3 Brückeneinstürze, die unsere Art des Konstruierens veränderten

Geprüft von Yoan Guyon, Geschäftsführer bei gbc engineers

Drei Brücken, drei Kontinente, drei Jahrzehnte auseinander. Die New York State Thruway-Brücke über den Schoharie Creek, das Malahide-Viadukt in Irland und die Hintze-Ribeiro-Brücke in Portugal versagten alle aus demselben grundlegenden Grund. In jedem Fall war nicht die ursprüngliche Planung das Hauptproblem. Die Gründungen wurden zunehmend anfälliger, als sich die Umgebungsbedingungen änderten und die Schutzmaßnahmen sich als unzureichend erwiesen. 

gbc engineers untersucht diese drei Fälle, um nachzuvollziehen, wie sich die Kolkung entwickelte, und welche Lehren sie für den heutigen Brückenbau bieten. 

Was ist Kolkung, und warum untergräbt sie Brücken? 

Kolkung entsteht, wenn fließendes Wasser Boden und Sediment rund um Brückengründungen wegspült, wodurch die Abstützung unter den Pfeilern verringert wird und das Bauwerk instabil wird. 

Brücken werden geschützt, indem Gründungen tief unter dem erwarteten Kolkniveau angeordnet werden oder indem schwere Steine, sogenanntes Riprap, um die Basis herum aufgebracht werden, um die Erosion zu begrenzen. 

Flussbedingungen verändern sich mit der Zeit: Hochwasserintensität, Wasserfluss und Flussbetthöhen können sich alle verschieben, sodass ein einst ausreichender Schutz nicht mehr genügen mag. Die drei folgenden Fälle zeigen, wie dieser allmähliche Wandel zu einem kritischen Tragwerksrisiko wird. 

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Schoharie-Creek-Brücke, USA: Versagen durch Verlust des Kolkschutzes

Die New York State Thruway-Brücke über den Schoharie Creek, nahe Amsterdam, New York, wurde 1954 eröffnet. Ihre Pfeiler standen auf flachen Flächengründungen in erodierbarem Boden, geschützt durch Riprap. Am 5. April 1987 verursachten starker Regen und Schneeschmelze ein großes Hochwasser, das der US Geological Survey später als etwa ein 70-jährliches Ereignis einstufte. Pfeiler 3 stürzte ein, gefolgt von Pfeiler 2 etwa 90 Minuten später. 

Das National Transportation Safety Board identifizierte als wahrscheinliche Ursache, dass die Thruway Authority es versäumt hatte, ausreichend Riprap um die Pfeiler zu erhalten, wodurch das Hochwasser den Boden unter den Flächengründungen erodieren konnte. Die Untersuchung stellte zudem unklare Bauanforderungen, eingeschränkte Unterwasserinspektionen und einen Mangel an struktureller Redundanz fest: Sobald ein Pfeiler seine Abstützung verlor, konnte die Brücke die Last nicht umverteilen. Das Versagen verdeutlicht, warum der Kolkschutz über die gesamte Nutzungsdauer einer Brücke inspiziert und gewartet werden muss.

Bild: Schoharie-Creek-Brücke, USA. Quelle: Nationale Behörde für Verkehrssicherheit.

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Hintze-Ribeiro-Brücke, Portugal: geschwächt durch Flussbetterosion

Die Hintze-Ribeiro-Brücke wurde 1886 über den Douro nahe Porto errichtet. Einige Pfeiler waren durch Steinschüttung geschützt, während sich die Pfeiler 4 und 5 auf eine natürliche Sandablagerung entlang des Flussufers verließen, die die Gründungen jahrzehntelang vor der Hauptströmung des Flusses abschirmte. 

Ab Mitte der 1970er-Jahre veränderten großflächiger Sandabbau und Baggerarbeiten flussaufwärts allmählich das Flussbett. In der Nähe von Pfeiler 4 war das Flussbett zwischen 1913 und 1982 bereits um etwa 11,5 Meter abgesunken und fiel danach weiter. Als die Sandablagerung verschwand, war Pfeiler 4 zunehmend der Kolkung ausgesetzt. 

