5. Brückenkolloquium - September 2022 549 Rückbau der Brücke Altstädter Bahnhof, Brandenburg/ Havel Detektion von Spanndrahtbrüchen mit Schallemissionsanalyse Dipl.-Ing. Stephan Pirskawetz Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin M. Sc. Sebastian Schmidt Bilfinger Noell GmbH, Würzburg Dr.-Ing. Oliver Steinbock Curbach Bösche Ingenieurpartner Beratende Ingenieure PartG mbB, Dresden Zusammenfassung Bei einer turnusmäßigen Inspektion der B1 Brücke am Altstädter Bahnhof in Brandenburg an der Havel wurden im Dezember 2019 Risse und Hohlstellen entlang der Längsträger festgestellt. Als Ursache wurde das Versagen eines signifikanten Anteils der Spanndrähte der konzentrierten Spannglieder vermutet. Die Brücke wurde umgehend für den Verkehr gesperrt und nach weiteren, umfassenden Untersuchungen im Mai 2021 abgebrochen. Um die Sicherheit des unter der Brücke geführten Verkehrs zu gewährleisten, wurde die Brücke unter anderem mit einem Schallemissionsmesssystem überwacht. Mit diesem Verfahren ist es möglich, Spanndrahtbrüche zuverlässig zu detektieren und zu lokalisieren. In dem gut einjährigen Überwachungszeitraum wurden mehr als einhundert Spanndrahtbrüche detektiert, die in einigen Bereichen der Brücke besonders konzentriert auftraten. Vor dem Abbruch der Brücke war es möglich, den Nachweis der Detektion von Spanndrahtbrüchen mit der Schallemissionsanalyse und ihre Ortungsgenauigkeit anhand von künstlich erzeugten Drahtbrüchen zu validieren. Weiterhin konnte das sichtbare Schadensbild, Längsrisse und Hohlstellen über den Spannkanälen, auf die lokale Schädigung der Spanndrähte zurückgeführt werden. Derzeit wird ein Merkblatt erarbeitet, in dem die Erfahrungen in der bisherigen Anwendung der Schallemissionsanalyse zum Monitoring von Spanndrahtbrüchen zusammengefasst werden. In diesem Beitrag werden die Grundlagen der Schallemissionsanalyse und die Ergebnisse der Validierungsversuche an der Brücke in Brandenburg dargestellt. Weiterhin werden die Vorteile und Grenzen der Brückenüberwachung mittels Schallemissionsanalyse sowie Maßnahmen zur Sicherstellung der Qualität und der Zuverlässigkeit diskutiert. 1. Einleitung Die Brücke Altstädter Bahnhof in Brandenburg a.d. Havel wurde 1969 dem Verkehr übergeben. Es handelte sich um eine etwa 180 m lange und etwa 40 m breite Spannbetonkonstruktion mit geschlossenen Hohlkästen, die eine vierspurige Straße sowie Gleisanlagen einer Industriebahn und einer Regionalbahn überquerte (Bild 1). Auf der Brücke befanden sich eine vierspurige Straße, zwei Straßenbahngleise mit Haltestellen sowie Fuß- und Radwege. Mit einer ungewöhnlich geringen Konstruktionshöhe von 1,5 m wirkte der Überbau schlank. Die Spannglieder, jeweils 392 ovale Drähte in den zehn Längsträgern, waren in Spannkästen mit 28 Lagen zu je 14 Drähten konzentriert (Spannverfahren TGL173-33). Bild 1: Luftaufnahme der Brücke am Altstädter Bahnhof in Brandenburg an der Havel kurz vor der Sprengung Im Dezember 2019 wurden Risse und Hohlstellen in den Stegen der Längsträger festgestellt, die dem Verlauf der Spannkästen folgten. Noch während der Inspektion 550 5. Brückenkolloquium - September 2022 Rückbau der BrückeAltstädter Bahnhof, Brandenburg/ Havel wurde ein Schadensfortschritt beobachtet, woraufhin die Brücke für den darüber laufenden Verkehr gesperrt wurde. Um auch die Sicherheit der unter der Brücke verlaufenden