C07 - Adaption von Brücken: Erhöhung der Dauerhaftigkeit und Optimierung der Steifigkeit

Adaption von Brücken

Das Teilprojekt untersucht das Potenzial adaptiver Brücken anhand von drei vielversprechenden Adaptionszielen:

1. die nachträgliche Adaption von Bestandsbrücken zur Verlängerung der Lebensdauer,
2. die Adaption besonders leichter Brücken mit einem ungünstigen Verhältnis von Verkehrslast zu Eigengewicht, ebenfalls mit dem Ziel der Lebensdauerverlängerung und
3. die Adaption von steifigkeitsdominierten Brückenbauwerken zur Reduktion von Durchbiegungen.

Die Standsicherheit der Brücken ist dabei nicht unmittelbar betroffen, weshalb die Ausfallsicherheit für die Dimensionierung verhältnismäßig unkritisch ist.

In Deutschland herrscht großer Sanierungs- und Neubaubedarf bei Autobahn- und Eisenbahnbrücken. Aufgrund der seit Jahrzehnten zunehmenden Beanspruchung durch Schwerlastverkehr weisen Autobahnbrücken häufig eine nur noch geringe Lebensdauer auf. Eine nachträgliche Anbringung von Aktoren kann diese Beanspruchung reduzieren und die Lebensdauer steigern.

Der Einsatz von Hochleistungswerkstoffen bei Neubaubrücken reduziert die Querschnitte und damit das Gewicht von Brückenbauteilen. Das dadurch verringerte Verhältnis von Eigengewicht zu Verkehrslast vergrößert die Spannungsschwingbreiten bei Schwerlastüberfahrten und damit die Ermüdungsbeanspruchung. Durch eine gezielte Einbringung von Gegenkräften mittels Aktoren können diese Schwingbreiten verringert und die Lebensdauer verlängert werden.

Bei Brücken für Hochgeschwindigkeitszüge verursachen besondere Anforderungen an die Verformungsbegrenzungen einen hohen Materialaufwand. Adaptive Brücken können die Verformungen bei Zugüberfahrten aktiv reduzieren, sodass Querschnittsabmessungen reduziert, Ressourcen eingespart und Emissionen vermieden werden können. Die Ergebnisse der Teilprojekte B01 und C02 in der ersten Förderperiode haben gezeigt, dass gerade bei steifigkeitsdominierten Tragwerken ein großes Potenzial zur Masseneinsparung durch Adaption besteht.

Das Wirkprinzip der integrierten fluidischen Aktoren, mit denen der Lastabtrag von Biegeträgern manipuliert und Verformungen kompensiert werden können, kann auf Brücken übertragen werden, da auch hier der Lastabtrag überwiegend über Biegung geschieht.

Die zentralen Fragen im Teilprojekt C07 lauten:

• Wie können bestehende Erfahrungen und Konzepte für den Entwurf adaptiver Tragwerke auf Brückentragwerke übertragen werden?
• Wie kann durch eine (nachträgliche) Integration von Aktoren die Lebensdauer von Brücken gesteigert werden (Adaptionsziele 1 und 2)?
• Wie können Brücken bei gleicher Leistungsfähigkeit durch Adaption mit weniger Material ausgeführt werden (Adaptionsziel 3)?

Neben der konzeptionellen Entwicklung von aktuierten Brückentragwerken werden an strukturmechanischen Modellen Spannungen, Verformungen, Eigenfrequenzen, Schwingungsamplituden und benötigte Aktorkräfte (Stellwege, Stellgeschwindigkeit) berechnet. Die Ergebnisse werden an einem Funktionsmuster im verkleinerten Maßstab validiert.

PROJEKTTEAM

Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren 
Dr.-Ing. Arka Prabhata Reksowardojo
Prof. Dr.-Ing. Lucio Blandini

Institut für Baustatik und Baudynamik
Axel Trautwein, M. Sc.
Prof. Dr.-Ing. Manfred Bischoff

FORSCHUNGSFÖRDERUNG 
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)