SPEZIALBEWEHRUNGSSTAHL FÜR BRÜCKEN UND TUNNEL

Kostenreduzierung durch verlängerte Lebensdauer von Bauwerken

In der heutigen Gesellschaft ist das Pendeln für Arbeit und Freizeit, für lange und kurze Strecken, bei jedem Wetter, zum normalen Alltag geworden. Es wird erwartet, dass die erforderliche Infrastruktur, einschließlich Brücken und Tunnel, in gutem Zustand und staufrei sind, unabhängig von der Jahreszeit. Im Winter erfordert dies einen umfangreichen Einsatz von Enteisungsmitteln. In Deutschland werden im Winter täglich bis zu 100'000 Tonnen Tausalz eingesetzt, was bei einem einzigen Eisregenereignis circa 0,5 Tonnen Tausalz pro Kilometer entspricht.

Dringender Handlungsbedarf: Hohe Sanierungskosten für Brücken und Tunnel, die chloridinduzierter Korrosion ausgesetzt sind

Die im Spritzwasser und Sprühnebel enthaltenen Chloride dieser Tausalze sind der Feind jeder Stahlbewehrung. Je nach Konzentration führen sie zu unerwünschter Korrosion am Betonstahl und damit zu kostspieligen Reparaturen. Noch in 2007 waren 66% aller Brückenschäden auf chloridinduzierte Korrosion zurückzuführen. In zahlreichen Ländern ist die Brückensanierung zu einer der dringendsten Herausforderungen geworden, um einen staufreien Verkehrsfluss zu gewährleisten. Allein in Deutschland sind 4.800 Brücken bzw. 12% aller Straßenbrücken im Bundesfernstraßennetz mit einer Zustandsnote > 3,0 und damit als unzureichend oder unzulänglich bewertet. Gemäß der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) sind somit für diese Brücken in naher Zukunft Instandsetzungsmaßnahmen einzuplanen.

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Brückenschäden in Deutschland (September 2019)

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aller Stahlbeton- bzw. Spannbetonbrücken (entspricht 12%) haben eine Zustandsnote ≥ 3,0 und müssen laut BASt in naher Zukunft instand gesetzt werden
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Prozent aller Schadensfälle sind auf Korrosion durch Chloride zurückzuführen
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Millionen Euro sind bis 2030 pro Jahr für Instandhaltung/Erneuerung notwendig
Quelle: G. Maerschalk, G. Krause, K. Hinsch (2017): Erhaltungsbedarfsprognose (BVWP) 2016 – 2030 der Bundesfernstraßen. Schlussbericht des FE-Projekt-Nr. 21.0054/2012 der SEP Maerschalk GmbH, S.91

Gründe für Schäden an Brückenkonstruktionen

Hauptgründe für Schäden im Jahr 2007

Quelle: P. Schießl, T.F. Mayer (2007): Schlussberichte zur ersten Phase des DAfStB/BMBF-Verbundforschungsvorhabens „Nachhaltig Bauen mit Beton“, DAfStb Heft 572, Berlin.
Hauptgründe für Schäden im Jahr 2019

Quelle: W. Breit: Kritischer korrosionsauslösender Chloridgehalt – Grenzwerte, Empfehlungen. 4. Münchner Bausymposium 26. September 2019, Hochschule München.

Der falsche Betonstahl beeinträchtigt die Lebensdauer

Chlorid-induzierte Korrosion führt zu hohem Materialverlust und reduziert dadurch den Stahlquerschnitt. Dieser Prozess ist vielfach von außen nicht sichtbar und stellt eine große Bedrohung für die Stabilität der Tragstruktur dar: Die Verringerung des Stahlquerschnitts reduziert die Tragfähigkeit der Bewehrung und führt im Extremfall zu einer Einsturzgefahr der gesamten Konstruktion. Bei der Verwendung von konventionellem Betonstahl wird die angestrebte Lebensdauer der Bauteile, abhängig von der Chloridkonzentration, oft unterschritten. Die Folgen sind ungewollt frühzeitige, aber notwendige Instandsetzungsmaßnahmen, die teilweise sogar die Herstellungskosten übersteigen. Mehrausgaben für Reparaturarbeiten, insbesondere bei schwer zugänglichen Teilen, und die volkswirtschaftlichen Schäden, die durch Staus oder Straßensperrungen entstehen, werden dabei noch nicht berücksichtigt.

