Gehlen, Christoph

Mayer, Tobias

German

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Conference Paper, Published VersionMayer, Tobias; Gehlen, ChristophDauerhaftigkeitsbewertung bestehender BauwerkeVerfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/102115Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Mayer, Tobias; Gehlen, Christoph (2010): Dauerhaftigkeitsbewertung bestehenderBauwerke. In: Bundesanstalt für Wasserbau (Hg.): Erhaltung von Wasserbauwerken undBrücken. Karlsruhe: Bundesanstalt für Wasserbau. S. 65-68.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigenNutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte.Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license isapplicable. Under CC BY 4.0 commercial use and sharing, remixing, transforming, and building upon the materialof the work is permitted. In some cases a different, more restrictive license may apply; if applicable the terms ofthe restrictive license will be binding.   BAW-Kolloquium  Erhaltung von Wasserbauwerken und Brücken  15. und 16. Juni 2010 in Karlsruhe   Seite 65  Dr.-Ing. T. Mayer, Ing.-Büro Schießl Gehlen Sodeikat, München Prof. Dr.-Ing. Christoph Gehlen, Centrum Baustoffe und Materialprüfung, TU München Dauerhaftigkeitsbewertung bestehender Bauwerke  1. Hintergrund Die Dauerhaftigkeitsbemessung von Stahlbetonbauwerken erfolgt entsprechend der aktuellen Norm anhand von deskriptiven Vorgaben zu Betonzusammensetzung und Betondeckung, die im Wesentlichen historisch aus Erfahrungswerten gewachsen sind. In vielen Fällen führt diese Bemessung zu vergleichsweise unwirtschaftlichen Bemessungen, andererseits können bei pes-simalen Randbedingungen auch Bauwerke geplant und ausgeführt werden, deren Zuverlässig-keit deutlich unterhalb des geforderten Zuverlässigkeitsniveau liegt. Fortschritte in der Modellie-rung von Schädigungsmechanismen erlauben heute eine zuverlässige und wirtschaftliche Dau-erhaftigkeitsbemessung unter Berücksichtigung der tatsächlichen Umwelteinwirkungen und Ma-terialeigenschaften. Die BAW hat diesen Entwicklungen als erster institutioneller Bauherr Rech-nung getragen, indem sie in der aktuellen Fassung der ZTV-LB 215 neben den bekannten An-forderungen an die Betonzusammensetzung auch Vorgaben hinsichtlich der einzuhaltenden Chloridmigrationskoeffizienten formuliert hat, die unmittelbar aus Dauerhaftigkeitsbemessungen für unterschiedliche Expositionen abgeleitet wurden. Doch nicht nur für die Bemessung von Neubauprojekten, sondern auch für die Zustandsbewertung bestehender Bauwerke können Dauerhaftigkeitsbemessungen als wertvolles Werkzeug genutzt werden. 2. Grundlagen der Dauerhaftigkeitsbemessung 2.1 Nachweiskonzept der Dauerhaftigkeitsbemessung Die Dauerhaftigkeitsbemessung baut gleich der Lastbemessung auf einem Sicherheitskonzept auf, bei dem durch die Gegenüberstellung von (Last- bzw. Umwelt-)Einwirkungen und Bauteil-widerständen eine Bauteilzuverlässigkeit berechnet und mit dem geforderten Zuverlässigkeits-niveau verglichen wird. Sowohl Last- als auch Dauerhaftigkeitsbemessung werden probabi-listisch durchgeführt, d.h., Einwirkungs- und Widerstandsparameter werden nicht als determinis-tische Größen, sondern als streuende Größen mit Mittelwert und Standardabweichung quantifi-ziert. Die Zuverlässigkeit Z ergibt sich in diesem Fall als Differenz aus Widerstand R und Ein-wirkung S zu Z = R – S. Da Widerstand und Einwirkung jeweils einer stochastischen Verteilung folgen, ist auch die Zuverlässigkeit eine streuende Größe, die durch den Erwartungswert der Zuverlässigkeit µZ und