Handbuch Brucken: Entwerfen, Konstruieren, Berechnen, Bauen und Erhalten, 2. Auflage (German Edition)

Gerhard Mehlhorn (Hrsg.) Handbuch Brücken

Gerhard Mehlhorn (Hrsg.)

Handbuch Brücken Entwerfen, Konstruieren, Berechnen, Bauen und Erhalten Mit Beiträgen von Francesco Aigner, Hugo Bachmann, Manfred Curbach, Annette Detzel, Eva-Maria Eichinger-Vill, Ekkehard Fehling, Ursula Freundt, Gerhard Girmscheid, Masaaki Hoshino, Thomas Jahn, Manfred Keuser, Johann Kollegger, Ulrike Kuhlmann, Ulf Lichte, Ingbert Mangerig, Gerhard Mehlhorn, Christian Menn, Harald Michler, Joachim Naumann, Thomas Petraschek, Günter Ramberger (†), Peter Ruse (†), Silke Scheerer und Jürgen Stritzke 2., erweiterte und bearbeitete Auflage

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Professor Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Gerhard Mehlhorn Eichholzweg 7 34132 Kassel Deutschland [email protected]

ISBN 978-3-642-04422-9 e-ISBN 978-3-642-04423-6 DOI 10.1007/978-3-642-04423-6 Springer Heidelberg Dordrecht London New York Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007, 2010 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Satz und Herstellung: le-tex publishing services GmbH, Leipzig Einbandgestaltung: WMXDesign GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier Springer ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (www.springer.de)

Vorwort zur zweiten Auflage

Das große Interesse an der 2007 erschienenen ersten Auflage des Buchs rechtfertigt die zweite Auflage nach nur drei Jahren. Dabei wurden die aktualisierten Fassungen der DINFachberichte, die Ausgaben des DIN-FB 100, 2005 und der DIN-FBe 101-104, 2009 ebenso wie verschiedene aktualisierte Regelwerke berücksichtigt. Das Buch entspricht hinsichtlich der Regelwerke damit dem Stand vom Sommer 2009. Neben der gründlichen Überarbeitung der ersten Auflage des Buchs wird im aktualisierten Kap. 1 zusätzlich auf die neuere Entwicklung der Verwendung von Ultra-Hochleistungsbeton (Ultra High Performance Concrete – UHPC) im Brückenbau eingegangen. Des Weiteren ist im Kap.  1 ein neuer Abschnitt Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise aufgenommen worden. Als Autor dieses Abschnitts konnte Herr Minis­ terialrat Dipl.-Ing. Joachim Naumann, Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Referat S 18, Bonn, gewonnen werden. In den Jahren 2006 und 2008 wurden, unter der Schirmherrschaft der Bundesverkehrsministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Berlin, vom Verband Beratender Ingenieure (VBI), Berlin, und von der Bundesingenieurkammer, Berlin, ausgelobte Brückenbaupreise vergeben. Über die von den Preisrichterkollegien ausgewählten, für die Preisvergaben nominierten und ausgezeichneten Brücken wird in Abschn.  1.6.8 von den maßgeblichen Entwurfsverfassern berichtet. Ihnen sei dafür gedankt. In Kap. 11 wurden zwei neue Abschnitte, nämlich Schäden an Stahl- und Verbundbrücken, verfasst von Francesco Aigner, und Kontinuierliche, rechnergestützte Dauerüber­ wachung, verfasst von Eva-Maria Eichinger-Vill und Johann Kollegger, aufgenommen. Das zuletzt genannt Thema wird häufig auch Monitoring genannt. Zur Zielstellung, zum Inhalt und zur Einteilung des Buches wird auf das Vorwort zur ersten Auflage verwiesen. Vom Vorgenannten abgesehen hat sich daran nichts geändert. Die im Buch enthaltenen Zahlenbeispiele wurden aber entsprechend dem aktualisierten Stand der Regelwerke überarbeitet. Den Rezensenten zur ersten Auflage des Buchs und für die Zuschriften, genannt seien hier insbesondere Frau Dr.-Ing. Doris Greiner-Mai, Schriftleiterin der Bautechnik, Herr Dipl.-Ing. Erich Fiedler, Kleinmachnow, mein Bruder, Prof. Dr.-Ing. Dieter-Jürgen Mehlhorn, Kiel, und Herr Dipl.-Ing. Eberhard Pelke, Hessisches Landesamt für Straßen- und Verkehrswesen, Wiesbaden, danke ich ganz herzlich für ihre Hinweise. Dem Herausgeber obliegt die traurige Bekanntgabe, dass einer der maßgeblichen Autoren des Buchs, Herr Prof. Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Günter Ramberger im Februar 2009 gestorben ist. Günter Ramberger wird den Autoren des Buchs und mir stets in bester Erinnerung bleiben. Er war ein besonders angesehener, erfolgreicher und liebenswerter Kollege, Hochschullehrer und Ingenieur. Mit ihm und Herrn Professor Kollegger habe ich 1999 anlässlich meiner Gastprofessur an der Technischen Universität Wien die Grundkonzeption des Buchs und die Auswahl der Autoren für die einzelnen Kapitel vorbesprochen.

VI

Vorwort

Wir beklagen auch den unerwarteten Tod von Herrn Dipl.-Ing. Peter Ruse, der im August 2009 gestorben ist. Auch er wird den Autoren des Buchs und mir stets in bester Erinnerung bleiben. Er war maßgeblich an der Ausarbeitung des zweiten Kapitels beteiligt. Den Autorinnen und Autoren des Buchs, den Kollegen von le-tex publishing services GmbH Leipzig, hier sei Herr Patrick Waltemate genannt, und vor allem dem SpringerVerlag, hier besonders Herrn Dipl.-Ing. Thomas Lehnert und Frau Sigrid Cuneus, beide Berlin, und Frau Cornelia Kinsky, Heidelberg, sei dafür gedankt, dass das Buch in der vorliegenden Fassung erscheinen kann. Möge es von den Lesern wiederum gut aufgenommen werden und Anregungen zur Gestaltung guter Brücken geben. Schließlich danke ich ganz besonders meiner lieben Frau Ursel für ihre stets wertvolle, ideelle und aktive Unterstützung und für das Verständnis, dass ich viel Zeit in die Entstehung des Buchs verwendet habe. Kassel, Januar 2010

Gerhard Mehlhorn

Vorwort zur ersten Auflage

Das Buch soll dem mit dem Bau von Brücken befassten Bauingenieur und der Bauinge­ nieurin in weitestgehendem Umfang einen Überblick über das erforderliche Grund- und Fachwissen für das Entwerfen, Konstruieren, Berechnen, Bauen und Erhalten von Brücken nach heutigem Kenntnisstand geben. Auch für Studierende des Bauingenieurwesens soll es ein Lehrbuch zum Brückenbau sein und einen Überblick über mögliche Problemlösungen geben, und es mag auch als Ergänzung zu den an den Universitäten und Fachhochschulen gebotenen Vorlesungen, Übungen, Studien- und Diplomarbeiten dienen. Einige Kapitel dürften auch für am Brückenbau und seiner Entwicklung Interessierte, die nicht Bauingenieure sind, lehrreich sein. Dabei ist es die Überzeugung des Herausgebers, der Autorinnen und der Autoren des Buchs, dass die Probleme des Brückenbaus nicht vorrangig materialspezifisch sind. Sie sind bei Verwendung verschiedener Materialien in mehrfacher Hinsicht die gleichen, wenn sich auch bezüglich der konstruktiven Ausbildung, insbesondere der Detail­lösungen, der Fertigung im Werk und der Herstellung vor Ort, also auf der Baustelle, bei der Verwendung verschiedener Materialien durchaus unterschiedliche Problemlösungen ergeben. Natürlich gibt es materialspezifisch auch bei den Berechnungen und Bemessungen der Brücken teilweise unterschiedliche Vorgehensweisen. Um Ingenieure, die sich im Brückenbau vielfach als Ingenieurbaukünstler erwiesen haben, aus der Anonymität herauszuholen, wird in diesem Buch auch darauf Wert gelegt, wenn bekannt, die für Entwürfe und den Bau der Brücken verantwortlichen Ingenieure, beteiligte Architekten sowie Baufirmen und Unternehmen zu nennen. Das Buch ist in dreizehn Kapitel unterteilt. Im ersten Kapitel wird ein Überblick über die Entwicklung des Brückenbaus vom Altertum bis zum modernen Brückenbau gegeben. Es ist uns ein Anliegen, auf die ausgezeichneten Brücken der vergangenen Jahrhunderte, ja Jahrtausende, zurückzublicken und von den Ingenieuren, die diese Bauwerke entwarfen und bauten, zu lernen und uns zu bemühen, auf deren grundlegenden Ideen aufbauend den modernen Brückenbau mit den heute vielfältig besseren Möglichkeiten laufend weiterzuentwickeln und ganz neue Lösungen zu finden. Im zweiten Kapitel wird auf die verschiedenen Aufgaben, vom Entwurf bis zur Erhaltung und Ertüchtigung der Brücken, der in den Bauverwaltungen, Ingenieurbüros, Unternehmungen und Baufirmen im Brückenbau tätigen Ingenieure eingegangen. Im dritten Kapitel wird das Entwerfen der Brücken, das für den Bau, die Kosten, das Erscheinungsbild mit ihrer Einbindung in die Umwelt und die Dauerhaftigkeit der Brücken von ausschlaggebender Bedeutung ist, behandelt. Es wird dabei zunächst auf die zu beachtenden Grundlagen und die Ziele des Entwerfens eingegangen. An­ schließend werden im Abschnitt 3.8 von zwölf eingeladenen Ingenieuren beispielhaft die von ihnen gewählten Entwurfskonzepte für ausgewählte, besonders gelungene Brücken erläutert.

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Vorwort

In den Kapiteln 4 und 5 werden die Querschnittsgestaltungen und die Systeme der Haupttragwerke der Überbauten behandelt. Diese sind sowohl vom System und der Funktion als auch vom für den Bau der Brücke verwendeten Werkstoff abhängig und dementsprechend unterschiedlich. Auch in diesen Kapiteln werden verschiedene Entwicklungen des Brückenbaus aufgezeigt. Im sechsten Kapitel wird die Lagerung der Brücken, die die Überbauten mit den Unterbauten verbindet, erläutert. Es wird dabei unter anderem sowohl auf die Aufgaben der Lagerung (einschließlich der Erdbebenisolation), die Wahl der Lagerung, Grundsätzliches zur Ermittlung der Kräfte und Bewegungen, die Lagerwiderstände als auch auf Messungen von Lagerkräften und Bewegungen und auf Besonderheiten beim Einbau von Lagern eingegangen. Im darauf folgenden siebten Kapitel werden die Unterbauten (Gründungen, Widerlager und Pfeiler) und die mit den Unterbauten zusammenhängenden Fragen behandelt. Im achten Kapitel wird Grundlegendes zur Berechnung sowohl der Über- als auch der Unterbauten der Brücken ausgeführt und an zahlreichen Beispielen die Berechnungen verschiedener, ausgewählter Probleme, wie sie bei Brücken aus Stahl, Beton und im Verbundbau auftreten, erläutert. Auch Berechnungsbeispiele von Unterbauten sind enthalten. Auf spezielle Probleme des Brückenbaus, wie Temperatur-, Schwingungs- und Erdbebenbeanspruchung, wird ebenfalls eingegangen. Bereits beim Entwerfen, aber auch bei der konstruktiven Bearbeitung ist es unabdingbar, den Bau der Brücke, d. h. den Herstellungsvorgang im Werk und auf der Baustelle, zu berücksichtigen, weshalb den für den Brückenbau besonders wichtigen Herstellungs- und Ausführungsmethoden im neunten Kapitel breiter Raum geschenkt wird. Im zehnten Kapitel werden die Brückenausrüstungen erläutert, also die Fahrbahnausbildung und Dichtung, die verschiedenen Arten der Lager, die Fahrbahnübergänge, Schutzeinrichtungen, Kappen, Geländer, die Brückenentwässerung, die Beleuchtung, die Unterbringung der Versorgungsleitungen und schließlich die Lärmschutzanlagen. Zu den wichtigsten Aufgaben im heutigen Brückenbau zählen bereits heute die Überwachung, Bewertung, Beurteilung, Erhaltung und Brückeninstandsetzung sowie in Einzelfällen die Ertüchtigung der bestehenden Brücken, und sie werden zunehmend noch größere Bedeutung erlangen. Auf diese Problematik wird deshalb in den abschließenden drei Kapiteln 11 bis 13 ausführlich eingegangen. Wichtig ist dabei, den nötigen Umfang und die Zeitabstände der erforderlichen Bauwerksüberprüfungen festzulegen und deren einheitliche Qualität zu formulieren. Der weiteren Entwicklung von zerstörungsfreien Prüfverfahren kommt dabei eine große Bedeutung zu. Dabei sind Ergebnisse von gemessenen Formänderungen mit den vorausberechneten Werten zu vergleichen, um qualitative und quantitative Aussagen über den Bauwerkszustand geben zu können. Auch wenn der Herausgeber dieses Buches von Anfang an und während der Entstehung der einzelnen Kapitel stets bemüht war, die Inhalte aufeinander abzustimmen und diese aus seiner Sicht zum Teil zu beeinflussen, liegt die Verantwortung für die Inhalte der verschiedenen Kapitel und Abschnitte bei den jeweiligen Autorinnen und Autoren. Das Buch ist über einen Zeitraum von sieben Jahren erarbeitet worden. Deshalb entsprechen die in den verschiedenen Texten angegebenen Versionen der Regelwerke den Zeitpunkten der Fertigstellungen der einzelnen Kapitel und Abschnitte. Die Regelwerke befinden sich in laufender Fortschreibung, so dass sich manche Regelwerke bereits in einigen Details geändert haben können und auch in Zukunft laufend den neueren Erkenntnissen angepasst werden. Es ist deshalb notwendig, bei den konstruktiven Durchbildungen und Be-

Vorwort

IX

rechnungen der Brücken stets die dem aktuellen Stand der Technik entsprechenden Regelwerke zu beachten. Den Autorinnen und Autoren des Buchs, den Kollegen, die zum Abschnitt 3.8 bei­ getragen haben, allen, die Bilder zur Verfügung gestellt haben, den Herren Reinhold Schöberl, Peter Grumbach und Gerhard Hopfenmüller von der Fotosatz-Service Köhler GmbH und vor allem dem Springer-Verlag, hier besonders Herrn Dipl.-Ing. Thomas Lehnert und Frau Sigrid Cuneus, sei dafür gedankt, dass das Buch in der vorliegenden Fassung erscheinen kann. Möge es von den Lesern gut aufgenommen werden und An­ regungen zur Gestaltung guter Brücken geben. Abschließend danke ich ganz besonders meiner lieben Frau Ursel für ihre stets wertvolle, ideelle und aktive Unterstützung während meines gesamten Berufslebens und auch für das Verständnis, dass ich, sicher aus ihrer Sicht über viele Jahre zu viel Zeit in die Entstehung des Buchs verwendet habe. Kassel, August 2006

Gerhard Mehlhorn

Inhaltsverzeichnis

Autorenverzeichnis  .. . . . . . . . . . . . . . .   XVII 1 Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau  .. . . . . . . . . . . . . . . . .   1 1.1 Einführung  . . . . . . . . . . . . . . . .   1 1.2 Brücken im Altertum  .. . . . . .   2 1.2.1 Brücken in China  . . . . . . . . . .   2 1.2.2 Brücken in Griechenland, in den persischen Großreichen und in Mesopotamien  .. . . . . . . . . .   9 1.2.3 Römische Brückenbaukunst  .. . . . . . . . .   14 1.3 Brücken im Mittelalter  . . . .   23 1.4 Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart  . . . . . . . . . . . .   31 1.4.1 Steinbrücken  .. . . . . . . . . . . . .   31 1.4.2 Holzbrücken  . . . . . . . . . . . . . .   37 1.4.3 Eisen- und Stahlbrücken  .. .   41 1.4.4 Bogen-, Balken- und Rahmenbrücken aus Beton  .   74 1.4.5 Moderne Schrägkabelbrücken  . . . . . . .   90 1.5 Aktuelle Entwicklungen, Bemerkungen zur Gestaltung von Brücken und zu besonderen Bedeutungen  .  96 1.5.1 Aktuelle Entwicklungen  .. . .   96 1.5.2 Bemerkungen zur Gestaltung von Brücken  . . .   99 1.5.3 Brücken mit besonderer Bedeutung  . . . . . . . . . . . . . . .   104 1.6 Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise  . . . . . . . .   108

1.6.1 Vorbemerkung  . . . . . . . . . . . 1.6.2 Baukultur  .. . . . . . . . . . . . . . . 1.6.3 Initiative Baukultur und Stiftung Baukultur  . . . 1.6.4 Gestaltungsmöglichkeiten für Brücken  .. . . . . . . . . . . . . 1.6.5 Planungswettbewerbe im Brückenbau  .. . . . . . . . . . 1.6.6 Deutscher Brückenbaupreis  . . . . . . . . . 1.6.7 Gewinner und Nominierte für den Deutschen Brückenbaupreis 2006 und 2008  . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.8 Beschreibung der für den Brückenbaupreis 2006 und 2008 nominierten Bauwerke  . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2.0 2.1 2.1.1 2.1.2 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5

Ingenieuraufgaben im Brückenbau  . . . . . . . . . . . . . Vorbemerkung  . . . . . . . . . . . Genereller Entwurf  .. . . . . . Vorplanung  . . . . . . . . . . . . . . Entwurfsfindung im offenen oder eingeladenen Realisierungswettbewerb  .. Entwurfsplanung  . . . . . . . . . Vorschriften  . . . . . . . . . . . . . Randbedingungen  . . . . . . . . Baubetrieb und Baustelleneinrichtung  .. . . . Entwurfselemente, Hilfsmittel und statische Vorberechnung  .. . . . . . . . . . Hinweise zur Bauwerksgründung  . . . . . . .

  108   110   111   112   114   117

  120

  131        

165 165 166 166

       

168 169 169 171

  173   173   174

XII

2.2.6 Hinweise zu den Unterbauten  . . . . . . . . . . . . .   2.2.7 Hinweise zu Lagerung und Beweglichkeit  .. . . . . . .   2.2.8 Hinweise zu Brückenentwässerung und Abdichtung  .. . . . . . . . .   2.2.9 Hinweise zu Bau- und Herstellungsverfahren  . . . .   2.3 Genehmigungsplanung  .. . .   2.4 Ausschreibung  . . . . . . . . . . .   2.4.1 Ausschreibung mit Mengenermittlung  .. . . . . . .   2.4.2 Randbedingungen für Sonderentwürfe  .. . . . . .   2.4.3 Funktionale Ausschreibung  . . . . . . . . . . .   2.4.4 Verpflichtung zur Eindeutigkeit  .. . . . . . . .   2.5 Angebotsbearbeitung  . . . . .   2.6 Submission  . . . . . . . . . . . . . .   2.7 Vergabe  .. . . . . . . . . . . . . . . . .   2.8 Ausführungsplanung  .. . . . .   2.9 Prüfung  . . . . . . . . . . . . . . . . .   2.10 Bauausführung, Bauüberwachung, Abrechnung  .. . . . . . . . . . . . .   2.10.1 Bauausführung  .. . . . . . . . . .   2.10.2 Örtliche Bauüberwachung  .  2.10.3 Bauoberleitung  .. . . . . . . . . .   2.10.4 Bauüberwachung bei funktional ausgeschriebenen Brückenbauwerken  . . . . . . .   2.10.5 Abrechnung  .. . . . . . . . . . . . .   2.10.6 Nachträge  .. . . . . . . . . . . . . . .   2.11 Objektbetreuung und Dokumentation  . . . . . .   2.12 Ingenieuraufgaben im Brückenbestand  .. . . . . .   2.12.1 Überwachen, Bewerten und Beurteilen von Brücken  . . . . . . . . . . . . .   2.12.2 Instandsetzung und Ertüchtigung von Brücken  . 

Inhaltsverzeichnis

174 175 176 176 178 178 178 180 180 180 181 182 182 183 183 184 184 185 185

187 187 188 188 189 189 190

2.12.3 Verstärkung von Brückenbauwerken  . . . . . . .   191 2.12.4 Austausch oder Verbreiterung von Tragwerksteilen oder von ganzen Tragwerken  .. .   192 2.12.5 Abbruch von Brückenbauwerken  . . . . . . .   193 Entwurf  .. . . . . . . . . . . . . . . . . .   Entwurfsgrundlagen  . . . . . .   Bauwerkspezifische, ­v erkehrstechnische ­Vorgaben  . . . . . . . . . . . . . . . .   3.3 Ortspezifische ­R andbedingungen  . . . . . . . .   3.4 Funktionelle ­A nforderungen  .. . . . . . . . . .   3.4.1 Tragsicherheit  .. . . . . . . . . . .   3.4.2 Gebrauchstauglichkeit  . . . .   3.4.3 Dauerhaftigkeit  . . . . . . . . . .   3.5 Kulturelle Anforderungen  .   3.5.1 Kosten  .. . . . . . . . . . . . . . . . . .   3.5.2 Ästhetik  . . . . . . . . . . . . . . . . .   3.6 Ziel der Entwurfsarbeit  .. .   3.7 Überlegungen beim ­k onzeptionellen Entwurf  ..   3.8 Ausgewählte Brücken  .. . . .   3.8.1 Sunnibergbrücke, Schweiz  .  3.8.2 Fußgängerbrücke Kelheim, Deutschland  . . . . . . . . . . . . .   3.8.3 Osormort Viaduct, Spanien  .. . . . . . . . . . . . . . . . .   3.8.4 Sacramento river trail ­p edestrian bridge, USA  .. .   3.8.5 Puente de la Barqueta, Spanien  .. . . . . . . . . . . . . . . . .   3.8.6 Falkensteinbrücke, Österreich  . . . . . . . . . . . . . . .   3.8.7 Le Pont de Brotonne, Frankreich  .. . . . . . . . . . . . . .   3.8.8 Donaukanalbrücke in Wien, Österreich  . . . . . .   3.8.9 Mangfallbrücke, Deutschland  . . . . . . . . . . . . .   3 3.1 3.2

195 195 196 197 197 197 198 201 202 202 205 209 210 216 216 218 220 222 224 226 228 230 232

Inhaltsverzeichnis

XIII

3.8.10 The Normandie Bridge, Frankreich  .. . . . . . . . . . . . . .   234 3.8.11 Rheinbrücke Bendorf, Deutschland  . . . . . . . . . . . . .   236 3.8.12 Schrägseilbrücke Dubrovnik, Kroatien  . . . . .   238 4 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 5 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.3 5.3.1 5.3.2

Querschnittsgestaltung  . . . . . . Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit von System und Funktion  .. . . . Allgemeines  .. . . . . . . . . . . . . Allgemeine Erläuterungen zu den Hauptquerschnittstypen  .. . Querschnitte für Straßenbrücken  . . . . . . . . . . Querschnitte für Bahnbrücken  .. . . . . . . . . . . . Querschnitte für Fußgänger- und Radwegbrücken  . . . . . . . . . . Sonderquerschnitte  .. . . . . . Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff  . . . Betonbrücken  . . . . . . . . . . . . Stahlbrücken  .. . . . . . . . . . . . Verbundbrücken  . . . . . . . . . Holzbrücken  . . . . . . . . . . . . .

  241   241   241   244   246   247   248   249          

Haupttragwerke der Überbauten  . . . . . . . . . . . .   Beton-Plattenbrücken  .. . . .   Balkenbrücken  . . . . . . . . . . .   Beton-Balkenbrücken  .. . . .   Stählerne Balkenbrücken  .  Balkenbrücken als Verbundbrücken oder Mischkonstruktionen  . . . . .   Rahmenbrücken  .. . . . . . . . .   Rahmenbrücken aus Beton  .. . . . . . . . . . . . . . .   Rahmenbrücken aus Stahl  . 

249 249 261 271 281 291 291 302 302 335 340 350 350 358

5.3.3 Rahmenbrücken als Verbund- und Mischkonstruktionen  . . . . .   5.4 Bogen- und Stabbogenbrücken  .. . . . . . .   5.4.1 Steinbrücken  .. . . . . . . . . . . .   5.4.2 Betonbogenbrücken  . . . . . .   5.4.3 Stahlbrücken  .. . . . . . . . . . . .   5.4.4 Verbund- und Mischkonstruktionen  . . . . .   5.5 Schrägkabelbrücken  . . . . . .   5.5.1 Konstruktionsgrundsätze  .  5.5.2 Konstruktionselemente  . . .   5.5.3 Lagerbedingungen  .. . . . . . .   5.5.4 Aerodynamisches Verhalten  . . . . . . . . . . . . . . . .   5.5.5 Konstruktive Gestaltung der Konstruktions­­ elemente  .. . . . . . . . . . . . . . . .   5.5.6 Ergänzungen zu Verbundund Mischkonstruktionen  .  5.6 Hängebrücken  .. . . . . . . . . . .   5.7 Spannbandbrücken  . . . . . . .   5.7.1 Einleitung  . . . . . . . . . . . . . . .   5.7.2 Tragwirkung  . . . . . . . . . . . . .   5.7.3 Bauverfahren  .. . . . . . . . . . . .   5.7.4 Beanspruchungen  . . . . . . . .   5.7.5 Wirtschaftlichkeit  . . . . . . . .   5.7.6 Ausblick  . . . . . . . . . . . . . . . . .   6 Lagerung  .. . . . . . . . . . . . . . . . .   6.1 Überblick  .. . . . . . . . . . . . . . .   6.2 Aufgaben und Beurteilung ­d er Lagerung  .. . . . . . . . . . . .   6.3 Wahl der Lagerung und Anordnung der Lager  .  6.4 Ermittlung der Kräfte und Bewegungen  .. . . . . . . .   6.4.1 Allgemeines  .. . . . . . . . . . . . .   6.4.2 Beispiel zur Ermittlung der Kräfte und Bewegungen und der Nachweisführung für bewehrte Elastomerlager  . . . . . . . . . . .   6.5 Lagerwiderstände  .. . . . . . . .  

360 362 362 375 384 396 410 410 414 421 423 424 443 450 456 456 457 459 460 461 461 463 463 467 470 476 476

477 487

XIV

6.6 6.7 6.8

7 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.3.6 7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.4.4

Inhaltsverzeichnis

Planungsunterlagen  .. . . . . .   487 Messungen von Kräften und Bewegungen an Lagern  .. . . . . . . . . . . . . . .   489 Inspektion und Instandhaltung der Lager und Lagerungen  .. . . . . . . . .   492 Unterbauten   . . . . . . . . . . . . . .   Überblick  .. . . . . . . . . . . . . . .   Widerlager  .. . . . . . . . . . . . . .   Definition, Aufgaben und Konstruktionsprinzip  .  Anordnung von Widerlagerwand und Flügeln – Widerlagerarten  .  Konstruktion der Bauteile  .  Entwurf von Widerlagern  .   Stützen und Pfeiler  .. . . . . .   Definition, Aufgaben und Konstruktionsprinzip  .. . . .   Anordnung und Querschnitts­g estaltung von Pfeilern  .. . . . . . . . . . . . .   Anordnung und Querschnitts­g estaltung von Stützen  . . . . . . . . . . . . . .   Pfeiler- oder Stützenkopf  .  Herstellung  . . . . . . . . . . . . . .   Pylone  .. . . . . . . . . . . . . . . . . .   Gründungen  . . . . . . . . . . . . .   Aufgaben und Überblick  ..   Flachgründungen  .. . . . . . . .   Pfahlgründungen  .. . . . . . . .   Auswahlkriterien und Entwurf der Gründung  . . .  

Berechnung   . . . . . . . . . . . . . . . Einwirkungen auf Brücken  . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.1 Allgemeines  .. . . . . . . . . . . . . 8.1.2 Grundlagen  . . . . . . . . . . . . . . 8.1.3 Einwirkungen aus dem Bauwerk  . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 8.1

495 495 495 495 497 500 504 507 507 508 510 511 513 513 514 514 514 517 519

  521   521   521   525   527

8.1.4 Einwirkungen aus der Bauwerks­nutzung  .. . . . . . . .   8.1.5 Einwirkungen aus der Bauwerks­u mgebung  . . . . . .   8.1.6 Bauzustände  . . . . . . . . . . . . .   8.2 Systeme, Tragverhalten, Schnittgrößen  .. . . . . . . . . . .   8.2.1 Grundlagen  . . . . . . . . . . . . . .   8.2.2 Überbauten  . . . . . . . . . . . . . .   8.2.3 Unterbauten  . . . . . . . . . . . . .   8.2.4 Gesamtsysteme  .. . . . . . . . . .   8.3 Berechnung von Stahlbrücken  .. . . . . . . . . . . .   8.3.1 Grundlagen  . . . . . . . . . . . . . .   8.3.2 Ausgewählte Probleme  .. . .   8.4 Ausgewählte Nachweise bei einer Verbundbrücke  ..   8.4.1 Allgemeines  .. . . . . . . . . . . . .   8.4.2 Steifigkeit der Fahrbahnplatte  .. . . . . . . . . .   8.4.3 Verbundtragwirkung  .. . . . .   8.4.4 Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit  .. . . . . . . . . . . .   8.4.5 Ermüdungsnachweis  .. . . . .   8.4.6 Nachweis im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit  .  8.5 Betonbrücken  . . . . . . . . . . . .   8.5.1 Vorspannung von Betonbrücken  .. . . . . . .   8.5.2 Schnittgrößen infolge Vorspannung  .. . . . . . . . . . . .   8.5.3 Einleitung konzentrierter Kräfte  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   8.5.4 Vorspannkraftverluste infolge des Kriechens und Schwindens des Betonsund der Relaxation des Spannstahls  . . . . . . . . . . . . . .   8.5.5 Schnittgrößenum­ lagerungen bei Systemänderungen und abschnittsweisem Bauen  . .   8.5.6 Bemessungsgrundlagen  . . .  

528 534 535 536 536 540 554 559 560 560 564 590 590 591 593 595 602 605 606 606 609 624

629

636 640

Inhaltsverzeichnis

XV

8.5.7 Berechnungsbeispiel, über drei Felder durchlaufende, vorgespannte Plattenbrücke  . . . . . . . . . . . .   8.6 Berechnung von Unterbauten  . . . . . . . . .   8.6.1 Einführung  . . . . . . . . . . . . . .   8.6.2 Berechnung von Widerlagern  . . . . . . . . . . . . .   8.6.3 Berechnung von Pfeilern und Stützen  .. . . . . . . . . . . . .   8.6.4 Berechnung von Gründungen  . . . . . . . . .   8.7 Spezielle Probleme  . . . . . . .   8.7.1 Temperaturbeanspruchung  .  8.7.2 Schwingungsprobleme  . . . .   8.7.3 Erdbebenbeanspruchung  .   9 9.1 9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.1.4 9.1.5 9.1.6 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.4 9.2.5 9.3 9.3.1 9.3.2

Herstellung und Ausführungsmethoden  .. . . . . . Betonbrücken  . . . . . . . . . . . . Herstellung auf Lehrgerüst  . . . . . . . . . . . . . . . Herstellung auf Vorschubrüstung  . . . . . . . . . Freivorbau  . . . . . . . . . . . . . . . Taktschieben  .. . . . . . . . . . . . Segmentbauweise  .. . . . . . . . Schrägkabelbrücken  . . . . . . Stahlbrücken  .. . . . . . . . . . . . Werkstattfertigung  . . . . . . . Montage vorgefertigter Einheiten  . . . . . . . . . . . . . . . . Freivorbau  . . . . . . . . . . . . . . . Längseinschub (Lancieren)  . . . . . . . . . . . . . . Spezielle Verfahren  .. . . . . . Brücken in Verbundund Mischbauweise  .. . . . . . Fertigung und Montage Stahlüberbau  .. . . . . . . . . . . . Schalung und Fertigung Betonfahrbahnplatte  .. . . . .

660 692 692 692 710 720 731 731 754 778

  795   795   795              

813 825 839 849 878 900 900

  904   910   915   918   935   935   938

9.3.3 Einfluss des Bauablaufs  .. .   948 9.3.4 Systemabhängige Bauabläufe  .. . . . . . . . . . . . . .   954 10 10.1 10.1.1 10.1.2 10.2 10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.2.4 10.2.5 10.2.6 10.2.7 10.2.8 10.3 10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.4 10.4.1 10.4.2 10.4.3 10.5 10.6 10.7 10.8 10.8.1 10.8.2

Brückenausrüstung  .. . . . . . . . .   959 Fahrbahnausbildung und Dichtungen  .. . . . . . . . .   959 Fahrbahnen von Straßenbrücken  . . . . . . . . . .   959 Oberbau von Eisenbahnbrücken  .. . . . . . .   962 Lager  .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .   966 Übersicht  . . . . . . . . . . . . . . . .   966 Verformungslager  . . . . . . . .   966 Stahllager  .. . . . . . . . . . . . . . .   974 Topflager  . . . . . . . . . . . . . . . .   976 Kalottenlager  .. . . . . . . . . . . .   978 Festhaltekonstruktionen und Führungslager  . . . . . . .   979 Sonderlager  .. . . . . . . . . . . . .   980 Einbau und Austausch der Lager  . . . . . . . . . . . . . . . .   980 Fahrbahnübergänge  .. . . . . .   981 Allgemeines  .. . . . . . . . . . . . .   981 Fahrbahnübergänge für Straßenbrücken  .. . . . . .   982 Schienenauszugs­ vorrichtungen  .. . . . . . . . . . .   991 Schrammborde, Schutzeinrichtungen, Kappen und Geländer  . . . .   992 Kappen von Straßenbrücken  . . . . . . . . . .   992 Kappen auf Eisenbahnbrücken  .. . . . . . .   993 Geländer und Leiteinrichtungen  . . . . . . . .   994 Brückenentwässerungen  . .   996 Beleuchtung  .. . . . . . . . . . . . .   998 Versorgungsleitungen  .. . .   1000 Lärmschutzanlagen  .. . . . .   1002 Überblick  .. . . . . . . . . . . . . .   1002 Lärmschutzanlagen auf Brücken  . . . . . . . . . . . . . . . .   1003

XVI

11 Überwachung, Prüfung, Bewertung und Beurteilung von Brücken  . . . . . . . . . . . . . .   11.1 Einleitung  . . . . . . . . . . . . . .   11.2 Ursachen für Schäden an Betonbrücken  . . . . . . . .   11.2.1 Allgemeines  .. . . . . . . . . . . .   11.2.2 Schäden am Beton  .. . . . . .   11.2.3 Schäden am Bewehrungsstahl  . . . . . . . .   11.2.4 Schäden an den Fugen und Lagern  . . . . . . . . . . . . .   11.3 Schäden an Stahl- und Verbundbrücken  . . . . . . . .   11.4 Überwachung und Prüfung von Brückenbauwerken  .   11.4.1 Grundlagen zur Überwachung von Brückenbauwerken  . . . . . .   11.4.2 Prüfung von Betonbrücken  . . . . . . . . . . .   11.4.3 Prüfung von Stahlund Verbundbrücken  . . . .   11.4.4 Prüfung der Brückenausstattung  .. . . . .   11.4.5 Prüfung der Brückenausrüstung  . . . . . .   11.5 Zustandsbewertung und -beurteilung von Brücken  . . . . . . . . . . . .   11.5.1 Allgemeines  .. . . . . . . . . . . .   11.5.2 Verfahren zur Zustandsbewertung von Brücken  . . . . . . . . . . . .   11.6 Brückenmanagement  . . . .   11.6.1 Allgemeines  .. . . . . . . . . . . .   11.6.2 Brückenmanagement­ systeme  .. . . . . . . . . . . . . . . .   11.7 Kontinuierliche rechnergestützte Dauerüberwachung  .. . . . .   11.7.1 Allgemeines  .. . . . . . . . . . . .   11.7.2 Festlegung eines Konzepts für die Dauer­ überwachung  .. . . . . . . . . . .  

Inhaltsverzeichnis

1009 1009 1009 1009 1010 1015 1021 1024 1035 1035 1036 1045 1052 1053 1054 1054 1055 1059 1059 1060 1062 1062 1062

11.7.3 Messgrößen und zugehörige Sensoren  .. . . .   1063 11.7.4 Aufzeichnung der Messdaten  . . . . . . . . . . . . . .   1066 11.7.5 Aufbereitung und Verarbeitung der Messdaten  . . . . . . . . . . . . . .   1067 12 12.1 12.2 12.2.1 12.2.2 12.2.3 12.3 12.3.1 12.3.2 12.3.3 12.4 13 13.1 13.2 13.2.1 13.2.2 13.2.3 13.3 13.3.1 13.3.2 13.3.3

Brückeninstandsetzung und -sanierung  .. . . . . . . . . . .   Einleitung  . . . . . . . . . . . . . .   Betonbrücken  . . . . . . . . . . .   Planung von Instandsetzungs- und Sanierungsmaßnahmen  .   Vorbereitende Maßnahmen  . . . . . . . . . . . .   Durchführung der Instandsetzungs- und Sanierungsmaßnahmen  .   Stahlbrücken  .. . . . . . . . . . .   Korrosionsschutz  .. . . . . . .   Niete und Schrauben  . . . .   Instandsetzung von Abrostungen  . . . . . . . . . . . .   Fahrbahnbeläge  . . . . . . . . .   Brückenverstärkung  . . . . . . . .   Einleitung  . . . . . . . . . . . . . .   Betonbrücken  . . . . . . . . . . .   Geklebte Kohlenstofffaser­ verbundwerkstoffe  .. . . . . .   Externe Vorspannung  .. . .   Querschnittsergänzung  . .   Stahl- und Verbundbrücken  . . . . . . . .   Fahrbahnverstärkung  . . . .   Systemverstärkung  .. . . . . .   Systemänderung  .. . . . . . . .  

Literatur  .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brückenverzeichnis  .. . . . . . . . . . . . . . . Personen- und Firmenverzeichnis  . . . . Sachverzeichnis  . . . . . . . . . . . . . . . . . .

       

1069 1069 1069 1069 1071 1075 1083 1083 1083 1084 1084 1087 1087 1087 1087 1096 1100 1104 1106 1107 1112 1115 1171 1181 1185

Autorenverzeichnis

Prof. Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Francesco Aigner Institut für Tragkonstruktionen/Stahlbau TU Wien Prof. em. Dr. techn. Dr.-Ing. e.h. Hugo Bachmann Institut für Baustatik und Konstruktion ETH Zürich Prof. Dr.-Ing. Manfred Curbach Institut für Massivbau TU Dresden Dr.-Ing. Annette Detzel Instituut voor Bouw en Bedrijfskunde, Hogeschool Rotterdam Dipl.-Ing. Dr. techn. Eva-Maria Eichinger-VILL Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie Infrastruktur-Straße Abteilung II/St2-Technik, Wien Prof. Dr.-Ing. Ekkehard Fehling Institut für Konstruktiven Ingenieurbau Fachgebiet Massivbau Universität Kassel Prof. Dr.-Ing. Ursula Freundt Fachgebiet Verkehrsbau Bauhaus-Universität Weimar

Prof. Dr.-Ing. Gerhard Girmscheid Institut für Bauplanung und Baubetrieb ETH Zürich Prof. Dr.-Eng. Dr.-Ing., M.Eng. Masaaki Hoshino Dept. of Transportation Engineering and Socio-Technology, Nihon University Tokyo/Japan Prof. Dr.-Ing. Thomas Jahn Fachbereich Bauwesen/Industriebau Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur, Leipzig Prof. Dr.-Ing. Manfred Keuser Institut Konstruktiver Ingenieurbau/ Massivbau Universität der Bundeswehr München Prof. Dipl.-Ing. Dr.-Ing., M.Eng. Johann Kollegger Institut für Tragkonstruktionen/Betonbau TU Wien Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann Institut für Konstruktion und Entwurf/ Stahlbau und Holzbau Universität Stuttgart Dr.-Ing. Ulf Lichte Ingenieurbüro Lichte, München und Leipzig

XVIII

Autorenverzeichnis

Prof. Dr.-Ing. Ingbert Mangerig Institut Konstruktiver Ingenieurbau/ Stahlbau Universität der Bundeswehr München

Dipl.-Ing. Dr. techn. Thomas Petraschek ÖBB Infrastruktur Betrieb AG, Infra Service, Technik Nord, Linz

Prof. i. R. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Gerhard Mehlhorn Mehlhorn und Vier Ingenieurgesellschaft mbH, Kassel; Institut für Konstruktiven Ingenieurbau Fachgebiet Massivbau Universität Kassel Prof. em. Dr. techn. Dr.-Ing. E. h. Christian Menn Institut für Baustatik und Konstruktion ETH Zürich

Prof. em. Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Günter Ramberger † ehemals Institut für Tragkonstruktionen/ Stahlbau TU Wien

Dr.-Ing. Harald Michler Institut für Massivbau TU Dresden

Prof. i. R. Dr.-Ing. Jürgen Stritzke Institut für Massivbau TU Dresden

Ministerialrat Dipl.-Ing. Joachim Naumann Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung Referat S 18 Bonn

Dipl.-Ing. Peter Ruse † ehemals BUNG, Heidelberg Dipl.-Ing. Silke Scheerer Institut für Massivbau TU Dresden

1 Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau Gerhard Mehlhorn und Masaaki Hoshino

1.1  Einführung Ivo Andric, 1961 mit dem Nobelpreis für Literatur ausgezeichnet, schrieb [Andric, 1971]: Von allem, was der Mensch in seinem Lebenstrieb errichtet und erbaut, scheint meinen Augen nichts besser und wertvoller zu sein als die Brücken. Sie sind wichtiger als Häuser, heiliger, weil gemeinsamer, als Kirchen. Allen gehörig und allen gleich nützlich, immer sinnvoll errichtet an dem Orte, an dem die meisten menschlichen Bedürfnisse sich kreuzen, sie sind ausdauernder als andere Gebäude und dienen keinem heimlichen oder bösen Zweck … alle sind sie im Grunde eines und gleicherweise unserer Aufmerksamkeit wert, denn sie zeigen den Ort, wo der Mensch auf Hindernisse stieß und sich doch nicht aufhalten ließ, sondern sie überwand und überbrückte, wie er es eben vermochte, je nach seiner Auffassung, seinem Geschmack und den Verhältnissen, von denen er umgeben war. Es ist sicher eine Frage des persönlichen Standpunkts, wenn man die Frage der Wichtigkeit der Häuser, Brücken und Kirchen zu vergleichen hat. Diese Frage soll hier nicht vertieft werden. Wesentlich ist, dass Brücken zu den wichtigsten Bauwerken der Kulturgeschichte zählen. Brücken dienten und dienen stets der Verbindung, sei es zur Begegnung von Menschen oder zum Transport von Handelsgütern. So hatten Brücken für den Menschen stets eine besondere Bedeutung. Oft stehen Brücken an markanten Stellen unserer Städte und Verkehrswege. Auch

in die Natur sind Brückenbauwerke einzufügen. Leonhardt hat auf die besondere Bedeutung der Gestaltung unserer Umwelt und ganz besonders die Bedeutung der Schönheit der Umgebung, in der der Mensch lebt, für die seelische Gesundheit hingewiesen [Leonhardt, 1970] (s. auch [Leonhardt, 1974]). Der Ingenieur muss sich dieses Sachverhalts und der daraus resultierenden Verantwortung bei der Gestaltung seiner Bauwerke stets bewusst sein. Es ist darauf zu achten, dass die Bauwerke nicht nur tragfähig und wirtschaftlich konstruiert werden, sondern dass sich die Bauwerke harmonisch in ihre Umgebung einfügen. Gerade im Brückenbau, der ja in ganz besonders hohem Maße fast allein von Ingenieuren zu gestalten und zu verantworten ist, muss der Ingenieur dies stets beachten. Die hervorragenden Brückenbauten des Altertums und des Mittelalters sollen uns Ansporn sein, künftigen Generationen von der hohen Gestaltungskunst der Ingenieure unserer Zeit Zeugnis zu geben. Robert Maillart, ein Ingenieur aus der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts und des Anfangs der Stahlbeton-Bauweise, hat diese Kunst in hervorragendem Maße beherrscht. Im Bild 1.1-1 ist seine wohl bedeutendste Brücke, die Salginatobelbrücke bei Schiers im Prättigau, exemplarisch gezeigt. Man sieht, mit welchem Einfühlungsvermögen Maillart diese Brücke in die Landschaft eingefügt hat. Der Unsymme­ trie des Tals begegnet Maillart auch bei der Komposition der Brücke. Dabei hat Maillart auch ästhetische Gesichtspunkte beachtet, denn diese Brücke ist nicht nur schön in die

2

1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.1-1   Salginatobel­ brücke (Foto aus dem Jahr 1978)

Landschaft gefügt, sondern sie ist auch ein hervorragendes Zeugnis der Ingenieurbaukunst (s. auch Abschnitt 1.4.4, Bilder 1.4-44 bis -46 und Abschnitt 3.7, Bild 3-2). Diese wenigen Hinweise zur besonderen Verantwortung des Ingenieurs vor den ästhetischen Gefühlen der Mitmenschen und der Gestaltung der Umwelt mögen genügen. In [Bonatz/Leonhardt, 1960] ist eine Zusammenstellung sehr gut gestalteter Brücken enthalten. Dieses Buch von Bonatz/Leonhardt, das Buch von Max Bill über Maillart [Bill, 1969], die Bücher [Brühwiler/Menn, 2003], [Billington, 1979], [Billington, 1990], [fib, 2000] [Holgate, 1997], [Leonhardt, 1982], [Pauser, 2002] und die Kataloge zu Ausstellungen über die Bauten von Robert Maillart [Marti/Honegger, 1996], die Bauten von Christian Menn [Vogel/Marti, 1997] sowie die Bauten von Jörg Schlaich und Rudolf Bergermann [Bögle et al., 2003] werden jedem Brückenbau-Ingenieur und am Brückenbau Interessierten zur Lektüre empfohlen. Auch auf das Buch von Dr.-Ing. Kunio Hoshino, eines japanischen Kollegen, zum Problem der Gestaltung von Brücken [Hoshino, 1972] wird hingewiesen. Das Buch, aus japanischer Sicht geschrieben, ist für den um Gestaltungsprobleme ringenden Ingenieur lesenswert. Selbstverständlich wird auch

hier in verschiedenen Kapiteln, insbesondere im Kapitel 3, auf Entwurfs- und Gestaltungsprobleme einge­gangen, siehe auch Abschnitt 1.6.

