Brücke über den Fluss Esinante
Über das Projekt
Die Brücke besteht aus neun Spannbetonträgern, die jeweils Spannweiten von bis zu 34 m erreichen und auf Gerber-Satteln aufliegen, die in den Mittelpfeiler eingebettet sind. Jeder Gerber-Sattel wird durch einen Fünf-mal-Drei-Querschnitt gebildet und verfügt über einen zentral angeordneten achteckigen Betonpfeiler, die zusammen einen robusten D-Bereich für die Übertragung von Querkraft- und Auflagerkräften bilden. Diese Sattel leiten die Lasten aus den Trägern in die Pfeilerunterkonstruktion ein und sind damit unverzichtbare Bauteile im gesamten Lastpfad.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Layout of the Gerber saddle}}}\]
Die aufgebrachten Lasten, die aus dem Fahrbahnmodell abgeleitet wurden, liegen zwischen 671 kN und 1039 kN, wobei in der Analyse eine äquivalente Einzellast von 550 kN verwendet wird. Der Sattel hat eine Dicke von 50 cm und ist auf die Querrippe des Pfeilerauflagers ausgerichtet. Die Struktur besteht aus Stahlbeton und wurde mit fortgeschrittener FEM mit nichtlinearer Finite-Elemente-Modellierung zusammen mit dem CSFM (Kompatibles Spannungsfeldverfahren) für D-Bereiche bewertet.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Section of the gerber saddle}}}\]
Ingenieurtechnische Herausforderungen
Die Hauptherausforderung bestand darin, die Tragfähigkeit der Gerber-Sattel sowohl im intakten als auch im geschädigten Zustand zu bewerten. Diese Elemente weisen aufgrund von Diskontinuitäten und konzentrierten Lasten komplexe Spannungsverteilungen auf, und herkömmliche Bemessungsnormen bieten für solche Fälle nur begrenzte Orientierung. Dies erforderte fortgeschrittene numerische Ansätze, um das tatsächliche Verhalten der Struktur zu erfassen.
Ein weiteres kritisches Problem war das Vorhandensein korrosionsbedingter Schäden, begünstigt durch Chloridkontamination aus Tausalzen. Korrosion beeinträchtigt die Bewehrungsquerschnitte, die Verbundfestigkeit und die Betonintegrität und verringert die Tragfähigkeit und Duktilität der Struktur im Laufe der Zeit. Die Vorhersage der langfristigen Sicherheitsreserve unter progressiven Schädigungsszenarien ohne direkte Felddaten zu Korrosionsraten erhöhte die Komplexität der Analyse zusätzlich.
Lösungen und Ergebnisse
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, verfolgte der Ingenieur einen mehrphasigen Ansatz. In der ersten Phase wurde ein detailliertes nichtlineares FEM-Modell entwickelt, um das Verhalten des Sattels unter Betriebslasten zu erfassen.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Results of the FEM analysis}}}\]
Die Analyse lieferte eine Kapazitätskurve mit einem maximalen Widerstand von 914 kN, was einen globalen Sicherheitsfaktor von 1,66 ergibt – deutlich über dem erforderlichen Schwellenwert. Der Versagensmechanismus umfasste ausgedehnte Rissbildung, Betonquetschen und lokale Instabilität der Bewehrungsstäbe nahe der Kragarmwurzel.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Capacity curve derived from the FEM analysis}}}\]
In der zweiten Phase wurde eine Korrosionsszenario-Modellierung durchgeführt, unter Verwendung validierter Schädigungsmodelle aus der wissenschaftlichen Literatur. Die Simulationen berücksichtigten Massenverlustquoten von 5 % bis 30 %. Bis zu 15 % Korrosion blieben die Sicherheitsfaktoren akzeptabel, mit 1,28 für Stahl und 1,63 für Beton. Jenseits dieses Schwellenwerts führten erhebliche Verringerungen der Duktilität und Verbundfestigkeit zu vorzeitigem Sprödversagen, insbesondere im Sattelbereich.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Corosion scenario used for advanced analysis}}}\]
Bei 30 % Korrosion stiegen die Verformungsraten im Stahl dramatisch an, was auf eine schwerwiegende strukturelle Anfälligkeit hinweist. Das Kompatible Spannungsfeldverfahren (CSFM) in IDEA StatiCa Detail wurde für D-Bereiche angewendet, bestätigte die FEM-Ergebnisse und hob die Bedeutung der Berücksichtigung von Verbund-Schlupf-Effekten unter Korrosion hervor.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Results of the CSFM analysis in IDEA StatiCa Detail - ULS and SLS, crack width}}}\]
Schlussfolgerungen
Die Studie kam zu dem Ergebnis, dass die Brücke derzeit zufriedenstellende Sicherheitsreserven aufweist, ihre langfristige Leistungsfähigkeit jedoch von der Kontrolle der Korrosion und der rechtzeitigen Durchführung von Maßnahmen abhängt. Empfohlen wurden regelmäßige Überwachung und vorbeugende Instandhaltung, um das Fortschreiten der Korrosion unterhalb kritischer Schwellenwerte zu begrenzen.
Italy
Die Analyse zeigte, dass fortgeschrittene nichtlineare Modellierung für die Bewertung komplexer Tragwerksbauteile wie Gerber-Sattel unverzichtbar ist, insbesondere unter Schädigungsszenarien. Dieser Fall unterstreicht die Notwendigkeit, Dauerhaftigkeitsmodelle in Tragwerksbewertungen zu integrieren, um die Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen sicherzustellen.
Über ing. Francesco Oliveto
Francesco Oliveto ist ein beratender Experte und ein Büro für fortgeschrittene numerische Modellierung und Analyse im Bereich Tragwerks- und Geotechnik.
Das Unternehmen bietet fortgeschrittene Tragwerks- und Geotechnikanalysen an, mit ausgeprägter Expertise in der seismischen Bewertung bestehender Gebäude, auch solcher mit Schäden oder Schädigungen. Die Arbeit umfasst Boden-Bauwerk-Interaktion, Tiefgründungsbemessung, Top-down- und Bottom-up-Aushubverfahren sowie lokale seismische Reaktion unter Einsatz modernster numerischer Modellierung (FEM, CSFM).