Brückenverstärkung mit geklebter Bewehrung

Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Finckh studierte an der Technischen Universität München und war danach wissenschaftlicher Mitarbeiter am dortigen Lehrstuhl für Massivbau. Er arbeitete danach bei einer bedeutenden deutschen Bauunternehmung im Technischen Büro und in einem großen­ Ingenieurbüro im Bereich des konstruktiven Ingenieurbaus. Seit 2021 ist er Professor für Stahlbetonbau und Spannbetonbau an der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg. Neben der dortigen Tätigkeit ist er Mitglied in mehreren Gremien im Stahlbetonbau. Insbesondere ist er dort maßgeblich an der Erstellung der Regelwerke für das Verstärken von Betonbauteilen beteiligt.
© Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg

Dipl.-Ing. (FH) Florian Eberth studierte an der HAWK in Göttingen und war danach in der Planung bei einer Ingenieurgesellschaft in Frankreich tätig. Seit 2011 ist er bei der Firma S&P Clever Reinforcement für die Tragwerksplanung für geklebte Verstärkung verantwortlich. Neben dieser Tätigkeit schult und berät er Ingenieurbüros im Bereich der geklebten Bewehrung.
© S&P Clever Reinforcement

Verstärkung mit geklebter Bewehrung

Die Verstärkung von Betonbauwerken mit geklebter Bewehrung hat in den vergangenen Jahrzehnten eine bedeutende technische und normative Entwicklung durchlaufen. Ihren Ursprung nahm diese Bauweise Ende der 1970er‑Jahre, als 1979 erstmals Stahllaschen für das nachträgliche Verstärken von Betonbauteilen bauaufsichtlich zugelassen wurden.

In den 1990er‑Jahren folgte mit der Umstellung auf CFK-Werkstoffe als Bewehrungselement ein entscheidender Fortschritt. 1997 wurde erstmals die Verwendung von aufgeklebten CFK‑Lamellen zugelassen, wodurch deutlich leistungsfähigere, leichtere und korrosionsbeständige Verstärkungssystemen erreicht wurden. 2004 kam die Zulassung für in Schlitze eingeklebte CFK‑Lamellen hinzu, wodurch sich das Anwendungsspektrum weiter verbreiterte.

Mit der Veröffentlichung der DAfStb‑Richtlinie „Verstärken von Betonbauteilen mit geklebter Bewehrung“ [1] im Jahr 2012 wurde ein einheitlicher, umfassender Regelwerksrahmen geschaffen, der sowohl Bemessung als auch Ausführung systematisch beschreibt. Diese Richtlinie bildet bis heute die Grundlage für die Planung und Bewertung entsprechender Verstärkungsmaßnahmen. Weitere Meilensteine folgten mit einem EAD für die Verstärkungssysteme im Jahr 2019, der Integration in den Eurocode über Anhang J der EN 1992‑1‑1 [2] im Jahr 2023 sowie der zweiten Auflage der DAfStb‑Richtlinie [3] im Jahr 2026, die vollständig auf die neue DIN EN 1992‑1‑1 umgestellt ist.

Während die Technologie im Hochbau früh breite Anwendung fand, verlief die Entwicklung im Brückenbau differenzierter. In den 1980er‑Jahren wurden zahlreiche Koppelfugenverstärkungen ausgeführt, wie etwa an der Talbrücke Sterbecke. Doch bereits 1992 kamen erste Zweifel an der Ermüdungsfestigkeit des Verbunds zwischen Beton, Klebstoff und Bewehrung auf. Diese Bedenken führten zu intensiven Forschungsaktivitäten, unter anderem zu den ersten Ermüdungsansätzen 1995 und den umfangreichen Untersuchungen zur Verbundermüdung in Braunschweig zwischen 2008 und 2012. Die Ergebnisse dieser Arbeiten flossen schließlich in die Ermüdungsnachweise der DAfStb‑Richtlinie von 2012 ein.