1.2  Brücken im Altertum 1.2.1  Brücken in China China gehört zu den ältesten Kulturen der Geschichte. Zu den ersten technischen Bauwerken gehören einfache Brücken. Als Vorbilder dienten sicher ein zufällig über einen Bach gestürzter Baumstamm und eine ein Gewässer überbrückende Steinplatte. Genaue Kenntnis über die Anfänge der Entwicklung des Brückenbaus haben wir nicht. Glücklicherweise gibt uns aber das wertvolle Buch [Mao Yisheng, 1986], einen umfangreichen Überblick über alte Brücken in China. Daraus wissen wir, dass die erste Brücke, deren Existenz anhand der antiken Literaturquellen als gesichert betrachtet werden kann, die Schiffsbrücke (von Ufer zu Ufer nebeneinander verankerte Boote, die über einen Bretterbelag verbunden wurden) über den Fluss Wei, einem Nebenfluss des Gelben Flusses, war. Im Shijing, dem zwischen 780 und 476 v. Chr. geschriebenem Gedichtbuch, findet sich eine Ode,

1.2  Brücken im Altertum

nach der der Gründer der Zhou-Dynastie bereits 1134 v. Chr. diese Brücke dort bauen ließ, um seine Braut zu empfangen. In einer anderen Literatur­quelle steht, dass 541 v. Chr. ein im Quin-Königreich lebender vermögender Mann eine provisorische Schiffsbrücke über den Gelben Fluss benutzt hat, um, aus Angst um seinen Kopf, vor seinem Neffen zu ­flüchten. Die erste über eine längere Zeit bestehende, verbürgte große Schiffsbrücke über den Gelben Fluss war die 257 v. Chr. unter dem Herrscher Zhao Xiang Wang von Quin errichtete Pujin Brücke, die in Liedern und Hymnen verschiedener Epochen besungen und auch noch 840 von dem japanischen Mönch Ennin erwähnt wurde. Es kann deshalb angenommen werden, dass sie mindestens ca. 1000 Jahre bestanden hat. Danach wurden mehrere Schiffsbrücken über den Gelben Fluss gebaut. Die erste Schiffsbrücke über den Fluss Changjiang (Yangtse), die Jiangguan (Huya)-Brücke, wurde im Jahre 35 n. Chr. errichtet. Bei allen großen Schiffsbrücken wurden Materialien für Reparaturzwecke (Holz, Anker, Taue und sogar Ersatzschiffe) vorgehalten. Bewegliche Brückenteile wurden ausgefahren, damit Schiffe die Stelle, an der sich die Brücke befand, passieren konnten. Im antiken China gab es schon eine Vielfalt von Brückentypen. Dazu zählen die Holzbalkenbrücken. Im von Li Daoyuan (496–527) geschriebenen Geografiebuch Shuijingzhu ist eine auf 30 Holzpfeilern (Durchmesser der Pfeiler: 1,25 m) gelagerte Holzbalkenbrücke erwähnt, die zwischen 557–531 v. Chr. über den Fluss Fenshui in der Provinz Shanxi gebaut wurde. Im Shiji, das von Sima Qian um 91 v. Chr. geschrieben wurde, ist eine Geschichte über einen Mann enthalten, der sich um 450 v. Chr. unter einer Brücke versteckte, um den Tod seines Herrn zu rächen. Die Brücke mit der Gesamtlänge von 135 m und der Breite von 19,2 m hatte mehrere Öffnungen und überspannte den Fluss Fenshui. In der Quin-

3

und Han-Zeit (221–207 v. Chr. und 205 v. bis 220 n. Chr.) gab es in der damaligen Hauptstadt Xianyang drei berühmte Holzbalkenbrücken über den Fluss Wei, nämlich die östliche Weibrücke, die mittlere Weibrücke und die westliche Weibrücke. Die zwischen 305 und 251 v. Chr. (das genaue Jahr des Baus der Brücke ist nicht bekannt) von Prinz Zhao Xiang in Auftrag gegebene und von Quin errichtete mittlere Weibrücke mit 68 Öffnungen war die älteste und größte der drei Brücken. Ihre Länge betrug 524 m und ihre Breite 13,8 m. Mit dem Bau von Schifffahrtskanälen im Osten Chinas im ersten Jahrhundert n. Chr. wurden dort mehrere Holzbrücken gebaut. Genaueres darüber wissen wir nicht. In Reiseberichten wurden aber häufig große Holzbrücken bewundernd erwähnt. Mehrfach wurde die Brücke bei Sian genannt, von der bekannt ist, dass sie eine Holzbalkenbrücke auf Pfeilern aus Stein war. Die Pfeiler standen auf einer Steinplatte und am Pfeilerkopf war ebenfalls eine Steinplatte angeordnet, die einen auskragenden Holzbalken trug, auf dem die Holzträger des Brückenüberbaus auflagen. Die bei zuvor errichteten Brücken verwendeten Holzpfeiler waren im Wasser stehend im Übergangsbereich vom Wasser zur Luft im Laufe der Zeit dem Verfaulen ausgesetzt. Ihre Lebensdauer war deshalb sehr begrenzt. Die Pfeiler aus Stein hatten natürlich eine bedeutend längere Lebensdauer. Auch Holzkragträgerbrücken gab es schon früh in den südlichen und westlichen Teilen Chinas, wo Holz reichlich vorhanden war und wegen der tiefen Täler und des gewaltigen Hochwassers Brückenpfeiler nur schwer im Fluss errichtet werden konnten. Es ist zu vermuten, dass bereits im 2. Jahrhundert Holzkragträgerbrücken gebaut wurden. Im Shuijingzhu ist eine Brücke aus dem 4. Jahrhundert an der Grenze zwischen Gansu und Xinjiang Weiwuer erwähnt. Ihre Länge betrug 48 m. Sie bestand aus den aus beiden Ufern vorkragenden

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Holzbalken, die in drei Schichten übereinander gesetzt und auf Steinwiderlagern verankert wurden. Das Prinzip der Holzkragträgerbrücken (Bild 1.2-1) ist, dass an beiden Ufern bis zur Höhe des häufig auftretenden Wasserstands Steinwiderlager errichtet werden. Darauf werden jeweils nebeneinander liegende, miteinander verbundene Rundhölzer oder Holzbalken so gelegt, dass sie über die Widerlager zum Wasser hin etwas auskragen. Auf die Hölzer wird eine Schicht Steine aufgelegt, um sie zu beschweren. Danach folgen sukzessive mehrere dieser mit Steinen beschwerten, etwas über die darunter befindlichen Holzlagen auskragender Hölzer, bis die verbleibende Öffnung mit einem Holzträger überbrückt werden konnte. Über breite Flüsse wurden nach diesem Prinzip auch Brücken über mehrere Felder gebaut, wobei man bei den Flusspfeilern nach beiden Seiten auskragende Holzkragträger nach dem eben beschriebenen Prinzip herstellte und die dann verbleibenden Öffnungen über­ brückte. Zur Vielfalt der in China charakteristischen Brückentypen zählen die Steinplattenbrücken [Wölfel, W., 1999]. In ihrer einfachsten Form zur Überbrückung eines Bachs bestehen sie nur aus einer einzelnen Steinplatte, die an den beiden Ufern auf Auflagersteinen aufliegt, oder es werden mehrere Meter lange Steinplatten oder

-balken nebeneinander auf Pfeiler gelegt und bilden mit diesen und den Auflagersteinen an den Ufern eines Flusses das Brückentragwerk. Bei längeren Brücken über mehrere Felder bestehen die Flusspfeiler aus behauenen Steinen, die übereinander geschichtet werden, oder die Pfeiler bestehen jeweils aus einem vertikal im Flussbett aufgestellten Steinbalken. Auf die Peiler und Widerlager werden die Steinplatten aufgelegt. Der Vorteil der Steinplattenbrücken gegenüber Holzbrücken liegt in der längeren Haltbarkeit, die den höheren Aufwand beim Bau rechtfertigte. Was den Aufwand betrifft, muss bedacht werden, dass es ja die uns heute zur Verfügung stehenden modernen Hebezeuge für den Transport und die Montage der schweren Steine noch nicht gab. Die älteste Überlieferung über eine vermutliche Steinplattenbrücke stammt aus einer Ode etwa aus dem Jahr 1000 v. Chr. Danach soll eine 900 m lange Steinbrücke über den Min-Fluss etwa 1040 v. Chr. vorhanden gewesen sein. Sie existiert heute nicht mehr. Um das Prinzip der Steinplattenbrücken zu veranschaulichen ist im Bild 1.2-2 die heute noch benutzte Anping-Brücke, die im 12. Jahrhundert gebaut wurde, gezeigt. Im alten China erfolgte der Warenverkehr vorwiegend auf Wasserstraßen. Zur Querung der Wasserstraßen durch Fußgänger wurden Steinbogenbrücken haupt-

Bild 1.2-1   Beispiel einer Holzkragträgerbrücke, Zamalong-Brücke bei Xining (Bild aus [Ding, 1993])

1.2  Brücken im Altertum

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Bild 1.2-2   Anping-Brücke (Bild aus [Wölfel, W., 1999])

sächlich mit einem Bogen und steilen Rampen gebaut. Die Bogenspannweiten betrugen bis zu 9 m. Die etwas konkav zugeschnittenen schlanken Steine des Gewölbes wurden ohne Mörtel auf einem Lehrgerüst versetzt und ihre gegenseitigen Verschiebungen durch eiserne Verbindungsdübel auf unschädliche, sehr kleine Relativverschiebungen begrenzt. Die Gewölbedicke beträgt nur etwa 1/40 bis 1/30 der Bogenspannweite (die tragenden Gewölbe der römischen Steinbogenbrücken, die ja auch größere Belastungen aus dem Fahrverkehr mit Wagen unterworfen waren, sollten dagegen mindesten 1/10 der Bogenspannweite betragen). Auf beiden Seiten des Bogens innerhalb des Blocksteinmauerwerks sind vertikale Steinplatten (im Bild 1.2-3 gut zu erkennen) angeordnet. Die vertikalen Steinplatten trennen das tragende Gewölbe vom Rampenbereich, leiten einen Teil der Lasten des Bogens in die Gründung und stützen den Bogen horizontal gegen die schweren Rampen ab. Die Rampen bestehen aus beidseitigen Außenwänden aus Blocksteinen mit dazwischen eingefüllter

Erde und Schotter. Die Außenwände und die Zwischenfüllung der Rampen bilden einen zusammenwirkenden Verbundkörper, was durch aus den Außenwänden auskragende Bindersteine, die als Verzahnung tief in die Zwischenfüllung einbinden, gewährleistet ist. Charakteristisch für die frühen chinesischen Steinbogenbrücken, deren Entstehung ja nicht viel später als die der römischen Steinbogenbrücken begann, sind (Bild 1.2-3): • das verhältnismäßig schlanke Gewölbe, das häufig nur aus einer Steinlage besteht, • vertikale Steinplatten auf beiden Seiten des Bogens, • kräftige Brückenrampen auf beiden Seiten der Brücke mit Ansichtsflächen aus Blocksteinmauerwerk. Es ist davon auszugehen, dass Steinbogenbrücken bereits spätestens zum Ende der Östlichen Han-Zeit (25–220) vorhanden waren, weil für die halbkreisförmige Bogenkonstruktion die damals für Grabgewölbe üblichen Ziegel aus gebrannter Erde

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.2-3   Charakteristikum der frühen chinesischen Steinbogenbrücken (Bild aus [Wölfel, W., 1999]), Gründung im Schnitt dargestellt

verwendet wurden. Die erste in der Literatur erwähnte chinesische Steinbogenbrücke war die Luren Brücke aus dem Jahr 282 in Luoyang, die nach fünfmonatiger Bauzeit von 75000 Arbeitern gebaut wurde. Seit der Jin-Zeit (265–420) verbreitete sich der Bau von Steinbogenbrücken vor allem im nördlichen China. Neben den genannten Steinbogenbrücken mit einem Bogen und steilen Rampen als Fußgängerbrücken gab es im Alten China auch schon Steinbrücken mit halbkreisförmigen dickeren Gewölben, oft mit mehreren Bogen. Sie wurden für Flussquerungen durch Fahrverkehr mit im Vergleich zum Fußgängerverkehr größeren Lasten gebaut, bei breiteren Flüssen mit mehreren Bogen. Die Gewölbesteine hatten, wie die römischen Steinbogenbrücken, radialen Fugenschnitt. Sie waren den römischen Steinbrücken (s. Abschnitt 1.2.3) ins-

gesamt sehr ähnlich. Erste dieser Steinbogenbrücken mit mehreren Feldern sollen schon in den ersten Jahrhunderten n. Chr. am Gelben Fluss in der Provinzhauptstadt Luoyang und ihrer Umgebung gebaut worden sein. Der japanische Mönch Ennin berichtet 840, dass die vielen Brücken in China bereits damals ständig gewartet wurden, sehr gepflegt wirkten und regem Verkehr ausgesetzt waren. Die 806 als Steinbogenbrücke gebaute Baodai Brücke bei Suzhou in der Provinz Jiangsu mit 53 Bogen und einer Gesamtlänge von 317 m (Bild 1.2-4) quert den Fluss Dai-Dai und dient noch heute dem Verkehr. Damit auch größere Schiffe unter der Brücke durchfahren können, befinden sich in der Mitte des Flusses drei Bogen mit größeren Bogendurchmessern. Die Perfektion ihrer Konstruktion und Ausführung setzt eine lange Entwick-

Bild 1.2-4   Baodai Brücke bei Suzhou (Bild aus [Wölfel, W., 1999])

1.2  Brücken im Altertum

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Bild 1.2-5   Anji Brücke (Bild aus [Ding, 1993])

lungszeit voraus, weshalb sie bestimmt nicht der Prototyp dieses Brückensystems sein kann. Es ist deshalb wahrscheinlich, dass es schon viele Vorgängerbrücken über den Gelben Fluss gab. Die im 11. bis 19. Jahr der Regierungszeit Kaihuan aus der Sui Dynastie (581– 618), Ende des sechsten Jahrhunderts von Li Chun entworfene und gebaute Anji Brücke (Bilder 1.2-5 und -6) über den Fluss

Xiache ist die weltweit erste Segment­ bogenbrücke (der Ponte Vecchio in Florenz, die erste Segmentbogenbrücke in Europa, wurde erst im 14. Jahrhundert gebaut) und zugleich die älteste erhaltene durchbrochene Steinbogenbrücke [Ding, 1993]. Ihre Spannweite beträgt 37 m, der Radius des Bogens 27,7 m, die Pfeilhöhe 7,23 m und die veränderliche Dicke des Bogens bis zu 1,03 m, die Fahrbahn ist ungefähr 10 m

Bild 1.2-6   Kämpfer der Anji Brücke (Bild aus [Ding, 1993])

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

breit. Das Verhältnis der Pfeilhöhe zur Spannweite ist damit ungefähr 1 : 5. Die größte Steigung der ausgerundeten Brückenfahrbahn ist 6,5%. Der Segmentbogen ist aus 28 parallelen, stumpf aneinanderstoßenden, etwa 1,03 m dicken Einzelbogen, die jeweils aus 43 Steinen mit unterschiedlichen Breiten zwischen 25 und 40 cm und unterschiedlichen Längen zwischen 0,7 und 1,09 m bestehen, zusammengesetzt. Die Gesamtbreite des Segmentbogens beträgt am Kämpfer 9,6 m und im Scheitel knapp 9 m. Die Vorstellung, dass die geringe Abnahme der Bogenbreite vom Kämpfer zum Scheitel die Querstabilität (durch horizontale Bogenwirkung, Verhältnis des horizontalen Bogenstichs zur Spannweite etwa 1 : 123 und dünne Bogenrippen) gewährleistet, hat sich, aus unserer heutigen Sicht erwartungsgemäß, nicht bestätigt. Zwischen 1368 und 1911 sind an der Westseite der Brücke fünf der 28 Einzelbogen und an der Ostseite der Brücke drei Einzelbogen wiederholt eingestürzt und mussten erneuert werden. Dabei erhielten die Steine eine Riffelung in Schrägrichtung, und in Längsrichtung wurden jeweils zwei Steine mit Eisenklammern verbunden (Bild 1.2-6), um das Zusammenwirken der Bogensteine und Einzelbogen zu verbessern. Die zuletzt

vorgenommene umfangreiche Reparatur erfolgte 1955 bis 1958. Dabei wurde festgestellt, dass noch ein Drittel der x-förmigen Eisenklammern gut erhalten waren. Bei der letzten Instandsetzung wurden durch fünf eiserne Verankerungsstäbe mit Gewindeköpfen auch die Verbindung der Einzelbogen miteinander verbessert. Die Fachleute sind sich heute darüber einig, dass die Wiege der Hängebrücken im Himalaya liegt. Die Seile der ältesten dieser Brücken wurden aus geflochtenen Natur­fasern hergestellt. Man kann jedoch nicht, wie bei anderen Brückenbauarten, fest­stellen, seit wann diese Bauart exis­ tierte. Aus einigen Schriften ergibt sich, dass im Himalaya mehrere Hängebrücken schon im 1. Jahrhundert v. Chr. vorhanden waren. Fa Xian, der wegen buddhistischer Heiligenschriften im Jahr 399 nach Indien pilgerte, berichtete über einige solcher Hängebrücken. Es ist möglich, aber noch nicht bestätigt, dass sogar bereits 206 v. Chr. eine eiserne Ketten-Hänge­ brücke über den Fluss Fan in der Provinz Shanxi gebaut worden war. Im Bild 1.2-7 ist eine Hängebrücke in Nepal gezeigt, bei der ein Holzsteg an über die Schlucht gespannten durchhängenden Seilen angehängt ist.

Bild 1.2-7   Hänge­ brücke in Nepal (Bild aus [Wölfel, W., 1999])

1.2  Brücken im Altertum

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Bild 1.2-8   An-Lan Brücke (Bild aus [Ding, 1993])

Es ist bekannt, dass eine der im Südwesten Chinas vorhanden gewesenen sieben Brücken, die An-Lan Brücke war, eine Seilbrücke (unter Seilbrücken seien auf durchhängenden Seilen aufliegende Holzstege verstanden, die fest mit den Tragseilen verbunden wurden) mit zehn aus Bambusfasern geflochtenen, zur Begrenzung des Durchhangs vorgespannten Tragseilen, zwei Stabilisierungsseilen und seitlich je fünf weiteren Seilen, die als Geländer dienten, die der als der Baumeister des Doujiang-Wehrs berühmte Li Bing 251 v. Chr. im Kreis Guan, Provinz Sichuan, gebaut hat. Nach der Literatur hat sie mindestens 600 Jahre lang existiert. Sie wurde mehrmals erneuert. Nach [Ding, 1993] wurde sie 1803 wieder in den ursprünglichen Zustand versetzt (Bild 1.2-8). Mit 8 Feldern hat sie eine Gesamtlänge von ca. 340 m, die Spannweite des größten Felds beträgt 61 m. Die vorgespannten Seile müssen in regelmäßigen zeitlichen Abständen kontrolliert, gegebenenfalls nachgespannt und ausgewechselt werden.

1.2.2  Brücken in Griechenland, in den persischen Großreichen und in Mesopotamien Die Griechen gehören zu den ältesten Kulturvölkern des Mittelmeerraums. Die kretisch-mykenische Kultur (2600– 1150 v. Chr.) wies schon einen hohen technischen Entwicklungsstand auf, es gab z. B. schon Wagen mit Rädern und auch Festungsmauern aus Kyklopenmauerwerk (unvermörteltes Mauerwerk aus größeren Steinblöcken). Die Kragsteinbrücke war zu dieser Zeit die häufigste Brückenkonstruktion. Bei der Burg von Mykene wurden Reste einer großen Steinbrücke aus grob behauenen Kalksteinen gefunden, die wahrscheinlich schon 1400–1200 v. Chr. entstanden ist [Wölfel, W., 1997]. Hier wurde in einen Steindamm eine Brücke mit einer kragsteinartigen Öffnung eingefügt. Später bauten die Griechen vor allem Kragsteinbrücken aus sorgfältig behauenen Quadersteinen. Es wurden zunächst an beiden Seiten der Brückenöffnung lotrechte Wände aufgemauert. Die Steinschichten im Bereich des Bogens kragen nach oben schichtweise jeweils etwas vor. So näherten sich die

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.2-9   Schema der griechischen Kragsteinbrücken (Bild aus [Wölfel, W., 1997]])

Wände allmählich bis sich die obersten Schichten berührten oder die verbleibende Öffnung durch einen Stein überdeckt wurde, s. Bild 1.2-9. Auch Plattenbrücken wurden als Brückentyp gefunden. Eine sehr interessante dieser Plattenbrücken ist in Assos an der Westküste Kleinasiens (Bild 1.2-10), die im 4. Jahrhundert v. Chr. gebaut wurde [Wölfel, W., 1997]. Die Strompfeiler mit Achsabständen von 2,7 m bis 3,7 m aus sorgfältig behauenen Steinblöcken mit rhombischem Grundriss sind nahezu parallel zu den Ufern verlaufend hergestellt worden. Zur Sicherung gegen das Verschieben der Steinschichten durch die Strömung des Flusses sind in den Horizontalfugen Stufen eingearbeitet. Die Platte besteht aus nebeneinander liegenden Steinbalken, die 44 cm bis 64 cm breit und 34 cm dick sind. An den

noch vorhandenen Balken sind an den Längskanten Dübelverbindungen erkennbar. Die Assyrer überschritten bereits im 9. Jahrhundert v. Chr. auf ihren Kriegszügen gegen das Königreich Uratru (östliches Anatolien) Gebirgsflüsse auf Pontonbrücken. Auf dem im British Museum in London befindlichem Türbeschlag des könig­ lichen Palastes in Balawat ist eine der im Auftrag des assyrischen Königs Salmanassaar III. (858–824 v. Chr.) von Pionieren erbauten Pontonbrücken dargestellt [Wölfel, W., 1999]. In Babylon ließ König Nabopolassar um 600 v. Chr. zur Verbindung der beiden Stadtteile beiderseits des Euphrats eine zwischen den Widerlagern ca. 125 m lange Holzbrücke mit sechs gemauerten Pfeilern aus gebrannten Ziegeln über den Euphrat errichten. Die Abstände der Pfeiler vonei­ nander betrugen 7 m bis 9 m. Sie gilt als erste historisch gesicherte feste Straßenbrücke auf massiven Strompfeilern [Wölfel, W., 1997]. Die Spannweite des Endfelds am rechten Ufer soll 19,4 m gewesen sein. Eine Erklärung für diese Spannweite, die man aus den 1910/1911 von Koldewey gefundenen Pfeilerstellungen (Bild 1.2-11) vermu-

Bild 1.2-10   Griechische Steinplattenbrücke aus dem 4. Jahrhundert v. Chr., Brücke in Assos an der Westküste Kleinasiens (Bild aus [Wölfel, W., 1997])

1.2  Brücken im Altertum

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Bild  1.2-11   Von Koldewey freigelegte Pfeiler (Draufsicht) der um 600 V. Chr. gebauten Euphrat Brücke in Babylon (Bild aus [Wölfel, W., 1997])

tet, ist nicht bekannt. Möglicherweise war das große Endfeld wegen der Schifffahrt erforderlich und wurde mit einer aus­ fahrbaren Schiffsbrücke überbrückt. Zur Errichtung der Strompfeiler wurde der Euphrat in einen extra dafür gegrabenen Kanal umgeleitet, um die Pfeiler in trockenen Baugruben herstellen zu können. Die an der Auflagerung des Überbaus 9 m ­breiten und 21 m langen und nach unten konisch zunehmenden sechs Pfeiler mit 11,8 m Breite und 23,8 m Länge verengten den Durchfluss des Euphrats beträchtlich und erzeugten durch den Pfeilerstau bei Hochwasser die Gefahr der Pfeilerunterspülung. Die Brücke ist aber nicht eingestürzt, sondern sie wurde wegen der Flussverlegung des Euphrat nicht mehr benötigt, sie hatte also ihren Zweck verloren. Die Pfeiler waren in vielen Jahrhunderten durch Sandstürme begraben und somit konserviert worden. Von Archäologen freigelegt, gibt sie uns eine Vorstellung dieser bedeutenden Brücke der Antike. Herodot berichtete über persische Schiffsbrücken über den Bosporus [Wölfel, W., 1999]. Der Ingenieur Mandroklos errichtete im Auftrag von Dareios I. 493 v. Chr. eine aus zahlreichen nebeneinander liegenden, seitlich verankerten Schiffen gebildete Brücke mit einem Holzüberbau, über die zahlreiche Krieger, [Jurecka,1979] nennt 600 000 Krieger, den Bosporus über-

querten. Mandroklos ließ von dieser Brücke ein Bild anfertigen, das er der Göttin Hera als Weihgabe stiftete. Der Perserkönig Xerxes ließ 480 v. Chr. eine Schiffsbrücke über den Hellespont errichten. Weil die Brücke kurz nach ihrer Fertigstellung durch einen Sturm zerstört wurde, ließ er die Brückeningenieure enthaupten. Er beauftragte danach den Astronom Harpalos mit dem Bau einer neuen Brücke. Harpalos und seine Brückeningenieure wussten, was ihnen drohen würde, wenn es ihnen nicht gelang, eine sichere, den stärksten Stürmen widerstehende Brücke zu bauen. Es wurden 674 Galeeren in einer Doppelreihe angeordnet und verankert. In jede Richtung gab es eine Fahrbahn. Zur festen Verbindung der Schiffe wurden über jede der Galeerenreihen zwei Hanfseile und zusätzliche Papyrusseile gelegt. Quer über die Seile wurden dicht nebeneinander Holzplanken gelegt und ­befestigt. Auf diese Holzplanken wurden Zweige und Äste aufgelegt und diese mit Erde abgedeckt. Über diese Brücke sollen 150 000 persische Krieger, [Jurecka,1979] nennt sogar 700 000 Krieger, den Bosporus überschritten haben. In den persischen Großreichen sind zahlreiche Steinbrücken gebaut worden, deren Existenz durch Aufzeichnungen belegt ist [Wölfel, W., 1999]. Als besonders unter Dareios (522–484 v. Chr.) der Straßenbau forciert wurde, sind bereits viele

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Steinbrücken gebaut worden. Diese alten steinernen Flussbrücken wiesen schon ­damals eine persische Besonderheit auf. Die Brücke wurde mit einem Staudamm kombiniert, wobei das durch den Damm gestaute Wasser in Kanälen den Feldfluren zur Bewässerung zugeleitet wurde. Diese kombinierten Staudammbrücken, in der Literatur auch Brückenbauwehre genannt, wurden auch in späteren Jahrhunderten bei fast allen Flussbrücken Persiens als ­persische Brückenbauweise, zum Teil bis­ in die Neuzeit angewendet und weiterentwickelt. Nach der Zeitwende wurden von den persischen Brückenbauern Steinbogenbrücken römischen Typs (im Abschnitt 1.2.3 beschrieben) übernommen und weiterentwickelte Staudammbrücken mit römischen Bogen gebaut, wobei die Perser aber den Halbkreisbogen am Scheitel in eine flache Spitze übergehen ließen, was als charakteristisch für persische Bogenbrücken gilt. Die bedeutendste Staudammbrücke ist die im 3. Jahrhundert n. Chr. über den Karun bei Schuschtar errichtete, die viele Jahrhunderte überdauerte und an den noch heute vorhandenen Ruinen die römische Bautechnik deutlich erkennbar ist [Wölfel, W., 1999]. Schapur I. (241–272) wollte die im 3. Jahrhundert bedeutenden Städte Ktesiphon und Pasargadeh durch eine Straße verbinden. Dazu mussten die Flüsse Karkheh, Dez und Karun überbrückt werden. Als erste wurde die Staudammbrücke über den Karun bei Schuschtar gebaut. Aus den vorhandenen Ruinen lässt sich der römische Einfluss der Bauweise erkennen. Da Schapur I. ein römisches Heer besiegt und etwa 70 000 Kriegsgefangene gemacht­ hatte, ist anzunehmen, dass sich unter den Gefangenen auch römische Pioniere und Ingenieure befanden, die wahrscheinlich am Entwurf und Bau der bedeutendsten Staudammbrücke Schuschtar beteiligt waren. Die persischen Wasserbauer schufen zusammen mit den römischen Brücken-

bauern dieses bedeutende Bauwerk der ­ ntike. Der Bau erfolgte in den aufein­ A anderfolgenden Bauphasen I und II, s.­ Bild 1.2-12. In der Bauphase I wurde zunächst der Umleitungskanal ausgeschachtet und der Bogen des Karun durch die Herstellung­ des im Bild 1.2-12a mit A bezeichneten Fangedamms trocken gelegt, bei B war bereits ein zur Wasserregulierung dienendes Wehr vorhanden, um Bewässerungswasser in den Dariun-Kanal zu leiten. Dieses bei­ B vorhandene Wehr wurde deshalb zum Fangedamm in entgegengesetzter Richtung umgebaut. Das Wasser des Karun fließt nun durch den Umleitungskanal. Im trocken gelegten Bogen des Karun wurde­ das im Bild 1.12-12a mit C bezeichnete Verteilerwehr Bend-e-Mizam hergestellt und dadurch der Abfluss des Gärgär-­ Kanals ausgebaut. Der Gärgär-Kanal ­mündet 50 km flussabwärts zurück in den Karun. In der Bauphase II wurde der Fangedamm A wieder entfernt und der Fangedamm D (s. Bild 1.2-12b) gebaut. Dadurch war der Umleitungskanal gesperrt. Der Fangedamm B wurde wieder als Wehr in Fließrichtung des Flusses rückgebaut. Das Wasser des Karun wurde nun vollständig­ in den Gärgär-Kanal umgeleitet. Damit­ war der Karun flussabwärts des Fangedamms B trocken gelegt. Die Staudammbrücke konnte nun im Trockenen gebaut werden. Der 500 m lange und 15 m breite, massive Wehrkörper, der auf Sandsteinschichten gegründet ist und gleichzeitig als Bankett für die Pfeiler der Bogenbrücke dient, wurde aus Beton und Steinen ausgeführt. Er ist mit behauenen Quadersteinen verkleidet, die durch Eisenklammern verbunden sind. Auf dem Wehrkörper wurde eine 3,5 m breite Bogenbrücke mit 40 Bogen ausgeführt (Bilder 1.2-13 und -14). Die 9 m langen und 6 m hohen Pfeiler mit gegenseitigen Abständen von 13 m bis 14 m sind 6 m

1.2  Brücken im Altertum

a

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b

Bild 1.2-12   Baufolge der Staudammbrücke bei Schuschtar, a) Bauphase I, b) Bauphase II (Bild aus [Wölfel, W., 1999])

Bild 1.2-13   Staudammbrücke bei Schuschtar (Bild aus [Wölfel, W., 1999])

Bild 1.2-14   Bauwerksruine der Staudammbrücke bei Schuschtar (Bild aus [Wölfel, W., 1999])

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

dick, damit sie dem Strömungsdruck bei höheren Wasserständen standhalten. Bei Hochwasser über dem Stauspiegel fließt Wasser über die Wehrkrone durch die ­B ogenbrücke ab. Die Bogenbrücke, die über mehrere Jahrhunderte dem Verkehr diente, wurde mehrfach ausgebessert und schließlich dem Verfall preisgegeben. Die noch vorhandenen Bogen und Pfeiler ­zeugen vom hohen Stand der antiken ­Baukunst. Der noch völlig intakte Wehrkörper dient heute noch dem Bewässerungssystem. 1.2.3  Römische Brückenbaukunst Die ersten Brücken der Römer waren natürlich Holzbrücken, wie überall in der Antike. Holz stand fast überall zur Verfügung oder ließ sich leicht beschaffen. Ein Vorteil der Holzbrücken im Vergleich zu den gewölbten Steinbrücken ist, dass sie bei Hochwasser den Abflussquerschnitt nicht so gravierend einengen wie die Steinbrücken. Das Bearbeiten des Holzes und das Rammen von Holzpfählen war bereits im 1. Jahrtausend v. Chr. möglich. [Vitruv, 1796] beschrieb schon ca. 30 v. Chr. ausführlich im 9. Kapitel des 2. Buches die verschiedenen Hölzer, ihre Eigenschaften und ihre Vorund Nachteile bei der Verwendung als ­Bauholz. Die Römer imprägnierten bereits das Bauholz mit Ölen und Harzen, und sie wussten auch Qualitäten nach dem Anwendungszweck zu unterscheiden und speziell für Unterwasser-Pfahlgründungen Hölzer mit besonderer Lebensdauer wie Eiche und Esche auszuwählen. Trotzdem war die ­verhältnismäßig geringe Lebensdauer des Holzes der größte Nachteil der Holzbrücken, insbesondere faulten die im Wasser und Boden stehenden Pfähle. Nach der Entwicklung des im Wasser erhärtenden Betons von den Römern konnten die Fundamente und Pfeiler der Brücken massiv aus Stein und Beton hergestellt

werden. Über die massiven Pfeiler wurde nun zunächst der Überbau aus Holz errichtet. Der Holzüberbau kam nicht mit dem Wasser und Boden in Kontakt, hatte deshalb eine längere Lebensdauer und konnte einfach ausgebessert werden. Genannt sei hier nur der im 7. Jahrhundert v. Chr. gebaute Pons Sublicius, eine Holzbrücke auf Pfeilern aus Stein, dem damals einzigen festen Übergang zur Tiberinsel in Rom. Die Brücke wurde 62 v. Chr. bei der Verteidigung Roms gegen die Etrusker zerstört, erneut, diesmal als Steinbrücke, gebaut, fiel aber bereits 23 v. Chr. einem Hochwasser zum Opfer. Es dauerte danach 163 Jahre bis eine neue Steingewölbe-Brücke die Tiber­ ufer an dieser Stelle wieder verband. Diese Brücke überlebte bis in die Neuzeit und wurde 1877 durch einen gusseisernen Überbau ersetzt. Stabbogenförmig angeordnete Holzsprengwerke, die sich zwischen Steinpfeilern spannen, wurden von den Römern in den folgenden Jahrhunderten, vor allem in ihren Kolonien, verwendet. Dabei wurden mit übereinander parallel angeordneten Mehrfachsprengwerken Spannweiten bis 30 m erreicht. Die im ersten Jahrhundert, etwa 30 m oberhalb der heutigen TheodorHeuss-Brücke zwischen Mainz und Kastell auf einem Holzpfahlrost (Bild 1.2-15), Steinpfeilern und mit einem Holzüberbau als Sprengwerk gebaute römische Rheinbrücke ist ein bemerkenswertes Beispiel dafür (Bild 1.2-16) und auch die Rhein­ brücke bei Köln (4. Jahrhundert) ist zu ­nennen [Deinhard, 1964]. Die im Bild­ 1.2-15 gezeigte Holzpfahlrost-Gründung der Römer­brücke zwischen Mainz und Kastell wurde etwa 1880 zur Verbesserung der Schifffahrt beseitigt und vorüber­ gehend im Innenhof des kurfürstlichen Schlosses aufgestellt, wovon das Foto stammt. Schließlich ist vor allem wegen ­der bemerkenswert kurzen Bauzeit von ­nur zehn Tagen (einschließlich Holzbeschaffung) noch die 350 m lange „Römerbrücke“

1.2  Brücken im Altertum

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Bild 1.2-15   Pfahlgrün­ dung der Mainzer Brücke, Foto vom Bild aus dem Landesmuseum Mainz.

Bild 1.2-16   Modell der im ersten Jahrhundert gebauten römischen Rheinbrücke bei Mainz, Foto vom Modell aus dem Landesmuseum Mainz.

Bild 1.2-17   Unter Caesar 55 v. Chr. über den Rhein bei Neuwied errichtete Holzbrücke Bild aus [Wölfel, W., 1997]

Caesars über den Rhein bei Neuwied (Bild 1.2-17), die als Behelfsholzbrücke aus ­hölzernen Streckbalken mit querliegenden Belaghölzern bestand, wobei die Streckbalken auf gespreizten Jochen auflagen und diese miteinander verbunden haben ­[Heinzerling, 1871], zu nennen. Eine Beschreibung vom Bau ­der hölzernen Rhein-

brücke bei Neuwied gibt Caesar in seinen Büchern „De bello Gallico“. Im Bild 1.2-19 wird noch die sehr bemerkenswerte von Apollodorus unter Trajan ca. 105 erbaute Donaubrücke bei Turnu Severin in Rumänien, die einen auf steinernen Pfeilern gestützten Holzüberbau als Sprengwerk hatte, gezeigt. Die von Apollo-

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.2-18   Trajansäule in Rom

Bild 1.2-19   Von Apollodorus unter Trajan ca. 105 erbaute Donaubrücke, am Reliefband der Trajansäule

dorus erbaute Donaubrücke ist auf einem Reliefband an der 113 erbauten Trajansäule, Bild 1.2-18, dargestellt. Die von den Römern, die sich im Altertum als wahre Meister der Brückenbaukunst erwiesen, erbauten Steinbrücken sind vor allem als in vollem Halbkreis oder in einem davon wenig abweichendem Segmentbogen gewölbte Bogenbrücken ausgeführt worden. Den Gewölbebau erlernten die Römer von den Etruskern, die aber nur Bogenbrücken mit kleinen Spannweiten bauten. Die Römer entwickelten die Bogenkonstruktionen zu Brücken mit größeren Spannweiten und gelten deshalb zu Recht als die Erfinder der Steinbogenbrücke. Mit dem von den Etruskern übernommenen Steinbogen, dem von den Griechen übernommenen Quadersteinbau und von den Römern erstmals angewendeten Beton (opus caementitium) wurde der römische Brückenbaustil entwickelt. Die bestimmende Grundform der römischen Brücke ist der gewölbte Halbkreis der Durchlassöffnung. Dieser Halbkreis wird meistens auf Fundamentbalken ausgeführt, damit die Kämpferlinie des Bogens über dem Wasserspiegel liegt. Die Spannweiten der Bogen bewegen sich bei den größeren Ausführungen fast immer zwischen 20 m und 30 m. Ebenso charakteristisch für römische Brücken ist die geschlossene Durchführung der seitlichen Brüstung und in späterer Zeit, die die Durchlassöffnung umrahmende Archivolte (profilierte Frontseite eines Bogens, meist auf einem Kämpfer aufsitzend). Die Herstellung der Fundamente erfolgte häufig in Kastenfangedämmen [Wölfel, W., 1997]. Dabei wurde zunächst ein doppelwandiger, mit Zangen zusammen gehaltener Kasten aus waagerechten Bohlen hergestellt. Der Kasten wurde an eingerammten Holzpfählen befestigt. Die Dichtung der Doppelwände erfolgte mit­tels in aus Sumpfgras geflochtenen Körben eingefüllten Ton oder Lehm (Bild 1.2-20). Nach dem Einfüllen des Tons oder Lehms,

1.2  Brücken im Altertum

Bild 1.2-20   Gründung eines Brückenpfeilers Kastenfangedamm nach Vitruv (Bild aus [Wölfel, W., 1997]

das sehr verdichtet erfolgte, wurde der durch die Einfriedung umgrenzte Raum trocken gelegt. Für das Trockenlegen em­ pfahl Vitruv Wasserschnecken und Wasserräder oder Schöpfräder einzusetzen. Die erste Steinbogenbrücke in Rom war der ca. 200 v. Chr. gebaute Ponte Mulvius. Seine Abmessungen sind nicht bekannt, die Brücke war bereits etwa 100 Jahre später baufällig, wurde abgerissen und durch eine völlig neue Brücke in besserer Qualität, heute Ponte Milvio oder Ponte Molle genannt, ersetzt. Sie war im Zuge der Via Flaminia, zweieinhalb Kilometer nördlich der Porta del Popolo die verkehrstechnisch wichtigste Brücke. Der Ponte Mulvius hat historische Bedeutung. Hier endete am 28. Oktober 312 die bedeutsame Schlacht zwischen Kaiser Konstantin und seinem Rivalen Maxentius mit dem endgültigem,

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dem Christengott zugeschriebenem Sieg Kaiser Konstantins. In den folgenden Jahrhunderten zogen alle vom Norden kommenden Heere über diese Brücke. Im zweiten Weltkrieg hat sie noch den ganzen Etappenverkehr zunächst der italienischen und deutschen, dann der alliierten Truppen mit dem umfangreichen schweren Kriegsgerät ausgehalten, wobei nur die Breite der Brücke (etwa 6,7 m zwischen den Brüstungen), ihre Tragfähigkeit jedoch nichts zu wünschen übrig ließ. Von den vier mittleren, in der Hauptsache antiken Bogenöffnungen zeigen zwei noch die ursprüngliche Struktur mit Archivolten aus Travertin, während bei den anderen beiden die Hausteinquader teilweise durch Backsteinmauerwerk bei einer durchgreifenden Restaurierung im 15. Jahrhundert ersetzt wurden. Als Folge des zunehmenden Verkehrs wurden weitere Brücken über den Tiber erforderlich. Deshalb wurde in der Nähe der Tiberinsel etwa 180 v. Chr. der Pons Aemilius gebaut. Es war wahrscheinlich eine auf Pfeilern aus Stein errichtete Brücke mit einem Überbau aus Holz, der etwa 40 Jahre später durch Steinbogen ersetzt wurde. Die Brücke wurde 1229 durch ein Hochwasser zerstört und wieder aufgebaut. 1289 wurde sie erneut durch Hochwasser zerstört und nicht wieder erneuert. Erhalten ist nur ein Bogen der Brücke, der heutige Ponte Rotto (Bild 1.2-21). Um die Zeitwende entstehen in Rom eine ganze Reihe weiterer Brücken als steinerne Bogen mit Spannweiten zwischen 20 m und 30 m, die zum Teil bis in die heutige Zeit erhalten geblieben sind. Genannt seien der Ponte Cestio und der Ponte Fabricio sowie nicht zuletzt der Ponte St. Angelo (Pons Aelius), die Engelsbrücke, erbaut etwa 130 unter Hadrian. Die älteste der in Rom noch erhaltenen römischen Brücken ist der 62 v. Chr. erbaute Ponte Fabricio (Bild 1.2-22). Er besteht aus zwei halbkreisförmigen Durchlassöffnungen mit je 20 m Spannweite und einem 18 m breiten

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.2-21   Erhaltener Bogen des Ponte Rotto (Foto: Dipl.-Ing. Sylvia Mehlhorn)

Bild 1.2-22   Ponte Fabricio in Rom (Foto: Dipl.-Ing. Sylvia Mehlhorn)

Mittelpfeiler. Dieser Mittelpfeiler ist von einem überwölbten Durchlass oberhalb des Wasserspiegels durchbrochen, der seitlich von Pilastern – mit der Wand verbundene, aus ihr nur z. T. hervortretende Pfeiler – eingefasst wird. Durch den Durchlass soll ein eventuelles Hochwasser abfließen. Diesen Durchbruch des Mittelpfeilers findet man bei fast allen römischen Brücken, er entwickelt sich zu einem charakteristischem Motiv. Die Bogenquader im Scheitel sind häufig etwas größer als an den Kämpfern, so dass sich als Einfassung des Bogens ein nach der Mitte zu anschwellender Halbring ergibt. Die Brüstung wird als geschlossene Mauerfläche in der Ebene des Unterbaus durchgeführt. Die Lage der Fahrbahn, die nach der Brückenmitte zu leicht an-

steigt, ist nach außen hin durch ein starkes Profil gekennzeichnet, während spätere römische Brücken an dieser Stelle ein vollkommenes Gesims zeigen. Die Brüstung ist durch den auf dem Profil stehenden Sockel, die glatte Fläche und die Deckplatte dreigeteilt, was auch später immer – mit fortschreitender Zeit zunehmend betont – wiederkehrt. Vor dem Pfeiler ist, mit diesem nicht verbunden, eine Vorlage mit halbkreisförmigen Grundriss zum Schutz gegen die Strömung angeordnet. Der etwa 40 v. Chr. als Bogenbrücke mit einem Hauptbogen erbaute Ponte Cestio verbindet gemeinsam mit dem Ponte Fabricio über die Tiberinsel noch heute die Innenstadt und den Stadtteil Trastevere. Die beiden durchbrochenen Uferpfeiler stammen aus dem 19. Jahrhundert. Die Brüstung, in der Mitte horizontal geführt und nach beiden Seiten mit ziemlich starker Neigung abfallend, ist stärker betont als beim Ponte Fabricio. Der Ponte Sant’ Angelo (Engelsbrücke), früher: Pons Aelius, in Rom (Bild 1.2-23), eine der neun Tiberbrücken der Römer, wurde etwa 130 unter Hadrian erbaut und führt zum Grabmal Hadrians (heute: Castel Sant’ Angelo, Engelsburg). Die Engelsbrücke wurde mit fünf Bogen errichtet, anlässlich der ­Tiberregulierung im 19. Jhrh. ergänzt und hat heute acht Bogen, von denen die drei mittleren zur originalen Bausubstanz gehören und je 18,3 m überspannen. Die Brücke besticht durch ihre besondere Schönheit und Ausgewogenheit. Die auf der Brücke befindlichen zehn Engelsfiguren, als heilige Versammlung, in der die Engel nacheinander alle Werkzeuge des Martyriums Christi vorführen, wurden erst im 17. Jhrh. von Bernini, von Clemens IX. beauftragt, und seinen Mitarbeitern aufgestellt. Die Engelsbrücke wurde von Bernini damit als monumentaler Kreuzzug gestaltet. Alle Engelsfiguren, die der Brücke ihren heutigen Namen geben, haben ihre Rückseite dem Fluss zugewandt. Der Engel mit der Schriftrolle und der Engel mit der Dornenkrone, die

1.2  Brücken im Altertum

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Bild 1.2-23   Engelsbrücke in Rom

heute aber nur als Kopien auf der Brücke stehen, hat Bernini persönlich geschaffen. Die Originale dieser beiden Engelsfiguren befinden sich in der Kirche Sant’ Andrea delle Fratte. Es sei noch erwähnt, dass die Kunst des Brückenbaus bei den Römern in sehr hohem Ansehen stand, was dadurch belegt ist, dass sie zunächst dem obersten Priester, dem „Pontifex“ (Brückenmacher) anver-

Bild 1.2-24   Pont du Gard bei Nimes (Foto: Mareike Wagner)

traut war. Ihm oblag auch die Pflege der Brücken. Die Bezeichnung Pontifex ging nach der Anerkennung des Christentums als Staatsreligion auf den Papst über. Noch heute ist der Papst der „Pontifex Maximus“, der „größte Brückenbauer“ zwischen Gott und den Menschen. Die mit 59 Bogen und mit 792 m wohl längste römische Brücke befindet sich in Merida in der Provinz Badajoz im Südwesten Spaniens. Sie ist 8 m breit, 12 m und hoch und überquert seit dem Ende des 1. Jhrh. den Guadiana. Sie wurde mehrfach repariert und bildet auch heute noch eine wichtige Verkehrsverbindung von und nach Westen. Zur Versorgung der römischen Städte mit Wasser aus Gebirgsquellen oder Oberflächenwasser bauten die Römer Freispiegelgefälle-Wasserleitungen und überbrückten Täler oder andere Bodenunebenheiten mit Aquädukten, das sind ein- oder mehrstöckige Bogenkonstruktionen zur Überführung der Freispiegel-Wasserleitungen mit ca. 0,2% bis 0,5% natürlichem Gefälle. Die erste römische Wasserleitung ist die bereits 312 v. Chr. von Appius Claudius erbaute Aqua Appia, die das Wasser auf einem 16,5 km langem Weg von den Albaner Bergen in die Stadt Rom führte. Einer der bemerkenswerten der erhaltenen römischen Aquädukte ist der dreistöckige, von Marcus Vispanius Agrippa erbaute Pont du Gard bei Nimes (Bild 1.2-24).

Name

Pons Aemilius, heute ­Ponte Rotto (die zerstörte Brücke)

Marcia

Tepula

Pons Milvius

Ort

Rom

Bei Rom

Bei Rom

Rom

142 v. Chr.

Brücke

104 v. Chr.

Aquädukt ca. 125 v. Chr.

Aquädukt ca. 140 v. Chr.

Brücke

Erbaut Brücke oder Aquädukt

7

23,7 m

5,95 m

Anzahl Größte der Bogen­Bogen spannweite oder lichte Weite

9,2 km

10,4 km

Länge ­ des Bauwerks

Tabelle 1.2-1   Auswahl von Bogenbrücken und Aquädukten der Römer Schlankheit: Verhältnis von Bogen­ dicke zu Spannweite

2–3

Literatur

Die Anfang des 3. Jhrh. v. Chr. erbaute Vorgängerbrücke ist wahrscheinlich die erste von Römern gebaute Steinbrücke gewesen. Zwei der vier mittleren Bogen der 104 v. Chr. gebauten zweiten. Brücke sind noch in der Originalbausubstanz erhalten.

Überbrückt das Tal des Deglio Archi und ist Teil der 91km langen Wasserleitung Aqua Marcia

[Zucker, 1921], [Jurecka, 1979]

[Wölfel, W., 1997]

[Wölfel, W., 1997]

[Wölfel, Die Brücke über den Tiber wurde 1229 durch Hochwasser W., 1997] zerstört, wieder aufgebaut und 1289 durch eine Hochwasserkatastrophe erneut zerstört. Auf einen Wiederaufbau wurde nun verzichtet. Heute ist nur noch ein Bogen erhalten, der Die 179 v. Chr. gebaute Vorgängerbrücke war eine Holzbrücke auf Steinpfeilern.

