5. Brückenkolloquium - September 2022 543 Bauwerksschäden an der Brücke am Altstädter Bahnhof M. Sc. Felix Kaplan Landesbetrieb Straßenwesen Brandenburg, Hoppegarten, Deutschland Dr. Ing. Oliver Steinbock cbing, Dresden, Deutschland Dipl. Ing. M. Sc. Katrin Saloga König und Heunisch Planungsgesellschaft, Berlin, Deutschland Zusammenfassung Die B 1, Brücke am Altstädter Bahnhof war der wichtigste Verkehrsknotenpunkt in der Stadt Brandenburg an der Havel. Im Dezember 2019 wurden die überführte Bundesstraße und die Straßenbahnlinie für den Verkehr gesperrt. Grund für die Sperrung war eine einsetzende Rissbildung in den Längsträgerstegen in Verbindung mit Hohlstellen. Bei den Längsträgern wurde mit dem Spannblockverfahren nach TGL 173-33 ein konzentriertes Spannglied verbaut. Die visuell aufnehmbare Schadenszunahme wurde letztlich auf gerissene Spanndrähte zurückgeführt. Der sichere Betrieb der unterführten Verkehrswege bis zum Rückbau wurde durch ein umfangreiches Überwachungskonzept bestehend aus handnaher Bauwerksprüfung und ergänzenden messtechnischen Verfahren gewährleistet. In diesem Beitrag werden die gewonnenen Erkenntnisse zum messtechnisch erfassten Schadensfortschritt und den damit verbundenen visuell festgestellten Schäden beschrieben. Die Schadensbilder weichen von den bekannten Schadensbildern an konventionellen Spanngliedern ab. Zur Bewertung dieser Arbeitshypothesen wurden kurz vor dem Abbruch des Bauwerks ergänzende Untersuchungen durchgeführt. Die gewonnenen Erkenntnisse sollten bei der Beurteilung anderer Bauwerke mit vergleichbarer Bauart berücksichtigt werden. 1. Bauwerksbeschreibung 1.1 Baukonstruktion Die Brücke am Altstädter Bahnhof wurde im Jahre 1969 hergestellt siehe z. B. [1]. Sie bildete die Hauptverbindung zwischen der Innenstadt und den westlichen Stadtteilen der Stadt Brandenburg an der Havel. Durch das Bauwerk wurde die Magdeburger Straße (B 1) sowie eine Straßenbahnlinie über die Zanderstraße (B 102) und die Gleise der Deutschen Bahn überführt. Die Lage des Bauwerks ist in Abbildung 1 dargestellt. Abb. 1: Lage des Bauwerks Straßennetzviewer Brandenburg Die Brücke bestand aus zwei Teilbauwerken [2], [3]. Gegenstand der weiteren Ausführungen ist ausschließlich das Tbw. 1. In Abbildung 2 ist ein Luftbild von der Brücke unmittelbar vor dem Rückbau zu sehen, darin ist das Teilbauwerk farblich hervorgehoben. Abb. 2: Bauwerk vor dem Rückbau, Tbw. 1 hervorgehoben ifB Eigenschenk 544 5. Brückenkolloquium - September 2022 Bauwerksschäden an der Brücke am Altstädter Bahnhof Das Tbw. 1 war mit einer Länge von 174 m und einer Überbaubreite von ≈ 37 m ungewöhnlich breit. Gleichzeitig wurden in Brückenquerrichtung nur zwei Stützenreihen mit einem Abstand von 18,5 m angeordnet. Daraus resultierte auch die ungewöhnliche Wahl des Überbauquerschnittes, der als neunzelliger Hohlkasten mit einer variablen Konstruktionshöhe zwischen 1,46 m und 1,54 m ausgeführt war und in Brückenquerrichtung eine sehr robuste Konstruktion sicherstellte. Somit konnten auch die im Norden liegenden Kragarme mit der Straßenbahn befahren werden. Die planmäßig nicht zugänglichen Hohlkästen wiesen eine lichte Höhe von ≈ 1,22 m bzw. 1,06 m bei einer Breite von 2,68 m auf. Mit Ausnahme des kleinen Endfeldes (20 m) waren die Hohlkästen durch schlaff bewehrte Feldquerträger in der Feldmitte ausgesteift. Des Weiteren sind in den Stützenachsen vorgespannte Querträger angeordnet. Im Anschlussbereich des Zubringers (Achse C) sind zusätzlich zum Hauptquerträger zwei vorgespannte Nebenquerträger angeordnet. Der Querträger C und die beiden Nebenquerträger dienen als Auflager für die Längsträger des Nebentragwerks. Abb. 3: Tbw. 1 Draufsicht, Längsschnitt, Querschnitt [2] Die Längsträger des Haupttragwerks wurden jeweils mit einem konzentrierten Spannglied vorgespannt, welche mit veränderlicher Höhenlage -an einen parabolischen Verlauf angenähertgeführt wurden. Da die Querschnitte nicht gevoutet sind und im Stützbereich keine Zusatzspannglieder angeordnet wurden, führt dies im Stützbereich zu geringeren Druckspannungen in der vorgedrückten Zugzone und im Feldbereich zu hohen Druckrandspannungen in der Platte. 