Im Jahr 2021 befanden sich knapp 40.000 Brückenbauwerke im Netz der Bundesfernstraßen. Mit 86 % der Gesamtbauwerksfläche wurden Stahlbeton- beziehungsweise Spannbetonbrücken am häufigsten aus-geführt. Ein hoher Prozentsatz dieser Bauwerke entstand im Zeitraum von 1960 bis 1980. Die avisierte Nutzungsdauer dieser Brücken von 100 Jahren wird oftmals nicht erreicht, sodass die tragenden Struktu-ren im Schnitt nach 75 Jahren ersetzt werden müssen. Erste größere Reparaturen sind bereits nach 40 Jahren notwendig. Diese Faktoren führen dazu, dass die Baulastträger kurz- und mittelfristig eine Viel-zahl an Ersatzneubauten zu bewältigen haben. Jede Baumaßnahme im Zuge der Verkehrsinfrastruktur, insbesondere an essenziellen Strukturen wie Bücken, bedeutet einen Eingriff in den Verkehr und ist oft gleichbedeutend mit langen Stauzeiten. Mit dem Ziel, die Bauzeit zu verkürzen, gewinnt die Fertigteilbauweise an Bedeutung. Dabei kann ihr volles Potenzial entfaltet werden, wenn gänzlich auf Ortbeton verzichtet und der Vorfertigungsgrad auf annähernd 100 % maximiert wird. Das bietet neben der Bauzeitreduzierung auch die Vorteile einer hohen Fertigungsqualität, einem geringeren Material- und Personalaufwand auf der Baustelle sowie flexibleren Tragstrukturen. Eine Möglichkeit, um Bauteile kraftschlüssig und dennoch reversibel zu fügen, ist das trockene Verspannen mittels verbundlosen Spanngliedern. Die Drucknormalkraft aktiviert die Oberflä-chenreibung in den Kontaktfugen und verhindert das Auseinandergleiten der Module. Aufgrund der ho-hen Skalierbarkeit in der Fertigung durch immer wiederkehrende Bauteilgeometrien sind neben Brücken auch Windenergieanlagen ein relevanter Markt. Beide Bauwerksgruppen unterliegen vorwiegend nichtruhenden Belastungen, welche ermüdungsrele-vante Beanspruchungen im Kontaktbereich zwischen einzelnen Betonfertigteilen hervorrufen. Es ist not-wendig, die Beanspruchungscharakteristika sowie deren Auswirkungen auf die Kontaktoberflächen und die Betonmatrix im Fugennahbereich zu erforschen. Nur so können dauerhafte, ermüdungsresistente und sichere Bauwerke errichtet werden. Eine Betrachtung der Kontaktflächen ausschließlich auf der Bauteil-ebene ist unzureichend. Vielmehr spielen alle Gestaltabweichungen von der Bauteil- bis zur Mikroebene eine Rolle. Im Rahmen der Dissertation werden zunächst die kontaktmechanischen Grundlagen eruiert und auf den Beton übertragen. Gleichzeitig werden existierende Werkstoffmodelle recherchiert, um die nichtlinearen Eigenschaften des Kompositwerkstoffes zu beschreiben, die eigenen Versuche numerisch zu begleiten sowie deren Aussagekraft zu erweitern. Neben den phänomenologischen Daten steht die hochauflösende Kontaktflächendigitalisierung im Mittelpunkt der Untersuchungen. Durch vergleichende Betrachtungen vor und nach den Ermüdungsversuchen können Aussagen zur Oberflächen- und Materialdegradation ge-troffen werden. Weiterhin werden die digitalen Zwillinge einer randomisierten Finite-Elemente-Analyse zugeführt. Die eigenen Untersuchungen zeigen, dass zyklische Belastungen sowohl einen Einfluss auf den Coulombschen Haftreibungsbeiwert als auch die Kontaktsteifigkeit haben. Beide Parameter nehmen mit steigender Lastwechselzahl zu. Darüber hinaus weisen selbst sehr glatte Betonoberflächen eine relevante Welligkeit auf, die einen vollflächigen Kontakt verhindert. Daraus ergibt sich eine ungleichmäßige Kraft-übertragung, die in der Bemessung zu berücksichtigen ist.:1. Einleitung 1.1 Motivation und Zielstellung 1.2 Vorgehensweise 2. Vom Fertigteilbau zum modularen Bauen 2.1 Vorteile und Anwendungsgebiete 2.2 Artverwandte Brückenbauweisen 2.2.1 Querorientierte Bauteilfugen – Segmentbauweisen 2.2.2 Längsorientierte Bauteilfugen – Balkenreihen 2.3 Grundlagen der Mechanik von zyklisch beanspruchten Trockenfugen 3. Stand des Wissens zum