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Statisch konstruktive Beurteilung des historischen Gerüstpfeilerviaduktes der Waldheim-Kriebethaler Eisenbahn zur weiteren Nutzung

Erläuterungsbericht von Melchior Deutscher zur Einreichung beim 'Förderpreis des Deutschen Stahlbaues 2018'

Der Eisenbahn-Brückenbau des 19. Jahrhunderts ist durch maßgebende Weiterentwicklungen, ausgehend von massiven Mauerwerksbauten hin zu filigranen Stahltragwerken, die bis heute entscheidenden Einfluss auf die Gestaltung von Tragwerken haben, geprägt. Pionierarbeit wurde dabei in Nordamerika geleistet, wo innerhalb kurzer Zeit große Territorien mit dem Bau der Eisenbahn erschlossen wurden. Dabei entstand die Idee der Gitternetzträger in Holzbauweise, welche um 1850 nach Europa gelangte und vor allem in Deutschland in Stahlbauweise ausgeführt wurde.

© Melchior Deutscher

 

Das Gerüstpfeilerviadukt der Waldheim-Kriebethaler Eisenbahn ist eines der wenigen bis heute erhalten gebliebenen Wahrzeichen deutscher Ingenieurbaukunst. Das 1896 errichtete und 171 m lange Bauwerk gilt als eines der zuletzt gebauten Gitternetzträger-Brücken und als der unmittelbare Vorgänger der heutigen Fachwerkbauweise. Seit 1996 stillgelegt, ist das Stahltragwerk durch Feuchtigkeit und ausbleibende Unterhaltung stark korrodiert und erhielt bei einer Sonderprüfung im Jahr 2015 die Zustandsnote 4 – unmittelbarer Handlungsbedarf (Abriss/Ersatzneubau) wegen fehlender Dauerhaftigkeit, Tragfähigkeit und Verkehrssicherheit.

Der Kleinbahnverein „Waldheimer Eisenbahnfreunde e.V.“ strebt allerdings eine Wiederbelebung des Bahnverkehrs und damit die Weiternutzung des landschaftsprägenden Bauwerks in Form einer touristisch nutzbaren Schmalspurbahn an, womit die Zielstellung der Arbeit mit der Ermittlung der möglichen Restnutzungsdauer und Herausstellung erforderlicher Instandsetzungsmaßnahmen gegeben war.

Zunächst wurde das Viadukt hinsichtlich seines zeitgeschichtlichen Hintergrunds, der Notwendigkeit seiner Errichtung und wirtschaftlichen Bedeutung in der Vergangenheit recherchiert und eingeordnet. Über Jahrzehnte hinweg war das Tragwerk Teil der Zulieferstrecke von Waldheim zur Papierfabrik „Kübler & Niethammer“ im Kriebethal und war damit einer der maßgebenden Faktoren für deren Aufstieg und langanhaltenden Erfolg, da es die Leistungsfähigkeit des Gütertransports deutlich steigerte. 

Im Zuge der Recherche wurden die Belastungsgeschichte der Vergangenheit bis zur Streckenstilllegung sowie die geplante weitere Nutzung unter Annahme einer Instandsetzung genau ermittelt. Die 100 jährige Nutzung war geprägt von Güterverkehr mit Achslasten von ca. 15 t. Dabei fuhren Dampf- und später Diesellokomotiven als Zugfahrzeuge für Papierware, Holz- und Kohlezulieferung sowie zeitweise feiertags Personenverkehr. Die Recherche stellt die Grundlage für eine Nachrechnung unter realitätsnahen Lastannahmen dar. Der Ansatz der Anpassung der Lastmodelle hinsichtlich des gewesenen Güterverkehrs und des deutlich geringer geplanten Schmalspurbahn-Verkehrs mit Kleinbahnen von 3,1 t Achslasten reduziert den rechnerisch vorhandenen Ermüdungsschaden und erfordert eine deutlich abgeminderte statische Tragfähigkeit für die kommende Nutzung.

Im Rahmen der Arbeit wurde der Fokus auf das Stahltragwerk gelegt. Für den Brückenaufbau wurde eine umfangreiche Analyse und Systematisierung vom Gesamtsystem hin zu den Einzelbauteilen der Haupttragkomponenten vorgenommen. Die Einfeldträgerkette mit neun Überbauten, abwechselnd mit Gitternetzträgern zwischen den Pfeilern und Einhängeträgern oberhalb der Gerüstpfeiler, weisen untereinander identische Maße und ungekrümmte Konstruktionen auf. Dies stellt vor allem bei der Realisierung eines herausfordernden Streckenverlaufs mit einem Radius von 450 m sowie einer gleichzeitigen Längsneigung von 2,5% eine Besonderheit dar.

Für eine effiziente Ist-Zustandsuntersuchung wurde eine nummerische Modellierung im Soll-Zustand für das Gesamttragwerk durchgeführt. Dies ermöglichte die Herausstellung statisch hoch beanspruchter Bauteile und ließ die Möglichkeit für die Berücksichtigung von Schadensbildern, welche Einfluss auf die globale Systemsteifigkeit haben.