Bei Aquäduk- Bemerkungen ten: Anzahl der Bogenstockwerke, Höhe bis in m

20 1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Pons ­ estio C über den Tiber

Pont du Gard

Brücke des Brücke Augustus

Rom

Bei Nimes

Rimini

40 v. Chr.

62 v. Chr.

Ca. 90 v. Chr.

20

Aquädukt 19 v. Chr.

Brücke

Brücke

Pons Fabricius

Rom

Brücke

Ponte del Diavolo

Bei Vulci/ Italien

7

3

2

8,8 m

24,5 m

20 m

72 m

269 m

1:8,8

3 48,7m

Eine der am besten erhaltenen Brücken. In der Mitte Ehrentempel in römischem Barock.

Aus der Außenfront des Mauerwerks der Pfeiler und aus der Gewölbeleibung kragen Steine aus, die zur Auflagerung der Lehrgerüste dienten.

Der Pons Cestio wurde im 19. Jhrh. abgetragen und durch einen Neubau ersetzt. Die ­Brücke diente etwa 1800 Jahre dem Verkehr.

Der Pons Fabricius ist die älteste erhaltene Brücke in Rom. Etwa 18 m breiter Mittelpfeiler mit überwölbtem Durchlass für Hochwasser. Der Pons Fabricio verbindet über die Tiberinsel gemeinsam mit dem Pons Cestio die In­ nenstadt und den Stadtteil ­Trastevere.

Pfeiler zum Teil etruskischen Ursprungs

[Jurecka, 1979], [Wölfel, W., 1997]

[Menn, 1986], [Wölfel, W., 1997]

[Jurecka, 1979], [Wölfel, W., 1997]

[Zucker, 1921], [Menn, 1986], [Wölfel, W., 1997]

[Jurecka, 1979], [Lamprecht, 1996]

1.2  Brücken im Altertum 21

Brücke

Nera­ brücke

Ponte Pietra

Römer­ brücke

Bei Narnia

Verona

AscoliPiceno

Brücke

Brücke

1. Jhrh. 59

Brücke

Merida/ Brücke Spanien über den Guadiana

4

2. Jhrh. 5

1. Jhrh. 4

ca. 130 7

Ponte Sant Brücke Angelo, Engels­ brücke

Rom

20 m

32,1 m

21 m

19,2 m

Anzahl Größte der Bogen­Bogen spannweite oder lichte Weite

Name

Ort

Erbaut Brücke oder Aquädukt

Tabelle 1.2-1   (Fortsetzung)

792 m

Länge ­ des Bauwerks

1:17

Schlankheit: Verhältnis von Bogen­ dicke zu Spannweite

12m

Brücke über den Tronto mit vier gestelzten Halbkreisbogen, 16 m über dem Wasserspiegel

Nur die zwei Bogen am linken Ufer sind noch antik. In der Renaissance drei Bogen als segmentförmige Bogen ersetzt.

Im 8. Jhrh. Teileinsturz und Wiederaufbau, 1054 Einsturz durch Hochwasser. Nur der 19 m weit gespannte Bogen am linken Ufer und die Pfeiler sind noch antik. Der Torturm ist im Mittelalter errichtet worden.

Der noch bestehende römische Brückenteil(die 10 Bogen vom Nordufer aus) sind noch antik und fast 2000 Jahre alt.

Die drei mittleren Bogen noch in der Originalbausubstanz erhalten

Bei Aquäduk- Bemerkungen ten: Anzahl der Bogenstockwerke, Höhe bis in m

[Zucker, 1921]

[Zucker, 1921]

[Zucker, 1921], [Jurecka, 1979] [Wölfel, W., 1997]

[Wölfel, W., 1997]

[Zucker, 1921], [Jurecka, 1979]

Literatur

22 1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Brücke über den Guadalquivir. [Wölfel, W., 1997] Trotz vieler Schäden als Folge der Reduktion des Durchflussquerschnitts auf 62% und vieler Reparaturen noch im Verkehr. Nur einzelne Bogen im Uferbereich sind noch römisch.

Als Folge des beträchtlichen Pfeilerstaus kam es zu mehreren Pfeilereinstürzen. Im 17. Jhrh. wurden neun Brückenbogen neu errichtet. [Zucker, 1921], nur 15 Bogen sind antik.

[Zucker, 1921], [Wölfel, W., 1997]

1.3  Brücken im Mittelalter

23

An den Bogenkämpfern und an den Bogen selbst, die ohne Mörtel gemauert wurden, sind hervorstehende Quadersteine zu sehen. Diese konstruktiven Elemente dienten der Auflagerung der Lehrgerüste zur Herstellung der Gewölbe. Sie wurden damals (und auch noch häufig bei im 20. Jahrhundert erbauten Natursteinbrücken) immer mit besonderer Sorgfalt in die formale Gestaltung des Bauwerks einbezogen und ­steigern die Schönheit des Aussehens. Um die Eigenlasten zu reduzieren, nehmen die Bogenbreiten nach oben zu ab. Insgesamt sind mehr als tausend römische Brücken nachgewiesen; viele davon aus opus caementitium mit einer Schale in Quadertechnik. Eine Auswahl ist in der Tabelle 1.2-1 angegeben.

274 m 16 Brücke Cordoba Große Römer­ brücke

14 m

27 Brücke Salamanca

TormesBrücke

9,5 m

178,7 m

1.3  Brücken im Mittelalter Mit dem Untergang der römischen Kultur verfiel auch die Brückenbaukunst und erst später, vor allem etwa vom 11. Jahrhun­ dert an, zeigt sich mit der Entwicklung des Städtewesens wieder eine Periode der Neubelebung, aus der mehrere technisch und kunstgeschichtlich interessante Bauwerke überliefert und erhalten sind. Im Gegensatz zu den Brücken der Römer, bei denen fast stets eine Folge von Halbkreisbogen gewählt wurde, unterscheiden sich die Brücken des Mittelalters zum Einen durch die Einbindung in die örtlichen ­Gegebenheiten und häufig in das Stadtbild, zum Anderen in der Variation der Bogenformen, z. B. flacher Segmentbogen und ovale Formen. Die im Mittelalter ­gebauten Brücken haben deshalb meist eine individuelle Charakteristik. Beispielhaft seien von den Brücken des Mittel­ alters genannt: • die im 9. Jahrhundert von den Mauren gebaute Puente de Alcántara über den Tajo in Toledo (Bild 1.3-1)

24

1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

• die vermutlich 1135 bis 1146 erbaute Donaubrücke in Regensburg, Bild 1.3-2, die noch heute im Wesentlichen den zwar ausgebesserten, ungeänderten Bestand aufweist • die berühmte 1176 bis 1209 mit 19 Bogen gebaute Alte London Bridge, die ca. 100 Jahre später beidseitig dicht mit mehrstöckigen Häuserreihen besetzt wurde. Sie wurde 1832 abge­ rissen • die aus den Jahren 1173 bis 1222 stammende Augustus-Brücke in Dresden, die mehrmals zerstört und ersetzt wurde, von Pöppelmann 1727–1731 umgebaut, Bild 1.3-3, und an deren Stelle schließlich 1907/1910 eine Betonbrücke, Bild 1.3-4, errichtet wurde • die Ende des 12. Jahrhunderts erbaute Rhone-Brücke in Avignon mit 21 Segmentbogen (Bild 1.3-5), von denen aber nur noch vier erhalten sind, mit im Mittel 33 m Öffnungsweite und 13 m Pfeilhöhe • die Krämerbrücke in Erfurt (als SteinBogenbrücke 1325 fertig gestellt), Bild 1.3-6 • die in Segmentbogen mit rund 30 m Öffnungsweite und 6 m Stich gewölbte Brücke über den Arno (Ponte Vecchio, Bild 1.3-8) in Florenz (Mitte des 14. Jahrhunderts)

Toledo, die Hauptstadt der Region Kasti­ lien-La Mancha, eine der ältesten Städte und ehemals Hauptstadt des Königreichs und zugleich, auch heute noch, kirchliches Zentrum von Spanien, wird vom schluchtartigen Tal des Tajo in einer Schleife umflossen. Nähert man sich der aus der Landschaft heraus ragenden Stadt, erkennt man den Zugang zur Stadt Toledo über die Brücken und die an den Enden der Brücken angeordneten Türme erst, wenn man sich bereits in der Nähe der Ufer des Tajo befindet. Aus dem Mittelalter überspannen zwei Brücken, die Puente de Alcántara und die Puente de San Martín, den Tajo. Die mehrmals umgebaute Puente de Alcantára ist­ die ältere der beiden Brücken. Von den Mauren gebaut, stammt sie aus der zwei­ ten Hälfte des 9. Jahrhunderts. Vermutlich war sie während des Mittelalters zeitweise der einzige Zugang zur Stadt. Die Brücke­ (Bild 1.3-1) wurde im 15. Jahrhundert­ im ­Mudéjar-Stil (Baustil in Spanien des 12.–15. Jahrhunderts, eine Verbindung von maurischen und gotischen Formen) erneuert. Im gotischen Turm auf der­ Seite zur Stadt, im 13. Jahrhundert ge­ baut, be­findet sich ein Doppeltor durch das der Zugang zur Stadt erfolgt. Das am an­ deren Brückenende befindliche Tor im ­Barockstil wurde erst im 18. Jahrhundert errichtet.

Bild 1.3-1   Alcántara Brücke über den Tajo in Toledo

1.3  Brücken im Mittelalter

Bereits Karl der Große ließ etwa 100 m stromabwärts von der heutigen, der Steinernen Brücke, über die Donau in Regensburg eine Schiffsbrücke an diesem nördlichsten Punkt der Donau errichten. Die heute noch bestehende im 12. Jahrhundert gebaute Steinerne Brücke im Zuge einer Gemeindestraße ist die in Deutschland am besten erhaltene Brücke des Mittelalters. Sie wurde wahrscheinlich von 1135 bis 1146 gebaut und war damals der einzige feste Donauüber­ gang zwischen Ulm und Wien. Regensburg zählte damals zu den bedeutendsten Handelsstädten. Die Brücke überquert den südlichen und nördlichen Arm der Donau in einem Zug und damit auch die beiden dazwischen liegenden Inseln. Sie hatte 16 halbkreisförmige Bogen mit von 10,2 m auf 16,7 m zur Mitte zunehmenden Spannweiten und entsprechend anwachsenden Bogenstichen. Die Bogen sind im Scheitel etwa 90 cm dick. Die Brücke war ursprünglich etwa 330 m lang, wovon insgesamt etwa 30% auf die 5,8 m bis 7,6 m breiten Pfeiler entfallen. Die Fahrbahnbreite auf der Brücke beträgt heute etwa 8 m. Die Pfeiler mit Sandstein-Quadern außen, im Innern mit vergossenem Bruchsteinmauerwerk ausgefüllt bilden eine geschlossene Masse, die den an der Donau häufig auftretenden

25

Hochwasserkatastrophen über bisher fast neun Jahrhunderte standhielten. Zum Oberstrom gerichtet haben die Brückenpfeiler keilförmige Eisbrecher-Vorköpfe. Zum Unterstrom befinden sich niedrigere, auch im Grundriss kleinere Vorköpfe. Der durch die breiten Pfeiler der Brücke verursachte Wasserrückstau wurde früher für den Antrieb von Unterstrom befindlichen Mühlen genutzt, und die Brücke war damit eine nachweisbare frühe Wasserkraftanlage. Heute sind von den 16 Bogen nur noch 14 sichtbar, je einer ist an der Seite der Innenstadt in der Auffahrt zum Brückentor und auf der Gegenseite verbaut. Der Grundriss ist leicht geschwungen. Die Abweichung der Brückenachse von der Geraden wurde wahrscheinlich zur Ausrichtung der Fundamente gegen die Strömungsrichtung der Donau gewählt. Im Aufriss ist die Brücke von beiden Seiten zur Mitte des sechsten sichtbaren Bogens um ca. 5 m leicht ansteigend. Auf der Seite zur Innenstadt befinden sich ein Brückenturm und eine Hofanlage. Im 15. Jahrhundert wurde die Brücke zweimal durch Hochwasser und im 16. Jahrhundert die Eisbrecher vor den Brückenpfeilern durch schweren Eisgang beschädigt. Im 30-jährigen Krieg wurden zur Verteidigung während der schwedi-

Bild 1.3-2   Im 12. Jahrhundert gebaute Steinerne Brücke in Regensburg

26

1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

schen Belagerung 1633 ein Brückenbogen abgebrochen, der erst Ende des 18. Jahrhunderts wiederhergestellt wurde. In der Zwischenzeit war das fehlende Brückenfeld durch eine Zugbrücke geschlossen gewesen. Im April 1945 sprengten deutsche Soldaten je zwei Bogen auf beiden Seiten der Donau. Die Brücke wurde bis 1967 wieder instandgesetzt und ist heute etwa 310 m lang. Nach dem Dom ist die Steinerne Brücke, die ein beeindruckender Zugang zur Innenstadt ist, das bedeutendste Wahrzeichen Regensburgs und zugleich das älteste. Bereits Ende des 11. Jahrhunderts befand sich an der Stelle der heutigen Augustusbrücke an der bedeutenden Handelsstraße vom Westen nach Osten als Elbübergang in Dresden eine Holzbrücke, die den bis dahin regen Fährverkehr ersetzte [Löffler, 1956]. Am Brückenkopf wurde in der Folge das Kastell (später zum Schloss erweitert) des Markgrafen mit dem Hausmannsturm gebaut. Die Brücke reichte bis an die Außenmauer des Kastells, durch das die Handelsstraße nach Osten verlief. An der Mauerpforte entstand später das Georgentor. Die Hauptansicht des Schlosses lag damit von Anbeginn an der Elbe und der Brücke zugewandt. Man kann sagen, dass sich die Stadt Dresden von der Lage der Brücke her entwickelte. Im 12. Jahrhundert wurde die Holzbrücke durch Hochwasser und Eisschollen zerstört. Im darauf folgenden Jahr wurde mit der Wiedererrichtung einer Holzbrücke mit Pfeilern und der Gründung aus Stein an der gleichen Stelle begonnen. Nach Unterbrechung des Baus wurde von 1173 bis 1222 die Brücke komplett als Stein-Bogenbrücke gebaut. Auch sie musste im 14. Jahrhundert ersetzt werden. Diese Brücke hatte nach Bildern aus dem Jahre 1570 [Löffler, 1956] 23 Bogen. Eins der mittleren Brückenfelder war aus Holz, um es bei der Verteidigung Dresdens jederzeit schnell abbrennen zu können. Die Brücke galt im 14. Jahrhundert als eine der schönsten, bedeutendsten und längsten

Brücken. In der ersten Hälfte des 16. Jahrhunderts wurde der Holzbrückenteil durch einen Steinbogen mit einer Zugbrücke ersetzt und mehrere Bogen wurden zugeschüttet. Nach Bildern in [Löffler, 1956] hatte die Brücke nun nur noch 20 Felder. Trotz umfangreicher Ausbesserungsarbeiten entstanden im Laufe der Jahrhunderte solche Schäden, dass die Brücke baufällig wurde. Der sächsische Kurfürst August der Starke beauftragte seinen Oberlandbaumeister Matthias Daniel Pöppelmann mit dem Umbau der Brücke. Der Umbau erfolgte 1727–1731. Die Brücke wurde verbreitert, was durch Ansatz seitlicher Kragsteine geschah. Die Pfeilerköpfe, die zuvor nur bis zu den Kämpfern gingen, wurden bis zur Fahrbahn hochgemauert, wodurch große Austritte auf der Brücke entstanden, die mit Ruhebänken ausgestattet wurden. Auf die Austritte wurden 48 schmiedeeiserne Laternen gesetzt, die nachts leuchteten und die Schönheit der Brücke auch bei Dunkelheit wahrnehmen ließen. Die Zugbrücke wurde beseitigt. An der Altstädter Seite wurden Felder zugeschüttet, um für den Bau der Hofkirche Platz zu gewinnen. Die Brücke, Bild 1.3-3, hatte nun noch 17 Bogen. Anfang des 20. Jahrhunderts erwies sich die enge Pfeilerstellung und die geringe Höhe für die zunehmende Elbschifffahrt als hinderlich. Deshalb wurde sie durch eine 1907–1910 gebaute mit Sandsteinquadern verkleidete Betonbogenbrücke ersetzt. Es ist hervorzuheben, dass sich die Erbauer der neuen Augustusbrücke, mit den Baustoffen und den Erfordernissen des Schiff- und Straßenverkehrs des be­ ginnenden 20. Jahrhundert, in ihrer Schönheit an die historische, zuletzt von Pöppelmann gestaltete besonders schöne Brücke, angelehnt haben. Die neue Brücke hat 9 Bogen mit ca. 18 m bis ca. 39 m lichter Weite, die als Korbbogen ausgebildet sind, und sie ist knapp 330 m lang. Die Brücke wurde durch die Luftangriffe auf Dresden im Februar 1945 und durch Sprengungen von

1.3  Brücken im Mittelalter

27

Bild 1.3-3   Augustusbrücke in Dresden (Foto vom Bild Bernardo Belottos, gen. Canaletto, Gemäldegalerie Alter Meister in Dresden)

deutschen Soldaten im Mai 1945 zum Teil zerstört und 1947/1949 wieder in dem Stand von 1910 aufgebaut und dient noch dem heutigen Verkehr. Inzwischen ist auch die Frauenkirche im archäologischem Wiederaufbau vollendet und dadurch wieder das herrliche Stadtbild von Dresden entstanden (Bild 1.3-4). Die Ende des 12. Jahrhunderts von Saint Bénezet vom Orden der Brückenbrüderschaft Frères pontiffes, gebaute etwa 900 m

lange Stein-Bogenbrücke über die Rhone in Avignon, von der heute von ehemals 21 Bogen noch vier erhalten sind, hatte flache, schlanke Bogen mit 33 m lichter Bogenweite bei 13 m Bogenstich und etwa 8m breite Pfeiler, in denen sich nach dem Vorbild der Römerbrücken Durchflussöffnungen befinden. Auf einem Pfeiler befindet sich eine Kapelle. Mit etwa 900 m Gesamtlänge war die Brücke in Avignon lange die längste Brücke Europas. Der in Avignon von 1378

Bild 1.3-4   Augustusbrücke in Dresden, im Hintergrund die Kuppel der wiedererrichteten Frauen­ kirche

28

1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.3-5   Erhaltener Teil der Ende des 12. Jahrhunderts erbauten Rhone-Brücke in Avignon (Foto: Friedegart Wagner)

bis 1394 als Gegenpapst residierende Klemens VII. ließ zu seiner Sicherheit mehrere Bogen zerstören, weitere Bogen stürzten im 17. Jahrhundert durch Hochwasser und starken Eisgang ein, so dass heute nur noch vier Bogen erhalten sind (Bild 1.3-5) und Zeugnis vom Brückenbau des Mittelalters ablegen. Die Brücke wurde sehr vielen Menschen wenigstens namentlich durch das Lied Sur le Pont d’Avignon l’on danse tous en rond bekannt. Während des Mittelalters entwickelte sich Erfurt zu einer bedeutenden Handelsstadt. Die West- Ostverbindung des Mittelalters von Paris bis nach Kiew, die Via Regia, führte in Erfurt über Furten durch die Gera. Vermutlich wurde an der Stelle, wo sich heute die Krämerbrücke befindet, bereits um 1000 eine Holzbrücke gebaut, auf der wahrscheinlich auch damals bereits von Krämern Geschäfte betrieben wurden. Häufige Brandschäden veranlassten die Stadtherren Ende des 13. Jahrhunderts die Holzbrücke durch eine steinerne Gewölbebrücke zu ersetzen. Diese Steinbrücke und die darauf stehenden Fachwerkhäuser sowie die an den beiden Brückenköpfen ursprünglich vorhandenen Kirchen mit Tor-

durchfahrten wurden bis 1325 fertiggestellt [Vockrodt/Sander, 1989] und [Vockrodt et al., 2003]. Von den beiden Kirchen an den Brückenköpfen ist die östliche, die Ägidienkirche, noch heute vorhanden, die westliche wurde im 19. Jahrhundert abgebrochen. Die etwa 80 m lange Brücke hatte sechs ca. 19 m breite Gewölbe aus Sandstein mit bis zu 7,8 m lichten Weiten. Einschließlich der beiderseitigen je 20 m langen Rampen betrug die Gesamtlänge des mit Häusern bebauten Brückenzugs etwa 120 m. Auf der Brücke wurden für Krämer kleine Häuschen mit Läden gebaut. Auf der im Vergleich zur ehemaligen Holzbrücke breiteren Steinbrücke war auch leichter Fuhrverkehr möglich. Sperriger und schwerer Fuhrverkehr war nicht zugelassen und auch gar nicht möglich. In den Pfeilern, die mit Breiten zwischen 3 m und 6,5 m unterschiedlich breit sind, befinden sich Kellergewölbe. Von den sechs Gewölben waren nur fünf Durchflussöffnungen. Das äußere westliche Gewölbe war von Anfang an eine Landöffnung, die zur Unterfahrung der Brücke für schwere Fuhrwerke diente, um zur nördlich der Brücke befindlichen Furt zu gelangen. Beim großen Brand 1472 in

1.3  Brücken im Mittelalter

Erfurt brannten auch Häuschen und Läden auf der Steinbrücke ab. Den Krämern wurden danach auf der Brücke Wohnhäuser gebaut. Dafür musste die Brücke verbreitert werden, was durch beiderseitigen Anbau von Pfeilervorlagen mit dazwischen liegenden Holsprengwerken erfolgte, wodurch die Auskragung der Fachwerkhäuser über die Gewölbebreiten hinaus möglich wurde. Anfang des 18. Jahrhunderts siedelten sich auf der Krämerbrücke Handwerker an. Wegen Schäden an den Gewölben wurde die Brücke 1816 für schweren Lastverkehr gesperrt. 1855 brannten fünf Häuser auf der Brücke ab. Der Brand und der schlechte Zustand der Brücke, die vermutlich Jahrhunderte lang nicht instandgehalten wurde (am äußeren westlichen Gewölbe weist eine im Gewölbescheitel angebrachte Jahreszahl 1676 auf eine Gewölbeausbesserung hin), veranlassten die Regierung ein Wieder­ aufbauverbot auszusprechen. Ende des 19. Jahrhunderts wurde sogar überlegt, die Brücke abzubrechen. Glücklicherweise scheiterten diese Überlegungen, weil dafür kein Geld zur Verfügung stand. In der Folge wurde zunächst nur die Instandhaltung der auf dem Brückenzug befindlichen Hochbauten vorgenommen. In den letzten Kriegs­ tagen des 2. Weltkriegs wurden 1945 durch Artilleriebeschuss drei Häuser zerstört, die

29

ab 1954 wieder aufgebaut wurden. Außerdem erfolgten anschließend weitere Rekonstruktionen an den Hochbauten der Brückenbebauung. Ab 1985 erfolgte dann eine umfassende Instandsetzung der Brücke mit der Wiederherstellung der Tragfähigkeit. Dabei wurde insbesondere auf die weitestgehende Erhaltung der vorhandenen Bausubstanz in ihrer ursprünglichen Form und bei der Ausführung der Rekonstruktionsarbeiten darauf geachtet, dass die sichtbaren Brückenflächen den mittelalterlichen Charakter erhalten oder wieder herstellen. Selbstverständlich wurden in den Bereichen der sichtbaren Teile nur traditionelle Baumaterialien verwendet. Beton und Stahl wurde nur bei inneren, nicht sichtbaren Teilen der Brücke verwendet. Eine ausführliche Beschreibung über die vorgenommenen Arbeiten wird in [Vockrodt/Sander, 1989] gegeben. 1986 war die Instandsetzung der Brücke abgeschlossen. Die Krämerbrücke in Erfurt (Bilder 1.3-6 und –7) ist wegen ihrer historischen Funktion im Mittelalter und wegen ihrer interessanten Baugestaltung ein zur deutschen Geschichte zählendes bedeutendes Ingenieurbauwerk. 1335 bis 1345 wurde von Taddeo Gaddi, ein Schüler Giottos, wahrscheinlich die erste Segmentbogenbrücke in Europa mit

Bild 1.3-6   Krämerbrücke in Erfurt (Foto von MR Dr.-Ing. e.h. Dipl.-Ing. Friedrich Standfuß)

30

1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.3-7   Einblick in das Treiben auf der Krämerbrücke in Erfurt

drei Bogen von etwa 30 m lichter Weite und dem Pfeilverhältnis von 1 : 5, der noch heute viel beachtete Ponte Vecchio (Bild 1.3-8) über den Arno in Florenz fertiggestellt [Zucker, 1921], [Jurecka, 1979] und [Straub, 1992]. Auf ihr befinden sich mehrstöckige Häuser mit Läden in den Untergeschossen, hauptsächlich von Gold-, Silberschmieden und Juwelieren. Über die Wohnhäuser hin-

weg wurde 1564 von Vasari im Auftrag Cosimos I. ein überdachter Gang gebaut, der die Uffizien und den Palazzo Pitti verbindet und den Medici ermöglichte von ihrer Residenz im Trockenen und ohne sich der Öffentlichkeit zu zeigen den Arno zu überqueren. Der Ponte Vecchio hat, wie die Steinerne Brücke in Regensburg, die Krämerbrücke in Erfurt, die Karlsbrücke in Prag und die Rialto Brücke (Abschnitt 1.4.1), einen prägenden Einfluss auf das Stadtbild. Die Brücke musste insbesondere als Folge von Hochwasserschäden wiederholt instandgesetzt werden. In Prag stand bereits früher etwas stromaufwärts von der Stelle der heutigen unter Karl IV. 1357 begonnenen, Anfang des 16. Jahrhunderts instandgesetzten und fertiggestellten Karls-Brücke (Bild 1.3-9) bereits eine aus dem 12. Jahrhundert stammende Steinbrücke (die Judith-Brücke). Sie hatte enge, mit Halbkreisbogen überspannte Öffnungen, bestand bis ins 14. Jahrhundert und wurde durch Hochwasser zerstört. Die im 14. Jahrhundert von Peter Parler gebaute Karlsbrücke ist 505 m lang, hat 16 nahezu halbkreisförmige Bogen mit lichten Weiten von ca. 18 m bis ca. 23 m. Die Pfeilervorlagen sind bis zur Brüstung hochgezogen. Auf den Pfeilervorlagen stehen Standbilder, z. T. als Einzel- und Gruppenfiguren, die ab dem 17. Jahrhundert aufge-

Bild 1.3-8   Ponte Vecchio in Florenz, dahinter der Ponte Santa Trinità

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

31

Bild 1.3-9   Karlsbrücke in Prag

stellt wurden. Die Brückenköpfe werden durch Tortürme abgeschlossen, der besonders schöne Turm auf der Seite der Altstadt wurde noch von Peter Parler gebaut. Die Karlsbrücke wurde einige Mal durch Hochwasser beschädigt und musste mehrmals instandgesetzt werden. Auch die im Abschnitt 1.2.1 bereits genannte 591–599 erbaute Anji Brücke, eine durchbrochene Stein-Bogenbrücke in China (Bilder 1.2-5 und -6) sei hier erwähnt.

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart 1.4.1  Steinbrücken Das Geburtsland der Renaissance ist Italien. Die Renaissance begann im 15. Jahrhundert mit der Lösung der selbstbewussten Stadtrepubliken Nord- und Mittelitaliens von der feudalen und kirchlichen Ordnung des Mittelalters. Sie führte damit zu einer grundlegenden gesellschaftlichen Umstrukturierung und war damit ein bedeutender Umbruch in der Geschichte. Sie ist Bindeglied zwischen dem Mittelalter und der Neuzeit, gleichzeitig die geistige und kulturelle Wurzel für unsere Zeit und richtungsweisend für die europäische Entwicklung. Die weltliche Ausprägung der Persönlichkeit des Menschen ist das wichtigste Merkmal der Renaissance. Der umfassende Kultur- und Epochebegriff der Renaissance steht in Wechselbeziehung zum Humanis-

mus, der die wissenschaftlich-geistige Bewegung in Europa bedeutet. Mit der Ausbildung neuer, an der Antike orientierter Kulturinhalte und -formen seit dem 15. Jahrhundert und mit der Loslösung aus der mittelalterlichen Eingebundenheit in der kirchlichen und feudalen Ordnung, ging eine gesellschaftliche Umstrukturierung einher, die neben Adel und Klerus das Bürgertum zum Bildungsträger werden ließ und das Aufblühen von Kunst und Kultur bewirkte. Naturgemäß bedeutet der Eintritt der Renaissance für den Brückenbau nicht dieselbe Umwälzung und grundlegende Erneuerung wie innerhalb der sonstigen Architektur. Mittelalterliche und Brückenformen der Renaissance sind nicht deutlich voneinander zu trennen. Lediglich die Bauten der frühen italienischen Renaissance bevorzugten bewusst wieder das Halbkreisbogenmotiv der Antike. Im späteren Verlauf kann mit dem Fortschreiten der Zeit ein allmähliches Schlankerwerden der Pfeiler und eine allmähliche Streckung der Bogen festgestellt werden. Die Verwendung des Korbbogens und die Bevorzugung elliptischer Bogen bei geringerem Bogenstich wird zumindest ab der zweiten Hälfte des 17. Jahrhunderts üblich. Das charakteristische Motiv der römischen Steinbrücken, die Archivolte, wird bei Renaissancebrücken mit Vorliebe wiederholt. Der Ponte Santa Trinità in Florence (Bild 1.4-1), 1570 von Bartolommeo Ammannati gebaut, ist eine sehr elegant gestaltete Brücke mit drei Bogen und betont vorspringenden Pfeilern,

32

1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.4-1   Ponte Santa Trinità in Florenz

Bild 1.4-2   Rialto Brücke in Venedig (Foto: Dr. techn. Dipl.-Ing. Eva Maria Eichinger)

vielleicht ist sie die schönste Brücke der Hochrenaissance überhaupt. Sie hat sehr flache Bogen mit lichten Weiten von 26 m bis 29 m, deren untere Laibungen die Formen von Ellipsen haben. Sie ist auch auf dem Bild 1.3-8, hinter dem Ponte Vecchio zu sehen. Das Verkehrsnetz in Venedig wird in besonderem Maße durch Kanäle und darüber führende Brücken bestimmt. Venedig hat etwa 400 Brücken. Sie wurden früher vorzugsweise aus Holz gebaut. Sie mussten regelmäßig erneuert werden, weil sie natürlich nicht besonders dauerhaft waren. Auch an der Stelle der Vielen bekannten und auffallenden, das Stadtbild von Venedig mitprägende, von Antonio da Ponte gebauten Rialto Brücke über den Canale Grande, stand früher eine Holzbrücke. Die Holzbrücke soll in der ersten Hälfte des 13. Jahr-

hunderts errichtet worden sein und wurde im 15. Jahrhundert mit Läden überbaut. Sie musste regelmäßig repariert werden und wurde schließlich abgerissen. Die von da Ponte 1588 bis 1592 an der schmalsten Stelle des Canale Grande als Steinbrücke gebaute Rialto Brücke (Bild 1.4-2) hat als Fußgängerbrücke stark ansteigende Rampen mit langgezogenen Stufen. Die untere Laibung besteht aus einem kreissegmentförmigen Marmorbogen mit etwa 7 m Pfeil­ höhe und einer lichten Weite von etwa 28 m, sodass gerade Schiffe hindurchfahren können. Die Breite der Brücke beträgt 22 m und die Brücke hat drei Gehwege mit zwei dazwischen angeordneten, geschlossenen Reihen mit Verkaufsständen, die im Bereich des Scheitels der Brücke durch einen Torbogen unterbrochen sind. Die Gründung der treppenförmig abgestuften Fun-

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

33

Bild 1.4-3   Sternbrücke in Weimar

damente der Widerlager erfolgte auf Pfahlrosten, weil der Baugrund aus Schwemmsand besteht. Die beiden Pfahlroste unter den Widerlagern sollen aus je etwa 6000 dicht gerammten Pfählen bestehen. Nach dem 30-jährigen Krieg wurde in Weimar von 1651 bis 1652 die Sternbrücke (Bild 1.4-3) über die Ilm im Zusammenhang mit dem Bau des Stadtschlosses von Johann Moritz Richter im Auftrag des Herzogs Wilhelm IV. gebaut. Sie hatte ursprünglich nur drei Bogen aus Kalkstein mit lichten Weiten von etwa 11 m bis etwa 14 m. Die Bogen sind etwa 80 cm dick. In den etwa 5 m breiten Pfeilern befinden sich nach römischem Vorbild ovale Öffnungen. Die vierte Öffnung am östlichen Ende der Brücke, die den Leutragraben überbrückt, wurde später gebaut. Das ehemalige Brückenende und die Stelle des angebauten vierten Bogens erkennt man deutlich durch die erhaltenen Sandstein-Torpfeiler und die Fuge zwischen der ursprünglichen Brücke und der Ergänzung um den vierten Bogen mit reichlich 5 m lichter Weite. Das jetzige Geländer wurde nach einem Entwurf von Clemens Wenzeslaus Coudray gefertigt und stammt aus der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Am östlichen Ende der ursprünglichen Brücke ist ein Treppenaufgang angeordnet, der durch die dort befindliche Pfeileröffnung auf die Brücke führt. Von der Brücke kommt man über diese Treppe und Böschungsrampen in den

Goethepark. Die Brücke dient heute ausschließlich dem Fußgängerverkehr. Die Gestaltung der Brücke in Verbindung mit dem Goethepark und dem Schloss hat eine besondere städtebauliche Qualität. Ebenfalls eine Brücke mit besonderer das Städtebild prägender Qualität ist die nach einem Entwurf von Karl Friedrich Schinkel von 1822 bis 1824 gebaute und in ihrer Gestaltung des äußeren Erscheinungsbilds erhaltene Schlossbrücke über die Spree in Berlin, deren Sandstein-Bogen der Seitenfelder und wegen der Schifffahrt aufklappbare hölzerne Mittelöffnung ab 1912 bis 1938 nacheinander durch Stahlbetonbogen ersetzt wurden. Die Sichtflächen der Stahlbetonbogen der in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts umgebauten Brücke wurden mit Sandstein verkleidet, sodass äußerlich die Gestaltung der auf Schinkel zurückgehenden Schlossbrücke erhalten blieb. Bombenangriffe und die Kämpfe 1945 in Berlin führten zu schweren Schäden an der Schlossbrücke. Sie wurde wieder unter Erhaltung der auf Schinkel zurückgehenden Gestaltung 1950/1951 und zuletzt 1995/1997 als Stahlbeton-Bogenbrücke mit Verkleidung der Sichtflächen aus Sandstein restauriert (Bild 1.4-4). Auf der Brücke stehen auf jeder Seite vier, insgesamt also acht, Skulpturengruppen aus weißem Carraramarmor im klassizistischen Stil, die auf Entwürfe von Schinkel zurückgehen und durch den Befreiungskrieg 1818 beeinflusst

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.4-4   Schlossbrücke in Berlin

wurden. Die Skulpturengruppen spielen auf Szenen der griechischen Mythologie an, Gottheiten sind als Schutzpatroninnen der Soldaten dargestellt. Dekorativ sind auch die schönen schmiedeeisernen Geländer mit ihren Durchbrechungen, die zusammen mit den geschlossenen hohen Steinsockeln, auf denen die Skulpturengruppen stehen, die monumentale Wirkung der Gesamtkonzeption der Schlossbrücke steigern. Mit dem Bau der Eisenbahnen begann ein großer Aufschwung des modernen Brückenbaus als Steinbogen- und vor allem als Stahlbrücken. Nachdem es bereits seit dem Beginn des 18. Jahrhunderts Pferde-Eisenbahnen auf Schienen gab, wurden die ersten Eisenbahnstrecken mit Dampflokomotiven zur Güterbeförderung 1825 auf der Strecke Stockton-Darlington in England und zur Personenbeförderung 1830 auf der Strecke Liverpool-Manchester eröffnet. In Deutschland wurde danach 1835 auf der 6 km langen Strecke Nürnberg-Fürth die erste Eisenbahnverbindung und zwischen 1836 (zunächst die Verbindung LeipzigRiesa) und mit ihrer Verlängerung 1839 nach Dresden die erste längere Strecke (112 km) Leipzig-Dresden eröffnet. 1840 wurde die Eisenbahnstrecke MagdeburgLeipzig über Köthen und Halle und 1841 die Bahnstrecke Berlin-Wittenberg-Köthen mit Weiterführung über die bereits bestehende Verbindung von Köthen nach Leip-

zig in Betrieb genommen. Leipzig war damit 1841 der Eisenbahnknotenpunkt Deutschlands, denn alle drei 1841 bestehenden Fernstrecken Deutschlands, Dresden-Leipzig, Magdeburg-Leipzig und Berlin-Leipzig, führten nach Leipzig. Ansonsten existierten 1841 in Deutschland nur Eisenbahnteilstrecken ohne direkten Zusammenhang. Bereits seit 1836 gab es Pläne, eine Eisenbahnstrecke zwischen Leipzig und Bayern zu bauen, die ab 1839 forciert wurden. Nach dem 1841 von den Regierungen der Königreiche Sachsen und Bayern und dem Herzogtum Sachsen-Altenburg abgeschlossenem Staatsvertrag wurde noch im selben Jahr mit dem Bau der Teilstrecke Leipzig-Altenburg begonnen. In Leipzig begann der Bau des Bayerischen Bahnhofs als Kopfbahnhof, der 1844 fertig gestellt wurde. Über Altenburg hinaus wurde die Strecke bis 1845 verlängert und für den Eisenbahnverkehr freigegeben. Als bedeutende Steinbogenbrücke der Sächsisch-Bayrischen Eisenbahnstrecke Leipzig-Altenburg-Zwickau-Plauen-HofNürnberg ist hier die von 1846 bis 1851 gebaute viergeschossige Göltzschtalbrücke in der Nähe von Mylau/Vogtland im schwierigsten Teilabschnitt Reichenbach-Plauen, wahrscheinlich die größte aus Ziegelmauerwerk und mit Gewölben aus Granit und Porphyr errichtete Brücke, zu nennen [Beyer, 2001]. Das Göltzschtal musste auf einer Länge von etwa 800 m überbrückt

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

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Bild 1.4-5   Göltzschtalbrücke bei Mylau im sächsischen Vogtland

werden, wobei die Bahnstrecke etwa 80 m über der Talsohle zu führen war. Neben der Göltzschtalbrücke war noch die kleinere Els­tertalbrücke (Länge etwa 270 m, Höhe über Tal etwa 70 m) in der Nähe von Jocketa zu bauen. Fachleute bezweifelten 1844 die Ausführbarkeit der beiden Brücken und damit die Realisierbarkeit des Bahnprojekts insgesamt. Es wurden unabhängige Gutachter bestellt, die gewählte Streckenführung und die Ausführbarkeit der Brücken zu beurteilen. Unter den Gutachtern waren eine Gruppe belgischer Ingenieure und der bekannte technische Leiter der bayrischen Eisenbahnkommission Friedrich August v. Pauli. Alle Gutachter bestätigten, dass die Streckenführung sinnvoll gewählt wurde und die Brücken ausführbar sind. Die belgischen Ingenieure legten ihrem Gutachten sogar einen von Splingard angefertigten Entwurf eines dreistöckigen Viadukts mit Spitzbogen mit nach oben abnehmenden Spannweiten bei. Anfang 1845 wurde ein Wettbewerb für Entwürfe zur Überbrückung der beiden Täler ausgeschrieben. Es wurden 81 Entwürfe eingereicht. Die Prüfungskommission unter Vorsitz von Professor Johann Andreas Schubert von der Technischen Bildungsanstalt Dresden, der Vor-

gängerinstitution der heutigen Technischen Universität Dresden, kam zum Ergebnis, dass keiner der eingereichten Entwürfe direkt ausführbar war, jedoch aus vier von ihnen ein brauchbarer entwickelt werden könnte, einer einem Aquädukt ähnlichen vierstöckigen Steinbrücke mit vielen Pfeilern und Bogen, die nach Ansicht der Kommission die größte Stabilität und Wirtschaftlichkeit und für die Ausführung und die Instandhaltung die Minimierung des Risikos verspricht. Ende 1845 wurde der nun von Johann Andreas Schubert und Robert Wilke, dem Bauleiter der Bahnstrecke und auch der Oberbauleiter der beiden Brücken, ausgearbeitete Ausführungsentwurf für die Brücke angenommen und die Göltzschtalbrücke nach ihrem Entwurf gebaut, der aber während der Bauausführung mehrmals geändert werden musste. Bauleiter der Göltzschtalbrücke wurde Ferdinand Dost. Die Grundsteinlegung für die Göltzschtalbrücke erfolgte am 31. Mai 1846. Bei der Ausführung der Schachtarbeiten für die Gründung des höchsten Pfeilers ergab sich, dass in einer Tiefe von 15 m noch immer kein tragfähiger Baugrund vorhanden war. Wilke wollte mit der Gründung nicht noch tiefer gehen und schlug deshalb vor,

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

diesen Pfeiler entfallen zu lassen und zwischen den beiden benachbarten Pfeilern in der zweiten und vierten Etage die dadurch entstehenden größeren Öffnungen mit weitgespannten Bogen zu überbrücken. In der zweiten Etage wollte er einen Spannbogen, in der vierten Etage einen Tragbogen anordnen. Die benachbarten Pfeilerabstände und Bogenspannweiten wurden verkleinert. Schubert stimmte diesem Vorschlag grundsätzlich zu, schlug aber unter Bezugnahme auf seine von ihm entwickelte Gewölbetheorie vor, nur einen Bogen und diesen als elliptisch überhöhten Tragbogen auszuführen. Diesem Vorschlag widersprach Wilke, sodass zur Beseitigung der Meinungsdifferenzen wieder unabhängige Gutachter bestellt wurden, die die neuen Lösungen grundsätzlich unterstützten und die von Wilke vorgeschlagene Überbrückung der größeren Öffnungen mit zwei Bogen, jedoch in der von Schubert vorgeschlagenen elliptisch überhöhten Bogenform empfahlen. Diesem Vorschlag folgten Schubert und Wilke. Seitlich der großen Bogenfelder wurden auf beiden Seiten gekoppelte Pfeiler mit kleineren Bogen angeordnet, und die Brücke wurde schließlich so ausgeführt. Diese durch die Baugrundverhältnisse erzwungene Abänderung vom ursprünglichem Entwurf mit lauter gleichen

Bogen und Pfeilerabständen führte zu einer deutlichen Verbesserung der gestalterischen Qualität der Göltzschtalbrücke (Bilder 1.4-5 und 1.6-6). Sie ist 574 m lang und die Bahnstrecke liegt 78 m über dem Tal und der Göltzsch. Die Konstruktion besteht aus Pfeilern und Bogen. Die Pfeiler der Regelfelder (kleine Bogen) stehen in den drei unteren Etagen gegenüber den Außenflächen der Bogen vor, nur in der oberen Etage befinden sich die Außenflächen der Pfeiler und Bogen in einer Ebene. Die Pfeiler­dicken betragen am Sockel maximal 22,7 m und nahmen von unten mit Etagenabsätzen und Pfeileranläufen 1 : 48 nach oben auf 7,93 m ab. Bei den Feldern mit den großen Bogen und den Koppelpfeilern befinden sich betont stärker hervorstehende Pfeiler, deren Breiten nach oben zu abnehmend von unten bis zur Bahnstrecke reichen. Bis zu den Bogenwiderlagern der ersten Etage bestehen die Pfeiler aus Naturstein, darüber im Wesentlichen aus im Kreuzverband erstelltem Ziegelmauerwerk. Die tragenden Bogen der jeweils obersten Etage bestehen jedoch wegen der intensiveren Erschütterungen und Feuchteeinwirkung aus Naturstein. Die Bogen der unteren drei Etagen sind in der Querrichtung geteilt (Bild 1.4-6). Beim größten Bogen (oberer Mittelbogen) betragen die lichte Weite 30,9 m und die

Bild 1.4-6   Göltzschtal­ brücke, Schrägsicht

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

Scheitelhöhe 31,7 m. Insgesamt wurden 135 676 m³ Mauerwerk für den Bau der Brücke verarbeitet, davon 71 671 m³ Ziegelmauerwerk und 64 005 m³ Werkstein- und Bruchsteinmauerwerk [Beyer, 2001]. 1.4.2  Holzbrücken Der Bau von Holzbrücken in der Renaissance und in der Neuzeit ist vor allem historisch zu betrachten. In Tokyo ist die Nihonbashi-Brücke (Japan-Brücke) eine geschichtsträchtige Brücke. Sie wurde erstmals im Jahr 1603 zum Beginn der Edo-Zeit gebaut. Die Edo-Zeit begann 1603 als der Tenno den japanischen Feldherrn Tokugawa Ieyasu zum Shogun, japanischer Kronfeldherr, ernannte. Die Würde war erblich, und die Shogun-Dynastie, die die militärische und zivile Macht anstelle des machtlosen Tennos ausübte, dauerte bis 1867 als die Macht dem Tenno zurückgegeben wurde. Bereits Tokugawa Ieyasu, der erste Shogun, verlegte seine Residenz nach Edo, dem heutigen Tokyo. Die Edo-Zeit war durch eine straffe Zentralregierung und ein stabiles Staatswesen mit allgegenwärtiger Kontrolle geprägt. In der Edo-Zeit gab es den Shogunen unterste-

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hende Regionalfürsten, die Daimyos, die in ihrer Region die Gerichtshoheit ausübten. Die Nihonbashi-Brücke war eine 12 m breite Holzbrücke (Bild 1.4-7) mit einer Spannweite von 52 m. Im Bild 1.4-7 ist der pompöse Start eines Daimyos zur Heimreise in seine Region über die Nihonbashi-Brücke dargestellt. Es gibt eine Überlieferung, dass immer, wenn der Shogun mit dem Schiff unter der Brücke durchfahren wollte, der Mittelteil der Brücke entfernt worden sei. Die Brücke brannte mehrere Male ab. Stets wurde sie wieder hergestellt. Im Jahr 1911 wurde schließlich die bis heute erhalten gebliebene Steinbogenbrücke mit zwei Öffnungen gebaut. Die gesamte Länge der heutigen Brücke beträgt 52 m, und sie ist 30 m breit. Auf der Brücke befindet sich auf der Fahrbahn in Brückenmitte eine Bronzeplatte, die der Anfangspunkt der sieben (fünf in der Edo Ära) Hauptstraßen Tokyos angibt und von der aus man die Entfernungen misst. Holzbrücken, die schneller und billiger als Steinbrücken zu errichten sind, wurden und werden in Europa insbesondere in Süddeutschland, Österreich und in der Schweiz gebaut, weil hier wegen des Waldreichtums genügend Holz vorhanden ist. Wenn die Holzbrücken auch verhältnismä-

Bild 1.4-7   Foto von ­einem Bild von der alten Nihonbashi-Brücke aus dem 17. Jahrhundert in Tokyo

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

ßig preiswert gebaut werden können, bedürfen sie aber sorgfältiger und kostenträchtiger Unterhaltung, was die Nachhaltigkeit dieser Bauweise relativiert. Im Laufe der Zeit hat der Holzbrückenbau deshalb an Bedeutung verloren. Trotzdem sind Holzbrücken insbesondere als Behelfsbrücken und als Fußgängerbrücken auch heute noch üblich. In den USA werden schon seit ca. 30 Jahren Untersuchungen über einen verbesserten Holzschutz an freibewitterten Tragwerksteilen aus Holz vorgenommen und Brückenfahrbahnen aus verleimten Brettschichtpanelen entwickelt [Werren, 1969]. Insbesondere in der Steiermark sind in den letzten Jahren verschiedene moderne Holzbrücken gebaut worden [Pischl, 1999]. An der Technischen Universität Graz werden von Gerhard Schickhofer in Zusammenarbeit mit seinem Schweizer Kollegen Andrea Bernasconi Untersuchungen zu Holz-Fahrbahnplatten vorgenommen, die eine interessante Entwicklung für den Holzbrückenbau versprechen. Zur Herstellung der Fahrbahnplatten werden Holzlamellen oder Holzwerkstofflamellen vertikal angeordnet und durch Vernagelung, Verschraubung oder Verklebung mit oder ohne Vorspannung oder alternativ nur durch Vorspannung zu einer Platte verbunden. Wegen der verfügbaren Längen der Hölzer sind in der Längsrichtung Stöße der Holzteile nötig, die in der Regel mit versetzten Stumpfstößen (Reduktion der rechnerischen Tragfähigkeit im Vergleich zur ungeschwächten Holzplatte ist dabei erforderlich) oder Keilzinkstößen erfolgen. Bei der sogenannten QS-Platte wird die Erzeugung der Plattenwirkung nur durch Vorspannung erreicht, was die wirtschaftlichste Art der Herstellung der Platte ist. Hierbei werden die Bretter oder Bohlen hochkant nebeneinander gestellt und mit Spanngliedern in Querrichtung zusammengespannt, wodurch Relativverschiebungen zwischen den Lamellen auf unbedeutende Werte begrenzt werden und die Plattenwirkung entsteht.

