Sicherheitsprüfung von Brücken

2017 gab es in den USA über 600.000 aktiv genutzte Brücken. Fast 9 % dieser Brückenkonstruktionen werden als mangelhaft eingestuft, d. h. ihr Zustand weist erhebliche Fehler auf und es bedarf Einschränkungen zur Aufrechterhaltung ihrer Sicherheit. Auch wenn eine mangelhafte Brückenkonstruktion nicht sofort eine Gefahr darstellt, müssen wesentliche Verbesserungen vorgenommen werden, um Gefahren langfristig auszuschalten.

Die durchschnittlich erwartete Lebensdauer einer Brücke liegt bei 50 Jahren, aber in den USA ist etwa jede vierte Brücke älter. Um sicherzustellen, dass Brückenkonstruktionen (neu und alt) fehlerfrei und sicher befahrbar sind, müssen sie regelmäßig überprüft werden. Um zu gewährleisten, dass Brücken auch sicher bleiben, nutzen Prüfer verschiedene zerstörungsfreie Prüftechniken. Zwar sind herkömmliche ZfP-Methoden zweckmäßig, aber sie sind nicht die effizientesten und zuverlässigsten. Die moderne Ultraschalltechnik ermöglicht es Prüfern, die Arbeit mit besseren Daten und zuverlässigeren Informationen durchzuführen.

Das Problem

Durchschnittlich werden täglich 174 Millionen Fahrten über mangelhafte Brückenkonstruktionen unternommen. Im Laufe der Zeit können sich durch ständige Gewichtsbe- und entlastung Risse und Abscherungen in den Schweißnähten und Bolzen der Tragwerkkonstruktion bilden. Vergrößern sich diese Fehler, kann das katastrophale Folgen haben. Um dies zu verhindern, müssen Fehler (wie Korrosion und Ermüdungsrisse) möglichst schnell und effizient erkannt werden.

Mögliche Fehler und Unregelmäßigkeiten in einer Schweißnaht.

Schweißnähte und Bolzen halten Stahlbrückenpfeiler zusammen. Sie sind besonders anfällig für Unregelmäßigkeiten, die zu Korrosion und Rissen führen können. Die Festigkeit der Schweißnaht verringert sich, wenn beispielsweise das Schweißmaterial nicht vollständig mit dem Stahl verschmolzen ist oder Lufteinschlüsse sich in der Schweißnaht befinden und Löcher erzeugen. Eine Schraubverbindung kann durch Abscherungen geschwächt werden, wenn die beiden befestigten Bauteile in entgegengesetzte Richtung gedrückt werden. Diese Schwachstellen erzeugen eine zentrierte hohe Spannungsbelastung, die zu Rissbildung führen kann.

Herkömmlich ZfP-Verfahren

Ein herkömmliches Verfahren für die Prüfung von Brücken ist die Eindringprüfung, bei der flüssiger Farbstoff verwendet wird, um Oberflächenrisse in Schweißnähten zu erkennen. Die Eindringprüfung weist nur wenige Einschränkungen bezüglich des Materials auf und ist zudem relativ kostengünstig, aber sie ist auf die Erkennung von Oberflächenrissen beschränkt, sodass Risse unter der Oberfläche unerkannt bleiben. Für die Verwendung der Eindringprüfung muss der Prüfer zudem direkten Zugang zur Prüfoberfläche haben, außerdem kann die Rauheit die Prüfempfindlichkeit beeinträchtigen.

Die Durchstrahlungsprüfung ist ein herkömmliches ZfP-Verfahren, mit dem sich auch eine Brücke prüfen lässt, die jedoch immer mehr zu einem Auslaufmodell wird. Bei der Durchstrahlungsprüfungen wird mithilfe von Röntgenstrahlung das Gefüge von Schweißnaht/Bolzen auf Röntgenfilm abgebildet, wobei vorhandene Diskontinuitäten in der Schweißnaht sichtbar gemacht werden. Dieses Verfahren birgt allerdings Sicherheitsrisiken, da es Strahlung aussendet und chemische Abfallmaterialien verursacht. Zudem ist eine zusätzliche Zulassung erforderlich, und Bereiche in der Nähe von Röntgenuntersuchungen müssen geräumt werden.

ZfP-Verfahren auf einem neuen Niveau

Phased-Array-Ultraschallverfahren (PAUT) bieten eine sichere und zuverlässige Alternative zur Eindringprüfung und Durchstrahlungsprüfung mit einer besseren Datenqualität. Ein Phased-Array-Prüfgerät verwendet einen Sensor zum Senden von hochfrequenten Schallwellen in Brückenpfeiler. Der Sensor erkennt die veränderten Schallwellen, wenn ein Fehler (Riss oder Korrosion) vorhanden ist. Die Daten werden an das Prüfgerät zurückgesendet, das sie dann in eine visuelle Darstellung überträgt, anhand welcher der Prüfer die Fehler identifizieren kann.

Ein weiteres hochmodernes ZfP-Verfahren ist die Wirbelstromprüfung. Wirbelstrom wird verwendet, um Risse unter der Oberfläche zu erkennen, die bei einer Eindringprüfung übersehen werden können. Ein Hauptvorteil von Wirbelstrom ist, anders als die Eindringprüfung, dass er auf lackierten oder beschichteten Oberflächen verwendet werden kann. Somit werden Zeit und Kosten reduziert, da das Entfernen von Beschichtungen oder Anstrich vor Prüfbeginn entfällt.

Schweißnähte können mit Wirbelstrom geprüft werden, ohne das der Anstrich entfernt werden muss.

Heute sind mehr als 54.000 Brücken älter als ihre erwartete Lebensdauer und müssten repariert und/oder erneuert werden. Um dies zu bewältigen, wären 37 Jahre nötig. Um die Sicherheit von aktiv genutzten Brücken zu gewährleisten, müssen Prüfer von Brücken alle die Fehler bestimmen können, die eine Lastbeschränkung erfordern. Daher sind Prüfgeräte, die mit Phased-Array und Wirbelstrom arbeiten, eine hervorragende Alternative zu Durchstrahlungsprüfung und Eindringprüfung.

Referenzen

American Society of Civil Engineers 2017 Infrastructure Report Card

American Road and Transportation Builders Association 2018 Deficient Bridge Report