V13 - 1 Brückenstatik gestern und heute – Nachrechnung Straßenbrücke über DB Mannheimer Straße in Weinheim Prof. Dr.-Ing. Walter Pauli, Hochschule Darmstadt Zusammenfassung: In Deutschland gibt es ca. 120 000 Brücken. Im Zusammenhang mit einem immer höher werdenden Verkehrsaufkommen und der Änderungen der grundlegenden Regelwerke wird in den kommenden Jahren im Zuge der Instandhaltung verstärkt die Nachrechnung einzelner Brücken erforderlich werden. In diesem Beitrag wird anhand der Nachrechnung einer Straßenbrücke auf mögliche unterschiedliche Berechnungsmethoden eingegangen. Summary: In Germany there are about 120 000 bridges. Due to ever-increasing traffic volumes and changes in the Design Codes in the coming years, the recalculation of individual bridges will be more required as part of scheduled maintenance. In this article different methods of calculations are discussed on the basis of the recalculation of a road bridge.
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Brückenstatik gestern und heute –
Nachrechnung Straßenbrücke über DB Mannheimer Straße in Weinheim
Prof. Dr.-Ing. Walter Pauli, Hochschule Darmstadt
Zusammenfassung: In Deutschland gibt es ca. 120 000 Brücken. Im Zusammenhang mit einem
immer höher werdenden Verkehrsaufkommen und der Änderungen der grundlegenden Regelwerke
wird in den kommenden Jahren im Zuge der Instandhaltung verstärkt die Nachrechnung einzelner
Brücken erforderlich werden. In diesem Beitrag wird anhand der Nachrechnung einer
Straßenbrücke auf mögliche unterschiedliche Berechnungsmethoden eingegangen.
Summary: In Germany there are about 120 000 bridges. Due to ever-increasing traffic volumes and
changes in the Design Codes in the coming years, the recalculation of individual bridges will be
more required as part of scheduled maintenance. In this article different methods of calculations are
discussed on the basis of the recalculation of a road bridge.
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1 EINFÜHRUNG
1.1 Straßenbrücken in Deutschland
Das deutsche Straßennetz umfasst ca. 650.000 km, davon sind 11.427 km Autobahnen und 41.386
km Bundesstraßen, über 86.000 km Landes- und Staatsstraßen sowie 91.000 km Kreisstraßen. Die
ca. restlichen 420.000 km sind nicht klassifizierte befestigte Straßen im Verantwortungsbereich der
Kommunen. Die Zahl der Brücken in Deutschland dürfte bundesweit bei ca. 120.000 liegen, das
heißt auf 5,4 km Straße kommt eine Brücke. Das deutsche Brückenvermögen wird von Fachleuten
auf 80 Mrd. Euro geschätzt [1].
Alle Brücken werden vierteljährlich auf ihre Verkehrssicherheit hin überprüft. Dabei wird vor allem
die Funktionssicherheit von Einbauteilen, wie Fahrbahnübergängen und Entwässerungseinrichtun-
gen sowie der Schutzvorrichtungen, wie Geländer und Lärmschutzwänden kontrolliert. Einmal
jährlich wird jede Brücke intensiv besichtigt, im Falle von Hochwassern oder Unfallbeschädigun-
gen auch häufiger. Alle drei Jahre folgt eine genaue Prüfung hinsichtlich der Tragfähigkeit,
Standsicherheit und des baulichen Zustandes. Alle Über- und Unterbauten werden untersucht, alle
funktionellen Einbauteile, Brückenausrüstungen, Sicherheitsmaßnahmen und überführte Leitungen
geprüft. Im Rhythmus von sechs Jahren erfolgt eine Hauptprüfung, die erste direkt nach
Fertigstellung des Bauwerkes. Dabei werden alle Bauwerksteile untersucht, die Spannweite der
Maßnahmen reicht vom Abklopfen der Betonflächen und der Kontrolle des festen Sitzes von
Verbindungsmitteln bis zum Messen von Rissen oder Verformungen. Hinzu kommen chemischen
Untersuchungen um z. B. das Korrosionsrisiko abzuschätzen. Ziel dieser Untersuchungen ist es, den
Erhalt der Funktionstüchtigkeit und der Standsicherheit von Brückenbauwerken zu gewährleisten.
Mit den für den Brückenbau gültigen Teilen der EN 1991-3 (Eurocode 1, Teil 3), „Verkehrslasten
für Brücken“ liegen Lastannahmen für Brücken vor, die in naher Zukunft für die Berechnung von
Brücken in ganz Europa verbindlich sein werden. Bis zu einer vollständigen Harmonisierung sind
zusätzlich die nationalen Anwendungsdokumente mit nationalen Festlegungen, Ergänzungen und
Änderungen zu beachten. Für Deutschland gilt hier der DIN Fachbericht 101. Die dort vereinbarten
Lastmodelle berücksichtigen bereits das aktuell wachsende Verkehrsaufkommen insbesondere im
Hinblick auf den Schwerlastverkehr.