1.2 Spannblockverfahren Bei der Brücke am Altstädter Bahnhof kam das Spannblockverfahren für die Längsträger zur Anwendung. Bei dem Spannblockverfahren handelt es sich um eine Adaption anderer Spannverfahren mit konzentrierten Spanngliedern, wie z. B. dem Verfahren Baur-Leonhardt, auf dem Gebiet der ehemaligen DDR. Das Spannverfahren wurde zwischen 1962 und 1970 bei insgesamt elf Bauwerken angewendet. Als die Brücke am Altstädter Bahnhof errichtet wurde, war das Spannblockverfahren durch in der TGL 173-33 geregelt. Gegenüber den normativen Vorgaben kam beim vorliegenden Bauwerk eine Sonderform zum Einsatz. Zum einen wurden anstelle des üblichen Spanndrahtes mit 40 mm² Querschnittsfläche, Spanndrähte mit 35 mm² verwendet. Grund hierfür war, dass zum damaligen Zeitpunkt lediglich die Spanndrähte mit 35 mm² in der erforderlichen Lieferlänge von 175 m beim Hennigsdorfer Stahlwerk zur Verfügung standen. Zum anderen wurde ein größerer Spannkasten (Spanngliedkasten für SSG 1400 statt SSG 1200) notwendig, um die insgesamt 392 Einzeldrähte im Spannkasten unterbringen zu können bzw. eine Spannkraft von 12 MN je Hauptträger einleiten zu können. Die 392 Einzeldrähte wurden lagenweise eingebaut und mittels Abstandshaltern in ihrer Lage gesichert, wie in Abb. 4 erkennbar ist. Abb. 4: Konzentriertes Spannglied im Querschnitt (links) [4] und in der Ansicht (rechts) [1] Mit dem heutigen Wissen ist das Spannblockverfahren grundsätzlich kritisch zu bewerten. Als Spannstahl wurden die vergüteten Hennigsdorfer Spanndrähte verwendet, diese sind mittlerweile bei Ortbetonbauwerken als hochgefährdet in Bezug auf Spannungsrisskorrosion bekannt. Bedingt durch den Bauablauf wurden die Spannglieder erst nach ca. 6 Monaten verpresst. Bis dahin waren die Spanndrähte nicht durch das alkalische Milieu geschützt. 2. Bauwerkszustand und Zustandsentwicklung 2.1 Bauwerkszustand Die Sperrung der Brücke erfolgte im Zuge der Vorbereitung der Hauptprüfung im Dezember 2019. Dabei war aufgefallen, dass sich in der Untersicht der Brücke eine massive Risszunahme eingestellt hat. Zusätzlich wurden in einzelnen Hohlkästen auch spanngliedparallele Risse in den Längsträgerstegen dokumentiert, Abb. 5. Während der anschließenden intensiven Bauwerksprüfung wurde außerdem festgestellt, dass die Anzahl und die Länge der Risse spürbar zu nimmt. 5. Brückenkolloquium - September 2022 545 Bauwerksschäden an der Brücke am Altstädter Bahnhof Abb. 5: Spanngliedparallele Risse (exemplarisch) Im Rahmen der parallel durchgeführten Objektbezogenen Schadensanalyse wurden auch Spanndrahtproben entnommen. Deren Untersuchung zeigte einen sehr hohen Versprödungsgrad und infolgedessen eine mangelhafte Bruchdehnung und eine reduzierte Zugfestigkeit. Alle untersuchten Proben wiesen Anrisse infolge Spannungsrisskorrosion auf, exemplarisch Abb. 6. Abb. 6: Exemplarisches Bruchbild der Spanndrähte, KHP Berlin Am Bauwerk waren somit nicht nur plötzlich auftretende Rissbilder, sondern auch mangelhafte Materialeigenschaften anzutreffen. Eine weitere Befahrung war dadurch ausgeschlossenen und ein schnellstmöglicher Abbruch einzuleiten. 