Das zentrale Brückenmesswesen bei den deutschen Eisenbahnen, seine Entwicklung seit 1923 und heutige Aufgabenschwerpunkte

Transkript

1 Das zentrale Brückenmesswesen bei den deutschen Eisenbahnen, seine Entwicklung seit 1923 und heutige Aufgabenschwerpunkte DB Netz AG Volkmar Quoos DB Netz AG, König Daniel, I.NPT 2, I.NPT 2 Hannover,

2 Gründung des zentralen Brückenmesswesens Die Anfänge eines zentralgeführten Brückenmesswesens bei den deutschen Eisenbahnen sind eng mit der Gründung der Deutschen Reichsbahn (DR) am 1. April 1920 aus acht Ländereisenbahnen verbunden. Vor den führenden Männern der jungen DR stand die große Aufgabe, die Einzelstrukturen der deutschen Ländereisenbahnen zu überwinden, eine neue Struktur zu finden, die Regelwerke der Staatseisenbahnen zu vereinheitlichen und zu aktualisieren. Die Vorläufigen Vorschriften für Eisenbauwerke, Grundlagen für das Berechnen und Entwerfen eiserner Eisenbahnbrücken erschienen im Mai 1922 und enthielten noch viele Schwächen, herrührend aus ungelösten statischen und dynamischen Problemen der Eisenbahnbrücken. Im Jahre 1923 erfolgte zur Unterstützung wissenschaftlicher Arbeiten an Eisenbahnbrücken die Einrichtung eines Sachgebietes Brückenmesswesen im Dezernat 14 (Brücken- und Hochbau) des damaligen Eisenbahn-Zentralamtes Berlin. 2

3 Aufgaben des zentralen Brückenmesswesens in den Anfangsjahren Messwertgestützte Beurteilung der Tragsicherheit alter, schwacher Brücken im Haupt- und Nebenstreckennetz der Deutschen Reichsbahn Beispiele Herrenmühlbrücke bei Plan, Str. Pilsen-Tuschau, (1940, Brückenklasse H), Verkehrseinschränkungen Verkürzung der Prüffristen Messungen im Rahmen von Probebelastungen neuer zweigleisige, stählerne Dreigurtträgerbrücke über Bauweisen die Rur in Düren, Strecke Köln-Aachen (1930) Untersuchungen an den Überbauten der Weser- brücke bei Vlotho vor und nach der Verstärkung durch Nietung bzw. Schweißung (1931) Messungen an stählernen Eisenbahnbrücken zur Beurteilung unterschiedlicher Technologien für deren Verstärkung Messungen an zweigleisigen Fachwerkbrücken zur Unter- Rheinbrücke bei Duisburg Hochfeld, Mainsuchung der Verwindungssteifigkeit (z.b. Abhängigkeit von brücke bei Hanau, Oderbrücke bei Tschivac der Stützweite) (1929) Messungen zur Aufdeckung der Ursachen von Trennbrüchen EÜ Hardenbergstraße am Bhf. Zoo in Berlin in Gurtungen von Vollwandträger-Brücken (1938) Dynamische Messungen an Eisenbahnbrücken zur Ermittlung von Eigenfrequenzen, logarithmischen Dämpfungsdekremente sowie Stoßzahlen (Schwingfaktoren) Messungen an beweglichen Brücken und Hilfsbrücken Kanalbrücke über den Dortmund-Ems-Kanal bei Münster/Westfalen (1935); Oderbrücke bei Schwetig (1931); Steinachbrücke bei Köppelsdorf Oberlind (1934, Resonanz) Klappbrücke über den Ziegelgraben in Stralsund (1935/1936) DB Netz AG, Volkmar Quoos, I.NPT 2(F) 3

