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BAWBrief 2012/04: Gefährdung von Schleusen aus Stahlbeton infolge Materialermüdung und besondere Hinweise für die Bauwerksprüfung

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1 Einführung und Ausgangssituation

Ermüdungsschäden treten an Stahlbetonbauwerken relativ selten und dann meist in Kombination mit weiteren Schadensmechanismen auf. An Schifffahrtsschleusen aus Stahlbeton war Materialermüdung – ganz im Gegensatz zu deren Stahlwasserbauausrüstungen – in der Vergangenheit nicht bekannt. Im Frühjahr 2004 wurde ein Ermüdungsbruch an der östlichen Kammerwand der Schleuse Bamberg festgestellt (Fleischer et al., 2006). Die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) wurde mit der Ursachenklärung und der Ableitung entsprechender Schlussfolgerungen beauftragt. Auf Grund der Besonderheit dieses Schadens und der Bedeutung für die anderen Schleusen soll im Folgenden der Schaden beschrieben, die durchgeführten Untersuchungen kurz vorgestellt und Schlussfolgerungen für den Betrieb – speziell für die Bauwerksinspektion – gezogen werden.

Die Schleuse Bamberg am Main-Donau-Kanal wur-de 1964 fertig gestellt und gehört somit zur ersten Generation der insgesamt 16 Schleusen des Kanals. Die Schleusenkammer besitzt bei einer Breite von 12 m eine Fallhöhe von ca. 11 m. Das Bauwerk wurde nach der Stahlbetonnorm DIN 1045 (Ausgabe 1959) statisch bemessen und mit geripptem Betonstahl III RK („Torstahl“) bewehrt.

Der Schaden am Tragwerk wurde zunächst durch einen extrem starken Wasserandrang in der seitlich zur östlichen Kammerwand angeordneten und begehbaren Dränage auffällig (Bild 1, unten links). Im Rahmen einer genaueren Inspektion wurde in der Kammerwand ein stark klaffender Längsriss auf Höhe der Dränagegangsohle festgestellt. Der zum Bauteilinneren hin nach unten verlaufende Riss setzte sich bis in den darunter liegenden Schleusenlängslauf fort.

Aus diesem zum Leeren und Füllen der Schleuse dienenden Längslauf strömte in Abhängigkeit vom Kammerwasserstand Wasser durch den Riss bis in den Dränagegang. Nach dem Freilegen der aufgehenden Biegezugbewehrung musste festgestellt werden, dass diese über mehrere Kammerblöcke hinweg vollständig gerissen war (Bild 1, rechts unten).

Auffällig an den gerissenen Bewehrungsstäben war die durchweg verformungsarme Ausbildung der Bruchenden, die im Gegensatz zum allgemein bekannten Bruchbild mit Querschnittseinschnürung bei statischem Versagen steht (Bild 2). Dies ließ frühzeitig den Verdacht aufkommen, dass der Schaden maßgeblich auf Materialermüdung des Betonstahls zurückzuführen war, was sich durch die genaueren Untersuchungen (vgl. Fleischer et al., 2006) dann auch bestätigte. Dabei trat die Ermüdungsbeanspruchung der Biegezugbewehrung in Kombination mit Stahlkorrosion auf, für die vor Ort günstige Bedingungen gegeben waren. Infolge von Lochfraß entstehen dabei Kerben an der Stahloberfläche, die eine merkliche Reduzierung der Ermüdungsfestigkeit bewirken (Schwingungsrisskorrosion).