Die Brücke stürzte am 4. März 2001 ein, nach dem fünften einer Reihe großer Hochwasser seit Dezember 2000. Die Untersuchung aus dem Jahr 2021 stellte fest, dass die Hauptursachen 25 Jahre Sandbaggerung in Kombination mit der Erosion durch die fünf aufeinanderfolgenden Hochwasser waren, die auf eine bereits durch jahrzehntelangen Flussbettwandel geschwächte Gründung einwirkten. Der Fall zeigt, warum menschliche Aktivitäten wie der Sandabbau über die gesamte Nutzungsdauer einer Brücke berücksichtigt werden müssen.

Bild: Hintze-Ribeiro-Brücke, Portugal. Quelle: Simão Antunes Do Carmo, J. (2021).

Malahide-Viadukt, Irland: Versagen nach jahrelanger Kolkung durch Gezeitenströmung

Das Malahide-Viadukt ist eine Eisenbahnbrücke auf der Strecke Dublin–Belfast, die den Broadmeadow-Ästuar in Irland überquert. Ihre Pfeiler waren durch ein mit Steinen befestigtes Wehr geschützt, das die Gezeitenströmung kontrollieren und die Erosion um die Gründungen verringern sollte. 

Das Viadukt stürzte am 21. August 2009 ein. Anders als in den beiden anderen Fällen gab es an diesem Tag weder Sturm noch Hochwasser. Das Wetter war trocken, und der Einsturz ereignete sich nahe der Niedrigwasserzeit, als der Tidenhub zu den größten des Monats zählte. Das bedeutete, dass das Versagen nicht mit einem einzelnen Extremereignis, sondern mit regulären Gezeitenströmungen zusammenhing. 

Irlands Railway Accident Investigation Unit stellte fest, dass Kolkung das Wehr um Pfeiler 4 geschwächt hatte. Besonders auffällig an diesem Fall ist, dass die Warnzeichen nicht neu waren. Eine Inspektion im Jahr 1997 hatte bereits Kolkung an Pfeiler 4 festgestellt und vermerkt, dass die Steinschüttung „für die Aufgabe zu leicht" war, doch es wurden keine Maßnahmen ergriffen. Nur drei Tage vor dem Einsturz erkannte eine weitere Inspektion die sichtbaren Mängel ebenfalls nicht. Die Ermittler stellten fest, dass auch das Wissen über das Malahide-Viadukt verloren gegangen war, als erfahrenes Personal das Unternehmen verließ. 

Das Malahide-Viadukt zeigt, dass Kolkung nicht immer plötzlich auftritt. Sie kann sich auch unter normalen Bedingungen allmählich entwickeln, weshalb frühzeitige Warnungen und eine angemessene Nachverfolgung unerlässlich sind.

Bild: Malahide-Viadukt, Irland. Quelle: Untersuchungsstelle für Eisenbahnunfälle.

Was können wir aus diesen Brückeneinstürzen lernen?

Kolkung war der gemeinsame Mechanismus bei allen drei Versagensfällen, doch jeder Fall verweist auf eine andere Lehre.

• Schoharie Creek zeigt, dass der Kolkschutz über die gesamte Lebensdauer einer Brücke inspiziert und gewartet werden muss. 
• Hintze Ribeiro zeigt, dass die Sicherheit der Gründung davon abhängt, wie sich der Fluss selbst mit der Zeit verändert, einschließlich Veränderungen durch Baggerarbeiten oder andere flussaufwärts gelegene Aktivitäten. 
• Malahide zeigt, dass auch technisches Wissen bewahrt werden muss, da bekannte Risiken übersehen werden können, wenn frühere Erkenntnisse nicht weitergegeben werden. 

