Historische Steinbogenbrücken unter horizontalen Murenanprall

Alpine Regionen besitzen auf Grund ihrer Topographie im Vergleich zu anderen geographischen Regionen eine erhöhte Tunnel- und Brückendichte. Historische Steinbogenbrücken bilden einen wesentlichen Anteil an diesem Brückenbestand. Diese Brücken haben trotz der Zunahme der Einwirkungen bisher ein hervorragendes Tragverhalten gezeigt. Allerdings ist eine weitere Steigerung der Lasten zur begrenzt möglich, da viele dieser historischen Brücken nicht für aktuelle Einwirkungen bemessen worden. Hierzu zählen neben den üblichen Verkehrslasten auch außergewöhnliche horizontale Einwirkungen quer zur Längsachse, wie z.B. Schiffsanpralle, Murenanpralle oder Steinschläge. Einstürze durch Murenanprall oder Flashfloods in den letzten Jahren belegen dies. Da Steinbogenbrücken seit über 2000 Jahren errichtet werden, existieren eine Vielzahl verschiedener Verfahren zu Abschätzung der Tragfähigkeit. Angefangen von einfachen geometrischen Regeln und Stabmodellen, die noch heute überwiegend in der Praxis Verwendung finden, haben sich in den letzten Jahren in zunehmendem Maße in der Forschung Finite-Elemente-Modelle und Diskrete-Elemente-Modelle durchgesetzt. Eine derartige Entwicklung von einfachen empirischen Ansätzen zu Diskreten-Elemente-Modellierungen hat auch die Abschätzungen der Anprallkräfte und -prozesse von Muren erfahren. Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist die Verknüpfung der Diskreten-Elemente-Modelle von historischen Steinbogenbrücken und Muren, um einfachere Ingenieurmodelle für die Trägfähigkeit solcher Brücken bei großen horizontalen Einwirkungen quer zur Längsrichtung auf den Überbau entwickeln zu können. Im Gegensatz zu einer Vielzahl von Arbeiten zur Abschätzung der Tragfähigkeit unter vertikalen Einwirkungen liegen derzeit keinerlei Arbeiten zur Abschätzung der Tragfähigkeit des Überbaus von historischen Steinbogenbrücken unter Horizontalkräften vor.

Historische Bogenbrücken bilden einen wesentlichen Teil der Österreichischen Schienen- und Strasseninfrastruktur. Brücken treten in Gebirgen auf Grund des Reliefs häufiger auf. Sie sind deshalb überproportional Alpinen Naturgefahren, wie z.B. Muren, ausgesetzt. Die noch bestehenden historischen Bogenbrücken wurden nicht für solche Einwirkungen bemessen. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden die Auswirkungen von Murenanprallen auf Bogenbrücken untersucht. Dazu wurden die Einwirkung, der Murenanprall, und der Widerstand, die Brücke, getrennt betrachtet. Die Murenanpralle wurden in Form von miniaturisierten Murenanprallversuchen experimentell an der Universität für Bodenkultur Wien untersucht. Während dieser Versuche wurde zwei repräsentative Murenmischungen bestimmt, ein neues Messinstrument für die Anprallkräfte und eine neue Formel zur Berechnung der Murenanprallkraft entwickelt. Diese Formel wurde auch auf Versuche in realen Grössenverhältnissen geprüft. Anschliessend wurde ein miniaturisierter Brückenbogen im Labor aufgebaut. Die vertikale Belastung und Feldmessungen an der Brücke, die als Grundlage für das Modell diente, erlaubten die Prüfung des Modells. Der miniaturisierte Brückenbogen wurde sowohl vertikal als auch horizontal belastet. Die horizontale Einwirkung wurde sowohl statisch als auch dynamisch aufgebracht. Horizontale Anprallversuche an Bogenbrücken dürften weltweit einmalig sein. Basierend auf den Verformungsmessungen am Modell und einem Finite Elemente Modell konnte der Kraftfluss in der Brücke bei Murenanprall nachvollzogen werden. Eine Prüfung der Modelle hinsichtlich Skalierung zeigte, dass die gemessenen Murenanprallkräfte und die eingetragenen Horizontalkräfte in der gleichen Größenordung lagen.Zusammenfassung kann man feststellen:Basierend auf zahlreichen miniaturisierten Versuchen wurde eine neue Formel für die Murenanprallkraft entwickelt, die auch an Realgrössenversuchen validiert wurde.Während der Versuche wurde eine repräsentative Murenmischung und einem Messsensor neu entwickelt. Die Miniaturversuche haben erheblich das Verständnis von Murenanprallen verbessert, da zahlreiche Parameter erfasst wurden. Es wurden Laborversuche an einem miniaturisierten Brückenbogen sowohl unter Vertikal- als auch unter Horizontallasten durchgeführt. Die Horizontallasten waren sowohl statisch als auch dynamisch (Anpralllasten).Basierend auf den Versuchsergebnissen und einem Finite Elemente Modell konnte das Tragverhalten der Bogenbrücken bei Anprall nachvollzogen werdenDamit ist die Grundlage für die Nachrechnung von historischen Bogenbrücken im Alpinen Raum geschaffen.Für die Umsetzung des rechnerischen Nachweises fehlt noch ein Sicherheitskonzept.