Infrastruktur zu gewährleisten, wurde ein Monitoringsystem installiert. Da als Ursache für die sichtbaren Schäden Spanndrahtbrüche infolge von Spannungsrisskorrosion vermutet wurde, umfasste das Monitoring ein Schallemissionsmesssystem mit 75 Sensoren zur Detektion der Drahtbrüche sowie Systeme für Temperatur-, Dehnungs- und Verschiebungsmessungen. Obwohl die Brücke nur noch unter Eigenlast stand, wurden vom Beginn der Messungen im Juni 2020 bis zur Sprengung der Brücke im Mai 2021 mehr als einhundert spontane Drahtbrüche detektiert. Details zur Konstruktion der Brücke und den festgestellten Schäden sind in [1] zusammengefasst. Koordiniert durch das Landesamt Straßenwesen Brandenburg und finanziell unterstützt durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) konnten vor der Sprengung Versuche durchgeführt werden, mit denen nachgewiesen werden konnte, dass lokale Häufungen von Spanndrahtbrüchen die Ursache für die sichtbaren Risse im Beton entlang der Spannglieder waren. Weiterhin wurden die Versuche genutzt, um die Zuverlässigkeit und die Sensitivität für den Schadensfortschritt der eingesetzten sowie ergänzender Mess- und Auswertungsverfahren zu validieren. Die Ergebnisse der Versuche sind in [2] dokumentiert. 2. Schallemissionsanalyse Die beim Bruch eines Spanndrahtes freiwerdende elastische Energie führt lokal zur sehr schnellen Materialverschiebungen und somit zur Anregung elastischer Wellen, die sich im Spannstahl, im umliegenden Verpressmörtel und im Beton ausbreiten. Diese sogenannten Schallemissionswellen können mit an die Betonoberfläche akustisch angekoppelten, üblicherweise piezoelektrischen Sensoren detektiert werden. Beim Überschreiten einer voreingestellten Schwelle werden vom Schallemissionssystem Merkmale der Schallemissionssignale wie Amplitude, Energie oder Signaldauer sowie der Signalverlauf gespeichert. Die Analyse der Ankunftszeiten von Schallemissionswellen an verschiedenen Sensoren ermöglicht die Zuordnung der Signale zu einer Quelle und deren Ortung. Neben der Signalamplitude ist die Quellortung ein wichtiges Kriterium zur Unterscheidung zwischen Signalen aus Spanndrahtbrüchen und Störsignalen, welche häufig vom Verkehr verursacht werden. Erste Versuche zur Detektion von Spanndrahtbrüchen mit Schallemissionsanalyse wurden zu Beginn der 2000er Jahre von [3] und [4] durchgeführt. Die Grundlagen für die heute verwendeten Methoden wurden ab 2004 durch Versuche an der Ponte Moesa in Roveredo/ Kanton Graubünden (Schweiz) gelegt ([5], [6]). Zurzeit ist die Schallemissionsanalyse das einzige Verfahren, mit dem Spanndrahtbrüche zuverlässig detektiert werden können. Detaillierte Beschreibungen des Verfahrens Schallemissionsanalyse und viele Anwendungsbeispiele aus unterschiedlichen Forschungsfeldern sind z.B. in [7], [8] und [9] zu finden. 3. Versuche Während der zerstörenden Versuche wurden schrittweise jeweils ca. zwei Drittel der Spanndrähte zweier Längsträger mit einer Seilsäge durchschnitten. Es wurde angestrebt, pro Schnitt zwei Lagen, d.h. 28 Spanndrähte, zu durchtrennen. Anhand der visuellen Begutachtung der Längsträger sowie der Ergebnisse des laufenden Schallemissionsmonitorings wurde für die Versuche ein Bereich ausgewählt, bei dem keine Vorschädigung erkennbar war, sowie ein zweiter Bereich mit einer offensichtlichen Vorschädigung. In den Bereichen der künstlichen