Ein zentrales Problem bestand lange darin, dass die verfügbaren Regelwerke zwar Beispiele für den Hochbau enthielten, jedoch kaum spezifische Erläuterungen oder Bemessungsbeispiele für Brückenbauwerke boten. Gerade im Brückenbau sind die Nachweise aufgrund der zyklischen Verkehrsbelastungen und der Spannbetonbauweise deutlich anspruchsvoller. Diese­ Lücke erschwerte die praktische Anwendung der Richtlinie erheblich.

Um diese Lücke zu schließen, wurde ein Fachbuch [4] herausgegeben, welches die Anwendung geklebter Bewehrung im Brückenbau systematisch aufarbeitet. Es enthält ausführliche Erläuterungen zu Anwendungsgebieten, Besonderheiten der statischen Nachweise sowie detaillierte Darstellungen der Ermüdungs- beziehungsweise Betriebsfestigkeitsnachweise. Darüber hinaus werden mehrere praxisnahe Beispiele vorgestellt, darunter:

die Verstärkung einer Zweifeld‑Spannbetonbrücke,

die Querverstärkung einer Straßenbrücke mit eingeklebten Lamellen,

die Längsverstärkung einer Straßenbrücke mit aufgeklebten Lamellen,

sowie die Herstellung des Ankündigungsverhaltens (SpRK) an einem Spannbettbinder.

Die aufwändige Spannungsermittlung wurden dabei mithilfe der Berechnungssoftware SOFiSTiK durchgeführt, und die zugehörigen Eingabedaten stehen online zur Verfügung. Das Werk richtet sich an Ingenieurinnen und Ingenieure, die bereits Grundwissen zur geklebten Bewehrung besitzen und dieses gezielt auf den Brückenbau übertragen möchten. Das Grundwissen zu Verstärkungen von Betonbauteilen und insbesondere zur geklebten Bewehrung kann zum Beispiel in [5] nachgelesen werden.

Anwendungsmöglichkeiten zur Brückenverstärkung­

Grundlagen

Die geklebte Bewehrung bietet im Brückenbau mehrere wesentliche Vorteile. Besonders hervorzuheben sind die kurze Bauzeit sowie die vergleichsweise einfache Ausführung auf der Baustelle. Da weder das Eigengewicht des Bauwerks noch die Querschnittsabmessungen signifikant erhöht werden, eignet sich diese­ Methode insbesondere für Bauwerke mit begrenztem Lichtraum.

Allerdings lassen sich mit geklebter Bewehrung in der Regel nur moderate Tragfähigkeitsdefizite ausgleichen. Bei sehr großen Defiziten, wie sie beispielsweise bei langen Talbrücken in Längsrichtung auftreten können, sind externe Spannglieder häufig die geeignetere Verstärkungsmaßnahme. In der Praxis wurden solche externen Vorspannsysteme jedoch bereits vielfach erfolgreich mit einer geklebten Bewehrung in Querrichtung kombiniert.

Im Folgenden werden ausgewählte, besonders sinnvolle Anwendungsgebiete der geklebten Bewehrung bei der Verstärkung von Brückenbauwerken näher erläutert.

Ergänzung fehlender Feldbewehrung mit aufgeklebter Bewehrung

Kleinere bis mittlere Defizite in der Feldlängsbewehrung lassen sich gut durch aufgeklebte Bewehrung ausgleichen, sofern ausreichend Klebefläche vorhanden ist. In Abb. 1 sind mehrere Querschnittsformen dargestellt, die sich für eine Biegeverstärkung in Längsrichtung bei Feldmomenten gut eignen.

1 Feldmomentenverstärkung mit aufgeklebter Bewehrung
© [4]

Der ebenfalls in Abb. 1 gezeigte Plattenbalkenquerschnitt mit hohen, schlanken Stegen, wie er häufig Mitte der 1960er Jahre gebaut wurde, ist hingegen nur eingeschränkt für eine Feldmomentenverstärkung mit aufgeklebter Bewehrung geeignet. Größere Verstärkungen an den Stegseiten sind aufgrund der geringen Hebelarme nicht zu empfehlen. Zudem sollten bei einer seitlichen Verstärkung bestimmte Effekte, wie etwa die Bauteilkrümmung, im Verbundnachweis nicht berücksichtigt werden.

