7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 43 Experimenteller Nachweis von Straßenbrücken kleiner Stützweiten Erfahrungen, Grenzen und Weiterentwicklung Prof. Dr.-Ing. Marc Gutermann Hochschule Bremen Dipl.-Ing. Werner Malgut Hochschule Bremen Voraussetzung für jede Planung im Bestand ist der Nachweis der Standsicherheit. Er setzt voraus, dass alle wesentlichen Parameter bekannt sind und die Ausführung den Bauvorschriften entspricht. Fehlen Angaben über die Konstruktion (Geometrie, Lagerung, Werkstoffeigenschaften) oder mindern Bauwerksmängel die Tragfähigkeit ab, führen rein rechnerische Beurteilungen meist zu negativen . Dieser Beitrag erläutert an ausgewählten Beispielen wie der Nachweis ausreichender Tragsicherheit alternativ durch den Einsatz experimentell gestützter Verfahren gelingen kann und wie diese zur Verlängerung der Restnutzungsdauer beitragen können. 1. Einführung Der schlechte Erhaltungszustand deutscher Autobahn- und Bundesstraßenbrücken ist hinlänglich bekannt. Kleinere Straßen- und Wegebrücken stehen dagegen eher selten im Fokus der Öffentlichkeit, obwohl ihre Zustandsbewertungen oft ebenso schlecht ausfallen wie bei den Brücken im Fernstraßennetz. Häufig kommt erschwerend hinzu, dass über die Jahre viele Informationen über die Bauausführung verlorengegangen sind und der Erhaltungszustand unbefriedigend ist. In solchen Fällen ist eine rechnerische Bewertung der Tragsicherheit oft unmöglich, insbesondere, wenn Teile des Bauwerks für Erkundungen unzugänglich sind oder die Gründungssituation unbekannt ist. Als Konsequenz wird meist konventionell verstärkt oder abgerissen und neu gebaut (Abb. 1). Das sind jedoch nicht immer wirtschaftliche Varianten, die besonders bei denkmalgeschützten Bauten auch nicht akzeptabel sind. Eine alternative Vorgehensweise ist der experimentell gestützte Nachweis, bei dem entweder wesentliche Parameter für einen rechnerischen Nachweis durch Versuche ermittelt werden, oder Belastungstests direkt nach Beendigung Planungssicherheit für den Baufortschritt bringen. Experimente sind Teil unserer Ingenieurgeschichte. Sie dienen der Absicherung neuer Bauweisen und helfen, theoretische Ansätze zu verstehen. Schon Ende des 19. Jahrhunderts wurde erkannt, dass nur durch Versuche und Erfahrung die komplexen Zusammenhänge der Werkstoffgesetze und Mechanik verständlich werden und Konstruktionsempfehlungen abgesichert werden können. Die ersten deutschen Stahlbetonvorschriften DIN 1045 (1925) enthielten daher auch Hinweise über Probebelastungen im Stahlbetonbau [1]. Abb. 1: Lösungsstrategien zum Tragsicherheitsnachweis für Bestandsbauten Experimentell gestützte Verfahren können auch dann erfolgreich sein, wenn alle anderen Ansätze zuvor gescheitert sind (s. a. Abb. 1): 1. Abschätzung der Tragsicherheit, z. B. aufgrund vorhandener Unterlagen 2. Überschlägige Berechnung der Tragsicherheit, z. B. mit einfachen Berechnungsmodellen 3. Genaue Berechnung der Tragsicherheit, z. B. mit komplexen FE-Berechnungsansätzen und modellen 4. Messwertgestützte Ermittlung der Tragsicherheit Experimentelle Methoden bewerten den aktuellen Tragwerkszustand inklusive aller realen Randbedingungen, sodass Unsicherheiten wegfallen und die Lasten deutlich über das rechnerisch nachgewiesene Lastniveau gesteigert werden können (Abb. 3). Bei experimentell gestützten Nachweiskonzepten (Punkt 4) werden z. B. wesentliche Eingabeparameter in in-situ-Versuchen gewonnen, um zuverlässige Daten für die Berechnungssoftware zu 44 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Experimenteller Nachweis von Straßenbrücken kleiner Stützweiten Erfahrungen, Grenzen und Weiterentwicklung erhalten. Denn trotz immer besserer und umfangreicherer Rechenprogramme wird die physikalische Wirklichkeit nur so gut beschrieben wie zutreffend seine Annahmen waren. Und letztere sollten selbstverständlich immer auf der sicheren Seite liegen. Alternativ kann mit Belastungsversuchen auch direkt der Nachweis ausreichender Tragsicherheit erfolgen (Kapitel 3). Das Ergebnis liegt dann direkt nach Beendigung der Versuche