4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 589 Bestandsbrücken, wie Stahlbetonbrücken mit Hohlkörpern, Holzbrücken und alte Stahlbrücken zerstörungsfrei untersucht Dr.-Ing. A. Hasenstab, Ingenieurbüro Dr. Hasenstab GmbH, Augsburg (D) Dipl.-Ing. H. Deeg, BIB Kutz GmbH & Co KG, Karlsruhe-Durlach, (D) Einleitung Es gibt viele, spektakuläre Brücken über reißende Flüsse, tiefe Täler, ja sogar über Meeresengen und zu Inseln. Zusätzlich gibt es sehr viele Brücken, die bei den Bundesfernstraßen den Verkehr auf Autobahnen und Bundesfernstraßen über Flüsse, Täler und andere Verkehrswege leiten. Recht unspektakulär, aber in einer nahezu unzählbaren Fülle leisten Brücken auf Landstraßen, Staatsstraßen, Nebengleisen und Fußwegen ihren Dienst. Im folgenden Beitrag sollen zerstörungsfreie Untersuchungen an diesen Brücken vorgestellt werden mit welchen ohne Aufzubohren innere Schäden, Abmessungen von Bauteilen und die Lage von inneren Einbauteilen bestimmt werden kann. Im Einzelnen werden erfolgreiche Messungen mit dem akustischen Ultraschallecho-verfahren an einer Betonbrücke in Ostallgäu vorgestellt. Dieses Verfahren ermöglicht u.a., wo die Lage von - möglicherweise verbauten - Hohlkörpern in einer Stahlbetonbrücke bestimmt werden sollte. Es konnte die reale Länge der Verdrängungskörper bestimmt werden und so die Angaben im Plan „aktualisiert“ werden und dies bei der Sanierung berücksichtigt werden. Nach wie vor werden viele Brücken für Fußgänger und Radfahrer aus dem Werkstoff Holz gefertigt. Zwar gibt es bei Holzbrücken kaum cloridinduzierte Korossion und Lochfraß - dennoch kann es zu Schäden kommen. Die Schäden bei Holzbrücken stellen sich meist durch Fäulnisschäden dar. Auch kann es sein, dass eine Holzbrücke wegen dem Verdacht auf Schäden abgetragen werden soll - und eine intensive Untersuchung ausbleibt. Im Beitrag werden Messungen an einer Brücke aus Bougossi im Münsterland und eine Nadelholzbrücke aus dem schwäbischen vorgestellt. Bei letzterer wurden viele Schäden angenommen - welche sich aber bei der schon todgesagten Brücke als nicht real herausstellten. Das Bauwerk erfreut sich einer lebhaften Gesundheit und ein Abriss konnte vermieden werden. Lediglich der konstruktive Holzschutz wurde verbessert. Um den Reigen der Werkstoffe abzuschließen, sollen Untersuchungen an alten Stahlbrücken der Bahn vorgestellt werden, wo Voruntersuchungen erhebliche Schäden reklamierten. Eine genaue Untersuchung mittels handnaher Prüfung zusammen mit zerstörungsfreier Ultraschallmessung zur Bestimmung der Restquerschnitte und eine genaue Nachrechnung ergab, dass die Brücken noch gut ihren Dienst erfüllen können. Ziele der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen Das Ziel einer Anwendung der ZfPBau-Verfahren ist • die zerstörungsfreie Bauwerksuntersuchung, • frühes Erkennen und die Eingrenzung von Schäden, • die Kostenabschätzung bei Instandsetzung sowie • die zerstörungsfreie Dokumentation und Integritätsprüfung des Bauteilzustandes. Hierbei kann es sich - in Abhängigkeit vom Baustoff - um Schäden wie • Hohlstellen, Kiesnester, • fehlende Bewehrung und • Innenfäule • oder um Fragestellungen wie Lage der • Spannglieder, Leitungen, • vorhandenen Bewehrung und • deckengleicher Unterzüge und Bauteildickenmessungen etc. handeln. Zerstörungsfreie Prüfverfahren Eine grobe Zusammenstellung der verwendeten Verfahren kann Tabelle 1 entnommen werden. Eine umfangreiche Liste der zfP-Bau-Verfahren kann dem DBV-Merkblatt „ Anwendung zerstörungsfreien Prüfverfahren im Bauwesen“oder dem Bauphysikkalender entnommen werden. 