Für eine Stützmomentenverstärkung ist aufgeklebte Bewehrung ebenfalls nur bedingt geeignet, da sie zu einer leichten Erhöhung des Querschnitts unter der Asphaltdecke führt. Eine Verklebung unter dem heiß eingebrachten Asphalt ist technisch möglich, Hinweise hierzu finden sich in [5].

Ergänzung fehlender Stütz- und Feldbewehrung mit eingeklebter Bewehrung

Für eine Biegeverstärkung in Brückenlängsrichtung im Bereich der Stützmomente ist eingeklebte Bewehrung deutlich besser geeignet. Wie in Abb. 2 erkennbar, steht hierfür in der Regel eine große Fläche zur Verfügung, auf der die eingeklebte Bewehrung angeordnet werden kann.

2 Eingeklebter Bewehrung zur Verstärkung im Stützmomentenbereich
© [4]

Auch eine Feldmomentenverstärkung in Brückenlängsrichtung kann mit eingeklebter Bewehrung erfolgen. Auch hier sind die Querschnitte mit großen unterseitigen Flächen deutlich geeigneter als schmale Plattenbalkenquerschnitte. Eine unterseitige Verstärkung mit eingeklebter Bewehrung ist im Vergleich zu einer oberseitigen Ausführung mit deutlich höheren Aufwendungen verbunden, da das Einschneiden der Schlitze für die eingeklebte Bewehrung von unten deutlich aufwändiger ist.

Ergänzung von fehlender Querbewehrung

Aufgrund der heute höheren Achslasten sowie der zur Bauzeit verwendeten, teilweise unzureichenden Berechnungsansätze weist die Bewehrung in Brückenquerrichtung häufig eine unzureichende Tragreserve auf. Eine Ergänzung der Querbewehrung kann, wie in Abb. 3 dargestellt, oberseitig effizient durch eingeklebte Bewehrung erfolgen.

3 Verstärkung eines Hohlkastens in Brückenquerrichtung mit aufgeklebter Bewehrung
© [4]

Fehlt Bewehrung zur Aufnahme der Feldmomente in Querrichtung, kann diese unterseitig ebenfalls wirkungsvoll durch aufgeklebte Bewehrung ergänzt werden.

Querkraftverstärkungen mit Laschenbügeln

Neben unzureichenden Tragreserven in der Biegelängsbewehrung zeigt der Bestand von Betonbrücken häufig auch Defizite in der vorhandenen Querkraftbewehrung. Für diesen Anwendungsfall stellen außen aufgeklebte Stahllaschenbügel eine wirksame Verstärkungsmaßnahme dar. Da Brückenbauwerke jedoch grundsätzlich über eine oberseitige Fahrbahnplatte verfügen, deren Dicke im Regelfall unverändert bleibt, und die Stahllaschenbügel gemäß DAfStb‑Richtlinie [1] zwingend in der Druckzone zu verankern sind, ergeben sich erhöhte konstruktive Anforderungen. Eine mögliche Lösung besteht in der Herstellung der oberseitigen Verankerung über in der Betondeckung der Fahrbahnplatte angeordnete Stahlplatten. Ein entsprechendes Verstärkungskonzept ist exemplarisch in Abb. 4 dargestellt.

4 Ausführung einer Querkraftverstärkung mit aufgeklebten Stahllaschenbügeln
© [4]

Aus dauerhaftigkeits- und korrosionsschutztechnischer Sicht wäre der Einsatz von Edelstahllaschen grundsätzlich vorteilhaft. Für diese Bauart liegen derzeit jedoch keine allgemeinen Bauartgenehmigungen oder Zulassungen vor. Bei Auswahl geeigneter Edelstahlsorten bestehen weder bemessungstechnische noch materialtechnische Bedenken. Für die praktische Anwendung ist jedoch eine vorhabenbezogene Bauartgenehmigung erforderlich, in deren Rahmen insbesondere die Kompatibilität der gewählten Edelstahlsorte mit dem eingesetzten Klebstoffsystem nachzuweisen und zu bestätigen ist.