Bild 1: Querschnitt Schleuse Bamberg (oben) und überfluteter Dränagegang mit Detaildarstellung der gerissenen Bewehrung (unten)
Bild 2: Bruchenden des Bewehrungsstahls vor Ort (links) und nach Zugversuch im Labor
Bild 3: Beispiel Ermüdungsbruch an der Biegezugbewehrung an einer Schleuse (rechts mit Markierung des Rissbereichs)

2 Schadensformen bei Materialermüdung und Berücksichtigung in den Bemessungsnormen

Materialermüdung beschreibt einen unter zyklisch veränderlicher, mechanischer Belastung langsam voranschreitenden Schädigungsprozess innerhalb eines Werkstoffs. Beginnend mit Veränderungen im Mikrogefüge, weiter mit Ermüdungsrissbildung – i. d. R. ausgehend von der Bauteiloberfläche – entsteht eine fortschreitende Zerstörung des Materials bis hin zum Totalausfall des Bauteils. Signifikant ist, dass die Intensität der Beanspruchung unterhalb der Bruchgrenze des Werkstoffs liegt und bei quasi ruhendem Angriff zu keinerlei Schäden führt.

An Stahlbetonbauteilen ohne Querkraftbewehrung ist nach aktueller Norm DIN 1045-1 eine rechnerische Nachweisführung für drei Beanspruchungs- bzw. Versagenszustände zu führen:

a) Ermüdungsbeanspruchung der Biegezugbewehrung,
b) Ermüdungsbeanspruchung der Betondruckzone bei Biegebeanspruchung,
c) Betonzugermüdung infolge schiefer Hauptzugspan- nungen bei Querkrafteinwirkung.

Während sich die Versagensformen b) und c) durch Verformungen, größere Rissbildung oder Betonabplatzungen vorankündigen (Schäfli, 1999), erfolgt ein Ermüdungsversagen der Biegezugbewehrung plötzlich und ist im Rahmen der Bauwerksprüfung ohne besondere Maßnahmen kaum vorhersehbar. Einem solchen Ermüdungsversagen der Biegezugbewehrung mit typisch verformungsarmen Bruchflächen (weiteres Beispiel in Bild 3) ist deshalb besondere Aufmerksamkeit zu widmen.

Bild 4: Prinzipskizze zum Spannungsverlauf bei zyklischer Beanspruchung

Die maßgebenden Größen zur Bewertung der Materialermüdung an Stahlbetonschleusen sind die auftretenden Lastspiele n (Anzahl der Kreuzungsschleusungen) und die Spannungsschwingbreite Δσ in der Biegezugbewehrung infolge des zyklischen Lastwechsels von Ober- zu Unterwasserstand (vgl. Bild 4). Ob die Spannungsänderungen komplett im Zugbereich (Zugschwellbereich, blaue Kurve in Bild 4) oder im Zug-Druck-Bereich (Wechselbereich mit σ0 < ½ * Δσ, rote Kurve) stattfinden, spielt unter praktischen Gesichtspunkten eine eher untergeordnete Rolle und wird bei der Nachweisführung für den Bewehrungsstahl vernachlässigt. Die Größe der Mittelspannung σ0 geht damit nicht in die Berechnung ein. Es ist jedoch zu beachten, dass im Druckbereich Laständerungen am Tragwerk auf Grund der Mitwirkung des Betons kleinere Spannungsänderungen in der Bewehrung hervorrufen, als im Zugbereich. Beanspruchungen im Wechselbereich sind deshalb bei Schleusen unter sonst gleichen Bedingungen grundsätzlich günstiger einzuschätzen als solche im Zugschwellbereich.