590 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Bestandsbrücken, wie Stahlbetonbrücken mit Hohlkörpern, Holzbrücken und alte Stahlbrücken zerstörungsfrei untersucht Tabelle 1: Zerstörungsfreie Prüfverfahren im Bauwesen (zfPBau) Elektromagnetische Verfahren: Radar Thermographie (passiv / aktiv) Durchstrahlung Akustische Verfahren: Ultraschall-echo Impact Echo Pfahlprüfung Sonstige Verfahren: Bohrwiderstand, LIBS, Endoskopie, Potentialfeldmethode, Rückprallhammer, Bewehrungsortung Radar (auch Impulsradar, Georadar) Radar ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren, mit dem Störungen und Inhomogenitäten in massiven Körpern (Bauwerken, Bauteilen, Boden) durch Reflexionen von elektromagnetischen Wellen festgestellt werden können. Gemessen wird die Laufzeit und Amplitude der empfangenen Radarwellen und deren Messposition. Die Anwendungsmöglichkeiten von Radar sind vielfältig. So wird Radar • im Beton- und Stahlbetonbau, • in historischen Bauwerken (Mauerwerk, Holz ), • für Verkehrswege (Schichtaufbau, Tragschicht), • für Erdbauwerke/ Dämme, • für Baugrunduntersuchungen sowie • in der Archäologie mit dem Ziel verwendet, den strukturellen Aufbau (Schalen, Abmessungen), Einbauteile (Bewehrung, Klammern, Dübel, Anker, Leitungen, Fundamente) und Schadstellen (Risse, Ablösungen) zu orten. Die physikalischen Grenzen von Radar sind • das Vorhandensein von Metall (z. B. einer Alufolie in einer Bitumenbahn) → führt zu Totalreflexion, • nasse Oberflächen → führt teilweise zu extremer Signaldämpfung. Je nach Umgebung und Antennengröße kann die Messung von Hand, mit einem kleinen Wagen oder vom Auto aus durchgeführt werden. Weiterführende Literatur zum Thema Radar kann dem Anhang entnommen werden. Ultraschallecho Die Ultraschall-Echotechnik beruht auf der Reflexion von Schallwellen an Diskontinuitäten wie Werkstoff-Inhomogenitäten, Grenzflächen, Hohlstellen oder der Bauteilrückwand. Im Bauwesen kann Ultraschallecho an Beton und Holz angewendet werden. Grenzen von Ultraschallecho liegen zum einen in der Zugänglichkeit des Bauteils (ein direktes Ankoppeln an das Bauteil ist erforderlich), zum anderen wenn eine Materialschicht auf dem zu untersuchenden Bauteil aufgebracht ist (z. B. Estrich und Folie auf einer Betonplatte). 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 591 Bestandsbrücken, wie Stahlbetonbrücken mit Hohlkörpern, Holzbrücken und alte Stahlbrücken zerstörungsfrei untersucht Abbildung 1: Ultraschallechomessung am Bauwerk Bohrwiderstandsmethode Das Verfahren dient zur punktuellen Untersuchung von Holz. So können Bauteilabmessungen (gleichmäßige Dicke, Aussparungen, Zapfenverbindungen) sowie inneren Schäden (Hohlstellen, breiten Rissen parallel zur Oberfläche, Fäulnis, ausgeprägtem Insektenbefall) detektiert werden. Bei Brücken- und Kirchenprüfungen erfolgt in der Praxis sehr häufig eine Kombination aus flächiger Ultraschallecho- und punktueller Bohrwiderstandsmethode. Die Untersuchung mit einer 3mm breiten Bohrnadel hinterlässt kaum wahrnehmbare Löcher. Mit den Bohrwiderstandsmessungen können Bauteile schnell untersucht werden und bei Schäden diese sehr gut eingegrenzt werden.Für die weiteren