Viele heutige Brücken bestehen aus sogenanntem Stahlfachwerk. Bei dieser Art von Konstruktion werden gerade Stahlstäbe miteinander zu einem spinnennetzartigen Tragesystem verbunden. Die Stäbe sind dabei in Quadraten und Dreiecken angeordnet, so dass sie sich gegenseitig stützen und Auflasten effizient verteilt werden. Zusammen halten sie den Belastungen während der Brückenbenutzung gut stand. Seit dem Ende des 19. Jahrhunderts wurden daher viele Brücken in diesem Stil gebaut, von denen einige noch immer in Betrieb sind.
Wenn jedoch ein Teil der Brücke durch Abnutzung, Verwitterung oder Naturkatastrophen beschädigt wird und versagt, ändert sich die gesamte Form und Struktur der Brücke. In der Folge bewegen und verbiegen sich umliegende Brückenkomponenten und werden stärker belastet. Je nachdem, welche Teile betroffen sind, kann dies einen Einsturz des Bauwerks entweder verhindern oder begünstigen, wie Unfälle und Brückeneinstürze in der Vergangenheit gezeigt haben. Welche Stahlstäbe wesentlich für eine stabile Umverteilung der Last sind, wurde bislang jedoch kaum systematisch erforscht.
Verdrehungen und Verbiegungen kompensieren den Schaden
Das haben nun Forschende um Jose Adam von der Polytechnischen Universität Valencia nachgeholt. Dafür fertigten sie ein maßstabsgetreues Mini-Modell einer Eisenbahnbrücke aus Stahlfachwerk an. In neun Experimenten durchtrennten sie dann gezielt einzelne Stahlträger der Modellbrücke in verschiedenen statisch wichtigen Positionen und untersuchten, wie stabil sie anschließend noch war. Zusätzlich simulierten sie die Abläufe und Lastenverteilungen in einem Computermodell, in dem sie ebenfalls einzelne Stahlstäbe virtuell durchtrennten. Dabei testeten sie auch, welche Belastungen die beschädigten Brücken noch aushalten können, bevor sie kollabieren.
Diese Tests enthüllten sechs Vorgänge, die nach dem Versagen einzelner Stahlträger jeweils einen Einsturz der gesamten Brücke vermeiden können. Dafür müssen sich zum Beispiel die Abschnitte um den Versagenspunkt durchbiegen oder verziehen, sich einzelne Stäbe oder Verstrebungen verbiegen oder sich die Brücke als Ganzes verdrehen. Sofern diese Ereignisse eintreten, kann der Defekt ausreichend kompensiert werden und der Einsturz bleibt aus. Die beschädigten Brücken können dann trotz des Schadens ihrer normalen Betriebslast und je nach Schadensstelle sogar dem 1,8- bis 3-Fachen dieser Belastung standhalten, bevor sie zusammenbrechen, wie Adam und seine Kollegen herausfanden.