die Standardabweichung der Zuverlässigkeit σZ beschrieben werden kann. Für die Bewertung der Zuverlässigkeit von Bauwerken hat sich als Kenngröße der so ge-nannte Zuverlässigkeitsindex β etabliert, der sich als Quotient aus µZ und σZ ergibt. Für den Zu-verlässigkeitsindex werden – in Abhängigkeit vom betrachteten Grenzzustand – in den entspre-chenden Regelwerken Grenzwerte vorgegeben, bei deren Einhaltung von einer ausreichenden Zuverlässigkeit ausgegangen werden kann. Der wesentliche Unterschied zwischen der probabilistischen Lastbemessung und der Dauerhaf-tigkeitsbemessung besteht darin, dass sowohl die Transportmechanismen, die einer möglichen Schädigung vorausgehen, als auch die Bauteilwiderstände, die dieser entgegenwirken, in ho-   BAW-Kolloquium  Erhaltung von Wasserbauwerken und Brücken  15. und 16. Juni 2010 in Karlsruhe   Seite 66  hem Maße zeitabhängig sind. Das bedeutet, dass zusätzlich Modelle zur Beschreibung der zeitabhängigen Schädigung benötigt werden. Für zwei zentrale Schädigungsmechanismen, die chloridinduzierte und die carbonatisierungsinduzierte Bewehrungskorrosion, werden diese im Folgenden kurz erläutert.  2.2 Modellierung von Bewehrungskorrosion Stahl in Beton ist aufgrund des hochalkalischen Milieus des Betons zunächst vor Korrosion ge-schützt, da sich auf der Stahloberfläche ein so genannter Passivfilm ausbildet, der eine weiter-gehende Eisenauflösung unterbindet. Korrosion der Bewehrung kann demnach erst einsetzen, wenn dieser Passivfilm lokal (durch Chlorideindringen) oder großflächig (durch Carbonatisie-rung des Betons) zerstört wird. Der Verlust der Passivität des Stahls wird als Depassivierung bezeichnet. Aufgrund der Komplexität der anschließenden Korrosionsphase beschränkt sich die Modellierung auf die Transportprozesse bis zur Depassivierung der Bewehrung. Da sowohl die Carbonatisierung des Betons als auch das Eindringen von Chlorid diffusionsgesteuerte Trans-portprozesse sind, werden für beide Mechanismen Modelle verwendet, die auf den Fick’schen Diffusionsgesetzen beruhen. Eine ausführliche Beschreibung der Modelle enthält z.B. /1/. Der Grenzzustand der Depassivierung ist erreicht, wenn die Carbonatisierungstiefe bzw. die Ein-dringtiefe des kritischen korrosionsauslösenden Chloridgehalts die Betondeckung überschreitet. Übliche Zuverlässigkeitsindizes, die zum Ende der geplanten Nutzungsdauer erreicht werden sollen, liegen – in Abhängigkeit von der Exposition – zwischen β = 0,5 und β = 1,5. 2.3 Verifizierung der Modelle anhand von Bauwerksuntersuchungen Die Eignung des Chloridtransportmodells zur Dauerhaftigkeitsbemessung von Wasserbauwer-ken in der Wasserwechsel- und Spritzwasserzone wurde im Rahmen eines gemeinsamen For-schungsvorhabens der BAW und des cbm der TU München überprüft /2/. Zu diesem Zweck wurden für bestehende Wasserbauwerke anhand von Daten zur Betonzusammensetzung und den Expositionsbedingungen Chloridprofile für die Nutzungsdauer berechnet und anschließend mit tatsächlichen Profilen aus Bauwerksuntersuchungen verglichen. Die berechneten Chlorid-verteilungen zeigen insgesamt eine sehr gute Übereinstimmung mit den am Bauwerk ermittel-ten Profilen, Bild 1. Gleichzeitig belegen die Streuungen der Chloridgehalte am Bauwerk die Notwendigkeit probabilistischer Ansätze zur Beschreibung des Chlorideindringprozesses.    BAW-Kolloquium  Erhaltung von Wasserbauwerken und Brücken  15. und 16. Juni 2010 in Karlsruhe   Seite 67  0,01,02,03,04,05,06,00 10 20 30 40 50 60 70Tiefe [mm]Chloridgehalt [M.