4 Dreigurtbrücke über die Rur bei Düren (1930) Zweck: Die neue zweigleisige 78 m weit gespannte Eisenbahnbrücke über die Rur bei Düren ist die erste stählerne Brücke mit drei Gurten. Durch Messungen soll überprüft werden wie weit die Wirklichkeit mit der Theorie übereinstimmt. Statische Messungen: lotrechte Verschiebungen (Leuner Durchbiegungsuhren sowie ein Nivellierinstrument) waagerechte Verschiebungen (Leuner Uhren) Verdrehungen (Klinometer von Stoppani) Spannungen (Tensometer Huggenberger) Dynamische Messungen: dynamische Konstanten (Aufnahme von Resonanzkurven mit einer Erschütterungsmaschine) Spannungen, Stoßzuschlag (elektrische Kohlefernmesser) Ergebnisse: schräge Lage der Hauptträger bedingt eine größere Durchbiegung in lotrechter Richtung Bei einseitiger Belastung tritt eine Verwindung der Brücke auf, dabei bleiben die Spannungen in den Untergurten beider HT gleich. große Seitensteifigkeit, geringe dynamische Stoßzuschläge 4

5 Dreigurtbrücke über die Rur bei Düren (1930) Brückeneigenschwingungen Abhängigkeit zwischen Schwingzahl und Stützweite 5

6 Dreigurtbrücke über die Rur bei Düren (1930) 6

7 Dreigurtbrücke über die Rur bei Düren (1930) Im 2. Weltkrieg zerstörte Brücke 7

8 Dreigurtbrücke über die Rur bei Düren (1930) Wiederaufbau der Brücke 1947/1948 Verzerrungs- und Verschiebungsmessungen an der Dreigurtbrücke Düren in den Jahren 1996/97 dienten als Grundlage für eine messwertgestützte Beurteilung der Trag- und Ermüdungssicherheiten (Bewertungsstufe 4 nach Richtlinie 805) sowie zur Abklärung des dynamischen Verhaltens insbesondere bei Fahrten von Hochgeschwindigkeitszügen (Ausbaustrecke Köln Aachen) messwertgestützter Belastbarkeitswert UIC = 1,26 Restnutzungsdauer R = 30 Jahre Schwingungsanfälligkeit mehrerer Fachwerkstäbe, z.b. Diagonalstab D 12 (Enddiagonale) hat einen Schwingfaktor = 1,47 8

9 Weserbrücke Vlotho (1931) Zweck: Zwei Überbauten (Überbau I und IV) der Weserbrücke Vlotho sind auf Brückenklasse E zu verstärken. Die Verstärkung des Überbau I wurde mit Hilfe des Elektroschweißverfahrens ausgeführt, während der Überbau IV noch nach dem bisher üblichen Nietverfahren verstärkt worden ist. Die statische und dynamische Wirksamkeit beider Verstärkungsarten ist durch Messungen am Bauwerk vor und nach der Verstärkung festzustellen und die Ergebnisse miteinander zu vergleichen. Statische Messungen: Durchbiegung in Überbaumitte Spannungen an Ober- und Untergurten (Tensometer Huggenberger) Dynamische Messungen: Veränderung der dynamischen Konstanten, wie Eigenschwingung, Federkonstante usw., Aufnahme von Frequenzleistungsdiagrammen und Frequenzdurchbiegungskurven (Erschütterungsmaschinen für die Frequenzleistungsdiagramme; Geiger-Extensograph für die Frequenzdurchbiegungsdiagramme) Ergebnisse: Besondere Unterschiede zwischen geschweißter und genieteter Verstärkung sind nicht erkennbar. Durch die Verstärkung sind die Spannungen in den Hauptträgern um rd. 10 % verkleinert, die Durchbiegungen um rd. 11 % und die Federkonstante hat sich entsprechend erhöht. 9

10 Weserbrücke Vlotho (1931) Messstelle Dehnungsaufnehmer (Tensometer) nach Okhulzen-Huggenberger mit Aufspannung und Messlänge l = 100 mm, Masse 115 g 10

