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Bauforschung: „Lebensdauerorientierte Entwurfskonzepte“

(19.4.2009; upgedatet am 25.9.2015) Ob Eissporthallen (Stichwort Bad Reichenhall), Brücken oder Gebäude - immer wieder stürzen plötzlich Bauwerke ein. Sind solche Katastrophen überhaupt vermeidbar? „Ja, aber“, sagt Prof. Dr. Friedhelm Stangenberg, über zwölf Jahre hinweg Sprecher des Sonderforschungsbereichs 398. Denn auch ein Prüfingenieur kann nur die Schäden beurteilen, die er wahrnimmt. Ideal wäre es deshalb, wenn sich der „Gesundheitszustand“ eines Bauwerks regelmäßig abrufen ließe. Dafür wollen die SFB-Ingenieure mit einem realistischen Lebensdauermodell nun die Grundlagen geschaffen haben. Ob die simulierte Alterung dem tatsächlichen Alterungszustand entspricht, überprüfen sie derzeit an Referenzbauwerken - etwa beim Abbau der fünfzig Jahre alten Hünxer Kanalbrücke (siehe Google-Maps; die alte Brücke wurde schließlich 2011 abgerissen).

Lebensdauer und Monitoring

Ziel des Sonderforschungsbereichs (SFB) 398 ist eine Präventivstrategie, mit der sich die Lebens- und damit Nutzungsdauer eines Bauwerks bereits in der Planungsphase - also beim Entwurf - berücksichtigen lässt. Dafür sollen die Ergebnisse des SFB in Normen und in Regelwerke fließen - das entsprechende europäische Regelwerk (Euro-Code) sieht bereits Platzhalter für die noch fehlenden Normungen vor. „Es ist ein Instrument für die Bauwerksplaner, die dann wissen, wie viel Sicherheit sie quasi an den Anfang packen müssen“, sagt Stangenberg.

Die Ansprüche an die Lebensdauer eines Bauwerks können letztlich ganz unterschiedlich sein und reichen von 1 Jahr (Temporäre Bauten) bis zu über 150 Jahre (Staumauern). Lebensdauermodelle unterstützen aber auch das Monitoring, mit dem sich Alterungsvorgänge über die gesamte Lebensdauer verfolgen lassen.

Rechenexempel Lebensdauerabschätzung

Die in Bochum entwickelte Lebensdauerabschätzung bildet das gesamte Tragwerk in einem Strukturmodell ab, das auch Unsicherheiten in den Material-, Schädigungs- und Geometrieparametern berücksichtigt. Diese komplexe Tragwerksberechnung mit Hilfe Finiter Elemente wurde durch spezielle Rechentechniken möglich: Die Ingenieure nutzten Breitbandreduktionstechniken und setzten geeignete Gleichungslöser ein. Eine das gesamte Modell abbildende Steifigkeitsmatrix (Sparse-Matrix) setzte erst die notwendige Rechenkapazität frei und durch ein dreidimensionale Mehrschichtenschalenelement (spez. Finite-Elemente-Typ) ließen sich große Strukturen in Geometrie und Verformung beschreiben.

Alternde Brücken: von der "Geburt" bis zum Abbau

Die Simulation startet quasi bei Geburt der Brücke und endet mit ihrem Abbau. Doch was ist ein theoretisches Konzept ohne realitätsnahe Prüfung und Erprobung wert? Je besser die Simulation den wirklichen Zustand einer Brücke beim Abbau prognostiziert, desto realistischer ist auch das Modell. Mit der Hünxer Brücke stand den Ingenieuren ein erstes Referenzbauwerk zur Verfügung, anhand dessen sich der simulierte Endzustand mit den tatsächlichen Alterungsschäden vergleichen und das Modell optimieren ließ. Dabei führten die Ingenieure zahlreiche Simulationen durch, d.h. einzelne Schätzungen der Lebensdauer des Tragwerks unter definierten Bedingungen. Erst aus der Gesamtheit aller Simulationen berechnen sie einen Erwartungswert der Lebensdauer und seine Streuung.

Zunehmend belastet: von der Dampfwalze zum Gigaliner

Das anhand einer Straßenbrücke aus Stahlbeton/Spannbeton dargestellte Modell zur Lebensdauerprognose (Bsp. Tragwerksversagen) ist auf vielfältige Kriterien und Bauwerke anwendbar. Weil auf Brückenbauwerke in den kommenden Jahren zunehmend höhere Lasten „zurollen“ werden, gewinnt eine realitätsnahe Lebensdauerabschätzung in diesem Bereich besondere Bedeutung. Stellte in den 50er Jahren noch die schwere Dampfwalze den "worst case" für eine Brücke dar, so geht es heute um eine immer größer werdende Zahl von Schwer- und Sondertransporten bis hin zu der aktuell diskutierten Zulassung von Gigalinern auf unseren Verkehrswegen.

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