Experimentelle Untersuchungen zur Tragfähigkeit von modularen WiB-Rahmenbrücken

Erläuterungsbericht von Markus Öschay zur Einreichung beim Förderpreis des Deutschen Stahlbaues 2026

Die Ausarbeitung fasst die Ergebnisse einer Masterarbeit zusammen. Im Rahmen eines laufenden Forschungsprojekts war die geprüfte Person an der Planung und dem Aufbau des Versuchsstandes, der Durchführung der Versuche sowie der Auswertung der Messdaten maßgeblich beteiligt.

In Deutschland sind derzeit etwa 25.300 Eisenbahnbrücken in Betrieb, von denen 22,95 % als WiB-Brücken ausgeführt sind [1]. WiB (Walzträger im Beton) bezeichnet eine Verbundbauweise, bei der ein Stahlträger nahezu vollständig in Beton eingebettet wird. Diese Bauweise wird überwiegend für Einfeldträger oder Rahmenbrücken mit Spannweiten bis zu 20 Metern eingesetzt. Aufgrund ihrer schlanken Bauweise kommen WiB-Brücken vor allem im innerstädtischen Bereich zum Einsatz, wo die Bauhöhe durch den unterführenden Verkehr und die Anforderungen der Gleistrassierung stark begrenzt ist.

Bis 2029 stehen in Deutschland die finanziellen Mittel für Ersatzneubaumaßnahmen an 1.200 Brücken zur Verfügung [2]. Ein Großteil davon entfällt auf den Einsatzbereich von WiB-Brücken, die ebenfalls in integraler Bauweise umgesetzt werden können. Bei der integralen Bauweise wird der Überbau biegesteif mit den Endwiderlagern verbunden, wodurch Lager und Dehnfugen entfallen.

Da sich die zu erneuernden Brücken primär im innerstädtischen Bereich und zudem in Bahnhofsnähe befinden, dürfen die Ersatzneubauwerke nur minimale Bauzeiten aufweisen. Eine deutliche Reduktion der Bauzeit kann durch die modulare Bauweise ermöglicht werden, was zudem auch die Wirtschaftlichkeit steigert. Sperrzeiten werden deutlich reduziert, da die Bauarbeiten vor Ort hauptsächlich auf das Zusammensetzen vorgefertigter Segmente beschränkt sind. Der vollständige Verzicht auf Nassfugen unterstreicht dabei das Potenzial der modularen Bauweise.

Um den steigenden Bedarf an Ersatzneubauten im innerstädtischen Bereich zu decken, sind insbesondere die Schlankheit – bedingt durch das WiB-Profil und die integrale Bauweise – sowie die modulare Bauweise mit ihren kurzen Sperrzeiten von grundlegender Bedeutung.

Die modulare WiB-Rahmenbrücke verzichtet auf Nassfugen, Lager und Dehnfugen, reduziert die Bauzeit und hat einen schlanken Überbau. Über die Lebensdauer müssen keine Lager gewechselt werden, und im Schadensfall ist der Austausch einzelner WiB-Träger möglich. Die Brücke stellt eine Kombination verschiedenster Bauweisen dar und vereint Innovation, Wirtschaftlichkeit und Ökologie.

Allgemein herrschen zum Tragwerk noch offene Fragen. So fehlen in Bezug auf die Lastabtragung in Querrichtung des Überbaus und zur Rahmenecke ein Berechnungskonzept mit experimenteller Grundlage. Diese Arbeit untersucht experimentell die Realisierbarkeit der Bauweise, die die zuvor genannten Vorteile miteinander vereinen soll, und fokussiert sich auf die Lastabtragung einer Einzellast in Querrichtung des Überbaus.

Für die Versuchsreihe wurden Versuchskörper der modularen WiB-Rahmenkonstruktion im Maßstab 1:1,6 gefertigt (siehe Plakatabschnitt 2). Insgesamt wurden vier Versuche durchgeführt. Pro Versuch wurden drei WiB-Träger in Querrichtung miteinander verspannt und anschließend gemeinsam in einem Stahlbetonwiderlager eingespannt, sodass eine Rahmenecke ausgebildet wurde.

Die geometrische Konfiguration blieb bei allen vier Versuchen identisch, Unterschiede ergaben sich ausschließlich in der Position der Lasteinleitung. Die Belastung wurde stets am Ende eines Kragarms aufgebracht, jedoch wechselte der belastete WiB-Träger. Der Einfluss einer zyklischen Last wurde ebenfalls untersucht. Betrachtet man das Diagramm zum Lastprogramm im Bereich 3 des Plakats, wurden sechs statische Versuche (S1 bis S6) geplant. Zwischen den statischen Versuchen wurde jeweils ein zyklisches Paket (Z1 bis Z5) eingeordnet.

In Plakatabschnitt 3 werden zudem die vier Versuche (A, B, C und D) dargestellt. Versuch B und D versagten schon im ersten statischen Programm S1. Ein Einfluss einer zyklischen Belastung konnte entsprechend nicht untersucht werden; dennoch bieten die Versagensart und die daraus resultierenden Messergebnisse Aufschluss über den Tragmechanismus.

Allgemein kam folgende Messtechnik zum Einsatz:

• Dehnungsmessstreifen (DMS) am Stahlträger und an allen Gewindestäben

• Wegaufnehmer an der Unterseite des Kragarms

• Digital Image Correlation (DIC) seitlich am Rahmeneck

• HandySCAN

Im Rahmen der Masterarbeit wurden die Dehnungsmessstreifen und die Wegaufnehmer ausgewertet.