Anwendungen im Brücken- und Tunnelbau

Anwendungen von rostfreiem Bewehrungsstahl im Brückenbau

Rostfreie Stahlbewehrung und Befestigungsanwendungen im Tunnelbau

Befestigungen für Zwischendecken in Tunneln

Acidur 4529 ist ein hochlegierter Edelstahl, der sich hervorragend für Befestigungen und Fixierungen in chloridhaltigen und aggressiven Medien, wie z.B. in Straßentunneln, eignet. Chloride aus Taumitteln und ein hoher Schwefeldioxidgehalt durch Autoabgase greifen Tunnelkonstruktionen an. Weiterhin gibt hohe dynamische Belastungen, die die Spannungsrisskorrosion fördern. Acidur 4529 der Deutschen Edelstahlwerke deckt solche Anforderungen an Befestigungen im Hoch- und Tiefbau perfekt ab.
Verbesserung des Lebenszyklus von Bauwerken

Um die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit von Strukturen zu verbessern und gleichzeitig die Gesamtkosten zu berücksichtigen, ist die Wahl des am besten geeigneten Materials entscheidend. Mit zunehmender Menge an Legierungen steigt nicht nur die Korrosionsbeständigkeit von rostfreiem Stahl, sondern auch die Materialkosten. Ziel ist es, die passende Stahlbewehrung in Abhängigkeit der erwarteten Chloridbelastung je Bauteil und damit dem notwendigen Korrosionswiderstand (Ccrit) auszuwählen. Die folgende Tabelle unterstützt die Entscheidungsfindung zum passenden Material. Je nach Höhe der anliegenden Chloridbelastung erfolgt der Einsatz von Top12 bzw. UGIGRIP.
  Produkt Chloridkonzentration
[M.-%/z] in
alkalischem Beton auf der Stahloberfläche
Chloridkonzentration
[M.-%/z] in
karbonisiertem Beton auf der Stahloberfläche
  ≤ 0,5 ≤ 1,0 ≤ 2,0 ≤ 2,5 ≤ 3,0 > 3,0 ≤ 0,25 ≤ 0,5 ≤ 0,75 ≤ 1,00 ≤ 1,25 > 1,50
  B500B (1.4039)                        
  Top12 (1.4003)                        
  UGIGRIP® (1.4062; 1.4362; 1.4462)                        
                             
  Korrosionsrisiko bei entsprechendem Produkt keines niedrig hoch            
Die vergleichende Darstellung der Chloridwiderstände der verschiedenen Betonstähle dient nur als Übersicht. Entscheidend für die Einstufung des Chloridwiderstandes sind die in Gutachten oder vergleichbaren Veröffentlichungen angegebenen Werte für den kritischen korrosionsfördernden Chloridgehalt (Ccrit).

Lebenszyklus-Kosten als Grundlage für eine wirtschaftliche Kalkulation von Ingenieurbauwerken

Die angestrebt Lebensdauer (Ziellebensdauer) von Brücken und Tunnel ist ein kritischer Faktor für die finanzielle Berechnung der Baukosten und letztlich der Lebenszykluskosten. Die Lebenszykluskosten stellen die Summe der Herstellungskosten und der Betriebskosten (Inspektion, Wartung und Reparatur) dar. Prognostizierte und damit berechnete Lebensdauern sollten zwar mindestens die Ziellebensdauer von z.B. 100 Jahren sichern, diese jedoch nicht maßlos übertreffen. Die Erfahrung zeigt, dass Bauwerke lange vor Erreichen der angestrebten Lebensdauer bedrohliche Anzeichen von Bewehrungskorrosion aufweisen. Notwendige und vor allem ungewollt frühzeitige und manchmal sogar wiederkehrende Instandsetzungs-Maßnahmen übersteigen oft die Herstellungskosten. Um verschiedene Konstruktionsvarianten zu vergleichen, ist es daher sinnvoll, statt der Herstellungskosten die Lebenszykluskosten als Entscheidungskriterium heranzuziehen.

In gewissem Umfang berücksichtigen bestehende Normen, z.B. in Deutschland, bereits die Dauerhaftigkeit von Bauwerken gegenüber chloridinduzierte Bewehrungskorrosion. Sie ordnen Betondeckungen und Anforderungen an die Betonzusammensetzung in Abhängigkeit der Expositionsklasse des Bauteils zu. Die Erfahrung aus zahlreichen Beispielen zeigt jedoch, dass zusätzliche Maßnahmen für hoch chloridbelastete Bauteile von Brücken und Tunneln zusätzliche Schutzmaßnahmen notwendig sind.