Dem Großteil der bestehenden Brücken in Deutschland liegen jedoch die Lastmodelle der DIN
1072 zugrunde. Damit wird in aller Regel bei der Nachrechnung bestehender Brücke eine
Diskrepanz zwischen dem seinerzeit verwendeten und dem aktuell gültigen Lastmodel bestehen.
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Die Nachweise bezüglich der Trag- und Gebrauchsfähigkeit sind bei einer Großzahl der
Bestandsbrücken aus Stahlbeton und Spannbeton gemäß DIN 1045 und DIN 4227 geführt. Im
Vergleich zur aktuellen Norm DIN 1045-1 bzw. der in naher Zukunft gültigen europäischen Norm
EN 1992 (Eurocode 2) hat sich das Sicherheits- und Nachweiskonzept grundlegend geändert.
Beide Punkte – Lastannahmen und Nachweiskonzept – bedingen, dass die Nachrechnung eines
Brückenbauwerks punktuell kaum noch vergleichbar ist. Einzig die Beurteilung der Bemessungser-
gebnisse und daraus abgeleitete Aussagen hinsichtlich der Gebrauchs- und Tragfähigkeit erlauben
eine Wertung.
Über die normativen Unterschiede hinaus lässt sich die Berechnungsmethode als ein weiteres
Kriterium bezüglich der Vergleichbarkeit anführen. Wurde eine statische Berechnung vor ca. 30
Jahren noch mehr oder weniger als Handrechnung erstellt, so steht dem heute meist eine
elektronische Komplettberechnung entgegen. Die Handrechnung bedingte eine Vereinfachung der
statischen Systeme, bei einer elektronischen Berechnung versucht man eher möglichst genau zu
rechnen. Diese Schere bei den Berechnungsmethoden macht die Vergleichbarkeit der Ergebnisse
nicht einfacher. Es könnte sogar soweit kommen, dass man die seinerzeit vorgenommen
Vereinfachungen als nicht mehr zutreffend erachtet und somit bereits infolge der Berechnungs-
methoden Differenzen zwischen einer Ursprungsstatik und einer Nachrechung erhält, die sich auf
die Beurteilung der Standsicherheit auswirken.
2 BAUWERK
2.1 Bauwerksbeschreibung
Bei dem hier vorgestellten Bauwerk handelt es sich um einen fünfzelligen Hohlkasten, der über
zwei Felder zur Überführung der Bundesstraße 38 (Mannheimer Straße in Weinheim) über die
Gleisanlagen der DB dient. Der Überbau ist auf zwei Widerlagern und einem Mittelpfeiler gelagert.
Die Stützweiten betragen 27.60 m und 23.10 m. Der Hohlkasten hat eine Querschnittshöhe von
1.22 m und eine Breite von 11.245 m. Die Dicke der Fahrbahnplatte beträgt 24 cm und die
Bodenplatte hat eine Dicke von 12 cm. Die Außenstege sind mit einer Breite von 40 cm und die
Innenstege mit einer Breite von 35 cm ausgeführt.
Je Fahrtrichtung sind zwei identische nebeneinander liegende Überbauten vorhanden. Die beiden
Überbauten sind mit einer Schleppplatte miteinander verbunden. Jeweils seitlich der Schleppplatte
bzw. innerhalb der innen liegenden Hohlkastenzellen sind Schienen für den Straßenbahnverkehr
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vorhanden. Jede Brückenhälfte ist für zweispurigen Straßenverkehr und auf den außen liegenden
Kragarmen mit einem Fußweg ausgelegt.
Der Überbau ist ein gedrungener Hohlkasten mit sechs Stegen in Längsrichtung. Die Längsträger
sind mittels einer dem Momentverlauf angepassten Spanngliedlage vorgespannt. Die Vorspannung
in den Längsträgern erfolgt nach dem Spannverfahren von Bauer-Leonhardt mit 7-drähtigen Litzen
St 155/180. Vorgespannt wird von dem freien Auflager des längeren Feldes aus. Der Überbau ist in
der Längsrichtung voll vorgespannt. Die obere sowie die untere Platte ist in Querrichtung
beschränkt vorgespannt. Zur Vorspannung wurden Leoba Spannstäbe St 60/90 mit Ø 26 mm
verwendet. Querstege sind jeweils in den Drittelspunkten sowie am Anfang, in der Mitte und am
Ende angeordnet.