Die Platten gewährleisten auch die Scheibenwirkung zur Horizontalaussteifung der Brücke, weshalb ein Windverband in der Plattenebene nicht notwendig ist. Viele interessante ältere Brücken sind heute nicht mehr erhalten. Die noch erhaltenen stehen häufig unter Denkmalschutz. In ihrer einfachsten Form bestehen die Holzbrücken für kleine Spannweiten aus Vollwand-Balken-Brücken, die auf hölzernen oder steinernen Widerlagern und bei mehreren Feldern der Brücke zusätzlich auf Pfeilern aufliegen. Bei etwas größeren Spannweiten haben sich Spreng-, Hängewerke und unterspannte Balken für den Holzbrückenbau herausgebildet, die auch als Kombination beider zu Hängesprengwerken entwickelt wurden. Für größere Spannweiten werden bevorzugt Fachwerk-, Bogen-, Hänge- und Spannbandbrücken gebaut. Die Brücken werden als Deck-, Trogbrücken oder vor allem zum Witterungsschutz als geschlossene Brücken errichtet. Brücken werden auch als StahlHolz- und Beton-Holz-Verbundbrücken gebaut. Im Abschnitt 4.2.4 wird kurz auf die verschiedenen Varianten eingegangen, worauf verwiesen wird. Hier soll, wegen ihrer Bedeutung für den Holzbrückenbau nur noch die im Zusammenhang mit dem Beginn des Eisenbahnbrückenbaus und der verstärkten Erschließung Nordamerikas erfolgte Entwicklung des Holzbrückenbaus in den USA im 19. Jahrhundert gestreift werden. Auch diese hat vorwiegend historische Bedeutung. Wegen der Trassierungsanforderungen der Eisenbahnstrecken mit den geringen zulässigen Steigungen der Trassen und in den USA zusätzlich mit der forcierten Erschließung großer und von den bereits dichter besiedelten Teilen weit entfernter Gebiete war beim Bau der Eisenbahnen im 19. Jahrhundert der Bau vieler Brücken notwendig, die in möglichst kurzer Zeit zu bauen waren. Wälder und damit Holz als Baumaterial waren vor Ort in den betroffe-

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

nen Gebieten reichlich vorhanden und damit schnell und preiswert zu beschaffen. Wegen der häufig zu überbrückenden weiten Täler und breiten Flüsse wurden viele interessante Konstruktionen gebaut. Als Beispiel ist die von Burr konstruierte und in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts gebaute Bogenbrücke mit angehängter Fahrbahn mit fünf Öffnungen mit 49 m bis 61 m Spannweite über den Delaware bei Trenton in New Jersey im Bild 1.4-8 gezeigt [Culmann, 1851]. Die Pfeilhöhen der tragenden Bogen betragen etwa 1/10 der Bogenspannweite. Die Querschnitte der Bogen waren Rechteckquerschnitte mit Abmessungen von 40 cm × 94 cm, die aus übereinander gelegten Bohlen gebildet wurden. Die Kämpfer der Bogen befanden sich direkt unter der Fahrbahnebene, die über Hänger

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an den Bogen angehängt war. Zur Korrektur der Höhenlage der Fahrbahn hatten die mittleren Hänger an ihren Enden Schraubgewinde und Muttern mit Kontermuttern. Um der Brücke die nötige Steifigkeit zu verleihen, ordnete Burr zusätzliche Streben an. Dadurch unterschied sich die Brücke von ihren europäischen Vorbildern. Die Brücke diente zunächst ungefähr 40 Jahre dem Straßenverkehr und wurde im Zuge des Baus der Eisenbahn von New Jersey nach Pennsylvania ohne Konstruktionsverstärkung für den Eisenbahnverkehr umgerüstet. Bei Washington wurde die im Bild 1.4-9 dargestellte etwa 1,6 km lange Straßenbrücke über den Potomac mit lichten Weiten von 36,6 m gebaut, deren Farbahn etwa 7,6 m breit war. Die beiden Fachwerk-

Bild 1.4-8   In der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts gebaute Holz-Bogenbrücke über den Delaware bei Trenton in New Jersey, Bild nach [Culmann, 1851]

Bild 1.4-9   Holz-Fachwerk-Straßenbrücke über den Potomac bei Washington, Bild nach [Culmann, 1851]

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Hauptträger mit 4,6 m Systemhöhe hatten Ober- und Untergurte, die aus je drei ­Kanthölzern mit Abmessungen von etwa 15 cm/15 cm bestanden. Die Gurte umfassten die beiden zweiteiligen Pfosten, deren Abmessungen je etwa 25 cm/15 cm betrugen und die Abstände voneinander von etwa 3,05 m hatten. Die zu den Aufla­ gern fallenden zweiteiligen Streben hatten ebenfalls Abmessungen je 25 cm/15 cm. Sie befanden sich in derselben Ebene wie die Pfosten und waren in diese eingelassen. Die Zwischenräume zwischen den zwei­ teiligen Pfosten und Streben betrugen etwa 7,6 cm. In diesen Zwischenräumen befanden sich von den Köpfen jeder Strebe jeweils in über den Pfeilern liegenden guss­ eisernen Schuhen (Detail a in Bild 1.4-9) einbindende zusätzliche Streben mit Abmessungen etwa 7,6 cm/30 cm. Damit der gusseiserne Schuh nicht in den Untergurt eingelassen werden musste, waren an den Schuhen über den Pfeilern jeweils ein 30 cm langes Kopfstück und zwischen den beiden Schuhen über den Pfeilern je ein Hartholzblock angeordnet worden. Aus dem Detail b des Bilds 1.4-9 ist die Anord-

Bild 1.4-10   Prinzip des Fachwerkträgers nach dem System von Long

nung der Gurte, Pfosten und der beiden verschiedenen Streben am Obergurtknoten zu ersehen. Interessant sind auch die Holzbrücken nach den Systemen von Long und Howe. Beide Systeme sind Fachwerkträger mit Pfosten und sich kreuzenden Diagonalen als Ausfachungen zwischen den Gurten. Bei den Fachwerkträgern nach dem System von Long (Bild 1.4-10) werden unter die Diagonalen am Untergurt Keile eingeschlagen, wodurch die Diagonalen eine Druckvorspannung erhalten und die Pfosten ge-

Bild 1.4-11   Als Fachwerkträger nach dem System von Howe in Connecticut gebaute Eisenbahnbrücke über den Chikapoe (Bild nach [Culmann, 1851])

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

zogen werden. Das Verkeilen muss so stark sein, dass die Diagonalen unter der Vorspannung und den äußeren Einwirkungen stets auf Druck beansprucht bleiben, damit sie sich nicht lockern. Die Träger müssen regelmäßig kontrolliert werden und gegebenenfalls müssen die Keile wieder angekeilt werden. Die Tragwirkung des Systems von Howe entspricht prinzipiell der des Systems nach Long. Beim System nach Howe, das in Europa von den beiden Sys­ temen bekanntere, werden aber die Vertikalen durch eiserne Rundstangen ersetzt, die vorgespannt werden. Dadurch sind die einzelnen Konstruktionsteile einfacher gestaltet, und die beim Long-Träger aufwendigen passgenauen Zimmermannsarbeiten nicht im selben Maße erforderlich. In Connecticut war eine Eisenbahnbrücke über den Chikapoe als Fachwerkträger mit 54 m Spannweite nach dem System Howe gebaut worden (Bild 1.4-11). Auch der Horizontalverband der Brücke war als Träger nach dem System Howe ausgeführt worden. 1.4.3  Eisen- und Stahlbrücken 1.4.3.1  Bogen-, Balken- und Rahmen­brücken Vergleichsweise zum Bau von Steinbrücken wurde mit dem Bau von Eisen- und Stahlbrücken erst vor einer verhältnismäßig kurzen Zeit begonnen. Um Brücken aus Eisen oder Stahl bauen zu können mussten zunächst zwei wichtige Voraussetzungen erfüllt sein. Die wichtigste war natürlich, dass die technologischen Voraussetzungen geschaffen werden mussten, um Eisen und Stahl in der erforderlichen Menge und Güte zur Verwendung als Baustoff zu erzeugen. Eisen und Stahl sind als Baustoff verhältnismäßig teuer. Mit ihnen musste deshalb von Anfang an bei der Konstruktion von Brücken und anderen Bauwerken sparsam umgegangen werden. Die zweite genauso

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wichtige Voraussetzung für den Bau insbesondere von Stahlbrücken war deshalb, dass gut ausgebildete Ingenieure zur Verfügung standen, um ausreichend sichere Bauwerke mit sparsamen Verbrauch des teuren Baustoffs zu konstruieren und zu bauen. Bis dahin wurden Brücken ja hauptsächlich unter Berücksichtigung überlieferter Erfahrungen gebaut. Eisen in größeren Mengen herzustellen gelang etwa 1735 in Coalbrookdale in England. Dieses im Hochofen unter Verwendung von Steinkohle-Koks erschmolzene Eisen enthielt viel Kohlenstoff und die da­ raus hergestellten Gusseisen hatten ausgeprägt niedrige Zähigkeitseigenschaften und konnten vor allem auf Druck und nur sehr gering auf Zug und Biegung beansprucht werden. Die erste Eisenbrücke, die guss­ eiserne bogenförmige Brücke (Bild 1.4-12), wurde in Coalbrookdale über den Severn 1776–1779 von Abraham Darby gebaut. Sie hat etwa 31 m Spannweite. Sie ist noch heute erhalten und wird als Fußgängerbrücke benutzt. Sie wurde als erstes Bauwerk von der ASCE in die Liste der International Historic Civil Engineering Landmarks aufgenommen. In unmittelbarer Nähe der Brücke ist die nach der Brücke genannte Stadt Iron Bridge entstanden. In den folgenden Jahrzehnten wurden in England zahlreiche gusseiserne Brücken mit bogenartigen Formen gebaut und gusseiserne Brücken sogar bis nach Nordamerika verschifft. In Niederschlesien wurde bereits 1794 eine kleiner Steg ähnlicher Bauart gegossen und 1796 als Straßenbrücke mit 13 m Spannweite bei Lazany (Laasan) in der Nähe von Swidnica (Schweidnitz) über die Stregomka (Striegauer Wasser) errichtet. Sie ist die erste eiserne Brücke auf dem europäischen Kontinent [Mehrtens, 1900]. Die Gussteile wurden im Königlichen Eisenhüttenwerk in Malpane hergestellt. Ein verkleinertes Abbild der Brücke über den Severn in Coalbrookdale mit 8 m Spannweite (Bild 1.4-13) wurde etwa 1800

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.4-12   Brücke über den Severn in Coal­ brookdale (Foto von Prof. Dr.-Ing. Wieland Ramm)

Bild 1.4-13   Wörlitzer Brücke, verkleinertes Ab­bild der Brücke über den Severn in Coal­brook­ dale

im Wörlitzer Park nachgebaut. Der Wörlitzer Park in der Nähe von Dessau wurde in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts unter der Regentschaft Leopolds III. Friedrich Franz von Anhalt-Dessau angelegt und später erweitert. Er wurde 2000 von der UNESCO in die Welterbeliste aufgenommen. Im Park mit einer größeren Wasserfläche und vielen darin angelegten Kanälen befinden sich neben dem verkleinerten Abbild der Brücke über den Severn in Coalbrookdale mehrere kleine Brücken aus Holz (z. B. eine Brücke nach dem Vorbild

von Palladio), Stein und Eisen, die dem Besucher in pädagogischer Absicht die zur damaligen Zeit verschiedenen Möglichkeiten und die geschichtliche Entwicklung des Brückenbaus vermitteln sollen. Alle Brücken sind in gutem Zustand und als Fußgängerbrücken nutzbar. Die zweite o. g. Voraussetzung für den Bau von Eisen- und Stahlbrücken war die Ausbildung fähiger Ingenieure in Ingenieur-Hochschulen. Die ersten Universitätsgründungen erfolgten schon im Mittelalter, im 11. und 12. Jahrhundert. Nachdem in

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

den Universitäten zunächst die Wissenschaften vor allem auf der Theologie, den Rechtswissenschaften, der Philosophie, der Medizin und den Künsten beruhten, wurden in den folgenden Jahrhunderten auch die modernen Sprachen, die Mathematik und die Naturwissenschaften einbezogen [Cardini/Beoni-Brocchieri, 1991]. Die letztgenannten wurden zu wichtigen wissenschaftlichen Grundlagen für die In­ genieurwissenschaften, die zunächst aber noch keine Rolle an den Universitäten spielten. Aufbauend auf bereits im Altertum formulierten Gesetzen der Mechanik, wie dem Hebelgesetz, dem Auftriebsgesetz eines Körpers in einer Flüssigkeit, der Schwerpunktslage eines Körpers, der Wirkungsweise des Flaschenzugs und der kinematischen Kenntnisse entstand in der Renaissance, beginnend mit Galileo Galileis Hauptwerk Discorse e Dimon­stratione Matematiche, die Wissenschaft von der Mechanik in moderner Betrachtung. Wesentliche weitere Beiträge lieferten Johannes Kepler mit der Formulierung der kinema­ tischen Gesetze der Planetenbewegungen, Christian Huygens mit seinen Arbeiten zu den Schwingungen von Pendeln. Darauf aufbauend entwickelte Isaac Newton in ­seinem 1867 erschienenem fundamentalen Werk Philosophiae Naturalis Principa ­Mathematica die Grundprinzipien der ­Mechanik, zu denen insbesondere das Gravitationsgesetz und der Impulssatz gehören. Aber auch die gleichzeitig von Gottfried Wilhelm Leibniz und Isaac Newton entwickelte Infinitesimalrechnung, eine für die mathematische Behandlung mechanischer Probleme wichtige Grundlage, ist hier zu nennen. Weitere wichtige Beiträge, auf denen aufbauend später die ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen entwickelt werden, leisteten insbesondere die Brüder Bernoulli, Hooke und Euler. Ab dem 18. Jahrhundert entwickelten sich aus Mittel-, Gewerbe-, Zeichenschulen und Akademien Technische Bildungsanstalten und da­

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raus schließlich Polytechnische Schulen die sogenannten Polytechnika. Nachdem bereits 1691 in Frankreich das FestungsbauIngenieurkorps entstanden war, wurde 1716 die erste Ingenieurvereinigung gegründet, das Corps des Ponts et Chaussees. Das Corps war mit der Durchsetzung der Verkehrspolitik des Königreichs Frankreich beauftragt. 1744 folgte die Gründung des Büros der Pariser Technischen Zeichner. Um die Arbeit des Corps durch qualifizierte Mitarbeiter weiter zu verbessern, wurde 1747 Jean-Rodolphe Perronet, der selbst Ingenieur des Corps des Ponts et Chaussees war, zum Leiter des Büros der Technischen Zeichner berufen. Er wurde eingesetzt, um die Anleitung und Überwachung der Geographen und Zeichner von Landkarten und Stadtplänen zu übernehmen, sie mit den Wissenschaften und notwendigen Kenntnissen vertraut zu machen, damit sie die Funktionen im Straßen- und Brückenbaukorps kompetent ausüben können. Diese Verordnung wird als Gründungsurkunde der École des Ponts et Chaussées angesehen [Chatzis, 1998]. Von Brückenbauingenieuren wurden Ende des 18. Jahrhunderts die Ausbildungsprinzipien der Schule in Frage gestellt. Dabei ging es vor allem um den wissenschaftlichen Gehalt der Ausbildung. Die Diskussion führte 1794 zur Gründung der École Centrale des Travaux Publics, die im darauffolgenden Jahr den Namen École polytechnique erhielt. Die École polytechnique vermittelte nun den zukünftigen Ingenieuren eine allgemeine wissenschaftliche Grundausbildung. Erst nach erfolgreichem Abschluss der École polytechnique konnten dann die Absolventen ihre fachspezifische Ausbildung an der École des Ponts et Chaussées fortsetzen [Chatzis, 1998]. An der École polytechnique lehrten in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts einige der bedeutendsten Wissenschaftler der ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen der damaligen Zeit, unter anderen Lagrange, Poisson und Cauchy. Für die École des

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Ponts et Chaussées war besonders das Wirken Naviers von Bedeutung. Insbesondere sein Beitrag zur Technischen Mechanik der Balken, seine Beiträge zur Elastizitätstheorie, Materialfestigkeit und zu den Fließbewegungen sind auch heute noch von grundlegender Bedeutung. Als Vorbild für die Technischen Hochschulen und Universitäten, zumindest für Kontinentaleuropa, gelten die bereits 1747 gegründete École des Ponts et Chaussées, die 1804 eine neue Organisationsstruktur erhielt, zusammen mit der 1794 eingerichteten École polytechnique. Damit war die o. g. zweite wichtige Voraussetzung geschaffen, dass die Bauingenieure die erforderlichen wissenschaftlichen Grundlagen für den Entwurf und den Bau moderner Brücken vermittelt bekamen. Wie bereits ausgeführt begann mit dem Bau der Eisenbahnen um 1825 ein großer Aufschwung des modernen Stahlbrückenbaus. Inzwischen war die technologische Entwicklung bei der Eisenherstellung so weit fortgeschritten, dass nach dem Puddelverfahren schmiedbares Eisen, das so genannte Schweißeisen, hergestellt werden konnte. Ab dem Beginn des 19. Jahrhunderts konnten auch bereits industriemäßig Stab- und Formeisen hergestellt werden. Damit war der Weg frei, eiserne Balkenbrücken zu bauen. Der Stahlbrückenbau verdrängte nun mit seinen Vorteilen, insbesondere mit dem geringeren Gewicht der Konstruktion und den daraus folgenden Gründungskosten, aber auch wegen der geringeren Bauzeiten sukzessive die Natursteinbrücken. Die erste weitgespannte eiserne Balkenbrücke war die von Robert Stephenson von 1846 bis 1850 gebaute Britanniabrücke über die Menaistraße [Werner, 1969], die in den beiden mittleren Feldern die größten Spannweiten mit 140 m hatte. Die Brücke bestand aus zwei getrennten und parallel geführten, aus schmiedeeisernen Blechen und Winkeln zusammengesetzten vollwandigen Kastenträgern als Nietkonstruktion, die jeweils über vier Fel-

der hintereinander als Einfeldbalken angeordnet sind. Die Deck- und Bodenplatten wurden doppelwandig ausgeführt. Jeder Kasten war für den Betrieb einer Bahnstrecke vorgesehen, die Eisenbahnen fuhren im Innern der Kästen. Eine solche Konstruk­ tion war bis dahin beispiellos. Erfahrungen mit der Verwendung von schmiedbarem Eisen im Brückenbau gab es noch nicht. Nur die Schiffsbauer hatten damals Erfahrungen mit der Verwendung von schmiedbarem Eisen für weitgespannte Konstruktionen. Die Überlegung war, wenn die eisernen Dampfboote den Beanspruchungen der See und der Dampfmaschinen mit ihren Stößen gewachsen sind, muss das Eisen auch für den Bau von Brücken geeignet sein. Mit der Verwendung von Gusseisen für Eisenbahnbrücken mit der stoßartigen Belastung hatte man schon schlechte Erfahrungen gemacht. Stephenson wollte zunächst die Kastenträger an einer Hängekonstruktion aufhängen, kam dann aber zur Überzeugung, dass die Kastenträger allein ausreichend tragfähig sind. Offene Fragen sollten durch Versuche geklärt werden. Es wurden zunächst Versuche zur Klärung des Verhaltens des Schmiedeeisens und der Bleche durchgeführt. Professor Eaton Hodgkinson schlug vor, zusätzliche Versuche an einem Modellkasten im Maßstab 1 : 6 durchzuführen, was Stephenson aufgriff und die Versuche von dem Fabrikanten William Fairbirn, dem langjährigen Partner seines Vaters George Stephenson, des berühmten Eisenbahn- und Lokomotivenbauers, durchführen ließ. Die Versuchsergebnisse führten zu der Überzeugung, dass sowohl das schmiedbare Eisen geeignet ist als auch dazu, dass die unversteiften Kas­ tenträger allein ohne Hängekonstruktion ausreichend tragfähig sind. Es wurden trotzdem pylonenartige gemauerte Pfeiler über die Kastenträger nach oben geführt, um erforderlichenfalls die Balkenbrücke an Kabeln aufhängen zu können. Die Brücke war bis 1970 unter Verkehr. Nach einem

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

Brandschaden wurde sie rückgebaut und durch Fachwerk-Bogenbrücken ersetzt [Ramm, 2004]. Die Hüttenwerke betrieben um die Mitte des 19. Jahrhunderts große Anstrengungen, um im flüssigen Zustand erzeugten Stahl, den sogenannten Flussstahl, als Massenprodukt herzustellen, was durch Erfindungen 1855 von Sir Henry Bessemer (Bessemer-Prozess), 1864 von Pierre Émile Martin (Siemens-Martin-Verfahren, Stahlerzeugung in dem von den Brüdern August Friedrich und Carl Wilhelm Siemens entwickelten Regenerativofen) und 1879 von Sidney Gilchrist Thomas (Thomas-Verfahren, Windfrischverfahren zur Herabsetzung des Phosphorgehalts durch Einblasen von Luft in die am Boden mit basischem Futter ausgekleidete Thomasbirne) gelang. Damit waren alle Voraussetzungen geschaffen, um die vielen für den Eisenbahnbau erforderlichen Stahlbrücken bauen zu können, beim Bau der Eisenbahntrassen waren ja wegen der nur sehr geringen zulässigen Steigungen deutlich mehr Brücken erforderlich als bei den bis dahin vorhanden Verkehrswegen. Beim Beginn des Eisenbahnbrückenbaus gab es nur wenige Ingenieure, denen der Konstruktions-Entwurf von eisernen und stählernen Eisenbahnbrücken, ihr Bau und ihre Unterhaltung zugetraut wurde. Deshalb begannen die Eisenbahnverwaltungen Ingenieure an sich zu binden, denen sie diese Aufgaben übertragen konnten. Ausreichend dazu war nicht nur das theoretische Verständnis des Kraftflusses in einer Baukonstruktion, sondern ganz besonders das erforderliche Verständnis für die Umsetzung in die konstruktive Durchbildung einschließlich aller Details. Nur wer die Theorie beherrscht und sie in eine gute Konstruktion umsetzt ist der wahre Baukünstler [Mehrtens, 1900]. Dies gilt nicht nur für das 19. Jahrhundert, sondern ist auch heute und in der Zukunft von herausragender Bedeutung für den Ingenieurbau.

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Zu den wenigen Ingenieuren, die damals diese Gabe hatten, zählte Carl Lentze, der Erbauer der ältesten weitgespannten Balkenbrücke auf dem europäischen Kontinent, der Dirschauer Weichselbrücke. Mit der fortlaufenden Entwicklung der Technischen Hochschulen verbesserte sich die Situation. Neben der Vermittlung guter theoretischer Kenntnisse wird an den Technischen Hochschulen und Universitäten, an der Baupraxis orientiert, großer Wert da­ rauf gelegt, dass den Studierenden rechtzeitig vermittelt wird, dass die Berechnung des Bauwerks kein Selbstzweck ist, sondern eine wichtige Voraussetzung für eine gute Konstruktion mit dem eigentlichen Zweck unserer Arbeit, das Bauwerk zu errichten. Die heute noch zum Teil erhaltene Alte Weichselbrücke Dirschau wurde im Zuge des Baus der preußischen Ostbahn der Strecke Berlin-Königsberg als engmaschige Gitterbalkenbrücke 1850–1857 über die Wisla (Weichsel) bei Tczew (Dirschau), etwa 30 km südsüdöstlich von Gdansk (Danzig) errichtet (Wieland Ramm ist zu verdanken, dass diese Brücke uns heute wieder stärker in Erinnerung gebracht wurde). Als Randbedingung für den Brückenbau war zu beachten, dass der Durchflussquerschnitt des Überflutungsgeländes bei Hochwasserführung der Weichsel und des jährlichen Eisgangs möglichst wenig eingeschränkt wird. Der mit dem Bau der Weichselbrücke Dirschau und auch der in der selben Baumaßnahme zu bauenden Brücke über die Nogat bei Marienburg beauftragte Carl Lentze beabsichtigte deshalb zunächst die Dirschauer Brücke als Ketten-Hängebrücke über fünf Felder mit je 158 m Spannweite zu bauen. Nach einer Studienreise nach England mit Besichtigung der Britanniabrücke, entschied er sich, die Dirschauer Brücke als Balkenbrücke zu bauen [Mehrtens, 1900]. Er wählte drei hintereinander angeordnete Durchlaufträger über jeweils zwei Felder mit je 131 m Spannweite [Ramm, 2004]. Im Gegensatz

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

zur Britanniabrücke, die mit VollwandBlechwänden und -gurten als geschlossener Kastenträger ausgeführt wurde (s. o.), setzte Lentze den torsionssteifen Hohlquerschnitt aus 12 m hohen Gitterwänden (Bild 1.4-14) mit gegliederten Ober- und Untergurten, die durch engmaschige, sich unter 45° kreuzenden Diagonalen mit innen und außen vertikal angeordneten Eisenwinkel sowie zwei oberen Windverbänden und einem unteren Windverband zusammen. Die Abstände der vertikal zur Versteifung angeordneten Winkel nehmen entsprechend des Querkraftverlaufs zu den Auflagern hin ab. Lentze hatte die Vorstellung, dass durch

die Ausbildung des Balkens als engmaschiger Gitterträger die angreifende Windlast geringer sei als bei einem Vollwandträger. Wir wissen heute, dass dies nicht zutrifft. Die konstruktive Durchbildung und die statische Berechnung erfolgte im Wesentlichen durch den Schweizer Ingenieur Rudolph Eduard Schinz, der seine Ingenieurausbildung in Paris an der École polytechnique und der École des Ponts et Chaussées erhalten hatte. Weil Lentze aber noch Zweifel hatte, ob die Tragfähigkeit des Überbaus tatsächlich wie berechnet gegeben sei, wurde anfangs erwogen einen Probeträger im Maßstab 1:1 im Werk in Dirschau hinsicht-

Bild 1.4-14   Gitterwände der Alten Weichselbrücke Dirschau (Foto: Prof. Dr. Ing. Wieland Ramm)

Bild 1.4-15   Heutiger Zustand (Ausschnitt) der Alten Weichselbrücke Dirschau (Foto: Prof. Dr. Ing. Wieland Ramm)

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

lich seines Tragverhaltens zu prüfen [Mehrtens, 1900]. Ramm hat sehr ausführlich das Wissen über die Konstruktion, den Bau und das Schicksal der Weichselbrücke Dirschau erarbeitet und das Ergebnis in einem lesenswerten Beitrag veröffentlicht [Ramm, 2004]. In dem von ihm herausgegebenem Buch sind noch mehrere Beiträge anderer Autoren enthalten, die das heutige Wissen über die Dirschauer Weichselbrücke abrunden. Gustave Alexandre Eiffels Ururgroßvater stammte aus Marmagen in der Eifel und lebte seit 1710 in Frankreich. Seinen für Franzosen unaussprechlichen Familiennamen Bönickhausen ersetzte er durch Eiffel. Gustave Alexandre Eiffel wurde 1832 in Dijon geboren. Nach Beendigung seiner Ingenieurausbildung mit Spezialisierung auf Chemie 1855 an der École Centrale des Arts et Manufactures in Paris trat er zunächst in die Firma von Charles Nepveu ein, wodurch er früh mit dem Bau von Eisenbahnbrücken vertraut wurde [Bonet, 2003]. Eiffel verdankte es Charles Nepveu, dass er in das bedeutendste Eisenbahnunternehmen Frankreichs jener Zeit wechseln konnte und dort angestellt wurde. Ihm wurde der Bau der Saint Jean Brücke über die Garrone in Bordeaux übertragen, die von 1857 bis 1860 gebaut wurde. Statt die Brücke wie üblich als Vollwandbalken auszuführen, baute Eiffel den Überbau als leichte Fachwerkkonstruktion, die Konstruktionsart, die er fortan bei allen seinen Brücken und anderen Ingenieurkonstruk­ tionen bevorzugte. Er wechselte als Konstruktionschef in das Ingenieurbüro Pauvels & Cie. Im Alter von 34 Jahren gründete Gustave Alexandre Eiffel 1866 seine eigene Stahlbaufirma in Paris. Er entwarf, konstruierte und baute zahlreiche Brücken und andere Stahlbauwerke. Von Letzteren seien nur das Traggerüst der Freiheitsstatue in New York und der Eiffelturm in Paris genannt. Zu den von Eiffel gebauten Brücken zählen u. a. die beiden 1867–1869 gebauten

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Viadukte Neuvial und Rouzat der westlich von Vichy gelegenen Eisenbahnstrecke Commentry-Gannat der Orléans-Eisenbahngesellschaft (beide Brücken bestehen aus Stahl-Fachwerkträgern mit gekreuzten Diagonalen zwischen vertikalen Pfosten für den Überbau und Fachwerkstützen mit vertikalen mit Beton gefüllten Gusseisenrohren in den vier Ecken, die durch Verbände ausgesteift sind), die 1877 fertigge­ stellte Maria Pia Stahlbogenbrücke über den Duoro bei Porto mit 160 m Spannweite, die 1880-1884 gebaute Garabit-Eisenbahnbrücke und die 1883 gebaute Straßenbrücke von Cubzac über die Dordogne. Im Zuge des Baus der Eisenbahnstrecke Beziers-Marvejols-Neussargues war die tiefe Schlucht über den Truyère zu überqueren. Léon Boyer, der 1878 die örtlichen Vermessungsarbeiten vornahm, schlug vor, die Schlucht mit einer Bogenbrücke zu überbrücken. Als Bild schwebte ihm die von Eiffel entworfene und gebaute Maria Pia Stahlbogenbrücke über den Duoro bei Porto vor. Diese Brücke wurde von Ingenieuren der damaligen Zeit bewundert und hat die Bekanntheit Eiffels und den Aufschwung seiner Firma in besonderem Maße gefördert. Sein Ansehen und seine Erfahrung und die seiner Firma führten dazu, dass Gustave Alexandre Eiffel in freier Vergabe ohne Wettbewerb 1879 den Auftrag erhielt, die Garabit-Brücke (Bild 1.4-16) zu bauen [Stiglat, 1997]. Die Garabit-Brücke ist die bedeutendste Brücke, die Eiffel gebaut hat und zählt zweifelsfrei auch zu den bedeutendsten Brücken des 19. Jahrhunderts. Die konstruktive Durchbildung und die statische Berechnung der Brücke führte Mau­rice Koechlin, ein Schweizer Ingenieur, Schüler Karl Culmanns, aus. Die Bauleitung hatten de Boissanger und Robaglia, für den Bauherrn war u. a. Léon Boyer zuständig und Emile Nouguier oblag die Leitung des gesamten Bauablaufs und der Montage. Auf der Baustelle waren zeitweise bis zu 500 Arbeiter tätig. Die Bauarbeiten

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.4-16   GarabitBrücke (Foto: Dr.-Ing. Klaus Stiglat)

begannen im Januar 1880 mit der Herstellung der Widerlager und der Fundamente der Pfeiler. Der erste Pfeiler (die Pfeiler wurden als Fachwerkkonstruktionen ausgeführt) wurde im August 1882 errichtet. Die vormontierten Fachwerkträger der Überbauten wurden von beiden Seiten von den Widerlagern aus eingeschoben. Der Beginn der Bogenmontage war im Juni 1883. Der Bogen wurde in zwei Teilen im zurückgehängten Freivorbau hergestellt. Die Rückhängeseile liefen über die Köpfe der über den Kämpfern befindlichen Pfeiler zu den Widerlagern und wurden dort verankert. Der Scheitelschluss erfolgte im April 1884. Nachdem der Bogen, dessen Spannweite 165 m beträgt, hergestellt war, wurden die beiden Fachwerkträger des Überbaus miteinander und mit dem sichelartigen Fachwerk-Zweigelenkbogen im Scheitel kraftschlüssig verbunden. Nach der Fertigstellung der Eisenbahnstrecke 1888 erfolgten Belastungsversuche der Brücke. Unter der Belastung durch 22 Waggons mit je 15 t Gewicht und einer 75 t wiegenden Lokomotive als ruhende Last hatte der Bogen nur eine vertikale Verschiebung von 6 mm. Bei der dynamischen Belastung bei Überfahren der Brücke mit Geschwindigkeiten bis 55 km/h betrug die vertikale Verschiebung des Bogenscheitels etwa 4 mm [Stiglat, 1997].

Das Dorf Cubzac, nördlich von Bordeaux gelegen, ist durch eine Landstraße mit Bordeaux verbunden. Dabei ist die Dordogne auf einer Brücke zu überqueren. Ursprünglich erfolgte dies auf einer aus dem Jahr 1837 stammenden Hängebrücke über mehrere Felder, die Ende des 19. Jahrhunderts durch eine neue Brücke ersetzt werden musste. Mit ihren Pfeilern aus Gusseisen, der Länge des Bauwerks und der großen Höhe über dem Wasser gehörte die Hängebrücke zu den großartigsten Brücken ihrer Zeit [Stiglat, 1997]. Im Vergleich zu Mauerwerkspfeilern haben die gusseisernen Pfeiler bedeutend geringere Eigenlasten, was besonders auch bei den Gründungsarbeiten zu Kostenersparnissen geführt hatte. Ch. de Sansac, Ingenieur bei Ponts et Chaussées, entwarf zunächst den Umbau der Hängebrücke. Um Kosten zu sparen und die Bauarbeiten zu beschleunigen, wollte er die gusseisernen Pfeiler der alten Brücke unbedingt erhalten [Bonet, 2003]. 1897 erhielt dann Eiffel den Auftrag für den Umbau der Brücke, also die Ausführung des neuen Überbaus. Der Überbau mit acht Feldern wurde als geschlossenes Stahlfachwerk ausgeführt. Nach der Montage der jeweils drei vom Widerlager aus gesehen ersten Felder wurden die beiden Mittelöffnungen, die je etwa 73 m Spannweite haben, ohne Montagegerüst von bei-

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

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Bild 1.4-17   Straßenbrücke bei Cubzac über die Dordogne (Foto: Dr.-Ing. Klaus Stiglat)

den Seiten zum mittleren Pfeiler im Freivorbau hergestellt. Nach der erfolgten Montage jeweils eines Vorbauabschnitts wurde der nächste montiert, wobei beim Anschluss des nun montierten Teils jeweils die berechneten und tatsächlich eingetretenen Durchbiegungen kontrolliert und so gesteuert wurden, dass nach der Fertigstellung des kompletten Überbaus der Brücke dieser sich in der vorgegebenen Solllage befand. Die vorhandenen gusseisernen Pfeiler wurden beim Umbau durch Kreuzverbände ausgesteift (Bild 1.4-17). Bei dem geschlossenem Fachwerk des Überbaus sind die zweiteilig ausgebildeten auf Zug bean-

Bild 1.4-18   Geschlossenes Fachwerk der Straßenbrücke bei Cubzac über die Dordogne (Foto: Dr.-Ing. Klaus Stiglat)

spruchten Diagonalen außen beidseitig der mit Bindeblechen verbundenen auf Druck beanspruchten Diagonalen angeordnet (Bild 1.4-18). Eiffel nahm für sich in Anspruch, die Freivorbauweise in Frankreich eingeführt zu haben. Die Verbindung der von der abgebrochenen Hängebrücke aus dem Jahr 1837 verbliebenen gusseisernen Stützen mit dem aus dem Jahr 1897 stammenden Fachwerk-Überbau wirkt widersprüchlich. Eiffel empfand die durchbrochenen Gusseisenstützen von ganz und gar eigentümlichem Aussehen. Die Talbrücke über die Wupper bei Müngsten im Bergischen Land wurde im Zuge des damaligen Neubaus der zweigleisigen Eisenbahnstrecke Remscheid-Solingen von der Königlichen Eisenbahndirektion Elberfeld in Zusammenarbeit mit der Preußischen Eisenbahn-Verwaltung ab 1889 geplant [Berg, 1997]. Für die Brücke wurden drei Varianten in Erwägung gezogen, eine Gerüst-(Fachwerkbalken), eine Ausleger- und eine Bogenbrücke. Vier größere deutsche Brückenbau-Firmen wurden 1891 von der König­lichen Eisenbahndirektion Elberfeld gebeten, Entwürfe auszuarbeiten und Kosten­angebote abzugeben. Die Unternehmen durften dabei frei aus den vorgenannten Varianten wählen. Für die Gerüst- und die Auslegerbrücke gab es Vorgaben, von denen nur in geringem Maße abgewichen werden durfte. Für die Entwürfe der Bogen­brücke gab es kaum Vorgaben.

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Bild 1.4-19   Müngstener Brücke, Schnitte (Bild nach [Grüning, 1929])

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Sie musste aber ausdrücklich ohne Scheitelgelenk ausgeführt werden, die Wahl der Anordnung von Kämpfergelenken oder der Verzicht auf solche war freigestellt. Alle Angebote sollten ausschließlich die eisernen Überbauten beinhalten, nicht das Pfeilermauerwerk und die Erdarbeiten. Vorzulegen waren eine statische Berechnung, eine Entwurfszeichnung, ein Erläuterungsbericht und die Kosten­ermittlung. Drei der vier aufgeforderten Firmen gaben Angebote ab. Das kostengünstigste Angebot wurde von der Maschinenbau-Actien-Gesellschaft Nürnberg mit einer unter Leitung von Anton Rieppel entworfenen filigranen Parabel-Fachwerkbogenbrücke ohne Gelenke sowohl im Scheitel als auch an den Kämpfern mit 170 m Bogenspannweite und einem Bogenstich von 71 m (es wurde bei der Ausarbeitung des Angebots vergleichsweise aber auch eine Variante mit Kämpfergelenken untersucht) abgegeben. Beim Ausführungsentwurf wurden Überlegungen von Regierungsbaumeister Carstanjen, Königliche Eisenbahndirektion Elberfeld, berücksichtigt [Berg, 1997]. Carstanjen wurde gemeinsam mit Regierungsbaumeister Rohlfs auch die Überwachung der Bauarbeiten übertragen. Auf dem Bogen ist ein parallelgurtiger Fachwerkbalken auf Fachwerk-Pendel­ stützen aufgeständert, an den sich Fachwerk-Parallelträger anschließen (auf der Seite nach Remscheid: zwei Felder mit je 45  m Stützweite und ein über 30  m gespanntes Randfeld; auf der Solinger Seite: ein Feld mit 45 m und anschließenden zwei Feldern mit je 30 m Stützweite; Anmerkung: die Angaben beziehen sich als Feldlängen zwischen den Stützen, s. Bild 1.4-19. Die zweigleisige Eisenbahnbrücke ist damit insgesamt 465  m lang. Zwischen den Gelän­ dern ist sie 8,5 m breit. Die Schienenoberkante liegt 107 m über dem Wasserspiegel der Wupper. Die vertikalen Gurtmittelabstände des Bogens betragen am Scheitel 4 m und am Kämpfer etwa 12,2 m. Die Bogen-

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breite beträgt am Scheitel 5 m und an den Kämpfern etwa 25,7 m; die Neigung der Seiten außen beträgt 1:7. Alle Ständer des Fachwerkbogens sind durch Querriegel und Andreaskreuze (Fachwerk-Querscheiben) verbunden, der Windverband des Bogens ist im Untergurt angeordnet [Mehrtens, 1900], weil der Untergurt breiter und damit steifer ist als der Obergurt. Die Vorteile des felsigen Baugrunds konnten durch die Konstruktion des eingespannten Fachwerk­ bogens ausgenutzt werden. Der angebotene, an den Kämpfern eingespannte Bogen ist damit konstruktiv völlig anders als der bei der neun Jahre zuvor fertiggestellten Garabit-Brücke mit dem sichelförmigen Bogen (165 m Bogenspannweite, Bogenstich 52 m, Gurtmittelabstände des Bogens sowohl am Scheitel als auch am Kämpfer: 4 m) entworfen worden, was sich vor allem für die Montage, die kein Montagegerüst erforderte, vorteilhaft ist. Alle Lager der seitlichen räumlichen Fachwerkstützen und des Bogens sind im Mauerwerk der Gründung verankert, wobei die Verankerungen vorgespannt sind. Die Maschinenbau-ActienGesellschaft Nürnberg erhielt den Auftrag, die Brücke nach ihrem Vorschlag zu bauen, wobei der Auftrag um die Erd- und Gründungsarbeiten sowie die Herstellung des Mauerwerks erweitert wurde, damit der Bau der Brücke in einer Hand lag. 1894 wurde mit dem Bau begonnen. Die Eisenbauarbeiten, verwendet wurde Flusseisen, und die Vormontage wurden in der Brückenbau-Anstalt Gustavsburg der Maschinenbau-Actien-Gesellschaft Nürnberg ausgeführt. Die Brückenbau-Anstalt Gus­ tavsburg wurde 1860 anlässlich des Baus der Eisenbahnbrücke über den Rhein in Mainz als Zweigwerk der Maschinenfabrik und Eisen­gießerei Klett & Comp., Nürnberg, eingerichtet und danach beibehalten [Berg, 1997]. Die Firma Klett & Comp. firmierte ab 1873 als Maschinenbau-Actien-Gesellschaft Nürnberg mit den Werkstätten in Gustavsburg (an der Mainspitze an der der

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Main in den Rhein mündet) bei gleichzeitiger Gründung der Süddeutschen Brückenbau A.-G., München. Die Süddeutsche Brückenbau A.-G. wurde 1884 aufgelöst, und die Werkstätten wurden als BrückenbauAnstalt Gustavsburg dem Stammwerk der Maschinenbau-Gesellschaft Nürnberg als Zweigwerk angegliedert. Später vereinigten sich die Vereinigte Maschinenfabrik Augsburg und die Maschinenbau-Gesellschaft Nürnberg zur Maschinenfabrik AugsburgNürnberg AG (M.A.N.). Die die Fachwerkträger der seitlichen Felder stützenden vierstieligen räumlichen Fachwerkstützen einschließlich der beiden ebenfalls vierstieligen räumlichen Fachwerkstützen über den Widerlagern des Bogens wurden zuerst montiert. Alle diese Fachwerkstützen sind in Brückenlängsrichtung 15 m breit. In Querrichtung sind die Stützen wie der Bogen 1:7 gegen die Lotrechte geneigt und haben oben einen Querabstand von 5  m. Auf die Fachwerkträger wurden Drehkrane mit einer Ausladung von 10 m aufgebracht, von denen gleichzeitig der Bogen im freien Vorbau, die über dem Bogen befindlichen Fachwerkstützen als Pendelscheiben und die Fachwerkträger über dem Bogen montiert wurden. Die Einspannung des Bogens an den Kämpfern hatte, wie bereits erwähnt, den Vorteil, dass die Montage des Bogens ohne Gerüst erfolgen konnte. Außerdem weisen bekanntlich eingespannte Bogen im Vergleich zu Zweioder Dreigelenkbogen eine günstigere Materialverteilung auf, die größeren Eisenquerschnitte sind an den Kämpfern erforderlich und zum Scheitel verringern sich die Querschnitte und damit die Mengen des Flusseisens. Der Bogen wurde, wie der Bogen der 1888 fertiggestellten GarabitBrücke, mit Rückverhängung im freien Vorbau hergestellt. Während der Montage waren vorübergehend Gelenke an den Kämpfern vorhanden, wodurch Verformungs- und Neigungskorrekturen im Bauzustand ermöglicht wurden.

