Schadensakkumulation bei der Bewertung von historischen genieteten Stahlbrücken

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Mensinger
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 571853242

Mit dem Ausbau des Eisenbahnnetzes im 19. Jahrhundert wurden in Deutschland zahlreiche Stahlbahnbrücken errichtet. Heute sind noch rund 10.000 dieser Brücken in Betrieb, etwa 5.000 stammen aus der Zeit vor 1920. Diese älteren Bauwerke verwenden genietete Verbindungen und haben über 100 Jahre Dienstzeit hinter sich – oft über ihre ursprünglich vorgesehene Lebensdauer hinaus. Dies wirft eine sicherheitsrelevante Frage auf: Müssen diese Brücken ersetzt werden oder kann ihr Betrieb unter Auflagen weitergeführt werden? Ein zentrales Kriterium für diese Entscheidung ist die Bewertung der Restnutzungsdauer. Diese erfolgt auf Basis des Nennspannungskonzepts und der Theorie der linearen Schadensakkumulation, auch bekannt als Palmgren-Miner-Regel. Diese Methode geht von einer linearen Summierung der Ermüdungsschäden bei jeder Lastwechselzahl aus – unabhängig von Lastfolge oder Wechselwirkungen. Besonders bei variierenden Spannungsamplituden oder Belastungen nahe der Dauerfestigkeit führt dies zu erheblichen Unsicherheiten. Da genietete Brücken häufig in diesem Bereich betrieben werden, sind die bisherigen Bewertungen oft konservativ und möglicherweise nicht realitätsnah. Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, die Bewertung der Ermüdungsschädigung genieteter Stahlkonstruktionen zu verbessern. Im Fokus steht das Ermüdungsverhalten bei niedrigen Spannungsamplituden nahe oder unterhalb der Dauerfestigkeit. Einflüsse wie Klemmlast, Lagerdruck und Lochgeometrie werden systematisch untersucht. Ziel ist die Entwicklung geeigneter Wöhlerlinien (S-N-Kurven), die die Besonderheiten genieteter Verbindungen besser abbilden als bisherige, oft zu pauschale Bemessungsansätze. Um die Streuung von Materialeigenschaften und Belastungsgeschichten zu berücksichtigen, werden probabilistische S-N-Kurven eingesetzt. Sie ermöglichen eine realistischere Erfassung der natürlichen Schwankungen in der Ermüdungsfestigkeit sowie der über Jahrzehnte gewandelten Beanspruchungen durch den Bahnverkehr. Für realitätsnahe Ergebnisse werden Ermüdungsversuche und Rissausbreitungsanalysen an originalen genieteten Verbindungen durchgeführt. Dadurch lässt sich die Dauer bis zur Rissinitiierung und das anschließende Risswachstum in realen Brückenelementen besser bestimmen. Der Abgleich mit früheren Ergebnissen erlaubt zudem die Bewertung älterer Modellannahmen. Ergänzend kommen Finite-Elemente-Methoden (FEM) zum Einsatz, um die komplexen Spannungsverhältnisse an Nietlöchern zu simulieren – einschließlich Klemmlasten, Lager- und Reibungskräften. Diese Simulationen liefern Erkenntnisse zu lokalen Spannungszuständen und dem Ermüdungsverhalten genieteter Verbindungen. Insgesamt leistet das Projekt einen wichtigen Beitrag zur sicheren und wirtschaftlichen Nutzung historischer Eisenbahnbrücken. Es schafft die Grundlage für fundierte Entscheidungen über Erhalt, Einschränkung oder Ersatz dieser Bauwerke und trägt so zur nachhaltigen Sicherung der Infrastruktur bei.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen