90 Jahre Brückenmesswesen bei der Eisenbahn in Deutschland

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Natürlich haben sich die technischen Möglichkeiten seit der Gründung des Sachgebiets "Brückenmesswesen" vor 90 Jahren umfassend verändert, nicht jedoch die grundsätzlichen Zielstellungen der Messungen an Eisenbahnbrücken, eine messtechnisch basierte Aussage über die Trag- und Ermüdungssicherheit der Überbauten zu treffen. Damals wurden z. B Leuner-Uhren und Leuner-Durchbiegungszeichner zur Messung von Verschiebungen, Klinometer von Stoppani zur Erfassung von Stabverdrehungen und Tensometer nach Huggenberger für statische Spannungsmessungen sowie Kohlefernmesser für dynamische Spannungsmessungen eingesetzt. Man begann für dynamische Messungen mit einem Universal-Oszillographen der Fa. Siemens & Halske bei sechs Kanälen. Der spätere Brückenmesszug der Deutschen Reichsbahn ermöglichte bereits dynamische Messungen für 16 Messpunkte, die jedoch noch visuell ausgelesen und per Hand weiterverarbeitet werden mussten. Heute zählen u. a. Dehnungsmessstreifen, wegmessende Sensoren, inkrementale Feinzeiger und Messlaser (Vibrometer) zu den leistungsfähigen Messwertaufnehmern. Moderne Verstärkertechnik ermöglicht die zeitgleiche Messung einer ungleich höheren Anzahl an Messpunkten und Computertechnik liefert zeitnah, bzw. je nach Aufgabenstellung auch in Echtzeit, die Ergebnisse als Entscheidungsgrundlage für Folgebewertungen und -aktivitäten.

Bei Messungen an Eisenbahnbrücken handelt es sich in der Regel um Messgrößen wie:

• Wege (Verschiebungen, Durchbiegungen, Einsenkungen, seitliche Auslenkungen)
• Geschwindigkeiten oder Beschleunigungen
• Dehnungen oder Stauchungen (Verzerrungen)
• Temperaturen
• Kräfte (Achs- und Radlasten, Kräfte aus Bremsen, Anfahren oder Seitenstoß)
• Winkel (Neigungswinkel, Endtangentenwinkel, Öffnungswinkel bei Klappbrücken)
• Frequenzen, Dämpfungen.

Grundsätzlich wurde bereits in der Vergangenheit das Brückenmesswesen der Eisenbahn von der Messgeräteindustrie als kompetenter Partner bei der Entwicklung und praktischen Erprobung der Messtechnik erkannt. Kaum ein anderer Fachbereich hat derart vielschichtige Messaufgaben bei komplizierten Randbedingungen. Bewähren sich Sensoren, Mess- und Verstärkertechnik bei Brückenmessungen an Eisenbahnbrücken, sollte die Funktionalität auch bei Messungen unter nicht so anspruchsvollen Bedingungen gegeben sein. Aktuell erfolgt eine enge Zusammenarbeit des Bereichs "Brückenmessung und -bewertung" der DB Netz AG z. B. mit der Fa. Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH Darmstadt (HBM), wie auch die nachfolgenden Beispiele aus den letzten Jahren belegen. An Eisenbahnbrücken erfolgen Kurz- oder Langzeitmessungen. Zusätzlich wird noch zwischen statischen und dynamischen Messungen unterschieden.

Kurzzeitmessungen

Messungen im Rahmen von Probebelastungen an neuartigen oder verstärkten Eisenbahnbrücken

Dem Nachweis der Einhaltung der geforderten technischen Parameter, wie auch der Qualität der Bauausführung, kommt eine große Bedeutung zu. Oft werden deshalb baubegleitende Messungen gefordert bzw. nach Fertigstellung eines Bauwerks, z. B. im Rahmen der Endabnahme, eine Probebelastung mit begleitenden Messungen. Der Lastfall "Probebelastung" wird vorher vom Statiker berechnet. Für die zur Probebelastung eingesetzte Belastungseinheit sind die einzuhaltenden Parameter bei genau definierten Laststellungen bekannt. Der Vergleich zwischen Rechen- und Messwerten lässt direkte Rückschlüsse auf die Qualität zu.

