerüberwachungsanlage im Jahre 2003 mündeten. Dabei wurde den veränderten, realen Verkehrsverhältnissen heute im Vergleich zur Projektierung in den späten 1950er Jahren Rechnung getragen, da nicht nur ein rund fünfmal so hohes Schwerverkehrsaufkommen wie seinerzeit vorliegt, sondern dabei gleichzeitig auch durchschnittlich mehr als fünfmal so viel Fracht mitgeführt wird. Gleichzeitig sollte aber ein Gegengewicht zur konservativen Diktion des Eurocode hinsichtlich einer gegebenenfalls notwendigen Nachrechnung bestehender Tragwerke entstehen. Ein erstes, übergeordnetes Ziel der vorliegenden Forschungstätigkeit bestand darin, die durch Zählstellen (Mautportal) vorliegende Charakteristik des Schwerverkehrs am Brenner um die Eigenschaft der Tonnagen je LKW-Einheit zu erweitern. Diese Bemühungen mündeten in der Entwicklung eines neuen, messungsbasierten Algorithmus zur Dynamischen Gewichtserfassung von Schwerfahrzeugen (= DYGES). Dabei kommt ein permanentes Monitoring-System aus Beschleunigungssensoren zum Einsatz, welches seit dem Sommer 2004 am Brückenkragarm LKW-Einheiten zählt und "wiegt". Aufgrund der eingesetzten Sensorik wurden im Rahmen der DYGES-Entwicklung ganze Schwerverkehrs-Einheiten statt Achslasten erfasst. Da aber von Anfang an der Anspruch bestand, den gängigen Methoden (wie zum Beispiel "Weigh- In-Motion"- Systemen) ein neuartiges Verfahren zur Erfassung und Charakterisierung des Schwerverkehrs gegenüberzustellen, bedeutet dies keinen Widerspruch für die unmittelbare Einsatzfähigkeit. Bei den vorliegenden Entwicklungen wurde - insbesondere in Hinblick auf rechnerische Bedarfsfälle - entsprechender Wert auf eine praxisrelevante und gleichwertige Form gelegt. Neben den LKW-Gewichten wird dem Statiker gleichzeitig ein Werkzeug bereitgestellt, welches auch tatsächlich auftretende Belastungskonfigurationen infolge Langzeitbeobachtungen berücksichtigt. Aus dieser - dem realen Geschehen entnommenen - Charakteristik bezüglich der tatsächlichen LKWTonnagen und der zugehörigen Belastungsanordnungen konnte in weiterer Folge ein neues, vollkommen Monitoring-basiertes Lastmodell erstellt werden. Für den Fall des Abgehens vom normativen Verfahren des Eurocode bei der Bewertung der bestehenden Tragstruktur steht durch das - mit Feldversuchen hinterlegte und umfassend analytisch plausibilisierte - reale Lastkollektiv und dessen Analysen eine - Wert äquivalente Darstellung (Anpassungsfaktoren für die Verkehrslast) zur Verfügung, welche als Eingangsgröße für etwaige, durchzuführende Nachrechnungen im Rahmen von Tragfähigkeitsnachweisen bzw. von Ermüdungsnachweisen herangezogen werden kann. Die entwickelte Methodik strebt im Hinblick auf die rechnerische Analyse der maßgeblichen Teile der Tragstruktur eine starke Einschränkung bisheriger Defizite bei der Parameterabschätzung an. Der Einsatz der Messtechnik und deren Kopplung mit analytischen Vergleichsrechnungen liefern wesentliche, vertiefende Erkenntnisse über das tatsächliche Tragwerksverhalten, wodurch weitgehend auf verfahrenstechnische Annahmen verzichtet werden kann. Die Einwirkungsseite kann dadurch letztlich vollständig durch Messwerte ersetzt werden. Da alle großen Brücken auf dem betreffenden Autobahnabschnitt derselben Bauwerksgeneration angehören, ähnliche geometrische Verhältnisse (Feldlängen & Bauhöhen), eine gleichartige Bemessung sowie insbesondere auch dieselbe Belastungsgeschichte aufweisen, haben die im Rahmen der Dissertation entstandenen Kernaussagen und Erkenntnisse hinsichtlich Tragwerks-Belastung grundsätzlich nicht nur für das Tragwerk Europabrücke, sondern im Wesentlichen für die gesamte A13 Brennerautobahn Gültigkeit.

The Europabrücke, a well-known Austrian steel bridge near Innsbruck, is part of one of the main alpine north-south routes for urban and freight traffic. As the bridge was opened in 1963 it represents a generation of structures, where bridge designers acted on a maxim of building material economisation. The successively grown economic relevance of high-level road network in general, the expiry of the transit agreement between Austria and the European Union (2003) and the eastward expansion of EU ¿ all these components contributed to a remarkable level of intensity of the loading impact nowadays, which could not be foreseen in the design phase and which has led to strong deviations from the expected ageing process of the structure. In the course of a long-term preoccupation with the bridge owner ASFINAG Alpenstraßen GmbH on the Europabrücke a lot of investigations and special measurements were devoted to mainly monitoring-based structural assessment, which led to the installation of a permanent monitoring system in 2003. This initiative was the answer to a dramatic change in freight traffic-dominated operational loading conditions in terms of traffic volume and loading intensity (truck weight) as both components simultaneously increased to an amount of almost 500 % in comparison to the design and construction stage. At the same time a counterbalance to the conservative diction of the Eurocode should be provided with regard to possible static recalculations of existing structures. The first superior goal of the present research work was to broaden the explanatory power of the official tollbooth data for freight traffic ¿ that have consisted of counted truck units and their number of axes so far ¿ in terms of the occurring truck weight to provide an enhanced freight traffic classification. For that reason the so-called DYGES algorithm (the German acronym for Dynamic Weight Registration System) was developed starting in 2004. This major feature of the bridge structure¿s permanent monitoring system utilises data from cantilever-accelerometers for a pattern recognition procedure by means of digital signal processing in order to count and weight the passing trucks. The chosen cantilever instrumentation with accelerometers limits the registration of events to terms of truck loads instead of axle loads. As it was aspired to develop a new method for freight traffic characterisation in addition to common technologies (e.g. ¿Weigh-in-Motion¿ systems) this fact is no contradiction to be utilised for structural analysis. Further development steps were guided by attaching great importance to a direct applicability. Besides the truck loads the occurring loading szenarios (also extracted from long term observations) are provided. On this basis a new loading model was developed composed of real loading configurations and the real level of loading intensity (taken from the developed dynamic weight registration system) - both linked to their individual frequency of occurrence. To evaluate the consequence for structural analysis of existing structures detailed studies on the - field test based and extensively analytically verified - loading impact data were conducted with regard to ultimate limit state relevant loading (adjustment factor ¿) on the one hand and the on-going ageing process (fatigue loading) on the other hand. With regard to probable structural analysis of the decisive (critical) parts of the primary, secondary and tertiary load bearing structure the developed methodology emphasises an alternative in terms of real loading input data ¿ largely without the premises from current standards and codes. As all bridge structures on this highway belong to the same bridge generation, they have a similar underlying design concept. They were subjected to the same loading history leading to the fact that many of them are facing evident fatigue problems these days. For that reason the present doctoral thesis represents a contribution referring to the entire A13 highway network, even if the investigations¿ key statements, findings and results were extracted from one certain bridge object only.