vor. Bei allen experimentellen Nachweisformaten gelten die gleichen Gültigkeitsbeschränkungen wie bei der Aufstellungsstatik eines Neubaus. Sie sind so lange gültig, bis sich die Nutzung verändert oder wiederkehrende Bauwerksprüfungen Anlass für weitere Untersuchungen geben. Für Bauwerke mit Korrosionsproblemen bietet es sich daher an, KKS einzusetzen, um den getesteten Zustand für den Restnutzungszeitraum einzufrieren [2]. Die Bandbreite der möglichen Einsatzgebiete experimenteller Methoden ist nahezu unbegrenzt (Tabelle 1). Einige Beispiele werden in den nachfolgenden Kapiteln exemplarisch vorgestellt, auch um wiederkehrende Besonderheiten aufzuzeigen. Planungs- und Ausführungsdetails einiger Projekte können der jeweils zitierten Literatur entnommen werden ([4] - [6]). In diesem Beitrag sollen Ergebnisse von Belastungsversuchen an Straßenbrücken kleiner Stützweiten (l S < 18,0 m) vorgestellt werden. Hier liegen umfangreiche Erfahrungen von über 45 Brücken mit insgesamt 85 Feldern im In- und Ausland vor [5]. Durchweg war das beobachtete Bauwerksverhalten deutlich besser als das vermutete, oft konnte sogar eine höhere Brückenklasse empfohlen werden (Abb. 2). Dabei war unerheblich, ob die Nachweise alle Brückenteile (Überbau, Auf- und Widerlager sowie Gründung) umfassten, welches Tragsystem vorhanden war (Platte, Trägerrost, Gewölbe) und aus welchem Material das Bauwerk erstellt worden war. Abb. 2: Statistische Auswertung der erreichten mittleren Nutzlasterhöhungen [5] (100% = rechnerische Prognose) Belastungsversuche Hybride Statik Überwachung Gebäude Decken, Unterzüge, Stützen, Fassaden, Treppen, Balkone, Dächer, Glasscheiben mit / ohne Denkmalschutz Austausch eines Kämpfersteines Erschütterungen (aus Zugverkehr) Ingenieurbau Abwassersonderbauten, Gründungen Spundwände Durchlässe Faltwerke, Fundamente von Windenergieanlagen Hubbrücke, Karussell Wasserbau Haltekreuze in Schleusen Anker von Spundwänden Kragstützwand Segmentwehr, Tordichtung Brücken Gewölbe Steinbogen Stahlbeton (Straße u. Schiene) Gewölbe Stahlfachwerk Stahlbeton (Schiene) Koppelfugen, Seilschwingungen, Freischneidetechnik Tabelle 1: Anwendungsbreite und Beispiele erfolgreicher experimenteller Untersuchungen 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 45 Experimenteller Nachweis von Straßenbrücken kleiner Stützweiten Erfahrungen, Grenzen und Weiterentwicklung 2. Legalisierung Das grundsätzliche Prinzip eines experimentellen Tragsicherheitsnachweises ist einfach und bewährt: es wird ein Bauteil belastet und seine Reaktionen gemessen (Abb. 3). Je nach Zielrichtung der Aufgabe kann in drei unterschiedliche Verfahren unterschieden werden [3]: A) Tragsicherheitsbewertung B) Systemmessungen C) Tragfähigkeitsmessungen (Bruchversuche) Abb. 3: Sicherheitskonzept (idealisiert! ); ΔQ: nutzbarer Zuwachs der Verkehrslast Jedes Konzept hat seine prädestinierten Einsatzbereiche und ist gekennzeichnet durch unterschiedlich hohen Aufwand (C > A > B). Bei allen Verfahren müssen die charakteristischen Daten eines Versuchsablaufs, wie z. B. Lastgrößen, Verformungen, Dehnungen etc. durch elektrische Messsysteme aufgenommen und ggf. zeitgleich angezeigt werden. Gängige Sensoren zur Zustandsbewertung von Bauwerken sind: • Kraftmessdosen zur Anzeige der eingeleiteten Kraft • Wegaufnehmer zur Analyse von Durchbiegungen, Verschiebungen, Rissweiten oder Dehnungen, die integral über die Beziehung ε = Δl/ l bestimmt werden. • Dehnungsmessstreifen zur örtlichen Kontrolle von Beanspruchungen • Neigungssensoren zur örtlichen Analyse von Verdrehungen, z. B. um den Einspanngrad bei Auflagern oder Bauteilverbindungen zu bestimmen. • Schallsensoren zur Analyse besonderer Ereignisse, die Schall freisetzen, wie z. B. Rissbildung oder Rissuferreibung. Der aktuelle Bauteilzustand kann besser eingeschätzt werden, so dass Belastungen oberhalb des Gebrauchslastniveaus auch bei sprödem Materialverhalten möglich sind. • Bei jeder Messung, im Besonderen im Freien, sollten die Umweltbedingungen wie z. B. die Lufttemperatur [°C] oder Windgeschwindigkeit [m/ s] aufgezeichnet