Durchführung messwertgestützten Ermüdungsnachweises an der Brücke Ruppertsmühle

Erläuterungsbericht und Bildmaterial von Kurbai Kotaiba zur Einreichung beim Förderpreis des Deutschen Stahlbaues 2026

Die inzwischen stillgelegte Straßenbrücke „Ruppertsmühle“ wurde im Jahr 1892 als reine Stahlkonstruktion im Ortsteil Sinn der gleichnamigen heutigen hessischen Gemeinde hergestellt und errichtet. Das historische Bauwerk überspannt die Dill, den größten Nebenfluss der Lahn, mit zwei gleichwertigen Feldern sowie zwei Widerlager und einem massiven Mittelpfeiler (als Zwischenauflager) in der Flussmitte aus Natursteinen. Nach ihrer Außerbetriebnahme als Straßenbrücke im Jahr 1985 entwickelte sie sich zu einer wichtigen Verbindung für den Fuß- und Radverkehr der Gemeinde.

Im Zuge ihrer langen Geschichte gab es trotz des unbeschadeten Überdauerns zweier Weltkriege einige kleinere Umbauten und Erneuerungen. So wurde etwa – vermutlich in den 1930er Jahren – das ursprüngliche Brückendeck, eine Buckelblechkonstruktion mit Pflasterbelag auf einer Schüttung aus Kies und Sand durch eine Betonfahrbahnplatte mit Abdichtung und Asphaltbelag ersetzt.

Allerdings wurden Wartung und Instandsetzung ebenso wie bei großen Teilen der Verkehrsinfrastruktur in Deutschland über viele Jahrzehnte nicht mit dem erforderlichen Nachdruck betrieben, so dass sich der Bauwerkszustand der Brücke stetig verschlechterte. Im Jahr 2012 wurde so schließlich eine provisorische Abfangung und Verstärkung der Fahrbahn notwendig und bereits fünf Jahre später, also im Jahr 2017 festgestellt, dass die Standsicherheit der Brücke in ihrer Funktion als Fahrradbrücke aufgrund massiver Korrosionsschäden fortan nicht mehr gewährleistet werden konnte.

Vor diesem Hintergrund suchte die Gemeinde Sinn den Kontakt zum Fachbereich Bau, um mit wissenschaftlicher Unterstützung Möglichkeiten auszuloten, das historische Bauwerk zumindest in seinen wesentlichen Strukturen (Teilen) zu erhalten bzw. diese in ein Weiternutzungskonzept zu integrieren und damit einen ressourcenintensiven Neubau zu vermeiden. Im Fachgebiet Brückenbau wurde dieser exemplarische Fall aus der Praxis, wie man in Zeiten einer stetigen Bedeutungszunahme des Nachhaltigkeitsprinzips mit Elementen einer in Teilen maroden Verkehrsinfrastruktur verfahren kann, mit großem Interesse aufgenommen und im Rahmen einer Semesterarbeit sowohl eine Ersatzneubauvariante als auch eine Umbau- und Wiederverwendungsvariante konzipiert und anschließend miteinander verglichen.

Die Gegenüberstellung beider Konzepte zeigte, dass ein Umbau inklusive Wiederverwendung vieler Stahlbauteile zwar sehr wahrscheinlich große Mengen an CO2-Emissionen einsparen würde und zudem weitgehend bessere soziokulturelle und -ökologische Einflüsse hätte, allerdings zunächst noch weitere, d.h. genauere Untersuchungen erforderlich wären. Denn erst die eingehende bautechnische Untersuchung bzw. Beurteilung der Brücke hinsichtlich ihrer Restnutzungsdauer bzw. ihrer Nachhaltigkeit bietet letztlich die Voraussetzung für eine seriöse Bilanzierung beider Konzepte hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Umwelt und Klima.

Aus statischer Sicht ist somit die sog. Ermüdungssicherheit der entscheidende Aspekt der Machbarkeit des Umbau- und Wiederverwendungskonzeptes und somit zugleich das zentrale Thema der vorliegenden Masterarbeit. Der Ansatz für die bautechnische Untersuchung bestand zunächst in der Ermittlung des Lastverformungsverhaltens, wofür hier sog. Dehnungsmessstreifen (DMS) zum Einsatz kamen. Dazu B101

wurde in einem ersten Schritt ein Messkonzept mit insgesamt 11 Messstellen erstellt, an denen die DMS vor der Durchführung mehrerer Belastungsstufen installiert wurden. Anschließend wurde ein großer Wasserbehälter mit einer Kapazität von insgesamt 10.000 Litern, also etwa 10 Tonnen, mittig auf der Brücke platziert und schrittweise mit Wasser gefüllt, sodass zu jedem Zeitintervall die entsprechende Wassermenge bzw. Belastung bekannt war.

