Wie unterstützt Simulation die Bewertung und Sanierung von Brücken?

Simulationsbasierte Untersuchungen vorhandener Bausubstanz hinsichtlich ihrer Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit ist ein Spezialgebiet der Geodynardo GmbH aus Weimar. Solche Analysen haben gegenüber einfachen, klassischen Ingenieurmodellen im Bauwesen wesentliche Vorteile: Bauwerke können im Gesamtmodell oder in repräsentativen Teilmodellen berechnet werden, was die Erfassung von Interaktionen verschiedener Strukturbereiche sowie dynamische oder außergewöhnliche Einwirkungen – Erdbeben, Anprall, Brand – zulässt. Dies wiederum ermöglicht, dass bauliche Maßnahmen zur Erhaltung und Ertüchtigung besonders zielgerichtet geplant und durchgeführt werden können. Zwei Beispiele:

Beispiel Mainbrücke Marktheidenfeld

Für die realitätsnahe Untersuchung der Tragfähigkeit der Mainbrücke in Marktheidenfeld gegenüber Schiffsstoß ist neben der Einbeziehung des räumlichen Tragverhaltens auch die Simulation des dynamischen Bauwerksverhaltens wichtig. Das Bild 1 zeigt das vollständige FE-Modell der Brücke sowie ihre unterschiedlichen Teilbereiche und Baustoffe. Durch eine transient-dynamische Analyse werden über vereinfachte, quasistatische Berechnungen hinaus weitere Lastreserven erschlossen. Das Schaubild (Bild 2) zeigt die zeitliche Entwicklung der Reaktionskräfte infolge eines frontalen Schiffsanpralls auf den zweiten Pfeiler der Brücke.

Gut sichtbar wird auch die dynamische Bauwerksantwort: Das Maximum der Reaktionskräfte unter Pfeiler 2 fällt nicht mit dem Zeitpunkt der maximalen Lastamplitude zusammen, sondern es tritt erst am Ende der ersten Impulsphase ein, die einen deutlich größeren Gradienten hat. Zusätzlich zeigt die Simulation die plastischen Dehnungen am Ende des Stoßvorgangs. Es wird deutlich, dass die bleibenden Verformungen von ca. 5 mm am Pfeiler 2 und 1,5 mm am Pfeiler 3 vorwiegend durch die plastischen Dehnungen im Untergrund verursacht werden.

Mit der dynamischen Simulation des Schiffstoßes am Gesamtmodell der Mainbrücke Marktheidenfeld ist es möglich, Lastreserven zu erschließen und damit die Gebrauchstauglichkeit und Tragfähigkeit eines bestehenden Bauwerks realitätsnah einzuschätzen.

Beispiel Zustandsüberwachung einer Stahlbetonbrücke

Ein von Geodynardo entwickeltes Simulationsmodell schafft die Möglichkeit, den Zustand einer Kanalbrücke mit Dreigelenkbögen aus Stahlbeton sowie ihrer historischen Brückenlager und Gelenke im Jahresgang zu überwachen. In Bild 3 werden die Verformungen anhand des räumlichen Simulationsmodells dargestellt, das mit vor Ort am Bauwerk durchgeführten Messergebnissen im Jahresgang kalibriert wurde. Neben den Einwirkungen aus Eigengewicht und der Wasserfüllung gehen auch die Temperaturdaten im Jahresgang in das Modell ein.

 Zum einen können über dieses Simulationsmodell neue Messungen ausgewertet und die Auswirkungen auf den Beanspruchungszustand des Bauwerks abgeleitet werden. 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.