Die Flutkatastrophe im Sommer 2021 hat zu erheblichen Schäden an der Straßeninfrastruktur in den Hochwassergebieten geführt. Eine besondere Rolle kommt dabei den Ahrbrücken zu: Zum einen wurden sie in vielen Fällen „Opfer“ der Wassermassen, zum anderen beeinflussten sie als Querbauwerke das Flutgeschehen selbst. Aufgrund der ungeheuren Treibgutmengen verklausten die Abflussquerschnitte vieler Brücken, so dass sie zeitweise wie unterströmte Wehre fungierten – so lange, bis sie geschwächt durch Auskolkungen kollabierten oder umläufig wurden. Infolgedessen entstanden zusätzliche Schwallwellen, die auf die Hochwasserwelle aufsattelten.

Nach der Flut mussten die zerstörten Brücken aufgrund ihrer strategischen Netzbedeutung für die Erschließung der Katastrophengebiete schnellstmöglich ersetzt werden. Dazu wurden zunächst militärische und anschließend zivile Behelfsbrücken eingesetzt, so dass für ein zerstörtes Bauwerk bis zum dauerhaften Wiederaufbau oft insgesamt drei Brücken errichtet werden müssen.

Die Analyse der Ereignisse hat gezeigt, dass die Ahr ein spezielles Hochwasserrisikoprofil besitzt, welches sich insbesondere dadurch ausdrückt, dass der Wasserspiegel bei den sehr seltenen, aber regelmäßig auftretenden Extremhochwässern besonders weit über dem Bemessungswasserspiegel HW100neu liegt und extreme Fließgeschwindigkeiten auftreten können. Da Wasserstände wie im Sommer 2021 aus technisch/wirtschaftlichen Gründen von den neuen Ahrbrücken nicht überspannt werden können, wird beim Wiederaufbau – neben der hydraulischen Leistungsfähigkeit – die Standsicherheit unter Fluteinwirkungen besonders berücksichtigt. Dazu wurde ein im Regelwerk nicht vorgesehener Lastfall „Flut“ kreiert. Aus Sicht der Straßenbauverwaltung ist damit ein hochwasserresilienter Wiederaufbau der Brücken im Ahrtal technisch möglich.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einleitung

In der Nacht vom 14. auf den 15. Juli 2021 führte das Tiefdruckgebiet „Bernd“ im Nordwesten von Rheinland-Pfalz zu unvorstellbaren materiellen Verwüstungen und unermesslichem menschlichem Leid, insbesondere im Ahrgebiet. Sowohl die physische als auch die psychische Bewältigung dieser Katastrophe wird noch viel Zeit benötigen.

Aber war das schicksalhafte Ereignis im Juli 2021 tatsächlich unvorstellbar? Ein Blick in die Hochwasserstatistik zeigt, dass im Ahrtal bereits 1804 und 1910 extreme Wassermassen wüteten. Dabei lässt sich ein Muster erkennen: Nicht nur, dass zwischen diesen Flutkatastrophen jeweils gut 100 Jahre liegen, bei allen Ereignissen handelte es sich interessanter Weise um Sommerhochwasser.

Und auch die dramatischen Folgen der Ereignisse sind ähnlich: Bei einer deutlich geringeren Bevölkerungsdichte waren 1804 über 60 und 1910 über 50 Todesopfer zu beklagen. Und auch 1910 wurden - ähnlich wie im Jahr 2021 – fast alle Brücken im Ahrtal zerstört [1].

Bild 1: Kollabierter Überbau der B 9 – Ahrbrücke Sinzig am 16. Juli 2021

Die Hochwasserhistorie lehrt uns, dass die Ahr als „wilde Tochter des Vaters Rhein“ ein besonderes Risikoprofil besitzt. Als Straßen- und Verkehrsingenieure müssen wir daraus für den  Wiederaufbau die richtigen Schlüsse ziehen. Eine spannende Aufgabe, die viel Ingenieurverstand, Kreativität und vielleicht auch mal Mut zu neuen Ideen fordert. Also eigentlich genau das, was uns als Ingenieure besonders reizt.

2 Katastrophenbewältigung

Wie bei jeder Großschadenslage stand am Beginn der Katastrophenbewältigung nach der Ahrflut eine gewisse Chaosphase, bevor sich – aus Sicht des konstruktiven Ingenieurbaus – durch systematische Sonderprüfungen der Bauwerke ein belastbares Lagebild abzeichnete. Da die Verfügbarkeit der Brücken insbesondere auch für die Rettungskräfte von essentieller Bedeutung war, lag hier die Schadenserfassung auf dem kritischen Weg. Nicht mehr verfügbare Ahrquerungen mussten schnellstmöglich durch Behelfe ersetzt werden. Im Ergebnis führt  dies dazu, dass jede zerstörte Straßenbrücke bis zu dreimal aufgebaut werden muss (1 bis 2 Behelfsbrücken, 1 endgültiges Bauwerk).