Systemmessungen, vornehmlich an älteren, komplexen Brückenbauwerken

Voraussetzung für eine realitätsnahe Nachrechnung von Eisenbahnbrücken ist die Kenntnis des realen Systemverhaltens der Konstruktion, wie z. B.:

• Beanspruchungen in kritischen Konstruktionsdetails unter Regel- oder Schwerlastverkehr
• Spannungsverteilung über den Querschnitt bzw. mitwirkende Breiten
• Überlagerung von lokalen und globalen Wirkungen
• Einflusslinienverläufe
• geschwindigkeitsabhängige dynamische Veränderungen und Beiwerte
• auftretende Schwingungen, Resonanzen.

Zur Kalibrierung von Berechnungsmodellen für die Nachrechnung (Bewertungsstufe 4 nach Richtlinie 805 [2]), aber auch zur Erkennung von Schwachpunkten einer Konstruktion oder der Ursachen für aufgetretene Schäden an Eisenbahnbrücken, sind Systemmessungen zumeist sehr hilfreich.

Sogenannte "besondere Messungen" nach Modul 805.0104: Messtechnische Bauwerksuntersuchungen

Hierzu zählen z. B. Messungen zur Abklärung der Auswirkungen von Zusatzlasten, wie Bremsen und Anfahren, oder auch Messungen an beweglichen Eisenbahnbrücken.

Langzeitmessungen

Langzeitmessungen an Eisenbahnbrücken erfolgen im Sinne einer sicherheitsrelevanten Bauwerksüberwachung (Bauwerksmonitoring) zur Überwachung von Bauwerksveränderungen (Risse, Setzungen) oder auch zur Ermittlung statistisch relevanter Daten. Im Gegensatz zu Kurzzeitmessungen werden bei Langzeitmessungen z. B. auch witterungstechnische Einflüsse (Windlasten, Frosteinwirkungen etc.) auf das Verhalten des Bauwerks erfasst. Die nachfolgenden Beispiele aus den letzten Jahren sollen die Vielfältigkeit der Aufgaben im Brückenmesswesen der Eisenbahn verdeutlichen.

Dehnungsmessungen unter Verkehrslasten (Straße, Bahn) sowie bei Temperaturgang am Netzwerkbogen und am 5-feldrigen Nebentragwerk der Fehmarnsundbrücke

Die kombinierte Straßen- und Eisenbahnbrücke über den Fehmarnsund wurde 1963 in Betrieb genommen. Die Hochbrücke hat eine Gesamtlänge von 963,40 m und besteht aus einem Bogentragwerk (Netzwerkbogen) in der Mittelöffnung mit Stützweite von 248,40 m sowie aus einem zwei- und einem fünffeldrigen Durchlaufträger. Die Brücke wurde für die Überführung einer eingleisigen Bahnlinie und einer zweispurigen Bundesstraße projektiert. Das Bauwerk ist statisch mehrfach unbestimmt. Seine Berechnung gestaltete sich unter den damaligen Möglichkeiten als äußerst schwierig und erforderte vielfältige Vereinfachungen. Als Grundlage für eine realistische Beurteilung nach Bewertungsstufe 4 der Richtlinie 805 [2] waren umfangreiche Messungen an der Fehmarnsundbrücke unter Verkehrslasten der Straße und der Eisenbahn sowie bei Temperaturgang durchzuführen, die in [3] dokumentiert sind. Messvorbereitung und -durchführung erfolgten im Zeitraum April bis Juni 2010.

Für drei Messschnitte am 5-feldrigen Durchlaufträger und zwei Messschnitte am Netzwerkbogen waren insgesamt 251 Messpunkte an der Brücke anzulegen, die durch ca. 22 km Kabel mit Messwarten an den Messorten verbunden waren, und diese wiederum durch ca. 1,7 km Lichtwellenleiterkabel (ersetzen ca. 60 km herkömmliche Kabel) mit dem Messcomputer in der Hauptmesswarte am Widerlager auf dem Festland. Bei widrigen Witterungsverhältnissen mit Windstärken bis 11, zeitweise auch Starkregen, fielen lediglich drei Messpunkte witterungsbedingt aus, was für die Zuverlässigkeit moderner Messsysteme spricht. Natürlich wurden bereits beim Messaufbau die schwierigen klimatischen Bedingungen berücksichtigt, wie Bild 1 zeigt.