Entscheidungen können Restquerschnitte für die statische Berechnung bestimmt werden. Oft sind die in der Vergangenheit „großzügig“ bemessenen Querschnitte trotz Schaden für den EC5 ausreichen. Rückprallhammer / Betonprüfhammers nach Schmidt Mit dem Betonprüfhammer nach Schmidt kann die oberflächennahe Druckfestigkeit von Beton punktweise gemessen werden Aus den auf dem Prüfhammer angezeigten Rückprallwerten kann die Würfeldruckfestikeit des Betons und somit auch die Betongüte abgeleitet werden. Die Messergebnisse können nur bei nicht karbonatisierten Beton ausgewertet werden, da sonst zu hohe Werte erzielt werden. Exakte Werte können mittels Bohrkernentnahme und Druckprüfung erzielt werden. Abbildung 2: Rückprallhammer Betondruckfestigkeit „Echte“ Druckfestigkeiten des Betons können mittels Bohrkern (z.B. Durchmesser 5cm) und einer Druckprüfung im Speziallabor bestimmt werden. Feuchtemessung Die Baustofffeuchte kann kapazitiv oder mittels Widerstandsmessung bestimmt werden. Besonders bei Holz ist die Feuchte von großer Bedeutung, da eine Holzfeuchte über 20% zu einer Fäulnis des Holzes führen kann. Bewehrungsortung Die Lage der oberflächennahen Bewehrung (bis etwa 7cm) kann mit unterschiedlichen Bewehrungsortungsgeräten bestimmt werden. Die exakte, millimetergenaue Tiefenlage mit genauem Durchmesser, was z.B. für eine Brandschutznachweis erforderlich ist, kann nur mittels kleiner Bauteilöffnung bestimmt werden. Ohne Kenntnis des Durchmessers und ohne Kenntnis der Betondeckung kann keine genaue belastbare Aussage getroffen werden. 592 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Bestandsbrücken, wie Stahlbetonbrücken mit Hohlkörpern, Holzbrücken und alte Stahlbrücken zerstörungsfrei untersucht Abbildung 3: links: Betondeckungsmessung; rechts: Ergebnis einer Betondeckungsmessung Praxisbeispiel: Restquerschnittbestimmung bei alten Stahlbrücken mit Ultraschall Bei einer Stahlbrücke (Eisenbahnüberführung) aus dem Jahre 1898 waren deutliche Schädigungen der Stahlkonstruktion durch Abrostung zu erkennen. Das Büro BIB Kutz GmbH & Co KG, Karlsruhe, wurde beauftragt eine Nachrechnung der EÜ durchzuführen und die Restnutzungsdauer unter Berücksichtigung der noch vorhandenen Stahlquerschnitte durchzuführen. Um die tatsächlichen Restquerschnitte zu ermitteln wurden an den maßgeblichen Bauteilen Ultraschallmessungen durchgeführt. 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 593 Bestandsbrücken, wie Stahlbetonbrücken mit Hohlkörpern, Holzbrücken und alte Stahlbrücken zerstörungsfrei untersucht Abbildung 4: Stahlbrücke von 1898 bei Walpertskirchen Abbildung 5: Planansicht mit Lage der Träger Abbildung 6: Foto Messbereich Decke mit Darstellung der 2 unterschiedlichen Konstruktionsbereiche Die Messungen wurden direkt am Bauwerk durchgeführt. Es wurde eine handnahe Prüfung vorgenommen - und an Schadstellen der Restquerschnitt zerstörungsfrei bestimmt. So ist eine schnelle Reaktion auf das Feststellen von Schäden möglich. Weiter wurden die Abmessungen der Deckbleche bestimmt. 