Aufgrund des hohen Brückenalters sind heute nur noch sehr wenige Unterlagen vorhanden, die den aktuellen Bestand verlässlich dokumentieren. Daher konnte auch nicht mit Sicherheit festgestellt werden, ob es sich bei den vorhandenen Stahlprofilen um sog. Schweißeisen oder Flusseisen handelt bzw. welches Elastizitätsmodul (E-Modul) sie aufweisen. Aus diesem Grund erfolgten neben der Messung mehrere Materialentnahmen, die eine labortechnische Untersuchung ermöglichten.

Nach einer speziellen Bearbeitung der Stahlproben wurde der Zugversuch für die Probe aus dem Querträger viermal durchgeführt und das E-Modul dementsprechend viermal für dieselbe Probe ermittelt. Bei Auswertung der Ergebnisse im Hinblick auf das E-Modul wurden immer die Spannungswerte von 40 N/mm² bis 140 N/mm² betrachtet, damit die Klemmwirkung an den Enden der Zugproben und der Einfluss des Fließbereiches am Ende des Zugversuchs außer Acht gelassen werden können und so das E-Modul möglichst genau zu ermitteln. Die Proben wurden aus dem Flansch entnommen, wobei die Probenachse in Walzrichtung liegt. Dadurch wird in Bezug auf die Anisotropie des Schweißeisens die maximal beanspruchbare Richtung geprüft.

Anschließend wurde der Mittelwert der vier gemessenen E-Module ermittelt. Daraus ergab sich ein E-Modul von 174.500 N/mm². Um dieses unerwartete und auch für sehr alte Baustähle im Vergleich zu den Angaben aus Fachliteratur ungewöhnlich niedrigen Wert richtig einzuschätzen, wurde beschlossen, die nachfolgenden Aus- und Bewertungen mit einem Streuband für das E-Modul vorzunehmen. Zum einen wurde den durchgeführten Materialuntersuchungen gefolgt und dieses E-Modul für die Querträger- und Fahrbahnlängsträgernachrechnungen angesetzt wie gemessen. Dann wurden aber zusätzlich zur Absicherung auch noch höhere Werte aus Fachliteratur und schlussendlich auch noch der bekannte E-Modul für moderne Baustähle von 210.000 N/mm² in Tastrechnungen untersucht und die damit erzielten Ergebnisse mit den Messungen und den Berechnungen abgeglichen und schlussendlich auch bei der Bewertung der statischen Berechnungen mitberücksichtigt.

Mithilfe der aus den Dehnungsmessstreifen erfassten Verformungen sowie des im Labor bestimmten Elastizitätsmoduls konnten die Spannungen an den Messstellen ermittelt und daraus detailliertere Rückschlüsse auf das tatsächliche Tragverhalten der Brücke gezogen werden. Basierend darauf wurde ein Berechnungsmodell entwickelt und so kalibriert, dass es das reale Strukturverhalten möglichst genau abbildet, wodurch sämtliche Tragfähigkeitsreserven ausgeschöpft werden. So gelang es schließlich, die Ermüdungssicherheit nach der aktuell gültigen Nachrechnungsrichtlinie auf Basis einer genauen Ermüdungsbetrachtung mit objektbezogenem, realistischem Ermüdungslastmodell unter Einbeziehung des an Messungen sowie Probenuntersuchungen kalibrierten Berechnungsmodells nachzuweisen – und das

sowohl für die Hauptträger als auch für die Querträger der vorhandenen Brückenkonstruktion, von der somit insgesamt ca. 89 % des verbauten Stahlbestands wiederverwendet werden können.

Das erfreuliche Endresultat für die „Klimakommune“ Sinn besteht nun v.a. darin, dass sich im Zuge des erbrachten Machbarkeitsnachweises für das Umbau- und Wiederverwendungskonzept eine CO2-Einsparung von ca. 67 Tonnen im Vergleich zum Neubaukonzept ergibt. Darüber hinaus erfolgte im Zuge der vorgenommenen Untersuchung auch ein aktueller Standsicherheitsnachweis, sodass die Brücke für die nächsten 10 Jahre bzw. bis zu einem möglichen Umbau wieder für den Fuß- und Radverkehr freigegeben werden kann. Das vorliegende Projektbeispiel der Straßenbrücke „Ruppertsmühle“ zeigt eindrücklich, wie elementar Mut und Innovationsgeist in Zeiten des globalen Klimawandels für einen umweltgerechten Transformationsprozess sind. Erst die konsequente und ambitionierte Verfolgung des Leitmotivs ressourcenschonender Bautätigkeit führt zu neuen Denkansätzen und schließlich Konzepten, die mit althergebrachten Konventionen brechen und neue Perspektiven auf dem Weg zu mehr Nachhaltigkeit eröffnen.

