Verstärkung von Stahlbrücken mit Kategorie-2- und -3-Schäden

Die in den 60er-Jahren beim Bau von Stahlbrücken zugrunde gelegte Verkehrsbelastung wird bereits seit langem deutlich übertroffen. Folge ist eine erhöhte Beanspruchung, die zu Ermüdungsrissen in den Schweißnähten und Blechen der Brücken führt. Im Rahmen zweier Forschungsprojekte ließ die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) Ursachen und Verstärkungsmöglichkeiten von Schäden der Kategorien 2 und 3 untersuchen. Mit konkreten Empfehlungen und Handlungsanweisungen soll eine schnelle Schadensbewertung und Ertüchtigung schadhafter Brücken ermöglicht werden.

Der immer weiter wachsende Straßengüterverkehr ist eine wesentliche Ursache für die zunehmenden Ermüdungsschäden bei Brücken (Bild: BASt)

Aufgabenstellung

Bei Stahlbrücken, die in den 1960er-Jahren errichtet wurden, ist eine stetige Zunahme von Schäden zu verzeichnen. Verursacht werden diese Schäden durch die geringe Ermüdungsfestigkeit einzelner Konstruktionsdetails in Kombination mit erhöhten Beanspruchungen durch den wachsenden Schwerverkehr. Da aber auch bei starken Schädigungen die Instandsetzung einer Brücke meist deutlich kostengünstiger als ein Neubau ausfällt, gilt es, den Bestand der vorhandenen Bauwerke nachhaltig zu sichern.
Während sich für die Schäden im Bereich von Anschlüssen am Deckblech (Kategorie-1-Schäden) bereits mehrere vielversprechende Maßnahmen in der Entwicklung befanden, bestand bei Schäden im Längssystem (Kategorie-2-Schäden) und im Quersystem (Kategorie-3-Schäden) noch grundlegender Forschungsbedarf. Daher beauftragte die BASt das Institut für Konstruktion und Entwurf an der Universität Stuttgart und die Ingenieurgemeinschaft für Stahlforschung in Dortmund mit jeweils einer Untersuchung zu Ursachen und Verstärkungsmöglichkeiten. Ziel war die Entwicklung nachhaltiger Maßnahmen zur Verstärkung von Stahlbrücken im Hinblick auf die beiden spezifischen Schadensfälle.

Forschungsprojekt I:
Schäden im Bereich von Anschlüssen im Längssystem (Kategorie-2-Schäden)

Untersuchungsmethode

Aufbauend auf einer Literaturstudie und Recherche wurden an existierenden Stahlbrücken mit Längssteifen aus Y-Profilen beobachtete Ermüdungsrisse zusammengestellt und kategorisiert. Da in den meisten Fällen rein schweißtechnische Instandsetzungen auf Dauer nicht erfolgreich waren, wurden für detaillierte Untersuchungen nur Maßnahmen mit mechanischen Verbindungsmitteln entwickelt und in 20 Ermüdungsversuchen experimentell analysiert. Die originalen Prüfkörper wurden entsprechend den Fertigungsplänen bestehender Brücken hergestellt. Nach den Ermüdungsversuchen wurden die Prüfkörper repariert und unter den gleichen Randbedingungen erneut geschwungen. Aus dem Vergleich der erreichten Lastspielzahlen sollte eine Abschätzung der Wirksamkeit der Instandsetzungsmaßnahme erfolgen. Als ausschlaggebendes Bewertungskriterium galt dabei eine ausreichende Ermüdungsfestigkeit der Instandsetzungsmaßnahme.

Ergebnisse

Auf der Basis von bestehenden Instandsetzungsmaßnahmen an Längssteifen aus Y-Profilen wurden erfolgversprechende Maßnahmen herausgearbeitet und Ermüdungsversuche mit diesen Details realisiert. Die Ermüdungsdetails im originalen und reparierten Zustand wurden getestet und miteinander verglichen, um die Wirksamkeit der Instandsetzungsmaßnahme abzuschätzen und die Maßnahmen zu bewerten. Durch die Kombination aus Abbohren von Risswurzelpunkten und Verstärken durch aufgeschraubte und genietete Stahlprofile konnten weitere Schädigungen verhindert und hinausgezögert werden. Als vorteilhaft erwies sich bei diesem Verfahren, dass keine Schweißarbeiten durchgeführt werden und somit dadurch verursachte Gefügeveränderungen und Energiespannungen wegfallen. Zudem ergeben sich Vorteile beim Korrosionsschutz, da die Anbauteile bereits fertig beschichtet geliefert werden. Die Versuchsergebnisse wurden so aufbereitet und umgerechnet, dass eine Vergleichbarkeit mit entsprechenden normierten Ermüdungsfestigkeitskurven gegeben ist.