-%/Zement]Chloridprofil berechnetErgebnis der BohrmehlanalyseSchleusenbauwerk, NordseeWasserwechselzone, t = 40 a    0,01,02,03,04,05,06,00 10 20 30 40 50 60 70Tiefe [mm]Chloridgehalt [M.-%/Zement]Chloridprofil berechnetErgebnis der BohrmehlanalyseEidersperrwerk TönningSpritzwasser-/Sprühnebelzone, t = 30 a Bild 1: Vergleich berechneter und gemessener Chloridprofile von Wasserbauwerken /2/ 3. Anwendung der Dauerhaftigkeitsbemessung zur Bewertung bestehender Bauwerke Die Anwendung der Dauerhaftigkeitsbemessung beschränkt sich nicht auf die Planung neuer Bauwerke. Sie kann z.B. auch herangezogen werden, um die Auswirkungen möglicher Abwei-chungen von der Planung während der Ausführung (z.B. zu geringe Betondeckungen oder ab-weichende Betonzusammensetzung) auf die Dauerhaftigkeit zu bewerten. Besonders effizient können Dauerhaftigkeitsbemessungen in Verbindung mit den Ergebnissen zerstörungsfreier Bauwerksuntersuchungen zur Bewertung von bestehenden Bauwerken eingesetzt werden. Die Inspektionsdaten (z.B. Betondeckungen, Chloridprofile, Carbonatisierungstiefen) werden dabei als Randbedingung zum Update der Dauerhaftigkeitsbemessung herangezogen, wodurch die Modell- und Parameterunsicherheiten deutlich reduziert und die Prognosegenauigkeit signifi-kant erhöht werden kann. Dadurch ist es möglich, auch für ältere Bauwerke, für die nur ver-gleichsweise wenige Informationen aus der Planungsphase existieren, anhand weniger Inspek-   BAW-Kolloquium  Erhaltung von Wasserbauwerken und Brücken  15. und 16. Juni 2010 in Karlsruhe   Seite 68  tionsdaten eine zuverlässige Prognose der zukünftigen Zustandsentwicklung zu treffen und ei-nen möglichen Instandsetzungsbedarf zu identifizieren.   Die Vorgehensweise soll im Folgenden am Beispiel eines 20 Jahre alten Turmbauwerks erläu-tert werden, dessen Außenflächen hinsichtlich der Gefahr carbonatisierungsinduzierter Beweh-rungskorrosion bewertet werden sollen. Zu diesem Zweck wurden Carbonatisierungstiefenmes-sungen in unterschiedlichen Höhen des Bauwerks durchgeführt. Die Häufigkeitsverteilung der gemessenen und der berechneten Carbonatisierungstiefen zum Zeitpunkt der Inspektion tins ist in Bild 2 links dargestellt /3/. Die tatsächliche Carbonatisierungstiefe xc,act kann durch eine sto-chastische Verteilung beschrieben werden, die offensichtlich sowohl einen geringeren Mittel-wert, als auch eine geringere Streuung als die berechnete Carbonatisierungstiefe besitzt. Wird nun die gemessene Carbonatisierungstiefe als Randbedingung in der Form xc(tins) = xactin das probabilistische Update eingeführt, ergibt sich die in Bild 2 rechts dargestellte Verschiebung des Zuverlässigkeitsindex. Offensichtlich führt die Berücksichtigung von Untersuchungsdaten in diesem Fall zu einer Zunahme der Zuverlässigkeit des betrachteten Turmbauwerks gegenüber der ursprünglichen Dauerhaftigkeitsprognose ohne Inspektionsdaten.  Bild 2: Zuschärfung der Dauerhaftigkeitsprognose durch Carbonatisierungstiefenmes-sungen /3/ 4. Literatur /1/ Gehlen, Ch.: Probabilistische Lebensdauerbemessung von Stahlbetonbauwerken - Zuver-lässigkeitsbetrachtungen zur wirksamen Vermeidung von Bewehrungskorrosion. DAfStb Heft 510, Beuth Verlag, Berlin, Dezember 2000. /2/ Forschungsbericht 30-F-0019 „Zuverlässigkeit Wasserbauwerke – Chlorideindringwider-stand“. BAW/Centrum Baustoffe und Materialprüfung, TU München, 2009. /3/ Schießl, P.; Mayer, T.F.: Lebensdauermanagement. In: Heft 572 der Schriftenreihe des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton, Beuth-Verlag, Berlin, 2007. 

Dauerhaftigkeitsbewertung bestehender Bauwerke

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