Brückensperrungen vermeiden Brücken mit Simulation schneller warten und sanieren

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Numerische Simulation hilft, Tragreserven alter Brücken zu bestimmen und Sanierungen gezielt zu planen. Geodynardo zeigt das an Mainbrücken und einer Kanalbrücke. Ziel ist es, die Bausubstanz zu erhalten, Ressourcen zu schonen und Brückensperrungen zu vermeiden.

Über 16 000 Brücken in Deutschland sind Schätzungen zufolge in ihrer Stabilität gefährdet. Gerade bei historischen Brücken wird eine Sanierung oft dem Abriss und Neubau vorgezogen. Wie sich mit Hilfe von numerischer Simulation (Digital Engineering) eine Sanierung beschleunigen und Überlastung oder Schäden von Brücken viel früher erkennen und vorbeugen lassen, zeigen Fachleute am Beispiel von Gewölbebrücken über den Main. Das Ziel der Computer-gestützten Simulation ist es, die Lebensdauer bestehender Brücken zu verlängern, die aufwändige und kostenintensive Wartung zu vereinfachen und Brückensperrungen, Abriss und Neubau zu vermeiden.

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 unter anderem das dynamische Verhalten des gesamten Bauwerks abbilden, falls etwa ein Schiff einen Brückenpfeiler rammt, die Belastung durch den Strassenverkehr auf der Brücke zunimmt oder Wetter, Stürme und Wellengang die Bausubstanz beeinträchtigen. «Verkehrsbauwerke wie Brücken sind meist sicherheitskritisch und unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt«, schreibt Schlegel. «Eine frühzeitige Aufdeckung von Sanierungsbedarf und Einleitung von Massnahmen ist daher essenziell.»

Simulation zeigt vorhandene Tragreserven – Sperrungen vermeiden

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 lassen sich Tragreserven bzw. Lastreserven errechnen, die noch vorhanden sind. «Das ist entscheidend, um Sicherheit zu gewährleisten und die vorhandene Bausubstanz möglichst lange zu nutzen.»

Digitalisierung

Digitaler Zwilling schaut voraus

Ressourcen schonen – Brücken erhalten statt neu bauen

Am Beispiel der Mainbrücke Marktheidenfeld bei Würzburg wurde ein möglicher Schiffsanprall auf einen Brückenpfeiler mit einem räumlichen Finite-Elemente-Modell (FEM) und einer so genannten transient-dynamischen Analyse untersucht. Anders als mit reiner Statik-Berechnung liessen sich so 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 Roger Schlegel.

Ein weiterer Vorteil sei die Einsparung von Ressourcen und Materialen bei der Ertüchtigung vorhandener Bauwerke. Roger Schlegel: «Durch das aktuelle Bestreben einer nachhaltigen Bewirtschaftung und Ressourcenschonung gewinnt die Erhaltung von bestehenden Bauwerken gegenüber dem Neubau immer mehr an Bedeutung.»

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Warum Brücken unsere Aufmerksamkeit brauchen

Zustand der Brücken besser prognostizieren und schneller sanieren

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 Roger 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.

Über Cadfem

Cadfem wurde 1985 in Deutschland gegründet und ist heute mit über 750 Beschäftigten an weltweit 35 Standorten einer der grössten Anbieter von Simulationstechnologie und Digital Engineering. Als Ansys Elite Channel Partner setzt Cadfem auf die führende Technologie von Ansys (Part of Synopsys) und bietet über die Software hinaus Beratung, Simulations-Berechnungen, Automatisierungen und IT-Lösungen bis hin zum Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) in der Produkt- und Prozessoptimierung. Mit Schulungen zu über 130 verschiedenen Themen ist Cadfem zudem einer der weltweit grössten Weiterbildungsanbieter in der Technologie-Branche. Die einzelnen Ländergesellschaften betreuen in Europa, Indien und Südostasien mehr als 5000 Firmen, Hochschulen und Forschungseinrichtungen. Zur Cadfem Group gehören ausserdem Partner unter anderem in den Bereichen Autonomes Fahren, Virtuelle Städte, Personalisierte Medizin und Smart Factories.

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