werden, um die äußeren Einflüsse auf die Messung zu dokumentieren. Dabei ist bei der Planung Vorsicht geboten. „Wer viel misst, misst Mist“ ist ein geflügeltes Sprichwort und umschreibt zutreffend den Umstand, dass die gewonnenen Daten oft parallel auf Plausibilität geprüft sowie analysiert werden müssen. Dies setzt eine gewisse Erfahrung voraus. Die historische Methode, Versuchslasten durch Ballast zu erzeugen [1] ist der modernen und regelbaren Technik gewichen, Lasten hydraulisch im Kräftekreislauf zu erzeugen. So werden selbstsichernd die Beanspruchungen im Tragwerk simuliert, denen es nach Normung widerstehen muss. Im Hochbau werden dazu mobile Belastungsvorrichtungen genutzt, die kleinteilig transportiert und individuell an jede Aufgabe anpasst werden können [2]. Für Brücken kommen unter anderem [4] besondere Fahrzeuge zum Einsatz (Straßenbrücken: Belastungsfahrzeug BELFA [5]; Eisenbahnbrücken: Belastungswaggon BELFA-DB), die an der Hochschule Bremen in kooperativen Forschungsprojekten mit der TU Dresden, der HTWK Leipzig und der BU Weimar entwickelt wurden. Zuletzt wurde an der Hochschule Bremen ein neues Verfahren entwickelt, um kleine Straßen- und Wegebrücken kostengünstig und risikoarm mit einem Mobilkran als bewegliches Gegengewicht zu testen [6]. Seine Möglichkeiten und Grenzen werden derzeit in einem WiPa- No-Forschungsprojekt, gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, grundlegend ausgelotet. Die experimentelle Tragsicherheitsbewertung ersetzt den rechnerischen Nachweis der Standsicherheit und wird nach unserer Erfahrung sowohl von den Prüfingenieuren als auch der Bauaufsicht der Länder akzeptiert. In Einzelfällen wurde eine Zulassung im Einzelfall verlangt, es ist daher sinnvoll, alle Beteiligten schon im Planungsprozess zu involvieren. Die grundsätzliche Eignung und Zulässigkeit des die Rechnung begleitenden experimentellen Tragfähigkeitsnachweises auf der Grundlage der Regelungen der DAfStb-Richtlinie [3] wurde auch von der Fachkommission „Bautechnik“ der ARGEBAU bestätigt [7]. Die versuchsgestützte Bemessung ist auch im aktuellen Normenwerk der Eurocodes enthalten, z. B. in den Grundlagen der Tragwerksplanung [8] oder in der Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken [9]. 3. Tragsicherheitsbewertung Tragsicherheitsbewertung bedeutet, dass das Tragwerk oberhalb der Gebrauchslast belastet wird, also inkl. dem Ansatz von Teilsicherheitsbeiwerten. Weil das Tragverhalten bis zur Versuchsziellast F Ziel analysiert werden kann (Abb. 3), deckt es ggf. auch nichtlineares Verformungsverhalten auf. Der Aufwand für Belastungs- und Messtechnik ist jedoch groß. Die Versuchslasten müssen regelbar und selbstsichernd die Beanspruchungen im 46 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Experimenteller Nachweis von Straßenbrücken kleiner Stützweiten Erfahrungen, Grenzen und Weiterentwicklung Tragwerk simulieren, denen es nach Normung widerstehen muss, ohne die Gebrauchstauglichkeit oder Dauerhaftigkeit negativ zu beeinflussen. Dazu ist das Bauteil zuvor mit der dafür notwendigen Belastungs- und Messtechnik auszustatten. Das Potenzial von Probebelastungen zeigt Abb. 3: die gemessenen Reaktionen sind kleiner als die rechnerisch prognostizierten, und die Versuchsziellast wird ohne Überschreiten eines Grenzkriteriums erreicht. Als Konsequenz kann empfohlen werden, den nachgewiesenen Zuwachs ΔQd für eine Nutzlasterhöhung zu verwenden. Aus unserer langjährigen Erfahrungen betragen die Zuwächse zum Beispiel bei Stahlbetontragwerken mindestens 30-50% und können in Ausnahmefällen auch über 100% betragen (Abb. 4). Abb. 4: Steigerungspotenzial der Nutzlast durch Belastungsversuche (Torte = Gesamttragfähigkeit einer Massivdecke) 4. Anwendungsbeispiele 4.1 Wegebrücken in der Eilenriede, Landeshauptstadt Hannover In der Eilenriede der Landeshauptstadt Hannover befinden sich diverse Wegebrücken und Durchlässe mit Stützweiten l s ≤ 6,00 m, deren Original-Unterlagen nicht mehr vorliegen oder bei denen statische Berechnungen keine zufriedenstellenden Ergebnisse lieferten. Für die Bewirtschaftung