Sanierung Hubtor Anderten

Instandsetzung des Hubtores der Westkammer der Hindenburgschleuse Anderten

 

1.   Einleitung

Im Jahr 1919 wurde in Hannover-Anderten mit dem Bau der größten Binnenschleuse Europas, der Hindenburgschleuse am Mittellandkanal, begonnen. Die fertig gestellte Schleuse wurde am 20. Juni 1928 durch den damaligen Reichspräsidenten von Hindenburg ihrer Bestimmung übergeben. Seither ist dieses Bauwerk nach ihm benannt. Mit der Übergabe der Schleuse wurde der Schiffsverkehr auf dem Mittellandkanal bis Peine und Hildesheim freigegeben, nachdem schon 1916 der Dortmund-Ems-Kanal bis nach Hannover-Misburg in Betrieb genommen worden war. Um die 15 Meter hohe Wasserscheide zwischen Weser und Ems zu überbrücken, werden seit der Inbetriebnahme der Schleuse jährlich bis zu 22.000 Schiffe durch die mächtigen 225 Meter langen Schleusenkammern (Bild 1) geführt.

 

Bild 1: Westkammer der Hindenburgschleuse Anderten

 

Das hier beschriebene Hubtor (Bild 2) der Westkammer der Hundenburgschleuse Anderten wurde 1977 in Betrieb genommen. Es handelt sich um eine 9,5 m hohe und 12,7 m breite geschweißte Pfosten-Riegel-Konstruktion mit Hauptträgern in horizontaler und Querträgern in vertikaler Richtung. Das Hubtor ist längs der vertikalen Seiten linienlagert, um die infolge des hydrostatischen Wasserdrucks entstehenden großen Kräfte in die Stahlbetonunterkonstruktion abzuleiten. In den Drittelspunkten der oberen und unteren Horizontalen sind zusätzliche lokale Auflagerkonstruktionen vorgesehen, die die Enden der Querschotte am Stahlbetonüberbau (Bild 3) bzw. an der unteren Drempelkonstruktion lagern (Bild 4).

Die Ingenieursozietät Peil, Ummenhofer und Partner, Braunschweig wurde vom Wasser- und Schifffahrtsamt Braunschweig mit der Erarbeitung eines Zustandsberichts und einer Analyse der vorhandenen Betriebsfestigkeit beauftragt. Hintergrund war, dass in der neuen Stahlwasserbaunorm DIN 19704 in Abänderung zu den früheren Ausgaben ein zusätzlicher Betriebsfestigkeitsnachweis für eine 70-jährige Nutzungsdauer zu führen ist.

In Folge der Schleusungen kommt es zu zyklischen Beanspruchungen der Konstruktion auf einem recht hohen Niveau, da der auftretende Lastfall dem rechnerischen Bemessungslastfall entspricht.

 

Bild 2: Hubtor der Westkammer der Hindenburgschleuse Anderten

Bild 3: Obere Auflagerkonstruktion                        Bild 4: Untere Auflagerkonstruktion

 

2.   Bestandsaufnahme

Im Rahmen der Bestandsaufnahme erfolgte zunächst eine Sichtprüfung, wobei insbesondere die stählerne Tragkonstruktion, die Auflagerdetails sowie die geschraubten und geschweißten Anschlüsse untersucht wurden. Im Rahmen der Arbeiten erfolgte der Abgleich der Abmessungen und Bauteildicken mit den Bestandsunterlagen, um eventuell durchgeführte Modifikationen bzw. Abweichungen der Konstruktion von den Zeichnungsangaben zu erfassen.

Besonderes Augenmerk bei der Bestandsaufnahme des Hubtors galt den Flanschkreuzungen auf der Unterwasserseite, da hier durch die Trägerkreuzungen hohe 2-achsige Beanspruchungen mit entsprechenden Kerbwirkungen auf Schweißnahtenden treffen (Bild 5).

