Fachbeiträge & Interviews
Samstag, 24. August 2019
Ausgabe 6578 | Nr. 236 | 19. Jahrgang
Autor: Fabian Hesse
Herausgeber: bauingenieur24 Informationsdienst email-weiterempfehlendruckansicht

Bau von Stahlbrücken: Wie viel Material ist nötig?

# 17.08.2018

50-Tonnen-Prüfstand ermöglicht Test von Brückenbauteilen unter maximaler Belastung. Forschung soll Einsparpotenziale für Dimensionierung aufzeigen. Neue Autobahnbrücke in Bayern als Praxisbeispiel

Autobahnbrücken nach Einsturz in Genua im Fokus

Ein neuer Prüfstand an der Technischen Universität München ermöglicht einen Belastungstest für Brückenbauteile unter Maximalbedingungen. Foto: TUM Ein neuer Prüfstand an der Technischen Universität München ermöglicht einen Belastungstest für Brückenbauteile unter Maximalbedingungen. Foto: TUM

Die teilweise eingestürzte Morandi-Brücke im italienischen Genua wurde in den 1960er Jahren errichtet und war zuletzt stark sanierungsbedürftig. Bereits 2014 gab es Stimmen, sie abzureißen, da ein Neubau in etwa gleich viel wie die Instandhaltung gekostet hätte.

Die deutsche Autobahnbrücke Thulba zwischen Würzburg und Fulda ist mit ihren 50 Jahren ebenfalls deutlich abgenutzt. Der Abriss steht hier bereits fest. 2019 soll mit einem Neubau aus Stahl begonnen werden. Für die Baumaßnahem sind rund 85 Millionen Euro veranschlagt.

Um sowohl sicher als auch sparsam zu bauen, hat die zuständige Autobahndirektion Nordbayern die Technische Universität München (TUM) mit der Berechnung einer stabilen und zugleich filigranen Dimensionierung beauftragt.

Wissenschaft begleitet Autobahnneubau in Bayern

"Bei den enormen Baukosten von Stahlbrücken lohnt es sich, Einsparpotenziale auszuschöpfen, beispielsweise indem man den Materialeinsatz optimiert", sagt Professor Martin Mensinger, Inhaber des Lehrstuhls für Metallbau an der TUM.

Die Belastungsgrenzen im Labor zu ermitteln, sei jedoch ziemlich schwierig, so der Experte: "Die Bauteile einer Stahlbrücke sind mehrere Meter lang und tonnenschwer, da stößt man schnell an technische Grenzen."

Prüfstand erlaubt Tests an verstärkten Brückenbauteilen

Um diesem Problem zu begegnen, hat Mensinger mit seinem Team den ersten Prüfstand entwickelt, mit dem sich verstärkte Brückenbauteile mit realen Dimensionen in zwei Richtungen gleichzeitig belasten lassen.

Bei den Tests im Prüfstand wirken dieselben Kräfte, die während des Baus einer Stahlbrücke auftreten. Berücksichtigt wird hierbei, dass auf der Baustelle die Brückenbauteile - jedes Segment ist mehrere Meter lang - verschweißt und kontinuierlich nach vorn in den freien Raum geschoben werden.

Bis das Konstrukt den nächsten Brückenpfeiler erreicht, liegt die gesamte Last auf dem Segment, das sich über dem letzten Pfeiler befindet. Die Belastung ist in diesem Moment maximal. Nach Fertigstellung der Brücke, wirken nur noch sehr viel geringere Kräfte auf die Bauteile ein.

Maximale Druckbelastung für originale Brückenteile

Eine deutliche Verformung des Bauteils zeigt die Belastungsgrenze an. Foto: TUM Eine deutliche Verformung des Bauteils zeigt die Belastungsgrenze an. Foto: TUM

Mit dem neuen Prüfstand, einem Koloss von 50 Tonnen Gewicht, lassen sich diese maximalen Kräfte, simulieren. Physikalisch betrachtet wirken hier zwei Kräfte gleichzeitig: Die Bauteile werden in Längsrichtung gestaucht und senkrecht dazu zusammengedrückt. Die Ingenieure sprechen von biaxialer Druckbelastung.

Die zu prüfenden zwölf Quadratmeter großen Brückenteile werden mit Hilfe von Hydraulikpressen so lange unter Druck gesetzt, bis der Stahl nachgibt und - begleitet von einem deutlich hörbaren Knacken - Beulen bekommt.

Verschiedene Dimensionierungen für Brückenbauteile getestet

Sechs verschieden dimensionierte Seitenbauteile für die geplante Brücke bei Oberthulba hat Mensingers Team auf diese Weise getestet. "Mit Hilfe der Ergebnisse können die Statiker jetzt genauer planen und die Bauteile so dimensionieren, dass sie den extremen Bedingungen während der Bauphase standhalten", erklärt Nadine Maier. Die Bauingenieurin ist verantwortlich für die Planung und Durchführung der Versuche.

Neben den Münchner Lehrstühlen für Metallbau und Geodäsie - letzterer übernimmt Vermessungsarbeiten, welche Aufschluss über vorhandene Imperfektionen im Bauteil geben sollen -, ist auch die Universität Stuttgart mit numerischen Berechnungen an dem Projekt beteiligt.

Eurocode 3 zwingt zur Überdimensionierung von Bauteilen

Die Grundlage der statischen Berechnung liefert bisher die Norm Eurocode 3 (DIN EN 1993-1-5). Die dort enthaltenen Regelungen für die komplexen Belastungen werden seit Jahren kontrovers diskutiert. Um die Norm weiterzuentwickeln, ist eine wissenschaftliche Absicherung notwendig.

"Man ist aktuell gezwungen, mit einem Verfahren zu rechnen, welches nur für nicht verstärkte Bauteile entwickelt wurde", sagt Maier: Diese Ungenauigkeiten führten in der Praxis dazu, dass Brückenbauteile häufig überdimensioniert werden. Dank der Untersuchungen auf dem Prüfstand lasse sich bei der Planung der Talbrücke Thulba jetzt erstmals der Materialeinsatz optimieren.

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