Die Schleusen der WSV sind unterschiedlich stark ausgelastet; hoch frequentierte Anlagen können am Ende der planmäßigen Nutzungsdauer Lastspielzahlen n von über 5 * 105 aufweisen. Die Abhängigkeit der ertragbaren Spannungsschwingbreiten von den Lastspielzahlen wird bei Einstufenbelastung (Δσ = const.) mit der WÖHLER-Linie dargestellt. Diese Linie ist in der DIN 1045-1 für den üblichen Bewehrungsstahl vorgegeben und kann für praktische Zwecke auch für ältere Betonstähle mit geringerer Festigkeit angesetzt werden (Fleischer et al., 2006). Für den heutigen Betonstahl IV (BSt 500) mit einer Streckgrenze fyk = 500 N/mm2 beträgt die zulässige Spannungsschwingbreite bei ei- ner Lastspielzahl in der oben genannten Größenord- nung etwa Δσ = 170 N/mm2 und somit nur noch ca. 40 % der zulässigen Stahlspannung bei ruhender Last. Für den geringer festen, alten Stahl I (fyk = 220 N/mm2 ) hingegen gilt derselbe Wert Δσ für die zulässige Span- nungsschwingbreite, die dann jedoch annähernd 90 % der zulässigen Spannung bei ruhender Last betra- gen würde (Teilsicherheitsbeiwert jeweils 1,15). Spannungsschwingbreiten auf diesem Niveau sind hier bei einer korrekten statischen Bemessung für die ruhende Beanspruchung bei Einhaltung des geforderten Sicherheitsabstandes zur Streckgrenze nicht zu erwarten. Damit wird deutlich, dass eine Gefährdung infolge Materialermüdung an Schleusen mit Bewehrung aus Betonstahl BSt I im Allgemeinen ausgeschlossen werden kann.

Im Stahlbau gehören statische Nachweise gegen Ermüdungsversagen seit langem zu den Standardnachweisen. Auch im Stahlwasserbau wurde nach der Häufung von Ermüdungsschäden an geschweißten Schleusentoren und Umlaufverschlüssen in den 1980er Jahren entsprechende Erweiterungen des Vorschriftenwerks vorgenommen. Konkrete Nachweise gegen Ermüdungsversagen von Betonkonstruktionen hingegen wurden in den früheren Normen lediglich für Kranbahnen und Brücken verlangt. Ansonsten waren nach DIN 1045 bis zur Ausgabe 1972 keine speziellen Ermüdungsnachweise zu führen. In diesem Kontext ist auch der Schadensfall an der 1964 fertig gestellten Schleuse Bamberg zu sehen. Obwohl die damalige Norm Ermüdungsnachweise nicht explizit vorsah, wurden in verantwortungsvoller Weise vom Planer Expertisen eines kompetenten Hochschulinstituts eingeholt. Darin wurde jedoch die Beanspruchung durch Materialermüdung an den Main-Donau-Kanalschleusen als nicht relevant eingestuft.

Im späteren Normenwerk war die Spannungsschwingbreite im Bewehrungsstahl höherer Festigkeit pauschal auf 180 N/mm2 begrenzt. Die für die Bemessung von massiven Wasserbauwerken maßgebende DIN 19702 forderte ab Ausgabe 1988 explizit einen Ermüdungsnachweis für den Betonstahl bei Lastspielzahlen größer 105. Für Schleusen aus Stahlbeton wurde erstmals mit der ZTV-W 215, Ausgabe 1998, zur Erfassung der zyklischen Beanspruchung durch die wechselnden Betriebswasserstände bei n > 105 ein Ermüdungsnachweis – getrennt für Bewehrungsstahl und Beton – gefordert, allerdings ohne Vorgabe entsprechender Nachweisformate für die oben unter a) bis c) beschriebenen Versagensformen. Diese Formate bzw. Nachweisgleichungen sind erst in der DIN 1045-Ausgabe 2001 bzw. der korrigierten Fassung von 2008 unter Abschnitt 10.8 verankert. Mit Herausgabe der aktuellen Fassung der DIN 19702 im Jahr 2010 wurde letztendlich die Lastspielzahl, ab der Ermüdungsnachweise zu führen sind, auf n > 2 * 104 herabgesetzt.

Erfahrungen der letzten Jahre bei der Planung von Schleusenneubauten zeigen, dass diese Ermüdungsnachweise häufig bemessungsrelevant sind. Ergänzend an dieser Stelle ist im Hinblick auf den Schadensfall Bamberg jedoch darauf hinzuweisen, dass bei der Bemessung ermüdungsrelevante Einflüsse durch Korrosion – zumindest im Bereich wasserbautypischer Lastspielzahlen n < 106 – unberücksichtigt bleiben.