Schädigung wurden faseroptische und fotogrammmetrische Messsysteme zur Erfassung von Dehnungen und Rissen installiert. Damit konnte nachgewiesen werden, dass Spanndrahtbrüche die Ursache für das sichtbare Schadensbild waren. Das vorhandene Schallemissionssystem wurde um 24 Sensoren erweitert, ohne das laufende Monitoring zu unterbrechen. Die Sensoren wurden mit Heißkleber seitlich auf die Betonoberfläche der Längsträger geklebt und zusätzlich mechanisch fixiert (Bild 2). Bild 2: Messstelle mit zwei verschiedenen, auf den Beton geklebten und zusätzlich mit Magnethaltern fixierten Sensoren Ein Sensor wurde mittig an die Decke eines Hohlkastens geklebt, ein weiterer an die Unterseite eines Längsträgers. Eine Übersicht über die installierten Sensoren zeigt Bild 3. 5. Brückenkolloquium - September 2022 551 Rückbau der BrückeAltstädter Bahnhof, Brandenburg/ Havel Bild 3: Anordnung der Sensoren an den Längsträgern der Brücke und Position der Schnittstellen Mit dieser Erweiterung des vorhandenen Sensornetzwerkes konnten die akustischen Eigenschaften der Brücke untersucht und verschiedene Sensortypen und Sensorpositionen getestet werden. Das Schallemissionssystem wurde auch dazu genutzt, die durchschnittenen Spanndrähte versuchsbegleitend zu zählen und zu dokumentieren. 4. Ergebnisse Im Vorfeld der zerstörenden Versuche an den Längsträgern der Brücke wurden die akustischen Eigenschaften der Brücke untersucht. Dafür wurde an definierten Stellen mit einem Rückprallhammer seitlich auf den Beton der Längsträger geschlagen. Die so künstlich erzeugten Schallemissionswellen sind mit den durch Drahtbrüche stimulierten Wellen vergleichbar. Bild 4: Mit verschiedenen Sensoren an einem Längsträger ermittelte akustische Dämpfung der Signale von Rückprallhammerschlägen bzw. von Drahtbrüchen Bild 4 zeigt die für verschiedene Sensoren anhand von Rückprallhammerschlägen ermittelte Dämpfung der Schallemissionswellen in den Längsträgern. Die hochfrequenten Anteile der Wellen werden besonders stark bedämpft. Mit niederfrequenten Sensoren wie dem VS12 (Frequenzbereich 7 kHz bis 58 kHz, Resonanz bei 12 kHz) bestimmt, erscheint die Dämpfung deshalb niedriger, wodurch Schallemissionsereignisse über große Entfernungen detektiert werden können. Allerdings liegen die Quellen von Störgeräuschen häufig im niederfrequenten Bereich, weshalb das Signal-Störgeräusch-Verhältnis für diesen Sensor ungünstig sein kann. Sensoren mit Frequenzbereichen über 100 kHz können an Beton nur zur Detektion von Ereignissen über kurze Entfernungen, in der Regel weniger als 2 m, eingesetzt werden. Gut bewährt zur Detektion von Spanndrahtbrüchen haben sich Sensoren mit einem Frequenzbereich von 20 kHz bis 100 kHz, wie z.B. der hier verwendete Sensor VS30. Entstehen die Schallemissionsereignisse wie Spanndrahtbrüche oder Rückprallhammerschläge in einer Entfernung von weniger als 2 m bis 3 m zum Sensor, ist eine Messkette mit einem VS30 und einer Signalverstärkung von 0 dB (Faktor 1) in der Regel übersteuert, d.h. die Signale liegen über 134 dB AE . In größeren Entfernungen fällt die Signalamplitude dann um 3 dB/ m bis 4 dB/ m. Die Dämpfung der Schallemissionswellen eines Spanndrahtbruchs wurde mit Sensoren VS30 in verschiedenen Abständen zum Ort des Drahtbruchs ermittelt. Sie ist kleiner als die aus den Rückprallhammerschlägen ermittelte Dämpfung. Eine mögliche Erklärung