2.2 Überwachungskonzept Es zeichnete sich schnell ab, dass bis zum Rückbau ca. 12 Monaten vergehen würden. Eine Sperrung der unterführten Verkehrswege wurde deshalb diskutiert, allerdings sind diese für den Verkehr in der Region so wichtig, dass dieses Szenario vermieden werden sollte. Aus diesem Grund musste ein umfangreiches Überwachungskonzept entwickelt und umgesetzt werden. Bei der Konzeption wurde davon ausgegangen, dass die Schäden primär infolge spannungsrisskorrosionsbedingter Spanndrahtbrüche entstehen und dass die Schäden fortschreiten. Das Überwachungskonzept setzte sich zusammen aus den Bestandteilen Schallemissionsmonitoring, Durchbiegungsmonitoring in Feldmitte, punktueller Rissüberwachung in Bereichen mit Schädigungsentwicklung sowie engmaschiger Bauwerksprüfung. 2.3 Zustandsentwicklung Aufgrund der unter 2.2 beschriebenen Überwachung des Bauwerks können umfangreiche Aussagen zur Zustandsentwicklung zwischen Juni 2020 (Inbetriebnahme Monitoringanlagen) und Mai 2021 (Rückbau) getroffen werden. In diesem Zeitraum wurden insgesamt 111 Spanndrahtbrüche gemessen, siehe Abb. 7. Dabei ist ersichtlich, dass sich die Lage der Spanndrahtbrüche in bestimmten Bereichen konzentriert. Die Bauwerksprüfung zeigte außerdem, dass die visuell erkennbaren Schäden zunehmen. Dies wurde teilweise im unmittelbaren zeitlichen Kontext mit Spanndrahtbrüchen detektiert, Abb. 8. Abb. 7: Lage Spanndrahtbrüche 03/ 2021 - 05/ 2021, Bilfinger Noell Abb. 8: Schadensskizze Hohlkasten 3.1-9, Anschluss Querträger C, LS Brandenburg und r.a.p. Ingenieure 546 5. Brückenkolloquium - September 2022 Bauwerksschäden an der Brücke am Altstädter Bahnhof 3. Bauwerksuntersuchungen im Zuge des Rückbaus 3.1 Untersuchungskonzept Während sich bei Tragwerken mit kleinteiligen Spanngliedern und einem Ankündigungsverhalten in Sinne der Handlungsanweisung Spannungsrisskorrosion der Ausfall einzelner Spanndrähte in Form von Biegerissen zeigt, ist dies bei großformatigen Spanngliedern nicht der Fall. Die dokumentierten Längsrisse sowie der Versprödungsgrad der Spanndrähte führten zu der These, dass ein hoher und lokaler Schädigungsgrad der Spanndrähte in den großformatigen Spanngliedern zu Spaltzugrissen im Steg führt, bevor Biegerisse auftreten. Die Spaltzugkräfte bei einer lokalen Schädigung von großformatigen Spannglieder sind jedoch nahezu unabhängig von zusätzlichen äußeren Einwirkungen und können somit bereits unter Eigenlasten auftreten. Zur Verifizierung dieser These wurden durch das BMDV umfangreiche Untersuchungen im Rahmen des Rückbaus finanziert. Um dieses Ziel zu erreichen, sollte das Schadensbild künstlich erzeugt werden. Der Versuch war durch zahlreiche messtechnische Verfahren zu begleiten, um hierdurch auch Einsatzempfehlungen für andere Bauwerke zu erhalten. Für die Durchführung wurden insgesamt 2 Versuchsstellen festgelegt, siehe Abb. 9. Dabei handelt es sich bei der V1 um einen Bereich in dem zuvor keine Spanndrahtbrüche gemessen wurden und auch keine Längsrisse vorhanden waren. V2 lag sowohl im gemessenen Hot-Spot und hatte die erwarten Längsrisse bereits. Abb. 9: Lage von Hot Spots und Darstellung der Messstellen V1 und V2 [2] Der Versuchsaufbau wurde so gewählt, dass die Spandrähte lagenweise mittels Seilsäge angesägt wurden, siehe Abb. 10. Durch den geringen Stich stellte dies auch an den Seilsägenführer sehr hohe Anforderungen. Nähere Informationen zur Versuchsdurchführung sind [2] zu entnehmen. Abb. 10: Versuchsaufbau links, schematisch, rechts Umlenkrolle im Hohlkasten [2] 3.2 Ergebnisse in Bezug auf die Schadensbilder Beim Trennen der Spannglieder konnte an Messstelle V1 das Entstehen der Längsrisse nachgewiesen werden und somit das prognostizierte Schadensbild bestätigt werden. Nachdem etwa ein Drittel der Drähte des vorliegenden großformatigen Spanngliedes durchtrennt waren, entstand ein vergleichbares Schadensbild wie es bereits am Bauwerk dokumentiert werden konnte. Mit zunehmender Schädigung konnte auch eine Zunahme der hohl liegenden Bereiche festgestellt