Trag- und Verformungsverhalten des historischen Bahrmühlenviaduktes (Untersuchungen mit der Finite-Elemente-Methode) von Peter Bodendiek aus Braunschweig 2007 Trag- und Verformungsverhalten des historischen Bahrmühlenviaduktes (Untersuchungen mit der Finite-Elemente-Methode) von Peter Bodendiek aus Braunschweig 2007 Von der Fakultät Architektur, Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig zur Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation Eingereicht am: 06.10.2005 Mündliche Prüfung am: 12.05.2006 1. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Horst Falkner 2. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Fengler 3. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. M. Kessel Kurzfassung Vorwort Die Arbeit ist während meiner Tätigkeit als wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut für Bau- stoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB) entstanden. Einen besonderen Dank möchte ich meinem Doktorvater, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.H. Horst Falkner, aussprechen für die gewähr- ten Freiheiten zur Fertigstellung dieser Arbeit und insbesondere für seine unermüdlichen Versuche mich zu promovieren. Herrn Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Fengler danke ich für die Übernahme des Mitberichts und das große Interesse an meiner Arbeit. Weiterhin möchte ich mich bei ihm für seine Unterstützung bedanken. Danken möchte ich Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.H. F.S. Rostásy für die Übernahme des Prüfungsvorsitzes. Mein Dank geht auch an mei- nen ehemaligen Abteilungsleiter Herrn Dr.-Ing. Siegfried Droese. Viele Gespräche um, am und über das Eisenbahnviadukt mit ihm waren erforderlich, um die Idee für diese Arbeit rei- fen zu lassen. Viele seiner Anregungen und Gedanken sind in die Arbeit eingeflossen. An Herrn Dr.-Ing. Volker Henke geht mein Dank für die sehr akribische Durcharbeitung des Ab- gabe-Exemplars. Meinem Freund aus Hamburg Herrn Dr.-Ing. Thorsten Kuhlemann möchte ich danken für die erste Durchsicht des Manuskriptes. Manche S-Bahnfahrten werden für ihn, beladen mit einem ganzen Koffer voller Satzzeichen, wohl zu einem unvergesslichen Erlebnis geworden sein. Dank möchte ich auch meinem Kollegen Marco Wichers ausspre- chen, der selbst im Urlaub meine Texte durchgesehen hat. Weiterhin möchte ich meinem Kollegen Guido Steven danken, unsere Verbundenheit zu Eintracht Braunschweig machten viele Gespräche einfacher. Danken möchte ich auch meinem "Nachbarn" Dirk Sperling für viele Anregungen, die ich in die Arbeit einfließen lassen konnte. Meinem ehemaligen Hiwi Herrn Dr.-Ing. Timm Braasch möchte ich danken für die Durchsicht der "ersten Auflage". Ei- nen weiteren Dank möchte ich noch meinem Freund Michael Rother aussprechen, der als Coach meinen Vortrag unermüdlich mit vorbereitet hat. Mein Dank geht auch an Helgard Walter-Freise, die meiner Arbeit den letzten schriftlichen Schliff gegeben hat. Dank sagen möchte ich auch den wissenschaftlichen Hilfskräften Jan-Phillip Hamdorf und Bernd Wagner. Für die Durchsicht der Arbeit möchte ich mich auch bei meiner zukünftigen Schwägerin Do- reen Hoechel und unserer Sekretärin Frau Erika Johrden bedanken. Nicht vergessen möchte ich auch unsere ehemalige Sekretärin Frau Hanni Keunecke, zu der ich während ihrer Dienstzeit ein freundschaftliches Verhältnis aufbauen konnte. Danken möchte ich ebenfalls meinen Kollegen am iBMB für das offene