Bröckelnde Brücken mit Simulation schneller warten und sanieren

In einem Beitrag für das aktuelle Journal des Simulations-Spezialisten CADFEM zeigt Dr.-Ing. Roger Schlegel, Geschäftsführer der Weimarer Geodynardo GmbH, welches Potenzial diese Simulations-basierten Untersuchungen bieten. So lässt sich unter anderem das dynamische Verhalten des gesamten Bauwerks abbilden, falls etwa ein Schiff einen Brückenpfeiler rammt, die Belastung durch den Straßenverkehr auf der Brücke zunimmt oder Wetter, Stürme und Wellengang die Bausubstanz beeinträchtigen. 

"Verkehrsbauwerke wie Brücken sind meist sicherheitskritisch und unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt", schreibt Schlegel. "Eine frühzeitige Aufdeckung von Sanierungsbedarf und Einleitung von Maßnahmen ist daher essenziell."

Für viele Brücken und deren planmäßige Verkehrsbelastungen könne mit vereinfachten Ingenieurmodellen und linear-elastischen Berechnungsmethoden "keine ausreichende Sicherheit mehr nachgewiesen werden", erklärt Schlegel. In der Praxis bedeutet das, dass Brücken gesperrt werden müssen. 

Digitale Modelle erlauben hingegen einen Blick ins Innere der Bausubstanz. Daraus lassen sich Tragreserven bzw. Lastreserven errechnen, die noch vorhanden sind. "Das ist entscheidend, um Sicherheit zu gewährleisten und die vorhandene Bausubstanz möglichst lange zu nutzen."

Am Beispiel der Mainbrücke Marktheidenfeld (bei Würzburg) wurde ein möglicher Schiffsanprall auf einen Brückenpfeiler mit einem räumlichen Finite-Elemente-Modell (FEM) und einer so genannten transient-dynamischen Analyse untersucht. Anders als mit reiner Statik-Berechnung ließen sich so zeitabhängige Veränderungen besser berücksichtigen. "Besonders bei älteren und historischen Bauwerken können digitale Modelle helfen, Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit präziser zu bewerten und Sanierungsmaßnahmen gezielt zu planen", erklärt Roger Schlegel.

Ein weiterer Vorteil sei die Einsparung von Ressourcen und Materialen bei der Ertüchtigung vorhandener Bauwerke. Roger Schlegel: "Durch das aktuelle Bestreben einer nachhaltigen Bewirtschaftung und Ressourcenschonung gewinnt die Erhaltung von bestehenden Bauwerken gegenüber dem Neubau immer mehr an Bedeutung."

In einem zweiten Beispiel hat Geodynardo mit einem eigens entwickelten Simulationsmodell über ein Jahr lang den Zustand einer Kanalbrücke mit Dreigelenkbögen aus Stahlbeton sowie historischen Brückenlagern überwacht. Dabei wurden die Verformungen in einem räumlichen Simulationsmodell dargestellt und mit vor Ort am Bauwerk durchgeführten Messungen abgeglichen. Neben Einwirkungen aus Eigengewicht und Wasserfüllung gingen auch die Temperaturdaten im Jahresgang in das Modell ein.

"Damit können die Auswirkungen auf den Beanspruchungszustand des Bauwerks abgeleitet werden", betont Roger Schlegel. "Zum anderen ermöglicht es, anhand des kalibrierten Modells weitere Szenarien im Jahresgang zu prognostizieren, erforderliche Erhaltungsoptionen fundiert zu analysieren und mit diesen Informationen das Bauwerk im Bestand mit gezielten Maßnahmen zu ertüchtigen."

Mit den jetzt vorgestellten Simulations- und Untersuchungsmethoden lasse sich das tatsächliche Verhalten eines bestehenden Bauwerks simulieren und damit fundierter entscheiden, ob, wann und wie eine Brücke ertüchtigt werden muss und ob ein kosten- und ressourcenintensiver Neubau tatsächlich erforderlich ist.

Das Journal gibt es kostenlos zum Download unter:

https://www.cadfem.net/de/de/cadfem-informiert/media-center/cadfem-journal.html

Quelle: CADFEM Germany GmbH, Foto: CADFEM / AdobeStock