Abbildung 1: Straßenbrücke über die Gleisanlagen der DB, Mannheimer Straße in Weinheim
2.2 Unterlagen
Die Ursprungsstatik des Brückenbauwerks stammt aus dem Jahre 1956. Der Überbau wurde als
Zweifeldträger komplett per Hand nachgewiesen. Weitere Planunterlagen stammen aus dem Jahre
1990, die im Zuge der Erneuerung der Gehwege erstellt wurden.
2.3 Veranlassung
Im Juni 2008 wurden am Überbau Umbaumaßnahmen in Erwägung gezogen, die eine statische
Untersuchung erforderlich machten. In einem ersten Ansatz wurde der fünfzellige Stahlbetonhohl-
kasten als Trägerrost abgebildet und mit den Lastannahmen der Ursprungsstatik nachgerechnet.
Zusätzlich wurden die erhöhten Eigengewichtslasten aus einer Erneuerungsmaßnahme des
Gehwegs aus dem Jahre 1990 und die daraus resultierenden Lastexzentrizitäten berücksichtigt. Im
ersten Vergleich wurden die Schnittgrößen der Ursprungsstatik mit der Trägerrostberechnung
verglichen. Die Ergebnisse der Trägerrostberechnung führten zu dem Schluss, dass aktuell
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Tragfähigkeitsdefizite nicht ausgeschlossen werden konnten, so dass als vorübergehende
Maßnahmen eine Rückstufung in Brückenklasse 16 veranlasst wurde.
Abbildung 2: Ursprungsstatik aus dem Jahre 1956
Abbildung 3: Längsschnitt Überbau
Abbildung 4: Querschnitt Überbau
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3 NACHRECHNUNG
3.1 Mögliche statische Systeme
Im Wesentlichen bieten sich drei Möglichkeiten bezüglich der Abbildung als statisches System an.
Statisches System
Grad der
statischen
Unbestimmtheit
1. Stabwerk
n = 1
2. Trägerrost
n = 252
3. Faltwerk
n ≈ 100 000
Tabelle 1: Mögliche statische Systeme
3.2 Nachrechnung als Stabwerk
Die Abbildung als Stabwerk, stellte zum Zeitpunkt als die Ursprungsstatik erstellt wurde, die
nahezu einzig realisierbare Variante dar. Die Möglichkeiten hochgradig statisch unbestimmte
Systeme zu berechnen waren 1956 mangels rechentechnischer Möglichkeiten begrenzt. Die
Ursprungsstatik für den Überbau umfasste ca. 50 Seiten Handrechnung.
3.3 Nachrechnung als Trägerrost
Die sechs Stege in Brückenlängsrichtung sowie die über den Auflagern und in den Drittelspunkten
angeordneten Querträger suggerieren geradezu ein statisches System als Trägerrost, zumal der
Aufwand hinsichtlich einer EDV-Eingabe überschaubar bleibt. Die Auswertung der Ergebnisse
kann im Wesentlichen anhand von Stabschnittgrößen der Längsträger erfolgen.
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3.4 Nachrechnung als Faltwerk
Der Aufwand bezüglich der Abbildung als Faltwerk ist ungleich höher gegenüber einer
Trägerrostberechnung. Höhere Rechenzeiten und insbesondere ein deutlicher Mehraufwand bei der
Ergebnisauswertung addieren sich hinzu.
3.5 Vergleich der Ergebnisse
In Tabelle 2 bis Tabelle 5 sind die Schnittgrößen drei unterschiedlichen statischen Systeme
gegenübergestellt. In den Tabellen sind jeweils die Feldmomente und das Stützmoment für die
Achsen 1 bis 6 und zusätzlich für den gesamten Querschnitt (quasi Summe der Einzelergebnisse)
angegeben. Bei der Faltwerksberechnung wurden die Elementspannungen in Schnitten quer zur
Längsachse zu Schnittgrößen aufintegriert. Diese Vorgehensweise wurde einmal an den einzelnen
Längsträgern getrennt für jede Achse und einmal am Gesamtquerschnitt durchgeführt.
In Tabelle 4 und Tabelle 5 sind die Eigengewichtslasten einschließlich der daraus resultierenden
Lastexzentrizitäten infolge des auskragenden Fußweges, einmal mit den Lastansätzen aus dem Jahre
1956 und ein zweites mal mit einem erhöhten Lastansatz, der den Erneuerungsmaßnahmen aus dem
Jahr 1990 Rechnung trägt, gegenüber gestellt. Dabei wirken sich die insgesamt ca. 7 % größeren
Eigengewichtslasten hinsichtlich der Gesamtschnittgrößen nur unbedeutend aus. Die Schnittgrößen
bei der Trägerrostberechnung auf den äußeren Randträger in Achse 1 weisen jedoch erhebliche
Abweichungen gegenüber einer Stabwerksberechnung und einer gleichmäßigen Verteilung auf.