 

Bild 5: Kreuzende Untergurte (Stumpfnahtanschlüsse)

 

An den fraglichen Stellen wurde der Korrosionsschutz behutsam entfernt, eine metallisch blanke Oberfläche erzeugt und anschließend eine zerstörungsfreie Rissprüfung mit dem Farbeindringverfahren durchgeführt. Auf den Einsatz alternativer jedoch kostenintensiverer Prüfverfahren, wie Magnetpulverprüfung, Ultraschall- oder Durchstrahlungsprüfungen wurde verzichtet, da aufgrund der Detailausbildung und Beanspruchung eventuelle Risse sich an der Oberfläche bilden bzw. schnell dort sichtbar werden.

Bei dem vorliegenden Werkstoff handelt es sich nach den Bestandunterlagen um einen Baustahl S 235. Die an mehreren Stellen durchgeführten Härtemessungen bestätigten diese Angabe.

 

3.  Berechnungen

 Zur Beurteilung des Tragverhaltens und der Tragfähigkeit des Hubtors wurde zunächst die vorhandene statische Berechnung eingesehen. Es zeigte sich, dass bei der ursprünglichen Be-messung dem heutigen Stand der Technik nicht mehr entsprechende, deutlich überschätzte mittragenden Breiten angesetzt wurden. Im Kommentar zur DIN 19704 [1] sind die nunmehr anzusetzenden geringeren mittragenden Breiten, die auf der Untersuchung von Peil/Siems [2] beruhen, praxisnah ausgewertet und in Diagrammform abgebildet. Diese liegen z. T. erheblich, bis zu 25 %, unter den einst in der statischen Berechnung verwendeten Werten.

Zudem zeigte sich, dass bei der Erstellung der ursprünglichen statischen Berechnung die deutliche Schiefstellung der Trägerstege unberücksichtigt blieb. Hierdurch entstehen jedoch, infolge auftretender Abtriebskräfte, lokale Zusatzbeanspruchungen in den Flanschblechen, die einen erheblichen Einfluss auf die Betriebsfestigkeit haben. Da, wie bereits ausgeführt, nunmehr die neue Ausgabe der DIN 19704 einen Nachweis der Betriebsfestigkeit vorschreibt, musste das Tragsystem neu untersucht werden. Hierzu wurde die FE-Methode verwendet. Die Abbildung der Konstruktion erfolgte mit Schalenelementen unter Ausnutzung der Spiegelsymmetrie zur Mittelachse des Tores (Bild 6 und 7).

Bild 6: FE-Modell des Hubtores
Bild 7: Elementierung mit Schalenelementen

 

Die Basis hierfür war ein CAD-Modell der Konstruktion, welches auf Grundlage der verifizierten Bestandsunterlagen erstellt wurde. Die Berechnung erfolgte mit dem Programmsystem ANSYS unter Verwendung von 4-knotigen Schalenelementen SHELL 43, welche degenerierte Volumenelemente mit einer bilinearen Ansatzfunktion in Elementebene sind. Da insbesondere die Betriebsfestigkeit zu überprüfen war, wurden die zwei Lastfälle: einseitiger hydrostatischer Wasserdruck über die volle Torhöhe bzw. Schleusungsvorgang (Bild 8) untersucht.

 

Bild 8: Lastfall Schleusen

 

Der Untersuchung der Betriebsfestigkeit wurde das Nennspannungskonzept unter Ansatz der linearen Schadensakkumulation nach Palmgren-Miner zugrund gelegt, Gleichung (1). Die Einstufung der Kerbfälle erfolgte nach Eurocode 3, Abschnitt 9. Das maßgebende Lastkollektiv hat die Völligkeit 1, da bei jedem Schleusungsvorgang die volle Beanspruchung auftritt.

 
Ein Lastspiel entspricht hierbei einer Berg- und Talschleusung.
 

