Nichtlineare Tragwerks­analyse (NiTrA) (Massivbau)

Nach ca. 40 Betriebsjahren wurde an der östlichen Kammerwand der Schleuse Bamberg (Main-Donau-Kanal) ein Ermüdungsbruch an der Hauptbiegezugbewehrung festgestellt. Auch an anderen Bauwerken im Bereich der Bundeswasserstraße wurden Schäden infolge Materialermüdung gefunden. Die BAW wurde mit der Ursachenklärung und der Ableitung entsprechender Schlussfolgerungen beauftragt. Aufgrund der Besonderheit von Schäden infolge Materialermüdung mit dem damit verbundene hohen Risikopotenzial und der Bedeutung für die anderen Schleusen bzw. zyklisch beanspruchten Wasserbauwerke war es notwendig, eine umfassende Überprüfung der Standsicherheit an den Schleusen des Main-Donau-Kanals und darüber hinausgehend auch im Bereich der anderen Bundeswasserstraßen durchzuführen. Die statischen Untersuchungen erfolgen im Rahmen eines dreistufigen Untersuchungsprogramms, dessen letzte Stufe eine nichtlineare Systemtragwerksanalyse mit dem eigens hierfür aufgestellten System „NiTra“ ist.

Aufgrund der seit Bauwerkserrichtung wiederholt stattgefundenen Überarbeitung des Regelwerks sind bei formaler Anwendung der aktuellen Bemessungsnormen mit den üblichen statischen Modellen erfahrungsgemäß keine ausreichenden Sicherheiten nachweisbar. Die Ursachen hierfür liegen in den heute anspruchsvolleren Ansätzen für Lasten und Einwirkungskombinationen. Rechnerische Tragfähigkeitsreserven infolge der damaligen statischen Modellierung einschließlich zurückhaltend angesetzter Bauteilwiderstände können diese Defizite nicht ausgleichen. Deshalb ist es wichtig, dass die betroffenen Schleusen möglichst realitätsnah statisch modelliert werden. Realitätsnah heißt, dass einerseits eine komplexe Erfassung von Bauwerk und Boden unter Einbeziehung der gegenseitigen Wechselwirkung (Bauwerk-Boden-Interaktion) erfolgt. Andererseits ist es erforderlich, bei einer zweidimensionalen Betrachtung im Querschnitt der jeweiligen Schleusenkammer sowohl die Geometrie unter Beachtung des Scheibencharakters (D-Bereiche) als auch die Stoff-Nichtlinearitäten bzw. das plastische Verhalten des Stahlbetons und des Baugrundes angemessen zu berücksichtigen.

Hinweise zu statischen Tragfähigkeitsnachweisen auf der Basis nichtlinearer Stoffgesetze und das hierzu erforderliche Sicherheitsformat mit den verschiedenen Sicherheitselementen auf Einwirkungs- und Widerstandsseite sind in den geltenden Normen nur im begrenzten Umfang enthalten. Grundlegende Forderungen für Stahlbetonkonstruktionen sind im Abschnitt 8.5.1 der DIN 1045-1 (2008) bzw. im zugehörigen Abschnitt im Heft 525 des DAfStb formuliert. Die dortigen Vorgaben werden in das Nationale Anwenderdokument für die Europäische Stahlbetonnorm EC2 eingehen.

Für den geotechnischen Bereich verzichtet DIN 1054 (2005) auf konkrete Vorgaben. Erst in letzter Zeit wurden hierzu im Zusammenhang mit der Arbeit am Eurocode EC 7 Empfehlungen erarbeitet, die sich jedoch ausschließlich auf die geotechnischen Belange konzentrieren. Zufriedenstellende Festlegungen für ein ausgewogenes Sicherheitsformat für numerische Untersuchungen an komplexen Tragsystemen aus Baugrund und Stahlbeton fehlen jedoch bis heute. Im Rahmen der Standsicherheitsuntersuchungen an den oben genannten Stahlbetonschleusen war es deshalb zunächst erforderlich, eine Nachweiskonzeption aufzustellen und zu formulieren, mit der ein einheitliches, reproduzierbares Vorgehen bei der Nachweisführung an allen Schleusen und anderen massiven Wasserbauwerken gewährleistet ist. Diese „Konzeption zum statischen Nachweis der Systemtraglast für Schleusen auf der Basis nichtlinearer Stoffgesetze - NiTra“ kam bisher bereits mehrmals mit Erfolg zur Anwendung und ermöglicht, in der Ingenieurpraxis üblichen Nachweisverfahren unzugängliche rechnerische Sicherheitsreserven herauszuarbeiten und zu dokumentieren.