des Forstes werden die Brücken jedoch mit schweren Fahrzeugen befahren. Es bot sich als alternative Nachweismethode an, Belastungsversuche durchzuführen. Aufgrund der unbefestigten, engen und zum Teil verschlungenen Wege wurde ein Konzept entwickelt, um unter Nutzung eines Mobilkrans als Gegengewicht Versuchslasten über 300 kN wirtschaftlich und vor allem risikoarm zu erzeugen (Abb. 5). Dabei führt der Mobilkran (GMK 4100 mit G ~ 50 t) die Nachweise schrittweise an mehreren Positionen durch und prüft sich quasi selbst über die gefahrlose Auffahrt. Das Verfahren ist in [5] ausführlich beschrieben, das System (Prüftraverse) wurde im März 2020 mit dem Patent Nr. 10 2017 118 041 geschützt. Die Untersuchungen umfassten vier Durchlässe mit einer lichten Weite von ca. 1,00 m; weitere fünf Bauwerke wiesen eine lichte Weite von ca. 2,50 m auf. Darüber hinaus wurden ein gemauerter Durchlass mit ca. 1,60 m lichter Weite und eine Stahlbetonbrücke mit ca. 5,60 m lichter Weite untersucht. Abb. 5: Prototyp: Traverse mit integrierten Hydraulikzylindern und verstellbarer Adapterplatte Das maximale Ziellastniveau war die Nachrechnungs- Brückenklasse 30 nach DIN 1072. Aus den maßgebenden Lastbildern ergaben sich maximale Beanspruchungen (z. B. Querkräfte und Biegemomente), die im Versuch durch ein äquivalentes Lastbild nachgebildet werden mussten. Die Gebrauchslast ext FQ ≤ 195 kN und die Versuchsziellast ext FZiel ≤ 330 kN wurden auf der Grund-lage des Ansatzes aus der Richtlinie für Belastungsversuche [3] ermittelt. Die messtechnische Ausstattung der Bauteile erfolgte so, dass alle notwendigen Informationen zur Zustandsbewertung - z. B. Dehnung, Durchbiegung, Setzung und Verschiebung (Abb. 6) - gewonnen werden konnten. Neben den obligatorischen Messungen der Überbaudurchbiegung und der Widerlagersetzung zur Erfassung des Gesamtverformungsverhaltens des Tragwerks wurden je nach Brückentyp weitere Sensoren installiert, die die zu erwartenden Versagensmechanismen überwachen sollten. So wurden bei den Durchlässen zusätzlich die Horizontalverschiebung der Widerlagerwände gemessen und bei Rahmentragwerken sowie Gewölben die Biegedehnungen. Letztere geben zwar grundsätzlich nur Informationen aus einem örtlich begrenzten Bereich, bei richtiger Positionierung jedoch können Systemveränderungen erkannt werden. 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 47 Experimenteller Nachweis von Straßenbrücken kleiner Stützweiten Erfahrungen, Grenzen und Weiterentwicklung Abb. 6: Messtechnik: Dehnungs- und Durchbiegungsmessung im Gewölbe Die in der Eilenriede getesteten Bauwerke zeigten allesamt ein sehr gutmütiges Verformungsverhalten. Die Tragfähigkeiten, definiert durch das statische System und den Bauteilwiderstand (Geometrie und Material), waren so groß, dass die Lasten bei allen Versuchen ohne Erreichen eines Grenzwertkriteriums bis zur Versuchsziellast FZiel ≤ 330 kN gesteigert werden konnten. Die Brücken wurden daher für die gewünschte Nutzlast (BK 30 bzw. BK 9) als gebrauchstauglich und tragsicher eingestuft. Die technische Anwendungsgrenze des vorgestellten Systems liegt bei Brücken von Stützweiten l s < 9,0 m, bei denen der Lastfall „Schwere Einzelachse“ maßgebend ist. Dabei muss beachtet werden, dass noch einige Fragen zur risikofreien Durchführung beantwortet werden müssen. Dies wird derzeit in dem WiPaNo Forschungsvorhaben SyMoB untersucht. Alternativ ist es zu empfehlen, auf bewährte Belastungssysteme wie das Belastungsfahrzeug BELFA [5] zurückzugreifen und letztendlich einen größeren technischen und damit auch finanziellen Aufwand in Kauf zu nehmen. 