Forschung

Beulversuche der TUM

50-Tonnen-Prüfstand für Brückenbauteile aus Stahl

Der Bau von Stahlbrücken ist teuer. 85 Millionen soll die neue Autobahnbrücke bei Oberthulba zwischen Würzburg und Fulda kosten. Da lohnt es sich Material zu sparen und die Bauteile so filigran wie möglich und so stabil wie nötig zu dimensionieren. Die Daten für diese Berechnung haben Forscherinnen und Forscher der Technischen Universität München (TUM) im Auftrag der Autobahndirektion Nordbayern mit Hilfe eines neuen Prüfstands ermittelt.

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 Bauten aus Stahlbeton. „Bei den enormen Baukosten der Stahlbrücken lohnt es sich, Einsparpotenziale auszuschöpfen, beispielsweise indem man den Materialeinsatz optimiert“, sagt Prof. Martin Mensinger, Inhaber des Lehrstuhls für Metallbau an der TUM.

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 jedoch ziemlich schwierig: Die Bauteile einer Stahlbrücke sind mehrere Meter lang und tonnenschwer, da stößt man schnell an technische Grenzen“, erklärt Mensinger.

Längsausgesteifte Platten während dem Taktschieben

Das Taktschiebeverfahren stellt aufgrund der Zentralisierung der wesentlichen Montage- bzw. Bauarbeiten des Überbaus eine sehr wirtschaftliche und zeiteffiziente Möglichkeit zur Herstellung eines Brückenbauwerks dar. Besonders bei langen Überbauten (hohe Taktanzahl), schwieriger Topografie (tiefe und unwegsame Talbereiche) sowie Schutzgebieten und in Betrieb befindlichen Verkehrswegen unterhalb des Bauwerks ist dieses Bauverfahren am besten geeignet. Im Hinblick auf die Bauwerksgestaltung bieten sich hauptsächlich Brücken mit konstanten Querschnittsabmessungen und konstanten Krümmungsradien für die Anwendung des Taktschiebeverfahrens an.

Im Endzustand entsteht über den Brückenpfeilern ein Stützmoment und eine Querkraft. Das Stützmoment beansprucht den Querschnitt im oberen Bereich mit Zug und im unterem Bereich mit Druck. Durch die Lagerkräfte entsteht zusätzlich Druck, der jedoch in eine andere Richtung wirkt. Man spricht hier von biaxialer Druckbeanspruchung. Zur Aufnahme dieser Kräfte werden die Querschnitte im Endzustand an diesen Stellen häufig durch Quersteifen verstärkt. Während des Verschubs erfährt diese Belastung jedoch jeder Abschnitt des Brückenquerschnitts.

Zusätzlich sind die Momenten- und Querkraftbeanspruchung durch die entstehende Auskragung im Bauzustand höher als im Endzustand. Um die Stabilität der druckbeanspruchten Bauteile im Bauzustand trotzdem zu gewährleisten, werden die Bleche mit Hilfe von Steifen in Längsrichtung ausgesteift. Aus der Einleitung der Verschublagerkräfte in den Überbau ergeben sich bei schrägen Stegen auch im Bodenblech zusätzlich Querdruckkräfte.

Da bisher noch keine klare Regung für einen Nachweis mit dieser Beanspruchung für solche Bauteile bestehen, wurden an der Technischen Universität im Winter 2017/2018 6 großformatige Beulversuche durchgeführt. Im Winter 2018/2019 werden weitere Versuche durchgeführt. Der Probekörper wurde dabei nahezu im Maßstab 1:1 gefertigt um Imperfektionen die aus der Herstellung entstehen real zu erfassen.

Ausführliche Informationen zum Forschungsprojekt finden Sie in den Bildunterschriften der Bildergalerie und unter www.metallbau.bgu.tum.de.

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