11 Messwertgestützte Beurteilung bestehender Eisenbahnbrücken Im Netz der DB befinden sich heute ca Eisenbahnbrücken unterschiedlicher Bauweisen, die durchschnittlich eine 70- bis 80-jährige Nutzungszeit aufweisen. Sie wurden zumeist nach Vorschriften und für Lastannahmen bemessen, die heutigen Forderungen nicht mehr entsprechen. Die Nachrechnung dieser bestehenden Brücken hat auf der Grundlage von DS 804 (B 6): Vorschrift für Eisenbahnbrücken und sonstige Ingenieurbauwerke (VEI) in Verbindung mit Richtlinie 805: Tragsicherheit bestehender Eisenbahnbrücken zu erfolgen. Es sind die Nachweise ausreichender Trag- und Ermüdungssicherheiten ggf. auch zusätzliche Nachweise der Gebrauchstauglichkeit zu erbringen. Ziel der Nachrechnung ist eine realistische Bewertung bestehender Eisenbahnbrücken unter Berücksichtigung von wirtschaftlichen Aspekten. Die Richtlinie 805 unterscheidet 4 Bewertungsstufen: Stufe 1: Stufe 2: Stufe 3: Stufe 4: Abschätzung der Tragsicherheit überschlägige Ermittlung der Tragsicherheit genauere Ermittlung der Tragsicherheit messwertgestützte Ermittlung der Tragsicherheit. 11

12 Modul : Messtechnische Bauwerksuntersuchungen (Entwurf ) Wann sind messtechnische Bauwerksuntersuchungen durchzuführen? Wenn durch Nachweise in den Bewertungsstufen 2 und 3 keine ausreichende Tragsicherheit, Ermüdungssicherheit oder das geforderte Verhalten im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit nachgewiesen werden kann. Zur messwertgestützten Kalibrierung, wenn die theoretischen Last- und Modellannahmen der Bewertungsstufen 2 bzw. 3, insbesondere bei komplizierten statischen Systemen, nicht verlässlich erscheinen. Zur Analyse des Bauwerksverhaltens bei fehlenden Bauwerksunterlagen. Zur Erfassung spezifischer Eigenschaften der Bauwerke (z. B. Eigenfrequenz, Dämpfung) oder auftretender Einwirkungen (Temperatur, Bremskräfte) und deren Abtragung im Bauwerk. Zur Überprüfung des Systems bei auftretenden Havarien (z.b. Anfahrschäden, Entgleisungen) zur Beurteilung der Auswirkungen für die weitere betriebliche Nutzung. 12

13 Modul : Messtechnische Bauwerksuntersuchungen (Entwurf ) Wann sind messtechnische Bauwerksuntersuchungen durchzuführen? Zur Überprüfung des Systems bei aufgetretenen Schäden (z.b. Risse, Verformungen) zur Ermittlung der Schadensursachen bzw. möglicher weiterer Nutzungsbedingungen und zweckmäßiger Sanierungskonzepte. Im Rahmen von Probebelastungen nach erfolgten Sanierungen/Verstärkungen zum Nachweis der Wirksamkeit der durchgeführten Maßnahmen. Bei gravierenden Veränderungen der Nutzungsbedingungen (z.b. Hochgeschwindigkeitsverkehr, Erhöhung der zulässigen Radsatzlasten) Zur Überwachung der Einhaltung vorgeschriebener Grenzwerte unter bestimmten Nutzungsbedingungen. 13

14 Modul : Messtechnische Bauwerksuntersuchungen (Entwurf ) Welche grundsätzlichen Methoden für messtechnische Bauwerksuntersuchungen gibt es? Kurzzeitmessungen (statische/dynamische Messungen) Systemmessungen unter definierten Betriebslasten (Regelfall für stählerne Brücken und WiB s) Experimentelle Tragsicherheitsbewertungen mittels BELFA (sinnvoll für massive Bauwerke mit ausgeprägten nichtlinearen Tragwerksverhalten) Besondere Messungen (u.a. zur Abklärung der spezifischen Auswirkungen von Zusatzlasten; Messungen an beweglichen Brücken). Langzeitmessungen als sicherheitsrelevante Überwachung (Bauwerksmonitoring), z.b. von eintretenden Bauwerksveränderungen (Risse, Setzungen) zur Ermittlung statistisch relevanter Daten. 14

15 Systemmessung Ruhrstrombrücke Mülheim - Styrum, Strecke 2184, km 1,928 Ansicht des Streckenteilbauwerkes 4 der Ruhrstrombrücke, Baujahr 1971, Lastenzug S (1950), 5 baugleiche Vollwandträgerüberbauten, l = 33 m, geschlossene Fahrbahn mit Querträgern und -rippen 15