Herstellung des Ankündigungsverhaltens bei Spannungsrisskorrosion

Bei einer Reihe von Spannbetonbrücken tritt das Phänomen der Spannungsrisskorrosion auf. Um ein plötzliches, ohne Vorankündigung eintretendes Versagen des Bauwerks zu vermeiden, ist ein ausreichendes Ankündigungsverhalten zwingend erforderlich. Dies bedeutet in der Regel, dass vor dem Kollaps ein deutlich ausgeprägter Biegeriss entsteht, der ein bevorstehendes Bauteilversagen sichtbar macht. Ein solches Verhalten kann durch die Anordnung einer ausreichend dimensionierten Robustheitsbewehrung sichergestellt werden. Da diese im Bestand häufig nicht vorhanden ist, bietet sich eine Verstärkung durch geklebte Bewehrung an, um die fehlende Robustheitsbewehrung nachzurüsten.

Grundsätzlich kann die Verstärkung sowohl mit eingeklebter als auch mit aufgeklebter Bewehrung erfolgen. Für das Ankündigungsverhalten ist entscheidend, dass die entstehenden Risse eine ausreichende Breite erreichen, um im Rahmen der Bauwerksprüfung sicher detektiert werden zu können. Dieses Ziel lässt sich mit aufgeklebter Bewehrung gut erreichen, wenn diese in definierten Abständen durch Laschenbügel umschlossen wird, wie in Abb. 5 dargestellt.

5 Mögliche Verstärkungen zur Herstellung eines Ankündigungsverhaltens
© [4]

Bei dieser in [4] näher beschriebenen Ausführungsvariante kommt es im Falle eines kritischen Spanndrahtbruchs zu einer gezielten Entkopplung der Lamelle zwischen den Laschenbügeln. Dadurch kann sich über einen größeren Bereich eine erhöhte Dehnung in den ergänzten Stahllamellen einstellen, was wiederum zu einer ausgeprägteren Rissbildung in der Beton­struktur führt und somit ein deutliches Ankündigungsverhalten gewährleistet.

Herausforderungen

Verstärkungsmaßnahmen im Brücken

Verstärkungsmaßnahmen an Brückenbauwerken sind in der Regel mit einer Vielzahl konstruktiver und organisatorischer Herausforderungen verbunden. Während der Bauausführung muss der Verkehr häufig eingeschränkt oder vollständig vom Bauwerk ferngehalten werden. Zudem unterliegen Brücken stets den Witterungs- und Temperaturbedingungen, sodass Arbeiten witterungsbedingt unterbrochen oder zeitlich verschoben werden müssen.

Bei umfangreicheren Verstärkungsmaßnahmen, insbesondere wenn diese Eingriffe an der Oberseite beziehungsweise im Bereich der Fahrbahn erfordern, ist eine Durchführung nur dann zweckmäßig, wenn gleichzeitig oder unmittelbar anschließend die Abdichtung sowie die Kappen des Bauwerks erneuert werden. Eine Verstärkungsmaßnahme sollte daher grundsätzlich in ein umfassenderes Instandsetzungskonzept des Brückenbauwerks eingebettet werden.

Bestandskennwerte

Für die Bemessung von Verstärkungsmaßnahmen, insbesondere bei aufgeklebter Bewehrung, ist die tatsächliche Betonfestigkeit des Bestands eine zentrale Eingangsgröße. Daher sollte vor Beginn der detaillierten Verstärkungsplanung stets eine umfassende Ermittlung der maßgebenden Betonkennwerte erfolgen. Besonders die Oberflächenzugfestigkeit ist sorgfältig zu prüfen, da sie die Nachweise maßgeblich beeinflusst. Je nach Nachweis kann eine höhere Oberflächenzugfestigkeit sowohl vorteilhaft als auch nachteilig wirken:

Beim Verbundnachweis wirkt eine erhöhte Oberflächenzugfestigkeit positiv, da höhere Verbundspannungen übertragen werden können.