werden. Bei diesem Spannverfahren können Längsrisse in den Stegen entlang des 5. Brückenkolloquium - September 2022 547 Bauwerksschäden an der Brücke am Altstädter Bahnhof Spanngliedverlaufs, insbesondere in Verbindung mit Hohlstellen, auf eine lokale Häufung von Spanndrahtbrüchen im Inneren der Spannglieder hinweisen, siehe hierzu exemplarisch Abb. 5 und Abb. 11. An Messstelle V2 konnten keine nennenswerten Zunahmen in den Rissweiten bestehender Risse festgestellt werden, anstelle dessen kam es vorwiegend zu neuen Rissbildungen und zur Verlängerung bestehender Risse. Die Versuchsergebnisse lassen den Rückschluss zu, dass an anderen Stegen, die ein ähnliches Riss- und Schadensbild wie an Messstelle II (vor dem Trennen der Spanndrähte) aufwiesen, von einem ähnlich hohen Schädigungsgrad des Spanngliedes (≈ 1/ 3) und somit von einer merklich reduzierten Resttragfähigkeit auszugehen ist. Abb. 11: Markierter Verlauf der Risse und hohl liegenden Bereichen bei Abschluss des Versuches an der Messstelle V1 sowie Darstellung der Messtechnik [2] 3.3 Weitere Ergebnisse Die Ergebnisse im Hinblick auf das Monitoring und die Auswertung zur Untersuchung der Spanndrähte werden separat vorgestellt und sind in diesem Tagungsband enthalten, siehe [5], [6] und [7]. 4. Zusammenfassung Die Brücke am Altstädter Bahnhof stellt mit dem verwendeten konzentrierten Spannglied eine Besonderheit war. Dank der umfangreichen Überwachung konnte der Betrieb auf den unterführten Verkehrswegen bis zum Ersatzneubau gewährleistet werden. Aufgrund der durchgeführten Untersuchungen wurden folgende Schlussfolgerungen gezogen: - Bauwerke mit konzentrierten Spanngliedern haben bauartbedingt eine hohe Gefährdung für Schäden aufgrund von Spannungsrisskorrosion. Die Schäden können dabei lokal konzentriert auftreten. - Die Schadensbilder weichen von den bekannten Schadensbildern ab. Nach Auftreten der sichtbaren Schäden können sie sich sehr schnell weiterentwickeln. - Monitoringverfahren zur Überwachung des Schädigungsfortschritts sind vorhanden. Diese Ergebnisse erfordern von den Baulastträgern, dass Bauwerke mit konzentriertem Spannglied (Spannblockverfahren und Baur-Leonhardt) einer besonderen Beobachtung unterliegen sollten. Randbedingungen hierfür werden durch das BMDV im Obmannschreiben 2021-13 [8] definiert. Literatur [1] Lippold, P.: Konzentrierte Spannglieder im Straßenbrückenbau. Bauplanung - Bautechnik, Heft 4 1969, S. 172ff. [2] Div. Autoren, Landesbetrieb Straßenwesen Brandenburg (Hrsg.): B1 - Altstädter Bahn-hof in Brandenburg an der Havel - Bauwerksuntersuchungen vor dem Rückbau. Abrufbar unter https: / / www. ls.brandenburg.de/ ls/ de/ ueber-uns/ publikationen/ . [3] Kaplan, F., Steinbock, O., Saloga, K., Ebell, G., & Schmidt, S. (2022). Überwachung der Brücke am Altstädter Bahnhof. Bautechnik, 99(3), 222-230. [4] TGL 173-33 Spannblockverfahren - Spannglieder mit Nennspannkraft 600 bis 1600 Mp. Fachbereichsstandard. Ausgabe 1967-06. [5] Pirskawetz, S.: Rückbau der Brücke Altstädter Bahnhof, Brandenburg/ Havel - Detektion von- Spanndrahtbrüchen mit Schallemissionsanalyse, Tagungsband 5. Brückenkolloquium 2022, TAE [6] Niederleithinger, E.: Überwachung der Brücke Altstädter Bahnhof, Brandenburg/ Havel: Begleituntersuchungen mit moderner Sensorik und zerstörungsfreier Prüfung, Tagungsband 5. Brückenkolloquium 2022, TAE [7] Ebell, G.: Neue Erkenntnisse zu wasserstoffinduzierten Spannungsrissen infolge korrosiver Belastung hochempfindlicher Spannstähle in Spannblockverfahren nach TGL 173-33, Tagungsband 5. Brückenkolloquium 2022, TAE. [8] Marzahn, G.: Obmannschreiben 2021-13 Neue Erkenntnisse zu wasserstoffinduzierten Spannungsrissen infolge korrosiver Belastung hochempfindlicher Spannstähle in Spannblockverfahren nach TGL 173-33.