Technik
Der großformatige Versuchsaufbau der Hochschule München: Ermüdungstest von Stahlfachwerkbrückenteilen - Foto: Jakob Roth
26.02.2020

Langlebige Fachwerkbrücken aus Stahl einfacher bemessen

Forscher entwickeln einheitliche Vorgaben, um Materialermüdung zu berechnen

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 m Länge mit einem Stahlknoten in der Mitte hängen in einer Konstruktion, welche die 15 t 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.

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 cm große Riss am Gurt wuchs bis zum Versuchsende auf 41 cm 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 100 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.

Hochschule München

Schlagworte

BrückenbauForschungInstandhaltung

Verwandte Artikel

Molekülmodell der stabilen Eisen(I)-Verbindung, die Forschende am KIT als Ausgangspunkt für neue Katalysatoren entwickelt haben.
07.05.2026

Nachhaltige Chemie: Eisen ersetzt Edelmetalle bei der Katalyse

Forschende am KIT entwickeln Eisen(I)-Quelle für katalytische Reaktionen – Ansatz soll chemische Verfahren nachhaltiger machen und könnte seltene Edelmetalle langfristig...

Ergebnis EU Forschung Industrie ING KI Messung Reduktionsmittel Studie TEMA Umwelt Wasserstoff
Mehr erfahren
Durch Elektrolyse hergestellte Eisenplatine
30.04.2026

Posco unterstützt Electra bei der Entwicklung der Eisen-Eletrolyse

Im Mittelpunkt der Zusammenarbeit stehen die Erprobung und Zertifizierung des von Electra entwickelten Elektroyse-Verfahrens und dieser Eisenmaterialien

Dekarbonisierung Direktreduktion Edelstahl Elektrolyse Elektrostahlwerk Entwicklung Forschung Investition Klima Kooperation Nucor Partnerschaft Produktion Rio Tinto Stahl Stahlherstellung Stahlwerk Unternehmen USA Vereinbarung Zusammenarbeit
Mehr erfahren
Blick über Sendai
27.04.2026

VDEh-Exkursion nach Japan zum Metallurgie-Symposium

Vom 13. – 17. April 2026 fand in Sendai und Tokio das „4th ISIJ-VDEh-Jernkontoret-Symposium on Metallurgy“ statt

Bremen CO2 Deutschland Entwicklung EU Forschung Fosta Industrie ING Japan KI Nippon Steel Recycling RWTH RWTH Aachen Saarstahl Schweden Stahl Stahlanwendung Stahlherstellung Stahlwerk Technik TU Bergakademie Freiberg Veranstaltung
Mehr erfahren
24.04.2026

Internationale Experten vom 16. bis 18. Juni 2026 in Luleå, Schweden

Schlacken sind hochwertige Nebenprodukte aus industriellen Herstellungsprozessen, wie zum Beispiel aus der Stahlindustrie, die bereits seit langer Zeit klima- und ressour...

Baustoffe Dekarbonisierung Deutschland Duisburg Entwicklung Ergebnis Essen EU Forschung Industrie ING Innovation Klima Klimaschutz Konferenz Kreislaufwirtschaft Produktion Schlacke Schweden SSAB Stahl Stahlindustrie Stahlwerk Transformation Umwelt Unternehmen USA Wirtschaft
Mehr erfahren
21.04.2026

Schwedisches Forschungsprojekt für die Verwendung von EAF-Schlacke

SSAB und Heidelberg Materials gehen eine Kooperation ein, um aus EAF-Schlacke ein alternatives Bindemittel für Zement zu erhaltenion ein, um Blasluftschlacke (EAF-Schlack...

Baustoffe Entwicklung EU Finanzierung Finnland Fonds Forschung Forschungsprojekt Industrie ING Kooperation Kreislaufwirtschaft Optimierung Partnerschaft Produktion Rohstoffe Schlacke Schweden SSAB Strategie USA Wirtschaft Zusammenarbeit
Mehr erfahren