Gleichzeitig führt sie jedoch zu einem größeren Rissmoment, was wiederum größere Rissabstände und höhere Lamellenkräfte bei der Erstrissbildung zur Folge hat.

Auch bei eingeklebter Bewehrung ist häufig eine zusätzliche Verbügelung mittels Stahllaschen erforderlich, für deren Bemessung ebenfalls die ermittelten Betonkennwerte benötigt werden. Zusätzlich ist bei eingeklebten Systemen sicherzustellen, dass eine ausreichende Betondeckung vorhanden ist, um die Schlitze für die Lamellen ohne Beschädigung der vorhandenen Bewehrung herstellen zu können. Diese Randbedingung muss zwingend vor der detaillierten Verstärkungsplanung geprüft werden, da andernfalls während der Ausführung erhebliche Probleme auftreten können, die im ungünstigsten Fall zum Scheitern der gesamten Verstärkungsmaßnahme führen.

Temperatur bei der Verklebung

Für die Verarbeitung der bei geklebten Bewehrungssystemen eingesetzten Epoxidharzklebstoffe ist eine Bauteiltemperatur von in der Regel mindestens etwa 10 °C erforderlich. Da diese Temperaturen insbesondere in den Wintermonaten häufig nicht zuverlässig erreicht werden, sollte die Ausführung von Verstärkungsmaßnahmen vorzugsweise in den wärmeren Jahreszeiten erfolgen. Ist dies nicht möglich, müssen die betroffenen Bereiche des Bauwerks während der Arbeiten eingehaust und temperiert werden, um die erforderlichen Mindesttemperaturen sicherzustellen.

In den Sommermonaten ist zusätzlich zu berücksichtigen, dass Epoxidharze bei hohen Umgebungstemperaturen deutlich schneller reagieren. Dies führt zu einer verkürzten Verarbeitungszeit und erfordert eine entsprechend angepasste Arbeitsorganisation.

Tragwerksplanung

Die Nachrechnung eines Brückenbauwerks stellt aufgrund der Vielzahl anzusetzender Lasten, der häufig komplexen Geometrie sowie der Randbedingungen aus vorhandener Spann- und Betonstahlbewehrung bereits für sich eine anspruchsvolle Planungsaufgabe­ dar. Da eine Verstärkungsmaßnahme unmittelbar in den Bestand eingreift, ist eine abgeschlossene und belastbare Nachrechnung zwingende Voraussetzung für jede weiterführende Verstärkungsplanung.

Da die mit der Nachrechnung beauftragten Planenden bereits über detaillierte Kenntnisse des Bestands verfügen, sollten sie im Regelfall auch mit der Ausarbeitung der Verstärkungsplanung betraut werden. Die Planung der Verstärkungsmaßnahme muss zur Ausschreibung der Bauleistungen vollständig ausgearbeitet und geprüft vorliegen, um die meist sehr begrenzte Bauzeit nicht zu gefährden.

Eine Vergabe der Ausführungsplanung gemeinsam mit der Bauausführung, wie sie im Neubau teilweise üblich ist, kann bei Verstärkungsmaßnahmen aufgrund der komplexen Bestandsabhängigkeiten zu erheblichen Schwierigkeiten führen und sollte daher vermieden werden.

Zusammenfassung

Eine Brückenverstärkung mit geklebter Bewehrung ist eine schnelle und in der Ausführung unkomplizierte Methode, um die Tragfähigkeit zu verbessern. In der Planung müssen jedoch einige Besonderheiten beachtet werden, welche in [4-6] beschrieben werden. Ebenfalls finden sich in [4] zahlreiche Bemessungsbeispiele, um diese Besonderheiten besser verstehen zu können.

Autoren: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Finckh, Professor für Stahlbetonbau und Spannbetonbau, Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg, und Dipl.-Ing. (FH) Florian Eberth, S&P Clever Reinforcement, Bad Nauheim