Kenne deinen Feind: Problembereiche lokalisieren

Um die Kosten für den Bau und die Reparatur von Infrastrukturen vorhersehbar zu halten, kann die Verwendung einer rostfreien Bewehrung den Unterschied ausmachen. Aufgrund seines Legierungsgehalts hat rostfreier Betonstahl eine höhere Korrosionsbeständigkeit als klassischer Betonstahl. Das Verständnis über Problembereiche von Infrastrukturbauwerken ist entscheidend, um das Gleichgewicht zwischen Baukosten und Dauerhaftigkeit zu finden. Besonders exponierte Bauteile von Brücken und Tunneln sind die Folgenden:

  • Brückenkappen
  • Konsolen-Köpfe
  • Brückenmittelpfeiler
  • Brückenwiderlager
  • Brückenüberbau
  • Brücken-Schleppplatten
  • Tunnel-Notgehwege
  • Tunnel-Innenwände
  • Stützmauern
  • Galerien

Top12: Die ideale Lösung für die Bewehrung

Kostenreduzierung bei gleichzeitiger Gewährleistung einer hohen Dauerhaftigkeit und Robustheit - eine Herausforderung, die bei der Planung und Instandsetzung von Infrastrukturbauten immer häufiger zu lösen ist. Mit unserem rostfreien Betonstahl Top12 bieten wir die Antwort. Top12 erhöht die Lebensdauer, bietet praktische Konstruktionsvorteile und hält die Kosten niedrig. 

Fazit: Unter Berücksichtigung der Gesichtspunkte: Kosten, Dauerhaftigkeit, baupraktische Vorteile schneidet Top12 in der Lebenszykluskostenstudie des IB Schießl Gehlen Sodeikat am besten ab.

Vergleich verschiedener Lebensdauerberechnungen (w/z=0,45; β=0,5)
Vergleich der Lebenszykluskosten
  Bauteil Stahlgüte Chlorid- belastung
[M.-%z]
(Cs,Δx)
Betonüber-deckung
[mm]
(µ/σ)
Bindemittel Kalkulierte Lebens-dauer [a] Ziel Lebens-dauer [a]
  Brücken-kappen unlegierter Stahl 3,5 50 / 6 CEM II/B-S 14 50
  Top12 >100
  Brücken-Mittelpfeiler unlegierter Stahl 3,0 55 / 8 CEM II/B-S 73 100
  Top12  +30kg/m2 FA >>100
  Tunnel- Notgehwege unlegierter Stahl 5,0 50 / 6 CEM II/B-S 10 50
  Top12 55
  Tunnel Innenwände unlegierter Stahl 4,0 60 / 6 CEM II/B-S 68 100
  Top12  +30kg/m2 FA >>100
Quelle: Gutachterliche Stellungnahme 16-192/1.1.3 vom "Ingenieurbüro Schießl Gehlen Sodeikat GmbH" (München 26. Juli 2018, Deutschland).

Referenzprojekte mit unseren Stahllösungen

Autobahnkreuz München-Ost: Brückenerneuerung


40 Jahre nach der Inbetriebnahme des Autobahnkreuzes zeigte die Hauptuntersuchung erhebliche Mängel in der Bausubstanz, insbesondere im Überbau der Brückenkonstruktion. Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen ergaben, dass ein Ersatzneubau auch im Hinblick auf die zukünftige Verkehrsentwicklungen einer strukturellen Sanierung vorzuziehen ist. Neben einer optimierten  Betonzusammensetzung wurde Top12-Betonstahl in den Pfeilern eingesetzt.

Objekt: Autobahnkreuz München-Ost, DE
Anwendung: Stützen
Produkt: Top12
Abmessungen: 10 mm, 12 mm, 14 mm
Umsetzung: März 2017 bis November 2019

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Autobahn A96: Modernisierung der Etterschlag-Eching-Tunnel



Im Rahmen der sicherheitstechnischen Nachrüstung der Tunnel Eching und Etterschlag auf der Autobahn A96 Lindau-München mussten die  Notgehwege aufgrund der bestehenden Korrosionsschäden erneuert bzw. instand gesetzt werden. Messungen während der Zustandsbewertung der Bauwerke ergaben bereits nach 20 Jahren Betrieb Chloridgehalte auf Höhe der Bewehrung, die deutlich über den zulässigen Grenzwerten für B500B (Ccrit) lagen. Um zukünftige ewehrungskorrosion zu verhindern, wurden die Notgehwege mit optimierter Betontechnologie und dem korrosionsarmen Bewehrungsstahl Top12 ausgestattet.

Objekt: Tunnel Eching und Etterschlag, DE
Anwendung: Notgehwege
Produkt: Top12
Abmessungen: 28 mm
Umsetzung: 2016

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