4.2 Stahlbeton-Massivbrücke mit 2 Kragarmen In Preußisch Oldendorf (NRW) waren über die Stahlbetonbrücke „zur Öhlmühle“ über die Große Aue keine Originalunterlagen mehr vorhanden, so dass sie sich in keine zulässige Brückenklasse einstufen ließ. Durch lokales Freigraben unter den Brückenrändern wurde das statische System als 1-Feldbrücke (l s ~ 7,05 m) mit zwei Kragarmen (l k ~ 2,60 m) identifiziert (Abb. 7). Das Bauwerk besteht aus einer Massivplatte (d ~ 0,55 m), ist leicht schiefwinklig (ca. 8 gon) und bietet einer Fahrbahn mit b = 5,50 m und zwei schmalen Gehwegstreifen (45 cm) auf zwei Kappen Platz. Es musste im Vorfeld durch eine Vergleichsrechnung geklärt werden, ob die erforderlichen Nachweise (z. B. max. Feldmoment / min. Stützmoment) gegen das Gewicht eines Mobilkrans erzeugt werden können oder ob das viel leistungsfähigere Belastungsfahrzeug BELFA [5] eingesetzt werden muss. Während der Nachweis des Stützmomentes kein Problem war, musste für den Nachweis des maximalen Feldmomentes zusätzlicher Ballast auf dem Bauwerk abgelegt werden (Abb. 7). Für eine risikoarme Versuchsdurchführung gliederte sich der Ablauf daher in die folgenden Schritte: • Nachweis des Stützmomentes durch Aufbringen der Versuchslast am Kragarmende • Gefahrlose Auffahrt des Mobilkranes • Versuche F = 250 kN in Feldmitte mit dem Mobilkran • Gefahrloses Ablegen des Ballastes auf der Brücke • Auffahrt des Mobilkranes und Nachweis des Feldmomentes durch zusätzliches Aufbringen der hydraulisch regelbaren Gebrauchslast F Q und Versuchsziellast F Ziel Abb. 7: Ansicht während des Belastungsversuchs mit Ballast (20 t) und Mobilkran Während aller Phasen wurden die Bauwerksreaktionen mit einer abgestimmten messtechnischen Ausstattung beobachtet (z. B. Dehnungen, Durchbiegungen, Neigungen, Setzungen und Rissweitenveränderung). Aus den Kraft-Reaktions-Kurven ließ sich entnehmen, dass • die Bauwerksreaktionen der Überbauten vorwiegend linear-elastisch und bleibende Verformungen nur gering waren (Anlagen und Abb. 8) • die maximale Verformung der Überbauten unter Volllast (inkl. Teilsicherheitsbeiwerten) weniger als 0,5 mm betrug • die Setzungen der Widerlager teilweise bleibend waren, jedoch beim abschließenden Gebrauchstauglichkeitsversuch wieder linear-elastisches Verhalten aufzeigten • die Weite des vorhandenen Risses am Überbau (nördliches Auflager) sich nicht wesentlich veränderte • die Reaktionen unter Langzeitbelastung im Gebrauchstauglichkeitsniveau annährend konstantes Verformungsverhalten zeigten, also ein stabiler Lastabtrag vorlag Da die Beanspruchung schrittweise in mehreren Messungen gesteigert wurde, musste z. B. die Vertikalverschiebung in Feldmitte in Abhängigkeit der Feldmomente nachträglich dargestellt werden (Abb. 8). Letztere wurden der FE-Berechnung entnommen. 48 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Experimenteller Nachweis von Straßenbrücken kleiner Stützweiten Erfahrungen, Grenzen und Weiterentwicklung Abb. 8: Vertikalverschiebungen in Feldmitte in Abhängigkeit des erzeugten Feldmomentes Die Tragsicherheit der Wegebrücke wurde für die Brückenklasse 30 (DIN 1072) erfolgreich nachgewiesen. Die Untersuchungen vor Ort dauerten 2 Tage, wovon einer für die messtechnische Ausstattung und einer für die Durchführung der Versuche sowie den Abbau benötigt wurde. 4.3 Naturstein-Gewölbebrücke in Hannover Die Clevertorbrücke überquert die Leine in Hannover im Zuge der Brühlstraße mit einer lichten Weite von 18,85 m. Sie wurde um 1781 als Korbbogenbrücke aus Natursteinmauerwerk errichtet und ist denkmalgeschützt. Die letzte Brückenprüfung offenbarte ein Schadensbild, das Durchfeuchtungen, Abplatzungen und offene Fugen bis zu 70 cm Tiefe im Bogenscheitel umfasste. Der Bauwerkszustand wurde mit der Note 3,5 bewertet. Für eine rechnerische Einstufungsrechnung wurde die Geometrie aufgemessen und die Materialkennwerte durch Probenentnahmen abgeschätzt. Die Berechnungen konnten keinen Nachweis für eine Brückenklasse 16/ 16 erbringen. Das Rechenmodell beruhte jedoch zwangsläufig auf einer Reihe von Annahmen, die auf der sicheren Seite lagen, z. B. die Modellierung in einem Stabmodell ohne Ansatz der Hinterfüllung aus Bruchsteinmauerwerk als lastabtragendes Element, da keine funktionierende Schubübertragung vorausgesetzt werden kann. Das Ergebnis bewertet jedoch strenggenommen die Modellannahmen und nicht etwa die tatsächliche Tragstruktur. Um diese besser einschätzen zu können, wurden daher Belastungsversuche durchgeführt. Dabei musste von Systemmessungen unter geringen Lasten abgesehen