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Biegen und Beulen: Teile für Stahlbrücken unter Druck

Mehr als 2000 Brücken in Deutschland müssen in den nächsten Jahren saniert oder durch Neubauten ersetzt werden. Die Kosten dafür gehen in die Milliarden. Viele der Neubauten werden Stahlbrücken sein, die oft langlebiger, leichter zu inspizieren und in Stand zu setzen sind als Stahlbetonbrücken. »Bei den enormen Baukosten der Stahlbrücken lohnt es sich, Einsparpotenziale auszuschöpfen, beispielsweise indem man den Materialeinsatz optimiert«, erläutert Martin Mensinger, Inhaber des Lehrstuhls für Metallbau an der TUM.

Bisher ist die Grundlage der statischen Berechnung von Stahlkonstruktionen die Norm Eurocode 3 (DIN EN 1993-1-5). Die dort enthaltenen Regelungen für die komplexen Belastungen werden jedoch seit Jahren kontrovers diskutiert. Um die Norm weiterzuentwickeln, ist eine wissenschaftliche Absicherung notwendig. Moment sei man gezwungen, mit einem Verfahren zu rechnen, welches nur für nichtverstärkte Bauteile entwickelt wurde, was in der Praxis dazu führe, dass Brückenbauteile häufig überdimensioniert werden, erläutert Nadine Maier, die für die Planung und Durchführung der Versuche im Prüfstand verantwortlich ist. Um die Brücken so leicht wie möglich und so stabil wie nötig so zu gestalten, muss man allerdings sehr genau wissen, welchen Kräften die Bauteile standhalten. Die Belastungsgrenzen im Labor zu ermitteln, ist bislang jedoch schwierig: Die Bauteile einer Stahlbrücke sind mehrere Meter lang und tonnenschwer, so dass die Wissenschaftler häufig an technische Grenzen stoßen.

Auf der Baustelle werden die Brückenbauteile, jedes Segment ist mehrere Meter lang, verschweißt und kontinuierlich nach vorn geschoben – in den freien Raum hinaus. Bis das Konstrukt den nächsten Brückenpfeiler erreicht, liegt die gesamte Last auf dem Segment, das sich über dem letzten Pfeiler befindet. Die Belastung ist in diesem Moment maximal. Nach Fertigstellung der Brücke, wirken nur noch sehr viel geringere Kräfte auf die Bauteile ein. Im Auftrag der Autobahndirektion Nordbayern hat das Team an der TUM nun den riesigen Prüfstand entwickelt, mit dem sich verstärkte Brückenbauteile mit realen Dimensionen in zwei Richtungen gleichzeitig belasten lassen. Dabei wirken dieselben Kräfte, die während des Baus einer Stahlbrücke auftreten. 

Mit dem Prüfstand, einem Koloss, der 50 Tonnen wiegt und einen ganzen Laborraum füllt, lassen sich diese maximalen Kräfte, die während des Baus auftreten, simulieren. Der Versuchsstand ist als modularer U-Rahmen mit den Außenabmessungen 8 m x 12 m konzipiert, auf dessen Längsseite die zu testenden Probekörper mit den Abmessungen 3 m x 4 m eingebaut werden. Physikalisch betrachtet wirken hier zwei Kräfte gleichzeitig: Die Bauteile werden in Längsrichtung gestaucht und senkrecht dazu zusammengedrückt. Die Ingenieure sprechen von bi-axialer Druckbelastung. Die zu prüfenden 12 Quadratmeter großen Brückenteile werden mit Hilfe von Hydraulikpressen so lange gedrückt, bis der Stahl nachgibt und – begleitet von einem deutlich hörbaren Knacken – Beulen bekommt.

Konkret wurde es im Winter 2017/2018 bei den Prüfungen der Bauteile für die neue Autobahnbrücke bei Oberthulba zwischen Würzburg und Fulda. Sechs verschieden dimensionierte Seitenbauteile für die geplante Brücke wurden dafür im Dienst der Wissenschaft verbeult. »Mit Hilfe der Ergebnisse können die Statiker jetzt genauer planen und die Bauteile so dimensionieren, dass sie den extremen Bedingungen während der Bauphase standhalten und gleichzeitig der Materialeinsatz optimiert werden kann«, erklärt Nadine Maier. Weitere Versuche sind für Winter 2018/2019 vorgesehen. Die Probekörper dafür werden nahezu im Maßstab 1:1 gefertigt, um Imperfektionen die aus der Herstellung entstehen, real zu erfassen. 

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