Betriebsklima und die Koope- rativität. Allen voran danke ich jedoch meiner Mutter Inge Bodendiek. Ich bin sehr froh, diese Arbeit fertiggestellt zu haben, in dem Wissen, dass diese Arbeit ohne ihren langjährigen Einsatz während meiner Ausbildung nicht möglich gewesen wäre. Ein großer Dank geht an meine zukünftige Frau Inka; sie hat mich bei allem stets unterstützt und hat großzügig über meine Macken hinweggesehen. Kurzfassung Kurzfassung Im 19. Jahrhundert ist eine große Anzahl von Gewölbebrücken aus Mauerwerk erstellt worden. Eisenbahnviadukte wurden mit längs- und quergegliederten Aufbauten ohne Verfüllung der Gewölbe oder mit einer Verfüllung (Mauerwerk) der Gewölbe zwischen den Aufmauerungen erstellt. Über 100 dieser Bauwerke befinden sich in Deutschland auch heute noch unter Eisenbahnbetrieb. Größere Radsatzlasten und höhere Zuggeschwindigkeiten sowie Umbauten am Eisenbahn-Oberbau und am Viadukt selbst machen eine genaue Beurteilung des Ist- Zustandes und die Berechnung des Trag- und Verformungsverhaltens erforderlich. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines Modells zur wirklichkeitsnahen Berechnung des Trag- und Verformungsverhaltens von Eisenbahnviadukten aus historischem Mauerwerk. An einem ausgewählten Eisenbahnviadukt unter Betrieb, dem Bahrmühlenviadukt, wurde ein Modell der gesamten Brücke mit Volumenelementen für eine FE-Berechnung erstellt; dazu sind eigene Kennwerte für die Arbeitslinien der verschiedenen Mauerwerksarten des historischen Viaduktmauerwerks erarbeitet worden. Am Beispiel des Bahrmühlenviaduktes wird gezeigt, dass Verformungen durch Umbaumaßnahmen am Viadukt per EDV mit geeigneten Materialgesetzen (Verifizierung der Materialgesetze durch Vergleichsberechnungen von Fremdversuchen) und unter Berücksichtigung der Tragfähigkeit der Aufmauerungen wirklichkeitsnah vorausgesagt werden können. Mit dieser Arbeit ist ein Beitrag geschaffen, der einfache und komplexe Fragen der Standsicherheit und Gebrauchsfähigkeit von Eisenbahnviadukten im Betrieb beantworten kann. Einfachere Fragen hinsichtlich der Standsicherheit können schnell mit dem in der Arbeit beschriebenen 2D-Stabmodell beantwortet werden; komplexere Fragen des Trag- und Verformungsverhaltens des Viaduktes können mit dem in dieser Arbeit entwickelten 3D-FE- Modell bearbeitet werden. Die Ergebnisse ermöglichen eine wirklichkeitsnahe Einschätzung des Tragvermögens alter Mauerwerksviadukte und dienen damit dem Erhalt dieser beeindruckenden Bauwerke sowie der besseren Beherrschung dieser Bauweise. Kapitel I Inhaltsverzeichnis Seite I.1 B. FORMELKURZZEICHEN UND BEZEICHNUNGEN F.1 ZITAT Z.1 1. EINLEITUNG 1.1 1.1 Allgemein 1.1 1.1.1 Altdeutsches Wort "Brücke" 1.2 1.1.2 Der Begriff "Eisenbahnbrücken" 1.2 1.1.3 Der Begriff "Eisenbahnviadukt" 1.2 1.1.4 Geometrie und Konstruktion des Bahrmühlenviaduktes 1.6 1.2 Gewölbte Eisenbahnbrücken 1.8 1.2.1 Konstruktionsarten 1.8 1.3 Problemstellung und Stand der Forschung 1.9 1.4 Überblick zur vorliegenden Arbeit und Zielsetzung 1.9 2. MAUERWERK 2.1 2.1 Allgemein 2.1 2.1.1 Hammerrechtes Bruchsteinmauerwerk für Bogen 2.3 2.1.2 Quaderartiges und Quaderbogenmauerwerk 2.3 2.2 Lichte Weiten 2.4 2.3 Eigenschaften von Mauerwerk und Mörtel 2.5 2.3.1 Allgemein 2.5 2.3.2 Mauerwerk aus künstlichen Steinen 2.6 2.3.3 Mauerwerk nach EC 6 2.13 2.3.4 Mauerwerk aus Naturstein 2.14 2.3.5 Natursteinmauerwerk in DIN 1053-1 2.18 2.4 Festigkeiten von historischem Mauerwerk 2.20 2.5 