ist, dass ein Drahtbruch eine Longitudinalwelle in Längsrichtung des Trägers anregt, während die Anregung mit einem Rückprallhammer senkrecht zur Trägeroberfläche erfolgt. Wegen der vollständigen Sperrung konnten verkehrsbedingte Störgeräusche an der Brücke am Altstädter Bahnhof nicht ermittelt werden. Bild 5 zeigt deshalb Störgeräusche, die an einer Brücke vergleichbarer Konstruktion gemessen wurden. Deutlich sind die täglichen Schwankungen aus dem Verkehrsaufkommen zu erkennen. Bild 5: An einer vergleichbaren, unter Verkehr stehenden Brücke detektierte Störgeräusche Nur wenige Signale, welche mit geeigneten Filtern identifiziert werden können, liegen über 100 dB. Legt man 100 dB als Mindestamplitude für mögliche Spanndrahtbrüche fest, so ergibt eine konservative Schätzung für 552 5. Brückenkolloquium - September 2022 Rückbau der BrückeAltstädter Bahnhof, Brandenburg/ Havel dieses Beispiel eine Entfernung von ca. 12 m, über die ein Spanndrahtbruch detektiert werden kann. Mit besseren Analysetechniken lassen sich mehr Störgeräusche herausfiltern und die Reichweite eines Sensors kann auf bis zu 20 m erhöht werden. Bild 6 zeigt eine aus der akustischen Charakterisierung (Dämpfung und Störgeräusche) einer Hohlkasten-Spannbetonbrücke abgeleitete Reichweite eines Sensors an einem Längsträger. Von dem Sensor werden auch Signale aus den benachbarten Längsträgern erfasst. Anhand dieser Messungen kann die Anordnung der Sensoren an einer Brücke so optimiert werden, dass mit einer insgesamt möglichst kleinen Anzahl von Sensoren Drahtbrüche aus allen Bereichen der Brücke erfasst werden. Die Reichweiten der Sensoren müssen sich dabei so überschneiden, dass das Signal von mindestens zwei, vorzugsweise drei Sensoren detektiert wird. Bild 6: Beispiel für die ermittelte Reichweite eines Schallemissionssensors zur Detektion von Spanndrahtbrüchen in einer Hohlkastenbrücke Anhand der, mit einer zeitlichen Auflösung von einer Zehntel Mikrosekunde bestimmten Ankunftszeiten der Schallemissionswellen an verschiedenen Sensoren kann die Quelle der Schallemission lokalisiert werden. Für die lineare Ortung eines Ereignisses entlang eines Trägers einer Brücke genügt bei bekannter Schallgeschwindigkeit die Detektion der Schallwellen an zwei Sensoren. Bild 7 zeigt die an der Brücke in Brandenburg georteten Rückprallhammerschläge. Je nach Abstand der Sensoren liegt die Ortungsgenauigkeit zwischen 10 cm und 40 cm. Bild 7: Amplituden lokalisierten Rückprallhammerschläge am Längsträger 8 der Brücke in Brandenburg 5. Schlussfolgerungen / Empfehlungen Mit den zerstörenden Versuchen an der Brücke Altstädter Bahnhof in Brandenburg an der Havel konnte nachgewiesen werden, dass sich ein massiver Ausfall von Spanndrähten bei dieser Bauweise nicht anhand von Biegerissen ankündigt. Ein Indikator für einen bereits weit fortgeschrittenen lokalen Schaden sind vielmehr Längsrisse in den Stegen, die dem Spanngliedverlauf folgen. Eine sehr zuverlässige und die zurzeit einzige Methode, den Schadensfortschritt in Form von Spanndrahtbrüchen zu detektieren, ist die Schallemissionsanalyse. Planung, Installation und Betrieb eines Schallemissionsmonitorings erfordern fundierte Kenntnisse der Messtechnik inklusive der zugehörigen Software und der Analyseverfahren, kombiniert mit Detailwissen über das jeweilige Bauwerk. Da mit dem Monitoring nur Änderungen des