5. Brückenkolloquium - September 2022 207 Sicherstellung der Verfügbarkeit einer Autobahnbrücke mithilfe von Bauwerksmonitoring BAB A4, Brücke über die Fulda bei Bad Hersfeld Dr.-Ing. Matthias Bode Die Autobahn GmbH des Bundes, Niederlassung Nordwest Dipl.-Ing. Ronald Stein GMG Ingenieurgesellschaft Dresden Prof. Dr.-Ing. Karsten Geißler TU Berlin, Fachgebiet Entwerfen und Konstruieren - Stahlbau Zusammenfassung Mit der Nachrechnungsrichtlinie [1] für Straßenbrücken wurde den Straßenverwaltungen seit 2011 ein Werkzeug zur Verfügung gestellt, das den besonderen Anforderungen an die Bewertung bestehender Brückenbauwerke gerecht wird. Die Bewertung der Tragfähigkeit und der Restnutzungsdauer kommt bei älteren Brücken allerdings häufig zu Ergebnissen mit Nachweisdefiziten. Über ein Bauwerksmonitoring nach Stufe 3 der Nachrechnungsrichtlinie kann zunächst das Tragwerksmodell optimiert werden. Zweitens können durch kontinuierliche Erfassung und Klassierung der objektbezogenen Einwirkungen bzw. resultierenden Beanspruchungen wichtige Informationen in die Nachrechnung eingebunden werden. Das betrifft sowohl die im GZT relevanten Extremwerte und Lastkombinationsfragen als auch die Beanspruchungskollektive für die Ermüdungsnachweise. Wichtig ist in jedem Fall, dass die Ziele der Messung klar definiert sind - dies wird auch mit der aktuellen Überarbeitung der Nachrechnungsrichtlinie noch einmal eindeutig gefordert. Nach eventueller Entscheidung für den Ersatz eines Bauwerkes vergehen bis zur Inbetriebnahme des Neubaus mehrere Jahre, in denen mit festgestellten Nachweisdefiziten verantwortungsvoll umgegangen werden muss. In diesen Fällen kann das sogenannte „sicherheitsrelevante Bauwerksmonitoring“ ein ergänzendes Element der Bauwerksprüfung bilden. Am Beispiel der Autobahnbrücke über die Fulda im Zuge der BAB A4 bei Bad Hersfeld werden die zur An-wendung kommenden Methoden und Ergebnisse des seit über 2 Jahren laufenden Bauwerksmonitorings im Detail dargestellt. Auf Basis der gemessenen Beanspruchungen konnte bei diesem Bauwerk die rechnerische Restnutzungs-dauer für die ermüdungskritischen Details soweit erhöht werden, dass diesbezüglich die weitere Nutzung bis zum Ersatzneubau sichergestellt ist. Darüber hinaus liefert das Monitoring Erkenntnisse, die auf andere Bauwerke übertragbar sind. Die Möglichkeiten, Grenzen und die sinnvolle Anwendung von Structural-Health-Monitoring werden mit Blick auf weitere Anwendungsbeispiele aus der Perspektive der Baulastträger, der Tragwerksplanung und der messtechnischen Umsetzung diskutiert. 1. Bauwerksmessungen und Bauwerksmonitoring an Straßenbrücken Bei der Bewertung der Tragfähigkeit und Ermüdungssicherheit von Straßenbrücken im Bestand bietet sich eine Möglichkeit, die es bei der Bemessung von Neubauten naturgemäß nicht gibt der Einsatz von Messungen und Monitoring am konkreten Bauwerk zur Feststellung der tatsächlichen Einwirkungen und Beanspruchungen. Mit der Unterscheidung Bauwerksmessung (im Sinne einer Kurzzeitmessung) und Monitoring sollen dabei jeweils etwas unterschiedliche Zielstellungen und Herangehensweisen charakterisiert werden. 1.1 Bauwerksmessung (Kurzzeitmessung) Unter Kurzzeitmessungen werden Messungen verstanden, die sich über einen Zeitraum von einem oder mehreren Tagen erstrecken und meist auf eine ganz konkrete Fragestellung abzielen. Dabei kann unterschieden werden: • Belastungsversuch: Messen der Tragwerksreaktionen (Dehnungen, Verschiebungen) unter einem definierten Belastungsfahrzeug und rechnerischer Vergleich • Statische Systemidentifikation: Gewinnen von Informationen über das Tragverhalten, z. B. Lage der neutralen Faser im Querschnitt, Zusammenwirken von Fahrbahn und Hauptträger, Querverteilung, Einspanngrade von Stabanschlüssen • Dynamische Systemidentifikation: Messung der Bauwerkseigenfrequenzen als Ausdruck der Systemsteifigkeiten und Vergleich mit den berechneten Eigenfrequenzen; Dies kann selbst dann sinnvoll sein, wenn das Bauwerk oder Bauteil gar keine Schwingungsprobleme