Messungen erfolgten unter Regelverkehr auf Straße und Schiene sowie im Rahmen von Probebelastungen, und zwar bei Fahrten von zwei Schwerlasttransporten in vier verschiedenen Fahrspuren, eines Lokverbandes aus insgesamt 10 sechsachsigen Lokomotiven (Bild 2) und zusätzlich bei Parallelfahrten von Lokzug und Schwerlasttransporten. Die höchsten Beanspruchungen traten erwartungsgemäß bei den Parallelfahrten der Probebelastungen auf. Wie das Beispiel des Querträgers des Durchlaufträgers in Bild 3 zeigt, gilt das Superpositionsprinzip, d. h. die Spannungen aus Eisenbahn- und Straßenverkehr überlagern sich. Die maximalen Beanspruchungen aus dem Regelverkehr erreichen bei den kritischen Details nur etwa 50 % der Beanspruchungen aus den Probebelastungen. Maßgebend ist dabei der Eisenbahnverkehr.

Bremsversuche mit messtechnischer Begleitung an der Eisenbahnhochbrücke über den Nord-Ostsee-Kanal in Rendsburg

Die stählerne Eisenbahnhochbrücke über den Nord-Ostsee-Kanal in Rendsburg ging im Jahre 1913 in Betrieb. Um die erforderliche lichte Höhe von 42 m zu erreichen, waren kilometerlange Rampen und dementsprechend viele Gerüstpfeiler unterschiedlicher Höhe notwendig. Die Eisenbahnhochbrücke ist nach preußischen Berechnungsvorschriften lediglich für Bremslasten von 1/7 der vertikalen Verkehrslasten bemessen worden, was heutigen Anforderungen nicht mehr genügt. Theoretische Berechnungen mit einem Federmodell ließen jedoch vermuten, dass auf einen Gerüstpfeiler nur anteilige Horizontallasten entfallen. Der "große Bremsversuch" im Juli 2001 mit acht schweren Lokomotiven (Bild 4) sollte die reale Bremslastverteilung liefern [4]. Bei 37 Bremsfahrten aus v = 30 km/h wurden Dehnungen an ausgewählten Stäben verschiedener Gerüstpfeiler, Schienenspannungen, relative Lagerbewegungen, Pfeilerkopfverschiebungen, Verschiebungen am Überbauende und Beschleunigungen des Lokverbandes gemessen.

Bild 5 zeigt, dass mehrere Gerüstpfeiler an der Bremskraftaufnahme beteiligt sind. Man erkennt aus den mittels Lasern (Vibrometern) gemessenen Verläufen der Pfeilerkopfverschiebungen, dass die Extremwerte direkt nach dem Bremsruck auftreten. Danach schwingt das Bauwerk und braucht mehrere Sekunden, bis es zur Ruhe kommt. Basierend auf den Bauwerksmessungen, wurde die günstigere Verteilung der Bremslasten über die Schienen und infolge Reibung in den Lagern nachgewiesen. Kostenaufwendige Verstärkungen der Gerüstpfeiler waren damit nicht mehr erforderlich.

Sicherheitsrelevante Bauwerksüberwachung (Bauwerksmonitoring) an der Klappbrücke über den Ziegelgraben in Stralsund

Die alte Klappbrücke im Zuge des Rügendamms in Stralsund (Anbindung der Insel Rügen) war eine echte "Problembrücke" und durch häufige Störungen in die Schlagzeilen geraten. Die neue bewegliche Eisenbahnbrücke über den Ziegelgraben (Bild 6) wurde deshalb, beginnend bereits beim Bau [5], systematisch messtechnisch überwacht (u. a. Dehnungen in den Zugstangen, Hydraulikdrücke).

Heute wird durch eine Monitoringanlage der Fa. Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH Darmstadt (Bild 7) jedes Öffnen und Schließen der Klappbrücke messtechnisch erfasst. Die Messdaten können jederzeit dank moderner Datenfernübertragung abgerufen und überprüft werden. Der Vergleich mit genau definierten Grenzwerten lässt eingetretene Veränderungen, bis hin zu Gefahrensituationen, umgehend erkennen.

Der seither reibungslose Betrieb der Ziegelgrabenbrücke Stralsund spricht nachdrücklich für eine gute Qualität der Projektierung und Bauausführung, aber auch für eine sicherheitsrelevante Bauwerksüberwachung bei beweglichen Eisenbahnbrücken, denn regelmäßige Überwachungen minimieren offensichtlich Fehler beim Betreiben der Anlage.

Zusammenfassung und Ausblick

Seit der Gründung der Abteilung "Brückenmesswesen" im Jahre 1923 bei der Deutschen Reichsbahn wurden Messungen an über 1.500 Eisenbahnbrücken in Deutschland mit unterschiedlichsten Zielstellungen durchgeführt. Viele Brückenmessungen, zumeist an alten komplexen Bauwerken, konnten noch vorhandene Trag- und Ermüdungsreserven für eine längerfristige Weiternutzung belegen, mitunter auch eine Eignung für einen zukünftigen Verkehr mit schnellfahrenden modernen Reisezügen oder für Schwerlastverkehr. Die damit verbundenen ökonomischen Vorteile einer weiteren Nutzung gegenüber einem Neubau liegen auf der Hand.