594 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Bestandsbrücken, wie Stahlbetonbrücken mit Hohlkörpern, Holzbrücken und alte Stahlbrücken zerstörungsfrei untersucht Abbildung 7: links: parallel durchgeführte handnahe Untersuchung der Konstruktion; rechts: Querschnittbestimmung mit Ultraschall Abbildung 8: Foto von Brückenausschnitt, oben Messung an Deckblech 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 595 Bestandsbrücken, wie Stahlbetonbrücken mit Hohlkörpern, Holzbrücken und alte Stahlbrücken zerstörungsfrei untersucht Abbildung 9: links: Restquerschnittbestimmung an Schaden; rechts: Untersuchung an Stahlträgern des Foto Messbereich 7/ 6 bei Achse C, Lage siehe auch Plan Um eine hohe Aussagesicherheit zu erlangen wurden umfangreiche Messungen durchgeführt. So wurden alle erreichbaren Deckbleche untersucht. Mit den Ultraschallmessungen war es möglich, von den geschädigten Blechen Restquerschnitte zu bestimmen. So war eine Weiternutzung der Brücke möglich. Die umfangreiche örtliche Untersuchung der Schädigungen war der Grundstein für die genaue Berechnung der Restnutzungsdauer der Brücke. Somit konnte eine Weiternutzung der Brücke über einen längeren Zeitraum ermöglicht werden. Praxisbeispiel Hohlkästen bei Bestandsbrücke aus Beton lokalisieren Bei dem Bauwerk handelt es sich um eine Brücke im Allgäu von 1959 mit Hohlkästen und Spanngliedern zwischen den Hohlkästen. Im Zuge einer Brückensanierung sollen die vorhandenen Hohlkästen im Überbau von unten angebohrt werden um Entwässerungsöffnungen zu schaffen. Ziel ist es, diese Öffnungen exakt am Tiefpunkt, also vor den Endquerträgern an den Wiederlagern, zu platzieren. 596 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Bestandsbrücken, wie Stahlbetonbrücken mit Hohlkörpern, Holzbrücken und alte Stahlbrücken zerstörungsfrei untersucht Abbildung 10: links: Brückenansicht bei Bauarbeiten; rechts: Zeichnung des Brückenquerschnitts mit Lage der Hohlkörpern Abbildung 11: links: Untersuchung mit Ultraschallecho am Bauwerk; rechts: Messergät → stetige Kontrolle der Datenqualität unbedingt erforderlich 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 597 Bestandsbrücken, wie Stahlbetonbrücken mit Hohlkörpern, Holzbrücken und alte Stahlbrücken zerstörungsfrei untersucht Abbildung 12: Ergebnisse einer Untersuchung mit Ultraschallecho, Transversalwellen 55kHz; Lage der Hohlkästen gelb markiert; Tiefenlage der Hohlkästen ab Unterkante der Brücke (Stärke des Betons 16 - 16 - 20 - 20 - 20cm) 598 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Bestandsbrücken, wie Stahlbetonbrücken mit Hohlkörpern, Holzbrücken und alte Stahlbrücken zerstörungsfrei untersucht Abbildung 13: Unteransicht der Brücke, Lage des Hohlkastens am Bauwerk markiert (Bohrung Nummer 10 rot markiert) Abbildung 14: Unteransicht der Brücke, Lage der Punkte für die Bohrungen grob skizziert - reale Lage siehe Bauwerk 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 599 Bestandsbrücken, wie Stahlbetonbrücken mit Hohlkörpern, Holzbrücken und alte Stahlbrücken zerstörungsfrei untersucht Die Untersuchungen mit Ultraschallecho ergaben, dass alle 20 Hohlkörper eindeutig gefunden werden können. Auf diese Ergebnisse aufbauend sind am Bauwerk 20 Punkte für Bohrungen rot markiert. Die Bohrungen haben das Ziel, etwaiges Wasser in den Hohlkästen abzulassen. Die Ultraschallechomessungen ergaben zudem, dass der Beton eine homogene Struktur aufweisst. Beispiel Bongossibrücke mit Ultraschall- und Bohrwiderstandsmessung und Feuchtemessung Bei mehreren Holzbrücken aus Bongossiholz im Raum Münster waren Untersuchungen im Rahmen der Objektbezogenen Schadens Analyse (OSA) erforderlich. Die Untersuchung von Holzbrücken aus Bongossi