16 Systemmessung Ruhrstrombrücke Mülheim - Styrum, Strecke 2184, km 1,928 Risse am Hauptträgersteg 16

17 Systemmessung Ruhrstrombrücke Mülheim - Styrum, Strecke 2184, km 1,928 Ergebnisse der Nachrechnung auf dem Niveau der Bewertungsstufe 3 für den Hauptträger: max UIC = 114 N/mm² = 1,08 (l = l = 33 m) max UIC = 123,01 N/mm² Belastbarkeitswert: UIC = 1,71, da Baustahl St 52 Restnutzungsdauer: R = 24 Jahre (Kerbfall K VII, max T Verg = t/a) Aus den Berechnungen in Stufe 3 ergeben sich keine Erklärungen für die Ursachen der aufgetretenen Risse im Beulsteifenbereich der Überbauten des Streckenteilbauwerkes 4. 17

18 Systemmessung Ruhrstrombrücke Mülheim - Styrum, Strecke 2184, km 1,928 Spannungsverläufe am MP 6.5 bei Fahrten der Lok BR

19 Systemmessung Ruhrstrombrücke Mülheim - Styrum, Strecke 2184, km 1,928 Spannungsverlauf Einflusslinie MS 6 19

20 Systemmessung Ruhrstrombrücke Mülheim - Styrum, Strecke 2184, km 1,928 20

22 Systemmessung Ruhrstrombrücke Mülheim - Styrum, Strecke 2184, km 1,928 Ergebnisse der Messungen am rissgeschädigten Überbau: obs UIC = 131,091 N/mm² > cal UIC = 114 N/mm² obs (v zul = 150 km/h) = 1,58 >> cal = 1,08 (starke lokale Schwingungen mit einer Frequenz n o = 15,8 Hz; Resonanzgefahr) obs obs UIC = 207,65 N/mm² >> cal cal UIC = 123,01 N/mm² allgemeiner Spannungsnachweis: obs UIC = 1,07 Stabilitätsnachweis: obs UIC < 1,00 Restnutzungsdauernachweis: obs D,UIC = 0,352 << grenz D,UIC = 1,20 für geschweißte Konstruktion obs D Verg = 2,935 >> 1,00 (Bruchbedingung) Eigenfrequenz der unbelasteten Brücke (aus Ausschwingvorgang): n o = 3,4 Hz (keine Resonanzgefahr) bereits ab v ~ 100 km/h muss mit dem Auftreten von Resonanzerscheinungen gerechnet werden Herabsetzung der zulässigen Streckengeschwindigkeit auf v = 90 km/h Sanierung der Überbauten: - Anschluss der inneren Beulsteifen an den Untergurt der HT - Verbesserung der Kräfteverteilung in Längsrichtung 22

24 Systemmessung Ruhrstrombrücke Mülheim - Styrum, Strecke 2184, km 1,928 Sanierter Bereich Hauptträgersteg/Beulsteife 24

25 Systemmessung Ruhrstrombrücke Mülheim - Styrum, Strecke 2184, km 1,928 Bestückung sanierter Bereich mit Dehnungsmessstreifen 25

26 Systemmessung Ruhrstrombrücke Mülheim - Styrum, Strecke 2184, km 1,928 Verkabelung bis zum Messplatz 26

27 Systemmessung Ruhrstrombrücke Mülheim - Styrum, Strecke 2184, km 1,928 Messplatz 27

30 Systemmessung Ruhrstrombrücke Mülheim - Styrum, Strecke 2184, km 1,928 Ergebnisse der Kontrollmessungen nach erfolgter Sanierung des Überbaus obs UIC = 123,37 N/mm² > cal UIC = 114 N/mm² obs (v zul = 150 km/h) = 1,11 cal = 1,08 (keine lokale Schwingungen, keine Resonanzgefahr) obs obs UIC = 136,94 N/mm² > cal cal UIC = 123,01 N/mm² allgemeiner Spannungsnachweis: Stabilitätsnachweis: Restnutzungsdauernachweis: obs R > 30 Jahre Eigenfrequenz der unbelasteten Brücke (aus Ausschwingvorgang): n o = 3,5 Hz (keine Resonanzgefahr) Der Betrieb mit v zul = 150 km/h kann wieder aufgenommen werden (Beseitigung der La-Stelle) 30