Beton – Statische Eigenschaften, Ermüdung und Materialmodelle 3.1 Aufbau des Betons und einaxiale Materialeigenschaften 3.2 Ermüdung von Beton unter Druckschwellbeanspruchung 3.3 Beschreibung von Plastizität und Schädigung mit Hilfe der FEM 3.3.1 Grundlagen der Kontinuumsmechanik und Kinematik 3.3.2 Plastizität und Schädigung 3.3.3 Microplane-Theorie – Kopplung von Schädigung und Plastizität 3.4 Energetisches Modell zur Schädigungsevolution nach Pfanner 3.4.1 Definition der Arbeitslinie nach Pölling 3.4.2 Grundannahmen und Energiebilanz 3.4.3 Ermüdungsschädigung 4. Stand des Wissens zur Kontaktmechanik von Betonoberflächen 4.1 Allgemeines 4.2 Kontaktmodelle 4.2.1 Elastischer Kontakt 4.2.2 Plastischer Kontakt 4.2.3 Beton-Beton-Kontakt 4.3 Rauheit der Oberfläche 4.3.1 Mathematische Modelle zur Oberflächengenerierung 4.3.2 Messung und Digitalisierung realer Oberflächen 4.3.3 Oberflächenparameter 4.3.4 Erkenntnisse zu Oberflächenparametern von Beton 4.4 Kontaktfläche und Reibbeiwerte 4.4.1 Coulombsches Gesetz und relevante Einflussparameter 4.4.2 Haftreibungsbeiwerte von Beton – eine Literaturrecherche 4.4.3 Erkenntnisse zum Einfluss zyklischer Beanspruchung auf den Haftreibungsbeiwert 5. Normative Regelungen für vorgespannte Trockenfugen 5.1 Aktueller Stand 5.1.1 Normenüberblick und Fokus der vorliegenden Arbeit 5.1.2 Schertragfähigkeit der Fuge 5.1.3 Zusammenstellung der Nachweise im GZT und GZG 5.2 Fertigungstoleranzen und deren Relevanz bei Trockenfugen 5.3 Ableitung untersuchungsrelevanter Parameter 6. Eigene Untersuchungen 6.1 Experimentelles Untersuchungsprogramm 6.2 Numerische Simulation zur Bestimmung der Beanspruchungsgrößen 6.3 Experimentelle Untersuchungen – Versuchsregime 1 6.3.1 Gleiten vorgespannter Fugen unter zyklischer Belastung 6.3.2 Ermüdungsbedingte Stauchung in der Druckzone 6.3.3 Entwicklung des Haftreibungsbeiwertes bei zwischenzeitlicher Demontage 6.4 Experimentelle Untersuchungen – Versuchsregime 2 6.5 Auswertung der Streifenlichtscans 6.5.1 Vorbereitung der Rohdaten 6.5.2 Beurteilung der Rauheitsprofile anhand der Paramter Rp, Rv, Rz und W 6.5.3 Power-Spectral-Density-Analyse der Primärprofile 6.5.4 z-Ordinatenverteilung der Primärflächen vor und nach der zyklischen Last 6.6 Mikroskopie an Proben aus der Kontaktzone 6.7 Einordnung der experimentellen Untersuchungen 6.7.1 Zusammenfassung der experimentellen Ergebnisse aus Versuchsregime 1 6.7.2 Zusammenfassung der experimentellen Ergebnisse aus Versuchsregime 2 6.8 Betrachtungen zur statischen und zyklischen Festigkeit hinter Trockenfugen 6.8.1 Verknüpfung von Experiment, Numerik und Probabilistik 6.8.2 Ermittlung der Spannungserhöhungsfaktoren 6.8.3 Semiprobabilistische Untersuchung 6.8.4 Verifikation anhand statischer Zylinderdruckversuche mit und ohne Fuge 6.9 Untersuchung zur Querverteilung in modularen Überbauten 6.9.1 Allgemeines, Konzept und FE-Modell 6.9.2 Ergebnisse zur Querverteilung 7. Ergebnisdiskussion und Ingenieurmodelle 7.1 Vorschlag eines ganzheitlichen Ordnungssystems der Gestaltabweichungen 7.2 Verständnis der Kontaktmechanik in zyklisch beanspruchten Trockenfugen 7.3 Anpassungsvorschläge für bestehende Bemessungsansätze 7.3.1 Scherfestigkeit statisch und zyklisch beanspruchter Trockenfugen 7.3.2 Spannungsbasierte Nachweise im GZT und GZG 7.3.3 Spannkraftverluste infolge Setzungen im Kontaktbereich 7.3.4 Grenzwertempfehlungen für das Fugenklaffen im GZG und GZT 7.4 Anwendungsbeispiel I – Pilotbrücke Malschwitz 7.5 Anwendungsbeispiel II – Modulares Straßenbrückensystem 8. Zusammenfassung und Ausblick Literatur Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Anhang 1 – Messergebnisse Anhang 2 – Ergebnisse der Oberflächenscans Anhang 3 – Zwischenergebnisse der probabilistischen Untersuchung Anhang 4 – Fugenstatik des modularen Straßenbrückensystems

No description available.