Bei gbc engineers wird die Tragwerksplanung durch BIM-basierte Dokumentation und koordinierte Bestandsdaten unterstützt, die dazu beitragen, Planungsabsicht, Inspektionsaufzeichnungen und technisches Wissen über die gesamte Lebensdauer eines Bauwerks zu bewahren. 

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Fazit

Keiner der drei Einstürze begann mit einem Planungsfehler. In jedem Fall veränderten sich die natürlichen Bedingungen, während Wartung, Inspektion oder Bestandsaufzeichnungen nicht Schritt hielten. Langfristige Sicherheit hängt von kontinuierlicher Inspektion, aktualisierter Risikobewertung und verlässlicher Dokumentation ab. gbc engineers unterstützt dies mit Tragwerksplanung und BIM-basierter Dokumentation, die Bestandsdaten über die gesamte Lebensdauer nutzbar hält. 

Häufig gestellte Fragen

Was sind die 7 Arten der Brückeninspektion?

Brücken werden üblicherweise in sieben Kategorien geprüft: Erst-, Routine-, Detail-, Schadens-, Sonder-, Ermüdungsrisiko- und Unterwasserinspektion. Routineinspektionen erfassen das gesamte Bauwerk nach Zeitplan, während die anderen ein bestimmtes Anliegen wie Kolkung gezielt behandeln. 

Wie testen Ingenieure Brücken? 

Ingenieure nutzen Sichtprüfungen und zerstörungsfreie Prüfverfahren, um sowohl sichtbare als auch verborgene Probleme zu erkennen. Sie können auch Belastungstests durchführen, um zu sehen, wie eine Brücke unter einer bekannten Last reagiert. Dauerhaft installierte Sensoren können Dehnung und Schwingung über die Zeit überwachen und helfen Ingenieuren, Veränderungen zwischen den Inspektionen zu erkennen. 

Wie bewerten Ingenieure einen Brückenentwurf? 

Eine Entwurfsbewertung prüft die Lasten, die die Brücke tragen muss, einschließlich hydraulischer Lasten und Kolklasten, eine statische Analyse, die bestätigt, dass jedes Bauteil ausreichende Tragfähigkeit besitzt, sowie die Einhaltung des maßgeblichen Regelwerks, in Deutschland Eurocode und DIN-Normen. Redundanz und eine unabhängige Prüfung durch Fachkollegen sind vor der Bauausführung Standardprüfungen. 

Was ist der Unterschied zwischen Brückeninspektion und struktureller Zustandsüberwachung?

Inspektion ist eine geplante, von Menschen durchgeführte Prüfung in festgelegten Intervallen. Strukturelle Zustandsüberwachung nutzt dauerhaft installierte Sensoren, um das Bauwerk kontinuierlich zu verfolgen und Veränderungen zwischen den Inspektionen zu melden. Die Kombination beider liefert das vollständigste Bild, da keines das andere ersetzt. 

Was ist die Nutzungsdauer einer Brücke, und bedeutet das Erreichen dieser Zeit ein Versagen der Brücke?

Die Nutzungsdauer ist der Zeitraum, für den eine Brücke unter normaler Wartung sicher funktionieren soll, oft 75 bis 100 Jahre. Das Erreichen dieses Datums bedeutet nicht, dass die Brücke plötzlich versagt: Eine gut gewartete Brücke kann diesen Zeitraum überschreiten, während aufgeschobene Wartung schon deutlich vor dessen Ende Probleme verursachen kann.

Wie entscheiden Ingenieure, ob eine alternde Brücke repariert, nachgerüstet oder ersetzt wird?

Die Entscheidung hängt vom Zustand der Brücke, der erwarteten verbleibenden Nutzungsdauer, den Reparaturkosten und den aktuellen Lastanforderungen ab. Ingenieure vergleichen, ob die Reparatur oder Verstärkung des bestehenden Bauwerks dessen Lebensdauer sicher verlängern kann, oder ob ein Ersatz praktischer und wirtschaftlicher wäre.