Gläserne Brücken: Unsichtbare Schäden erkennen, bevor Brücken einstürzen

11. September 2024: Wie aus heiterem Himmel bricht die Carolabrücke in Dresden zusammen und stürzt in die Elbe, nur wenige Minuten, nachdem eine Straßenbahn darüber gerollt ist. Äußerlich hatte man der Brücke, gebaut in den 1970er-Jahren, zuvor nichts angemerkt. Wie konnte es dazu kommen? Und wie lässt sich rechtzeitig erkennen, wann Brücken zu versagen drohen? Viele Brücken in Deutschland sind in einem kritischen Alter. Würde man Schäden rechtzeitig erkennen, könnte man die Nutzungsdauer sicher optimieren und Neubauten rechtzeitig planen, bevor die Brücke gesperrt werden muss.

„Wenn man genauer hinschaut, bricht keine Brücke ohne Vorwarnung ein“, sagt Dr. Mark Alexander Ahrens vom Lehrstuhl Massivbau der Ruhr-Universität Bochum. „Es gibt vorher immer Symptome.“ Man muss sie nur rechtzeitig bemerken.

Das allerdings ist gar nicht einfach, gerade bei Spannbetonbrücken wie der Carolabrücke, die den Großteil der Straßenbrücken in Deutschland ausmachen. Entwickelt wurde die materialsparende Bauweise nach dem Zweiten Weltkrieg. Da Beton zwar viel Druck, aber wenig Zugkräfte aushält, muss er mit Stahl verstärkt werden. Aufgrund von Reparationen an die Siegermächte war die verfügbare Menge an Stahl in Deutschland nach Ende des Zweiten Weltkriegs jedoch stark limitiert. 

„Man kann sparsamer bauen, wenn man Brücken durch eingelassene Stahllitzen stärkt, die von vornherein unter starke Zugspannung gesetzt werden, sodass das ganze Bauwerk vorgespannt ist“, erklärt Ahrens. Dazu werden in den frischen Beton nicht nur Stahlstäbe zur Bewehrung eingebracht, sondern auch Leerrohre einbetoniert. Durch sie hindurch zieht man mehrere dünnere Stahllitzen, die dann an den Enden gespannt werden. Zuletzt werden die verbleibenden Hohlräume im Rohr mit Mörtel verfüllt. Die erste Norm zu dieser Bauweise stammt aus dem Jahr 1953.

 Wir betrachten Beton als einen Schwamm. 
Mark Alexander Ahrens

Vom Moment der Verfüllung der Rohre an hat man keinen Einblick mehr in das, was sich darin tut. Idealerweise sollte sich auch nichts tun: Geschützt vor Luft und Wasser sollten die Litzen unbeeinträchtigt bleiben. „Allerdings betrachten wir Beton nicht als einen Stein, sondern mehr als einen Schwamm“, erläutert Mark Alexander Ahrens. „Er atmet sein Leben lang, reagiert auf die Witterung und durchläuft normale Alterungsprozesse.“

Darüber hinaus läuft auf Baustellen manchmal nicht alles ideal, und einiges wusste man auch einfach noch nicht, als man die ersten Spannbetonbrücken gebaut hat. Blieben die Litzen auf der Baustelle aufgrund von Verzögerungen länger liegen oder machte man an einem Tag Feierabend und setzte bestimmte Arbeitsvorgänge erst am nächsten Tag fort, konnte es vorkommen, dass doch Wassereinschlüsse und Luftbläschen in den Rohren blieben. 

An diesen Stellen ist dann Korrosion möglich, die von außen unbemerkt über viele Jahre langsam fortschreitet. Da die Litzen permanent unter starkem Zug stehen, bilden sich an den betroffenen Stellen Risse. Einzelne Litzen im Inneren der Brücke reißen, ohne dass es von außen auffällt. 

Doch eines Tages ist es so weit, dass die Brücke die Lasten nicht mehr tragen kann und scheinbar plötzlich versagt. „Wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion“ nennen die Experten das Phänomen, das die Carolabrücke zum Einsturz gebracht hat.

Die ersten Funde solcher Schädigungen wurden bereits in den 1980er-Jahren an der Prinzenallee in Düsseldorf gemacht. Zahlreiche Erkenntnisse darüber fanden inzwischen Eingang in die Normen. Vier Stahltypen, die viel für den Brückenbau verwendet wurden, sind besonders anfällig für wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion. In der Bundesrepublik wurden sie danach nicht mehr eingesetzt, in der DDR aber noch bis Mitte der 90er-Jahre. 