aufweist, was bei Hauptträgern von Straßenbrücken den Normalfall darstellt. Die unmittelbare Gegenüberstellung von Messergebnissen und Berechnungen führt erfahrungsgemäß zu den besten Erkenntnissen. Daher ist es wichtig, neben den ge- 208 5. Brückenkolloquium - September 2022 Sicherstellung der Verfügbarkeit einer Autobahnbrücke mithilfe von Bauwerksmonitoring messenen Tragwerksreaktionen auch die Einwirkungen (i.A. Verkehrslasten) zu kennen. Wenn es sich einrichten lässt, ist ein Belastungsversuch mit einem eingewogenen Fahrzeug, das die Brücke auf genau definierten Spuren befährt, zu bevorzugen. Der Aufwand für die Sperrung der Brücke und die Bereitstellung eines geeigneten Belastungsfahrzeuges kann jedoch insbesondere bei Autobahnbrücken sehr hoch sein. In bestimmten Fällen können bei Verzicht auf einen Belastungsversuch mit Messungen unter fließendem Verkehr gute Ergebnisse erzielt werden. Durch Messung an Bauteilen mit kurzen Einflusslängen (z. B. Längsrippen bei orthotropen Fahrbahnplatten) können die Achsen von Fahrzeugen erkannt und anhand verschiedener, in diesem Beitrag vorgestellter Kriterien, kalibriert werden. Bei Kurzzeitmessungen ist zu berücksichtigen, dass zeitlich veränderliche Einflüsse z. B. infolge Temperatur das Ergebnis beeinflussen bzw. beeinträchtigen können. Eine Kurzzeitmessung ist immer nur eine Momentaufnahme. 1.2 Bauwerksmonitoring (Langzeitmessung) Bestimmte Informationen über Beanspruchungen von Straßenbrücken lassen sich nur durch Langzeitmessungen sinnvoll erfassen. Dazu gehören z. B.: • Beanspruchungskollektive infolge Verkehrslasten als Eingangsdaten für realitätsnahe Ermüdungsnachweise • Beanspruchungen infolge atmosphärischer Einflüsse wie Wind- oder Regen-Wind induzierte Schwingungen der Hänger von Stabbogenbrücken oder der Seile von Schrägkabelbrücken • Beanspruchungen infolge Temperatur bzw. Erddruck bei integralen Brücken • Häufigkeit bestimmter Einwirkungssituationen aus Verkehr (Sondertransporte, Stau, Begegnungshäufigkeiten) • Überlagerung der Extremwerte verschiedener Einwirkungen (z. B. Verkehr + Temperatur) Ein weiterer Aspekt, warum der Einsatz eines Bauwerksmonitorings sinnvoll sein kann, ist die Möglichkeit, bestimmte Zustände zu überwachen und Schäden zu erkennen (Structural-Health-Monitoring). Mit der Entwicklung der mobilen Datenübertragung in den letzten Jahren gewinnt dieser Aspekt immer mehr an Bedeutung. Damit solche Anlagen nicht auf der einen Seite ein trügerisches Sicherheitsgefühl erzeugen oder auf der anderen Seite durch häufige Fehlalarme für Verwirrung sorgen, sind solche Systeme sorgfältig zu planen [2]. 1.3 Nutzen von Bauwerksmessung und Monitoring Die bei Bauwerksmessungen erhobenen Daten sind nicht nur für das untersuchte Bauwerk interessant, die Erkenntnisse lassen sich häufig auch auf ähnliche Bauwerke übertragen. Sie können damit Impulse für die Weiterentwicklung von Berechnungsmethoden und Normen geben oder helfen, konstruktive Lösungen zu verbessern. Treten Schäden an einem Bauwerk auf, können Bauwerksmessungen häufig der Schlüssel zur Aufklärung der Schadensursachen sein. Mit der Einführung der „Richtlinie für die Nachrechnung von Straßenbrücken im Bestand“ [1], die in der Nachweisstufe 3 die Einbeziehung von Bauwerksmessungen erlaubt, wurde die normative Grundlage für deren Nutzung geschaffen. Wenn in den Nachweisstufen 1 und 2 Defizite festgestellt werden, ist die Durchführung von Bauwerksmessungen eine mögliche Lösung. In vielen Fällen zeigt es sich, dass durch Bauwerksmessungen und Monitoringmaßnahmen Reserven aufgedeckt werden können. Insbesondere wenn es um Ermüdungsnachweise von Stahlbrücken geht, ist ein Bauwerksmonitoring geeignet, realitätsnahe Eingangswerte für die Nachweisführung zu ermitteln. Bezüglich der Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit ist zu beachten, dass die Messungen auf Gebrauchslastniveau erfolgen und eine Extrapolation auf den GZT nicht ohne Weiteres möglich ist. Dennoch kann eine Systemidentifikation sinnvoll und zielführend sein. Da die größten Sicherheitsreserven häufig auf der Einwirkungsseite liegen, insbesondere bei exponierten Bauwerken, kann ein auf Monitoringdaten basierendes objektspezifisches Lastmodell ein Weg sein, die erforderlichen Sicherheiten nachzuweisen [3]. Die dafür zur Anwendung kommenden Methoden sind dann eher in Stufe 4 der Nachrechnungsrichtlinie einzuordnen. Die meisten der hier angesprochenen Methoden der Bauwerksmessung wurden beim Bauwerk Fuldabrücke im Zuge der A4 angewendet und sollen in diesem Beitrag detailliert erläutert und bewertet werden. 