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.4-20   Müngstener Brücke

Die mehrfeldrigen Fachwerkträger seitlich des Bogens und über dem Bogen (hier zur Bogenmitte nach 30 m und 15 m durch Fachwerk-Pendelstützen unterstützt) laufen über die gesamte Brückenlänge durch. Ihre Gurtabstände betragen vertikal 6  m und horizontal 5 m unten bzw. 7,5 m oben. Der Horizontalverband zur Aufnahme der Wind- und Bremslasten ist durchlaufend in der Obergurtebene angeordnet und teilweise ist ein Windverband auch in der Untergurtebene des durchlaufenden Fachwerkträgers vorhanden. Die Aufnahme der horizontalen Kräfte erfolgt in den beiden wegen ihrer geringeren Höhe steiferen äußeren Stützen. In den Querebenen sind hier Querrahmen zur Überleitung der horizontalen Auflagerkräfte in die Lager angeordnet. Außerdem werden die Horizontalkräfte auch über den Bogen in die Widerlager abgeleitet. Die Netzteilungen der Fachwerke des Bogens und der durchlaufenden Fachwerkträger wurden gleich gestaltet, was konstruktiv vorteilhaft ist und sich zugleich auch ästhetisch gut auswirkt (Bild 1.4-20). Der Bogenschluss und die Fertigstellung des über dem Bogen durchlaufenden Fachwerkträgers erfolgten im März 1897. Der Bogen war zum Zeitpunkt der Fertigstel-

lung, damals Kaiser-Wilhelm-Brücke genannt, der am weitesten gespannte Bogen Europas. Nach einer Probebelastung mit zwei Zügen mit je drei Lokomotiven und 18 mit Kies beladenen Wagen wurde der Betrieb über die Brücke im Juli 1897 eröffnet. Kurz vor Ende des zweiten Weltkriegs hat die Brücke ein Bombardement ohne großen Schaden überstanden. Vor den anrückenden Truppen der Alliierten sollte sie von deutschen Soldaten gesprengt werden, was durch Verzögerungstaktik von Offizieren und Soldaten des Sprengkommandos glücklicherweise verhindert wurde. Die Brücke ist noch heute für den regionalen Bahnverkehr in Betrieb. 1997 wurde ihr 100-jähriges Bestehen gefeiert, und von der Deutschen Post wurde zu diesem Anlass eine Sonder-Briefmarke mit dem Bild der Brücke im Wert von 100 Pfennigen herausgegeben. Seit dem Frühjahr 2006 befindet sich am Solinger Ufer der Wupper als Ausflugsziel ein Brückenpark unterhalb der Brücke. Eine Attraktion ist dort die Schwebefähre, eine auf Seilen schwebende Draisine, mit der man über die Wupper schweben kann. Für die Wutachtal-Bahn, die im Südschwarzwald/Hegau um den Schweizer

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

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Bild 1.4-21   Biesenbach-Viadukt (Foto: Dr.-Ing. Klaus Stiglat)

Bild 1.4-22   Auflagerung zweier benachbarter Fischbauchträger des Biesenbach-Viadukts auf einer Fachwerkstütze (Bild nach Foto von Dr.-Ing. Klaus Stiglat)

Kanton Schaffhausen herumführt, mussten für den Bau des Mittelabschnitts zwischen Weizen und Zollhaus-Blumberg vier Brücken gebaut werden, die alle 1888 bis 1890 als Eisenkonstruktionen, montiert auf Hilfsgerüsten, ausgeführt wurden. Zu ihnen gehört der in der Nähe von Epfenhofen befindliche mit einem Radius von 350 m horizontal gekrümmte Biesenbach-Viadukt [Stiglat, 1997]. Der Viadukt (Bild 1.4-21) besteht aus sieben Einfeld-Fischbauchträgern auf Fachwerkstützen. Fünf Felder haben Spannweiten von 37,5 m, die beiden anderen Felder 30 m. Auf den Fachwerkstützen sind jeweils ein festes und ein bewegliches Lager angeordnet (Bild 1.4-22). Da die Wutachtalbahn nach dem Deutsch-

Französischen Krieg 1870/71 aus militärstrategischen Gründen gebaut wurde, wurde sie für den Transport eines 140 t schweren Geschützrohrs ausgelegt. Ihre Bedeutung als strategische Umgehungsbahn der Schweiz und auch für den öffentlichen Personen- und Güterverkehr war gering. Im zweiten Weltkrieg blieben die Brücken unversehrt. Da die Eisenbahnstrecke nach dem Krieg praktisch nicht genutzt wurde, wurde sie auch nicht ausreichend unterhalten und von 1955 an von der Deutschen Bundesbahn schrittweise stillgelegt. Die NATO verhinderte aber aus militärischen Gründen den endgültigen Gleisabbau, renovierte die Bahnstrecke und unterhielt sie bis 1976, wonach sie endgültig stillgelegt

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.4-23   System der Firth of Forth Brücke bei Queensferry

wurde. Seit 1977 ist der Mittelteil der Strecke als Museumsbahn betriebsbereit und diesem Umstand ist es zu verdanken, dass die Brücken uns als Zeugen der technischen Entwicklung insbesondere des Eisenbaus von Ende des 19. Jahrhunderts erhalten sind. Eine der weltweit bekanntesten Brücken überhaupt ist die Eisenbahnbrücke über den Firth of Forth bei Queensferry in Schottland. Die Brücke wurde von John Fowler und Benjamin Baker als FachwerkGerberträger über vier Felder mit den größten Spannweiten der Mittelfelder von etwa 521 m entworfen und von 1883 bis 1890 gebaut. Das System der Brücke ist im Bild 1.4-23 dargestellt. Die gewaltigen Auslegerträger wurden beim Bau jeweils von den 44 m und 79 m breiten StahlfachwerkPfeilern aus nach beiden Seiten vorgebaut. Nach der Fertigstellung der Auslegerträger wurden in den Mittelöffnungen an deren Kragarmenden Einhängeträger aufgelegt, die mit Schiffen angeliefert und vom Wasser aus montiert wurden. Über die über 107 m gespannten Einhängeträger werden die Auslegeträger miteinander verbunden. Die Gurte der mächtigen Auslegerträger wurden aus Blechen zu rohrförmigen Fachwerkstäben als genietete Konstruktion zusammengesetzt. Die äußeren scheiben­ artigen Fachwerkwände sind zur Erhöhung der Stabilität zu den Auflagern hin nach außen gespreizt. Nach ihrer Fertigstellung war die Firth of Forth Brücke lange Zeit mit 521,24 m Spannweite die am weitesten gespannte Brücke bis sie 1917 mit dem Bau der ebenfalls als Fachwerk-Gerberträger

über drei Felder errichteten Brücke über den St. Lorenz-Strom in Quebec/Kanada mit der Spannweite des mittleren Felds von 549 m übertroffen wurde. Allerdings gelang bei dieser Brücke erst der dritte Versuch ihres Baus. Bereits 1907 beim ersten Versuch des Baus der Brücke knickten beim Bau Untergurtstäbe aus und führten zum Total­ einsturz einer Brückenhälfte [Scheer, 2000]. Nach der Verbesserung des konstruktiven Entwurfs und dem zweiten Bau der Brücke stürzte der Einhängeträger beim Einheben in den Fluss. Erst danach konnte die Brücke 1917 fertiggestellt werden. Zu den landschaftlich schönsten Punkten Dresdens zählt der scharfe Bogen der Elbe mit der anmutigen Geländeform des Elbhangs bei Loschwitz. Auf der linken Elbseite liegt Blasewitz und auf der rechten Loschwitz, die bis 1893 nur mit Fährbetrieb verbunden waren. Seit 1874 bemühten sich Bürger und die damals noch selbstständigen Gemeinden Loschwitz und Blasewitz mit Eingaben an das Königlich Sächsische Finanzministerium um Genehmigung ­zum Bau einer Brücke über die Elbe zwischen Loschwitz und Blasewitz [Helas et al., 1995]. Claus Koepcke, von 1869 bis 1872 Professor für Eisenbahn-, Wasser- und Brückenbau und Vorstand der Ingenieurabteilung am Polytechnikum in Dresden, war zu dieser Zeit Technischer Referent am Königlich Sächsischen Finanzministerium. Ihm war das gesamte Eisenbahnwesen unterstellt. Schon 1861, im Alter von 30 Jahren, damals war er mit dem Bau des Hafens und der Hafenbahn in Geestemünde be-

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

schäftigt, veröffentlichte Koepcke seine umfangreichen Untersuchungen zum Bau von Ketten-Hängebrücken und wirft die Frage auf, durch welche Mittel das Schwingungsverhalten der Hängebrücken minimiert werden kann. Er kommt zu dem Schluss, dass dies am besten durch die von ihm so genannte versteifte Hängebrücke erfüllt wird, bei der die hängenden Ketten als Gurte von Fachwerken mit dem Fahrbahnbalken zu verbinden sind, wodurch steife fachwerkartige Scheiben entstehen, deren große Konstruktionshöhe die Änderungen der Durchbiegungen unter un­ symmetrischer und beweglicher Belastung so begrenzen, wie sie bei einem entsprechend hohen Balkenträger auftreten würden. Koepcke beschäftigten dabei auch besonders die Auswirkungen der Temperaturänderungen der Konstruktion. Aus rechnerisch untermauerten Überlegungen schloss er, dass ebenso wie bei den gelenklosen Massiv-Bogenbrücken Gelenke im Scheitel und an den Auflagerpunkten zur Vermeidung von Überbeanspruchungen aus Biegung zweckmäßig seien. Damit ist sein Konzept für den Bau von Hängebrücken entwickelt. 1883 richteten nacheinander der Ortsverein und der Gemeinderat Loschwitz an das Königlich Sächsische Finanzministerium wiederum Petitionen für den Bau der gewünschten Brücke über die Elbe und legten diesmal ausgearbeitete Brückenentwürfe bei, den Entwurf von der KöniginMarien-Hütte aus Cainsdorf bei Zwickau mit einer Parabelträgerbrücke über sechs Felder mit einem Pfeiler in Flussmitte sowie den Entwurf des Zivilingenieurs Kitzler mit einer Hängebrücke. Eine Staatsbeihilfe für den Brückenbau wird darauf 1884 in Aussicht gestellt, und im April 1885 wird die „Kommission zur Ausarbeitung eines Statutenentwurfs für den zu bildenden Brückenverband“ gebildet. Die Kommission legt die Aufteilung der Anteile fest, mit denen sich die 11 beteiligten Gemeinden an

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der Finanzierung zu beteiligen und zu haften haben. Gleichzeitig legt die Kommis­ sion einen Vorschlag für die zu erhebenden Brückenzölle zur Finanzierung des Baus der Brücke vor. Im Juli 1885 wird von der Königlichen Wasserbaudirektion eine versteifte Hängebrücke entworfen, und im Oktober gehen der Kommission erste Ausarbeitungen der Wasserbaudirektion zu, die eine so genannte versteifte Hängebrücke für den Bau vorsieht. Im August 1886 verordnete das Finanzministerium, dass die Wasserbaudirektion die weitere Bearbeitung des Brückenentwurfs übernimmt. Trotzdem beauftragte die Kommission im September 1886 die Firma Felten & Guilleaume mit der Ausarbeitung eines zusätzlichen Entwurfs. Die Königliche Wasserbaudirektion legte für den Bau der Brücke u. a. fest, dass die Brücke mindestens eine lichte Weite von 135 m der Stromöffnung und beidseitig mindestens 55 m breite Flutöffnungen haben muss. Außerdem wurde vorgeschrieben, dass für die drei Hauptöffnungen statisch bestimmte Eisenkonstruktionen zu wählen sind. Im September wird der Brückenverband gegründet. Der von der Firma Felten & Guilleaume eingereichte Entwurf erfüllte mit einer Ausnahme, die Brücke war statisch unbestimmt, alle von der Wasserbaudirektion für den Bau der Brücke festgelegten Bedingungen. Die Kommission machte sich aber keine Illu­ sionen, dass dieser Entwurf, der den Bau einer leichten und eleganten Drahtseilbrücke vorsah und zudem billiger war als die konkurrierenden Entwürfe, bei dem im Ministerium Verantwortlichen Claus Koepcke Chancen auf Verwirklichung haben würde. Der Entwurf der Firma Felten & Guilleaume wurde deshalb der vom Brückenverband 1887 eingereichten neuen Petition zum Bau der Brücke nicht mit vorgelegt. 1890 erfolgte eine beschränkte Ausschreibung für den Bau der Brücke als versteifte Hängebrücke nach dem Entwurf von Koepcke. Den Zuschlag zum Bau der

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.4-24   Loschwitzer Elbebrücke in Dresden

Gelenk

Widerlager Ankerkammer

61,8 m

Pylon Pylon Scheitel-Mittelgelenk

146,7 m Rollenlager

Brücke erhielt die Königin-Marien-Hütte Cainsdorf, nachdem sie einen deutlichen Preisnachlass auf ihr Angebot eingeräumt hatte. Nun konnte der Bau im April 1891 beginnen. Die Loschwitz-Blasewitzer Elbebrücke, Bild 1.4-24, von der Dresdner Bevölkerung das Blaue Wunder genannt, hat Spannweiten von 61,8–146,7–61,8 m [Raboldt, 1970]. Koepcke bezeichnete das System der Brücke als eine versteifte Hängebrücke. Die Brücke erscheint dem Laien zwar wie eine Hängebrücke, das Mittelfeld ist aber tatsächlich ein äußerlich statisch bestimmter, zugbeanspruchter Dreigelenkbogen mit unten liegendem Scheitel-Mittelgelenk dessen Horizontalkräfte an den Pylonspitzen über die Seitenfelder in die Widerlager geleitet werden (Bild 4.1-25). In den beiden Widerlagern untergebrachte Hebelwerke mit Ballast aus schwerem Schlackenbeton nehmen die horizontale Auflagerkraft auf. Die Gelenke wurden als Federgelenke ausgebildet, weil

Gelenk

61,8 m Widerlager Ankerkammer

Bild 1.4-25   System der Loschwitzer Elbebrücke (Bild nach [Raboldt, 1970])

sich Bolzengelenke wegen der Reibungskräfte als unwirksam erwiesen hatten. Abweichend von früheren Entwürfen legte Koepcke das Mittelgelenk in die Höhe der Fahrbahn anstatt in den Obergurt. Dadurch vergrößerte er nicht nur die Pfeilhöhe, ­sondern erreichte vor allem eine torsionsarme Übertragung von Horizontalkräften zwischen den beiden Brückenhälften. Ein zusätzlich angeordneter Versteifungsgurt nimmt die im Mittelbereich der Brücke ­auftretenden Biegebeanspruchungen auf. Koepcke beabsichtigte durch die Konstruktion der von ihm so genannten versteiften Hängebrücke die Schwingungen der Brücke zu begrenzen. Anstatt mit den üblichen Hängern verband Koepcke den kräftigen Obergurt der Brücke mit dem Unter- und Lastgurt durch eine rautenförmige Ausfachung, so dass steife fachwerkartige Scheiben mit einem Mittelgurt zur Aussteifung der Diagonalknoten entstanden. Durch die Anordnung der Gelenke

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

wurde das System aber weich und damit resonanzgefährdet. Um diese Wirkung zum Teil auszugleichen, ordnete Koepcke sogenannte Brückenbremsen am Mittelgelenk der Brücke und an den Pfeilern jeweils zwischen den Untergurten der Seitenfelder und des Mittelfelds an. Die Brückenbremsen bestehen jeweils aus sich fingerartig übergreifenden Stahlplatten, die von den beiden Gurten ausgehend die Lücke am Gelenkpunkt überbrücken, und aus neun Schrauben mit Durchmessern von 35 mm, die in Langlöchern angeordnet sind. Durch die Vorspannung dieser Schrauben wird zwischen den Platten Reibung erzeugt. Die Reibungskräfte verstärken die Dämpfung der Brücke, sind aber zu gering, um bei Verformungen unter Last oder bei Temperaturänderungen zu Zwängungen zu führen. Der schräg zu den Hauptträgern angeordnete Trägerrost (die Querträger der Fahrbahntafel sind unter 45° zur Brückenachse angeordnet [Beyer, 1956], dort S. 625) sollte verhindern, dass beide Hauptträger gleiche Schwingungen ausführen, und damit ebenfalls zur Dämpfung beitragen; gleichzeitig dienen sie als unterer Windverband. Nach Koepckes Aussagen verhinderten die angeführten Maßnahmen Resonanz­ erscheinungen bei im Gleichschritt marschierenden Kolonnen. Der heutige schwere Verkehr verursachte aber störende Schwingungen der Brücke. 1930 bis 1934 wurde die Brücke unter der Leitung von Regierungsbaurat Dr. Kirsten und Professor Kurt Beyer verbreitert und verstärkt. Koepcke hatte bereits beim Bau der Brücke vorgesehen, dass die Brücke verbreitert werden kann, sodass die Verlegung der Gehwege nach außen sehr einfach möglich war. Im zweiten Weltkrieg durchschlugen drei Bomben die Brückenfahrbahn und hinterließen erhebliche Zerstörungen. Die Brücke war Ende des 2. Weltkriegs für ­Brückensprengungen vorbereitet. Diese wurden glücklicherweise verhindert. Ab 1956 war die Brücke mit Ausnahme der­

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O-Busse und Straßenbahnen in Schritt­ geschwindigkeit für Fahrzeuge über 3 t ­gesperrt, seit 1985 auch für den Straßenbahnverkehr. Danach wurden Instand­ setzungsarbeiten vorgenommen, u. a. wurden die Federgelenke in Brückenmitte durch den Einbau von Spanngliedern verstärkt. Die Brücke ist unter den ausge­ wiesenen Nutzungseinschränkungen verkehrstüchtig, wenn auch dem heutigen Verkehrsaufkommen kaum gewachsen. Wer sie im Berufsverkehr mit dem Auto benutzt braucht Geduld. Busse, Lastwagen und Autos stehen mehr als sie fahren und das bereits bei der Anfahrt schon weit vor der Brücke. Im Vergleich zu der Schönheit eleganter Hängebrücken wirkt die Loschwitzer Brücke insgesamt nicht elegant, was durch die ästhetisch störende Versteifung des Mittelgelenks durch aufgelegte Träger verstärkt wird. Die Brücke ist aber keineswegs plump, im Gegenteil. Die Brücke unterstreicht die schöne Landschaft des Elbbogens mit den Dresdner Ortsteilen Loschwitz und Blasewitz. Von ausreichender Ferne wirken ihre Linien klar, von der Nähe wie ein Gewirr von Streben. Am schönsten wirkt sie, wenn man mit dem Elbdampfer vom Elbsandsteingebirge nach Dresden fährt. Man spürt bei ihrem Anblick und dem der nördlichen Elbhänge und südlich gelegenen Elbwiesen, dass man das Elbsandsteingebirge, Pirna und Pillnitz hinter sich gelassen hat und in Dresden angekommen ist. Die Brücke ist damit ein das Stadtbild prägendes Wahrzeichen Dresdens. Die Spree hatte für die Gründung Berlins und die frühere wirtschaftliche Entwicklung eine herausragende Bedeutung. Der Fluss in der Innenstadt, ehemals Verkehrsweg, Warenumschlagplatz und Antrieb für Mühlen hat diese Bedeutung heute verloren. Hauptsächlich Touristen- und Ausflugsboote zur Betrachtung der historischen und modernen Sehenswürdigkeiten Berlins unter anderer Perspektive vom Wasser aus nutzen heute die Spree. Insbesondere beim

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.4-26   Jungfern­ brücke über den Kupfergraben in Berlin

Umfahren der Spreeinsel auf der Spree und vor allem durch den Spree- und den daran anschließenden Kupfergrabenkanal unter der Gertraudenbrücke und der Jungfernbrücke (Bild 1.4-26) hindurch mit der folgenden Durchfahrt unter der Schlossbrücke (Bild 1.4-4), vorbei am Schlossplatz und Lustgarten mit dem Blick nach rechts auf den Dom und links dem Zeughaus sowie schließlich mit der Museumsinsel mit den auch von außen eindrucksvollen Museen am nördlichen Ende wird deutlich, dass die Spree als Fluss in der Innenstadt die Stadt Berlin und ihr Stadtbild ganz besonders geprägt hat. Die Jungfernbrücke mit zwei

Bogen aus Sandstein und dem beweglichen Durchlass in der Mitte wurde ursprünglich 1798 als Zug-Klappbrücke nach holländischen Vorbildern gebaut, und sie wurde Ende des 20. Jahrhunderts wieder instandgesetzt. Der mittlere Durchlass hat bewegliche Klappen, die ursprünglich aus Holz bestanden, heute aber aus Stahlträgern mit Bohlenbelägen bestehen. Sie konnten mit Rollen, eisernen Ketten und Gegengewichten bewegt werden. Die Jungfernbrücke ist als historisches Beispiel solcher Brücken erhalten, die es früher Lastkähnen mit Segeln ermöglichte durch die städtischen Wasserstraßen zu fahren.

Bild 1.4-27   Weiden­ dammer Brücke in Berlin

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

Die Überquerung der Spree in der Friedrichstraße in Berlin erfolgt über die Weidendammer Brücke, Bild 1.4-27. Die Brücke als Durchlaufträger mit veränderlicher Trägerhöhe über drei Felder mit Spannweiten von 16,3 m – 38,5 m – 15,5 m wurde zunächst von 1895 bis 1897 gebaut, mit dem U-Bahnbau 1914 abgebaut und 1922 mit verbreiterter Fahrbahn und veränderter Gründung der Flusspfeiler wieder aufgebaut. Die Brücke sollte repräsentativ sein, weshalb Kunsthandwerker mit der Gestaltung der schmiedeeisernen Brückengeländer und der neo­ barocken Laternenmasten beauftragt wurden. Nach Reparaturen in den 70er-Jahren wurde die Brücke umfassend saniert. Zwischen Mainz und dem rechtsrheinischen Vorort Castell, heute als Mainz-Kastel zu Wiesbaden gehörig, wurde bereits 1883/85 eine Stahlbrücke über den Rhein gebaut. Die Brücke wurde über fünf Felder mit Spannweiten von 87 m – 99 m – 103 m – 99 m – 87 m als Fachwerk-Zweigelenk­ bogen, in Querrichtung mit jeweils vier parallelen Bogen, mit aufgeständerter Fahrbahn und einer Nutzbreite von 13,8 m errichtet. 1931/33 wurde sie durch je zwei weitere parallele Bogen ergänzt und erhielt damit eine Nutzbreite von 18,8 m. Im Krieg wurde sie 1945 zerstört und 1949/50 in der Form von 1933 wiederaufgebaut. Durch die

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rhythmische Zunahme der Spannweiten zur Flussmitte und die vorgesetzten Pfeiler aus rotem Sandstein wirkt die Brücke sehr harmonisch (Bild 1.4-28). Zur Verbindung von Wiesbaden und Mainz wurde 1961/62 die insgesamt 1180 m lange Schiersteiner Straßenbrücke über den Rhein gebaut. Der Rhein ist an dieser Stelle durch die Rettbergsaue in zwei Arme geteilt. Die beiden Strombrücken wurden als Stahl-Vollwandträger mit zweistegigen offenen Querschnitten mit veränderlicher Trägerhöhe jeweils über drei Felder durchlaufend und mit orthotroper Fahrbahnplatte ausgeführt. Die orthotrope Platte wird durch in Längs- und Querrichtung angeordnete Fachwerkträger unterstützt. Die größte Spannweite der größeren der beiden Strombrücken über den rechten Arm des Rheins beträgt 205 m (Bild 1.4-29) und die der kleineren 170 m. Diese Bauweise ist für die damalige Zeit typisch für Brücken dieser Spannweiten. Die Vorlandbrücken und der zwischen den Strombrücken liegende Teil des Brückenzugs sind von den Strombrücken getrennt und als Vollwandträger mit Stahlverbundplatten ausgeführt worden. Jörg Schlaich hat einige Brücken als nur an einem Rand aufgehängte oder gestützte Kreisringträger entworfen. Entwurfsgrundlage ist dabei, die Erkenntnis aus der Me-

Bild 1.4-28   TheodorHeuss-Brücke über den Rhein zwischen Mainz und Mainz-Kastel

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

chanik, dass der im Grundriss kreisförmig gekrümmte Träger und auch die entsprechende Kreissegmentplatte in Längsrichtung nur entweder am inneren oder äußeren seitlichen Rand gestützt werden muss. Über die erste von ihm auf dieser Grundlage entworfenen Brücke, die Fußgängerbrücke Kehlheim über den Main-Donau-Kanal, berichtet er in diesem Buch selbst, Abschnitt 3.8.2. Bei der 1997 gebauten Fußgängerbrücke über den Rhein-Herne-Kanal in Oberhausen (Bilder 1.4-30 und -31) erfolgt im Gegensatz zur Fußgängerbrücke Kehlheim, die am inneren Rand aufgehängt ist, die Unterstützung durch einen als Raumkurve geformten Bogen mit 77 m Spannweite auf dem Einzelstützen und VStützen den Gehweg mittig unterstützen [Bögle et al., 2003]. In Berlin wurde nach Entwürfen der Architekten von Gerkan, Marg und Partner an

Stelle des derzeitigen Lehrter Bahnhofs der neue Hauptbahnhof gebaut. Die oberirdische Ost-West-Trasse der Schnell- und Eisenbahn mit insgesamt sechs Gleisen führt über den Humboldthafen. Dafür wurden 1997/99 je zwei zweigleisige und eingleisige horizontal gekrümmte Brücken als Stahlrohr-Stabbogen als vertikale Doppelbogen und mit oberen Betonplattenbalken ausgeführt [Schlaich/Schober, 1999-2]. Die Brücken folgen der sich stetig aufweitenden Gleisführung. Die Stabbogen aus dickwandigen Rohren verlaufen zwischen den Widerlagern und den Anschlüssen in den Betonplattenbalken in vertikalen Ebenen (s. Abschnitt 1.6.8.7). Die größte Spannweite beträgt 60 m. Die Verbindung der Stabbogen mit den Betonplattenbalken erfolgt optisch besonders ansprechend durch Einbindung der Bogen in die Betonplattenbalken, wobei das Stahlrohr aber nicht im

Bild 1.4-29   Schiersteiner Brücke über den Rhein

Bild 1.4-30   Fußgängerbrücke über den Rhein-Herne-Kanal in Oberhausen (Bild von Schlaich Bergermann und Partner, Stuttgart)

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

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Bild 1.4-31   Fußgängerbrücke über den Rhein-Herne-Kanal in Oberhausen, Ausschnitt (Bild von Schlaich Bergermann und Partner, Stuttgart)

Plattenbalken durchgeführt wird, sondern nach der Kraftübertragung im Beton endet. Die Verbindung der oberen Betonplattenbalken mit den Stahlrohr-Stabbogen und die ­Kraftübertragungen erfolgen über Aufständerungen aus vertikalen Stahlrohren in engem Abstand. Die Rohrknoten wurden zum Teil geschweißt und zum Teil als Stahlgussknoten (Bogenköpfe, Kämpfer, Kämpfer-Diagonalverbände) ausgeführt. 1.4.3.2  Moderne Hängebrücken Obwohl in China sehr früh (spätestens im 6. Jahrhundert) einige eiserne Ketten-Hängebrücken, meistens ohne Versteifungsträger, vorhanden waren und sogar große Ketten-Hängebrücken, wie z. B. die Luding Brücke mit 103 m Spannweite über den Dadu He in der Provinz Sichuan aus dem Jahr 1705, bekannt sind, kann man sagen, dass mit dem Bau der Jakobs Greek KettenHängebrücke in Pennsylvania die Ära der modernen Hängebrücken begann. Sie wurde 1796 von J. Finley mit 21 m Spannweite und 3,8 m Breite erbaut. Sieben Jahre da-

nach ließ Finley sein Konstruktionssystem patentieren. Bis 1810 wurden nach seinem Patent 50 Ketten-Hängebrücken errichtet. Die größte dieser Brücken mit 100,4 m Spannweite war die über den Schuylkill in Philadelphia. In England entwickelte Sir Samuel Brown statt Ketten verschiedene Augenstäbe für die Kabel der Hängebrücken. Die Union Brücke mit 137 m Spannweite und 5,5 m Breite über den Tweed bei Berwick aus dem Jahr 1820 ist eine der Hängebrücken deren Kabel aus Augenstäben hergestellt wurden. Sie wurde bereits 1821 durch Windwirkung zerstört. Die Hängebrücke für die Werft in Brighton, die 1823 auch von Sir Samuel Brown erstellt wurde, war ein weiteres Beispiel nach dieser Bauweise. Sie war 347 m lang, 3,8 m breit und hatte vier Öffnungen (1836 wurde sie wegen der vom heftigen Sturm erregten Schwingungen fatal zerrissen). In der Folgezeit wurden für die Kabel bei fast allen Hängebrücken in England Augenstäbe verwendet, so z. B. bei der Brücke über die Menaistraße mit 168 m Spannweite von Thomas Telford aus dem Jahr 1826, bei der Clifton Brücke über den Avon bei Bristol mit 214 m Spannweite von

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Isambard Kingdom Brunel aus dem Jahr 1864 usw. In Frankreich und der Schweiz wurden überwiegend Drahtseile für die Kabel verwendet. Diese Technik hatte man schon 1816 sowohl in England als auch in Amerika für kleine Hängebrücken angewendet. Die Brüder Séguin (Marc und Camille Séguin) und Louis Joseph Vicat sind als die zur Entwicklung der Drahtseilbrücken in Frankreich Maßgebenden zu nennen. Die berühmteste Drahtseilbrücke in dieser Zeit war die von M. J. Joseph Chaley, einem französischen Ingenieur, hergestellte Brücke über die Saane in Fribourg in der Schweiz mit der lichten Weite von 273 m aus dem Jahr 1835. Obwohl das Luftspinnverfahren für die Montage der Kabel schon bekannt war und von Louis Joseph Vicat stark gefördert wurde, verwendete Chaley beim Grand-Pont über die Saane in Fribourg das herkömmliche Montageverfahren mit vorfabrizierten Paralleldrahtseilen. In Frankreich scheint damals eine Euphorie für Kabelbrücken geherrscht zu haben, von 1830 bis 1850 sollen dort mehr als 200 Kabelbrücken gebaut worden sein. Der Mangel an genügender Steifigkeit verursachte jedoch einige Einstürze von Brücken dieser Bauart, wie das Unglück der Basse-Chaîne Brücke über den Fluss Maine bei Angers in Frankreich im Jahre 1850, wobei 226 von 487 auf der Brücke marschierende Soldaten ums Leben gekommen sind. Wegen solcher Einstürze wuchsen in Europa Zweifel an der Sicherheit der Kabelbrücken so stark, dass danach zunächst nur wenige Brücken dieser Bauart gebaut wurden. Eine wegweisende Bedeutung für den Bau moderner Hängebrücken kommt Johann August Röbling zu. Deshalb wird in Würdigung seiner besonderen Verdienste auf ihn, seine Entwicklung und seinen Beitrag zum modernen Großbrückenbau besonders eingegangen. Dabei wird auf die Bücher von David Bernard Steinman [Steinman, 1957] und David P. Billington [Billington, 1985] sowie die Ausarbeitung

Suspension Bridges – A Century of Progress der John A. Roebling’ Sons Company, Trenton/New Jersey Bezug genommen. Johann August Röbling wurde 1806 in Mühlhausen in Thüringen, geboren. Nach Abschluss seiner Schulbildung, zunächst am Gymnasium in Mühlheim und anschließend am Privat-Pädagogium in Erfurt, begann der 17-Jährige Röbling das Studium am damaligen Königlich Polytechnischem Institut Berlin. Er studierte Tief- und Brückenbau, Hydraulik und Deichbau, Maschinenbau und Architektur. Sein Lieblingsfach war Brückenbau, das er bei Dietleyn studierte. Dietleyn machte seine Studenten mit der damals neuen Brücken-Konstruktionsform der Hängebrücke bekannt. Er erläuterte u. a. fünf kleinere Hängebrücken, die gerade in England gebaut worden waren, bei denen die Fahrbahn an Ketten aus gelenkig miteinander verbundenen Stäben aufgehängt war. Dietleyn wies darauf hin, dass zwei dieser Ketten-Hängebrücken nach kurzer Zeit bei Wind eingestürzt waren. Auch über die von Finley 1796 gebaute erste Ketten-Hängebrücke moderner Konstruktionsform über den Jacobs Creek bei Greeburgh in Pennsylvania und über die 1816 gebaute und im selben Jahr bereits unter der Belastung aus Eis und Schnee eingestürzte Messingdrahtseil-Hängebrücke über die Wasserfälle des Schuylkill in Philadelphia erfuhr Johann August Röbling schon während seines Studiums von Dietleyn. Er war fasziniert von dem neuen Konstruktionssystem für Brücken und wurde sich auch gleich früh der Gefahren bewusst, die durch mangelhafte Entwürfe entstehen können. Er war zwar von Hängebrücken begeistert, hatte aber noch nie eine gesehen. Während seines Studiums hörte er 1824, dass in Bamberg über die Regnitz gerade die erste Ketten-Hängebrücke als Fußgängerbrücke in Deutschland gebaut wird. Er fuhr nach Bamberg, machte eine sorgfältige Studie über die Brücke, analysierte die Konstruktion bis zur Ermittlung des benötigten Materials. Er

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

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Bild 1.4-32   Ehemalige Kettenhängebrücke in Bamberg (Foto: Hans Möller, Urheberrecht: Stadtarchiv Bamberg)

fasste alles zu einem Bericht zusammen und reichte diesen als seine Ingenieur-Abschlussarbeit ein. Seine Begeisterung für den Entwurf, die Konstruktion und den Bau von Hängebrücken wurde er nie mehr los. Die Ketten-Hängebrücke wurde 1825 fertiggestellt, bestand bis 1880 im Originalzustand, wurde durch einen Neubau in Bamberg (Bild 1.4-32) erneuert und dann im Krieg zerstört. Das Studium schloss Johann August Röbling im Alter von 20 Jahren als Zivilingenieur ab, wie früher der Bauingenieur, heute noch so in Österreich, genannt wurde (engl.: Civil Engineer). Es ist schade, dass die frühere Bezeichnung nicht im ganzen deutschen Sprachraum beibehalten wurde. Sie trifft die Berufsbezeichnung und die Vielseitigkeit des Berufs treffender als die heute übliche. 1831 wanderte Röbling nach Amerika aus. Er engagierte sich zunächst mit dem Aufbau der Siedlung Saxonburg (zunächst Germania genannt) in Pennsylvania für die mit ihm Ausgewanderten und betätigte sich deshalb in der Landwirtschaft, als Landwirt war Röbling aber nicht besonders erfolgreich. Nach sechs Jahren kehrte er in den Ingenieurberuf zurück. Er wurde technischer Assistent für die Kanalisierung des Kanalnetzes im Staat Pennsylvania. Dabei wurde er mit dem Betrieb von Seilschienenbahnen

vertraut. Diese dienten zur Verbindung von Wasserwegen an den Stellen, an denen die Kanäle durch Gebirgszüge unterbrochen waren. Gleise wurden an den Hängen des dazwischen liegenden Bergs hinauf und hinunter geführt. Die auf schiefen Ebenen fahrenden Bergbahnen hatten beträchtliche Steigungen. Die Kanalkähne wurden zerlegt und auf Loren verladen, die Fracht und die Reisenden in von auf dem höchsten zu überbrückendem Punkt befindlichen Dampfmaschinen mit endlosen Hanfseilen auf einem Doppelgleis auf den Berg hochgezogen und auf der anderen Seite (ein Wagen wurde hochgezogen, ein Wagen als Gegengewicht fuhr hinunter) bis an den nächsten Kanal wieder heruntergelassen. Dort wurden die Kanalkähne wieder zusammengebaut und die Fracht verladen. Die Hanfseile scheuerten ständig durch, was häufig ohne Vorwarnung geschah. Wenn ein Hanfseil riss, zerschellten die Wagen mit der Ladung. Weil die teuren Hanfseile selbst dann, wenn kein Unglück eintrat, in kurzen Zeitabständen ersetzt werden mussten, verursachte dies laufend hohe Kosten. Röbling kam zur Erkenntnis, dass es besser sei die Hanfseile durch Drahtseile zu ersetzen. Er erinnerte sich, dass in Sachsen bereits Drahtseile durch Zusammendrehen von Drähten hergestellt worden sind. Er war entschlossen dies auch zu

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

tun. Diese Idee war die Geburtsstunde für den Aufbau der Drahtseil-Industrie, die den Großbrückenbau revolutionierte und auch für vielfältige andere Einsatzmöglichkeiten wegweisend war. Er stellte 1841 auf seinem Hof in Saxonburg sein erstes Drahtseil her und beantragte ein Patent über Verfahren zu Anfertigung von Drahtseilen, das ihm 1842 gewährt wurde. Bei der ersten Versuchsvorführung auf einer der Gefällstrecken des Pennsylvania Kanals wurde er Opfer einer Sabotage. Jemand schnitt das Drahtseil an, so dass es bei der Vorführung riss. Nach der Ausbesserung der beschädigten Stelle, tat das Drahtseil bei härtester Beanspruchung lange seinen Dienst, es wurde ein voller Erfolg Röblings. Alle Seilschienenbahnen wurden danach mit Drahtseilen ausgerüstet. Vor allem die Gefahren der Transporte über die Berge wurden verringert, aber auch die Kosten wurden gesenkt. Der große Bedarf an Drahtseilen, die auch in Bergwerken zur Förderung sowohl in senkrechten Schächten als auch im Schrägbau, für Drahtseilbahnen und Bagger sowie in der Schifffahrt eingesetzt wurden, führte zum Aufbau seiner Firma zur Herstellung von Drahtseilen, die er zunächst in Saxonburg gründete und die schnell und beständig wuchs. Sie wurde deshalb 1849 nach Trenton verlegt, und sie besteht noch heute als John A. Roebling’ Sons Company Trenton, New Jersey. Er beantragte ein weiteres Patent für Kabel mit parallel angeordneten Drähten, das ihm auch erteilt wurde. Durch die Entwicklung des Drahtseils wuchs bei ihm die Überzeugung, dass mit dem Draht die Lösung für den Bau von Brücken mit großen Stützweiten gefunden worden war. Bei den zu dieser Zeit bisher in Europa gebauten DrahtseilHängebrücken legte man die einzelnen Kabel entlang des Ufers aus, transportierte sie so zur Brücke und hängte sie über die Pylone. Röbling erkannte, dass bei dieser Herstellung die Verkrümmungen der einzelnen Kabel nicht so eingerichtet werden konnten, dass in allen Drähten gleiche Spannun-

gen entstanden. Er entwickelte deshalb das auf Ideen von Henry Vicat aufbauende Kabel-Luftspinnverfahren. Jeder Draht wird dabei einzeln mit einer rollenden Vorrichtung über die Pylone gezogen und in der Luft in seiner erforderlichen Form aufgehängt Die aufeinander folgenden Drähte werden in der gleichen Länge mit dem gleichen Stich der Durchhängung aufgehängt und erhalten damit zwangsläufig alle die gleiche Spannung. Danach wird eine bestimmte Anzahl von Drähten zu einem Kabelstrang gebündelt und schließlich werden die Stränge zu einem kompakten Kabel zusammengepresst. Das fertige Kabel wird mit weichem ausgeglühtem Draht dicht umwickelt (umsponnen) und außen mit einem Farbanstrich versehen. Dadurch wurde ein dichter Luftabschluss geschaffen und das Eindringen von Feuchtigkeit in das Kabel verhindert. Das weiter entwickelte Verfahren ist bis heute bei allen großen amerikanischen Hängebrücken angewendet worden. Gut vorbereitet, war er nun entschlossen sich um den Bau von Hängebrücken zu bewerben. Bereits 1841, also gleichzeitig mit der Herstellung seines ersten Drahtseils, hat er die für die Entwicklung des modernen Hängebrückenbaus erste, grundlegende Arbeit [Roebling, 1841] über den Bau von Hängebrücken veröffentlicht. Im Winter 1843/44 wurde eine Kanalbrücke des Pennsylvania-Kanals über den Allegheny in Pittsburgh durch Eis stark beschädigt und sollte durch einen Neubau ersetzt werden. Johann August Röbling schlug den Bau einer Kanal-Hängebrücke vor und erhielt den Auftrag, die Kanal­ brücke in einer Frist von neun Monaten zu bauen, was Röbling fristgerecht als Ingenieur-Unternehmer erfüllte. Die Brücke hatte sieben Öffnungen mit je 49 m Stützweite. Die beiden Drahtkabel hatten Durchmesser von 18 cm und liefen ungestoßen girlandenförmig über die ganze Länge der Brücke durch. An ihnen wurde der Holztrog kontinuierlich über Hänger aufgehängt. Zum

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

ersten Mal in der Geschichte des Brückenbaus wurden große Kabel für eine Hängebrücke in ihrer endgültigen Lage an Ort und Stelle hergestellt. In den folgenden Jahren baute Röbling weitere Kanalbrücken und die sehr leichte Monongahela-Brücke in Pittsburgh, bei der er zur Versteifung und Erhöhung der Windstabilität erstmals zusätzliche Schrägkabel anordnete, die von den Köpfen der Pylone zu den hölzernen Versteifungsträgern liefen. Bis 1850 hatte Johann August Röbling in sechs Jahren sechs Hängebrücken, fünf Kanalbrücken und eine Straßenbrücke, die Monongahela-Brücke in Pittsburgh, gebaut. 1847 wurde der Bau einer kombinierten Eisenbahn- und Straßenbrücke über den Niagara etwa 3 km unterhalb der bekannten Wasserfälle ausgeschrieben. Johann August Röbling bewarb sich um den Auftrag, den Zuschlag erhielt aber nicht er, sondern Charles Ellet, der aber nur bis zur Fertigstellung einer 2,30 m breiten Behelfsbrücke im Juli 1848 für die Arbeiter und den Transport von Material für die eigentlichen Bauarbeiten kam. Die Behelfsbrücke wurde zunächst zehn Monate als Fußgängerbrücke und nach einigen Verstärkungen einige Jahre auch für den Verkehr von leichten Fahrzeugen zur Überquerung des Niagara genutzt. Für den Verkehr auf der schwankenden Brücke stand nur eine Fahrbahn zur Verfügung. Schließlich wurde sie abgebrochen. Johann August Röbling erhielt nun 1851 den Auftrag zum Bau der kombinierten ­Eisenbahn- und Straßenbrücke über den Niagara. Die Niagara-Brücke wurde als Hängebrücke mit 247,5 m Stützweite mit vier Kabeln mit 25,4 cm Durchmesser aus schmiedeeisernem Draht als zweigeschossige Brücke gebaut. Das Eisenbahngleis lag auf der oberen und die Straße auf der unteren Brückenebene. Die Niagara-Brücke war die erste Hängebrücke mit voll wirksamen 5,5 m hohem Versteifungsträger, der als Fachwerkträger die beiden Fahrbahnebe-

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nen verband. Die Anordnung der Kabel war einzigartig. Zwei Kabel waren durch Drahtseilaufhängungen unmittelbar mit der oberen Brückentafel verbunden, die beiden anderen mit der unteren Brückentafel. Zur Versteifung und Erhöhung der Windstabilität sowie zur Aufnahme eines Teils der Belastung ordnete Röbling wieder, wie bei der Monongahela-Brücke, Schrägkabel an, die büschelartig (Definition nach Feige s. Bild 5.2.1-35) von den Pylonen zu den beiden Fahrbahnen liefen. Die Brücke wurde im März 1855 fertig gestellt. Die Brücke trug trotz ständig anwachsendem Gewicht der Züge und Lokomotiven die Lasten von ihrer Inbetriebnahme 1855 bis 1897, also über 42 Jahre. Wegen des zunehmenden Eisenbahnverkehrs, des im Vergleich zu ihrer Fertigstellung auf das Dreifache angewachsenen Belastungsgewichts und des zusätzlichen Erfordernisses der Aufnahme von Straßenbahnen wurde die Brücke 1897 abgebrochen und durch eine breitere Konstruktion als Stahlbogenbrücke ersetzt, die für größere Belastungen ausgelegt ist. 1857 erhielt Johann August Röbling den Auftrag, in Pittsburgh eine weitere Hängebrücke über den Allegheny zu bauen, die eine 40 Jahre alte, überdachte Brücke ersetzen sollte. Beim Bau dieser Brücke wurde für ihn ein Traum wahr. Sein ältester Sohn Washington Roebling, der von 1854 bis 1857 am Polytechnischen Institut von Rensselaer in Troy/New York sein Ingenieurstudium absolviert und einige Zeit in der Trentoner Fabrik gearbeitet hatte, kam 1858 zu ihm nach Pittsburgh und arbeitete mit ihm zusammen beim Bau dieser Brücke, die 1860 fertiggestellt war. Bereits seit 1839 war der Bau einer Brücke über den Ohio von Covington nach Cincinnati im Gespräch. Johann August Röbling hatte sich bereits seit 1846 damit beschäftigt und für die Brücke über den Ohio von Covington nach Cincinnati Pläne ausgearbeitet, die 1856 zum Auftrag die Brücke zu bauen geführt hatten. Nach dem

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Beginn der Gründungsarbeiten für die beiden Pylone wurden die Bauarbeiten zunächst wegen Geldmangels eingestellt. Wegen des Ausbruchs des Bürgerkriegs 1860 wurden die Arbeiten ganz gestoppt und erst 1863 wieder aufgenommen. Die Brücke über den Ohio von Covington nach Cincinnati hat eine Spannweite von 322 m. Es war bis dahin die größte Spannweite einer Brücke. Die Hängekabel haben 32 cm Durchmesser und waren die Kabel mit dem größten Durchmesser bis dahin. Zunächst musste eine leichte Arbeitsbrücke gebaut werden. Das Ende des Drahtseils mit 63 mm Durchmesser als Doppelseil wurde von den Verankerungs-Widerlagern auf der Seite von Cincinnati über den Pylon auf der Seite von Cincinnati gezogen, der Rest auf einen Kahn verladen und über den Ohio, auf den Grund des Flusses abgesenkt, zum gegenüber liegenden Ufer in Covington geschleppt. Mit einem dampfbetriebenen Flaschenzug wurde das Doppelseil aus dem Wasser zum Kopf des Pylons auf der Seite von Covington und in seinen erforderlichen Durchhang zwischen den beiden Pylonen nach oben gezogen und an den Kabelverankerungs-Widerlagern kraftschlüssig arretiert. Auf die Drahtseile wurden Holzquerbalken und darauf in Längsrichtung Bodenbretter aufgelegt. Von dieser Arbeitsbühne konnten die weiteren Arbeiten, vor allem das Spinnen der Kabel für­ die Hängebrücke, vorgenommen werden. Die Hängebrücke selbst erhielt wieder zur Versteifung und Erhöhung der Windstabilität Schrägkabel, die strahlenförmig von den Pylonen zum Versteifungsträger liefen. Als neues Konstruktionselement kamen je zwei Paar in entgegengesetzter Richtung laufende Schrägkabel hinzu, die die Hängekabel aussteifen. Ab 1865 bis zur Fertigstellung der Brücke im Jahr 1867 unterstützte Washington Roebling als Stellvertretender Chefingenieur seinen Vater bei der Fertigstellung des Baus der Brücke, die noch heute ihren Zweck erfüllt, allerdings wegen des

inzwischen schwereren Verkehrs 1896/1897 durch Ergänzung von zwei weiteren Kabel mit 25,4 cm Durchmesser verstärkt werden musste. Gut vorbereitet und erfahren bewarben sich Vater Johann August und Sohn Washington Roebling um den Entwurf und den Bau der Brücke in New York über den East River zur Verbindung von Manhattan nach Brooklyn. Der Bau der Brooklyn Brücke sollte sich zu einer tragischen Geschichte entwickeln. Bereits 1857 hatte Johann August Röbling in einem Brief dem New Yorker Bürgermeister die Möglichkeit der Überbrückung des East Rivers als durchführbar erklärt. 1865 arbeitete er Pläne für den Bau der Brücke aus, die er Vertretern der Brooklyner Bürgerschaft vorlegte. Im Dezember 1866 trafen Henry C. Murphy, William C. Kingsley und Alexander Mc Cue die zielführenden Vorbereitungen dafür, dass die Gesetzgebende Versammlung des Staats New York im April 1867 den Beschluss fasste, dass die Brooklyn Brücke gebaut werden soll. Einen Monat später wurde die New Yorker Brückengesellschaft als Körperschaft öffentlichen Rechts zur Errichtung und Unterhaltung der Brücke über den East River zwischen den Städten New York und Brooklyn gegründet. Mit dem Entwurf und dem Bau der Brücke wurde Johann August Röbling beauftragt. Sein Sohn Washington Roebling, der von Anfang an am Entwurf der Brooklyn Brücke beteiligt war, fuhr daraufhin nach Europa, um sich auf den neuesten Stand des Wissens über verschiedene Probleme des Ingenieurbaus und insbesondere über Druckluftverfahren zur Absenkung der Caissons zur Herstellung von Fundamenten zu bringen. Johann August Röbling bestimmte inzwischen mit dem Vergleich verschiedener Linienführungen der Straßen mit ihren Rampenneigungen und der Verkehrsmöglichkeiten die Lage der Brücke, stellte die Planungsunterlagen einschließlich der notwendigen Vermessungsarbeiten bis zum

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

September 1867 fertig und veranschlagte die Kosten für den Bau der Brücke, die mit 486,3 m Spannweite der Haupt- und je 284,4 m der beiden Seitenöffnungen als technisches Meisterwerk des 19. Jahrhunderts und als Markstein in die Geschichte der Brückenbaukunst eingehen sollte. Röbling schlug innovativ vor, für die Hängekabel erstmals kaltgezogenen Stahldraht anstatt Eisendraht zu verwenden. Die Brook­ lyn Brücke war bahnbrechend für mehrere folgende Hängebrücken mit Spannweiten zwischen 400 und 600 m, wobei bei den nachfolgenden Brücken die erforderlichen Tragfähigkeiten wegen des zunehmenden Verkehrs anwuchsen. Röblings Plan für den Bau der Brücke wurde vom Planungs- und Vermessungsausschuss angenommen. Von namhaften Ingenieuren wurden aber Zweifel geäußert, ob der Bau der weitgespannten Brücke ausführbar sei. Zwei Kommissionen, eine der Beratenden Ingenieure und eine von Militär-Ingenieuren, befassten sich intensiv mit der Frage, besichtigten u. a. die von Röbling bereits gebauten Hängebrücken über den Niagara und über den Ohio zwischen Covington und Cincinnati. Beide Kommissionen bestätigten schließlich im Mai und Juni 1869 in ihren Berichten die Durchführbarkeit des Baus der Brooklyn Brücke nach Röblings Plänen. Der Widerstand der Fachkreise war beseitigt und der Bau der Brücke über den East River konnte endlich beginnen. Aber welche Tragik sollte auf Johann August Röbling und seinen Sohn zukommen. Bei abschließenden Vermessungsarbeiten im Sommer 1869 übersah Johann August Röbling, der bei der genauen Lagebestimmung des Pylons auf der Brooklyner Seite auf den Dalben einer Fähranlegestelle stand und in seine Arbeit vertieft war, ein einfahrendes Fährschiff. Das Schiff krachte mit voller Wucht gegen den Fender, das Fendergerüst drückte gegen den Pfosten und Röblings Fuß wurde eingeklemmt und zerquetscht. Die Zehen des rechten Fußes