Σ ni / Ni ≤ 1,0          (1)

 
mit ni = Anzahl der Spannungsspiele der Spannungsschwingbreite γFf • γMf • Δσi während der Nutzungsdauer

Ni = Anzahl der ertragbaren Spannungsspiele in Abhängigkeit der Spannungsschwingbreite und des zugehörigen Kerbfalls


4.   Berechnungsergebnisse für die Altkonstruktion

Nach der Stahlwasserbaunorm DIN 19704-1 ist, sofern vom Auftraggeber nicht abweichend gefordert, von einer Nutzungsdauer von 70 Jahren auszugehen. Aus dem normativen Anhang A der Norm ergibt sich bei 300 Betriebstagen je Jahr mit einer täglichen Lastspielzahl von 10 Schleusungen eine Gesamtlastspielzahl ni von:

ni = 70 • 300 • 10 = 210.000 Lastspiele

Die Ergebnisse der durchgeführten Ermüdungsberechnungen unter Berücksichtigung der 210.000 Lastspiele zeigten, dass an der Torunterseite in den Kreuzungspunkten der Trägerflansche der Schädigungsgrad Werte von bis zu 3,7 erreichte (Bild 9). D.h. in einzelnen Punkten war die Ermüdungsfestigkeit der Konstruktion rechnerisch stark überschritten, was einen weiteren Betrieb des Tores ohne besondere Maßnahmen nicht mehr gestattete. Die ursprüngliche Konstruktion hatte die rechnerische Lebensdauer schon nach 19 Jahren, d.h. 1996 erreicht. Zudem zeigte sich, dass auch im Bereich der Auflagerkonstruktionen der Querschotte in den Drittelspunkten der Torspannweite die rechnerische Lebensdauer weit überschritten war (Schädigungsgrad > 5,0).

Bild 9: Stellen mit rechnerisch überschrittener Lebensdauer

 

Beispielhaft wird der Betriebsfestigkeitsnachweis für den Kreuzungsbereich der Unterflansche gezeigt:
Die Anzahl der ertragbaren Spannungsspiele der Spannungsschwingbreite γFf • γMf • Δσi in Abhängigkeit des maßgebende Kerbfalls wird nach Gleichung (2), Eurocode 3, Abschnitt 9.5.2, ermittelt.

log Ni = log a – m log γFf • γMf • Δσi         (2)

Das Stumpfnahtdetail der sich kreuzenden Unterflansche ist entsprechend dem Eurocode 3 den Kerbgruppen 45* und 71 zuzuordnen. Die aus der FE-Berechnung ermittelte Nennspannungsschwingbreite Δσx = 106 N/mm2 ist mit den Teilsicherheitsbeiwerten γFf =1,0 und γMf = 1,35 zu multiplizieren. Für das Kerbdetail 45* erhält bei Lastspielzahlen N ≤ 5 • 106 nach dem Einsetzen der mit den Teilsicherheitsbeiwerten multiplizierten Spannungsschwingbreite bei einer Wöhlerliniensteigung m = 3 und log a = 11,401 nach Gleichung (2) 85.950 rechnerisch ertragbare Lastspiele Nx. Für die Spannungsschwingbreite Δσy = 120 N/mm² ergeben sich unter Berücksichtigung des Kerbfalls 71 166.900 Lastspiele Ny. Der rechnerische Schädigungsgrad ergibt sich durch die Superposition der einzelnen Schädigungsanteile zu:

nx / Nx + ny / Ny = 210.000 / 85.950 + 210.000 / 166.900 = 3,7 >> 1 !

 

5.   Sanierung

Auf Basis dieser ungünstigen Ergebnisse wurden verschiedene Maßnahmen diskutiert und im Rechenmodell auf ihre Wirksamkeit hin untersucht.

Zunächst erfolgte eine Änderung der globalen Tragwirkung, indem die diskreten Lagerungen in den Drittelspunkten der Riegel-Pfosten-Konstruktion, deren Lagerkräfte hohe örtliche Beanspruchungen erzeugten, entfernt wurden. Hierdurch liegt nunmehr ein nur noch an den beiden Seiten linienförmig gelagertes Tragsystem vor. Die geschädigten Bereiche der Auflagerkonstruktionen in den Drittelspunkten sind somit unbeansprucht und müssen im Weiteren nicht mehr berücksichtigt werden.