2. Bauwerk BAB A4, Brücke über die Fulda 2.1 Tragwerk Das Bauwerk BW 2-2 Fuldabrücke im Zuge der BAB A4 bei Bad Hersfeld ist eine schiefe, dreifeldrige Brücke mit Stützweiten von 24,3 m - 36,45 m - 24,3 m. Die Stahlkonstruktion aus Hauptträgern und Querträgern ist genietet ausgeführt. Die Fahrbahntafel besteht aus Buckelblachen mit Auf beton. Der Überbau umfasst sieben Hauptträger aus Baustahl, die Gesamtbreite der Fahrbahntafel beträgt 24,0 m zwischen den Geländern, auf der 4 Fahrspuren und der Mittelstreifen angeordnet sind. Die Lagerachsen sind in einem schiefen Winkel von 68 gon zur Brückenachse ausgerichtet. Mit den Querträgern bilden die Hauptträger einen Trägerrost, welcher die Fahrbahnplatte trägt. Die Querträger sind in einem Abstand von 4,05 m angeordnet, der Hauptträgerabstand beträgt 3,73 m. 5. Brückenkolloquium - September 2022 209 Sicherstellung der Verfügbarkeit einer Autobahnbrücke mithilfe von Bauwerksmonitoring Abb. 1: Querschnitt des Überbaues (Ausschnitt) Abb. 2: Ansicht Brücke A4 über die Fulda 2.2 Historie Das Bauwerk wurde 1938/ 39 errichtet und im Krieg teilweise zerstört. Instandsetzungen der Hauptträger erfolgten 1946/ 48 (Südseite) und 1957/ 58 (Nordseite), teilweise wurde geschweißt. 1957/ 58 wurde außerdem die Fahrbahn samt Beton auf den Buckelblechen grundhaft erneuert, wobei Bewehrung, aber keine dezidierten Verbundmittel in den Beton eingebaut wurden. Das Bauwerk befand sich bis 2020 in Baulastträgerschaft von Hessen Mobil, seit 2021 ist die Autobahn GmbH des Bundes zuständig. Das bestehende Bauwerk soll ab 2024 durch einen Neubau mit größerer Breite ersetzt werden. Die Planungen und die vorbereitenden Arbeiten sind im Gange. Während der Errichtung des Ersatzneubaus werden die beiden südlichen Hauptträger mit ihrer Fahrbahnplatte zurückgebaut, der übrige Bestand wird ohne Mittelstreifen für den bauzeitlichen Verkehr genutzt. 3. Kurzzeitmessung zur Systemidentifikation mit Belastungsversuch 3.1 Statische Nachrechnung Im Jahr 2015 wurde eine vollständige statische Nachrechnung nach der „Richtlinie für die Nachrechnung von Straßenbrücken im Bestand“ [1] einschließlich Ermüdungsberechnung durchgeführt. Diese Berechnung umfasste die Brücke über die Fulda sowie deren konstruktiv ähnliches Nachbarbauwerk, das die A4 über die B62 und eine DB-Strecke überführt. Im Ergebnis dieser Nachrechnungen zeigten sich bei beiden Bauwerken eine ausreichende Tragsicherheit im GZT, jedoch große Defizite im Nachweis der Ermüdung. Die Ermüdungsdefizite betrafen Nietanschlüsse und Schweißnähte in den Bereichen, die nach dem Krieg instandgesetzt wurden. Die sehr geringe Ermüdungsbeanspruchung aufgrund der Grenznähe bis 1990 wurde dabei berücksichtigt. Dennoch ergaben sich hohe Schädigungssummen aufgrund der nach 1990 stark gestiegenen Beanspruchungen. Es konnte keine ausreichende Restnutzungsdauer nachgewiesen werde. In der statischen Nachrechnung wurde richtlinienkonform kein Verbund zwischen Buckelblechen und Fahrbahn angesetzt. 