31 Experimentelle Tragsicherheitsbewertung Belastungsversuche mit einer großen Versuchslast in Höhe der Versuchsziellast ext F Ziel Einsatz des BELFA Die experimentelle Tragsicherheitsbewertung ist für die größte Betriebslast (Blz) oder für das Lastbild UIC 71 durchzuführen. Die Versuchsziellast ergibt sich aus der Lastanordnung und der Addition der Komponenten zusätzliche ständige Last maximale Verkehrslast (Blz, UIC) dynamische Erhöhungen (1 + (v), ) Teilsicherheitsbeiwerte der Einwirkungen ext F Ziel = ( G G + BLZ (1 + ) BLZ) oder ext F Ziel = ( G G + UIC UIC 71 ) Einsatz des BELFA (DB) 31

32 Besondere Messungen Bremsversuche an den Eisenbahnhochbrücken Rendsburg und Hochdonn Bremsversuche an den Eisenbahnhochbrücken Rendsburg und Hochdonn über dem Nord-Ostsee-Kanal Die Bauwerke wurden 1913/1920 erbaut und für den preußischen Lastenzug A bemessen. Die gegenüber der Bauzeit der Brücke gemäß Norm anzusetzenden Bremskräfte sind von 1/7 auf 1/4 der vertikalen Lasten gestiegen, was bei den Nachrechnungen zu erheblichen Überlastungen, insbesondere der Pfeiler führte. Bremsversuche mit messtechnischer Begleitung lassen eine günstigere Längsverteilung der horizontalen Kräfte auf mehrere Bauwerke durch die Schiene und Reibung in den Lagern erwarten. Messung der Spannungen in den Stützenstielen Messung der horizontalen Bauwerksverschiebungen an den Pfeilerköpfen Messung der Relativverschiebungen Schiene/Fahrbahn Messung der horizontalen Verschiebungen in den Reib- und Rollenlagern Messung der Schienenspannungen Temperaturmessungen Messung der Bremsbeschleunigungen der Triebfahrzeuge 32

33 Besondere Messungen Bremsversuche an den Eisenbahnhochbrücken Rendsburg und Hochdonn Inbetriebnahme 1913, l ges 2,5 km, lichte Höhe 42 m 33

34 Besondere Messungen Bremsversuche an den Eisenbahnhochbrücken Rendsburg und Hochdonn Ansicht der Rendsburger Hochbrücke 34

35 Besondere Messungen Bremsversuche an den Eisenbahnhochbrücken Rendsburg und Hochdonn Messlaser im Einsatz 35

36 Besondere Messungen Bremsversuche an den Eisenbahnhochbrücken Rendsburg und Hochdonn Kabelzuführung zur Messwarte 36

37 Besondere Messungen Bremsversuche an den Eisenbahnhochbrücken Rendsburg und Hochdonn Messwarte im Wohnwagen 37

38 Besondere Messungen Bremsversuche an den Eisenbahnhochbrücken Rendsburg und Hochdonn Belastungszüge für Bremsversuch 38

39 Besondere Messungen Bremsversuche an den Eisenbahnhochbrücken Rendsburg und Hochdonn Pfeilerkopfverschiebungen beim Bremsen 39

40 Besondere Messungen Bremsversuche an den Eisenbahnhochbrücken Rendsburg und Hochdonn DMS an Schiene in der neutralen Faser 40

41 Besondere Messungen Bremsversuche an den Eisenbahnhochbrücken Rendsburg und Hochdonn Weggeber am Überbauende 41

42 Besondere Messungen Bremsversuche an den Eisenbahnhochbrücken Rendsburg und Hochdonn Verschiebung in µm Überfahrt Bremsen auf Stiel Zeit in s Verschiebungen am Überbauende 42