werden, weil dann nicht nachgewiesen werden kann, dass die Hinterfüllung auch bei hoher Beanspruchung mitträgt (inkl. Teilsicherheitsbeiwerten). Zur Lasterzeugung wurde das Belastungsfahrzeug BELFA gewählt, das bei Brücken bis 18 m Stützweite ohne zusätzlichen Ballast Versuchslasten bis 600 kN aufbringen kann (Abb. 9 und [5]). Abb. 9: BELFA in Prüfposition über der Clevertorbrücke Das größte Risiko bei den Untersuchungen bestand darin, dass die BELFA-Sattelzugmaschine die Brücke vor ihrem Einsatz einmal überqueren musste. Immerhin bringt sie auch in ihrer leichtesten Variante noch mehr als 20 Tonnen auf die Waage (die Brücke war lediglich für 16 Tonnen freigegeben). Eine umfassende Versuchsplanung, eine spezielle auf das Tragsystem dieser Brücke abgestimmte Messausstattung, vorausgehende Überfahrtsmessungen mit leichteren Fahrzeugen, und die Prognose der erwarteten Reaktionen mithilfe von FE- Berechnungen, führten zum Erfolg (Tabelle 2). Die externe Versuchslast konnte letztlich durch einen schweren Mobilkran in der Nebenspur (LTM 1080) und das Belastungsfahrzeug in der Hauptspur aufgebracht werden. Die hydraulischen Pressen des BELFA erzeugten dabei den Großteil der Versuchsziellast fein regelbar, während das BELFA auf der Brücke im Widerlagerbereich abgestützt war. Alle Bauteilreaktionen (z. B. Durchbiegungen, Dehnungen, Rissbreiten, Schallemission) blieben unterhalb kritischer Werte und zeigten noch an Ort und Stelle, dass • die Bauwerksreaktionen vorwiegend linear-elastisch waren • die maximale Verformung etwa 1,2 mm betrug (Tabelle 2) • nach Entlastung eine Durchbiegung von f << 0,1 mm verblieb • die Horizontalverschiebungen der Gewölbe so gering waren, dass sie unter der Auflösung der Messvorrichtung lagen (Δh ≤ 0,05 mm) • alle vier Schallsensoren kein Anzeichen für Gefügeveränderung geliefert haben. Unter besonderem Licht erscheint das Ergebnis dann, wenn man einem unter Fachleuten verbreiteten Merksatz folgt: eine Gewölbebrücke zeigt erst dann kritische Bauwerksreaktionen, wenn die Belastung mehr als 50 % der Bruchlast beträgt. 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 49 Experimenteller Nachweis von Straßenbrücken kleiner Stützweiten Erfahrungen, Grenzen und Weiterentwicklung Rechnerische Prognose Messung Dehnung ε [µm/ m] Durchbiegung f [mm] Dehnung ε [µm/ m] Durchbiegung f [mm] Überfahrt Zugmaschine 19 0,04 5 0,15 Auffahrt Kran (G ~ 48 t) 19 0,33 5 0,35 Versuchsziellast BK 16/ 16 (inkl. γ und Mobilkran) 56 0,92 35 0,70 Versuchsziellast BK 30/ 30 (inkl. γ und Mobilkran) 97 1,57 85 1,20 Tabelle 2: Ergebnisvergleich am Scheitel - Prognose (Hinterfüllung trägt) und Messung 4.4 (Historische) Möllerbrücke Die Brücke überquert im Zuge der Landesstraße L 263 den Mühlenbach in der Nähe von Bergen an der Dumme (l s = 5,80 m) und ist eine der letzten erhaltenen Stahlbetonbrücken nach der Bauweise Möller, die Anfang des 20. Jahrhunderts vielfach gebaut worden sind [10]. Durch ihre direkte Nähe zur Grenze Niedersachen / Sachsen-Anhalt war sie während der Existenz der innerdeutschen Grenze 40 Jahre lang außer Betrieb aber auch ohne Unterhaltung. Die Brücke wurde zuletzt im Jahre 2007 einer Bauwerksprüfung unterzogen, bei der erhebliche Mängel festgestellt wurden (Risse, Korrosion, Abplatzungen). Das Bauwerk erhielt als Zustandsnote eine 3,5 und wurde auf 2,8 t zulässige Verkehrslast zurückgestuft. Belastungsversuche sollten ausloten, ob trotz der diagnostizierten Mängel zumindest eine Brückenklasse 16 nach DIN 1076 nachgewiesen werden kann. Der Versuchsumfang wurde aufgrund von zerstörungsfreien / -armen Voruntersuchungen, der geringen Fahrbahnbreite (b ~ 5,00 m), einer Kostenminimierung und der örtlichen Gegebenheiten (Anfahrt / Rangieren des BELFA in der Kurve) auf eine Fahrbahnseite begrenzt. Der Ablauf dieser Ein-Tages-Aktion teilte sich in drei unterschiedliche Untersuchungen: • Überfahrten mit der abgekuppelten BELFA-Zugmaschine (Test [des Bauwerksverhaltens, Kontrolle der Gleichmäßigkeit des Lastabtrags über die Brückenbreite) • Überfahrt der Zugmaschine mit angekuppeltem BELFA • Belastungsversuche (Abb. 10) Abb. 10: Möller-Brücke: BELFA simuliert die schwere Einzelachse in Feldmitte Der experimentelle Tragsicherheitsnachweis umfasste den Brückenüberbau, die Auflager sowie die Widerlager und die Gründung. Während der Belastungsversuche wurde die externe Versuchslast durch hydraulische Pressen gegen das Gewicht des Belastungsfahrzeugs geregelt aufgebracht. Dabei war das BELFA in ausreichendem Abstand zur Brücke vor und nach dem Bauwerk abgestützt. Die externen Versuchsziellasten wurden so bemessen, dass ihre Wirkung für den Überbau identisch war mit der ständigen Lastwirkung und den Verkehrslasten, die nach den Vorschriften anzusetzen sind (inkl. Sicherheitsanteile). Um den Bauwerkszustand während der Versuche analysieren zu können, wurden mehrere Bauteilreaktionen (z. B. Durchbiegungen, Widerlagersetzung, Rissbreiten, Stahldehnung) online gemessen und zeitgleich am Monitor als Kraft-Reaktions-Diagramm dargestellt. Sie blieben insgesamt deutlich unter denen der Prognoserechnung (Tabelle 3), die auf der konservativen Annahme beruhte, dass eine Radlast nur von einem Träger abgetragen wird. Aus den Messergebnissen ließ sich ableiten, dass sich tatsächlich mehrere Träger am Lastabtrag beteiligen. 50 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Experimenteller Nachweis von Straßenbrücken kleiner Stützweiten Erfahrungen, Grenzen und Weiterentwicklung Durchbiegung Stahldehnung Lastfall [mm] [μm/ m] Einzelachse in Feldmitte Gebrauchslast F Q = 210 kN Vorberechnung 2,7 30 Messung 0,5 67 Einzelachse in Feldmitte Ziellast F Ziel = 338 kN Vorberechnung 4,4 49 Messung 0,86 115 Tabelle 3: Vergleich der Bauwerksreaktionen in Feldmitte (FE / Versuch) Zusammenfassend ließen sich aus der erfolgreichen Tragsicherheitsbewertung folgende Schlussfolgerungen ableiten: • das Verformungsverhalten (Überbau / Gründung) war vorwiegend linear-elastisch • die Verformungen lagen unter den rechnerisch prognostizierten Werten • die Lastquerverteilung war intakt unbelastete Träger beteiligten sich am Lastabtrag • vorhandene Risse arbeiteten unter Last, kritische Rissbreiten wurden nicht erreicht • die massiven Brüstungen beteiligten sich am Lastabtrag Ergänzende Untersuchungen ließen auch eine Aussage zur Dauerhaftigkeit zu: Es zeigte sich, dass die meisten Bauwerksmängel keine unmittelbaren Auswirkungen auf die Tragsicherheit haben. Um eine langfristige Nutzung der Brücke zu gewährleisten, sind jedoch Sanierungsmaßnahmen notwendig, wie z. B. Erneuern der Bauwerksabdichtung und das Wiederherstellen des Korrosionsschutzes am außenliegenden Zugband. 5. Systemmessungen Systemmessungen überprüfen das aktuelle Tragverhalten eines Bauwerks etwa im Gebrauchslastniveau (Abb. 3), um zum Beispiel bekannte Schäden zu überwachen oder Berechnungsannahmen zu verifizieren. Die Belastung muss dabei einerseits so hoch gewählt werden, dass das Tragverhalten der Konstruktion unter den planmäßig auftretenden Nutzlasten angemessen beurteilt werden kann und darf andererseits nicht so hoch sein, dass kritische Bauwerksreaktionen eintreten. Die Verformungen bleiben vorwiegend im linear-elastischen Bereich. Nichtlineare Untersuchungen bei höheren Beanspruchungszuständen können im Nachgang mit den entsprechenden Unsicherheiten an einem kalibrierten Berechnungsmodell durchgeführt werden. Wenn die Schwachstellen bekannt sind und konkrete Grenzwerte festgelegt werden können, sind Langzeitmessung auch zum Monitoring geeignet, das bei zuvor definierten Veränderungen Aktionen auslösen kann (Alarm, Information, Sperrung, …). Abb. 11: Brücke im Zuge der B75 in Höhe Neustadtsbahnhof, Bremen, Blickrichtung Westen Ein Beispiel ist die messtechnische Überprüfung von Koppelfugen von Spannbetonbrücken. Bei einer Hauptprüfung der Brücke Neustadtsbahnhof in Bremen (Abb. 11) wurden Aussinterungen am Überbau im Bereich einer Koppelfuge festgestellt, so dass ein Koppelfugenriss nicht ausgeschlossen werden konnte. Aus diesem Anlass wurde die Ermüdungssicherheit gemäß BASt- Handlungsanweisung [11] untersucht, die bei der Nachrechnung eine mehrstufige