3.2 Messziel und Umsetzung Mit dem Ziel der Identifikation von Systemreserven wurde Ende 2015 von der GMG Ingenieurgesellschaft mbH an den beiden Brücken im Zuge der A4 eine Kurzzeitmessungen mit Belastungsversuch durchgeführt. Systemreserven wurden vorrangig in einer Verbundwirkung zwischen Buckelblechen und Auf beton sowie in einer gegenüber der Berechnung besseren Querverteilung der Verkehrslasten auf mehrere Hauptträger vermutet. Deshalb sollten die Dehnungen an den Ober- und den Untergurten von vier benachbarten Hauptträgern jeweils in Feldmitte, an den Querträgern und an den Buckelblechen erfasst werden. Für die Messung wurden vorrangig elektrische Dehnmessstreifen (insgesamt 18 Stück) eingesetzt, die auf die geschliffene Oberfläche der Bleche und Walzprofile appliziert wurden. Ergänzt wurde die Messung durch induktive Wegaufnehmer, die auf Stativen in den Seitenfeldern die Durchbiegung der Hauptträger erfassten. Abb. 3: Anordnung der Messstellen an HT und QT 210 5. Brückenkolloquium - September 2022 Sicherstellung der Verfügbarkeit einer Autobahnbrücke mithilfe von Bauwerksmonitoring Gemessen wurde an der Fuldabrücke (BW 2-2) und an der Brücke über die B62 und die DB-Strecke (BW 1-3), wobei sich die Messung beim Bauwerk BW 1-3 aufgrund der einfachen Erreichbarkeit auf das Hauptfeld konzentrierte. Die Installation der Messanlage erfolgte Anfang Dezember 2015. Alle Messpunkte befanden sich unterhalb der Fahrbahn, so dass für die Installation keine Verkehrssperrungen erforderlich waren. Während mehrerer kurzzeitiger Sperrungen der Bundesautobahn A4 am 05.12.2015 überfuhr je Fahrtrichtung ein eingewogenes und vermessenes Belastungsfahrzeug in vorab festgelegten Fahrspuren mehrfach die Brücke. Als Belastungsfahrzeuge wurden zwei zweiachsige Fahrzeuge der Autobahnmeisterei eingesetzt (je ca. 22,5 t), um die Sperrzeiten zu reduzieren. Für den Zeitraum des Belastungsversuches wurde der Verkehr durch die Autobahnmeisterei an den benachbarten Anschlussstellen auf die inneren Spuren eingeengt und während der einzelnen Fahrten durch die Autobahnpolizei in beiden Fahrtrichtungen temporär angehalten. Insgesamt wurden acht Überfahrten durchgeführt. Abb. 4: Durchführung des Belastungsversuches Optimal für Belastungsversuche sind möglichst kompakte und schwere Fahrzeuge, die in gleichmäßiger, niedriger Geschwindigkeit auf vorgegebenen Spuren verkehren. Im Ergebnis der Auswertung solcher Fahrten ergibt sich eine Einflussfläche, die sehr gut mit der statischen Berechnung verglichen werden kann. 3.3 Auswertung Belastungsversuch Die Auswertung der Signale der Dehnmesstreifen (Abb. 5) bei Überfahrt eines Lkw zwischen Hauptträger 1 und 2 zeigt Zugdehnungen in den Messpunkten der Untergurte von Haupt- und Querträgern in der typischen Form der Einflusslinie des Mittelfeldes eines Dreifeldträgers. Die gemessenen Dehnungen sind, bezogen auf das Fahrzeuggewicht, ausgesprochen gering. Es zeigt sich eine gute Querverteilung (Hauptträger-3 erhält noch 50-%, Hauptträger 4 noch ca. 20 % der Beanspruchungen von Hauptträger 1 und 2. Abb. 5: Signale ausgewählter Aufnehmer während Überfahrt auf der äußeren Normalspur Die Dehnungen in den Hauptträgerobergurten sind kaum feststellbar. Die sehr geringe Druckdehnungen zeigen, dass die Messpunkte nur knapp oberhalb der neutralen Faser liegen. In den Signalen der DMS an der Fahrbahn zeichnen sich trotz des geringen Beanspruchungsniveaus die einzelnen Achsen ab. Nach der Überfahrt gehen die Signale auf den Nullwert zurück, es verbleiben keine Zwängungen im Tragwerk. Die Ziele der Messung, die Bestimmung der Lage der neutralen Faser und die Querverteilung konnten erreicht werden, indem die Signale aus den in den einzelnen Fahrspuren durchgeführten Überfahrten ausgewertet wurden (Abb. 6 und Abb. 7). Abb. 6: Ermittlung der Lage der neutralen Faser aus der Messung Abb. 7: Analyse der Querverteilung auf der Fuldabrücke aus den Messdaten (Dehnung und Durchbiegung) 5. Brückenkolloquium - September 2022 211 Sicherstellung der Verfügbarkeit einer Autobahnbrücke mithilfe von Bauwerksmonitoring Da die Aufzeichnung während des Belastungsversuches kontinuierlich lief, wurden auch die Beanspruchungen aus dem regulären Straßenverkehr erfasst, wenn die Strecke zum Abbau des Staus freigegeben wurde. Außerdem wurden am BW 1-3 für einen Zeitraum von ca. 27 h vor Beginn der Belastungsfahrten bereits Signale aufgezeichnet. In Abb. 8 ist gut zu erkennen, wie sich die Fahrten