Corrosion damage reduces the load-carrying capacity of bridges which poses a threat to passenger safety. The objective of this research was to reduce the resources involved in conventional bridge inspections which are an important tool in the condition assessment of bridges and to help in determining if live load testing is necessary. This research proposes a framework to link semi-automated damage detection on prestressed concrete bridge girders with the estimation of their residual flexural capacity. The framework was implemented on four full-scale corrosion damaged girders from decommissioned bridges in Virginia. 3D point clouds of the girders reconstructed from images using Structure from Motion (SfM) approach were textured with images containing cracks detected at pixel level using a U-Net (Fully Convolutional Network). Spalls were detected by identifying the locations where normals associated with the points in the 3D point cloud deviated from being perpendicular to the reference directions chosen, by an amount greater than a threshold angle. 3D textured mesh models, overlaid with the detected cracks and spalls were used as 3D damage maps to determine reduced cross-sectional areas of prestressing strands to account for the corrosion damage as per the recommendations of Naito, Jones, and Hodgson (2011). Scaling them to real-world dimensions enabled the measurement of any required dimension, eliminating the need for physical contact. The flexural capacities of a box beam and an I-beam estimated using strain compatibility analysis were validated with the actual capacities at failure sections determined from four destructive tests conducted by Al Rufaydah (2020). Along with the reduction in the cross-sectional areas of strands, limiting the ultimate strain that heavily corroded strands can develop was explored as a possible way to improve the results of the analysis. Strain compatibility analysis was used to estimate the ultimate rupture strain, in the heavily corroded bottommost layer prestressing strands exposed before the box beam was tested. More research is required to associate each level of strand corrosion with an average ultimate strain at which the corroded strands rupture. This framework was found to give satisfactory estimates of the residual strength. Reduction in resources involved in current visual inspection practices and eliminating the need for physical access, make this approach worthwhile to be explored further to improve the output of each step in the proposed framework. / Master of Science / Corrosion damage is a major concern for bridges as it reduces their load carrying capacity. Bridge failures in the past have been attributed to corrosion damage. The risk associated with corrosion damage caused failures increases as the infrastructure ages. Many bridges across the world built forty to fifty years ago are now in a deteriorated condition and need to be repaired and retrofitted. Visual inspections to identify damage or deterioration on a bridge are very important to assess the condition of the bridge and determine the need for repairing or for posting weight restrictions for the vehicles that use the bridge. These inspections require close physical access to the hard-to-reach areas of the bridge for physically measuring the damage which involves many resources in the form of experienced engineers, skilled labor, equipment, time, and money. The safety of the personnel involved in the inspections is also a major concern. Nowadays, a lot of research is being done in using Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) like drones for bridge inspections and in using artificial intelligence for the detection of cracks on the images of concrete and steel members. Girders or beams in a bridge are the primary longitudinal load carrying members. Concrete inherently is weak in tension. To address this problem, High Strength steel reinforcement (called prestressing steel or prestressing strands) in prestressed concrete beams is pre-loaded with a tensile force before the application of any loads so that the regions which will experience tension under the service loads would be subjected to a pre-compression to improve the performance of the beam and delay cracking. Spalls are a type of corrosion damage on concrete members where portions of concrete fall off (section loss) due to corrosion in the steel reinforcement, exposing the reinforcement to the environment which leads to accelerated corrosion causing a loss of cross-sectional area and ultimately, a rupture in the steel. If the process of detecting the damage (cracks, spalls, exposed or severed reinforcement, etc.) is automated, the next logical step that would add great value would be, to quantify the effect of the damage detected on the load carrying capacity of the bridges. Using a quantified estimate of the remaining capacity of a bridge, determined after accounting for the corrosion damage, informed decisions can be made about the measures to be taken. This research proposes a stepwise framework to forge a link between a semi-automated visual inspection and residual capacity evaluation of actual prestressed concrete bridge girders obtained from two bridges that have been removed from service in Virginia due to extensive deterioration. 