Langlebige Fachwerkbrücken aus Stahl einfacher bemessen

Stahl-Fachwerkbrücken sind materialsparende und langlebige Lösungen. In der Praxis fehlen aber bisher einheitliche Vorgaben für die Berechnung der Materialermüdung der geschweißten Knoten bei der Bemessung der Brücken.

Prof. Dr. André Dürr vom Institut für Material- und Bauforschung (IMB) der Hochschule München entwickelt über Großbauteilversuche diese Berechnungsregeln für Bauingenieure.

Die Ausmaße der Versuchsanordnung sind immens: Stahlrohre von 18 Metern Länge mit einem Stahlknoten in der Mitte hängen in einer Konstruktion, welche die 15 Tonnen schweren Bauteile in Schwingung bringt. So wird die Belastung des Verkehrs für die Brückenkonstruktion simuliert.

Zeigt sich unter der dynamischen Belastung ein Riss, wird seine Ausbreitung beobachtet und vermessen, bis das ganze Rohr durchbricht. Dieser so genannte Großbauteilversuch der Hochschule München in einem Labor in Kissing bei Augsburg soll Aufschluss darüber geben, inwiefern sich die Ergebnisse kleinformatiger Versuchsanordnungen hochrechnen lassen:

„Wie verhalten sich geschweißte Knotenverbindungen von Fachwerkbrücken in großen Dimensionen, wenn ich etwas schlankere Rohre mit größeren Blechdicken verwende?“, lautete die Forschungsfrage von Prof. Dr. André Dürr, Professor für Stahlbau und Baustatik an der Hochschule München (HM).

Stahl-Fachwerkbrücken international als nachhaltige Lösungen

Geringer Materialaufwand, schlankere Gestaltung, künftig kalkulierbare Materialermüdung und Reparaturfähigkeit: Trotz des größeren Fertigungsaufwands sind Stahl-Fachwerkbrücken in den skandinavischen Ländern, Frankreich oder den USA weit verbreitet.

In Deutschland hingegen bedarf jede Einzelne – wie die Fußgängerbrücke über die Bayerstraße zur Theresienwiese oder die Autobahnbrücke nähe Lichtenfels über die A73 – noch einer aufwändigen behördlichen Zustimmung.

„Ein Ziel in unserem Projekt war, eine Richtlinie für den deutschen Ausschuss für Stahlbau vorzubereiten, damit Bemessungsempfehlungen für die Planer und Ingenieure vorhanden sind, damit dieser Bauweise in Deutschland nichts mehr im Wege steht“, sagt Dürr.

Schwachstellen Schweißnähte bei steigender Verkehrsbelastung

Bei der heute favorisierten Fachwerkkonstruktion sind die mächtigen Stahlrohre, die Gurte, mit den schmäleren Streben direkt im Zick-Zack miteinander verschweißt. Der schwächste Punkt der so genannten K-Knoten sind die Schweißnähte im Übergang der Streben zum Gurt, welche bei den dynamischen Belastungen bei Brücken zuerst Risse bekommen.

Die Verkehrsbelastung durch die zunehmende Verkehrsdichte und die gewachsene Zahl an LKWs schlägt sich in der Zahl der Lastwechsel und der Schwingbreite zwischen geringster und höchster Belastung, nieder.

In Dürrs Großbauteilversuch brachten Unwuchterreger an beiden Enden des langen Stahlrohrs die Konstruktion zum Vibrieren, dann in ihrer Eigenfrequenz zum Schwingen: „Das sind 12-30 Lastwechsel pro Sekunde, die wir zur Kontrolle mit einer High-Speed-Kamera aufgenommen haben,“ sagt Dürr zum Versuchsaufbau, der die reale Verkehrsbelastung nachstellt.

Sein Forschungsergebnis: Der erste Riss konnte erst nach einer langen Versuchsdauer festgestellt werden. Der zunächst 4 Zentimeter große Riss am Gurt wuchs bis zum Versuchsende auf 41 Zentimeter recht langsam.

Risswachstum kalkulierbar machen
Dieses „gutmütige“ Risswachstum ist gewünscht, um Zeit zu gewinnen für das Beobachten und Reparieren von Riss und Brücke: „Die Konstruktion muss trotz des Risses noch drei bis sechs Jahre halten und darf nicht zum schlagartigen Versagen führen“, sagt der Forscher.

Für die künftige Bemessung der Brücken auf die gängige Lebensdauer von hundert Jahren heißt das: „Wenn das Gurtrohr immer dicker wird, dann heißt das nicht: doppeltes Gurtrohr, doppelte Lebensdauer. Diesen fehlenden Größenfaktor konnten wir bestimmen und können künftig damit rechnen.“

Im nächsten Schritt sollen Regelungen für Stahl-Fachwerkbrücken in den Ausschuss für Stahlbau in Deutschland eingebracht, später auch in europäische Normen umgesetzt werden. Im nächsten geplanten Forschungsprojekt untersucht Dürr die Verwendung von modernem hochfestem Stahl für noch schlankere Brücken-Konstruktionen.

Das IGF-Vorhaben 18883 BG / P1163 „Wirtschaftliche Auslegung von ermüdungsbeanspruchten, geschweißten Rundhohlprofilknoten unter Berücksichtigung der erforderlichen Schweißnahtqualität“ der FOSTA –Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. Düsseldorf, wurde im Programm zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Die Universität Stuttgart entwickelte in dem Projekt Methoden Regelungen zur Berücksichtigung der Schweißnahtausführung bei der Berechnung, das Forschungszentrum Ultraschall eine Methode, um optisch nicht sichtbare, innere Einschlüsse in den Gurten trotz der gekrümmten Form mit Ultraschall feststellen zu können.

Prof. Dr. André Dürr ist seit 2015 als Professor für Stahlbau und Statik an der Fakultät für Bauingenieurwesen der Hochschule München tätig. Dürr hat zehn Jahre praktische Erfahrung als Tragwerksplaner für Bau- und Stahlbaufirmen, studierte und promovierte an der Universität Stuttgart und der GeorgiaTech in Atlanta/USA. Er ist Gründungsprofessor des 2019 gegründeten Instituts für Material- und Bauforschung (IMB) und ist Mitglied im Labor für Stahl- und Leichtmetallbau der Hochschule München.

Gerne vermitteln wir einen Interviewtermin mit Prof. Dr. André Dürr – auch vor Ort in Kissing, wo die Bauteile des Versuchs unter freiem Himmel zu sehen sind.

Prof. Dr. André Dürr
Hochschule München
Fakultät für Bauingenieurwesen
E-Mail: andre.duerr@hm.edu
Tel. 089 1265-2642

Ermüdung geschweißter K-Knoten aus Rundhohlprofilen – Normengerechte Nachweis und Schweißqualität. In: Stahlbau, voraussichtlich Heft 4, 2020, Ernst & Sohn