„Oft gibt es Unterlagen über alte Brücken, aus denen man entnehmen kann, welcher Stahl für die Vorspannung genutzt worden ist“, erzählt Ahrens. „So kann man das Risiko besser einschätzen. Manchmal sind die Angaben aber auch fehlerhaft oder nicht vorhanden.“ 

Darüber hinaus können Spannlitzen durch die wiederkehrende Belastung aus dem Straßenverkehr auch durch Materialermüdung versagen. Sogenannte Koppelfugen, an denen die Betonierabschnitte eines Bauwerks miteinander verbunden sind, sind besonders gefährdet. Daher plant man sie an mutmaßlich wenig belasteten Brückenstellen ein – das klappt mal gut, mal weniger.

Doch was kann man nun angesichts der bekannten Risiken tun, um rechtzeitig zu bemerken, wenn eine Brücke schwächelt? Die Forschenden im Massivbau haben dazu zwei Methoden entwickelt. 

Noah Sträter setzt auf Ultraschall. „Wir versehen die Brücke mit einem Netz aus Ultraschallsendern und -empfängern, etwa alle fünf Meter einen“, erklärt er. Die Sensoren werden in Bohrlöcher eingesetzt und diese danach wieder verfüllt. Die Ultraschallwellen durchlaufen die Brücke und ergeben ein charakteristisches Muster. 

Wiederholt man die Messung später und vergleicht die Muster, kann man daran ablesen, ob und an welcher Stelle sich im Inneren des Bauwerks etwas verändert hat. Denn Änderungen im Beton beeinflussen die Ausbreitung der Ultraschallwellen.

„Wir können durch die nachträglich eingebauten Sensoren natürlich nicht messen, ob sich die Brücke im Vergleich mit ihrem Neubauzustand verändert hat“, erklärt Sträter. „Aber wir sehen Änderungen zwischen fortlaufenden Messungen und können abschätzen, ob Schädigungsprozesse unsichtbar im Innern fortschreiten."

Sollte das so sein, kann man in engerem zeitlichem Abstand messen, um die Nutzungsdauer der Brücke sicher auszuschöpfen und rechtzeitig zu bemerken, falls das Bauwerk zu versagen droht. „Je schlimmer die Schädigungen sind, desto schneller schreiten sie voran“, so Noah Sträter. „Durch die Messungen kann man rechtzeitig feststellen, ob Gefahr besteht, und die Brücke verstärken oder notfalls sperren.“

Eine andere Methode hat Aeneas Paul entwickelt: Sein Ansatz basiert auf faseroptischen Sensoren aus Glasfaser, die über Längen von bis zu 50 Metern aufgeklebt werden und über die gesamte Länge der Brücke verteilt werden können – auch wenn sie kilometerlang ist. 

Die Glasfaser ist hochsensitiv für Dehnungen. Schickt man einen Laserpuls hindurch und wertet ihn aus, ergeben sich anhand des charakteristischen Fingerabdrucks der Glasfaser die Dehnungsänderungen des Bauwerks mit einer Auflösung von bis zu einem Millimeter. Wiederholt man die Messung und vergleicht die Werte, lässt sich exakt bestimmen, ob und an welchen Stellen sich die Brücke ausgedehnt oder gestaucht hat. 

„Versagen Spannlitzen im Inneren der Brücke, macht sich das an ihrer Oberfläche durch Dehnungseffekte bemerkbar, die man mit bloßem Auge nicht wahrnehmen kann“, erklärt Aeneas Paul. Die Glasfaser spürt solche minimalen Veränderungen auf. Auch so ließe sich ein Bauwerk überwachen und Symptome für ein mögliches Versagen ließen sich rechtzeitig feststellen.

Beide Verfahren haben Vor- und Nachteile: Die Ultraschallmessung ist vergleichsweise wenig aufwändig, verfügt aber über eine geringere Auflösung. Die Glasfaser ist hochauflösend, die Messung erzeugt aber auch enorme Datenmengen. Das Aufkleben auf die Brücke ist darüber hinaus eine heikle Angelegenheit. Bricht die Faser, so fällt der gesamte Sensor aus. Beide Messmethoden funktionieren im laufenden Betrieb der Brücke. Ereignisse wie das Überfahren eines schweren Lkws oder auch ein Unfall können herausgerechnet werden.

„Man braucht für jede Brücke ein spezielles Monitoringkonzept, das sich daran orientiert, welches Vorwissen man über sie hat“, sagt Mark Alexander Ahrens. Die Überwachung würde es möglich machen, rechtzeitig – Jahre vor dem möglichen Versagen – einen Neubau zu planen, der die Brücke später ersetzen kann, ohne dass Straßen über Jahre gesperrt bleiben müssen. 

Angesichts von rund 40.000 Fernstraßenbrücken, die überwiegend in den 1960er- bis 1980er-Jahren erbaut wurden, ist der Bedarf riesig.

Quelle: Ruhr-Universität Bochum, Fotos: Mark Alexander Ahrens (1,4,6), RUB, Kramer (2,3,5)