Aufbauend auf die gewonnenen Erkenntnisse der statischen Voruntersuchung wurde eine gezielte Schadensanalyse im Zuge einer mehrtägigen Vorortbegehung vorgenommen. Dabei wurden die Bauteilmaße sowie Nietverbindungen der Systematisierung kontrolliert, hoch beanspruchte Stellen auf Ermüdungsschäden untersucht und Schadensbilder entlang des Bauwerks detailliert aufgezeichnet. Die Vielzahl von Schäden am Korrosionsschutzsystem und zahlreiche Korrosionsschäden mit teilweise starken Querschnittsverlusten wurden als umfangreicher Prüfbericht aufgearbeitet. Die Ergebnisse ermöglichen eine individuelle Beurteilung von Schäden und deren Berücksichtigung bei der Tragwerksnachrechnung. Es entstand ein Konzept zur Einordnung von Schadensbildern je nach Schadensgröße, Ausprägung und statischer Relevanz. Die Abminderung der Bauteiltragfähigkeiten konnte somit  im Nachweis berücksichtigt werden, oder im Einzelfall bei grundsätzlichen Steifigkeitsveränderungen mit Auswirkung auf das Gesamtsystem ins Modell eingepflegt werden. Diese aufwändigere aber genauere Herangehensweise lässt die Ermittlung höherer Tragwerksreserven im Vergleich zu globalen Abminderungen des Stahltragwerks zu. Zur Absicherung der Kennwerte des Stahls für einen Flussstahl vor 1890 wurden materialtechnische Analysen vorgenommen. Es wurden an vier statisch sehr gering ausgelasteten Konstruktionsteilen Proben (ca 50mm x 600mm) entnommen, welche hinsichtlich der Festigkeit, Schweißbarkeit sowie des bestehenden Korrosionsschutzsystems untersucht wurden. 

Die Gesamtheit der gewonnenen Informationen zum Bauwerk stellte die Grundlage für eine realitätsnahe, genau und damit ergebnisorientierte Nachrechnung im Sinne des Erhalts dar. Es wurden global die Spannungsnachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit für die Beanspruchung durch den geplanten Schmalspurverkehr geführt und hochbeanspruchte sowie geschädigte Bauteile mit detaillierten Nachweisen der Stabilität und der Verbindungsmittel überprüft. Zusätzlich wurde zur Ermittlung einer Restnutzungsdauer die Vorschädigung infolge der vergangenen Nutzung in Abhängigkeit der Lasten und der Anzahl der Überfahrten ausgerechnet, bevor für die kommende Nutzung der Ermüdungsnachweis unter Berücksichtigung des vorhandenen Schädigungsgrades geführt werden konnte. Durch die gezielte und detaillierte Nachrechnung konnte eine ausreichende Tragfähigkeit im Istzustand sowie eine Restnutzungsdauer von 42 Jahren für nicht weiter steigende Korrosionsschädigung ermittelt werden.  

Dieses Ergebnis war der Anlass zur Entwicklung eines umfangreichen Instandsetzungskonzepts, was entgegen anfänglicher Erwartungen ausschließlich durch optische Wiederherstellung, Korrosionsschutz im Sinne der Dauerhaftigkeit aber ohne Verstärkung oder Systemänderung auskommt. Am gesamten Bauwerk wird der nicht mehr ausreichend haftfeste und an vielen Stellen geschädigte Korrosionsschutz durch Sandstrahlen entfernt. Dadurch werden Schädigungen besser sichtbar und können sämtliche Korrosionsschäden beseitigt werden. Der neue Korrosionsschutz wird gemäß ZTV-ING, Teil 4, Abschnitt 3, Anhang C, Tabelle 4.3.12 „Vollerneuerung auf der Baustelle“ ausgeführt, wodurch der Verwitterungsprozess gestoppt werden kann. Zur Gewährleistung eines langlebigen Korrosionsschutzes werden die anfälligen waagerechten Knotenpunkte planeben geschliffen, um Muldenbildungen zu verhindern. Zusätzlich wird entsprechend der früheren Nutzung eine regelmäßige Bauwerksbegehung mit händischer Freimachung der Knotenpunkte zur Vermeidung von Feuchtigkeitssammelstellen vorgeschlagen. Für die vielen zusammengesetzten Träger mit Spaltkorrosion wird ein System zur Spaltentrostung, Reinigung und Trocknung vorgeschlagen, bevor unterhalb der Korrosionsdeckschicht eine zusätzliche luft- und feuchtigkeitsfeste Abdichtung aufgebracht wird. Bei Rostschäden mit starkem Korrosionsverlust werden individuell angepasste Querschnittswiederherstellungen durchgeführt. Dabei wird der Schaden freigelegt, die geschädigten Bereiche herausgeschnitten und mit Laschenaufdopplung äquivalente Stahlelemente über Nietkopfschraubenverbindungen angebracht. Dadurch kann die Wiederherstellung der ursprünglichen Optik sowie Funktionsweise vollständig garantiert werden.

Die Diplomarbeit liefert anhand des Beispiels des Gerüstpfeilerviaduktes bei Waldheim einen Ansatz, wie Tragreserven historischer Stahlkonstruktionen realitätsnah ermittelt werden können, um den Erhalt und die Weiternutzung unter gleichbleibender Funktionsweise zu ermöglichen. Dieses Konzept und seine Umsetzung soll Anreiz für die denkmalgerechte Bauwerkserhaltung von historischer Ingenieurbaukunst sein, da diese Herangehensweise auch in anderen Fällen eine Ertüchtigung ermöglicht und somit einem vermeintlich notwendigen Umbau, einer Stilllegung oder einem Abbruch vorbeugen kann. 

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Diplomarbeit
Melchior Deutscher

TU Dresden

betreut durch
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Richard Stroetmann,
Dr.-Ing. Lars Sieber