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mussten amputiert werden. Nach zwei Wochen voller Schmerzen starb Johann August Röbling, der geniale Ingenieur des 19. Jahrhunderts, an den Folgen des Unfalls. Im August 1869 wurde der 32-jährige Wash­ ington Roebling, der ja durch seine Mitarbeit von Beginn an bestens mit dem Entwurf, der Konstruktion und dem Bau der Brücke vertraut war, zum Chefingenieur als Nachfolger seines Vaters bestellt. Für die Gründungen der neugotisch wirkenden Pylone aus Granit wurden Druckluft-Senkkästen, damals ein neues Verfahren für Gründungen in tiefem Wasser, verwendet. Der Pylon auf der Brooklyner Seite wurde in einer Tiefe von etwa 12 m, der auf der New Yorker Seite in einer Tiefe von etwa 24 m gegründet. Der obere Abschluss des zuerst ausgeführten, hölzernen, unten offenen Senkkastens auf der Brooklyner Seite war eine 4,5 m dicke aus Holzbalken zusammen gesetzte Platte (beim Senkkasten auf der New Yorker Seite war die Holzplatte sogar 6,7 m dick). Die gezimmerten Holzwände waren oben 2,7 m dick und liefen nach unten spitz zu einer Schneide zu, die aus einem abgerundeten und durch Bleche gepanzertem eisernen Gussstück als Schuh bestand. Über den ganzen Caisson wurde ein fugenloses Zinkblech gelegt. Der Senkkasten wurde am Ufer auf Hellingen gebaut und zur Gründungsstelle eingeschwommen und abgesenkt. Die Ausschachtungsarbeiten im Caisson erfolgten in drei achtstündigen Schichten. Die Arbeiter arbeiteten jeweils acht Stunden im Caisson. Die Arbeitsbedingungen im Caisson waren aus heutiger Sicht unzumutbar. Bei Petroleumlicht mussten Morast, Treibsand und eine Unmenge Fels entfernt werden, zeitweise wurde sogar Dynamit zum Sprengen von Fels eingesetzt. Die mit einem zu langem Aufenthalt in komprimierter Luft verbundenen Gefahren (Caisson- oder Taucherkrankheit) waren damals noch unbekannt. Beim Absenken des Caissons für die Gründung des Pylons auf der Brook­

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

lyner Seite mit Luftüberdrücken bis 1,6 atü traten, sieht man von vorübergehenden Wirkungen auf die Trommelfelle beim Einund Ausschleusen ab, kaum Probleme bei gesunden Arbeitern auf. Dies änderte sich beim Senkkasten für die Gründung des Pylons auf der New Yorker Seite. Als hier der Luftüberdruck über 1,7 atü anwuchs wurden die Verbleibzeiten im Caisson sukzessive verringert, bis auf zwei Stunden bei Erreichen der Gründungstiefe mit 2,5 atü Überdruck. Trotz zusätzlich getroffener umfänglicher Vorbeugungsmaßnahmen litt ein großer Teil der Arbeiter unter den Folgen der Auswirkungen des Aufenthalts in der komprimierten Luft. 110 Arbeiter bedurften ärztlicher Behandlung, drei Arbeiter starben. Weil er sich des Risikos der Arbeit im Druckluftkasten bewusst war und wusste, dass jeder geringfügige Fehler verhängnisvoll werden konnte, war Washington Roebling selbst stets im Caisson, wenn es kritisch wurde. Er war mehr Stunden im Druckluftkasten als jeder Andere. Im Sommer 1872 wurde er nahezu bewusstlos aus dem Caisson gebracht, sein Tod wurde stündlich erwartet. Er erholte sich nach einigen Tagen, brach dann aber wieder zusammen. Er blieb unter Schmerzen zeitlebens gelähmt, im Alter von 35 Jahren war er ein Opfer der Caisson-Krankheit. Er war aber fest entschlossen, trotzdem den Bau der Brücke als Chefingenieur zu vollenden. Er saß zu Hause mit direktem Blick vom Fenster auf die Brückenbaustelle. Weil er fürchtete, nicht mehr lange zu leben, schrieb, zeichnete er fieberhaft und arbeitete bis ins Einzelne gehende Anweisungen für den Bau der Pylone, das Spinnen der Hängekabel und die Aufhängung des Stahldecks einschließlich schwieriger und besonderer Montagevorgänge aus. Er dirigierte mit einem Fernglas bewaffnet vom Fenster seines Hauses die Baustelle. Seine Frau, Emily Warren Roebling, unterstützte ihn mit großem Einsatz. Sie studierte unter seiner Anleitung die für

den Bau der Brücke erforderlichen Gebiete der Mathematik, das Verhalten von Kabelkonstruktionen, das Materialverhalten und Brückenvorschriften. Sie ließ sich von ihrem Mann dessen Gedanken erläutern und machte sich mit der Sprache der Ingenieure vertraut. Täglich ging sie zur Brückenbaustelle, um die fortlaufenden Arbeiten zu kontrollieren und die Anweisungen ihres Manns den Ingenieuren auf der Baustelle zu überbringen. Als kurz vor der Vollendung des Baus der Brooklyn Brücke 1882 Zweifel geäußert wurden, dass Washington Roebling wegen seines Gesundheitszustands die Stelle des Chefingenieurs weiterhin ausfüllen könne (man beachte, dass Roebling bereits seit zehn Jahren gelähmt und trotzdem weiterhin als Chefingenieur tätig war!), hielt Frau Emily Warren Roebling vor der Amerikanischen Gesellschaft der Zivilingenieure (ASCE) ein so über­ zeugendes Plädoyer, dass die Ablösung ihres Mannes als Chefingenieur verworfen wurde. Auf den ausbetonierten Caissons erhoben sich 1876 die mehr als 106 m hohen, fertig gestellten Pylone aus Granit, die die Hängekabel tragen. Die Widerlager zur Verankerung der Kabel waren ebenfalls fertig. Die Vorbereitungen für das Spinnen der Kabel liefen an. Im Prinzip erfolgte die Kabelherstellung wie bei der Brücke über den Ohio von Covington nach Cincinnati. Nur wenige örtlich bedingte Änderungen wurden vorgenommen. Statt zwei, wie bei der Ohio-Brücke, waren bei der Brooklyn Brücke vier Kabel erforderlich. Diese hatten auch größere Querschnitte (39,4 cm Durchmesser) als bei der Ohio-Brücke, und sie waren erstmals bei einer Hängebrücke aus verzinktem Stahldraht. Wie bereits zuvor bei den Brücken über den Niagara und über den Ohio wurden zusätzliche Schrägkabel angeordnet, die von den Köpfen der Pylone büschelartig angeordnet zum Versteifungsträger gespannt sind. Vor dem Beginn des Spinnens der Kabel für die Hängebrücke

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

mussten Behelfskabel für die Montage der endlosen Zugseile zum Spinnen der Kabel und die erforderliche Arbeitsbühne von Ufer zu Ufer gespannt werden. Außerdem wurden zwei Kabel als gegenläufig gekrümmte Umkehrkabel zwischen den beiden Pylonen gespannt, die verhinderten, dass die leichten temporären Kabel und die Arbeitsbühne vom Wind emporgehoben wurden. Das Spinnen der Kabel war im Oktober 1878 beendet. Alle Stränge der Kabel wurden mit Pressen genau zylindrisch zusammengezogen und die Kabel mit einem ununterbrochenem Draht umwickelt, wobei der Wickeldraht durch eine rotierende Maschine auf Zug so vorgespannt wurde, dass die Reibung zwischen den Drähten so groß wurde, dass es unmöglich war einen Kabeldraht aus dem Bündel heraus zu ziehen. Danach wurde der Versteifungsträger über die Hänger an die Hängekabel gehängt und danach die Schrägkabel eingebaut. Die Brücke wurde im Mai 1883, nachdem auch die Brückenauffahrten fertiggestellt waren, in Anwesenheit des Präsidenten der Vereinigten Staaten Chester Arthur und vieler Persönlichkeiten eröffnet. Die Brooklynbrücke, ursprünglich mit vier Spuren für Pferdefuhrwerke, zwei Gleisen für die Straßenbahn (stattdessen von 1898 bis 1944: je zwei Gleise für Straßenbahn und O-Busse und zwei Spuren für Autoverkehr) und ei-

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ner Promenade für Fußgänger, die längs in der Brückenmitte oberhalb der Ebenen der Fahrspuren angeordnet ist, ist noch heute voll im Betrieb. David Bernard Steinman erweiterte und ertüchtigte von 1944 bis 1954 die Brücke für den heutigen Verkehr. Dabei wurden der Bahnverkehr eingestellt und die Gleise für die Straßenbahnen entfernt. Die Brücke (Bild 1.4-33) hat jetzt sechs Fahrspuren für den Kraftfahrzeugverkehr und weiterhin die oberhalb der Ebenen der Fahrspuren angeordnete Promenade für Fußgänger. Nachdem Wilhelm Ritter bereits 1883 seine Theorie zur Berechnung von Hängebrücken unter Berücksichtigung der Kabel­ dehnungen [Ritter, 1883] veröffentlichte, stellte Joseph Melan 1888 sein auf der Lösung der Differentialgleichung basierendes analytisches Verfahren „Theorie der eisernen Bogenbrücken und Hängebrücken“ vor [Melan, 1888]. Darin präsentiert er eine auf der Deformation des Tragwerks beruhende grundlegende Berechnungs­ methode, die den Entwurf großer Hängebrücken wesentlich beeinflusst hat. Diese Berechnungsmethode wurde erstmals von Leon Solomon Moisseiff beim Entwurf der 1901 bis 1909 gebauten Manhattan-Brücke in New York (auf Bild 1.4-33 im Hintergrund), die eine Spannweite von 448 m Spannweite hat, angewendet und in die

Bild 1.4-33   Brooklyn Brücke in New York (Foto: Giesela Schmitz)

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Praxis eingeführt. Die Theorie wurde ­später u. a. von Stephen P. Timoshenko, Leon Solomon Moisseiff, David Bernard Steinman und Kurt Klöppel/ Kuo Hao Lie verbessert und erweitert. Ein weiterer wichtiger Markstein für den Bau von Hängebrücken wurde von Othmar Hermann Ammann gesetzt, weshalb auch seine Entwicklung kurz gestreift wird. Hierbei wird auf [Stüssi, 1974] Bezug genommen. Othmar Hermann Ammann wurde am 26. März 1879 in Feuerthalen im Kanton Schaffhausen geboren. Als er sechs Jahre alt war, übersiedelte die Familie Ammann nach Kilchberg am Züricher See. Hier wuchs er auf. Er besuchte zunächst die Volksschule in Kilchberg und anschließend in Zürich die Industrieschule (technische Abteilung der Kantonsschule). Nach Abschluss seiner Schulbildung begann Ammann 1897 das Studium des Bauingenieurwesens an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich, das er 1902 mit dem Erwerb des Diploms abschloss. Sein wichtigster Lehrer während seines Studiums war Wilhelm Ritter, der Baustatik und Brückenbau lehrte. Nach zwei Jahren Ingenieurpraxis in einer Stahlbaufirma in Brugg und in einer Betonbaufirma in Frank­furt/Main wanderte er 1904 nach Amerika aus. Othmar Hermann Ammann arbeitete dort zunächst im Ingenieurbüro von Joseph Mayer in New York, wo er an Entwürfen von mehreren stählernen Eisenbahnbrücken beteiligt war. Vor allem, um prakti­ sche Erfahrungen mit Ausführungen von Stahlbrücken zu gewinnen, wurde er von 1905 bis 1909 Mitarbeiter der Pennsylvania Steel Corporation. Hier war er zuerst Konstrukteur und dann Assistent des Chefingenieurs der Firma F. C. Kunz. Zu seinen Aufgaben zählten u. a. der Bau der Qeensboro Brücke in New York und die Unterstützung seines Chefs bei der Ausarbeitung des Untersuchungsberichts zur Klärung der Ursachen für den im Abschnitt 1.4.3.1 erwähnten Einsturz der Quebec Brücke über den St.-Lorenz-Strom in Kanada. Von 1909 bis

1912 war Ammann Mitarbeiter im Ingenieurbüro von F. C. Kunz und C. C. Schneider in Philadelphia. Hier verfasste er u. a. einen Entwurf für den Wiederaufbau der Quebec-Brücke. 1912 wurde er Mitarbeiter im Ingenieurbüro von Gustav Lindenthal in New York. Er wurde mit dem Entwurf­ der Hell Gate Brücke und den beim Bau auftretenden technischen Fragen betraut. Die Hell Gate Brücke ist eine FachwerkZweigelenkbogenbrücke mit einer Spannweite von 298 m für Eisenbahnverkehr mit vier Gleisen. Zum Zeitpunkt ihres Baus war sie die am weitesten gespannte Bo­ genbrücke. Als Mitarbeiter von Gustav ­Lindenthal war Ammann auch mit dem Entwurf für eine Hängebrücke über den Hudson in New York befasst. Dieser Entwurf in der Höhe der 57. Straße erwies sich als zu teuer und wurde nicht zur Ausführung beauftragt. 1923 machte sich Othmar Hermann Ammann selbstständig, er wollte einen eigenen Entwurf für eine Brücke über den Hudson ausarbeiten. Im Dezember 1923 übergab er dem Gouverneur von New Jersey George S. Silzer eine Ausarbeitung zum Bedarf einer Querung des Hudson mit einer Brücke im oberen Teil Manhattans. Gouverneur Silzer leitet den Bericht nach Prüfung innerhalb von drei Tagen befürwortend an die für New York zuständige Port of New York Authority weiter. Der Bedarf wurde von Ammann mit der zu erwartenden raschen Zunahme des Verkehrs mit Motorfahrzeugen begründet. Die rasche Zunahme des Verkehrs sicherte die solide Finanzierung. Die geplante Brücke im oberen Teil Manhattans in der Höhe der 179. Straße und dem nördlichen Teil New Jerseys bei Fort Lee musste nach seiner Auffassung nicht für den Eisenbahnverkehr, sondern sollte zunächst nur für den Straßenverkehr gebaut werden, weshalb­ sie verhältnismäßig leicht und mit relativ geringen Kosten errichtet werden könne. Die Brücke sollte zunächst sechs Fahr­ spuren für Fahrzeuge, auf beiden Seiten

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

etwa 3 m breite Gehwege haben und für später die Möglichkeit offen lassen, dass die Anzahl der Fahrspuren auf acht erweitert und in einer darunter anzuordnenden Ebene vier Spuren für Schnellbahn- oder Kraftfahrzeugverkehr angeordnet werden können. Die ersten Aufträge für den Bau der Brücke wurden 1927 erteilt. Die Brücke wurde 1931 fertig gestellt und George Washington Brücke genannt. Die George Washington Brücke in New York (Bild 1.4-34) ist mit 1067 m Spannweite eine Hängebrücke mit einem Versteifungsträger sehr geringer Steifigkeit. An der konstruktiven Durchbildung und der Berechnung der Brücke war Leon Solomon Moisseiff, der die bereits genannte Manhattan Brücke in New York gebaut hatte, beratend beteiligt. Die George Washington Brücke war die erste Brücke mit einer Spannweite über 1000 m und war bis zum Bau der von Joseph Baermann Strauss und Charles Alton Ellis und mit Unterstützung durch Leon Solomon Moisseiff entworfenen Golden Gate Brücke über die San Francisco Bucht (Bild 1.4-35), die 1937 mit 1280 m Spannweite fertiggestellt wurde, die am weitesten gespannte Brücke und die bis dahin Einzige, die eine Spannweite über 1000 m hatte. Beim Bau von Hängebrücken mit geringer Steifigkeit des Versteifungsträgers, wie bei der George Washington Brücke im ersten Ausbau im Jahr 1931, manche sprechen von einer Hängebrücke ohne Versteifungsträger, z. B. [Stüssi 1974], sollte unbedingt die Gesamtkonzeption der Struktur der Brücke beach-

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tet werden, wie z. B. die Verhältnisse der Spannweite zum Durchhang der Kabel sowie zu den Höhen und Breiten des Versteifungsträgers, die Querschnittsform des Versteifungsträgers (insbesondere Biegesteifigkeiten und Torsionssteifigkeit, Lage des Drillruhepunkts, Windschlüpfigkeit), der Horizontalverbände bei Fachwerk-Versteifungsträgern oder Versteifungsträgern mit offenen Querschnitten, die Höhen der Eigenlasten der Kabel und des Versteifungsträgers, das Verhältnis der auftretenden Windlast zur Eigenlast und die Eigenfrequenzen der Konstruktion. Ammann hatte sich vor dem Bau der George Wash­ ington Brücke mit diesen Problemen sehr gründlich befasst. 1960 wurde, wie von Ammann vorgesehen, die untere Ebene zur Ergänzung weiterer vier Spuren für Kraftfahrzeugverkehr eingebaut, wodurch die Steifigkeit des Versteifungsträgers als geschlossener Fachwerkkasten deutlich erhöht wurde. Immerhin hat die Brücke bis dahin fast dreißig Jahre ohne besondere Schwingungsprobleme mit dem Versteifungsträger geringer Steifigkeit Ammanns Auffassung bestätigt. Danach war Othmar Hermann Ammann von 1933 bis 1939 Chefingenieur der Triborough Bridge Authority, die Brücken in New York finanzieren, bauen, unterhalten und betreiben sollte. Während dieser Zeit baute er u. a. die Triborough Brücke (Hängebrücke mit 421 m Spannweite) und die BronxWhitestone Brücke (Hängebrücke mit 701 m Spannweite). Bei der Bronx-White­ stone Brücke zeigten sich bei mittleren Wind­

Bild 1.4-34   George Washington Brücke in New York

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.4-35   Golden Gate Brücke über die San Francisco Bucht

geschwindigkeiten hin und wieder unangenehme lotrechte Schwingungen, die zwar für die Tragwerkssicherheit unbedeutend waren, aber bei den Autofahrern Gefühle der Unsicherheit verursachten. Bei großen Windgeschwindigkeiten traten jedoch keine unangenehmen Schwingungen auf. Die bei den mittleren Windgeschwindigkeiten auftretenden störenden Schwingungen konnten durch den Einbau von Schräg­ kabeln von den Köpfen der beiden Pylone zu den Versteifungsträgern und durch Blockierung der Längsverschiebungen der Versteifungsträger verkleinert werden. 1939 gründete Othmar Hermann Ammann sein eigenes Ingenieurbüro und wandelte dieses 1946 zusammen mit Charles S. Whitney in die Ingenieurpartnerschaft Ammann & Whitney um. Die Ingenieurpartnerschaft Ammann & Whitney wurde u. a. mit der Projektierung und dem Bau der Verrazano-Narrows-Brücke beauftragt. Sie überbrückt den Eingang zum Hafen von New York und verbindet die Stadtteile Brooklyn und Staten Island. Die Verrazano-

Bild 1.4-36   Verrazano-Narrows-Brücke

Narrows-Brücke (Bild 1.4-36), vorgesehen für zwei Fahrebenen (die untere Fahr­ebene wurde 1969 eingebaut), hat eine Spann­ weite von 1298 m und als Versteifungs­ träger einen geschlossenen Fachwerk­ kasten. Sie war zur Zeit ihrer Fertigstellung 1964 die Brücke mit der größten Spann­ weite. 1940 ereignete sich eine der spektakulärsten Katastrophen in der Geschichte des Brückenbaus überhaupt. Die Tacoma Narrows Brücke im Staat Washington/USA, deren Versteifungsträger wegen der sehr geringen Breite von 11,9 m im Verhältnis zu ihrer Spannweite von 855 m und der leichten H-förmigen Querschnittsausbildung eine äußerst geringe Torsionssteifigkeit hatte, stürzte ein, nachdem gekoppelte Torsions-Biegeschwingungen, verursacht durch den eher schwachen Wind (Geschwindigkeit: 19 m/s), auftraten und allmählich anwuchsen. Die Brücke hatte Leon Solomon Moisseiff entworfen, einer der erfahrendsten und fähigsten Brückeningenieure der damaligen Zeit. Nicht nur er, sondern auch

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

fast alle Brückeningenieure der damaligen Zeit hatten keine genauen Kenntnisse über die aerodynamischen Wirkungen des Winds, obwohl ähnliche Einstürze wie bei der bereits erwähnten Hängebrücke für die Werft in Brighton schon früher beim Publikum für Aufregung gesorgt hatten. Dieser Zwischenfall des Einsturzes der Tacoma Brücke veranlasste die Brückeningenieure ausführliche Forschungen zur Windstabilität der Hängebrücken durchzuführen, die überwiegend durch Windkanalversuche experimentell erfolgten. In Amerika, zuerst auch in Europa und später in Japan, wollte man mit der Verwendung von steifen Fachwerkträgern dieser Problematik begegnen. Als Beispiele dafür seien einige exemplarisch genannt: • die zweite Tacoma Narrows Brücke (im Jahr 1950, 853 m Spannweite), • die Brücke über die Makinac Straße im Staat Michigan (1958, 1158 m), • die Verrazano Narrows Brücke über die New York Bucht (1964, 1298 m, damals die Brücke mit der größten Spannweite), • die Tancerville Brücke über die Seine in Frankreich (1958, 608 m), • die Firth of Forth Straßenbrücke in Schottland (1964, 1006 m),

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• die Brücke über den Rhein in KleveEmmerich, Deutschland (1966, 500 m), • der Ponte 25 de Abril über den Tejo in Lissabon, Portugal (1966, 1013 m), • die Tsingma Brücke in Hongkong (1997, 1337 m), • sechs von zehn Hängebrücken zwischen Honshu und Shikoku einschließlich der Akashi Kaikyo Brücke in Japan (1998, 1991 m Spannweite der Mittelöffnung, Bild 1.4-37, derzeit die Brücke mit der größten Spannweite). Für die Kabelmontage der oben genannten Hängebrücken in Amerika und Europa wurde das Luftspinnverfahren verwendet, während für die Hängebrücken in Japan Montageverfahren mit vorfabrizierten Pa­ ralleldrahtseilen bevorzugt wurden. Mittlerweile wurde in Europa ein anderes, neues Konzept hinsichtlich der aero­ dynamischen Stabilität der Hängebrücken eingeführt. Die grundliegende Idee des Konzepts, die von Fritz Leonhardt aus dem Jahr 1953 stammt [Leonhardt, 1982], s. dort S. 290/291, ist, windschlüpfige Kastenträger mit aeroflügelähnlichem Querschnitt (anstatt Fachwerkträger) als Versteifungsträger zu verwenden, um die Windeinwirkung weitestgehend zu dämpfen. Nachdem meh-

Bild 1.4-37   AkashiKaikyo-Brücke (Bild von Kawasaki Heavy Industries, Ltd.)

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.4-38   Zhoushan Xihoumen

rere Windkanalversuche durchgeführt und gute Ergebnisse daraus erhalten worden waren, wurde 1966 in Großbritannien erstmals nach diesem Konstruktionsprinzip die Severn Brücke in Beachley mit 986 m Spannweite gebaut. Dann folgten unter anderem die erste Bosporus-Brücke in der Türkei (im Jahr 1973, 1074 m Spannweite), die Humber-Brücke in Kingston upon Hull, England (1981, 1410 m, zu dieser Zeit die Brücke mit der größten Spannweite), die Jiangyin-Changjiang-Brücke in der Provinz Jiangsu, China (1999, 1385 m), die HögaKusten-Brücke in Schweden (1997, 1210  m), die Storebælt-Brücke in Dänemark (1998, 1624  m) und die RunyangChangjiang-Brücke in der Provinz Jiangsu, China (2005, 1490 m). Außerdem sind zurzeit in China einige Großbrücken im Bau, wie z. B. die Zhoushan Xihoumen in der Provinz Zhejiang, China (1650  m), Bild 1.4-38, die auch mit windschlüpfigen Kasten­trägern versteift werden sollen. Auch ist eine Hängebrücke mit der Mittelöffnung ca. 2500  m über die Qiongzhou Haixia (Meerenge) zwischen der Hainan-Insel und dem Festland China geplant. In der Tabelle 1.4-1 sind die 24 Hängebrücken mit den zur Zeit größten Spannweiten zusammengestellt.

1.4.4  Bogen-, Balken- und Rahmenbrücken aus Beton Mit der Wiederentdeckung des Betons, bereits die Römer hatten bekanntlich schon Beton verwendet (s. Abschnitt 1.2.3), zum Ende des 18. Jahrhunderts und vor allem in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts (Joseph Aspdin meldete 1824 das Patent der Erfindung des Portlandzements an) konnten auch Massivbrücken mit im Vergleich zu Stahlbrücken verhältnismäßig kleinen Spannweiten wirtschaftlich gebaut werden. Zunächst wurden Stampfbetonbrücken nach dem Vorbild der NatursteinGewölbebrücken gebaut. Wichtig für die Weiterentwicklung des Betonbaus war dann die Erfindung des Eisen- und Stahl­ betons. Der Amerikaner Thaddäus Hyatt führte bereits 1850 erste Versuche mit bewehrten Betonbalken aus. In seinen bewehrten Beton-Versuchsbalken war die Bewehrung richtig in der Biegezugzone angeordnet und an den Auflagern verankert sowie in der Druckzone verankerte bügelartige Bewehrung war vorhanden. Dies zeugt davon, dass Thaddäus Hyatt schon ein gutes Verständnis vom Tragverhalten des Stahlbetons ­hatte. Obgleich es bereits ältere Patentschriften von Joseph Louis

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

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Tabelle 1.4-1   Hängebrücken mit den im Jahr 2008 größten Spannweiten Name Akashi-KaikyoBrücke Xihoumen Storebælt-Brücke südliche RunyangBrücke Tsinglung-Brücke Humber-Brücke Jiangyin-ChangjiangBrücke Tsingma-Brücke Verrazano-NarrowsBrücke

Größte Spann­ weite in m

Lage der Brücke

Staat

Jahr der Fertigstellung

1991

Kobe-Naruto

Japan

1998

1650 1624

China Dänemark

2008 1998

China

2005

1418 1410

Zhejiang Zhoushan Korsor Jiangsu ZhenjiangYangzhou Hong Kong Kingston-upon-Hull

1385

Jiangsu

China

1999

1377

Hong Kong Bucht von New York (Narrows) San Francisco, Kalifornien Hubei Wuhan Kramfors Verbindung über den Huron- und MichiganSee, Michigan

China

1997

USA

1964

USA

1937

China Schweden

2007 1997

USA

1957

1108

Guangdong Huangpu

China

2007

1100

Kojima-Sakaide

Japan

1988

1090

Istanbul

Türkei

1988

1074

Istanbul

Türkei

1973

1067

New York, NY

USA

1931

1030 1020 1013 1006 990 988

Onomichi-Imabari Onomichi-Imabari Lissabon Schottland Kojima-Sakaide Bristol

Japan Japan Portugal Großbritannien Japan Großbritannien

1999 1999 1966 1964 1988 1966

1490

1298

Golden-Gate-Brücke

1280

Yangluo Höga-Kusten-Brücke

1280 1210

Brücke über die Mackinac-Straße

1158

Huangpu-ZhujiangBrücke Minami Bisan-seto Fatih-Sultan-MehmetBrücke Bosporusbrücke George-WashingtonBrücke 3. Kurushimabrücke 2. Kurushimabrücke Ponte 25 de Abril Forth-Straßenbrücke Kita Bisan-seto Severnbrücke

China 2007 Großbritannien 1981

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.4-39   ������������ Erste Eisenbetonbrücke in Chazelet aus dem Jahr 1875 (Foto: Dr.-Ing. Klaus Stiglat)

Bild 1.4-40   Brückengeländer der Eisenbeton����������� brücke in Chazelet (Foto: Dr.-Ing. Klaus Stiglat)

Lambot aus dem Jahre 1855 gibt, gilt, zumindest in Deutschland, der französische Gärtner ­Joseph Monier, dessen Patente, u. a. auch für bewehrte Betonbrücken, aus den Jahren 1867–1881 stammen, als der Begründer der Stahlbetonbauweise. Er erkannte aber wohl als erster die Ent­ wicklungs­möglichkeiten dieser Bauweise. Er baute auch 1875 die erste noch heute bestehende Eisenbetonbrücke der Erde, Bild 1.4-39, mit etwa 16,5 m Spannweite und 4 m Breite in einem Park über den das dortige Schloss umgebenden Wallgraben in Chazelet nahe Saint-Benoit-du-Sault in Westfrankreich. Das Brückengeländer (Bild 1.4-40) besteht aus Beton, der Astwerk nachgeformt ist [Stiglat, 1997]. Die Anwendung bewehrten Betons für die Errichtung von Bauwerken fand in Eu­ ropa schnell Verbreitung. Matthias Koenen

entwickelte in Verbindung mit von der Firma Wayss und Freytag & Heidschuch in Berlin durchgeführten Versuchen an Platten und Gewölben erste sehr vereinfachte theoretische Grundlagen zur Berechnung bewehrter Betonkonstruktionen. Die in der Anfangszeit der Anwendung des Stahlbetons bedeutendsten Beiträge zur Klärung des Tragverhaltens des bewehrten Betons und zur Anwendung der Bauweise stammen von Francois Hennebique, Friedrich Ignaz von Emperger und Emil Mörsch. Hennebiques wesentlicher Beitrag ist die monolithische Herstellung des Plattenbalkens mit dem durch Bügel und aufgebogener Bewehrung gewährleisteten Zusammenwirken von Steg und Druckplatte. Hennebique entwarf auch die erste bewehrte Betonbrücke mit größerer Spannweite, die sehr schlanke Risorgimento-Brücke in Rom,

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

die 1911 mit 100 m lichter Weite als Zellenbauwerk mit einem Kastenquerschnitt mit inneren Längs- und Querscheiben gebaut wurde und damit die erste Stahlbetonbrücke mit über 100 m Spannweite ist. Von ­Emperger und Mörsch führten zahlreiche experimentelle Untersuchungen aus und entwickelten damit das Verständnis für die neue Bauweise. Durch Umsetzung der Erkenntnisse in die theoretischen Grundlagen der Eisenbetonbauweise und wegen ihrer Wirtschaftlichkeit setzte sich die Bauweise schnell durch. Vor allem Mörsch prägte die Bauweise durch die von ihm entwickelte Fachwerkanalogie zur Berechnung und konstruktiven Durchbildung des bewehrten Betons mit der Zuordnung der Zugkräfte an die Bewehrung und der Druckkräfte an den Beton. Er fasste die durch Theorie und Versuch gewonnen Erkenntnisse in dem 1902 von der Firma Wayss & Freytag herausgegebenem Buch Der Eisenbetonbau, seine Anwendung und Theorie, zusammen. Mörsch, der 1872 in Reutlingen geboren wurde, an der Technischen Hochschule Stuttgart Bauingenieurwesen studierte, lange Zeit Leiter des Technischen Büros der Firma Wayss & Freytag und später Professor an der Technischen Hochschule Stuttgart war, entwarf u. a. die mit zwei hintereinander liegenden Dreigelenkbogen mit je 70 m Spannweite und 12,5 m Pfeilhöhe, 1903/1904 gebaute Stahlbeton-Bogenbrücke über die Isar in München-Grünwald und die als eingespannten Bogen mit 79 m Spannweite und 26,5 m Pfeilhöhe, 1908 gebaute Gmündertobelbrücke über die Sitter bei Teufen im Kanton Appenzell. Joseph Melan, geboren 1853 in Prag, entwickelte Ende des 19. Jahrhunderts ein Bauverfahren zum Bau von bewehrten Betonbogenbrücken ohne Lehrgerüst. Dabei bestand die Bewehrung nicht aus Betonstählen, sondern aus steifen, genieteten, sich selbsttragenden Stahl-Fachwerkträgern, die im Freivorbau errichtet wurden und so bemessen waren, dass sie zunächst

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auch die Betonschalung und den Frischbeton allein trugen, weshalb das Lehrgerüst entbehrlich war. Nach dem Verfahren von Joseph Melan, der sog. Melan-Bauweise, wurden von 1896 bis 1900 die ersten Brücken über den Kansas bei Topeka mit 38 m Spannweite, über die Steyr in Steyr mit 42 m Spannweite und über die Werra in Meiningen mit 40 m Spannweite gebaut. Vor allem in Nordamerika wurden in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts mehrere Brücken mit Spannweiten bis zu etwa 120 m gebaut. In Deutschland wurde 1929 auch die heute noch bestehende Echelsbacher Brücke über die Ammer (etwa 75 km südwestlich von München) mit 130 m Spannweite nach der Melan Bauweise gebaut. Das Bauverfahren ist heute in Europa und Amerika wegen der hohen Stahlpreise nicht mehr üblich. In Japan aber wurden kürzlich die Mittelbereiche bei weitgespannten Bogenbrücken nach der Melan-Bauweise hergestellt, nachdem zuvor von den Kämpfern aus die Randbereiche der Bogen im Freivorbau hergestellt worden waren. In China wurde 1997 die Wan Xian-Autobahnbrücke über den Yangtze, die mit 420 m Spannweite zur Zeit die am weitesten gespannte BetonBogenbrücke ist, fertiggestellt. Sie wurde in Anlehnung an die Melan-Bauweise errichtet. Der Betonbogen besteht aus einem dreizelligem Betonkasten, der mit einem sich selbst und im Betonierzustand die Schalung und den Beton tragendem Fachwerk-Stahlverbundskelett bewehrt ist. Die aus je fünf Stahlrohren mit 402 mm Außendurchmesser und 16 mm Wanddicke bestehenden Ober- und Untergurte des Stahlverbund­skeletts sind mit Beton C60 gefüllt und im Endzustand die Hauptlängsbewehrung des 16 m breiten Stahlbetonbogens mit 7 m Konstruktionshöhe, s. [Ewert, 1997 und 1999a], [Ding/Yongfu, 2001]. Zu den bedeutendsten Bauingenieuren des Beton-Brückenbaus Anfang des 20. Jahr­ hunderts zählte Robert Maillart, der 1872 in Bern geboren wurde und am Eidgenös­

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

sischen Polytechnikum in Zürich Bauingenieurwesen studiert hatte. Ihm verdanken wir die feingliedrige, besonders kühne und auf die Schnittgrößenverläufe optimierte Gestaltung der Betonbrücken, wobei er die Konstruktionen so gestaltete, dass sich alle Teile an der Abtragung der Lasten beteiligten. Er verstand es dabei stets mit seinen sparsamen Tragwerksformen eine gute Gestaltung seiner Brücken zu erreichen. Bei vielen seiner Bauwerke war er sowohl, Entwurfsverfasser, Konstrukteur und ausführender Bauunternehmer. Für den Erfolg Robert Maillarts als Ingenieur war die Verbindung guten theoretischen Verständnisses mit der Erfahrung in der Praxis wichtig, wobei im Wechselspiel neue Erkenntnisse und Lösungen entstehen. Die über Jahrzehnte ausgeübte Tätigkeit als verantwortlicher Ingenieur für Entwurf, Konstruktion und Bauausführung tätig gewesen zu sein war mit entscheidend für die Erfolge dieses genialen Bauingenieurs. Besonders zu nennen sind die von ihm konzipierten Dreigelenkbogen, die am Kämpfer und Scheitel zu dünnen Platten auslaufen und in den biegebeanspruchten Bereichen ∩-förmige oder Kastenquerschnitte mit verhältnismäßig hohen Stegen haben, die sogenannten Maillartbogen. Der Prototyp dieser innovativen Konstruktionsform, man kann die Brücke als sein erstes Meisterwerk bezeichnen, ist die von ihm konzipierte und 1905 gebaute

Querschnitt Querschnitt im Viertelspunkt: im Viertelspunkt:

Plattenbalken Plattenbalken

Brücke über den Rhein bei Tavanasa in Graubünden, Bild 1.4-41. Das System der Brücke ist als Dreigelenkbogen einzuordnen. Die Spannweite beträgt 51,25 m und der Bogenstich 5,7 m (l/f = 9). In den biegebeanspruchten Bereichen nahe den Mitten zwischen den Kämpfer- und Scheitelgelenken (Viertelpunkte des Dreigelenkbogens) tritt unter konzentrierten Lasten die größte Biegebeanspruchung auf, hat der einzellige kastenförmige Bogen eine verhältnismäßige große Konstruktionshöhe und damit einen großen Querschnittswiderstand. An den Kämpfern und im Scheitel ist der Bogen dagegen dünn. Zu den Kämpfern werden die Stege des kastenförmigen Bogens ausgeschnitten, wodurch eine Trennung in den als Bogen weitergeführten Untergurt und den ∩-förmigen Obergurt als Fahrbahnträger erfolgt. Dadurch wird die Bogen-Längskraft direkt zum Kämpfer geleitet. An den Kämpfern sind vor den Widerlagern jeweils Betonscheiben angeordnet, die den Bogen mit dem ∩-förmigen Fahrbahnträger verbinden. Der Bau der Brücke erfolgte auf einem Lehrgerüst. Dabei wurde zunächst nur die untere Platte betoniert. Erst nach der Erhärtung des Betons der Platte wurden die Stege und die Fahrbahnplatte betoniert. Das Lehrgerüst musste deshalb nur die untere Platte allein tragen, während zur Aufnahme der Lasten aus dem Steg und der Fahrbahnplatte das Lehrgerüst und die durch das

Kastenträger Kastenträger Scheitelgelenk Scheitelgelenk mit Betonblock mit Betonblock bündig bündig zur Fahrbahnplatte zur Fahrbahnplatte

Vertikale Vertikale Betonscheibe, Betonscheibe, die die die die Fahrbahnplatte Fahrbahnplatte mit dem mit dem BogenBogen verbindet verbindet

Kämpferlinie Kämpferlinie

Bild 1.4-41   Längs- und Querschnitt der Brücke über den Rhein bei Tavanasa (Bild nach ��������� [�������� Billington, 1990])

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

Lehrgerüst ausgesteifte untere Platte zusammenwirkten. Dies führte zu deutlichen Kostensenkungen gegenüber herkömmlichen Dimensionierungen des Lehrgerüsts für die komplette Eigenlast der Brücke. Diese kostengünstige Herstellung wurde bei allen folgenden Brücken nach dem System Maillart so beibehalten, was sich vor allem beim Bau von Brücken in schwierigem Gelände z. B. bei der Salginatobelbrücke, besonders kos­ tengünstig auswirkte. Leider ist die ­TavanasaBrücke 1927 durch eine Lawine und damit verbunden auf die Brücke stürzende Felsbrocken zertrümmert worden und heute nicht mehr erhalten. Wie ist Maillart zu dem bei der Tavanasa-Brücke erstmals angewendeten System gekommen? Bereits bei der zweiten von ihm entworfenen Betonbrücke, der 1901 gebauten Brücke über den Inn in Zuoz im Engadin hat Maillart als System einen zweizelligen kastenförmigen Dreigelenkbogen mit einer Spannweite von 38,25 m und einem Bogenstich von 3,6 m (l/f = 10,6) gewählt, Bild 1.4-42. Bei der Brücke in Zuoz wurde aber zunächst der kastenförmige Querschnitt vom Scheitel bis zu den Kämpfern durchgehend beibehalten, was auch bei seiner dritten, 1904 gebauten Brücke mit zwei Brückenbogen mit je 35 m Spannweite, der Thur-Brücke bei Billwil im Kanton St. Gallen beibehalten wurde. Etwa zwei Jahre nach der Fertigstellung der Innbrücke in Zuoz zeigten sich in den Stegen nahe den beiden Kämpfern vertikale Risse. In der Nähe des einen Kämpfers waren drei Risse und nahe dem anderen Kämpfer ein Riss. In der Nähe von beiden Kämpfern hatte

sich auch je ein horizontaler Riss gebildet. Alle Risse traten an dem von der Sonne am meisten beschienenen Steg auf. Die Beanspruchungen der Stege infolge der Einwirkungen aus äußeren Lasten waren gering und konnten nicht die Ursache für die Rissbildung sein, zumal die Risse vertikal gerichtet waren. Die Risse mussten also aus Zwangsbeanspruchungen entstanden sein. Bei der Austrocknung, dem Schwinden, tritt eine Volumenverminderung des Betons ein und der Beton verkürzt sich zwängungsfrei, wenn er daran nicht gehindert wird. Der von der Sonne beschienene Steg der Brücke trocknet schneller aus als die Fahrbahnplatte und diese etwas schneller als die direkt über dem Inn befindliche ­untere Bogenlaibung, die auch noch durch den Fluss etwas gekühlt und befeuchtet wird. Deshalb würden sich bei unbehinderter Verformungsmöglichkeit der Steg mehr verkürzen als die Fahrbahnplatte und diese etwas mehr als die Bodenplatte (s. Bild 1.4-43). An der weniger beschienen Seite der Brücke treten zwar prinzipiell die gleichen Phänomene auf, aber weniger stark. Da die einzelnen Teile verformungs- und kraftschlüssig verbunden sind, entstehen Zwangsbeanspruchungen, im Steg Zugund in der Fahrbahn- und in der Bodenplatte Druckbeanspruchungen, was zu Rissbildungen im Steg geführt hat. Maillart zog nun nach der Klärung der Ursache der entstandenen Risse die Folgerung, dass es am sinnvollsten wäre in den Kämpferbereichen die Stege entfallen zu lassen, weil sie dort zur Abtragung der Kräfte nicht benötigt werden. Andere hätten vielleicht ver-

Scheitelgelenk mit Betonblock zwischen Bogen und Fahrbahnplatte

Bodenplatte

79

Steg Verdecktes Kämpfergelenk

Bild 1.4-42   Längsschnitt der Brücke über den Inn in Zuoz (Bild nach [Billington, 1990])

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Unbehinderte Verkürzung der Fahrbahnplatte aus Schwinden

Druck in Fahrbahnplatte

Vertikale Risse im Steg

Zug im Steg

Unbehinderte Verkürzung des Stegs aus Schwinden

Druck in Bodenplatte

Bild 1.4-43   Vertikale Risse in der Brücke über den Inn in Zuoz (Bild nach [Billington, 1979])

sucht der Rissbildung durch einen höheren Bewehrungsgehalt und der Wahl kleinerer Bewehrungsdurchmesser im Steg zu begegnen und wären damit sicher gescheitert, denn durch Anordnung von mehr Bewehrung und der Wahl kleinerer Bewehrungsdurchmesser können Risse nicht verhindert, sondern bekanntlich nur die Rissbreiten auf kleinere Werte begrenzt werden. Die bedeutendste Brücke der von Maillart entworfenen Brücken dieses Typs ist die Salginatobelbrücke bei Schiers im Prättigau. In das kleine Bergdorf Schuders gelangt man von Schiers auf einer schmalen Straße, auf der man die 80 m tiefe Schlucht des Salginabachs auf der 1929/1930 gebauten Brücke überquert. Auf der Brücke wird die Straße nur einspurig geführt und ist

deshalb hier nur 3,5 m breit. Wie die Tavanasa-Brücke ist das System der Salginatobel-Brücke (Bilder 1.1-1, 1.4-44 bis 1.4-46) ein Dreigelenkbogen, allerdings mit der deutlich größeren Spannweite von 90 m. Die Pfeilhöhe ist etwa 13 m, das Pfeil­ verhältnis also ungefähr 6,9. Fahrbahn und Bogen sind mit den geringen Konstruktionshöhen im Scheitel und an den Kämpfern und den betont größeren Konstruktionshöhen in den beiden Viertelpunkten des Bogens zu einer technisch und ästhetisch optimalen Lösung ent­ wickelt worden. An den Kämpfern ist der Querschnitt recht­eckig. Er geht zum Scheitel zunächst in einen nach oben offenen U-Querschnitt mit zunehmender Höhe und im Bereich des Viertelpunkts

4,00

A–A

3,5 m Bild 1.4-44   Salginatobelbrücke, Schnitte

90 m

A – –A 13 m

132,3 m

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

81

Bild 1.4-45   Ansicht der Salginatobelbrücke

in den Kastenquerschnitt (s. Schnitt A-A im Bild 1.4-44) über. Die Gelenke an den Kämpfern und im Scheitel sind als BetonFedergelenke mit sich kreuzender Be­ wehrung ausgebildet. Der Fahrbahnträger ist ein zweistegiger Plattenbalken. Die den Plattenbalken unterstützenden und

Bild 1.4-46   Salginatobelbrücke, Sicht schräg von unten

auf dem Bogen stehenden Stützen sind I-förmig. Eugène Freyssinet baute 1908/1912 drei Bogenbrücken über den Allier, die sich ­sowohl in allen wesentlichen Abmessungen als auch im Bauverfahren gleichen, die Brücken bei Le Veudre, bei Boutiron und bei Chatel de Neuvre. Die Brücken bestanden aus je sehr flachen Dreigelenkbogen mit Spannweiten von 68 m – 72,5 m – 68 m und Pfeilhöhen der beiden seitlichen kleineren Bogen von 4,6 m und des etwas größeren Mittelbogens von 5,2 m. Die Verhältnisse der Spannweiten zu den Pfeilhöhen betragen damit etwa 15 und 14, was extrem ist. Die Aufständerung der Fahrbahn erfolgt über Dreieckfachwerke, die mit den steigenden und fallenden Diagonalen und der Verbindung mit der Fahrbahn zur Beulstabilität des Bogens beiträgt. Bei diesen Brücken wurde das Ausrüsten der Bogen mit der Abhebung des Bogens vom Gerüst erstmals durch Erzeugung von Druckkräften mittels Pressen im Scheitelgelenk angewendet, wodurch gleichzeitig die elastischen Durchbiegungen des Bogens aus Eigenlast minimiert wurden. In den der Fertigstellung folgenden zwei Jahren senkten sich aus Kriechverformungen die Scheitel um 10 cm bis 13 cm. Mit in die Fugen am Scheitelgelenk eingesetzten Pressen und damit er-

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

zeugten Druckkräften konnten die Bogen wieder in ihre Solllage angehoben werden. Danach wurden die Fugen ausbetoniert. Für Freyssinet war die beim Bau der drei Be­tonbogenbrücken über den Allier gewon­ nene Erkenntnis wichtig, dass der Beton unter dauernd wirkenden Druckspannungen kriecht, was für die spätere Entwicklung des Spannbetons von Bedeutung war. Um das Abheben des Bogens von der Schalung und dem Gerüst beim Ausrüsten zu überprüfen ließ Freyssinet anlässlich des Baus der drei Betonbogenbrücken einen Dreigelenkbogen als Probekörper mit 50 m Spannweite und 2 m Pfeilhöhe herstellen, wobei die beiden Widerlager mit einem vorgespannten Zuggurt aus vorgespannten, kaltgezogenen Drähten ∅ 8 mm mit Spannungen nahe an der Fließgrenze verbunden wurden. Die vorgespannten Drähte wurden mit in einer Ankerplatte angeordneten Keilen verankert. Diese erstmalige Anwendung der Vorspannung im Betonbrückenbau an einem Probekörper gilt als der erste Meilenstein der späteren Entwicklung des Spannbeton-Brückenbaus [Grote/Marrey, 2000]. Die zuerst gebaute Brücke bei Le Veudre wurde 1940 zerstört, die bei Chatel de Neuvre wurde von deutschen Truppen 1944 gesprengt. Nur die zweite der Brücken, die 1910/1911 bei Boutiron in der Nähe von Vichy gebaute, besteht noch (Bild

1.4-47) und ist begrenzt für Fahrzeugverkehr bis 3,5 t zugelassen. Über den Elorn zwischen Brest und Plougastel wurde nach einem Entwurf von Freyssinet 1926/1929 die Brücke Albert Louppe (Bild 1.4-48) mit drei Bogen mit je 186 m Spannweite und 38 m Pfeilhöhe gebaut. Das Verhältnis Spannweite zu Pfeilhöhe ist damit etwas unter 5. Die Bogen sind dreizellige Stahlbeton-Kästen. Über den Bogen befindet sich der zweigeschossige Fahrbahnträger als durchbrochener Kastenträger. Die obere Ebene nimmt den Straßenverkehr auf. Die untere Ebene war für den Eisenbahnverkehr vorgesehen, die jedoch nie genutzt wurde. Beim Bau der Brücke wurde für die drei Bogen nur ein Lehrgerüst eingesetzt, das eingeschwommen und jeweils an vorbetonierten Kämpfern der Betonbogen hochgezogen und verankert wurde. Ein wichtiger Schritt für die Entwicklung des Betonbrückenbaus war die Möglichkeit den Beton vorzuspannen. Eugène Freyssinet, der 1879 in Objat (Corrèze) geboren wurde, an der École polytechnique und der École des ponts et chaussées in ­Paris Bauingenieurwesen studierte, in verschiedenen Stellen beim Staat und in Baufirmen leitend tätig war, ist wohl am ehesten als Vater des vorgespannten Betons, des sogenannten Spannbetons, zu nennen, auch

