Intelligente Brücken errechnen selbst, wann sie kaputt gehen
Mit einem mathematischen Modell wollen Bochumer Forscher dem Verschleiß von Brücken auf die Schliche kommen. Die Ingenieure der Ruhr-Universität haben ihr vorhandenes Modell so verfeinert, dass sie für einzelne Brücken genau vorhersagen können, wann eine Sanierung unerlässlich ist.
Gebrochener Bewehrungsstab aus der Hochbrücke in Düsseldorf: Ingenieure der Ruhr-Universität haben zweieinhalb Jahre die Brücke untersucht und den Verkehr gefilmt. Daraus haben sie eine Berechnungsmethode entwickelt, die nun genauen Aufschluss über den Verschleiß von Brücken durch Verkehr und Witterung gibt.
Foto: Gorczany/RUB
Für ihr Modell sind Mark Alexander Ahrens und David Sanio vom Institut für Massivbau der Ruhr-Universität Bochum (RUB) durch Brücken gekrochen, haben Stahlträger untersucht, Verkehrsbelastungen erfasst und Dehnungen und Schwingungen von Brücken gemessen. Das Ergebnis: Wird die genaue Verkehrsbelastung einer Brücke erfasst, sind die RUB-Forscher in der Lage, den Verschleiß der Brücke viel genauer zu berechnen als bislang.
Die Bochumer Forscher berücksichtigen in ihrem mathematischen Modell Temperaturschwankungen, Wind, Verkehr, Unfälle und natürliche Alterungsprozesse. Wie die einzelnen Faktoren gewichtet werden müssen, erprobten die Wissenschaftler an einer Hochbrücke im Zuge der Pariser Straße im Heerdter Dreieck in Düsseldorf, die für den Abriss freigegeben war. Zweieinhalb Jahre lang prüften die Ingenieure das Bauwerk bis ins tiefste Innere, bevor die Brücke gesprengt wurde.
Nach der Sperrung der Brücke testeten die Forscher mit einem Müllwagen, wie sich große Gewichte auf die Brücke auswirken.
Quelle: Wiley/Ernst & Sohn
Gängig ist es, die Verkehrsbelastung von Brücken etwa durch Lkw einfach abzuschätzen. Der Unsicherheitsfaktor ist hoch, weil die Bauwerke in unterschiedlichen Regionen unterschiedlich stark frequentiert werden. Deshalb erfassten sie zu Beginn des Feldversuchs den Zustand vor allem der Stahlseile im Inneren des Stahlbetons. In die folgenden Untersuchungen flossen die Verkehrsbelastung und die Umweltbedingungen vor Ort ein.
Mit Dehnungsmesstreifen und Kamera
Spannbetonbrücken bestehen aus einzelnen Betonteilen, die von Stahlseilen aneinander gepresst werden. Lange Bauwerke bestehen aus mehreren Fahrbahnteilen, die durch Koppelglieder miteinander verbunden werden. Darauf konzentrierten sich die Forscher. „Es ist bekannt, dass die Koppelfugen bei dieser Konstruktion die Schwachstelle sind“, schildert Ahrens.
David Sanio (links) und Mark Alexander Ahrens begutachten einen Testbalken aus Beton im Labor. Hier wurde die Messtechnik geprüft.
Quelle: Gorczany/RUB
Er und sein Kollege legten diese Koppelglieder, die normalerweise von Beton umhüllt sind, frei und beklebten sie mit Dehnungsmessstreifen, die jede noch so kleine Bewegung der Koppelglieder durch die Fahrzeuge erfassten, die die Brücke benutzten. Um herauszufinden, welche Fahrzeuge welche Belastung verursachen, filmten sie den Verkehr.
Fahrzeuge mit Gewichten bis zu fünf Tonnen muss man laut Ahrens gar nicht genauer betrachten. „Für die Ermüdung sind die weniger häufigen, aber hohen Lasten entscheidend“, erklärt David Sanio. Ein Lkw hat rein rechnerisch den gleichen Einfluss auf das Bauwerk wie 100.000 Pkw.
Nur schwere Lastwagen sorgen für Schäden
Besonders gravierend sind die Folgen von Schwertransporten. „Jeden Tag sind auf vielen Strecken genehmigungspflichtige Schwertransporte unterwegs, die 250 Tonnen geladen haben können“, sagt Sanio. „Das geschieht nachts, wenn wir schlafen, also bekommen wir es nicht mit. Aber für die Brücke ist es egal, wann es passiert. Es zählt nur, dass es passiert.“ Und das tut es immer häufiger. Die Zahl der Zulassungen für Schwertransporte ist in den letzten Jahren exponentiell gestiegen. Den Dehnungsmessstreifen und Videos entgingen die Schwerlaster natürlich nicht.
Mit Dehnungsmessstreifen erhoben die Ingenieure acht Wochen lang, wie sich der Stahl durch die Fahrzeugbelastung verformt.
Quelle: Sanio/RUB
Außerdem stellten die Forscher fest, dass auch die Temperatur für die Lebensdauer der Hochstraße entscheidend ist. Sanio und Ahrens maßen sie über mehrere Wochen an verschiedenen Stellen im Beton. Ergebnis: Die Sonne scheint ungleichmäßig auf das Bauwerk, dadurch entsteht im Inneren ein starker Temperaturgradient. Das erzeugt Spannungen im Material, die sich mit dem Einfluss der Lastkraftwagen überlagern und verstärken.
Nach Stilllegung der Straße testeten die Ingenieure mit Hilfe eines Müllwagens, wie stark einzelne Lasten die Brücke verformen. Dazu positionierten sie den Laster an verschiedenen Stellen und bestimmten mit einem präzisen Höhenmessgerät, wie sehr sich das Bauwerk dabei durchbog. Dies diente der Qualitätssicherung des Berechnungsmodells.
Düsseldorfer Brücke hätte noch lange gehalten
Wie schnell die Materialien ermüden, überprüften Ahrens und Sanio in Labortests an der RUB. Sie nahmen Stahlproben, die sie mehrere Millionen Mal be- und entlasteten. All diese Erkenntnisse flossen in ihr bestehendes, mathematisches Modell ein, das dadurch stark revidiert werden musste. Die Forscher rechneten aus, dass die Düsseldorfer Brücke weitaus länger gehalten hätte als nach bisherigen Prognoseverfahren zu erwarten war.
Die Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum haben die Stahlseile einer Hochbrücke in Düsseldorf genau analysiert, um den Verschleiß in eine mathematische Formel zu gießen. Diese Spannstahlprobe ist bei dem Ermüdungstest zerbrochen.
Quelle: Gorczany/RUB
Es kann natürlich auch anders kommen, dass eine Brücke stärker als angenommen belastet wird, sodass sie früher schlapp macht, wie die jeweils sechsstreifige Autobahnbrücken in Leverkusen und Duisburg, die aktuell für den Lkw-Verkehr gesperrt sind.
Brückenneubauten sollten mit Diagnosetechniken ausgestattet werden, die die Belastung rund um die Uhr messen, empfehlen die Bochumer Forscher. Mit dem Algorithmus, den sie entwickelt haben, könnten die Bauwerke dann selbst Alarm schlagen, wenn ein Grenzwert erreicht ist.
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