stellt sich als sehr schwierig dar, da im Inneren der Holzquerschnitte oft eine ausgeprägte Fäulnis vorliegt, welche selbst durch Abklopfen nicht lokalisiert werden kann. Um die inneren Schäden auszuschließen werden die Verfahren Ultraschallecho und Bohrwiderstand kombiniert. Das Ziel ist, mit den Messungen die Schäden einzugrenzen und so das hohe Sicherheitsniveau des Bauwerks nachzuweisen. Durch das Eingrenzen der Schäden kann eine Sanierung konkret geplant werden und so der Aufwand und die Kosten optimiert werden. Bei der folgend dargestellten Brücke handelt es sich um Bongossibrücken aus dem Jahre 1987/ 88. Der Zustand der Konstruktion sollte untersucht werden, damit das Ingenieurbüro w+b ingenieure GmbH eine Nachrechnung durchführen und eine etwaige Sanierung planen kann. Abbildung 15: Brückenansicht - Brücke besteht aus Bongossi-Balken 600 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Bestandsbrücken, wie Stahlbetonbrücken mit Hohlkörpern, Holzbrücken und alte Stahlbrücken zerstörungsfrei untersucht Abbildung 16: Brücke besteht aus sehr vielen Bongossi-Balken Abbildung 17: Untersuchung der Brücke; links: Bohrwiderstandsmessung; rechts: Ultraschallechomessungen 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 601 Bestandsbrücken, wie Stahlbetonbrücken mit Hohlkörpern, Holzbrücken und alte Stahlbrücken zerstörungsfrei untersucht Abbildung 18: Planausschnitt der Brücke; Lage der Bohrwiderstandsmessungen und Ultraschallechomessungen eingetragen 602 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Bestandsbrücken, wie Stahlbetonbrücken mit Hohlkörpern, Holzbrücken und alte Stahlbrücken zerstörungsfrei untersucht Abbildung 19: Lage einer Bohrwiderstandsbohrung Abbildung 20: Ergebnis einer Bohrwiderstandsmessung; von außen nicht zu erkennbare innere Schäden 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 603 Bestandsbrücken, wie Stahlbetonbrücken mit Hohlkörpern, Holzbrücken und alte Stahlbrücken zerstörungsfrei untersucht Abbildung 21: Lage einer Ultraschallechomessung Abbildung 22: Ergebnis einer Ultraschallechomessung; Echo Bohrwiderstandsbohrung Die sehr umfangreichen Untersuchungen an der Brücke ergaben, dass sehr deutlich zwischen den unteren Balken und dem „Geländer“ unterschieden werden muss. Die Untersuchungen ergaben, dass sich die unteren Balken in einem verhältnismäßig sehr guten Zustand befinden. Hingegen wurden beim obersten Balken teils erhebli- 604 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Bestandsbrücken, wie Stahlbetonbrücken mit Hohlkörpern, Holzbrücken und alte Stahlbrücken zerstörungsfrei untersucht che Schäden festgestellt. Diese Tendenz wird an Hand von Bohrwiderstandsmessungen an mehreren Untersuchungsbereichen deutlich. Mit der Kombination von flächigen Ultraschallechomessungen und punktuellen Bohrwiderstandsmessungen wurden drei sehr geschädigte Bongossibrücken bei Karlsruhe genau untersucht und es war möglich, an Hand der „gesunden“ d.h. Unbeschädigten Balken und der genauen Kenntnis der Restquerschnitte bei den Schäden die Bauwerke zu erhalten und nach Lastreduktion und Ergänzungen weiter zu nutzen. Zusammenfassung: Im Beitrag wurden sowohl gängige Anwendungen der zerstörungsfreien Prüfverfahren im Rahmen einer objektbezogene Schadensanalyse OSA als auch Sonderfälle beschrieben. Neben den sehr ausgeprägten Möglichkeiten der zerstörungsfreien Verfahren