Bauwerkszustandes detektiert werden können, ist nach Möglichkeit eine umfangreiche Bauwerksdiagnose voranzustellen, um den tatsächlichen Bauwerkszustand annähern bzw. einschätzen zu können. Zur Vorbereitung des Monitorings ist eine detaillierte, individuelle akustische Charakterisierung des Bauwerks sowie ein Vergleich der Signale von (künstlich herbeigeführten) Spanndrahtbrüchen mit Referenzsignalen, wie z.B. von Rückprallhammerschlägen, erforderlich. Mit den Referenzsignalen können vertraglich vereinbarte Leistungen, wie z.B. die Mindestanzahl der einen Drahtbruch detektierenden Sensoren oder die Ortungsgenauigkeit, in Blindversuchen überprüft werden. Die Planung, Installation und Überprüfung des Schallemissionssystems muss in einer Prüfanweisung schriftlich dokumentiert werden. In dieser Anweisung sind auch Ansprechpartner, Einzelheiten zu Wartung und Betrieb sowie Reaktionszeiten, Informationsketten, Entscheidungsbefugnisse und Maßnahmen bei detektierten Drahtbrüchen festzuhalten. Derzeit wird ein Merkblatt erarbeitet, in dem die Erfahrungen in der bisherigen Anwendung der Schallemis- 5. Brückenkolloquium - September 2022 553 Rückbau der BrückeAltstädter Bahnhof, Brandenburg/ Havel sionsanalyse zum Monitoring von Spanndrahtbrüchen zusammengefasst werden. Literatur [1] Kaplan, F., Steinbock, O., Saloga, K., Ebell, G., and Schmidt, S. (2021): Überwachung der Brücke am Altstädter Bahnhof, Bautechnik Vol. 99/ 3, doi 10.1002/ bate.202200008 [2] Landesbetrieb Straßenwesen (Hrsg.) (2021): B1 - Brücke Altstädter Bahnhof in Branden-burg an der Havel - Bauwerksuntersuchungen vor dem Rückbau. Hoppegarten: 2021 [3] Cullington, D.W.; Paulson P.; Elliott P. (2001) Continuous Acoustic Monitoring of Grouted Post-Tensioned Concrete Bridges. NDT&E International (Non Destructive Test & Evaluation) V34, N°2, March 2001, pp. 95-106. [4] Yuyama, S.; Yokoyama, K.; Niitani, K.; Ohtsu, M.; Uomoto, T. (2007). Detection and evaluation of failures in high-strength tendon of prestressed concrete bridges by acous-tic emission. Journal of Construction and Building Materials, Volume 21, Issue 3, March 2007, Fracture Acoustic Emission and NDE in Concrete (KIFA-4), pp. 491-500. [5] Fricker, S.; Vogel, T. (2006): Überwachung von Drahtbrüchen bei Stahlbetonbrücken (Monitoring of Wire-breaks of prestressed concrete bridges). Proceedings, Fachtagung Bauwerksdiagnose, Praktische Anwendung Zerstörungsfreier Prüfungen, Berlin, 23.-24. Feb. 2006. [6] Fricker, S. (2009): Schallemissionsanalyse zur Erfassung von Spanndrahtbrüchen bei Stahlbetonbrücken. Dissertation, ETH Zürich, https: / / doi. org/ 10.3929/ ethz-a-006027529 [7] Miller, R. K. and Hill, E. (technical editors), Moore, P. O. (editor) (2005) Nondestructive Testing Handbook, Volume 6, Acoustic Emission Testing. Third Edition, Published by the American Society for Nondestructive Testing, ISBN: 1-57117-106-1 [8] Grosse, Ch. U. and Ohtsu, M. and Aggelis, D. G. and Shiotani, T. (Editors) (2022) Acoustic Emission Testing. Springer International Publishing, https: / / doi.org/ 10.1007/ 978-3-030-67936-1 [9] DGZfP-Fachausschuss Schallemissionsprüfverfahren (2018) Kompendium Schallemissi-onsprüfung Acoustic Emission Testing (AT) Grundlagen, Verfahren und praktische An-wendung, https: / / www. dgzfp.de/ Portals/ 24/ PDFs/ FA/ KompendiumAT. pdf? ver=2Gy42PciomZDpPJRSZNq4g%3d%3d (abgerufen am 17.5.2022)