der Belastungsfahrzeuge in den regulären Verkehr einordnen. Die leichte Signaldrift ist temperaturbedingt. Abb. 8: Signale der DMS an den Untergurten der Hauptträger 1 und 2 unter der rechten Spur Im Vergleich zur mit langsamer Geschwindigkeit erfolgten Überfahrt der Belastungs-Lkw erzeugen die regulären Fahrzeuge deutliche Schwingungen. Das maximale Ereignis innerhalb des Messzeitraums von 27 h erreichte eine Dehnung von ca. 95 µm/ m, dies entspricht einer Spannung von ca. 20 N/ mm². Abb. 9: Signale der HT-UG 1-4 infolge Überfahrten von zwei unterschiedlich beladenen Sattelschleppern 3.4 Nachweisführung nach Stufe 3 der Nachrechnungsrichtlinie Die Ergebnisse der Auswertung des Belastungsversuches konnten rechnerisch gut nachvollzogen werden. Die sich bei Berücksichtigung der besseren Querverteilung und vor allem der Mitwirkung des Fahrbahnbetons ergebenden niedrigeren Spannungen in den nachweisrelevanten Fasern führten zu deutlich niedrigeren kumulierten Schäden, so dass eine ausreichende Restnutzungsdauer bis zum angestrebten Zeitpunkt des Neubaus nachweisbar war. 4. Bauwerksmonitoring 4.1 Anlass und Ziel Im Jahr 2019 zeichnete sich ab, dass sich der ursprünglich anvisierte Zeitpunkt für den Ersatzneubau um einige Jahre verschieben würde. Die ausgewiesene Restnutzungsdauer, insbesondere die der Brücke über die Fulda im Zuge der BAB A4, war nicht ausreichend. Die GMG Ingenieurgesellschaft mbH wurde beauftragt, an der Fuldabrücke ein dauerhaftes Bauwerksmonitoring einzurichten. Dabei verfolgte das Bauwerksmonitoring im Wesentlichen zwei Ziele: a. Permanente Überwachung des Bauwerkszustandes als Unterstützung der in engeren Intervallen durchzuführenden Bauwerksprüfung mit Generierung von Warnmeldungen bei erkannten Systemveränderungen b. Erfassung der Verkehrseinwirkungen und der Beanspruchungen an den unmittelbar als ermüdungskritisch eingestuften Bauteilen zur genaueren Prognose der Restnutzungsdauer Welches Ausmaß ein Schaden annehmen muss, um durch die Messung sicher als solcher erkannt werden zu können, hängt von vielen Faktoren ab. Relativ sicher ist, dass kleine Anrisse in den hoch ermüdungsbeanspruchten Schweißnähten vom Monitoringsystem nicht detektiert werden können. Ein Versagen der Verbundfuge in größeren Bereichen wäre dagegen mit einer Verschiebung der neutralen Faser in Haupt- und Querträgern, einer Reduzierung der Querverteilung und mit einer deutlichen Erhöhung des Beanspruchungsniveaus bei gleichbleibendem Verkehr verbunden und könnte klar erkannt werden. Dadurch liefert das Monitoring eine zuverlässige Aussage zum Zustand der Verbundfuge. Die Verbundwirkung ist Grundlage der Ermüdungsbemessung. Sollte diese nicht mehr gegeben sein, nehmen die Spannungsschwingbreiten an den ermüdungskritischen Details zu, wodurch es zu einer Vergrößerung des zukünftigen rechnerischen Ermüdungsschadens kommt. Weitere Kompensationsmaßnahmen müssten dann eingeleitet werden. Wichtig zu beachten ist, dass die Verbundwirkung bei der Nachweisführung im Grenzzustand der Tragfähigkeit nicht angesetzt wurde. Somit hätte ein Verlust der Verbundwirkung keine Auswirkungen auf die entsprechende Nachweisführung. 4.2 Einrichtung Bauwerksmonitoring Die bezüglich Ermüdung als maßgebend festgestellten Nachweisstellen liegen an den Übergängen zwischen der ursprünglichen Konstruktion und den nach dem Krieg eingebauten Trägerteilen. Diese Bereiche befinden sich im Mittelfeld über der Fulda, wodurch die Zugänglichkeit erschwert war. Für die Installation wurden ein Längssteg auf den Untergurten von zwei Hauptträgern sowie ein Quersteg in Brückenmitte errichtet. Das Bauwerksmonitoring erfolgt wie die Kurzzeitmessung DMS-basiert in der Bauwerksmitte sowie in zusätzlichen Schnitten mit hohen Auslastungen des Ermüdungsnachweises. Ein großes Augenmerk wurde auf die 212 5. Brückenkolloquium - September 2022 Sicherstellung der Verfügbarkeit einer Autobahnbrücke mithilfe von Bauwerksmonitoring Erfassung der Verkehrseinwirkungen gelegt. Zur Verifizierung besonders