3D point clouds represent an object as a set of points on its surface in three dimensional space. These point clouds can be constructed either using laser scanning or using Photogrammetry from images of the girders captured with a digital camera. In this research, 3D point clouds are reconstructed from sequences of overlapping images of the girders using an approach called Structure from Motion (SfM) which locates matched pixels present between consecutive images in the 3D space. Crack-like features were automatically detected and highlighted on the images of the girders that were used to build the 3D point clouds using artificial intelligence (Neural Network). The images with cracks highlighted were applied as texture to the surface mesh on the point cloud to transfer the detail, color, and realism present in the images to the 3D model. Spalls were detected on 3D point clouds based on the orientation of the normals associated with the points with respect to the reference directions. Point clouds and textured meshes of the girders were scaled to real-world dimensions facilitating the measurement of any required dimension on the point clouds, eliminating the need for physical contact in condition assessment. Any cracks or spalls that went unidentified in the damage detection were visible on the textured meshes of the girders improving the performance of the approach. 3D textured mesh models of the girders overlaid with the detected cracks and spalls were used as 3D damage maps in residual strength estimation. Cross-sectional slices were extracted from the dense point clouds at various sections along the length of each girder. The slices were overlaid on the cross-section drawings of the girders, and the prestressing strands affected due to the corrosion damage were identified. They were reduced in cross-sectional area to account for the corrosion damage as per the recommendations of Naito, Jones, and Hodgson (2011) and were used in the calculation of the ultimate moment capacity of the girders using an approach called strain compatibility analysis. Estimated residual capacities were compared to the actual capacities of the girders found from destructive tests conducted by Al Rufaydah (2020). Comparisons are presented for the failure sections in these tests and the results were analyzed to evaluate the effectiveness of this framework. More research is to be done to determine the factors causing rupture in prestressing strands with different degrees of corrosion. This framework was found to give satisfactory estimates of the residual strength. Reduction in resources involved in current visual inspection practices and eliminating the need for physical access, make this approach worthwhile to be explored further to improve the output of each step in the proposed framework.

The subject of this thesis is the design and analysis of five-span bridge construction across the railway on the route Zábřeh - Šumperk and the Morava river. There will be made separated bridge for each direction, only right bridge is considered in the thesis. Object is located to 1st class road I/44 on the route between Mohelnice and Jeseník. Three variants were designed - two prestressed chamber girders, one prestressed chamber girder with prefabricated consoles and construction of concrete slab mixed with two steel girders. After these variants were weigh up and the first one, with the length of cantilevered construction 235,6 m and maximum lenght of span 60 m, was chosen for analysis. Calculation of load effects was made by software Scia Engineering 2013 and the analysis was made according to current standards by manual calculation depending on limit states and their influence on the design as well. Drawing documentation and visualization are also part of the thesis.

The subject of this master thesis is the design and analysis of bridge construction on the crossing of relocated road III/11812 over the future extension of the motorway D4. The geometrical road design of the sugested relocation is predetermined. 4 variant solutions are designed, one of which is selected for subsequent detailed solution. The selected variant is designed as a slab-girder continuous 3-span beam bridge with span lenghts 20.00, 34.50, 20.00m. The load-carrying structure is connected to pillars by notched joint and to abutment by pot bearing. Calculation of load effects was made with software Scia Engineer 18.0 and the analysis was done in cmpliance with current service and ultimate limit states standards.