müssen aber auch die Grenzen der Verfahren berücksichtigt werden, um Fehler zu vermeiden. Das Ultraschallechoverfahren erfordert einen direkten Kontakt zum Bauwerk und ermöglicht die Dickenbestimmung und Strukturuntersuchung von Beton, Holz und Stahl auf innere Risse, Hohlstellen, Fäulnis. Anwendungsbeispiele an einer Spannetonbrücke, einer Stahlbrücke und einer Bongossibrücke wurden vorgestellt. Mit Radar kann bei trockenen Medien die innere Struktur von Mauerwerk, Beton, Boden bestimmt werden und vor allem metallische Einbauteile wie Anker, Bewehrung, Spannglieder bestimmt werden. Auch können Abmessungen von Fundamenten unter Bodenplatte etc. bestimmt werden. Mit dem Bohrwiderstandsverfahren ist es möglich, an Holz bei einem Verdacht punktuell auf lokale Schäden hin zu untersuchen. Die Restquerschnittbestimmung wurde im Beitrag vorgestellt. Die Beispiele konnten zeigen, dass es möglich ist, dass mittels zerstörungsfreier Untersuchungen wertvolle Erkenntnisse über die Brücke ermittelt und so fundierte Aussagen zur weiteren Nutzung des Bauwerks ermöglicht werden. Literatur: [BAM2004] Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM): ZfPBau-Kompendium, http: / / www.bam.de/ zfpbau-kompendium.htm (2004) [WAL2012] Walter, A. und A. Hasenstab: Zerstörungsfreie Prüfverfahren zur Bestimmung von Materialparametern im Stahl- und Spannbetonbau in: Fouad N. (Hrsg.); Bauphysik-Kalender 2012, Berlin: Ernst und Sohn (2012) [HAS2008] Hasenstab, A., Jost, G., Taffe, A., Wiggenhauser, H.: Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen - angewandte Forschung und Praxis. Jahrestagung DGzfP DACH, St. Gallen 2008 [HAS2007] Hasenstab, A., Homburg, S., Maierhofer, C., Arndt, R.: Holzkonstruktionen mit Radar und Thermografie zerstörungsfrei untersuchen Tagungsband der DGZfP-Jahrestagung 2007, Poster 14, 14.-16.05.2007 Fürth [HAS2005] Hasenstab, A.: Integritätsprüfung von Holz mit dem zerstörungsfreien Ultraschall-echoverfahren. Dissertation an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und der Technischen Universität Berlin, Fakultät VI, Prof. Dr. Hillemeier (TU Berlin), Prof. Scheer (TU Berlin), Dr. Krause (BAM) [HAS2008] Hasenstab, A.: Ultraschall- Echo - ein ZfP-Verfahren zum Lokalisieren von Fehlstellen in Brettschichtholz (BSH) und Vollholz - Praxisbeispiele, (Bauwerksdiagnose Berlin, 21.-22.02.2008, Poster 14 2006, Berlin) [HAS2012] Hasenstab A., Steiger A., . Hunkeler F., Schiegg Y.: Zerstörungsfreie Prüfung an Tiefbauten in der Schweiz mit Ultraschallecho und Radar Tagungsband der DGzfP Fachtagung Bauwerksdiagnose, 23.-24. Februar 2012, Berlin [STR2008] Straußberger D., Hartmann I., Hasenstab A.: Straßenuntersuchungen mit Radar, Ultraschallecho und FWD, (Bauwerksdiagnose Berlin, 21.- 22.02.2008, Poster 13 2006, Berlin) [TAF2006] Taffe A., Wiggenhauser H.: Garant für gute Qualität, Werkzeug für fundierte Analysen: Was leisten zerstörungsfreie Prüfverfahren im Bauwesen? (DIB 2006 7-8, Seite 22) [WIG2004] Wiggenhauser, H. und A. Taffe: Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen, in: Cziesielski, E. (Hrsg.); Bauphysik-Kalender 2004, Berlin: Ernst und Sohn (2004) Kap. C1, S. 305-418 [HAS2015] Hasenstab A., Lechner T.: „Gesundprüfen“ von augenscheinlich defekter neuer Stahlbetonbrücke in Stockholm mit Ultraschallecho, Rückprallhammer und Karstenschen Prüfröhrchen; DGzfP Jahrenstagung Salzburg 2015