 
Die Ergebnisse der durchgeführten Analysen zeigten, dass durch das veränderte Tragsystem deutlich günstigere Spanungsverteilungen mit maßgeblichen Reduktionen der maßgebenden Spannungsspitzen auftreten. Durch die Systemänderungen werden die Querträger stark entlastet, da die infolge der bisherigen Auflagerwirkung entstandene Durchlaufwirkung völlig entfällt. Auch in den Kreuzungspunkten der Untergurtflansche zeigten sich merkbare Reduktionen der Spitzenspannungen, da die zweiaxiale Tragwirkung entfällt (Bild 10).

 

Bild 10: Vergleichsspannungen in N/mm² beim veränderten Tragsystem und dem Lastfall Schleusung

 

Um die Nutzbarkeit und Sicherheit des zumindest rechnerisch voll geschädigten Tores weiterhin zu gewähren, wurden verschiedene Alternativen untersucht. Zur Wahl stand eine bruchmechanische Analyse, d.h. die Bestimmung von Rissfortschrittsgeschwindigkeiten unter Ansatz von charakteristischen Werkstoffzähigkeitswerten. Bei Kenntnis der kritischen Risslänge - der Risslänge bei der der Restquerschnitt unter der Bemessungslast durch einen Gewaltbruch versagen würde - können entsprechende Inspektionsintervalle festgelegt werden, die das rechtzeitige Erkennen des Risses vor Erreichen des kritischen Wertes garantieren. Diese Möglichkeit ist jedoch mit einem großen personellen Aufwand für die Durchführung der Überwachungen verbunden, sodass der Auftraggeber von dieser Lösung abstand nahm. Die zweite weiter verfolgte Alternative war, die auch weiterhin stark beanspruchten Kreuzungspunkte der Trägerflansche zu verstärken, und damit für die derzeitige Nutzung sowie für die Zukunft eine ausreichende Betriebsfestigkeit bzw. Sicherheit zu garantieren.

In der Folge wurden die kritischen Kreuzungspunkte der Flansche auf der Unterwasserseite durch kreuzförmige Bleche verstärkt (Bild 11). Wegen der rechnerisch hohen Schädigungsgrade wurden die Bleche unter Ansatz eines Ausfalls der zu verstärkenden Bereiche bemessen. Damit sind sie in der Lage, die auftretenden statischen und zyklisch schwellenden Beanspruchungen planmäßig voll aufzunehmen und die geplante Nutzungsdauer von 70 Jahren rechnerisch zu gewährleisten. Der Anschluss an die vorhandene Konstruktion erfolgte über HV-Passverbindungen, um eine definierte kerbarme Anschlusswirkung zu erzielen (Bild 12).

Bild 11: Kreuzblech als lokale Verstärkung
Bild 12: Sanierte Hubtorkonstruktion mit Kreuzblechen

 

6.   Zusammenfassung

Die 1928 in Betrieb genommene Hindenburgschleuse Anderten ist Europas größte Binnenschleuse. Jährlich werden bis zu 22.000 Schiffe durch die beiden 225 Meter langen Schleusenkammern geführt, die die 15 Meter hohe Wasserscheide zwischen Weser und Ems überbrücken. Für das stählerne Hubtor der Westkammer der Schleuse wurden systematische Betriebsfestigkeitsuntersuchungen nach der neuen Stahlwasserbaunorm DIN 19704 mit Hilfe der Methode der finiten Elemente an einem realitätsnahen Schalenmodell durchgeführt. Die Ermüdungsberechnungen ergaben, dass die rechnerischen Lebensdauern der Auflagerkonstruktionen der Querschotte und der Kreuzungspunkte der Unterflansche deutlich überschritten waren. Um eine weitere Nutzung mit einer rechnerisch ausreichenden Sicherheit zu gewährleisten und die normativ geforderte 70-jährige Nutzungsdauer einhalten zu können, wurden gezielte globale Systemeingriffe und lokale Verstärkungsmaßnahmen vorgenommen.

 

Schrifttum

[1] DIN 19704 (Ausgabe Mai 1998) Stahlwasserbauten, Beuth Verlag.

[2] Stahlwasserbauten, Kommentar zur DIN 19704, Ernst & Sohn Verlag, 2000.