Dementsprechend wird für den Konstruktiven Ingenieurbau im Zuständigkeitsbereich des Landesbetriebs Mobilität Rheinland-Pfalz (LBM RP) die Bewältigung der Flutkatstrophe in Bild 1: Kollabierter Überbau der B 9 – Ahrbrücke Sinzig am 16. Juli 2021 folgende Phasen gegliedert, die sich teilweise zeitlich überlappen:

• Schadenserfassung,
• Notmaßnahmen,
• Provisorien,
• Wiederaufbau „neu wie alt“,
• Wiederaufbau „optimiert“,
• Optimierung Bestand.

Die Bearbeitung der ersten drei Phasen wurden schon im Katastrophenjahr abgeschlossen. Die einzige Ahrbrücke im Zuständigkeitsbereich des LBM, die „neu wie alt“ wiederaufgebaut werden konnte (B 9 – Ahrbrücke Sinzig), wurde bereits im September 2022, nur 14 Monate nach der Flut, wieder für den Verkehr freigegeben.

Bild 2: B 9 – Ahrbrücke Sinzig am 30. August 2022 vor der Verkehrsfreigabe

2.1 Schadenserfassung

Im Kreis Ahrweiler waren ca. 70 km des klassifizierten Straßennetzes, bestehend aus Bundes-, Landes- und Kreisstraßen Straßen, von den Wassermassen (750 bis 1.000 m³/s, [2]) betroffen. Während der Flutnacht führten ungeheure Mengen an Treibgut – insbesondere bei den historischen Natursteingewölbebrücken – zur Verklausung der Abflussöffnungen. Dabei wirkten viele Brückenbauwerke zunächst als unterströmte Wehre. Infolge der Kolkbildung im Bereich der Pfeiler und Widerlager und/oder des Wasserdrucks in Brückenquerrichtung kollabierten schließlich zahlreiche der regelmäßig flach gegründeten Tragwerke. Der dadurch entstandene Dammbrucheffekt sattelte auf die Hochwasserwelle auf und führte damit mutmaßlich zu der nach Augenzeugenberichten verheerenden „Tsunamiwirkung“ im Ahrtal.

Um ein vollständiges Lagebild zu erhalten, mussten unmittelbar nach der Flutkatastrophe im Kreis Ahrweiler ca. 180 Ingenieurbauwerke innerhalb kürzester Frist einer umfassenden Sonderprüfung nach DIN 1076 unterzogen werden. Im Ergebnis wurden ca. 10 % der untersuchten Teilbauwerke von Brücken und Stützwänden im Zuständigkeitsbereich des LBM RP als zerstört und weitere 30 % als substanziell beschädigt eingestuft. Die restlichen Bauwerke wiesen Schäden auf, die der betrieblichen Unterhaltung zugeordnet werden konnten.

Trotz der erheblichen Schäden verschlechterte sich das arithmetische Mittel der zuvor überdurchschnittlich guten Zustandsnote des betroffenen Bauwerksbestands durch die Flutschäden von ZN = 2,2 lediglich um rund 0,5 Zustandsnotenpunkte – was in etwa auch dem Erwartungswert bei unterlassener Erhaltung über einen Zeitraum von ca. 20 Jahren entsprechen würde.

Bild 3: Zustandsnoten vorher/nachher der Bauwerke mit Sonderprüfung im Kreis Ahrweiler

Die Praxis der Katastrophenbewältigung hat gezeigt, dass der Zustandsnoten-Algorithmus nach Ri-EBW-PRÜF [3] für die Beurteilung von Bauwerkszuständen in den Flutgebieten nur bedingt geeignet ist. Zusätzlich erfolgte daher bei den Sonderprüfungen der Ingenieurbauwerke nach der Flutkatastrophe eine Einstufung der Brücken nach dem in Bild 4 dargestellten Schema.

Bild 4: Einstufung der Bestandsbrücken für das Lagebild nach der Flutkatastrophe

2.2 Notmaßnahmen

Unter dem Begriff „Notmaßnahmen“ werden alle behelfsmäßigen Maßnahmen mit kurzer Nutzungsdauer subsummiert, die – weil sie in der Regel praktisch keine Vorplanung erfordern – umgehend realisierbar sind.

Nach der Flutwelle bestand die wichtigste Aufgabe darin, den Flutopfern schnellstmöglich erste Hilfe zu leisten. Doch insbesondere die Brückeninfrastruktur war so erheblich zerstört, dass ganze Ortsteile abgeschnitten waren. Die Rettung in höchster Not brachten militärische Festbrückengeräte¹⁾, die von der Bundeswehr bzw. zivilen Firmen auf tragfähigem Baugrund – ohne Herstellung massiver Widerlager – errichtet wurden.
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¹⁾ Bei Behelfsbrücken wird zwischen festen und schwimmenden Konstruktionen unterschieden.

