Rehabilitation of a post-tension concrete highway bridge using UHPFRC

Abstract

Die Instandhaltung von Brückenbauwerken ist bereits heute ein komplexes Problem und wird dies auch in Zukunft verstärkt bleiben. Für eine ganzheitliche Analyse der Problematik müssen verschiedene Punkte, von der Notwendigkeit der Erhaltung bis hin zu der Beurteilung von Interventionskonzepten, berücksichtigt werden. Die verschiedenen Aspekte der Instandhaltung von Brücken werden an dem konkreten Beispiel der Brücke von Taubenstein in Deutschland anaylsiert. Die Brücke von Taubenstein kann aufgrund der verwendenten Materialien und Querschnitte, der Brückenlänge und dem Bauwerksalter, als eine typisch deutsche Brücke gesehen werden. Im ersten Kapitel dieser Diplomarbeit wird die Bewertung von Brücken hinsichlichen historischen und ästethischen Aspekten diskutiert. Zusätzlich werden die Strategien für die Erhaltung von Brücken in Deutschland und die Erhaltung von Bauwerken im Allgemeinen in der Schweiz zusammengefasst. Um die unterschiedlichen Vorgehensweisen zu verdeutlichen, werden die Verkehrslastberechnung nach Deutscher, Österreichischer und Schweizer Norm verglichen. Im zweiten Teil wird die Untersuchung der Beispielbrücke, unterteilt in allgemeine und detaillierte Überprüfung, durchgeführt. Im ersten Schritt werden, als Grundlage für die Überprüfung, unter Anderem die Lasten und Widerstandswerte aktualierst, sowie ein Model mit exakter Brückengeometrie entworfen und die notwendigen Annahmen zusammengefasst. Für die allgemeine Untersuchung wird eine lineare Berechung betrachet, für die detailierrte Überprüfung wird jedoch auch das nichtlineare Verhalten des Tragwerks untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Tragfähigkeit der Biegung in Längsrichtung nicht gegeben ist. Im dritten Teil wird mit diesen Resultaten die Verstärkung mit dem neuen Material UHPFRC modelliert. Um die Vor- und Nachteile dieses neuen Konzepts in der Nachhaltigkeitsbewertung vergleichen zu können, wird ein weiteres Konzept (mit CFK) eingeführt. Außerdem wird eine weitere Interventionsmaßnahme - die Verringerung der Lasten anstatt der Erhöhung der Strukturfestigkeit - erörtert. Im letzten Kapitel wird die Methode der Nachhaltigkeitsbewertung, gemessen an wirtschaftlichen, ökologischen, sozialen und technischen Aspekten, vorgestellt. Sofern ausreichende Daten zur Verfügung stehen, werden in einem weiteren Schritt die beiden Verstärkungskonzepte miteinander verglichen. Es konnte bereits in dieser vorläufigen Analyse gezeigt werden, dass die Verwendung von UHPFRC vielfältige Vorteile aufweist, jedoch sind weitere Untersuchungen notwenig, um die Nachhaltigkeitsbewertung von UHPFRC zu quantifizieren. Darüber hinaus wird die Notwendigkeit einer standardisierten Richtlinie für die Instandhaltung und Interventionsmaßnahmen von Bauwerken, sowie für die Beurteilung dieser Maßnahmen innerhalb der Europäischen Union, deutlich.

The rehabilitation of bridges is today, and will increasingly become in the future, a complex problem to tackle as its various aspects, from the necessity of preservation to the evaluation of intervention concepts, have to be considered to achieve a holistic evaluation. The different aspects of the rehabilitation of bridges were regarded on a specific example, the bridge by Taubenstein in Germany, which is a typical German bridge from the perspective of the used materials and cross-sections, the length and the age of the structure. In the first part, the valuation of bridges was discussed regarding their historical and aesthetical values. Additionally, the strategy for the preservation of bridges in Germany and the preservation of structures in general in Switzerland was summarised. To show the difference in approach, one specific aspect, the traffic load computation according to Austrian, German and Swiss guidelines, was compared. In the second part, the examination is performed on the example bridge and is divided into general and a more detailed examination. As groundwork, the resistances and actions were updated, a model with the exact geometry was designed and necessary assumptions were summarised. For the general examination a linear approach was considered whereas for the detailed examination a non-linear behaviour of the structure was studied. The results of the examination show that the structural safety for bending in longitudinal direction was not given. With these findings the intervention concept with the new material UHPFRC was designed in the third part. In order to compare the advantages and disadvantages of this new concept in the sustainability assessment another strengthening concept (with CFRP) was introduced. Moreover, an option of reducing the acting loads instead of increasing the structural strength was discussed. In the last chapter the sustainability assessment was presented considering economical, ecological, social and technical aspects. Where sufficient data is available the two strengthening intervention concepts are compared. It can be shown in this preliminary analysis that UHPFRC has various advantages but further studies would be necessary in order to give quantifiable results for the sustainability assessment of UHPFRC. Lastly, the necessity for a standardised guideline for the maintenance and possible intervention measures of structures as well as for the evaluation of these measures within the European Union was found to be evidently lacking.