Bild 1.4-47   Brücke über den Allier bei Boutiron (Foto: Dr.-Ing. Klaus Stiglat)

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

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Bild 1.4-48   Brücke Albert Louppe über den Elorn bei Plougastel (Foto: Dr.-Ing. Klaus Stiglat)

wenn erste Ideen den Beton vorzuspannen schon vor ihm bestanden. Er hatte aber als Erster klar erkannt, dass die Spannstähle hohe Festigkeit haben und die Stahlspannungen aus Vorspannung hoch sein müssen, weil die Spannstahlspannung als Folge des Kriechens und Schwindens des Betons im Laufe der Zeit abnimmt. Seine Ideen haben zu einer Revolution in der Baukunst geführt, weil die Spannweiten bei vorgespannten Betonbrücken gegenüber denen ohne Vorspannung mindestens verdreifacht, die Schlankheiten verdoppelt und die Gewichte und Kosten deutlich verringert werden konnten. Bereits 1908 spannte Freyssinet erstmalig einen Beton-Probekörper vor, s. o., was der erste Meilenstein der späteren Entwicklung des SpannbetonBrückenbaus ist [Grote/Marrey, 2000]. Er entwickelte das Freyssinet-Spannverfahren mit hochfesten Drähten und Keilverankerungen. Er war der Verfechter der vollen Vorspannung, was sich aus heutiger Sicht aber als Irrweg herausgestellt hat. Die Firma Wayss & Freytag, sie war seit 1934 Lizenznehmer von Freyssinet, stellte 1933 ([Grote/Marrey, 2000] nennen dafür das Jahr 1936) nach Entwürfen von Freyssinet in Frankfurt einen für eine Spannbetonbrücke mit 60 m Spannweite möglichen Versuchsbalken im Modellmaßstab 1 : 3 her

([Grote/Marrey, 2000] nennen dafür einen von Karl Mautner entworfenen Spannbetonbinder für eine Halle mit 55m Spannweite, der Spannbetonbinder für die Halle wurde wegen fehlender Referenzen nicht ausgeführt, was der Anlass für den Modellversuch gewesen sein soll.). Die Spann­ stähle ∅ 5 mm wurden mit Betonklötzchen verankert. Auch die Bügel waren entsprechend Freyssinets Auffassung vom Spannbeton in gleicher Weise vorgespannt. An diesen Modellträgern wurden zunächst in Frankfurt umfangreiche Versuche zum Tragverhalten des Spannbetonträgers vorgenommen, die dann in Stuttgart ([Grote/ Marrey, 2000] nennen dafür Dresden) wiederholt wurden. Durch diese Versuche gewannen sowohl Freyssinet als auch deutsche Bauingenieure die Bestätigung, dass die Vorspannung für die Baupraxis anwendungsreif ist. Das Ergebnis der Versuche wurde von Freyssinet in die Praxis umgesetzt, indem er um 1936 die ersten für ein Bauwerk eingesetzten vorgespannte Balken beim Bau der über 20 m weit gespannten Bedienungsstege eines Wehrs in OuedFodda in Algerien einsetzte. Die ersten vorgespannten Brücken baute Freyssinet 1941 als Plattenbrücken mit 12 m und 20 m Spannweite. Im selben Jahr begann er mit den Entwurfsarbeiten für die Marnebrücke

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.4-49   Längs- und Querschnitt der Marne­ brücke Esbly, Bild nach [Mörsch, 1958]

in Lucancy mit 54 m Spannweite, die aber auf Befehl der deutschen Besatzungsbehörde damals nicht gebaut werden durfte [Freyssinet, 1949]. Erst nach dem Krieg konnte diese Brücke 1945 von der Firma Campenon-Bernard gebaut werden. Es folgten 1947 bis 1952 fünf weitere Brücken über die Marne bei Esbly mit einigen Verbesserungen nach dem gleichen Prinzip, die wieder von der Firma Campenon-Bernard gebaut wurden. Die Brücken mit Spannweiten von 74 m bis 80 m wurden aus vorgefertigten Teilen hergestellt. Alle Fertigteile für alle fünf Brücken wurden in einer temporären Fertigteilwerk nahe Esbly gefertigt. Die von den fünf Brücken zuerst gebaute Brücke, die Marnebrücke Esbly mit 74 m Spannweite, ist im Längs- und Querschnitt im Bild 1.4-49 dargestellt. Die Zweigelenk-Rahmenbrücken mit fünfzelligen Kastenquerschnitten wurden aus sechs Fertigteilträgern gebildet. Diese Träger werden aus ca. 2 m langen im Werk gefertigten Fertigteilen zum Ufer der Marne transportiert und dort mit Hilfsspanngliedern zu größeren Trägerstücken zusammengespannt. Die Trägerstücke wurden auf dem Wasser zur Einbaustelle transportiert und mit Kabelkranen am Ort montiert und zusammengespannt. Der Montagevorgang ist selbsterklärend aus dem Bild 1.4-50 zu ersehen. Unter maßgeblicher Mitwirkung von Freys-

sinet beim Entwurf baute die Firma Wayss & Freytag bereits 1938 die erste Spann­ betonbrücke mit Verbund. Diese Brücke (Bild 1.4-51), eine Feldwegüberführung über die Autobahn A2 bei Oelde im ­Münsterland, mit vier vorgespannten Fertig­teil-Längsträgern mit I-Querschnitt,

Eckteil im Kabelzug

erstes Trägerstück folgt

Eckteile und erste Trägerstücke montiert

Mittelstücke im Kabelzug

Spannglieder unten und oben einbauen

Bild 1.4-50   Montage der Marnebrücke Esbly, Bild nach [Mörsch, 1958]

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

85

Bild 1.4-51   Spannbetonbrücke über die Autobahn A2 bei Oelde

die in gegenseitigen Abständen von 1,4 m verlegt sind. Die Trägerhöhe dieser Träger ist nicht konstant, sondern veränderlich. Sie beträgt am Auflager 1,46 m und in Brückenmitte 1,60 m. Der Trägeruntergurt verläuft waagerecht, während der Obergurt dem Ausrundungsbogen der Feldweg­ überführung folgt. Die Spannweite der Brücke beträgt 33 m. Auf den Längsträgern ist eine 6,4 m breite, am Ort betonierte, bewehrte Betonfahrbahnplatte angeordnet. Die Quertragwirkung wird durch vier am Ort betonierte, 25 cm breite, bewehrte Betonquerträger, deren obere Bewehrung sich in der Fahrbahnplatte befindet, während die untere Bewehrung durch die Längsträger durchgesteckt wurden, zusätzlich zu der der Fahrbahnplatte gewährleistet [Mörsch, 1943]. Für die Anwendung des vorgespannten Betons im Brückenbau haben neben Freyssinet noch Franz Dischinger, Ulrich Finsterwalder und Fritz Leonhardt als Pioniere dieser Bauweise besondere Bedeutung. Dischinger wurde 1887 in Heidelberg geboren und war nach Abschluss des Studiums des Bauingenieurwesens an der Technischen Hochschule Karlsruhe im Technischen Büro der Firma Dyckerhoff & Widmann tätig bevor er als Professor für Massiv­bau an der Technischen Universität Berlin berufen wurde. Während seiner

Tätig­keit bei Dyckerhoff & Widmann befasste er sich u. a. mit der Vorspannung von Betonbauten. Die Vorspannung ohne Verbund bei Brücken wandte er erstmals 1927/28 beim Bau der Bogenbrücke über die Saale in Alsleben an [Dischinger, 1949-2], die aber nicht als Spannbetonbrücke, wie wir sie heute verstehen, zu bezeichnen ist. Auch der Entwurf der ersten gebauten vorgespannten Brücke überhaupt, die 1935/37 gebaute Brücke in Aue, stammt von Dischinger. Ulrich Finsterwalder wurde 1897 in München geboren und war nach seinem Studium des Bauingenieurwesens an der Technischen Hochschule in München während seines gesamten Berufslebens bei ­Dyckerhoff & Widmann tätig. Von ihm stammt der erste bekannt gewordene Entwurf einer vorgespannten Betonbalken­ brücke überhaupt, der aus dem Jahr 1930 stammende Entwurf für den Bau der Dreirosenbrücke in Basel [Finsterwalder, 1965]. Der Entwurf für eine ohne Verbund vorgespannte Brücke über drei Felder mit Spannweiten von 52,5 m – 105,8 m – 52,5 m (Bild 5.2.1-6) mit einem Gelenk in Feld­ mitte des Innenfelds wies schon damals wesentliche Merkmale der späteren Konstruktionssysteme der Anfangszeit des Freivorbaus auf. Der Entwurf wurde allerdings nicht ausgeführt. Vermutlich war die

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Zeit für die vorgeschlagene Lösung noch nicht reif. Finsterwalder entwickelte das Dywidag-Spannverfahren mit Spannstählen mit Gewindeverankerungen mit aufgerollten Gewinden und Muttern, später mit Gewindestählen, und er führte im Betonbau den Freivorbau von Brücken ein, das auf dem im Stahlbau schon lange bewährten Bauverfahren beruht. Auch die bereits 1930/31 in ­Brasilien über den Rio Peixe (Bild 5.2.1-3) errichtete Stahlbetonbrücke wurde zuvor schon als nicht vorgespannte Betonbrücke im Freivorbau errichtet. Nachdem bereits ab 1948 bei Wettbewerben Sondervorschläge mit Ausführungen von Freivorbaubrücken eingereicht wurden, die aber nicht beauftragt wurden, wurde 1950 nach Finsterwalders Entwurf als erste im freien Vorbau errichtete Spann­ betonbrücke, die Brücke über die Lahn in Balduinstein (Bilder 1.4-52 und 5.2.1-12) in der Nähe von Limburg, von Dyckerhoff & Widmann gebaut. Finsterwalder war auch der Wegbereiter der beschränkten Vorspannung, wobei die Vorspannung nur so hoch gewählt wird, dass für häufige Einwirkungen die Zugfestigkeit des Betons nicht erreicht oder nur wenig überschritten wird, damit die Rissbreiten im Beton auf geringe Werte begrenzt werden. Dieser Gedanke

Bild 1.4-52   Lahnbrücke Balduinstein

hat sich für die weitere Ent­wicklung im Beton­bau als richtig erwiesen. Fritz Leonhardt wurde 1909 in Stuttgart geboren und vertiefte nach seinem Studium des Bauingenieurwesens an der Technischen Hochschule Stuttgart seine Kenntnisse während eines Semesters als Austauschstudent an der Purdue University in West-Lafayette in Indiana/USA. Nach seiner Rückkehr aus den USA war er bei der Obersten Bauleitung der Reichsautobahn, als Beratender Ingenieur und bei der Organisation Todt tätig. Nach dem Studium des 1941 von Freyssinet in der Zeitschrift Travaux veröffentlichten Beitrags Une Révolution dans l’ Art de Bâtir (Eine Revolution in der Baukunst), wodurch er mit Freyssinets Ideen zum Spannbeton vertraut wurde, traf er Freyssinet 1943 in Paris. Nach dem Krieg machte er sich als Beratender Ingenieur selbstständig und gründete mit Wolfhart Andrä das Büro Leonhardt und Andrä, das vielseitig im Konstruktiven Ingenieurbau tätig war und ist und jetzt als Leonhardt, Andrä und Partner firmiert. Mit Willy Baur entwickelte er das Spannverfahren BAURLEONHARDT zur Vorspannung von Brücken mit konzentrierten Spanngliedern und zur Vorspannung mit kleineren Spanngliedern das Spannverfahren LEOBA. Au-

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

ßerdem entwickelten Fritz Leonhardt und Willy Baur das Taktschiebeverfahren, ein heute sehr häufig angewendetes Verfahren zum Bau langer Balkenbrücken. Auf die Entwicklung des Spannbetons wird im Abschnitt 5.2.1 besonders eingegangen. Hier werden im Folgenden ausgewählte Entwicklungen dargestellt. Von besonderer Bedeutung für die Entwicklung im Betonbrückenbau waren vor allem die Bauverfahren des Freivorbaus, des Taktschiebeverfahrens, des Bauens mit Vorschubrüstungen und seit den letzten Jahren die Verwendung extern und intern geführter Spannglieder des Spannbetons ohne Verbund. Gegenwärtig stehen Entwicklungen der Materialtechnologie und die Nachhaltigkeit des Bauens im Vordergrund. Mit der Entwicklung des Freivorbaus für Spannbetonbrücken durch Finsterwalder wurde der Spannbetonbrückenbau für Brücken größerer Spannweiten über Flüsse und Täler im Vergleich zum Stahlbrückenbau konkurrenzfähig. Als erste Brücke nach diesem Bauverfahren wurde die oben genannte Lahnbrücke Balduinstein mit 62 m Spannweite, die der Prototyp des Spann­ beton-Freivorbaus im Brückenbau ist, gebaut, es folgte 1951 die Brücke über den Neckar in Neckarrems mit 71 m Spann­ weite. Aufsehen erregte dann die von 1951 bis 1953 im Freivorbau gebaute Spann­ betonbrücke über den Rhein in Worms [Finsterwalder/Knittel, 1953], die mit der größten Spannweite im mittleren Feld von 114,2 m damals die am weitesten gespannte Betonbalkenbrücke war, zugleich war sie die erste Betonbrücke über den Rhein in Deutschland. Die Stützweiten der Brücke waren für den Entwurf vorgegeben, damit die Senkkastengründungen der Pfeiler der 1898/1900 gebauten und im Krieg zerstörten Stahlbrücke, die aus DreigelenkFachwerkbogen ausgeführt worden war, wieder benutzt werden konnten. Das Prinzip des klassischen Freivorbaus besteht darin, dass von einem Pfeiler aus mit einem

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Bild 1.4-53   Fertiggestellter Kragträger der ­Nibelungenbrücke Worms im Bauzustand (Bild: Dywidag-Archiv)

Freivorbauwagen, der Schalung, Bewehrung und Frischbeton trägt, sukzessive die Brückenabschnitte betoniert werden. Meistens geschieht dies von Pfeilern aus annähernd symmetrisch nach beiden Seiten. Die Fertigungsabschnitte sind i. d. R. zwischen 3 m und 5 m lang. Dadurch braucht nur relativ wenig der mehrfach wiederverwendbaren Schalung vorgehalten werden, die aber veränderbar sein muss, um der gevouteten Balkengeometrie angepasst werden zu können. Durch vielmaliges Wiederholen ähnlicher Takte wird insbesondere bei großen Brücken eine signifikante Reduzierung der Arbeitsstunden erreicht. Bei widrigen Witterungsbedingungen, auch bei leichtem Frost kann die Weiterarbeit ermöglicht werden, indem der verhältnismäßig kleine Bereich in dem intensiv gearbeitet wird, eingehaust und beheizt wird. Aus Bild 5.2.1-13 sind Längsschnitt und Querschnitt der Nibelungenbrücke Worms ersichtlich. Die Spannbewehrung der aus-

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.4-54   Nibelungenbrücke in Worms

kragenden Träger ist dem Verlauf der nach dem Zustand I ermittelten Hauptzugspannungstrajektorien angepasst und entsprechend dem Biege­momentenverlauf abgestuft. Die meisten Spann­stähle werden in den Stegen geführt (Bild 1.4-56) und damit zur Schubsicherung herangezogen. Aus den Bildern 1.4-53 und -54 ist der Bauzustand eines fertig­gestellten auskragenden Trägers und die ­heutige Brücke ersichtlich. Die Nibelungenbrücke hat in allen drei Feldern in den Feldmitten Gelenke, die zur Querkraftübertragung dienen. Dadurch sind im Laufe der Zeit unstetige Durchbiegungen im Bereich der Gelenke aufgetreten, die korrigiert werden mussten. Im Bild 5.2.1-34 wird am Beispiel der Moselbrücke Thörnich eine Ausbildung der früher und auch heute noch mitunter üblichen Gelenk­ ausbildungen zur Übertragung der Querkräfte gezeigt. Auf die Problematik der Gelenkanordnung an Stellen größerer Durchbiegungen mit wegen der Gelenke entsprechenden Knicken infolge der zeitabhängigen Neigungsänderungsdifferenzen wird im Abschnitt 5.2.1 eingegangen. Die Nibelungenbrücke ist heute insbesondere in Verkehrs-Spitzenstunden überlastet. Deshalb wurde von 2005 bis 2008 eine zweite Rheinbrücke gebaut. Die neue Brücke steht in einem Abstand der Brückenachsen von 30 m neben der bestehenden Brücke. Der Überbau der neuen Strom-

brücke als einzelliger Kastenträger überspannt als Durchlaufträger über drei Felder den Rhein mit Spannweiten von 101,85 m, 114,20 m und 105,55 m. Es wurden also keine Ge­lenke in den Feldmitten angeordnet. Die Pfeilerachsen und Widerlagerstandorte orientieren sich an der bestehenden Brücke (s. Bild 2.2-1). Die Vorspannung des Überbaus der Strombrücke erfolgte in Mischbauweise (interne und externe Vorspannung). Die Querrichtung ist schlaff bewehrt. Die Herstellung der Strombrücke erfolgte im Freivorbau von den zwei Strompfeilern aus symmetrisch nach jeweils beiden Seiten. Die Randfelder konnten so aber nur bis zu einer Länge von 60 m ausgeführt werden. Die Herstellung der uferseitigen Überbauhälften der Strombrücke erfolgte deshalb als seilverspannter Freivorbau über Hilfspylone, die im Bauzustand auf den zwischen der Strombrücke und den Vorlandbrücken befindlichen Trennpfeilern standen. Die Hilfspylone wurden mit Litzen zu den zuvor fertiggestellten Überbauten der Vorlandbrücken zurückgespannt. 1962/1965 wurde bei Bendorf in der Nähe von Koblenz die Bendorfer-Brücke über den Rhein (Bilder 1.4-55 und 5.2.1-14) gebaut [Finsterwalder/Schambeck, 1965], eine im Freivorbau errichtete Autobahnbrücke mit einer größten Spannweite von 208 m für die Mittelöffnung, die zur

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

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Bild 1.4-55   Bendorfer-Brücke

Nibelungenbrücke Worms

57,10

57,10

Rheinbrücke Bendorf

104,00

71,00

Bild 1.4-56   Gegenüberstellung der Anordnung der Spannbewehrung bei der Nibelungen-Brücke in Worms und der Bendorfer-Brücke, Bild aus [Finsterwalder/Schambeck, 1965]

Zeit ­ihrer Fertigstellung die mit Abstand am weitesten gespannte Beton-Balken­brücke war. An Hand des Bilds 1.4-56 wird gezeigt, dass die Bewehrungsführung sich von dem der Nibelungenbrücke unterscheidet. Während bei der 1951/53 gebauten Nibelungenbrücke die Längsbewehrung zum überwiegenden Teil als Schubbewehrung in die Stege gezogen und dort bauabschnittsweise verankert wurde, wurden bei der etwa 10 Jahre später gebauten Bendorfer-Brücke die Vorspann-Längsbewehrung und die vorgespannte Schubbewehrung getrennt. Nach den wirtschaftlich für große Spannweiten erfolgreichen Ausführungen der im freien Vorbau vorgespannten Brücken wurden weltweit sehr viele vorgespannte Beton-

brücken nach diesem Bauverfahren ausgeführt. Besonders viele solcher Brücken, zum Teil auch in modifizierter Form, wurden in Japan und Skandina­vien gebaut, darunter die Hamana-Brücke in Japan (Bild 1.4-57) mit 240 m Spannweite und die mit 301 m Spannweite zur Zeit am weitesten gespannte Betonbalkenbrücke, die Stolma Brücke in Norwegen (Bild 9.1.3-14). Im Abschnitt 9.1.3 wird auf Freivorbaubrücken ausführlich eingegangen. Bei Betonbrücken mittlerer Spannweiten wurden zur wirtschaftlichen Herstellung­ der Brücken zahlreiche Verfahren mit umsetzbaren und verschiebbaren Gerüstträgern entwickelt. Dazu wird in erster Linie auf den Abschnitt 9.1.2, aber auch auf den Ab-

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.4-57   Hamana-Brücke in Japan

schnitt 5.2.1, insbesondere die Bilder 5.2.120 bis -24, verwiesen. Im Abschnitt 5.2.1 werden auch die mit diesem Herstellungsverfahren verbundenen Prob­leme mit der Vorspannung der Spannglieder an Fugen in Bauabschnittsgrenzen erörtert. Das von Fritz Leonhardt und Willy Baur entwickelte Taktschiebe-Verfahren vereinigt zur Herstellung monolithischer Tragwerke die Vorteile der werkmäßigen Fertigung in einer Feldfabrik mit denen der Ortbetonbauweise in idealer Weise. Die Fertigungsanlage bietet Witterungsschutz, es herrschen praktisch Arbeitsbedingungen wie in einer Fabrik. Die sich ständig wiederholenden Arbeitsgänge senken den Zeitaufwand für die einzelnen Arbeitsgänge. Es zählt zu den erfolgreichsten Bauverfahren zur Herstellung von Betonbrücken, weil es neben den erwähnten Vorteilen

auch besonders wirtschaftlich ist. Ausführlich wird auf die Herstellung der Brücken im Taktschieben im Abschnitt 9.1.4 einge­ gangen. 1.4.5  Moderne Schrägkabelbrücken Die grundlegende Konzeption der Schrägkabelbrücken ist nicht neu und wurde schon bei einigen Brücken im 18. und 19. Jahrhundert angewendet. In Japan wurde 1873 sogar eine auf dem Pfeiler drehbare Schrägkabelbrücke, die Aji-Fluss-Brücke bei Osaka (Bild 1.4-58), errichtet, die man damals Magnetnadelbrücke nannte [Japan Ass., 1984]. Johann August Röbling ordnete bei seinen Hängebrücken bereits zusätzliche Schrägkabel an. Dischinger griff diese Konstruktionsidee wieder auf und entwickelte

Bild 1.4-58   Aji-Fluss-Brücke (Bild: Kobe City Museum)

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

sie weiter [Dischinger, 1949-1]. Er wies darauf hin, dass Röbling in Ergänzung zu den vertikalen Hängern nach der Montage zur Erhöhung der Steifigkeit der Brücke durch Winden angespannte Schrägkabel in seine Hängebrücken eingebaut hat. Weil Röbling damals zur Vorspannung der Schrägkabel nur Winden verwenden konnte, war die Kabelvorspannung nur mäßig. Auch die zulässigen Spannungen waren damals nur verhältnismäßig niedrig. Die Schrägkabel waren deshalb nur bedingt wirksam (Kabeldurchhang, ideeller Elastizitätsmodul der Kabel), was einer der Gründe der notwendigen Instandsetzung der Brooklyn-Brücke war, die 1944 bis 1954 von David Bernard Steinman bei gleichzeitiger Ertüchtigung der Brücke vorgenommenen worden war. Röbling und Dischinger können als die geistigen Wegbereiter des modernen Schrägkabelbrücken-Systems gelten. Die beiden Brücken, die das Tor für die rasche Entwicklung der modernen Schrägkabelbrücken mit großen Spannweiten geöffnet haben, sind die Strömsundbrücke in Schweden mit 182 m Spannweite mit büschelartiger Anordnung der Kabel (Definition nach Feige s. Bild 5.2.1-34) von je zwei Kabeln von den beiden Pylonköpfen nach jeder Seite, die 1955 von der DEMAG Duisburg gebaut wurde und die in den Jahren 1955 bis 1957 nach dem Entwurf von Helmut Homberg mit harfenartiger Kabel­ anordnung (Definition nach Feige s. Bild 5.2.1-34) und mit 260 m Spannweite von

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einer Arbeitsgemeinschaft unter der technischen Federführung der Hein, Lehmann AG gebaute Theodor-Heuss-Brücke in Düs­ seldorf. Es folgten die Severinsbrücke in Köln (1959, 302 m), die Norderelbe-Brücke in Hamburg (1963, 172 m), die Rheinbrücke in Leverkusen (1965, 280 m), die Rheinbrücke in Maxau (1966, 175 m), die Rheinkniebrücke in Düsseldorf (1969, 319 m) und die Rheinbrücke in Duisburg (1970, 350 m). Die gemeinsamen Merkmale der genannten ersten Schrägkabelbrücken in Deutschland sind die Ausführungen sowohl der Pylone als auch der Träger als Stahlkonstruktionen, die Anwendung der orthotropen Platte als Stahlleichtfahrbahn und die Anordnung der wenigen dicken vollverschlossenen Kabel mit großen Abständen. Nach dieser Bauweise wurden unter anderem auch die Onomichi Brücke in Hiroshima, Japan (1968, 215 m), die Erskin Brücke in Glasgow, England (1971, 305 m), die Donaubrücke in Bratislava, CSSR (1972, 303 m) und die Donaubrücke in Linz, ­Österreich (1972, 215 m) gebaut. Die für den Bau moderner Schrägkabelbrücken als einer der Marksteine zu nennende Theodor-Heuss-Brücke in Düsseldorf (Bild 1.4-59) mit 15 m Fahrbahnbreite ist zwischen den Geländern 26,6 m breit und zur Längsachse symmetrisch. Sie hat zwei kastenförmige 1,6 m breite Hauptträger mit konstanter Konstruktionshöhe von 3,4 m, in denen die jeweils drei zueinander parallelen Schrägkabel zur Aufhängung der

Bild 1.4-59   Theodor-Heuss-Brücke in Düsseldorf

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Träger über in den Kästen angeordnete Querschotte verankert sind. Die Pylone sind mit dem Streckträger biegesteif verbunden und bilden jeweils mit Querscheiben in und zwischen den Kastenträgern einen nach oben offenen Halbrahmen. Die Brücke ist an einem Pylon horizontal unverschieblich, am anderen Pylon auf zwei Linienkipplagern verschieblich gelagert. Am Pylon sind das untere und das obere der drei Kabel längsbeweglich auf dreh­ baren Sektorlagern aufgelagert, während das mittlere Kabel mit dem Pylonsattellager fest verbunden ist [Lange et al., 1974]. Danach wurden in verschiedenen Ländern viele Schrägkabelbrücken mit Harfenanordnung gebaut, unabhängig davon, ob es sich um in der Stahl-, Spannbeton- oder Verbundbauweise errichtete Brücken handelt. Darunter ist auch die sogenannte Düsseldorfer Brückenfamilie (Bild 1.4-60), die aus den drei innerstädtischen Rheinbrücken besteht, die 1952 gleichzeitig vom Brückenund Tunnelbauamt der Stadt ­Düsseldorf unter Leitung von Oberbaudirektor Erwin Beyer unter Beteiligung des Architekten Prof. Dr. h. c. Friedrich Tamms als Schräg­ kabelbrücke in Harfenform geplant wurden. Es sind die bereits genannte Theodor-HeussBrücke mit 260 m Hauptspannweite, die Ober­kasseler Brücke mit 258 m Hauptspann­ weite und die Rheinkniebrücke mit 319 m Hauptspannweite. Obwohl das Konzept der Brücken­familie mit einander angeglichenen Kabelneigungen einheitlich ist, unterscheiden sich die drei Brücken konstruktiv doch signifikant [Lange et al., 1974]: • Theodor-Heuss-Brücke: zwei 43 m hohe Pylonenpaare (Pylonenhöhenangaben jeweils über dem Pfeiler) mit je drei parallelen Kabelpaaren, in Längsrichtung symmetrisch nach beiden Seiten, Streckträger als zweistegiger Plattenbalken mit ca. 3,4 m hohen Kastenträgern als Stege und orthotroper Fahrbahnplatte • Oberkasseler Brücke: ein 103 m hoher Pylon mit je vier parallelen Kabeln, in

Längsrichtung unsymmetrisch nach beiden Seiten, Streckträger mit 3,15 hohem Hohlquerschnitt mit dem Obergurt als orthotroper Fahrbahnplatte • Rheinkniebrücke: ein100 m hohes Py­ lonen­paar mit je vier parallelen Kabel­ ­pa­aren, in Längsrichtung leicht un­ symmetrisch, Streckträger als zwei­ stegiger Plattenbalken mit ca. 3 m Steghöhe und orthotroper Fahrbahnplatte Auf die besonders interessante Oberkasseler Brücke wird in den Abschnitten 5.5.5.1.3 und 9.2.5 eingegangen. Mit dem Bau der von vielen Kabeln gestützten Friedrich-Ebert-Brücke über den Rhein in Bonn (1967, 280 m) wurde die bahnbrechende Anordnung der Kabel als Vielkabelsystem (Bilder 1.4-61 und -62) verwirklicht. Die Kabel sind fächerartig (Definition nach Feige, s. Bild 5.2.1-34) angeordnet. Als Vielkabelysteme wurden auch die beiden kurz danach gebauten Rheinbrücken in Rees-Kalkar (1967, 255 m) und in Ludwigshafen (1968, 140 m) errichtet. Der Schritt von den zuvor gebauten Zwei- und Dreikabelsystemen zum Vielkabelsystem, die Friedrich-Ebert-Brücke ist ein 20-Kabel­ system, wäre kaum möglich gewesen, wenn nicht inzwischen leistungsfähige elektronische Datenverarbeitungsanlagen zur Berechnung zur Verfügung gestanden hätten. Beim Bau der George-Street-Brücke in Newport, England (1964, 152 m) wurde eine Kombination von Spannbeton- und Stahl­ träger und Beton-Pylon erfolgreich ­erprobt. Diese Bauweise wurde unter an­derem bei der Rheinbrücke zwischen ­Mann­heim und Ludwigshafen (1971, 287 m), der Rhein­ brücke Düsseldorf-Flehe (1979, 368 m), der Askeröfjord-Brücke in Göteborg, Schweden (1980, 366 m), der Normandie-Brücke in Frankreich (1995, 856 m), der Tatara-Brücke in Hiroshima, Japan (1999, 890 m) und der Shantou-Dangshi-Brücke in China (1999, 518 m) angewendet. Die Pylone dieser Brücken, mit Ausnahmen der Rhein­

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

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Bild 1.4-60   Düsseldorfer Brückenfamilie (Bild von der Stadt Düsseldorf zur Verfügung gestellt)

Bild 1.4-61   Friedrich-Ebert-Brücke in Bonn

Bild  1.4-62   Linksrheinischer Pylon mit Schrägkabeln der Friedrich-Ebert-Brücke in Bonn

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.4-63   Schräg­ kabelbrücke der Farbwerke Hoechst in Frankfurt (Bild: DYWIDAG-Archiv)

brücke Mannheim-Ludwigshafen und der Tatara Brücke sind aus Beton. Obwohl beim Bau der oben genannten Rheinbrücke in Mannheim-Ludwigshafen statt vollverschlossener Seile Paralleldrahtbündel mit plastischem Wrapping zur Ausführung kamen, blieb in Deutschland diese Kabelbauweise eher eine Ausnahme. Dagegen wurden in Japan nach der Fertigstellung der Toyosato-Brücke in Osaka (1970, 216 m) Paralleldrahtbündel zur Standardkabelbauweise, zuerst vom plastischen Wrapping und später vom Umhüllungsrohr aus Polyäthylen (PE) umgeben. Zur Zeit findet auch in an­deren Ländern diese Kabelbauweise mit PE Schutzrohren viele Anwendungsbeispiele. 1962 wurde von R. Morandi eine Spannbetonschrägkabelbrücke über den Maracaibo See in Venezuela (s. Bild 5.2.1-36), deren größte Spannweite 235 m beträgt, errichtet. Von ihm wurden weitere Spannbetonschrägkabelbrücken entworfen, z. B. die Polcevera-Brücke in Genua, Italien (1966, 208 m) und die Wadi el Kuf Brücke in El Beida in Libyen (1971, 202 m, s. Bild 5.2.1-37). Neben diesen Brücken von ­Morandi existieren viele andere Spannbetonschrägkabelbrücken. Nur einige davon seien genannt: die Magliana-Brücke in

Rom, Italien (1967, 145 m), die Mainbrücke der Farbwerke Hoechst in Frankfurt [Schambeck, 1973] (1972, 148 m, Bilder 1.4-63 und -64, s. auch Bild 5.2.1-39), die Tielse-Brücke in Tiel, Niederlande (1975, 267 m, s. Bild 5.2.1-38), die BrotonneBrü­cke in Le Havre, Frankreich (1977, 320 m), die Pasco-Kennewick-Brücke in Amerika (1978, 299 m), die von Menn entworfene Ganter­brücke bei Brig, Schweiz (1980, 174 m, Bild 1.4-65), die Barrios de Luna Brücke in Leon, Spanien (1984, 440 m), die Parana-Brücke in Posadas-Encarnacion, Argen­tinien-Paraguay (1984, 330 m), die Skarn­sun­det-Brücke in Norwe-

Bild 1.4-64   Pylonkopf der Schrägkabelbrücke der Farbwerke Hoechst in Frankfurt (Bild: Dywi­ dag-Archiv)

1.4  Brücken von der Renaissance bis zur Gegenwart

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Bild 1.4-65   Ganterbrücke bei Brig, Schweiz

gen (1991, 530 m) und die ChangjiangBrücke in Chongging, China (1996, 444 m). In Japan gibt es ebenfalls zahlreiche Spannbetonschrägkabel­brücken. Die Kombination der Baustoffe Stahl und Beton mit der wirtschaftlichen Aufnahme von Druckbeanspruchungen durch den Beton zur Verbundbauweise bietet ideale Vorteile dieser Bauweise für Schrägkabelbrücken. Es ist erstaunlich, dass, obwohl die Verbundbauweise schon unter anderem beim Bau der Büchenauer Brücke in Bruchsal, Deutschland (1956, 56 m), der Sitka- Hafenbrücke in Alaska, Amerika (1972, 137 m) und der Yamato Brücke in Osaka, Japan (1974, 83 m), angewendet worden war, erst 1986 eine große Brücke in dieser Bauweise mit dem Bau der AlexFraser-Brücke in Vancouver, Kanada, mit 465 m Spannweite gebaut, wurde. Die Pylone der Brücke bestehen aus Beton. In der Folgezeit breitete sich diese Bauweise sehr rasch in verschiedenen Ländern außer in Japan aus. Im Folgenden werden nur einige Brücken genannt: die Zweite Hooghly-Brücke in Kalkutta, Indien (im Jahr 1992, 457 m Spannweite), die Mezcala-Brücke in Mexiko (1993, 312 m), die Yangpu-Brücke in Shanghai, China (1993, 602 m), die Fred Hartman Brücke bei Baytown, America

(1995, 381 m), die Zweite Severn-Brücke in England (1996, 456 m), die Tingkau-Brücke in Hongkong, China (1998, 475 m), die Seohae-Brücke in Korea (2000, 470 m), die zweite Changjiang-Brücke in Nanjing, China (2001, 628 m). In den letzten Jahren wurden in China viele große Schrägkabelbrücken gebaut, insgesamt etwa 16 Schrägkabelbrücken mit Spannweiten über 500 m. Die größte Schrägkabel­brücke in China ist die SutongBrücke über den Changjiang in der Provinz Jiangsu (Bilder 1.4-66 und -67). Die Spannweite der Mittelöffnung beträgt 1088 m. Sie ist damit vor der Tatara-Brücke in Japan mit der Spannweite der Mittelöffnung von 890  m, der bis dahin größten Spannweite einer Schrägkabelbrücke, die Schrägkabel-

Bild 1.4-66   Sutong-Brücke, Seeansicht

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

1.5  Aktuelle Entwicklungen, Bemerkungen zur Gestaltung von Brücken und zu besonderen Bedeutungen 1.5.1  Aktuelle Entwicklungen

Bild 1.4-67   Sutong-Brücke, Pylone

brücke mit der größten Spannweite auf der Erde. Erwähnenswert ist, dass Pfähle für die Pylone teilweise 120 m tief eingeschlagen werden mussten. Zur Abrundung wird auf den Abschnitt 3.8 verwiesen, in dem unter • 3.8.1 von Christian Menn die Sunnibergbrücke in der Schweiz, • 3.8.7 von Jacques Mathivat der Le Pont de Brotonne in Frankreich, • 3.8.8 von Alfred Pauser die Donaukanalbrücke in Wien in Österreich, • 3.8.10 von Michel Virlogeux die Normandiebrücke in Frankreich, • 3.8.12 von Herbert Schambeck die Schrägseilbrücke Dubrovnik in Kroatien, von den Entwurfsverfassern moderne Schrägkabelbrücken vorgestellt und erläutert werden.

Vor allem in den letzten Jahrzehnten wurde die Leistungsfähigkeit der Baustoffe des Konstruktiven Ingenieurbaus zunehmend verbessert. Darunter zählen besonders auch die Entwicklungen in der Betontechnologie für den Betonbau. Ab 1998 wurden, nachdem zuvor bereits im Ausland, z. B. in Japan, Dänemark, Norwegen und Frankreich, einige Brücken aus Hochleistungsbeton gebaut wurden [König/Grimm, 2000], auch in Deutschland die ersten Brücken aus diesem Baustoff ausgeführt [Bernhardt et al., 1999], [Zilch et al., 2002], [König et al., 2002], s. auch Abschnitt 5.1. Als Hochleistungsbetone (High Performance Concrete, HPC) werden heute Betone der Festigkeitsklassen C55/67 bis C100/115 bezeichnet. Hochleistungsbeton hat eine dem Normalbeton vergleichbare Dichte. Die im Vergleich zum Normalbeton geringfügig höheren Dichten (etwa 5 bis 10% des Zementgewichts), die in der Baupraxis vernach­lässigbar sind, und höheren Festigkeiten werden vor allem durch ein verbessertes Matrixgefüge (Beigabe puzzolanischer Zusatzstoffe – Microsilika, Steinkohleflug­asche – und eine höhere Dichte infolge des geringen Wasserzementwerts) und gute Verbundwirkung in den Kontaktzonen zwischen der Matrix und den groben Körnern des Betonzuschlags erreicht. Dies führt nicht nur zu höheren Festig­keiten im Vergleich zu Normal­ betonen (Festigkeitsklassen bis C50/60), sondern bewirkt auch eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse und damit auch eine höhere Dauerhaftigkeit [Grübl et al., 2001]. Zu beachten sind die zeitabhängigen Verformungen des Hochleistungsbetons im Vergleich zum Normal-

1.5  Aktuelle 1.5  Bemerkungen Entwicklungen, zur Gestaltung Bemerkungen vonzur Brücken GestaltungvonBrückenundzubesonderenBedeutungen

beton. Die Kriechverformungen nehmen mit zunehmender Festigkeit ab, ihr Endwert wird nach kürzerer Zeit erreicht. Der chemische Schwindanteil ist beim Hochleistungsbeton bedeutend, er ist im Vergleich zum Normalbeton deutlich größer. Das Austrocknungsschwinden ist dagegen geringer als beim Normalbeton. In der Regel ergeben sich beim vorgespannten Hoch­ leistungsbeton gegenüber dem Normalbeton geringere zeitabhängige Spannkraftverluste [Taferner et al., 2009, Abschnitt 4.1], weil die Einflüsse des Kriechens des Betons und des Austrocknungsschwindens dominieren. An­dererseits ist der Abbau von Zwangsein­wirkungen und der Zwänge aus Setzungen geringer als bei der Verwendung von Normalbeton. Besonders ist zu beachten, dass der hohe chemische Schwindanteil während der Erhärtung des Betons entsteht und deshalb unbedingt mit den Beanspruchungen aus den Einflüssen aus dem Abfließen der Hydratationswärme überlagert werden muss. Dies ist besonders an Betonierfugen zu beachten. In den letzten Jahren wurden Betone mit noch deutlich höheren Festigkeiten entwickelt, deren Druckfestigkeiten 200 N/mm2, ja sogar unter Laborbedingungen bis zu 800 N/mm2 erreichen können. Sie werden Ultra Hochfester Beton (UHFB) oder Ultra High Performance Concrete (UHPC) genannt. Über erste Entwicklungen wurde aus Frankreich berichtet. Dann wurden einige Brücken im Ausland, z. B. in Kanada, Südkorea und in den USA gebaut [Müller/ Reinhardt, 2009, Abschnitt 12.5]. Ultra Hochfester Beton ist ein besonders gefügedichter Beton. Die verwendeten größten Korngrößen des Betonzuschlags betragen 16 mm oder weniger. Der Stand der derzeitigen Betontechnologie ermög­ licht es, zielsicher Betondruckfestigkeiten bis zu etwa 200 N/mm2 und etwas darüber herzustellen [Schmidt, 2003], [Schmidt/ Fehling, 2007-2]. Die Druckfestigkeit ist also fast so hoch wie die von Stahl.