Beispiel für eine Verstärkung des Anschlusses der Längssteifen an den Querträger bei Kategorie-2-Schäden: a) Ergebnis des Forschungsprojekts; b) erste Praxiserprobung (Bild: BASt)

Forschungsprojekt II:
Schäden im Bereich von Anschlüssen im Quersystem (Kategorie-3-Schäden)

Untersuchungsmethode

Bekannte Schadensfälle aus der Literatur und aus der Praxis wurden mithilfe vorhandener Bestandsunterlagen verschiedener Brücken zusammengestellt. Verschiedene Instandsetzungs- und Ertüchtigungsvarianten wurden in allgemeiner Form betrachtet und durch numerische Methoden weitergehend untersucht, um eine abschließende Bewertung möglicher Konzepte vornehmen zu können. Schließlich erfolgten experimentelle Untersuchungen, um die Wirksamkeit und Effizienz ausgewählter Maßnahmen zu beurteilen.

Ergebnisse

Aus der Zusammenstellung und Analyse von gesammelten Erfahrungen mit der Behandlung von Kategorie-3-Schäden ließen sich häufige und typische Schadensbilder ableiten. Diese Schadenstypisierung erlaubt es dem Anwender, eine schnelle und einfache Einordnung neu auftretender Schäden in Quersystemen von Stahlbrücken vorzunehmen. Zudem konnte ein Überblick über die wesentlichen Ursachen für Schäden der dritten Kategorie gegeben werden. Bei der weitergehenden numerischen Untersuchung von sechs unterschiedlichen Verstärkungsvarianten zeigte sich, dass eine möglichst gleichmäßige Steifigkeitsverteilung im Aussteifungssystem anzustreben ist. Aber auch mit verkehrsleitenden Maßnahmen, wie einer Verlegung der Fahrstreifen ohne Eingriff in das Tragwerk, lassen sich die kritischen Beanspruchungen teilweise deutlich reduzieren. Die Notwendigkeit der bei bestehenden Stahlbrücken üblichen aussteifenden Querverbände wurde widerlegt. Sowohl rechnerisch als auch experimentell wurde aufgezeigt, dass ein ausreichender Formerhalt des Querschnitts über die Rahmenwirkung der Quersysteme erzielt werden kann. Weiterhin werden zur Auswahl einer geeigneten Verstärkungsvariante dezidierte Empfehlungen gegeben, die sowohl Möglichkeiten als auch Grenzen der Anwendung aufzeigen.

Schematische Darstellung einer vielversprechenden Verstärkungsvariante bei Kategorie-3-Schäden - oben: ursprünglicher Querschnitt mit Verbänden in Rot, die entfernt werden - unten: instandgesetzter Querschnitt mit neuen, verstärkenden Bauteilen in Grün (Bild BASt)

Folgerungen

Bei Schäden der Kategorie 2 erwiesen sich geschraubte oder genietete Verstärkungsmaßnahmen als Vorzugslösungen gegenüber herkömmlichen Reparaturschweißungen. Empfehlenswert erscheint eine Langzeitbeobachtung probeweise instandgesetzter Fehlstellen. Trotz der Schwierigkeit, allgemeingültige Aussagen zu bauweiseabhängigen Schäden zu treffen, konnten für den untersuchten Bereich der Kategorie-3 -Schäden weitreichend gültige Handlungsempfehlungen abgeleitet werden. Mit den Ergebnissen aus beiden Projekten werden den Straßenbauverwaltungen und Planungsbüros wertvolle Werkzeuge für die Ausarbeitung geeigneter Verstärkungsmaßnahmen an die Hand gegeben.

Skizze einer typischen orthotropen Fahrbahnplatte mit den Gefährdungsbereichen 1 bis 4. (Bild: BASt)

Bibliographische Angaben

Verstärkung von Stahlbrücken mit Kategorie-2-Schäden

Autoren des Berichts:
Ulrike Kuhlmann
Michael Hubmann
Institut für Konstruktion und Entwurf
Stahl-, Holz- und Verbundbau
Universität Stuttgart

Verstärkung von Stahlbrücken mit Kategorie-3-Schäden

Autoren des Berichts:
Dieter Ungermann
Bettina Brune
Pascal Giese
Ingenieurgemeinschaft für Stahlforschung
Dortmund

Autor dieses Textes:
Heinz Friedrich
Bundesanstalt für Straßenwesen