Es gab aber auch einige Messungen, die auf bestehende akute Probleme hinwiesen und im Interesse der Sicherheit zum sofortigen Handeln zwangen. Oft helfen objektive Messwerte in verantwortlichen Bereichen bei der richtigen Entscheidungsfindung.

Die heutigen messtechnischen Möglichkeiten lassen eine sicherheitsrelevante Langzeitbauwerksüberwachung (Bauwerksmonitoring) zu. In Problemfällen, aber auch bei neuartigen Bauweisen, zu denen noch keine ausreichenden praktischen Erfahrungen vorliegen, sollten Monitoring-Anlagen zukünftig häufiger vorgesehen werden. Hier sind bereits eingeführte Vorgehensweisen beim Neubau in einigen Ländern Asiens durchaus nachahmenswert. Viele Brückenmessungen in der Vergangenheit führten zum Nachweis der Eignung neuartiger Bauweisen, Fertigungstechnologien oder auch Instandsetzungsverfahren. Sie zeigten mitunter noch notwendige Verbesserungspotenziale auf, um dann später zu bewährten Praxislösungen zu werden. Eine Vielzahl von Ergebnissen aus Brückenmessungen schlug sich direkt in den Vorschriften nieder und ist heute tägliche Arbeitsgrundlage. Die Wirtschaftlichkeit des Brückenmesswesens für die deutschen Eisenbahnen ist unumstritten und auch zukünftig sind bei der gegenwärtigen Altersstruktur der Eisenbahnbrücken Brückenmessungen für realitätsnahe Beurteilungen notwendig.

Moderne Rechentechnik und Software eröffnen heute viele Berechnungsmöglichkeiten. Diese sind aber darauf angewiesen, dass die genauen Randbedingungen für ein Berechnungsmodell vorgegeben werden. Die angenommenen Randbedingungen für theoretische Berechnungen stimmen häufig nicht mit der Wirklichkeit überein und führen dann zwangsläufig zu Fehlbeurteilungen, wie gerade in letzter Zeit durchgeführte Messungen an komplexen Bauwerken zeigten.

Brückenmessungen sind oft sehr aufwendig und erfordern erfahrene, engagierte Fachkräfte, die den hohen gesundheitlichen Tauglichkeitsanforderungen vor Ort genügen, sowie entsprechende Fachkompetenz auf Seiten der Berechnung und Bewertung. Das dargestellte Beispiel der Messungen an der Fehmarnsundbrücke verdeutlicht dieses nachdrücklich. Vereinfachungen im Messaufbau, wie z. B. drahtlose Datenübertragungen von den Messwertaufnehmern zum Messrechner, wären sehr hilfreich. Die Messgeräte-Industrie ist hier auch zukünftig gefordert.

Literatur

1. Weber, W.: 60 Jahre in-situ-Messtechnik in der Abteilung "Bautechnik" des Bundesbahn-Zentralamtes München – ein Beitrag zur Technikgeschichte. In: Die Bautechnik Heft 10/1983; Fortsetzung Heft 11/1983.
2. Richtlinie 805 Tragsicherheit bestehender Eisenbahnbrücken. DB Netz AG, August 2008.
3. Dehnungsmessungen unter Verkehrslasten (Straße, Bahn) sowie bei Temperaturgang am Netzwerkbogen und am 5-feldrigen Nebentragwerk der Fehmarnsundbrücke. Bericht 10/38, DB Netz AG, I.NPT 2(F), Magdeburg Dezember 2010.
4. Dehnungs- und Verschiebungsmessungen zur Ermittlung der Bremslastverteilung im südlichen Rampenbrückenbereich der Eisenbahnhochbrücke Rendsburg, Strecke Neumünster-Flensburg (Großer Bremsversuch). Bericht 01/30, DB Netz AG, NBI 11, Magdeburg September 2001.
5. Messtechnische Begleitung der Montage, Erprobung und Inbetriebnahme des neuen Klappteils der Ziegelgrabenbrücke Stralsund, Strecke 6321: Stralsund-Saßnitz, km 226,821. Bericht 07/93, DB Netz AG, I.NPT 21, Magdeburg Dezember 2007.

Autoren: Uwe Friebe, Gert Gommola