Der Abschnitt 4 des Plakats fokussiert sich auf die sechs aufschlussreichsten Diagramme der gesamten Auswertung. Zu sehen ist immer das statische Programm S1. Im linken Drittel sieht man bei der Belastung des linken Trägers die DMS-Werte der DMS am Stahlträgeroberflansch auf der Höhe der Lasteinleitung im Widerlager (Bereich mit höchstem Moment) und der Gewindestäbe (unteres Diagramm). In der Mitte sieht man die DMS-Werte an gleicher Position am Oberflansch. Das obere Diagramm zeigt ausschließlich Versuch A, das untere Diagramm Versuch D. Im rechten Drittel sieht man das Gleiche wie im linken Drittel, mit dem Unterschied, dass der rechte Träger belastet wird.

Die Diagramme im Abschnitt 4 zeigen eindeutig einen bevorzugten Lastweg. Wird die Einzellast über die Nutoberseite auf die Feder des benachbarten Trägers übertragen, resultiert daraus eine deutlich gleichmäßigere Lastverteilung über den Überbau. Wird der linke Träger belastet, haben wir die Konstellation „Nutoberseite drückt auf Feder“ in doppelter Ausführung. Wird hingegen die Einzellast wie bei der Belastung des rechten Trägers übertragen („Feder drückt auf Nutunterseite“), wird die Last deutlich schlechter über die WiB-Träger verteilt. Bereits unter 250 kN [3] (nach Lastmodell 71 aus DIN EN 1991-2: Einzellast auf Gleis) erhält der belastete rechte Träger deutlich mehr Last als die benachbarten Träger. Die Belastung des mittleren Trägers stellt eine Kombination beider Konstellationen dar. Zudem ist sie die realistischere der drei Belastungspositionen, da ein Gleis nicht auf Randträger positioniert wird. Die Diagramme zeigen ein gleichmäßiges Belastungsmuster aller drei Träger bis deutlich über 250 kN. Erst ab 500 kN sieht man erste Trendänderungen zwischen den drei Trägern; bei Versuch D (unteres Diagramm) erkennt man zudem das Versagen bei ca. 760 kN.

Allgemein konnte die Nutunterseite der Nut-Feder-Verzahnung als Schwachstelle im Überbau identifiziert werden. Zwei mögliche Gründe wurden erörtert:

1. Die Querkraftbewehrung liegt an der Nutunterseite ungünstig im Riss. Zudem liegt die Bewehrung nur lose auf dem Unterflansch – die Verankerung ist dementsprechend nicht ausreichend (siehe Abbildung 1).

2. Aus dem Lasteinleitungszylinder verteilt sich die Druckstrebe an der Nutoberseite besser im Beton. Einerseits wird die Feder des benachbarten Trägers aus Richtung des Stahlträgers und des Zylinders belastet. Auf der linken Seite in Abbildung 2 drückt einzig die Feder auf die Nutunterseite. Aufgrund der Steifigkeitsunterschiede zwischen Beton und Stahl entsteht eine einzelne, konzentrierte Druckstrebe zwischen Feder und Stahlträger.

Die klassische Bauweise „Walzträger im Beton“ hat sich seit vielen Jahrzehnten bewährt. Die vorliegende Arbeit soll dazu bei, dieses Prinzip auf ein neues Niveau zu heben: Statt Ortbeton sollen künftig modulare Fertigteile mit einbetonierten Walzträgern eingesetzt werden. Dieser Ansatz ermöglicht eine deutliche Reduktion von Sperr‑ und Bauzeiten, bietet präzise Fertigungsbedingungen und eröffnet neue Potenziale für Standardisierung, ohne dabei die notwendige Flexibilität im Infrastrukturbau einzuschränken. Gerade im Hinblick auf die bevorstehenden umfangreichen Ersatzneubauten stellt diese Weiterentwicklung einen zentralen Baustein für leistungsfähige und nachhaltige Brückenbauwerke dar.

Mit großem Engagement untersucht die Arbeit die entscheidende Frage der Lastweiterleitung zwischen den modularen Elementen – eine zentrale ingenieurtechnische Herausforderung. In vier sorgfältig geplanten und durchgeführten Versuchsreihen, bestehend aus statischen und zyklischen Belastungen, wird die Lastabtragung einer Einzellast in Querrichtung experimentell analysiert. Die Ergebnisse erlauben nicht nur die Identifikation möglicher Schwachstellen, sondern liefern auch fundierte, wissenschaftlich begründete Lösungsansätze zur Optimierung der Fugengeometrie, der Lastübertragung und der Bewehrungsführung.

Die Arbeit zeigt eindrucksvoll, wie aus präziser Messtechnik, methodischem Vorgehen und analytischer Tiefenschärfe ein Erkenntnisgewinn entsteht, der weit über den experimentellen Rahmen hinausreicht. Die gewonnenen Resultate tragen maßgeblich dazu bei, die WiB‑Bauweise an künftige Anforderungen anzupassen und sie für den großflächigen Einsatz bei anstehenden Brückenersatzmaßnahmen im Streckennetz zu stärken.

Diese Masterarbeit vereint wissenschaftliche Exzellenz mit hoher Ingenieurpraxisrelevanz. Sie steht beispielhaft für innovative Forschung, die nicht nur Fragen beantwortet, sondern aktiv Zukunft gestaltet.

Die Jury gratuliert ganz herzlich zu dieser herausragenden Leistung und würdigt diese Arbeit mit einem Lob.