3 Bisherige Untersuchungen und Ergebnisse

In Anbetracht der beschriebenen Situation erfolgte nach der Auswertung des Schadensfalls an der Schleuse Bamberg eine Untersuchung bzw. Bewertung der jeweiligen Ermüdungsgefährdung an den anderen 15 Schleusen der betroffenen Wasserstraße durch die BAW. Mit Erlass EW 23/52.08.03/36 BAW 05 des BMVBW vom 21. Dezember 2005 wurde darüber hinaus der Untersuchungsumfang auf alle bewehrten Schleusen der WSV ausgedehnt. Das aufgestellte Untersuchungsprogramm sah die drei Bearbeitungsstufen A (Bestandswerkauswertung), B (statische Nachrechnung mit üblichen Verfahren) und C (nichtlineare Tragwerksanalyse) vor (Tätigkeitsbericht der BAW, 2006). Die listenmäßige Erfassung der Anlagen, die Aussonderung nicht relevanter Schleusenkammern, das Zusammentragen der Bauwerksdaten und die Ausfüllung der bereitgestellten Erfassungsformulare erfolgte dabei durch die eingeschalteten Wasser- und Schifffahrtsdirektionen bzw. dort durch die hinzugezogenen Ämter. Teilweise wurden von den Ämtern auch erfahrene Ingenieurbüros (Stufe B) beauftragt.

Auf Grund des großen Bauwerksbestandes bzw. der Vielgestaltigkeit der verschiedenen Schleusenanlagen war es nicht möglich, jede einzelne Anlage mit den jeweils zugehörigen Objektteilen (teilweise mehrere Kammern, Häupter, Maschinenhäuser, Sparbecken etc.) komplett zu überprüfen. Deshalb erstreckten sich die Untersuchungen nur auf die Schleusenkammern mit bestimmten Querschnittsparametern (vgl. Bild 5) unter Ansatz vorgegebener Aussonderungskriterien. So wurden lediglich Bauwerke mit Betonstahl III (BSt 420) oder IV (BSt 500) mit Fallhöhen größer 3 m betrachtet, die vor 1998 errichtet wurden.

Die Erfassung im Bereich der Wasser- und Schifffahrtsdirektionen ergab zunächst, dass ca. 140 Schleusenkammern hinsichtlich einer Ermüdungsbeanspruchung näher zu betrachten waren. Nach konsequenter Anwendung der Aussonderungskriterien und Plausibilitätsbetrachtung in der Untersuchungsstufe A verblieben 24 Bauwerke, die im Rahmen der Bearbeitungsstufe B einer statischen Nachrechnung zu unterziehen waren. Für die Mehrzahl der betroffenen Anlagen konnte danach die Untersuchung abgeschlossen werden. Hinsichtlich der vereinzelt festgestellten Defizite geringeren Umfangs konnte auf Grund der Erfahrungen bei der vorangegangenen, intensiven Analyse an den Schleusen am Main-Donau-Kanal davon ausgegangen werden, dass mit einer genaueren FEM-Berechnung unter Berücksichtigung des nichtlinearen Materialverhaltens ausreichend Sicherheitsreserven nachweisbar sind. Auf weitere, aufwändige Tragwerksanalysen wurde deshalb verzichte. Lediglich an zwei Bauwerken blieben Zweifel bestehen, sodass zum Nachweis eines akzeptablen Sicherheitsniveaus eine Betrachtung nach den Kriterien der Stufe C notwendig wurde.