Mauerwerksfestigkeiten des Bahrmühlenviadukts 2.22 3. TRAGVERHALTEN GEMAUERTER BOGENBRÜCKEN 3.1 3.1 Allgemein 3.1 3.2 Bogen- und Gewölbeformen 3.2 3.3 Statische Systeme 3.3 3.3.1 Stützlinie 3.5 3.3.2 Knicklast und Bogenform 3.6 3.3.3 Der Bogen als Flächentragwerk 3.7 3.4 Tragende Mitwirkung der Aufbauten 3.7 3.4.1 Messergebnisse 3.9 3.4.2 Zusammenfassung 3.10 Kapitel I Inhaltsverzeichnis Seite I.2 4. NACHWEIS DER SPANNUNGEN IM GEWÖLBE 4.1 4.1 Spannungsnachweis im Mauerwerk nach DIN 1053-1 4.1 4.1.1 Allgemein 4.1 4.1.2 Spannungsnachweis in Gewölben 4.1 4.2 Bemessungsvorschlag von Hänel 4.3 4.3 Bemessungsvorschlag von Lachmann 4.4 4.4 Bemessungsvorschlag von Mildner 4.5 4.5 Richtlinie der Deutschen Bahn (DS 805) 4.5 4.6 Richtlinie der Deutschen Reichsbahn (DR) 4.5 4.7 Zusammenfassung der Nachweise der Biegedruckzone in Gewölbebrücken 4.6 5. MATERIALMODELL 5.1 5.1 Allgemein 5.1 5.2 Das Mauerwerk des Bahrmühlenviaduktes im Gewölbebereich 5.3 5.3 Das Mauerwerk des Bahrmühlenviaduktes im Pfeilerbereich 5.5 5.4 Außenwand, Innenwandmauerwerk und die Verfüllung des Bahrmühlenviaduktes 5.8 5.5 Zugfestigkeit parallel zur Lagerfuge am Beispiel des Pfeiler- mauerwerks 5.8 6. FE-VERGLEICHSBERECHNUNGEN 6.1 6.1 Allgemein 6.1 6.2 Versuch ZW1 an einer Wandscheibe aus Mauerwerk von Lurati/ Thürlimann 6.2 6.2.1 Ergebnis der FE-Berechnung der Wand ZW1 6.5 6.3 Versuch ZW2 an einer Wandscheibe aus Mauerwerk von Lurati/ Thürlimann 6.7 6.3.1 Ergebnis der FE-Berechnung der Wand ZW2 6.9 6.4 Versuch K2 an einer Wandscheibe aus Mauerwerk von Mojsilovic/ Marti 6.10 6.4.1 FE – Vergleichsberechnung mit Gewölbemauerwerk 6.13 6.5 Zusammenfassung 7. FE-MODELL EINER GEMAUERTEN EISENBAHNBRÜCKE AM BEISPIEL DES BAHRMÜHLENVIADUKTES 7.1 7.1 Gesamtmodell 7.1 7.1.1 Modellberechnung, gekrümmtes – gerades Modell 7.3 7.1.2 Modellberechnung, Lastfall Eigengewicht 7.4 Kapitel I Inhaltsverzeichnis Seite I.3 7.1.3 Modellberechnung, Lastfall Stützensenkung 7.7 7.2 Modell, Pfeiler 60 bis Pfeiler 100 7.9 7.2.1 Modellberechnung, Lastfall Eigengewicht 7.10 7.2.2 Modellberechnung, Lastfall Pfeilersetzung 7.12 7.2.3 FE – Modell in der weiteren FE - Berechnung 7.14 7.2.4 Modellberechnung, Lastfall UIC 71 Lastbild 7.15 7.3 Zusammenfassung 7.23 7.3.1 Vergleich "großes Modell – kleines Modell" 7.23 7.3.2 Lastfall UIC 71 Lastbild 7.24 8. BESONDERHEITEN BEI DER MAKROMODELLIERUNG DES BAHRMÜHLENVIADUKTES 8.1 8.1 Allgemein 8.1 8.2 Kraftübertragung in der Fuge 8.3 8.3 Zusammenfassung 8.7 9. VALIDIEREN DES FE-MODELLS 9.1 9.1 Zwang infolge Temperaturänderung im Viadukt 9.1 9.1.1 Dauerüberwachungssystem 9.1 9.1.2 Modellberechnung, Lastfall Eigengewicht und Temperaturerhöhung 9.2 9.1.3 Vergleich der Ergebnisse der FE-Berechnung 9.6 9.2 Zwang infolge Heben der Pfeiler 70 und 90 9.6 9.2.1 Dauerüberwachungssystem 9.6 9.2.2 Modellberechnung, Lastfall Eigengewicht und Heben Pfeiler 70 9.9 9.2.3 Modellberechnung, Lastfall Eigengewicht und Heben Pfeiler 90 9.12 9.2.4 Vergleich der Ergebnisse der FE-Berechnung 9.16 9.3 Zusammenfassung 9.16 10. BERECHNUNGEN MIT EBENEM STABWERKSPROGRAMM 10.1 10.1.1 Einfaches Gewölbetragwerk 10.1 10.2 Gewölbetragwerk mit mittragenden Aufbauten 10.3 10.2.1 Ersatzmodell der Fuge zwischen Aufmauerung und Gewölbe 10.3 10.2.2 2D-Stabmodelle 10.6 10.3 Zusammenfassung 10.16 11. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 11.1 11.1 Zusammenfassung 11.1 11.2 Ausblick 11.3 12. LITERATURVERZEICHNIS 11.1 Kapitel I Inhaltsverzeichnis Seite I.4 A.