auffälliger Überfahrtereignisse wurde zusätzlich eine datenschutzkonforme Webcam eingerichtet. Die Messanlage ist mit 14 Sensoren sehr kompakt, der Datenstrom ist somit noch gut beherrschbar. Die Aufzeichnung erfolgt permanent mit 50 Hz bei den Sensoren an den Hauptträgern und mit 100 Hz an der Fahrbahn auf einem lokalen Datenspeicher. Die Daten werden einmal pro Stunde per Mobilfunk auf einen zentralen Server übertragen und damit gesichert. Eine Fernwartung der Messanlage ist über die Mobilfunkverbindung möglich. In den zwei Jahren seit Inbetriebnahme der Anlage gab es einige Ausfälle, nachdem die Stromzuführung durchtrennt wurde. 4.3 Warnmeldungen und regelmäßige Auswertungen Nach einer Anlaufphase wurden für die einzelnen Aufnehmer Grenzwerte definiert, bei deren Überschreiten Warnmeldungen generiert werden. In Abstimmung mit Hessen Mobil wurde in Form eines Warn- und Alarmplanes festgelegt, welche Maßnahmen zu treffen sind und welche Personen in die Analyse einzubeziehen sind. Dieser Plan wurde mit Übergang des Bauwerks zur Autobahn GmbH angepasst. Für die Fuldabrücke wurde festgelegt, dass nach Auftreten von Warnmeldungen, die nach Überschreiten definierter Grenzwerte per E-Mail an die GMG Ingenieurgesellschaft versendet werden, zunächst immer per Fernwartung eine Kontrolle der Funktion der Messanlage zu erfolgen hat. Sollten dabei Auffälligkeiten bezüglich des Tragwerks der Fuldabrücke festgestellt und elektrische Störungen als Ursache ausgeschlossen werden können, wird der Bauwerksprüfer informiert, der vor Ort eine visuelle Kontrolle vornimmt. Die Grenzwerte der Aufnehmer wurden in Höhe der nach ca. sechs Monaten maximal erreichten Amplituden eingestellt. Dies führt dazu, dass in unregelmäßigen Abständen von wenigen Wochen Warnungen eingehen, die jedoch keineswegs mit einer kritischen Situation verbunden sein müssen. Neben den regelmäßigen Funktionskontrollen der Messanlage wird so die korrekte Funktion der Meldungen geprüft. Bisher wurden bei den Kontrollen nach Eingang von Warnungen per E-Mail keine Auffälligkeiten festgestellt, eine Weiterleitung der Warnung an die Autobahn GmbH erfolgte bisher nicht. In regelmäßigen Abständen von drei Monaten bzw. einem Jahr erfolgen Auswertungen in Form von Quartals- und Jahresberichten, die an die Autobahn GmbH übermittelt werden. Dabei werden neben der direkten Auswertung der Dehnungen auch die Ergebnisse einer Frequenzanalyse dargestellt (vgl. Kap. 4.4.4). Abb. 10: Ablaufschema Warn- und Alarmplan 5. Brückenkolloquium - September 2022 213 Sicherstellung der Verfügbarkeit einer Autobahnbrücke mithilfe von Bauwerksmonitoring 4.4 Ergebnisse Bauwerksmonitoring 4.4.1 Maximalereignisse Wie sich bereits in der Kurzzeitmessung 2015 andeutete, sind das Spannungsniveau und die Spannungsschwingbreiten in den Hauptträgern gering. Einen guten Überblick über die gesamten Messdaten bieten die 1-h-Spannen der gemessenen Beanspruchungen (Differenz aus Maximal- und Minimalwert). An heißen Sommertagen sind in den 1-h-Spannen des äußeren Hauptträgers (HT 7) Anteile aus Temperaturzwang enthalten, im Wesentlichen resultieren diese Werte jedoch aus Verkehr. Abb. 11: 1-h-Spannen der Spannungen in den Hauptträger- Untergurten fünf benachbarter Hauptträger, Jahr 2021 In Abb. 11 ist gut zu erkennen, dass das Niveau der Beanspruchungen aus Verkehr im Messzeitraum relativ konstant ist, die Jahresextremwerte der Beanspruchungen Δs liegen zwischen 25 und 30 N/ mm². Die maximalen Ereignisse resultieren aus einzelnen Schwertransporten. Die Beanspruchungen bei Stauereignissen sind geringer, was bei den geringen Stützweiten des Bauwerks nicht verwundert. Bei Messungen an deutlich größeren Straßenbrücken wird jedoch ebenfalls regelmäßig festgestellt, dass einzelne Sondertransporte die Extremwerte der Beanspruchungen liefern. Höhere Beanspruchungen resultieren regelmäßig auch aus Überholvorgängen schwerer Lkw, wie in Abb. 12 dargestellt. Abb. 12: Überholvorgang mit Schwertransport auf der linken Fahrspur Bei den an den