Die Untersuchungen haben insgesamt gezeigt, dass von den Stahlbetonschleusen im Bereich der WSV nur an wenigen Schleusenkammern die konstruktiven Bedingungen für eine konkrete Standsicherheitsgefährdung infolge Materialermüdung der Biegezugbewehrung gegeben sind. Statisch-konstruktiven Besonderheiten – wie sie an den gefährdeten Schleusen des nördlichen Main-Donau-Kanals auftreten – sind für Bauwerke an anderen Wasserstraßen eher untypisch. Dennoch ist zu beachten, dass durch das selektive Vorgehen nicht der gesamte Bestand an zyklisch beanspruchten Stahlbetonkonstruktionen im Bereich der WSV lückenlos erfasst werden konnte. Schleusenhäupter und Sparbecken wurden auf Grund des geringeren Schadenspotenzials gar nicht betrachtet. Schäden infolge Materialermüdung können deshalb nicht vollständig ausgeschlossen werden. Zusammenfassend zu den durchgeführten Untersuchungen ist auf Folgendes besonders hinzuweisen:

  • Schleusen gehören zu den wenigen Stahlbetonbauwerken, an denen auf Grund der typischen Belastungs- und Tragwerkseigenschaften grundsätzlich Ermüdungsschäden auftreten können, die auch bereits beobachtet wurden.
  • Ein besonderes Risiko geht von Ermüdungsversagen der Biegezugbewehrung aus, da hier der Bruch

– zumindest bereichsweise – plötzlich und weitgehend ohne Vorankündigung erfolgt.

  • Bauwerke, an denen Schäden infolge Materialermüdung grundsätzlich möglich sind, zeichnen sich dadurch aus, dass sie mit Betonstahl III (BSt 420) oder IV (BSt 500) relativ schwach bewehrt sind und bei größerer Fallhöhe einen relativ schlanken Querschnitt besitzen.
  • Aus den statischen Betrachtungen und Berechnungen an verschiedenen WSV-Schleusenkammern ergeben sich zunächst keine Hinweise darauf, dass bestandsumfassend von einer konkreten Gefährdung durch plötzliches Tragwerksversagen infolge Materialermüdung der Biegezugbewehrung ausgegangen werden muss.

Ergänzend ist jedoch zu vermerken, dass im Ergebnis der durchgeführten Untersuchungen lediglich rechnerische Standsicherheiten ermittelt wurden. Ermüdungsschäden treten – wie die beobachteten Fälle zeigten – meist in Kombination mit weiteren Schadensmechanismen (vorrangig Korrosion) auf. Besonders auf Grund der letztgenannten Feststellung ergeben sich spezielle Anforderungen an die Durchführung der Bauwerksinspektion.

4 Schlussfolgerungen für die Bauwerksinspektion

Da Ermüdungsschäden an der Biegezugbewehrung weitgehend ohne Vorankündigung auftreten, kann die Aufgabe der Bauwerksinspektion nach VV-WSV 2101 nur in einem überwiegend prophylaktischen Vorgehen bestehen. Zum einen sind Tragwerksbereiche zu lokalisieren, an denen ein Versagen grundsätzlich möglich ist und auf Grund der konkreten Zustandsentwicklung ggf. auch zu erwarten ist (z. B. Verdacht auf fortschreitende Korrosion). Zum anderen müssen Tragwerksteile möglichst frühzeitig erkannt werden, an denen ein ermüdungsbedingter Teilausfall der Biegezugbewehrung bereits zu Veränderungen am Tragwerk geführt hat, ohne dass bereits ein Kollaps des Gesamtsystems eingetreten ist.

