Dynamische Analyse der Beanspruchungen im Brückenüberbau infolge Erschütterungen aus Gewinnungssprengungen im unmittelbaren Bereich der Pfeilergründung

Erschütterungen in der unmittelbaren Umgebung von vorhandenen Bauwerken stellen verantwortliche Tragwerksplaner immer wieder vor die Fragestellung, ob die aus den Erschütterungen resultierenden Beanspruchungen vom Bauwerk schadlos ertragen werden können. Dies gilt insbesondere für Sprengerschütterungen, deren Fortpflanzung über die Gründungssohle im Bauwerk nur schwer zuverlässig vorhergesagt werden können. Als Hilfsmittel für die Abschätzung der Verträglichkeit liefern gültige technische Regelwerke (z.B. DIN 4150 Teil 1) Prognosegleichungen zur Abschätzung der kritischen Schwinggeschwindigkeiten im Nahfeld (Gründungssohle) und Anhaltswerte für die tolerierbaren Schwinggeschwindigkeiten im Gründungsbereich und in der oberen Ebene des Bauwerks (z.B. DIN 4150 Teil 3). Diese gelten vordergründig für Bauwerke des üblichen Hochbaus. Anhaltswerte der tolerierbaren Schwinggeschwindigkeiten für Stahlbetonbrücken finden sich in der Schweizer Norm SN 640 312.

Gegenstand der nachfolgend beschriebenen dynamischen Untersuchungen war die Beurteilung einer erforderlichen Lademengenbegrenzung bzw. die Festlegung von Mindestabständen von den Pfeilerfundamenten für Gewinnungssprengungen im Kalksteinbruch Rohr, der von der Talbrücke Schindgraben im Zuge der Bundesautobahn BAB 71 überspannt wird.

Bei der Talbrücke Schindgraben handelt es sich um getrennte, extern vorgespannte Überbauten mit einer mit einer Breite b = 14,25m. Die Brücken verfügen über eine Gesamtlänge von 464 m und liegen in einem Kreisbogen mit einem Radius R = 3800 m. Die Überbauten bestehen jeweils aus einem Hohlkastenquerschnitt mit über die Länge konstanter Querschnittshöhe. Das statische System eines Durchlaufträgers setzt sich aus 10 Feldern mit einer Stützweite Lst = 47,50 m zusammen. Die beiden Randfelder weisen mit Lst = 46,50 m bzw. Lst =38,0 m kürzere Stützweiten auf. Die insgesamt 8 flachgegründeten Brückenpfeiler pro Richtungsfahrbahn sind mit über die Höhe konstantem Querschnitt ausgeführt. Entsprechend der Topologie des zu überbrückenden Tals betragen die Pfeilerhöhen zwischen 8,0 ? H ? 60,0 m.

Zur Überwachung der Sprengerschütterungen ist die Brücke mit einem Messsystem ausgestattet, das die Schwinggeschwindigkeiten bei jedem Sprengereignis an einem Stützenfuß und an einem Pfeilerkopf vertikal sowie in Längs- und Querrichtung aufzeichnet. Da die Konsequenzen einer Gewinnungssprengung dabei erst a posteriori festgestellt werden können, und gegebenenfalls für den Betrieb unzumutbare Brückeninspektionen mit unterbrochenem Verkehrsfluss erforderlich würden, sollte der Einfluss der Sprengerschütterungen rechnerisch analysiert werden.

Das Programmsystem STAAD.Pro gestattet mit der Durchführung von Time-History-Analysen mit wirklichkeitsnahen Anregungsfunktionen, die aus den vorliegenden Messaufzeichnungen entnommen werden können, die numerische Ermittlung der Eigenformen und der zugehörigen Eigenfrequenzen einschließlich der Massenpartizipationsfaktoren zur Abschätzung der zur erwartenden Schwingungsintensitäten. Gleichzeitig können die Auslenkungen, Schwinggeschwindigkeiten und Beschleunigungen für jeden Knotenpunkt des diskretisierten Berechnungsmodells ausgewertet werden. Zudem können für Stab- und Plattenelemente die maximalen Spannungsgrößen zahlenmäßig und grafisch ausgewiesen werden.

Es wurden dynamischen Analysen zur Abschätzung der erschütterungsbedingten Beanspruchungen mit folgenden Zielen durchgeführt:

• Berechnung der Eigenformen und zugehörigen Eigenfrequenzen einschließlich der Massenpartizipationsfaktoren vertikal sowie in Längs- und Querrichtung
• Bestimmung der Übertragungsfaktoren zwischen Stützenfuß und Pfeilerkopf für zahlreiche, messtechnisch aufgezeichnete Sprengereignisse
• Vergleich zwischen Messung und Berechnung zur Verifikation der Berechnungsergebnisse
• Ermittlung der maximalen Beanspruchungen (Spannungen) im Brückenüberbau
• Bewertung der tolerierbaren Mindestabstände / Lademengen unter statistischer Berücksichtigung der Streuungen

Für die Aufgabenstellungen wurde ein Berechnungsmodell erstellt, bei dem die Brückenpfeiler durch Stabelemente und die Überbauten mit Flächenelementen modelliert wurden. Die Belastung wurde durch Kraft-Zeit-Funktionen an einzelnen Fundamenten und zu vergleichszwecken als Baugrundbeschleunigung (groundmotion) aufgebracht.

Im Ergebnis konnten Mindestabstände bei feststehenden Lademengen, bzw. Lademengenbeschränkungen pro Zündstufe bei feststehendem Abstand von den Fundamenten festgelegt werden, bei denen uneingeschränkter Betrieb der Brücken gewährleistet werden kann.

Mangerig und Zapfe,
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Stahlbau, Heft 10, Oktober 2005