Vorgehensweise mit wachsender Genauigkeit der Berechnungsansätze vorsieht. Da in den ersten Berechnungsstufen ein Dauerfestigkeitsproblem nicht ausgeschlossen werden konnte, sollte wie in der Handlungsanweisung empfohlen für den genaueren Nachweis am Bauteil gemessen werden. Es wurden an ausgewählten Stellen Verschiebungen (Risse, Dehnungen) sowie die Bauteiltemperatur gemessen, um festzustellen, ob die Querschnitte gerissen oder ungerissen sind. Die Messdaten wurden in mehreren Koppelfugen während des normalen Verkehrs über einen Zeitraum von 12 h überwacht und abschließend mit einer kontrollierten Belastung durch 2 Sattelzüge mit je G = 40 t kalibriert. Der Verkehr wurde aus der Ferne per Videokamera registriert, so dass z. B. der Maximalausschlag der Überfahrt eines Mobilkrans (G~50 t) zugeordnet werden konnte. Die aufgezeichneten Messkurven zeigten sowohl während der Langzeitmessungen als auch während der Kurzzeitmessungen durch Sattelzüge plausible Verläufe und ließen darauf schließen, dass alle drei Koppelfugen gerissen sind. Aus den Messwerten konnte die maximale 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 51 Experimenteller Nachweis von Straßenbrücken kleiner Stützweiten Erfahrungen, Grenzen und Weiterentwicklung Rissweitenveränderung unter Verkehr auf Δw ≤ 0,03 mm abgeschätzt werden. Die Brücke wurde saniert und zusätzlich mit jeweils zwei Spanngliedern je Stegseite extern vorgespannt. 6. Ausblick Experimentell gestützte Nachweise loten die Tragwerksreserven bestehender Bauwerke aus und können selbst dann ein erfolgsversprechender Lösungsansatz sein, wenn umfangreiche rechnerische Analysen unbefriedigende Ergebnisse erzielt haben. Voranschreitender Computerhörigkeit trotzend bieten sie eine wirtschaftlich attraktive Alternative zu Abriss und Neubau und leisten einen wichtigen Beitrag, um Baukultur zu bewahren. 7. Danksagung Ein herzlicher Dank gilt allen Projektbeteiligen, die mit ihrem Engagement und der konstruktiven Zusammenarbeit wesentlich zum Gelingen der komplexen Aufgaben beigetragen haben. Besonderer Dank gilt allen Auftraggebern, die unseren Prognosen und Erfahrungswerten vertraut und die Einsätze beauftragt haben. Wir hoffen, dass auch weiterhin die Restnutzungsdauer bei vielen Bauwerke durch experimentelle Untersuchungen verlängert werden kann. Literatur [1] Bolle, G.; Schacht, G.; Marx, S.: Geschichtliche Entwicklung und aktuelle Praxis der Probebelastung, Teil 1 und 2. Bautechnik 87 (2010) 11|12, S. 700-707|784-789 [2] Gutermann, M., Malgut, W.: Experimentelle Methoden - Ein alternativer Weg zum statischen Nachweis von Bestandsbauwerken. In: Gieler-Breßmer (Hrsg.): Tagungsband. 18. Symposium Kathodischer Korrosionsschutz von Stahlbetonbauwerken, 05. bis 06.11.2020. Ostfildern, TAE Verlag, 2020 [3] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb, Hrsg.): Richtlinie für Belastungsversuche an Betonbauwerken. Berlin: Beuth, 07-2020 [4] Bretschneider, N.; Fiedler, L.; Kapphahn, G.; Slowik, V.: Technische Möglichkeiten der Probebelastung von Massivbrücken. Bautechnik 89 (2012) 2, S. 102-110 [5] Gutermann, M.; Schröder, C.: 10 Jahre Belastungsfahrzeug BELFA. Bautechnik 88 (2011) 3, S. 199- 204 [6] Gutermann, M., Schröder, C., Böhme, C.: Nachweis von Straßenbrücken kleiner Stützweite am Beispiel von Wegebrücken in der Eilenriede, Hannover. In: Bautechnik 95 (2018), Heft 7. Berlin: Ernst & Sohn, 2018. S. 477 - 484. https: / / doi. org/ 10.1002/ bate.201800018 [7] Manleitner et al.: Belastungsversuche an Betonbauwerken. In: Beton- und Stahlbetonbau 96, 2011, Heft 7, S. 489 [8] DIN EN 1990 (2010-12): Eurocode 0 - Grundlagen der Tragwerksplanung, Anhang D (informativ) [9] DIN EN 1992-1-1 (01.2011): Eurocode 2 - Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken, Kapitel 2.5 [10] Droese, Siegfried: Eine fast vergessene Brückenbauweise: Hängegurtbrücken „System Möller“. In: Bautechnik 76 (1991), S. 625-634, Ernst & Sohn [11] Bundesanstalt für Straßenwesen: Handlungsanweisung zur Beurteilung der Dauerhaftigkeit vorgespannter Bewehrung von älteren Spannbetonüberbauten, Ausgabe 1998