Wie sich mit Hilfe von numerischer Simulation eine Überlastung oder Schäden von Brücken viel früher erkennen und Sanierungen beschleunigen lassen, zeigen Fachleute am Beispiel von Gewölbebrücken über den Main.
In einem Beitrag für das aktuelle Journal des Simulations-Spezialisten CADFEM zeigt Roger Schlegel, Geschäftsführer der Weimarer Geodynardo GmbH, welches Potenzial diese Simulations-basierten Untersuchungen bieten. So lässt sich zum Beispiel das dynamische Verhalten des gesamten Bauwerks für den Fall abbilden, dass ein Schiff einen Brückenpfeiler rammen sollte, dass die Belastung durch den Straßenverkehr auf der Brücke zunimmt oder Wetter, Stürme und Wellengang die Bausubstanz beeinträchtigen. Ziel dieser Computer-gestützten Simulationen ist es, die Lebensdauer bestehender Brücken zu verlängern, die aufwendige und kostenintensive Wartung zu vereinfachen und Brückensperrungen, Abriss und Neubau zu vermeiden.
Simulation zeigt vorhandene Tragreserven
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 ließen sich Trag- oder Lastreserven errechnen. „Das ist entscheidend, um Sicherheit zu gewährleisten und die vorhandene Bausubstanz möglichst lange zu nutzen.“
Am Beispiel der Mainbrücke im bei Würzburg gelegenen Marktheidenfeld untersuchten die Experten einen Schiffsanprall auf einen Brückenpfeiler mit einem räumlichen Finite-Elemente-Modell (FEM) und einer sogenannten transient-dynamischen Analyse. Anders als mit reiner Statik-Berechnung lassen sich auf diese Weise 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 Schlegel. Zugleich könnten so Ressourcen und Materialen bei der Ertüchtigung vorhandener Bauwerke eingespart werden.
Zustand der Brücken prognostizieren
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 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 hier kostenlos zum Download.