43 Besondere Messungen Messungen im Rahmen der Baudurchführung an der Ziegelgrabenbrücke Stralsund Messungen im Rahmen der Baudurchführung an der Ziegelgrabenbrücke (Überbau II) im Bahnhof Stralsund-Rügendamm, Strecke Stralsund Saßnitz, km 226,821 Messung der Spannungen in den Zugstangen aus Eigenlast beim Klappvorgang Messung der Temperaturen an ausgewählten Punkten der Brücke Messtechnische Erfassung der Witterungsverhältnisse (Regen, Wind) Erfassung des Öffnungswinkels der Brücke Anbau von Seilzuggebern für Längenmessungen an den Hydraulikzylindern Messung der Hydraulikdrücke Messung der Auflagerkräfte unter beiden Spitzenlagern in der Endlage Dauermessungen (Qualitätsnachweis) während Montage und Probeöffnungen Feinjustierung des Systems anhand der Messwerte, d.h. Einstellung der Sollwerte der Auflagerund Zugstangenkräfte durch Regulierung der Ausgleichsgewichte im Waagebalken Erfassung der genauen Kräfte und Drücke in Abhängigkeit vom Öffnungswinkel in den Betriebsarten o o o Zweizylinderbetrieb Einzylinderbetrieb, Werftseite angetrieben Einzylinderbetrieb, Straßenseite angetrieben. 43

44 Besondere Messungen Messungen im Rahmen der Baudurchführung an der Ziegelgrabenbrücke Stralsund Applizierter Dehnungsmessstreifen mit Brückenergänzungsmodul auf einer Zugstange 44

45 Besondere Messungen Messungen im Rahmen der Baudurchführung an der Ziegelgrabenbrücke Stralsund Absolutwegaufnehmer an einer Zugstange 45

46 Besondere Messungen Messungen im Rahmen der Baudurchführung an der Ziegelgrabenbrücke Stralsund Lagerung der Zugstangen mit fertig installierten Messpunkten für die Nullmessung 46

47 Besondere Messungen Messungen im Rahmen der Baudurchführung an der Ziegelgrabenbrücke Stralsund Waagebalken mit messtechnisch bestückten Zugstangen wird eingeschwommen mittels Schwimmkran 47

48 Besondere Messungen Messungen im Rahmen der Baudurchführung an der Ziegelgrabenbrücke Stralsund Montage des Waagebalkens mit messtechnisch bestückten Zugstangen auf den Waagebalkenlagern 48

49 Besondere Messungen Messungen im Rahmen der Baudurchführung an der Ziegelgrabenbrücke Stralsund Anschließen der messtechnisch bestückten Zugstangen an die Federbalken 49

50 Besondere Messungen Messungen im Rahmen der Baudurchführung an der Ziegelgrabenbrücke Stralsund Öffnung der messtechnisch bestückten Eisenbahnbrücke 50

51 Besondere Messungen Messungen im Rahmen der Baudurchführung an der Ziegelgrabenbrücke Stralsund Anstelle der Oleo-Puffer eingebaute Hilfskonstruktion mit Druckmessdose zur Messung der Auflagerkräfte 51

52 Fazit zu den aktuellen Aufgaben des zentralen Brückenmesswesens Die erläuterten Beispiele dokumentieren, dass Brückenmessungen und darauf aufbauende messwertgestützte Berechnungen, insbesondere bei komplizierten statischen Verhältnissen und geschädigten Bauwerken, zweckmäßig sind für eine realistische Beurteilung vorhandener Trag- und Ermüdungssicherheiten sowie auch bei Fragen der Gebrauchstauglichkeit. Berücksichtigt man die in den letzten Jahren durch I.NPT 2 (F) Magdeburg realisierten Messaufträge, so zeigen sich aktuell 3 Schwerpunkte: sehr alte Brücken, die ihre normative Nutzungsdauer zumeist schon längst überschritten haben, jedoch möglichst noch weitergenutzt werden sollen Bauwerke, die zumeist erst wenige Jahrzehnte betrieblich genutzt werden, jedoch aufgrund konstruktiver Schwächen zum Problem geworden sind Neuartige Bauweisen, für die nur wenige praktische Erfahrungen vorliegen (z.b. Stabbogenbrücken mit eingeschweißten Flachstahlhängern oder Netzwerkbögen). Abgesehen von den gravierenden Veränderungen der Mess- und Auswertetechnik haben sich seit dem Gründungsjahr 1923 des zentralen Brückenmesswesens die grundsätzlichen Messaufgaben für uns damit kaum nennenswert verändert. 52