Warum sind manche alten Brücken topfit, andere marode?
Die Leverkusener Autobahnbrücke darf nicht mal mehr von leichten Lastern befahren werden, die Schiersteiner Autobahnbrücke zwischen Mainz und Wiesbaden war 2015 sogar für ein paar Monate ganz gesperrt. Brücken in Deutschland sind zum Teil in einem schlimmen Zustand. Aber nicht alle. Die TU München untersucht jetzt, warum manche alten Brücken modernen Lkw-Verkehr relativ gut überstehen und andere nicht.
"Es gibt viele Brücken mit einem errechneten Defizit, aber man sieht an den Bauwerken keine Schäden, die dies bestätigen", so der Ingenieur Prof. Fischer.
Foto: Stürzenberger/TU München
Wenn ein Lkw über eine Autobahn donnert, ist die Belastung für die Fahrbahn und erst recht für eine Brücke enorm. Ingenieure der TU Hamburg haben errechnet, dass ein voll beladener 40-Tonner die Fahrbahn 160.000 Mal so stark beansprucht wie ein kleiner Pkw. Entscheidend dabei ist die Achslast. Hat der 40-Tonner vier Achsen, so drücken jeweils 10 t auf die Fahrbahn. Wiegt der Kleinwagen eine Tonne, wirken pro Achse 500 kg.
40-Tonner belastet Straße 160.000 Mal mehr als ein Auto
Das Problem ist aber nicht allein das höhere Gewicht: Die Schadenswirkung wird vor allem durch Schwingungen erzeugt. Und diese Schadenswirkung steigt mit der vierten Potenz der Achslast, so die Ingenieure. So kommt die erstaunliche Zahl zustande, dass die vier Achsen eines Lkw mit einer jeweiligen Achslast von 10 t die Straße 160.000 Mal stärker belasten als die zweimalige Achslast von 500 kg eines Kleinwagens.
Die Brückenelemente werden auch im Prüflabor großen Belastungen ausgesetzt. Deutlich zu sehen sind die Risse im Beton.
Quelle: Uli Benz/TU München
Erstaunlich ist jedoch, dass manche alten Brücken die enorme Belastung besser verdauen als andere. Sie müssten nach theoretischen Berechnungen eigentlich marode sein, sind aber immer noch leistungsfähig. Warum das so ist, wollen jetzt Ingenieure der TU München herausfinden.
Rechnerische Defizite, aber keine sichtbaren Schäden
„Es gibt viele Brücken mit einem errechneten Defizit, aber man sieht an den Bauwerken keine Schäden, die dies bestätigen“, sagt Oliver Fischer, Lehrstuhlinhaber für Massivbau an der TU München. Das ist umso erstaunlicher, als dass alte Brücken quer wirkende Schwingungen eigentlich schlecht verarbeiten können.
Bei der Querkraft handelt es sich um Beanspruchungen, die senkrecht zur Längsrichtung der Brücke wirken. „Brücken, die vor 1966 gebaut wurden, haben so gut wie keine vertikale Bewehrung, um die Querkräfte aufzunehmen“, erklärt Fischer. Werden diese Brücken nach heutigen Standards bewertet, weisen sie massive Defizite auf. „Die Konsequenz daraus ist, dass diese Brücken verstärkt, die Verkehrslasten verringert oder im Extremfall ganze Bauwerke abgerissen und erneuert werden müssen.“ Doch nicht immer ist das notwendig.
Saalebrücke in Franken wird auf Schäden untersucht
Deshalb wollen die Ingenieure der TU an einer echten Brücke, die vor 1966 gebaut wurde, eingehend den Verschleiß untersuchen. Forschungsobjekt ist die 60 Jahre alte Saalebrücke Hammelburg in Unterfranken. Sie wies im Laufe der Jahre immer mehr Schäden auf, eine Sanierung wäre unwirtschaftlich gewesen. Seit Dezember 2016 fließt der Verkehr daher über eine neue Brücke.
Die mehrspurige Saalebrücke in Hammelburg in Franken wurde in den 1960er Jahren gebaut und ist marode.
Quelle: Stürzenberger/TU München
An der Saalebrücke Hammelburg wollen die Ingenieure insbesondere die Wirkung der Querkräfte untersuchen. Das Querkrafttragverhalten ist sehr komplex. Es gibt mehrere Theorien über die Wirkung dieser Kräfte. „Ein Problem ist, dass die experimentellen Untersuchungen dazu fast ausschließlich im Labor durchgeführt wurden“, so Fischer.
Erfahrungen aus der Praxis sollen nun helfen, die Wirkung besser zu verstehen. „Im kleinen Maßstab verhalten sich viele Tragsysteme anders als im Realzustand“, so der Ingenieur. Auch der Einfluss, den die natürliche Witterung und die jahrzehntelange Alterung auf die Brücken haben, könne im Labor nicht realitätsgetreu abgebildet werden. Die geplanten Versuche an der Saalebrücke sollen diese Lücke schließen.
Das Messteam der TU München beim Aufkleben der faseroptischen Sensoren auf den Beton der Saalebrücke. Anschließend wird die Brücke der Last schwerer Laster ausgesetzt, die Sensoren messen dann die Änderungen im Beton.
Quelle: Stürzenberger/TU München
Die 163 Meter lange Brücke besteht aus sieben Einzelfeldern. „Die Querkraft ist in der Nähe der Pfeiler beziehungsweise Stützen am größten“, so Fischer. Daher sind die Messungen an diesen Stellen besonders interessant. Die Versuche finden an fünf der sieben Felder und jeweils im Bereich der Stützen statt.
Ingenieure erzeugen Last von 400 Kleinwagen
Die Querkraftbelastung wird bei den einzelnen Versuchen mit einem extra für diese Großversuche gebauten Balken, einem sogenannten Belastungsträger, durchgeführt. Der Belastungsträger ist etwa 32 m lang, 1,80 m hoch und wiegt etwa 40 t. Die Gesamtbelastung kann auf bis zu 400 Tonnen gesteigert werden. Das entspricht der Last von zehn 40-Tonnern oder 400 Kleinwagen.
Manche alten Brücken sind noch überraschend gut in Schuss, obwohl sie nach Berechnungen der Ingenieure längst baufällig sein müssten. Warum das so ist, wollen die Ingenieure der TU München herausfinden.
Quelle: Stürzenberger/TU München
Die Messtechnik ist aufwendig: Mithilfe von Glasfasern können die Wissenschaftler feststellen, wie sich der Beton unter der unterschiedlichen Belastung dehnt und wo Risse entstehen. Der Lehrstuhl für Geodäsie der TU München unterstützt die Versuche mit hochauflösenden Kameras. Diese dokumentieren die Rissbildung.
Gleichzeitig wollen die Ingenieure Brückenteile im Labor auf ihren Zustand und ihre Belastungsfähigkeit testen. Fischer: „Unser klares Ziel ist, neue Ansätze zum Umgang mit älteren Brücken zu formulieren und die Tragreserven noch besser aber dennoch sicher auszunutzen. Hierdurch können im Einzelfall Ressourcen und Geld gespart werden.“
Wie aber kommen Ingenieure eigentlich Brückenschäden auf die Spur? Längst gibt es Sensoren, die Schäden und auftretende Risse schon früh feststellen können. Zudem werden Brücken inzwischen mit Drohnen abgeflogen.
Selbst am Kölner Dom wurden schon Oktokopter eingesetzt, um die unübersichtliche Fassade detailliert auf Schäden zu untersuchen.
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