Bild 5: K 25 – Ahrbrücke Insul, Medium Girder Bridge der Bundeswehr, August 2021

Da die Ermüdungsreserve der speziell für militärische Anforderungen ausgelegten Aluminiumkonstruktionen relativ gering ist, wurden handnahe Bauwerksprüfungen im Zweiwochenrhythmus sowie eine Begrenzung der Nutzungsdauer auf wenige Monate angeordnet.

2.3 Provisorien

Unter dem Begriff „Provisorien“ werden alle behelfsmäßigen Maßnahmen mit mittlerer Nutzungsdauer subsummiert, die schnell realisierbar sind, aber in der Regel eine gewisse Vorplanung erfordern.

Bild 6: K 25 – Ahrbrücke Insul, Mabey Compact, errichtet vom THW, November 2021

Als wichtigstes Provisorium im konstruktiven Ingenieurbau musste noch vor dem ersten Winter der Austausch der notdürftigen Festbrückengeräte durch Brücken der zivilen Verteidigung erfolgen. Die zum Beispiel eingesetzten D-Brückengeräte wurden vom Technischen Hilfswerk auf provisorischen Widerlagern aus Spundwandprofilen errichtet und sind speziell für zivile Beanspruchungen ausgelegt. Damit ist eine mehrjährige Nutzungsdauer bis zur Realisierung des endgültigen Wiederaufbaus möglich.

2.4 Wiederaufbau „neu wie alt“

Unter dem Begriff „Wiederaufbau neu wie alt“ werden dauerhafte Maßnahmen subsummiert, die keine umfassenden Neuplanungen erfordern. Dies ist regelmäßig der Fall, wenn der Abflussquerschnitt der zerstörten Brücke hydraulisch ausreichend leistungsfähig war. Die Grundsätze einer hochwasserresilienten Planung sind selbstverständlich im Rahmen der gegebenen Planungsparameter des Bestandes (Trassierung, Gradiente etc.) zu beachten (siehe Absatz 2.5).

2.5 Wiederaufbau optimiert

Unter dem Begriff „Wiederaufbau optimiert“ werden dauerhafte Maßnahmen subsummiert, die umfassende Neuplanungen erfordern. Dies ist regelmäßig der Fall, wenn der Abflussquerschnitt der zerstörten Brücke hydraulisch nicht ausreichend leistungsfähig war.

Bei der Neuplanung sind insbesondere die folgenden Grundsätze einer hochwasserresilienten Planung zu beachten (vgl. [4] bzw. [5]):

• Brücke – wenn möglich – vermeiden (beispielsweise durch Zusammenlegen von Straßen- und Radwegbrücken),
• Freibord zwischen Überbau und Bemessungswasserspiegel HW100neu von mindestens 1 m (anstelle des Regelfreibords von 0,5 m aufgrund des besonderen Hochwasserrisikoprofils der Ahr),
• strömungsgünstige Pfeiler und Widerlager,
• günstiges Verbauungsverhältnis (hochgesetzte Widerlager, Pfeiler vermeiden, Anheben der Gradiente, Verlängerung der Brücke),
• keine Pfeiler im Bereich des Stromstrichs,
• Tiefgründung und Erosionsschutz.

Zum besonderen Hochwasserrisikoprofil der Ahr gehört, dass zwischen dem Bemessungswasserspiegel HW100neu und dem HWextrem je nach Standort des Bauwerks mehrere Meter liegen können. Da es technisch/wirtschaftlich nicht möglich ist, die Brückengradiente soweit anzuheben, dass extreme Hochwasserstände wie im Juli 2021 mit einem ausreichenden Freibord überspannt werden können, wurde für die neuen Ahrbrücken vorsorglich der im Regelwerk nicht vorgesehene Bemessungslastfall „Flut“ kreiert. Damit soll sichergestellt werden, dass bei einer erneuten Flutkatastrophe keine Bauwerke mehr kollabieren, ein „Dammbrucheffekt“ somit sicher verhindert wird und die Brücken für Rettungskräfte schnellstmöglich wieder zur Verfügung stehen.

Bild 7: Lastfall „Flut“: Statisches System und Belastung (schematische Darstellung)

Der Bemessungslastfall „Flut“ sieht vor, dass auf ein durch Auskolkung geschwächtes statisches System (mit Kolktiefe nach [6])

• auf Anprallasten aus Treibgut (weicher Prallstoß als Wanderlast auf Überbau in Brückenquerrichtung),
• auf hydrostatischer Druck aus Aufstau (als Linienlast in Brückenquerrichtung) sowie
• auf Strömungswiderstand des Überbaus (als Linienlast in Brückenquerrichtung)

im Grenzzustand der Tragfähigkeit bemessen wird.