Untergurten der Querträger und an den Buckelblechen gemessenen Beanspruchungen ist deutlich ein Jahresgang zu erkennen (Abb. 13). Bei sommerlichen Temperaturen sinkt die Steifigkeit des Asphaltbelags und dessen Mittragwirkung, die Beanspruchungen steigen. Bei einer orthotropen Fahrbahnplatte wäre der Temperatureinfluss noch deutlich höher. Abb. 13: 1-h-Spannen der Spannungen in der Fahrbahn im Jahr 2021 4.4.2 Beanspruchungskollektive Die gemessenen Beanspruchungsverläufe werden mithilfe des Rainflow-Zählalgorithmus in Kollektive umgerechnet, die unmittelbar für die Schadensakkumulationsrechnungen bei der Ermüdungsbemessung genutzt werden können. Abb. 14: Gemessene Beanspruchungskollektive (Dehnungen) an den Hauptträger-Untergurten Veränderungen in den Beanspruchungskollektiven können außerdem als Indikator für Systemveränderungen genutzt werden, wenn der Verkehr als relativ konstant über der Zeit angenommen wird (Abb. 15). Abb. 15: Vergleich gemessene Beanspruchungskollektive (Spannungen) an den Hauptträger-Untergurten der Messjahre 2021 und 2020 214 5. Brückenkolloquium - September 2022 Sicherstellung der Verfügbarkeit einer Autobahnbrücke mithilfe von Bauwerksmonitoring 4.4.3 Analyse der Verkehrseinwirkungen Aus den Messdaten kann anhand der Sensoren an den Querträgern und dem Fahbahnblech eine Erfassung des einwirkenden Verkehrs erfolgen. Da bei der Fuldabrücke selbst die Elemente der Fahrbahn relativ große Einflusslinien haben, gelingt eine saubere Trennung einzelner Achsen nicht. Auch die Überfahrten von Pkw können nicht, wie bei Messungen an anderen Bauwerken mit Stahlfahrbahn, sicher erfasst werden. Dennoch liefert die Analyse der Verkehrseinwirkungen interessante Ergebnisse. Abb. 16: Stündliche Fahrzeuganzahlen Schwerverkehr in der rechten Fahrspur im Jahr 2021 Neben den Fahrzeugmassen erfolgt auch eine Erfassung der Fahrgeschwindigkeit. Dadurch ist die Häufigkeit von Stausituationen gut erkennbar. Gut erkennbar ist auch die höhere Durchschnittsgeschwindigkeit des Schwerverkehrs an den Wochenenden, an denen vorrangig kleinere Lkw unterwegs sind. Abb. 17: 1-h-Mittel der Fahrgeschwindigkeit des Schwerverkehrs im Jahr 2021 Die Kalibrierung der Fahrzeugmassen erfolgt anhand der „Peaks“ in den Kollektiven, die den typischen 40-t-Sattelschleppern zugeordnet werden können. Der Einfluss der Temperatur auf den Asphalt wird durch einen Faktor berücksichtigt. Mit diesen Informationen kann die aktuelle Zusammensetzung des Verkehrs (Häufigkeitsverteilung der Fahrzeugmassen) im Sinne der Tabellen 10.5 bis 10.7 Nachrechnungsrichtlinie [1] bestimmt werden. 4.4.4 Frequenzanalyse Straßenbrücken im Allgemeinen und auch die Fuldabrücke werden durch Verkehrslasten nur relativ schwach zu Schwingungen angeregt. Die zusätzlichen Beanspruchungen im Tragwerk durch die dynamische Überhöhung der Verkehrslasten spielen eine untergeordnete Rolle. Im Sinne einer dynamischen Systemidentifikation und im Sinne des Structural-Health-Monitorings ist die Auswertung der Bauwerksschwingungen aber interessant. Da bei der Fuldabrücke keine separaten Beschleunigungs- oder Schwinggeschwindigkeitsaufnehmer eingesetzt werden, erfolgt die Analyse aus den Dehnungsdaten (Abb. 18). Abb. 18: Frequenzspektrum und Spannen der Eigenfrequenzen Die Frequenzen sind temperaturabhängig. Im Sommer, wenn der Asphalt eine geringere Steifigkeit hat, sinken die Frequenzen, im Winter sind sie entsprechend höher. Durch vergleichende Berechnungen konnten die gemessenen Eigenfrequenzen eindeutig den entsprechenden Biege- und Torsionseigenformen zugeordnet werden (Abb. 18). Neben den Einflusslinien und anderen Informationen aus dem Belastungsversuch konnten auch die Eigenfrequenzen zur Kalibrierung des Berechnungsmodells genutzt werden. Abb. 19: Eigenformen, zugeordnet den Frequenzen 3,95 Hz (links), 4,21 Hz (mittig), 4,96 Hz (rechts) 5. Brückenkolloquium - September 2022 215 Sicherstellung der Verfügbarkeit einer Autobahnbrücke mithilfe von Bauwerksmonitoring 4.4.5 Ermüdungsnachweis Auf Basis