Bei der Inspektion sollte jeweils das Gesamtbauwerk mit Schleusenkammer, Häuptern, ggf. Sparbecken und eventuell in das Tragwerk integrierte Maschinenhäuser u. ä. betrachtet werden. Hinsichtlich der Anfälligkeit seitens korrosionsforcierter Ermüdungsschäden stehen Schleusen mit den folgenden Tragwerkseigenschaften im Vordergrund:

a) Hinsichtlich Konstruktion und Tragwerk
→ Baujahr ab 1960 (Betonstahl III oder IV),
→ Fallhöhe ab 3 m,
→ hohe Lastspielzahlen (n > 105 bezüglich der Gesamtstandzeit),
→ schlankes, gegliedertes Tragwerk mit geringen Wanddicken, Längs- und Grundläufen etc. (vgl. Bild 5, „gegliederter Halbrahmen“ in zweiter Zeile).

b) Hinsichtlich Korrosionsgefährdung
→ geringe Betondeckung,
→ große Rissbreiten (z. B. bei geringen Bewehrungsgraden),
→ Risse und besonders Trennrisse mit wechselnder Durchfeuchtung.

Bild 6: Beispiel für ein hinsichtlich Materialermüdung exponiertes Bauteil an einer Schleusenkammer
Bild 7: Beispiel für ein ermüdungsrelevantes Bauteil an einem Sparbecken

Im Bild 6 ist ein Beispiel für ein hinsichtlich Schwingungsrisskorrosion besonders signifikantes Bauteil dargestellt. Es handelt sich um den Fußbereich einer frei stehenden, nicht hinterfüllten, höheren Schleusenkammerwand. Die rechte Wand der abgebildeten Kammer wird im Horizontalschnitt durch einen plattenbalkenähnlichen Querschnitt gebildet. Der kammerseitig gelegene Teil (Plattenbereich) ist infolge Wasserdruckbeanspruchung bei gefüllter Kammer komplett auf Zug beansprucht und dementsprechend mit horizontalen Trennrissen versehen. Bei geringen Bewehrungsgraden entstehen größere Rissbreiten, sodass bei Oberwasserständen der Riss durchströmt wird. Bei Unterwasserständen fällt der Riss trocken und Luft kann an die Biegezugbewehrung gelangen. Es herrschen deshalb besonders günstige Korrosionsbedingungen.

Im Gegensatz zum eher selten vorkommenden Fall nach Bild 6 ist im Bild 7 ein Beispiel für eine häufig gegebene Konstruktion im Sparbeckenbereich dargestellt. Die relativ schlanke Wand des Oberbeckens wird durch den Sparbeckenbetrieb zyklisch auf Biegung beansprucht. Die Biegerisse am Wandfuß werden zwar nicht durchströmt, durch das teilweise Trockenfallen des Beckens besteht aber die Möglichkeit ausreichender Sauerstoffzufuhr, sodass auch hier recht günstige Bedingungen für Stahlkorrosion bestehen.

Im Rahmen der Bauwerksprüfung sollten Bauteile der beschriebenen Art – falls die anderen oben angeführten Tragwerkseigenschaften ebenfalls zutreffen – überaus genau inspiziert werden. Ist gemäß Bestandsunterlagen nur wenig Bewehrung vorhanden und treten deshalb hohe Spannungsschwingbreiten infolge Schleusenbetrieb auf, ist besondere Aufmerksamkeit erforderlich. Bei unklarer Sachlage sollte eine genauere Untersuchung, ggf. mit partieller Bewehrungsfreilegung und rechnerischer Ermittlung der Spannungsschwingbreiten, durchgeführt werden.

5 Literatur

Fleischer, H.; Lutz, M.; Deutscher, M.; Ehmann, R. (2006): Materialermüdung an einer Schiffsschleuse aus Stahlbeton, Bautechnik 83 Heft 6

Schäfli, M. (1999): Ermüdung von Brückenfahrbahnen aus Stahlbeton, Dissertation EPFL Lausanne

Tätigkeitsbericht der Bundesanstalt für Wasserbau (2006)

Ansprechpartner

Dr.-Ing. Helmut Fleischer
Abteilung Bautechnik
Referat B1 Massivbau
Telefon: 0721 9726 2810
Fax: 0721 9726 2150 E-Mail: helmut.fleischer@baw.de

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