Bewertungsverfahren zur Beurteilung der Erdbebensicherheit von Brückenbauwerken

• Assessment system for the evaluation of the earthquake resistance of bridge structures

Renault, Philippe Lucien Arno; Meskouris, Konstantin (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2007)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Kurzfassung

Die Sicherheit von Brückenbauwerken nach einem Erdbeben ist für die Funktionsfähigkeit der Verkehrsinfrastruktur von entscheidender Bedeutung. Die Erdbebengefährdung von Brücken einzuschätzen, stellt wegen der großen Anzahl bestehender Brückenbauwerke unterschiedlichen Typs und Alters eine komplexe und mit hohen Kosten verbundene Aufgabe dar. In dieser Arbeit wird als Lösungsansatz ein systematisches Verfahren zur Beurteilung der Erdbebensicherheit des Brückenbestandes vorgestellt. Zunächst wird die zu beurteilende Brücke durch Zuordnung eines Brückentyps klassifiziert. Anschließend wird die strukturelle Bedeutung der Brücke eingeschätzt und das seismische Standortrisiko bestimmt. Basierend auf diesen Informationen wird die Erdbebensicherheit durch eine dreistufige Untersuchung beurteilt. Innerhalb der ersten Untersuchungsstufe wird die Brücke auf Grundlage von Fragilitätskurven bewertet. Zusätzlich können für jeden Brückentyp individuelle konstruktive Merkmale der Brücke durch ein umfangreiches Bewertungssystem berücksichtigt werden. Schwachstellen einer Brücke in Bezug auf Erdbebenlasten lassen sich mit dieser ersten Abschätzung bereits identifizieren. Diese Untersuchung kann mit geringem Zeitaufwand durchgeführt werden und als Entscheidungsgrundlage dienen, ob weitere Untersuchungsschritte notwendig sind. Zudem lässt sich durch den Vergleich der Ergebnisse schnell ein Prioritätenkatalog der untersuchen Brücken erstellen. Die zweite Untersuchungsstufe beinhaltet eine rechnerische Untersuchung der Brücke mit einem vereinfachten linearen Rechenmodell des Gesamtsystems nach dem multimodalen Antwortspektrenverfahren. Zum Einsatz kommen hierbei brückentypabhängige Schablonen, die eine weitestgehend automatische Generierung der Berechnungsmodelle ermöglichen. Das Ergebnis der zweiten Untersuchungsstufe ist die Überprüfung der Erdbebensicherheit auf Grundlage der berechneten Schnittgrößen und Verformungen. Die dritte Untersuchungsstufe besteht aus einer ausführliche Auswertung aller Brückenunterlagen, einer Brückeninspektion mit Schwingungsmessung und einer detaillierten dreidimensionalen Zeitverlaufsberechnung unter Berücksichtigung physikalisch und geometrisch nichtlinearer Effekte. Zur Durchführung der nichtlinearen transienten Analyse von Stahlbetonbrücken wurde ein nichtlineares Materialmodell für Balkenelemente in das FE-Programm ANSYS implementiert. Die Boden-Bauwerk Interaktion wird durch eine ebenfalls in ANSYS implementierte gekoppelte Randelementmethode - Finite Elemente Methode Formulierung berücksichtigt. Das vorgestellte Bewertungsverfahren ermöglicht die Beurteilung der Erdbebensicherheit von Brücken mit einem dreistufigen Untersuchungskonzept. Das systematische Vorgehen erlaubt eine problemorientierte Analyse mit minimalem Zeit- und Kostenaufwand. Die praktische Anwendung des in ein neu entwickeltes Managementsystem mit Anbindung an die bundesweit eingesetzte Brückendatenbank SIB-Bauwerke integrierten Verfahrens wird am Beispiel von Brücken im Kölner Raum demonstriert.