der Daten des Bauwerksmonitorings ergeben sich mehrere Möglichkeiten zur Konkretisierung des Ermüdungsnachweises: c. bezüglich des Berechnungsmodells (Kalibrierung anhand der Messdaten) d. bezüglich der Verkehrszahlen DTV- SV (gegenüber 2015 Steigerung von ca. 1,43- ·-10 6 auf ca. 1,93- ·-10 6 (+ 35 %) e. bezüglich der messtechnisch ermittelten Verteilung der Fahrzeuggewichte f. durch direkte Auswertung der aus den gemessenen Signalen mit dem Rainflow-Algorithmus erzeugten Beanspruchungskollektive Selbstverständlich gelten die am Bauwerk erfassten Daten über die Verkehrseinwirkungen nur für den jeweiligen Messzeitraum. Für Vergangenheit und Zukunft muss auf Daten aus Verkehrszählungen und -prognosen oder sinnvolle Annahmen zurückgegriffen werden. Für das die Fuldabrücke konnte auf Basis des Monitorings nachgewiesen werden, dass gegenwärtig kein nennenswerter Schadenszuwachs erfolgt und auch der in der Vergangenheit akkumulierte Schaden wahrscheinlich deutlich unter den in den rechnerischen Nachweisen festgestellten Werten liegt. 5. Ausblick Zur Sicherstellung der Verfügbarkeit von Straßenbrücken werden in zunehmendem Maße Monitoringsysteme eingesetzt. Der Wunsch, aktuelle Informationen über den Zustand der Bauwerke ständig verfügbar zu haben, ist gewachsen und die technischen Möglichkeiten, wie die permanente, automatisierte Auswertung von Sensordaten und das Versenden von Warnmeldungen über das Mobilfunknetz sind gegeben. Der erfolgreiche und sinnvolle Einsatz von Bauwerksmessungen und Monitoringsystemen ist jedoch kein ausschließlich technisches Problem. Wenn eine Monitoringanlage betrieben werden soll, sind umfangreiche Abstimmungen zwischen dem Baulastträger und dem Betreiber der Monitoringanlage notwendig. Die Ziele, Methoden, Risiken und Schadensszenarien müssen allen Beteiligten klar sein, damit im Falle des Auftretens einer Warnmeldung besonnen gehandelt wird. Der lange Zeithorizont von mehreren Jahren für Monitoringsysteme darf sowohl in organisatorischer als auch in technischer Hinsicht nicht unterschätzt werden. Die Sicherstellung der personellen Kontinuität und des verlustfreien Übergangs der Informationen ist ein wichtiger Aspekt. Eine klar formulierte Messaufgabe und eine möglichst einfache und robuste Messanlage sind auch unter diesem Gesichtspunkt von großem Vorteil. Die vielfältigen Informationen über Einwirkungen und Beanspruchungen sowie ggf. den Schädigungszustand eines Bauwerks, die mithilfe einer Messanlage erfasst werden und ständig verfügbar sind, sollten nicht dazu führen, die regelmäßigen Bauwerksprüfungen nach DIN 1076 zu vernachlässigen. Beide Methoden können sich sinnvoll ergänzen, wenn die Bauwerksprüfer und die Messingenieure eng zusammenarbeiten. Es ist sicher nicht zielführend, Bauwerksmonitoring unspezifisch und flächendeckend an allen Brückenbauwerken einzusetzen. Bei Bauwerken, bei denen sich bei einer statischen Nachrechnung Defizite oder Fragen bezüglich des Tragverhaltens ergeben haben, ist ein Einsatz im Rahmen der Stufe 3 der Nachrechnungsrichtlinie [1] jedoch in vielen Fällen sinnvoll. Auch bei der Einführung neuer Bauweisen, Konstruktionsformen oder zur Überwachung kritischer Montagezustände ist eine messtechnische Begleitung vorteilhaft. Nicht zu unterschätzen ist der Effekt, dass die Informationen, die bei Monitorings gewonnen werden, häufig auch auf andere Bauwerke ähnlicher Bauweise übertragbar sind. So kann Bauwerksmonitoring Impulse für die Weiterentwicklung von Regelwerken und konstruktiven Lösungen geben und damit letztlich einen Beitrag zum Erhalt und zum Ausbau der Infrastruktur leisten. Literatur [1] Richtlinie zur Nachrechnung von Straßenbrücken im Bestand, BASt, 2015 [2] DBV-Merkblatt „Brückenmonitoring“ - Planung, Ausschreibung und Umsetzung, Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein E.V., Berlin, 2018 [3] Geißler, K., Steffens, N., Stein, R.: Grundlagen der sicherheitsäquivalenten Bewertung von Brücken mit Bauwerksmonitoring. In: Stahlbau 88, Heft 4, Seiten 338-353