Die Arbeit besticht durch ihren kompetenten und zielführenden Umgang mit einem der zentralen, gesellschaftlich-volkswirtschaftlichen Themen der Gegenwart und Zukunft: Der Bewertung, Nachrechnung, Instandsetzung und nachhaltigen Weiternutzung von existierenden Infrastrukturbauwerken. Am Projektbeispiel der Stahlbrücke Ruppertsmühle aus dem Jahr 1892 wird ein fundiertes Planungs- und Analysekonzept für die Bewertung und Instandsetzung eines Bestandsbauwerks entwickelt und mit hoher Praxisrelevanz erprobt. Besonders überzeugt hat der umfassende Erprobungs- und Analyseprozess, mit präzisem Fokus auf die maßgebenden Teilaspekte wie die Bauwerksaufnahme, die Entnahme von Materialproben, die Werkstoffprüfungen und –analysen des Altstahls sowie die Instrumentierung der Brücke mit Sensorik und ein Monitoring unter Ansatz definierter Auflasten. Gekonnt ergänzt wurde ein numerisches Berechnungsmodell, validiert an den generierten Messdaten, zur Nachrechnung des Bestandsbauwerks. Hervorzuheben ist die finale Machbarkeitsstudie, mit der die Nachhaltigkeit der Weiternutzung als Fuß- und Radwegbrücke im Vergleich zu einem fiktiven Ersatzneubau über erhebliche CO2-Einsparungen verdeutlicht wird.

So belegt die Arbeit eindrucksvoll, wie Transformationsprozesse im Bestandsbrückenbau gelingen können. Sie setzt einen starken Impuls zur Bewertung und Weiternutzung alter Stahlbrücken, auch mit Blick auf größere Maßstäbe.

Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse bilden eine Grundlage für das Verständnis des Tragverhaltens modularer WiB-Rahmenecken unter variierender Lasteinleitung. Für zukünftige Untersuchungen erscheint es sinnvoll, Fugenversuche mit einer größeren Zahl an Kleinprobekörpern zu wiederholen und dabei die Ausbildung der Fuge zu verbessern. Eine angepasste Fugen- und Stahlträgergeometrie könnte die Lastübertragung vom belasteten zum unbelasteten WiB-Träger begünstigen. Zudem würde ein optimiertes Verankerungskonzept der Querkraftbewehrung die Tragfähigkeit der Fuge erhöhen. Parameterstudien an Berechnungsmodellen können darüber hinaus zur Optimierung der Fugengeometrie beitragen.

Die erarbeiteten Erkenntnisse bieten Anknüpfungspunkte für die Weiterentwicklung von Normen und können damit zur Optimierung modularer Brückensysteme beitragen. Gleichzeitig bilden sie eine fundierte Grundlage für die Kalibrierung numerischer Modelle, anhand derer weiterführende Erkenntnisse über die Wirkungsweise der untersuchten Tragstrukturen gewonnen werden können.

[1] Naraniecki, H. und Marx, S.: Zustandsentwicklung und -prognose von Eisenbahnbrücken. Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover, 2019

[2] Leistungs- und Fianzierungsvereinbarung: Infrastrukturzustands- und entwicklungsbericht 2023. 2023

[3] Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke – Teil 2: Verkehrslasten auf Brücken; Deutsche Fassung EN 1991-2:2003 + AC:2010. Dezember 2010

Die Arbeit besticht durch ihren kompetenten und zielführenden Umgang mit einem der zentralen, gesellschaftlich-volkswirtschaftlichen Themen der Gegenwart und Zukunft: Der Bewertung, Nachrechnung, Instandsetzung und nachhaltigen Weiternutzung von existierenden Infrastrukturbauwerken. Am Projektbeispiel der Stahlbrücke Ruppertsmühle aus dem Jahr 1892 wird ein fundiertes Planungs- und Analysekonzept für die Bewertung und Instandsetzung eines Bestandsbauwerks entwickelt und mit hoher Praxisrelevanz erprobt. Besonders überzeugt hat der umfassende Erprobungs- und Analyseprozess, mit präzisem Fokus auf die maßgebenden Teilaspekte wie die Bauwerksaufnahme, die Entnahme von Materialproben, die Werkstoffprüfungen und –analysen des Altstahls sowie die Instrumentierung der Brücke mit Sensorik und ein Monitoring unter Ansatz definierter Auflasten. Gekonnt ergänzt wurde ein numerisches Berechnungsmodell, validiert an den generierten Messdaten, zur Nachrechnung des Bestandsbauwerks. Hervorzuheben ist die finale Machbarkeitsstudie, mit der die Nachhaltigkeit der Weiternutzung als Fuß- und Radwegbrücke im Vergleich zu einem fiktiven Ersatzneubau über erhebliche CO2-Einsparungen verdeutlicht wird.

So belegt die Arbeit eindrucksvoll, wie Transformationsprozesse im Bestandsbrückenbau gelingen können. Sie setzt einen starken Impuls zur Bewertung und Weiternutzung alter Stahlbrücken, auch mit Blick auf größere Maßstäbe.