Die Anwendung der SPS-Technologie im Bahnbrückenbau

Pascal Händler, M.Sc.

Die Mehrheit der Bahnbrücken in Deutschland hat eine Länge von unter 20 m. Bei zukünftigen Ersatzneubauten von Brücken dieser kurzen Spannweite spielen vor allem die Gegebenheiten im Bestand, die Kosten und die Bauzeit eine entscheidende Rolle. Gerade in logistisch anspruchsvollen Fällen, wie beispielsweise in den oben gezeigten Bildern zu sehen, sind schlanke Trogbrücken aus Stahl vorteilhaft. Die Rahmenplanung der Bahn stellt für diese Brücken jedoch nur wenige mögliche Bauarten zur Verfügung, die sich vor allem in der Ausbildung des Querschnitts bzw. der Fahrbahn unterscheiden.

Die Bauweise mit einer sogenannten orthotropen Platte als Fahrbahn bietet ein hohes Einsparpotential für Material und damit Gewicht, ist jedoch durch ihre komplizierte Geometrie anfällig für Ermüdungserscheinungen und sorgt für hohe Herstell- und Unterhaltskosten. Bei der Bauweise mit einem sogenannten „Grobblech“ besteht die Fahrbahn aus einem einzigen bis zu 115 mm dicken Blech (siehe Bild 1 links und Bilder oben). Dies verringert zwar nicht unbedingt die Kosten der Herstellung, sehr wohl aber die des Unterhalts. Vor allem aber bietet diese Variante bei gleicher Tragfähigkeit eine höhere Schlankheit als die orthotrope Platte, sodass die Gesamthöhe des Brückenquerschnitts samt Aufbau reduziert wird.

Halbierte Querschnitte einer standardisierten Trogbrücke mit Grobblech (links) und einer möglichen alternativen Form mit quer orientiertem SPS (rechts)

Aufbau von SPS (Quelle: SPS-Technology Ltd.)

In dem laufenden Forschungsvorhaben wird eine neue innovative Möglichkeit zur Ausbildung der Fahrbahn als SPS beleuchtet. Das Sandwich-Plate-System, entwickelt und patentiert von SPS-Technology Ltd., ist ein Verbundsystem bestehend aus zwei starken, stählernen Deckschichten und einem Kern aus massivem Polyurethan (siehe Bild 1 rechts). SPS verbindet die Vorteile der beiden eingangs genannten Systeme: Die geringe Masse einer orthotropen Platte mit der einfachen Geometrie eines Grobblechs. Bisher wurde das System jedoch noch nicht zum Neubau von Bahnbrücken eingesetzt oder dahingehend betrachtet. In drei verschiedenen Detailstufen werden daher offene Fragen zur Anwendung von SPS im Bahnbrückenbau untersucht.

In einer übergeordneten Stufe des Projekts wird das Potential von SPS und seiner Anwendung in Fahrbahnen von Trogbrücken allgemein betrachtet. Dafür werden im Rahmen einer Parameterstudie Entwürfe von Bahnbrücken mit verschiedenen Spannweiten und verschiedenen standardisierten- und SPS-Fahrbahnen angefertigt und hinsichtlich verschiedener Faktoren wie z.B. der Gesamtmasse verglichen. Die Ergebnisse der anderen Untersuchungen des Projekts sollen dabei berücksichtigt werden.

In einer mittleren Detailstufe werden allgemeine Fragen zur Mechanik von Sandwichelementen mit dicken Deckschichten, Möglichkeiten zu deren Beschreibung und zu Auswirkungen von zeitlich veränderlichen Eigenschaften des Kernmaterials untersucht. Als Ziel sollen Empfehlungen für Ingenieure in der Praxis erarbeitet werden, wie SPS-Elemente sinnvoll und sicher modelliert und berechnet werden können, ohne deren zeitlich veränderliche Eigenschaften zu vernachlässigen.

In der dritten und detailliertesten Stufe des Projekts wird das Langzeitverhalten des im SPS verwendeten spezifischen Polyurethans (PUR) untersucht. Wie jedes Polymer verhält sich das im SPS verwendete PUR visko-elastisch und damit zeitabhängig. Für die Verwendung des Materials in Bahnbrücken, wo dieses ständig wirkenden Lasten ausgesetzt wird, muss dessen Verhalten über die Nutzungsdauer von 100 Jahren und darüber hinaus bekannt sein. Um dieses Langzeitverhalten zu untersuchen, werden viele verschiedene Versuche an Proben durchgeführt, welche vom Hersteller unter industriellen Fertigungsbedingungen hergestellt wurden. Dazu zählen unter anderem auch Kurzzeit-Zugversuche wie in Bild 3 exemplarisch dargestellt.