Da nicht ausgeschlossen werden kann, dass die Überbauten der neuen Ahrbrücken bei einem Extremhochwasser angeströmt bzw. überströmt werden, besteht im Hinblick auf die Wahl des Brückentragwerks ein Zielkonflikt zwischen einem möglichst geringen Strömungswiderstand und einer möglichst geringen Anzahl der Pfeiler.

Bild 7: Lastfall „Flut“: Statisches System und Belastung (schematische Darstellung)

Bild 8: Semiintegrale 3-Feld-Spannbetonplatte, KOCKS-Consultings GmbH

2.6 Optimierung Bestand

Einige Bestandsbauwerke haben den Fluten getrotzt und konnten nach Wiederherstellung beschädigter Bauteilgruppen wieder unter Verkehr genommen werden. Darunter auch Bauwerke, die hydraulisch nicht ausreichend leistungsfähig sind.

Die hydraulische Leistungsfähigkeit der Bestandsbrücken kann – je nach Erfordernis – in folgenden Stufen verbessert werden:

• Abflussquerschnitte im Bestand optimieren (Verlandungen beseitigen, Widerlagerböschungen versteilen),
• Abflussquerschnitte ergänzen (Flutmulden, Vorlandbrücken),
• Abflussquerschnitte erweitern durch Teilrückbau,
• Abflussquerschnitt erweitern durch Ersatzneubau.

Bild 9: Stufen der hydraulischen Optimierung von Bestandbauwerken

Damit mittel- bis langfristig alle hydraulisch minderleistungsfähigen Brücken im Ahrtal eliminiert werden, verfolgt der LBM das Ziel, dass investive Maßnahmen nur noch an hydraulisch zukunftsfähigen Brücken vorgenommen werden. Dabei sind auch die Belange des Denkmalschutzes angemessen zu würdigen.

3 Fazit

Die Ahr weist ein besonderes Hochwasserrisikoprofil auf, das sich dadurch ausdrückt, dass der Wasserspiegel bei sehr seltenen, aber regelmäßig auftretenden Extremhochwässern besonders weit über dem Bemessungswasserspiegel liegt.

Ein hochwasserresilienter Wiederaufbau der Brücken im Ahrtal ist technisch dennoch möglich. Viele der bei der Flutkatastrophe zerstörten historischen Brücken stellten Landmarken dar, die sich harmonisch in die einzigartige Kulturlandschaft einfügten; manche erlangten gar die Bedeutung von Wahrzeichen. Die neuen Ahrbrücken müssen daher nicht nur besonderen technischen, sondern auch besonderen baukulturellen Anforderungen genügen. Da eine Rekonstruktion der landschaftsbildprägenden Natursteingewölbebrücken aufgrund des großen Verbauungsgrades aus wasserwirtschaftlichen Gründen ausscheidet, muss im Zuge des Wiederaufbaus ein neuer „Genius Loci“ kreiert werden. Als vielversprechender Ansatz steht hierbei eine schlanke, betont strömungsgünstige Formensprache im Fokus, die in einem baulastträgerübergreifenden Gestaltungskatalog dokumentiert wird.

Inwieweit sich die für den Wiederaufbau der Ahr verschärften Konstruktionsgrundsätze (HW100 mit 1 m Freibord, Tiefgründung) und eigens kreierten Lastannahmen (Lastfall „Flut“) auf andere Gewässer 2. und 3. Ordnung übertragen lassen, muss derzeit noch offenbleiben und ist im Rahmen zukünftiger Forschungsvorhaben zu klären.

Literaturverzeichnis

1 PERC Ereignisanalyse Hochwasser „Bernd“: Szönyi, M.; Roezer, V.; Deubelli, T.; Ulrich, J.; MacClune, K.; Laurien, F.; Norton, R.: PERC floods following „Bernd“, Zurich, Switzerland, Zurich Insurance Company, 2022

2 Landesamt für Umwelt Rheinland-Pfalz

3 Richtlinie zur einheitlichen Erfassung, Bewertung, Aufzeichnung und Auswertung von Ergebnissen der Bauwerksprüfungen nach DIN 1076 (RI-EBW-PRÜF), Ausgabe 2/2017

4 DIN 19661-1: Wasserbauwerke – Teil 1: Kreuzungsbauwerke; Durchleitungs- und Mündungsbauwerke, Ausgabe 7/1998 5 Richtlinien für den Entwurf, die konstruktive Ausbildung und Ausstattung von Ingenieurbauten (RE-ING), Stand 01/2022

6 Merkblatt DWA-M 529 – Auskolkungen an pfahlartigen Bauwerksgründungen, Ausgabe 03/2021