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Die hohe Leistungsfähigkeit beruht vor allem auf dem niedrigen Wasser-Zementwert, der etwa bei 0,2 liegt, einem hohen Feststoffgehalt (Zugabe geeigneter mineralischer Zusatzstoffe), einer hohen Packungsdichte sowohl im Zementstein als auch des Grobkorns der Betonzuschlagsstoffe mit einem niedrigen Wasserbedarf des Frischbetons mit der daraus folgenden sehr niedrigen Porosität des Festbetons und der Verwendung von Stahl- und anderen Fasern [Schmidt, 2003]. In Deutschland wurde 2005 als Ersatz für einen korrodierten Fußgängersteg aus Stahl, der der Anbindung eines Sportplatzes und eines Schwimmbads in Niestetal bei Kassel diente, als Pilotprojekt die erste Fußgänger- und Radwegbrücke als in Längsrichtung vorgespannte Fertigteilbrücke aus faserbewehrtem Ultra Hochfestem Beton (UHFB) gebaut. Außer der Vorspannbewehrung enthält die Brücke ausschließlich im Einleitungsbereich der Vorspannkräfte in den Beton Bewehrung aus Betonstahl. Die Spannweite beträgt etwa 12 m, die Breite 3 m. Die Brücke wurde im Fertigteilwerk in einem Stück hergestellt, das Gewicht betrug etwa 12 t, und auf einem Tieflader zur Einbaustelle transportiert. In Niestetal wurden bis 2005 insgesamt vier Fußgängerund Radwegbrücken, eine davon aus bewehrten Fertigteilplatten auf einer Stahlkonstruktion, aus UHFB gebaut [Schmidt et al., 2006]. Beim Bau der Brücken erwies sich, dass sie trotz der Einholung erforderlicher Zustimmungen im Einzelfall kostengünstiger waren als in herkömmlicher Bauweise. Danach wurde die erste größere Brücke aus UHFB in Deutschland gebaut, die 2007 fertiggestellte Gärtnerplatzbrücke in Kassel, eine Fußgänger- und Radwegbrücke als Durchlaufträger über sechs Felder mit einer Gesamtlänge von 133 m. Die Spannweiten der sechs Felder betragen 19,2 m – 24,0 m – 21,0 m – 36,0 m – 21,0 m – 12,0 m. Die Brücke sollte eine anlässlich der Bundes-

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

gartenschau 1981 in Kassel gebaute Holzbrücke ersetzen. Die Holzbrücke war nicht mehr gebrauchstauglich und standsicher, u. a. war ein Längsträger durch Pilzbefall sehr geschädigt. Sie musste abgebrochen werden. Die Fundamente und Pfeiler der Holzbrücke sollten für die neue Gärtnerplatzbrücke verwendet werden, woraus sich für die neue Brücke die vorgenannten Spannweiten ergaben. Nach bereits 10 Jahren intensiver Forschung auf dem Gebiet des Ultra Hochfesten Betons an der Universität Kassel [Schmidt/Fehling, 2007-1] und mit den guten Erfahrungen mit den oben beschriebenen kleineren Brücken aus UHFB entwarf das Ingenieurbüro IBB Fehling und Jungmann die Brücke [Fehling et al., 2007]. Sie ist zwar als Fußgänger- und Radwegbrücke bemessen, aber sie soll auch das Befahren eines Rettungs- oder Wartungsfahrzeuges mit 6 t Gesamtgewicht gewährleis­ ten. Lasten aus Eisgang und Schiffsstoß wurden bei der Bemessung berücksichtigt. Die bestehenden Pfeiler stehen schiefwinklig zur Achse der Brücke, weshalb sich das gewählte Dreigurtfachwerk anbot, was zu einer übersichtlichen Ansicht führte (Bild 1.5-1). Im Bereich des Flusses ist die Gradiente in der Vertikalebene gekrümmt. Der Untergurt und die Diagonalen des im Querschnitt dreiecksförmigen Längsträgers bestehen aus Stahlrohren, während die Obergurte aus im Spannbett vorgespannten UHFB-Fertigteilen bestehen. Die 8 cm bis 12  cm dicken, in Querrichtung vorgespannten Fertigteilplatten mit Abmessungen im Grundriss von 2 m × 5 m werden mit den Obergurten verklebt. Die Verklebung wurde gewählt, weil die kleinen Querschnittsabmessungen sowohl der Obergurte als auch der Fertigteilplatten die Verwendung mechanischer Verbindungsmittel kaum zuließen. Für den Endzustand ist je Obergurt ein über die gesamte Brücken­ länge durchgehendes Spannglied mit Litzenspanngliedern von jeweils 2  MN Vor-

Bild 1.5-1   Gärtnerplatzbrücke in Kassel

spannkraft angeordnet, wodurch auch die aufgeklebten Platten in Längsrichtung vorgespannt werden. Die Vorspannung ist so gewählt, dass sowohl im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit als auch im Grenzzustand der Tragfähigkeit die Obergurte überdrückt sind. Die Gärtnerplatzbrücke, ein anspruchsvolles Pilotprojekt des Brückenbaus, wird durch eine kontinuierliche Dauerüberwachung, auch Monitoring genannt, beaufsichtigt. Ziel der Dauerüberwachung ist es, die für die Bemessung der Konstruktion getroffenen Annahmen zum Verhalten der Baustoffe, der Konstruktion und der Verbindungsmittel an der fertigen Brücke unter realen Bedingungen in der Praxis hinsichtlich ihrer Gültigkeit zu überprüfen und strukturelle Veränderungen im Laufe der Zeit festzustellen. Es werden lokale Verzerrungen, die Relativverschiebungen zwischen den Platten und den Obergurten überwacht. Parallel sind die jeweils herrschende Temperatur und die Feuchte zu erfassen. Die kontinuierliche Dauerüberwachung, die über eine experimentelle Modalanalyse erfolgt, beginnt mit der Überprüfung der Entwurfsannahmen zur Validierung eines strukturdynamischen Finite Element Rechenmodells, das dann als Anfangsmodell für die nachfolgenden Modelle dient [Fröhlich et al., 2009]. Dazu gehören neben den gemessenen Schwingungs-

1.5  Aktuelle 1.5  Bemerkungen Entwicklungen, zur Gestaltung Bemerkungen vonzur Brücken GestaltungvonBrückenundzubesonderenBedeutungen

daten auch die bei quasi statischer Überfahrt eines Belastungsfahrzeugs gemessenen Einflusslinien für die Neigungen der Brücke. Im Abschnitt 11.7 wird auf die kontinuierliche Dauerüberwachung im Allgemeinen eingegangen, worauf hier verwiesen wird. 1.5.2  Bemerkungen zur Gestaltung von Brücken Bereits im Abschnitt 1.1 wurde ausgeführt, dass Brücken häufig an markanten Stellen unserer Städte und Verkehrswege stehen. Es ist wichtig die Brücken nachhaltig zu bauen. Darunter verstehen wir nicht nur die optimierten Baukosten bezogen auf die Lebenszeit der Brücke, sondern auch ihre Bedeutung für das Wohlempfinden der Menschen. Der Ingenieur muss sich stets seiner Verantwortung bei der Gestaltung und der harmonischen Einfügung der Brücken in ihre Umgebung, sei es in der Stadt oder in der Landschaft, und ihre Wirkung auf die Menschen bewusst sein. Manchmal sind die Differenzkosten einer gut gestalteten Brücke zu den Kosten einer sogenannten billigen Lösung gering. Dann sollte stets die Entscheidung getroffen werden, die gut gestaltete Brücke zu bauen. Damit keine Missverständnisse aufkommen, es ist nicht gemeint, dass eine schöne Brücke nicht preiswert ist. Im Gegenteil, eine wohl gestaltete Brücke benötigt kein dekoratives Beiwerk. Nur was für das Bauwerk erforderlich ist, soll die Brücke haben. Dabei sind klare Formen, die den Kraftfluss erkennen lassen besonders wichtig. Nur so wird Ingenieurbaukunst erreicht. Robert Maillart hat uns mit seinen Brücken gezeigt, dass gerade sparsames Bauen zu guten Lösungen führen kann. Ihm als Vorbild nachzueifern ist eine dankbare Aufgabe für jeden Ingenieur. Die im Abschnitt 3.8 enthaltenen Brücken sind durchweg Beispiele,

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die den Entwurfsingenieuren als Vorbilder dienen können. In manchen Fällen ist es ratsam bei der Gestaltung Architekten zuzuziehen. Dabei muss aber klar sein, dass ein guter Entwurf nur in echter Zusammenarbeit im Dialog, und das von Anfang an, entstehen wird. An den im Abschnitt 1.4 gezeigten Brücken haben an einigen Architekten mit den entwerfenden In­ge­ nieuren zusammengearbeitet. An den Brücken der Düsseldorfer Brückenfamilie (Bild 1.4-60) war dies Friedrich Tamms, bei den Rheinbrücken in Worms und bei Bendorf ist Gerd Lohmer zu nennen. Auf den folgenden Abschnitt 1.6 wird verwiesen. Beispielhaft seien hier subjektiv ausgewählte, wie wir meinen, gut gestaltete Brücken gezeigt. Zunächst ist die 1960 bis 1962 nach dem Entwurf des Bauingenieurs Hermann Bay und des Architekten Wilhelm Tiedje von den Firmen Wayss & Freitag und Karl Kübler gebaute Glemstalbrücke in Schwieberdingen, Bild 1.5-2, als ausgesprochenes Kunstwerk des Ingenieurbaus erwähnenswert. Die Brücke besteht aus einem über 114 m gespannten, kastenförmigen Betonbogen und dem darüber befindlichen durchlaufenden Beton-Kastenträger, der im Scheitelbereich des Bogens durch diesen

Bild 1.5-2   Glemstalbrücke in Schwieberdingen

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

und durch schlanke Pendelstützen gestützt wird. Der Bogen und der Kastenträger durchdringen sich im mittleren Drittel der Bogenbrücke. Der Bogen wird deshalb durch den Kastenträger nur in diesem Bereich belastet. Die Bogenform folgt entsprechend der vertikalen Belastung (im mittleren Drittel aus dem Kastenträger und der Eigenlast des Bogens, im äußeren Drittel nur aus der Eigenlast des Bogens) etwa der Stützlinie unter Eigenlast, die sich etwas an ein Sprengwerk angenähert ergibt. Von der Brückenmitte aus stehen die beiden ersten Pfeiler auf den Kämpferfundamenten. Der Bogen spreizt sich zur Erhöhung der Quersteifigkeit zu den Kämpfern hin auf. In Längsrichtung hat der Kastenträger seinen Festpunkt am Bogenscheitel, und der Kas­ tenträger läuft fugenlos zu den Widerlagern durch, wo die Horizontalverschiebungen aus den Temperaturausdehnungen gewährleistet sind. Die den Kastenträger in den Hangbereichen unterstützenden schlanken Pendelstützen folgen fast zwängungsfrei den Bewegungen des Kastenträgers. In Längs- und Querrichtung wirkt der Bogen wie ein Rahmen, dessen Schwerachsen weitgehend der Stützlinie unter Eigenlast folgen. Beim Zusammenschluss der Bogenfüße und dem Anschluss an den Überbau sind Querscheiben im Bogen eingebaut. Sie gewährleisten, dass die Quer-

schnittsform erhalten bleibt und unterstützen die wechselseitige Überleitung der Schnittgrößen zwischen Bogen und Kasten­träger. Eine gestalterisch sehr interessante Brücke ist die von Schlaich, Bergermann und Partner entworfene Fußgängerbrücke Pragsattel II in Stuttgart, Bild 1.5-3. Die 30 cm dicke, oder soll man besser dünne sagen, stark geneigte, durchlaufende Betonplatte lagert auf verzweigten Stahlrohren aus vertikalen Stützen, die sich im oberen Bereich baumartig in vier Äste teilen. Sie werden deshalb als Baumstützen bezeichnet. Trotz vieler Stützen wird der Durchblick kaum beeinträchtigt. Alle Teile sind an der Lastabtragung beteiligt, auf kein Teil kann verzichtet werden, keins ist dekorativ. Die Brücke erfüllt damit das stets anzustrebende Ziel, dass nichts hinzu gefügt werden soll, was nicht notwendig ist. Die Knoten- und Anschlusspunkte an die Betonplatte und die Fundamente sind Gussteile. Die Brücke ist filigran und wirkt fast als würde sie schweben. Durch die knallig rote Farbe wirkt die Brücke zudem eigenständig und hebt sich deutlich von der Umgebung ab ohne störend zu wirken. 1966/1967 wurde die Gehwegbrücke über die Einfahrt des Schiersteiner Rheinhafens in Wiesbaden nach einem Entwurf von Finsterwalder mit architektonischer

Bild 1.5-3   Fußgängerbrücke Pragsattel II in Stuttgart (Bild von Schlaich, Bergermann und Partner)

1.5  Aktuelle 1.5  Bemerkungen Entwicklungen, zur Gestaltung Bemerkungen vonzur Brücken GestaltungvonBrückenundzubesonderenBedeutungen

Beratung von Gerd Lohmer und der technischen Bearbeitung von Rudolf Ohlig und Klaus Alsen von Dyckerhoff & Widmann gebaut. Die vorgespannte Zweigelenk-Bogenbrücke aus Leichtbeton unter Verwendung von Weißzement mit einer Spannweite von 96,4 m und einer Pfeilhöhe von 12 m ist eine sehr elegante Brücke (Bild 1.5-4). Im Scheitelbereich ist der Bogen so schlank, dass er sich fast wie ein Dreigelenkbogen verhält. Der 1,5 m hohe T-Querschnitt im Scheitel hat eine 3 m breite Platte mit einem 1,5 m breiten Steg. Zur Abtragung der Windkräfte verändert sich der Querschnitt des Bogens, indem sich im Steg seitlich ein unterer Flansch ausbildet, dessen Breite auf 3 m am Kämpfer anwächst. Als Brückenabgänge sind Rampen als Dreiecke ausgebildet, die rucksackartig an den Bogen gehängt sind und als Gegengewichte und Zugglieder zur Reduzierung des Horizontalschubs wirken. Die Rampen und der Teil des Bogens vom Kämpfer bis zum Abschluss des Bogen-Rampen-Dreiecks wurden auf einem Lehrgerüst mit Hilfsjochen jeweils in 10 m Entfernung von den Kämpfern hergestellt. Um den Schiffsverkehr während des gesamten Bauvorgang aufrecht zu erhalten, erfolgte der Bau des Mittelbereichs des Bo-

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gens im Bauzustand als Kragträger im freien Vorbau. Die Bogenwirkung stellte sich mit dem Schließen des Scheitels und der Absenkung der Hilfsjoche ein. Wegen der Höhenverhältnisse der Straßen am Donaukanal in Wien im Bereich der Rossauer Brücke war die Konstruk­ tionshöhe der über 54,4 m gespannten, schräg gestützten Rossauer Brücke extrem begrenzt, dass nur eine vorgespannte Beton-Platten/Plattenbalken-Konstruktion mit einer spinnenartigen Stützung alle vorgegebenen Randbedingungen, die auch die Unterbringung der offen zu führenden Versorgungsleitungen beinhaltete, erfüllte. Die von Alfred Pauser entworfene und den Firmen Universale und Porr gebaute sehr schlanke 1,3 m dicke Platten/PlattenbalkenKonstruktion der Rossauer Brücke, Bild 1.5-5, wirkt durch die biegesteifen Verbindungen mit der in vier Streben aufgelösten Stützungskonstruktion rahmenartig zusammen. In den Randfeldern und über die Stützkonstruktionen hinaus zum Innenfeld besteht der Überbau aus einer Vollplatte, die in der Längsachse zur Unterbringung der Versorgungsleitungen unten streifenförmig ausgespart und in den Bereichen der Stützungen in Querrichtung vorgespannt

Bild 1.5-4   Brücke über die Ausfahrt aus dem Schiersteiner Rheinhafen in Wiesbaden

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.5-5   Stützkonstruktion der Rossauerbrücke über den Donaukanal in Wien (Bild von Prof. Dr. techn. Alfred Pauser)

ist. Der mittlere Bereich des Innenfelds wurde unter Verwendung von acht vorgefertigten Spannbetonträgern, zur Reduzierung der Eigenlast mit Hohlquerschnitten, und einer Ortbetonplatte, die biege- und schubfest mit den Fertigteilträgern, der Vollplatte und über diese mit der Stützkonstruktion verbunden ist, hergestellt. Die Rahmenwirkung der zusammengesetzten Konstruktion wird durch die ortspezifisch notwendige Schrägstellung der spinnenartigen Stützung verstärkt, was sich günstig auf die Verkleinerung der Feld-Biegemomente auswirkt. Auch die als Folge der ungünstigen Stützweitenverhältnisse entstehenden abhebenden Auflagerkräfte an den Brückenenden werden durch die Rahmenwirkung abgemindert. Die ortspezifisch bedingte aufgelöste, interessante Stützung und das konsequent entwickelte Tragwerk der Brücke beeindruckt die auf dem Vorkai flanierenden Menschen mit dem Blick auf die Untersicht der Brücke, was in der Dunkelheit durch eine Effektbeleuchtung verstärkt wird. Das sparsamste Bauen wird erreicht, wenn man die Lasten durch Konstruktionen abträgt, die nur durch Längskräfte beansprucht werden. Dies erreicht man dadurch, dass z. B. für die Konstruktion ein

Bogen oder ein Seil gewählt wird. Bei entsprechender Form des Bogens wird dieser hauptsächlich auf Druck beansprucht. Beim Seil erhält man anstatt der Druckeine Zugbeanspruchung. Hängekonstruk­ tionen haben noch den weiteren Vorteil, dass sich unter zunehmender Belastung wegen der Formänderungen des Systems die Biegebeanspruchung vermindert. Die größten Spannweiten wurden bisher mit etwa 2000 m Spannweite bei Hängebrücken erreicht, s. o. Fallen die bei Hängebrücken wesentlichsten Konstruktionsteile – die Tragkabel und der Versteifungsträger – zusammen, erhält man das auf einer Idee von Ulrich Finsterwalder beruhende und von ihm so genannte Spannband als System des Betonbrückenbaus. Finsterwalder schlug erstmalig 1958 anlässlich des Brückenwettbewerbs der Brücke in Istanbul über den Bosporus den Bau einer Spannbandbrücke mit freier Spannbandlänge von 190 m vor; sie wurde nicht nach Finsterwalders Vorschlag gebaut. Das System der vorgeschlagenen Brücke ist im Bild 1.5-6 dargestellt. Ein zweiter Entwurf Finsterwalders aus dem Jahr 1961 für den Bau der Zoobrücke in Köln mit 166 m freier Spannbandlänge wurde ebenfalls nicht ausgeführt.

1.5  Aktuelle 1.5  Bemerkungen Entwicklungen, zur Gestaltung Bemerkungen vonzur Brücken GestaltungvonBrückenundzubesonderenBedeutungen

Die ersten Spannbandbrücken wurden später in der Schweiz und in Japan gebaut. Erst 1969/1970 wurde in Freiburg/Breisgau ein Entwurf Finsterwalders realisiert. Das System dieser Brücke ist aus dem Bild 1.5-7 ersichtlich. Die Bilder 1.5-8 und -9 zeigen die Eleganz der Freiburger Spannbandbrü-

cke. Insbesondere aus dem Bild 1.5-9 ist die schöne Einbindung mit dem Übergang in das Freizeitgelände gut zu sehen. Im Abschnitt 5.7 wird ausführlich auf Spannbandbrücken eingegangen. Im Zuge der Ostumfahrung StuttgartVaihingens befindet sich direkt zwischen

Bild 1.5-6   Finsterwalders Vorschlag für den Bau der Bosporus-Brücke als Spannband

Bild 1.5-7   System der Spannbandbrücke in Freiburg (Bild: Dywidag-Archiv)

Bild 1.5-8   Spannbandbrücke in Freiburg

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.5-9   Spannbandbrücke im Freiburg, Blick vom Turm des Münsters

zwei Tunneln die 151 m lange, horizontal gekrümmte Nesenbachtalbrücke mit Spannweiten zwischen 8,25 m und 49,5 m. Die Betonfahrbahnplatte wird von einem Raum­ fachwerk aus Stahlrohren aus baum­artig gespreizten Stützen, mit dem sie monolithisch zu einem Verbundtragwerk verbunden ist, gestützt, Bilder 1.5-10 und -11. Die Rohrknoten sind aus Stahlguss. Der Tunnelquerschnitt wird oben optisch durch ­einen über der Fahrbahn und unterhalb des Gehund Radwegs über die ganze Brücke dem Lärmschutz dienenden durchgehenden ­Deckel weitergeführt. Wegen der Lage des Geh- und Radwegs über der Fahrbahn mit dem Lärmschutzdeckel müssen die Fußgänger und Radfahrer nicht unnötig größere Höhenunterschiede überwinden und Gehund Radweg sind frei von Lärm, Abgasen und Spritzwasser. Seitlich überspannen Stahlrohrbogen die Fahrbahn. Die Stahlrohrbogen tragen Lärmschutz­lamellen, die je nach der Bebauung hang- oder talseitig angeordnet sind. Weil die Brücke monolithisch fugenlos und ohne Lager, auch mit

den anschließenden Tunneln fest verbunden, ausgeführt wurde, wurde die üblicherweise störendste Lärmquelle der Fahrbahnübergänge ganz ausgeschaltet. Die Rezeptur des Betons der Fahrbahnplatte und die Bewehrung wurden optimiert, damit die auftretenden Rissbreiten auf 0,3 mm begrenzt werden. Die Brücke wurde 1997/1999 nach einem Entwurf von Schlaich, Bergermann und Partner von den Firmen Wolff & Müller, Stuttgart und Stahlbau Illingen gebaut. 1.5.3  Brücken mit besonderer Bedeutung Brücken haben in der Vergangenheit mitunter schicksalhafte und symbolische Bedeutung gehabt. Auf die historische Bedeutung des Ponte Mulvius wurde bereits im Abschnitt 1.2.2 hingewiesen. Als am 1. September 1939 Deutschland Polen überfiel und damit den 2. Weltkrieg auslöste, wurden wesentliche Teile der ­Alten Weichselbrücke bei Dirschau (s. Abschnitt 1.4-3) und auch der späteren da­

1.5  Aktuelle 1.5  Bemerkungen Entwicklungen, zur Gestaltung Bemerkungen vonzur Brücken GestaltungvonBrückenundzubesonderenBedeutungen

Bild 1.5-10   Nesenbachtalbrücke, Schnitt (Bild nach [Bögle et al., 2003])

Bild 1.5-11   Nesenbachtalbrücke, Bild von Schlaich, Bergermann und Partner

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.5-12    Beleuchtete Nesenbachtalbrücke in der Dunkelheit, Bild von Schlaich, Bergermann und Partner

neben gebauten zweiten Brücke als Verteidigungsmaßnahme von der polnischen Armee gesprengt. Von der Alten Weichsel­ brücke wurden drei Felder zerstört und drei blieben erhalten. Die drei verbliebenen Felder der Brücke sind heute ein bedeutendes Zeugnis aus den Anfängen des Eisen­bahnbrückenbaus (Bild 1.4-15). Vom ASCE wurde der verbliebene Teil der Alten Weichselbrücke bei Dirschau 2004 in die Liste der International Historic Civil Engineering Landmarks aufgenommen. Die sich im Kampf um die vorbereiteten Zündstellen zur Sprengung der Brücke zu Beginn des 2. Weltkriegs entwickelnden Kämpfe waren möglicherweise die ersten Kampfhandlungen des 2. Weltkriegs. Die bei ihrem Bau Mitte des 19. Jahrhunderts als technisches Meisterwerk der Brückenbaukunst gepriesene Brücke erlangte damit 1939 eine traurige historische Bedeutung. Deutsche Pioniere errichteten eine Behelfsbrücke über die Weichsel, die dann durch eine neue zweigleisige Eisenbahnbrücke ersetzt wurde. Die zerstörten Teile der Alten Weichselbrücke wurden während des Kriegs nicht ersetzt. Zum Ende des Kriegs wurde die ­Eisenbahnbrücke beim Rückzug der deutschen Soldaten von diesen ge-

sprengt. Nach dem Ende des Kriegs baute der Polnische Staat die beiden Brücken unter Beibehaltung der vorhandenen Teile wieder auf, wobei die fehlenden Teile durch Neubauten und an anderen Stellen demontierten Überbauten ersetzt wurden. Im Dezember 1947 konnte zunächst der eingleisige Eisenbahnverkehr wieder über die Brücke erfolgen. Schließlich konnte ­sowohl der zweigleisige Eisenbahnverkehr als auch der Straßenverkehr gewährleistet werden. Als 1973 in der Nähe von Zeulenroda in Ostthüringen eine stählerne Kastenbrücke über sechs Felder mit Spannweiten der Endfelder von je 55 m und der Innenfelder von je 63 m für eine Landstraße über einen späteren Stausee im Freivorbau errichtet wurde, ereignete sich beim Bau der Brücke am 13. August, dem 12. Jahrestag des Baus der Mauer in Berlin, ein tragischer Bau­ unfall. Während der Montage versagte das auf zentrischen Druck beanspruchte Bodenblech. Der ins zweite Feld������������������ schon 31,5 m auskragende Brückenteil knickte ab, stürzte auf den Talgrund und riss Arbeiter und Geräte mit sich. Vier Menschen verloren ihr Leben, etliche wurden zum Teil schwer verletzt, und es entstand ein hoher Sachschaden. Nach dem damaligen Stand des Stahlbrückenbaus

1.5  Aktuelle 1.5  Bemerkungen Entwicklungen, zur Gestaltung Bemerkungen vonzur Brücken GestaltungvonBrückenundzubesonderenBedeutungen

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Bild 1.5-13   Stauseebrücke Zeulenroda

handelte es sich um ein innovatives Vor­ haben. In den fünf voraus laufenden Jahren hatte es in den demokratischen Staaten mehrere ähnliche Schadensfälle (Donaubrücke Wien, Cleddaubrücke in Milford-Haven in Wales, Westgate-Brücke in Melbourne und Rheinbrücke Koblenz) gegeben, von denen man als Folge des von der herrschenden ­Partei in Ostdeutschland verhinderten Informationszugangs (die vorangegangenen Schadensfälle lösten im Westen Tagungen zum Thema, Forschungen und Regelwerks­ anpassungen aus) nur unzureichende Kenntnis hatte [Ekardt, 1998]. An dieser Stelle soll nicht auf die Schadensursachen eingegangen werden. Dazu wird auf [Ekardt, 1998] und [Scheer, 2000] verwiesen. Weil der Bauunfall sich aber gerade an einem 13. August ereignete, wurde vom Ministerium für Staatssicherheit und der DDR-Justiz zunächst unterstellt, dass es sich um Sabotage handelte. Später wurde von den Institutionen der Bauunfall als Fahrlässigkeit technikverliebter Intelligenzler auf Kosten der Werktätigen gesehen. Objektiv ist der Unfall auf die damals planmäßig zu geringe Sicherheit im Montagezustand und eine Fehleinschätzung der Tragfähigkeit des Untergurts des Kasten­ trägers zurückzuführen. Die Brücke, Bild 1.5-13, wurde nach dem Unfall fertigge­

stellt. An die beim Unfall ums Leben gekommenen wird mit einem Gedenkstein erinnert, Bild 1.5-14. Eine weitere politische Bedeutung hat die Glienicker Brücke in Berlin, Bild 1.5-15. Während der Teilung Deutschlands wurden politische Gefangene zwischen Ost und West an der Glienicker Brücke ausgetauscht. Dies hat die Brücke weltberühmt gemacht.

Bild 1.5-14   Gedenkstein an der Stauseebrücke Zeulenroda

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.5-15   Glienicker Brücke in Berlin

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise Joachim Naumann 1.6.1  Vorbemerkung Die Berücksichtigung einer guten Gestaltung bei der Planung und Ausführung von Brücken- und Ingenieurbauwerken hat in Deutschland eine lange Tradition. Viele his­torische Bauwerke zeigen noch heute sehr anschaulich, wie viel Aufwand und Sorgfalt hierauf verwendet wurde. Brücken

und große Ingenieurbauwerke wurden von den Baumeistern früher ganz selbstverständlich als Teil der Baukultur begriffen und dienten oft der eindrucksvollen Repräsentation der Regenten oder der reichen Städte. Beispiele hierfür sind u. a. das gelungene Ensemble der Steinernen Brücke mit dem mächtigen Stadttor in Regensburg aus dem Jahr  1146 (Bild 1.6-1) oder die Alte Mainbrücke in Würzburg mit den zwölf Brückenheiligen auf den Kanzeln über dem Fluss als repräsentative Verbindung der beiden Stadtteile (Bild 1.6-2). Weitere interessante Beispiele können u. a. [Standfuß/

Bild 1.6-1  Steinerne Brücke Regensburg

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

Bild 1.6-2   Alte Mainbrücke Würzburg

Naumann, 2006] und [Standfuß/Naumann, 2007] entnommen werden. Geändert hat sich dieses Selbstverständnis einer guten Gestaltung erst, als das allumfassende Aufgabengebiet des Baumeis­ ters aufgrund technischer Entwicklungen und Verwendung neuer Materialien sich immer mehr auf die Gebiete der Architektur und des Bauingenieurwesens aufteilte. Für die Bauingenieure stand dann bei Brücken oftmals eher die optimale technische Lösung im Vordergrund, während die Anforderungen an die Ästhetik und Gestaltung der Bauwerke nur von wenigen herausragenden Ingenieuren angemessene Beachtung fanden. Nach dem Zweiten Weltkrieg sorgte im Verkehrswegebau außerdem der wirtschaftliche Aufschwung und das damit verbundene dynamische Verkehrswachstum dafür, dass in sehr kurzer Zeit eine enorme Anzahl von Ingenieur­ bauwerken zu realisieren war, um mit dem Ausbau der dringend benötigten Verkehrswege einigermaßen Schritt zu halten. Planungs­prozesse standen damit immer unter hohem Zeitdruck und auch im allgemeinen gesellschaftlichen Verständnis hatte die verkehrsgerechte Funktion der Stra-

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ßen und ihrer Bauwerke absoluten Vorrang. Gestalterische Anforderungen waren hierbei zeitweise eher von untergeordneter Bedeutung, Gestaltungswettbewerbe beschränkten sich nur auf wenige exponierte Bauwerke. Erfreulicherweise hat sich in den letzten zehn Jahren sowohl auf Fachebene als auch in der Öffentlichkeit eine intensive und krea­tive Diskussion entwickelt, die das Bewusstsein über eine gute Gestaltung von Verkehrsbauwerken positiv verändert hat. In vielen Veranstaltungen, Symposien und Gesprächskreisen wurden zahlreiche Anregungen gegeben, wie die Gestaltung von Bauwerken verbessert werden kann und welche Bedeutung dies für unser tägliches Umfeld hat. Die positiven Ergebnisse sind an vielen Stellen zu besichtigen, auch wenn nicht alle Gestaltungsbemühungen immer auf Anhieb gelungen sind. Ohne Frage hat hierzu u. a. die Initiative Architektur und Baukultur, die im Jahr  2000 gemeinsam vom Bundesverkehrsministerium mit der Bundesingenieurkammer und der Bundesarchitektenkammer initiiert wurde, einen wesentlichen Beitrag geleistet und viele Denkanstöße gegeben. Mit der Gründung der Bundesstiftung Baukultur im Jahre 2007 soll dieser Prozess nun verstetigt und damit seiner gesellschaftlichen Bedeutung auf Dauer gerecht werden. Letztendlich hängt es aber von den an der Planung und Baudurchführung Beteiligten in den Verwaltungen, Ingenieurbüros und Baufirmen ab, ob die vielen guten Ideen auch in die Praxis umgesetzt werden. Wettbewerbe können hierzu einen wichtigen Beitrag leisten. Wie kontrovers manchmal im Brückenbau das Thema Baukultur ausgetragen wird, zeigt sich sehr anschaulich an zwei aktuellen Beispielen. Während in Dresden seit Jahren darum gestritten wird, ob eine Brücke im Elbtal mit dem Weltkulturerbe verträglich ist, hat man in Stralsund gezeigt, dass eine gute und ausgewogene Brückenlösung über dem benachbarten Strelasund

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.6-3  Strelasundquerung

durchaus mit dem ebenfalls als Weltkulturerbe anerkannten Stadtbild harmonieren kann und gleichzeitig der Region neue Impulse gibt (Bild 1.6-3). Brücken und Weltkulturerbe sind also ganz offensichtlich kein Gegensatz, wenn der gute Wille für eine optimale Lösung bei allen Beteiligten vorhanden ist. 1.6.2  Baukultur Bei dem Stichwort „Baukultur“ fallen den meisten Bürgerinnen und Bürgern zunächst nur Beispiele aus dem Hochbau ein, wie z. B. Wohngebäude, Kirchen, Theater, Museen, Burgen und Schlösser, die allein durch ihre Funktion und ihre Größe besonders auffallen und oftmals durch eine repräsentative Bauweise beeindrucken. Aber Baukultur ist selbstverständlich wesentlich mehr, denn Baukultur repräsentiert den gebauten Ausdruck der kulturellen, wirtschaftlichen und politischen Verfassung einer Gesellschaft. Sie beschränkt sich nicht nur auf Architektur, sondern umfasst gleichermaßen die Inge-

nieurbaukunst, die Stadt- und Regionalplanung, den Denkmalschutz, die Landschaftsarchitektur und die Kunst am Bau. Baukultur ist unteilbar – es gehören alle Teile der gebauten Umwelt hierzu und jeder Beteiligte trägt Verantwortung für seinen Bereich. Die Ingenieurbauwerke sind die gestalterisch dominierenden Teile der Verkehrswege, denn Brücken, Tunnel, Stützwände und Lärmschutzwände fallen in der Regel allein durch ihre Abmessung besonders in das Blickfeld der Verkehrsteilnehmer und bilden oftmals exponierte Landmarken einer Strecke. Sie sind ein wesentlicher Teil unseres täglichen Umfelds und damit auch wichtiger Teil der Baukultur unseres Landes. Keiner kann sich deren gestalterischer Wirkung entziehen, auch wenn dies oftmals bewusst nicht so empfunden wird. Für den öffentlichen Bauherrn, der für Planung, Bau und Erhaltung von Straßen zuständig ist, ergibt sich hieraus eine große Verantwortung sowohl in technischer und gestalterischer, aber auch in sozialer und gesellschaftlicher Hinsicht.

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

Dass sich die Bürgerinnen und Bürger durchaus sehr für die Leistungen der Ingenieure und insbesondere für Brücken interessieren, hat u. a. die Ausstellung „Straßenbrücken – Ingenieur Bau Kunst in Deutschland“ gezeigt, die im Jahr 2001 als Beitrag zur Initiative Architektur und Baukultur vom Bundesverkehrsministerium gemeinsam mit der Bundesingenieurkammer organisiert wurde und bei ihrer Wanderschaft durch fast alle Bundesländer rund 400.000  Besucher angezogen hat. Neben vielen historischen Brücken, die noch heute vor allem im städtischen Umfeld als kulturelles Erbe zu bewundern sind, wurden in der Ausstellung auch viele Beispiele des modernen Brückenbaus vorgestellt, die sich aufgrund der technischen Weiterentwicklung vor allem durch eine große Palette unterschiedlicher Konstruktionen, Formen und Bauweisen auszeichnen.

1.6.3  Initiative Baukultur und Stiftung Baukultur Wesentliches Anliegen der Initiative Architektur und Baukultur war und ist es, unter den Beteiligten des Planens und Bauens eine breite Diskussion über Erwartungen und Anforderungen an Baukultur anzustoßen. Zu Beginn der Initiative wurden hierzu mehrere Themenfelder konkretisiert: • Zukunftsgerechte Planungs- und Architekturqualität sichern. Hierbei geht es vor allem um die Frage, inwieweit die Formen und Inhalte des Planungs- und Baumanagements auf­grund des demografischen, technologischen und wirtschaftlichen Wandels angepasst oder neu definiert werden müssen. • Das Potenzial von Architektur und Baukultur für Innovationen und Weiterentwicklungen nutzen. Die Bauwirtschaft ist nach wie vor einer der größten Inves­ titionsbereiche mit einem erheblichen

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Innovationspotenzial. Hier gilt es zunächst die vorhandenen Erfah­rungen zu sammeln und im Sinne von best practice weiterzugeben, sowie Möglichkeiten zu weiteren Anreizen für Innovationen z. B. durch Wettbewerbe aufzuzeigen. • Kulturelles Erbe wahren sowie vorhandene Ressourcen im Bestand nutzen und weiter­entwickeln. Nach einer langen Phase des Neubaus und Ausbaus stehen künftig die Pflege, Erhaltung und Erneuerung des Baubestands immer mehr im Blickfeld. Hierbei ergeben sich teilweise völlig neue Aufgaben, die auch in baukultureller Hinsicht von großer Be­ deutung sind. • Die internationale Wettbewerbsfähigkeit deutscher Architekten, Planer und Ingenieure stärken. In einem zusammenwachsenden Europa und einer zunehmenden Globalisierung gilt es, sich rechtzeitig auf die neuen Rahmenbedingungen einzustellen. Mit der Initiative soll daher auch der Export von Architekten- und Ingenieurleistungen entwickelt und ge­fördert werden. Ergänzend zur Initiative Architektur und Baukultur hat die Bundesregierung vor einigen Jahren ein Gesetz zur Einrichtung einer Stiftung Baukultur eingebracht, um die Aktivitäten und den Dialog zu verstetigen. Nach Verabschiedung des Gesetzes durch den Deutschen Bundestag fand im Oktober 2007 in Potsdam die Gründungsversammlung der Stiftung statt, sodass inzwischen mit der Arbeit begonnen werden konnte. Ziele der Stiftung sind die folgenden Anliegen: • Fortführung des im Rahmen der Initiative Architektur und Baukultur angestoßenen bundesweiten öffentlichen Dialogs über Baukultur. • Zusammenarbeit mit den im baukulturellen Bereich vorhandenen regionalen, nationalen und internationalen Akteuren.

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.6-4  Logo Stiftung Baukultur

• Herausstellung der Leistungen der deutschen Architekten und Bauingenieure im Bereich des Bauwesens. • Erstellung von Analysen und Berichten zur Lage der Baukultur in Deutschland, um Entwicklungen und Handlungsbedarf in diesem Bereich aufzuzeigen. Mit der Initiative Architektur und Baukultur sowie künftig auch mit der Stiftung Baukultur ist die große Chance gegeben, die Leistungen der Ingenieure durch ent­ sprechende Aktivitäten stärker öffentlichkeitswirksam bekannt zu machen. Hierbei kommt es jedoch entscheidend darauf an, dass die Arbeit nicht dem Engagement einiger weniger Akteure überlassen wird, sondern möglichst viele Ingenieure in ihrem Bereich und mit ihren Möglichkeiten sich aktiv beteiligen (Bild 1.6-4). Der Brückenbau kann hierzu Wesentliches beitragen, denn im Hinblick auf den weiter dynamisch wachsenden Verkehr werden auch in Zukunft viele neue Verkehrsbauwerke zu planen und zu bauen sein. Daneben sind aber auch der Ausbau der bestehenden Verkehrswege und die Erhaltung der Bausubstanz eine große Heraus­ forderung, die die Baukultur in unserem Land nachhaltig prägen und beeinflussen wird. Der Bund als größter und wichtigster Bauherr und Baulastträger im Verkehrsbereich wird die Ziele der Stiftung Baukultur weiterhin aktiv unterstützen und fühlt sich verpflichtet, dies bei seinen Bauwerken angemessen umzusetzen. Hierzu gehören neben den Straßenbrücken der Bundesfernstraßen, die Bauwerke der Wasser- und

Schifffahrtsverwaltungen im Bereich der Bundeswasserstraßen sowie die vielen Bauwerke der Deutschen Bahn AG. Aber auch die anderen Baulastträger wie Länder, Kreise und Kommunen fühlen sich inzwischen zunehmend diesen Zielen verpflichtet und leisten hierzu ihren Beitrag. 1.6.4  Gestaltungsmöglichkeiten für Brücken Die technischen Anforderungen und damit auch die Möglichkeiten der Gestaltung sind bei den Verkehrsbauwerken von Straßen, Wasserwegen und Eisenbahnstrecken durchaus unterschiedlich. Während bei Wasserwegen in erster Linie Kreuzungsbauwerke über Flüsse und Kanäle oder in Einzelfällen auch die Kreuzung zweier Wasserwege im Vordergrund stehen, stellen sich bei der Bahn aufgrund der hohen Verkehrslasten und der Vorgaben aus dem Betrieb ganz andere Anforderungen. Straßenbrücken wiederum müssen sehr vielfältige Funktionen erfüllen und vor allem auch auf längere Sicht dem weiter dynamisch zunehmenden Verkehrsaufkommen gewachsen sein. Im Unterschied zu manch anderen europäischen Ländern werden in Deutschland bei Straßenbrücken bisher nur in geringem Umfang Typenentwürfe für Brücken verwendet. In den entsprechenden Richtlinien von Bund und Ländern ist geregelt, dass bei größeren Brücken für jedes Bauwerk ein individueller Bauwerksentwurf erstellt wird, der auf die speziellen örtlichen Verhältnisse und sonstigen Randbedingungen abzustimmen ist. Für größere Brücken sind hierbei zunächst Variantenuntersuchungen durchzuführen, die unterschiedliche Konstruktionen, Bauweisen und Bauverfahren sowie unterschiedliche Stützweiten, Formen und Materialien einbeziehen sollen. Für die beteiligten Ingenieure ist dies eine große Chance für ein weitgehend freies Gestalten, die es mit Kre-

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

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Bild 1.6-5  Saale­brücke Beesedau

ativität und Ideenreichtum zu nutzen gilt [Naumann, 2002]. Konstruktion und Gestaltung einer Brücke hängen in erster Linie vom Ort ab, an dem ein Weg, eine Straße, eine Bahnlinie, ein Fluss oder ein Tal überbrückt werden soll. Baugrundsituation, Geländeform und Standortumgebung sind somit wesentliche Parameter, die in die ersten Entwurfsüberlegungen einfließen müssen. In jedem Einzelfall dann eine technisch, wirtschaftlich und gestalterisch ausgewogene Lösung zu finden, ist die eigentliche „Kunst“ der Ingenieure, für die neben einem fundierten Fachwissen ein hohes Maß an Kreativität und Vorstellungsvermögen erforderlich ist (Bild 1.6-5). Die Entwurfsphase ist somit auch die interessanteste Phase während der Entstehung einer Brücke, bei der die Ingenieure die Wahl zwischen einer großen Anzahl verschiedener Baumaterialien, Konstruk­tionen und Bauverfahren haben. Neben den sehr wichtigen Anforderungen an die Ästhetik der Konstruktion und die gestalterische Ausbildung der ein-

zelnen Bauteile von Brücken sind natürlich weitere Anforderungen zu beachten, die u. U. die Gestaltungsspielräume einschränken können. So steht es selbstverständlich außer Frage, dass die Anforderungen an die Standsicherheit und die Verkehrssicherheit der Bauwerke immer gewährleistet sein müssen und durch besondere Gestaltungsideen hierbei keine Einschränkungen hingenommen werden können. Da Verkehrsbauwerke fast ausschließlich aus öffentlichen Mitteln finanziert werden, besteht außerdem für die Baulastträger eine hohe Verantwortung, hiermit sparsam und wirtschaftlich umzugehen. Dies kann eine wesentliche Restriktion hinsichtlich der Umsetzung mancher gestalterischer Ideen sein. Sie muss aber realistischerweise als wichtiges Primat anerkannt und bei der Entwurfsbearbeitung berücksichtigt werden. Bauwerke, die allein aus gestalterischen Gründen erheblich mehr kosten als andere mögliche technische Lösungen, sind in der Regel nicht akzeptabel, es sei denn, dass eine besonders exponierte Lage oder ein

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

städtebaulich sehr schwieriges Umfeld dies rechtfertigen. Im Sinne einer strukturellen Architektur werden teure Lösungen aber in der Regel auch den Grundsätzen einer guten Gestaltung widersprechen, denn dies deutet eher auf unnötigen gestalterischen Ballast, statisch und konstruktiv ungeeignete Konstruktionen oder übersteigertes Geltungsbedürfnis des Entwerfers hin. Brücken unterliegen in der Regel hohen Verkehrs- und Umweltbelastungen. Hier fordern die Nutzer mit Recht robuste und dauerhafte Bauwerke, denn jeder Eingriff in den Verkehr durch Instandsetzungen und sonstige Arbeiten verursachen u. U. einen enormen volkswirtschaftlichen Schaden in Form von Stau-, Betriebs- und Unfall­ kosten. Auch für die Betreiber ist dies, insbesondere im Hinblick auf die weitere starke Zunahme des Verkehrs, ein wesentliches Kriterium. Gestalterische und innovative Ideen haben hier ihre Grenzen, wenn sie zu Risiken während der Nutzungsdauer der Bauwerke führen. Pilotprojekte zur technischen Weiterentwicklung im Brückenbau sind jedoch in Einzelfällen durchaus vertretbar. Bereits beim Entwurf der Brücken sind außerdem die Anforderungen für eine unkomplizierte Durchführung von Bauwerksprüfungen sowie von später notwendigen Wartungs- und Erhaltungsarbeiten zu beachten. Die Aufgabe des Ingenieurs besteht darin, beim Entwurfsprozess alle Anfor­ derungen im ausgewogenen Verhältnis zueinander zu berücksichtigen. Ziel muss es sein, ein statisch und konstruktiv einwandfreies Tragwerk zu entwerfen, bei dem Wirtschaftlichkeit und Ästhetik optimal ausbalanciert und auch die anderen Anforderungen so gut wie möglich erfüllt sind! Sehr positiv für die Gestaltung von Ingenieur­bauwerken hat sich im Straßenbau in den vergangenen Jahren die verstärkte Zusammenarbeit der Ingenieure mit Architekten während der Entwurfsphase ausgewirkt. Diese bezieht sich sowohl auf

die Bearbeitung von Einzelbauwerken als auch auf die Gestaltung längerer Straßenabschnitte. Hierzu erarbeiten Ingenieure und Architekten zunächst ein Gestaltungshandbuch, mit dem abgestimmt auf Historie, Landschaft und Bebauung die wesentlichen Gestaltungselemente für die Bauwerke sowie Empfehlungen für die Auswahl von Materialien, Farben und Formen zusammengestellt werden. Sie dienen dann als Grundlage und Richtschnur für die Bearbeitung der einzelnen Bauwerke der Strecke. Die Freiheit des Tragwerkplaners zur Wahl der geeigneten Konstruktionen bleibt dabei weiterhin bestehen, der Architekt steht aber während der gesamten Entwurfs­ phase beratend zur Seite. Auch bei Eisenbahnbrücken, für deren Entwurf bisher aufgrund der besonderen Anforderungen aus dem Eisenbahnbetrieb eine relativ starre Rahmenplanung vorgegeben war, hat sich nach heftiger Kritik an der Gestaltung einiger Brücken bei den Neubaustrecken bei der Deutschen Bahn AG ein Umdenken vollzogen. Größere Brückenbauwerke sind danach künftig einem Brückenbeirat vorzulegen, der direkt dem Vorstand der DB AG untersteht und ein wichtiges Mitspracherecht bei der Gestaltung der Brücken hat. In einem neuen Leitfaden „Gestaltung von Eisenbahnbrücken“ [Mehdorn/Schwinn, 2009] sind außerdem viele Hinweise für eine gute Gestaltung gegeben und zahlreiche Alternativlösungen zur herkömmlichen Rahmenplanung aufgezeigt. 1.6.5  Planungswettbewerbe im Brückenbau Eine wichtige Möglichkeit, kreative oder innovative Ideen für Brücken zu fördern und die Leistungen der Bauingenieure und Architekten stärker in der Öffentlichkeit darzustellen, ist die Durchführung von Planungswettbewerben, die im Brückenbau im Gegensatz zum Hochbau bisher nur in

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

Ausnahmefällen üblich waren. Durch die Initiative Architektur und Baukultur wurde diese Möglichkeit wieder stärker in das Bewusstsein der Bauherren gebracht und inzwischen an vielen Projekten mit Erfolg praktiziert. Planungswettbewerbe haben den Vorteil, dass die Bürgerinnen und Bürger durch die Veröffentlichung der Wettbewerbsergebnisse stärker in den Planungsprozess einbezogen werden und gute Möglichkeiten zur öffentlichkeitswirksamen Darstellung der Gestaltungsideen und der innovativen Entwicklungen im Brückenbau bestehen. Wettbewerbe für Brücken sind jedoch nicht neu. Bereits im Jahr 1845 – also vor über 160 Jahren – wurde für den Bau einer Eisenbahnbrücke, nämlich der Göltzschtalbrücke im sächsischen Vogtland, ein Brückenwettbewerb ausgelobt. 81 Entwürfe aus ganz Deutschland wurden eingereicht. Sie kamen nicht nur von Architekten und Bauingenieuren, sondern auch von Maurern, Zimmerermeistern, Bauunternehmungen und auch von technischen Laien.

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Die sechsköpfige Prüfungskommission aus den besten Baufachleuten Sachsens kam damals allerdings zu dem Ergebnis, dass kein Entwurf allein ausführbar sei, aber aus vieren von ihnen ein neuer geschaffen werden könne. Entwickelt wurde eine vierstöckige Ziegelsteinbrücke mit zahlreichen Pfeilern und Bogen, die heute noch als Eisenbahnbrücke zu bewundern ist und ein bekanntes Baudenkmal darstellt (Bild 1.6-6). Eine ausführliche Beschreibung des Bauwerks ist im Abschnitt 1.4.1 enthalten. Bei den in der Vergangenheit durchgeführten Wettbewerben für Brücken wurden, bis auf wenige offene Verfahren mit zum Teil über einhundert Teilnehmern, überwiegend Realisierungswettbewerbe mit einer beschränkten Teilnehmerzahl von fünf bis zehn Teilnehmern nach der „Verdingungsordnung für freiberufliche Leistungen (VOF)“ gewählt. Es beteiligten sich in der Regel Arbeitsgemeinschaften aus Bauingenieuren und Architekten, die Federführung lag stets bei den Inge­nieuren.

Bild 1.6-6   Göltzschtalbrücke (Foto von Wolfgang Zahn, Fotografik Zahn, Mylau)

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Diese Vorgehensweise hat sich bewährt. Grundlage für die Durchführung der Wett­ bewerbe waren hierbei bisher die „Grundsätze und Richtlinien für Wettbewerbe der Raumordnung, des Städtebaus und des Bauwesens (GRW 95)“ [Richtlinien Raumplanung, 2003], die im Jahr 2009 durch die „Richtlinien für Planungswettbewerbe (RPW  2008)“ [Richtlinien Planungswettbewerbe, 2008] abgelöst wurden. Nach § 1 der RPW 2008 sollen Wettbewerbe darauf abzielen, alternative Ideen und optimierte Konzepte für die Lösung von Planungsaufgaben und den geeigneten Auftragnehmer für die weitere Planung zu finden. Sie können auch auf die Lösung konzeptioneller Aufgaben zielen. Wettbewerbe sollen insbesondere dazu dienen, die Qualität des Planens, Bauens und der Umwelt zu fördern und einen wichtigen Beitrag zur Baukultur zu leisten. Als Bewertungskriterien sind in der Regel bei Brücken die folgenden Aspekte in die Ausschreibung aufzunehmen: • Gestaltung und Einbindung in die Landschaft • Baukosten, Wirtschaftlichkeit • Umweltverträglichkeit • Robustheit, Dauerhaftigkeit, Gebrauchs­ tauglichkeit und Nachhaltigkeit • Realisierbarkeit, Bauverfahren, Bauzeit • Statisch-konstruktive Konzeption • Innovation. Die eingereichten Entwürfe werden einer Vorprüfung unterzogen, bevor die Entwür-

fe dem Preisgericht, bestehend aus Fachpreisrichtern, die Fachleute des Bauwesens und des konstruktiven Ingenieurbaus sein sollen, und den Sachpreisrichtern, die aufgrund regionaler oder anderer Bezüge einen entsprechenden Sachverstand für die Baumaßnahme haben, vorgelegt werden. Vor allem bei Straßenbrücken sowie Fuß- und Radwegen wurden in den letzten Jahren eine ganze Reihe von Wettbewerben durchgeführt. Im Bereich der Bundesfernstraßen waren dies u. a. • Saalebrücke Jena Göschwitz im Zuge der BAB A 4 mit dem Entwurf einer neuen Brücke neben einem denkmalgeschützten steinernen Bogenbauwerk (Bild 1.6-14). • Saalebrücke Salzmünde im Zuge der BAB  A  143 als Neubau mit teilweiser Lärmschutzeinhausung (Bild 1.6-7). • Talbrücke St. Kilian im Zuge der BAB A 73 bei Schleusingen als Neubau mit einer Stahlfachwerkskonstruktion. • Waschmühltalbrücke im Zuge der BAB  A  6 bei Kaiserslautern mit dem Entwurf einer neuen Brücke neben einem denkmalgeschützten steinernen Bogenbauwerk (Bild 1.6-8). • Talbrücke Gottleuba im Zuge der B 172 bei Pirna als Neubau über ein großes Tal. • Rheinbrücke Wiesbaden-Schierstein im Zuge der BAB  A  643 als Ersatzneubau mit Verbreiterung. • Lahntalbrücke Limburg im Zuge der BAB A 3 ebenfalls als Ersatzneubau mit Verbreiterung.

Bild 1.6-7   Saalebrücke Salzmünde (Visualisierung)

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

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Bild 1.6-8   Waschmühltalbrücke (Visualisierung)

Bild 1.6-9   Elbebrücke Wittenberge (Visualisierung)

• Elbebrücke Wittenberge im Zuge der BAB A 14 als Neubau neben einer vorhandenen Bundesstraßenbrücke (Bild 1.6-9). Bei allen Wettbewerben wurden wie erwartet viele kreative und innovative Ideen eingebracht, die bei einer konventionellen Entwurfsbearbeitung durch die Verwaltung oder ein einzelnes ausgewähltes Ingenieurbüro so nicht zu erzielen gewesen wären. Dies wird allerdings durch einen nicht unerheblichen zusätzlichen Personal-, Zeitund Kostenaufwand sowohl bei den Auslobern als auch bei den Wettbewerbsteilnehmern erkauft. Planungswettbewerbe werden daher auch in Zukunft auf ausgewählte Bauwerke in exponierter Lage beschränkt bleiben. 1.6.6  Deutscher Brückenbaupreis Die Idee zur Auslobung und Verleihung eines gesonderten Preises ausschließlich

für Brückenbauwerke entstand bereits während der erfolgreichen Wanderschaft der Ausstellung „Straßenbrücken – Ingenieur Bau Kunst in Deutschland“. Die erfreulich große Resonanz bei Fachleuten und in der Öffentlichkeit zeigte, dass der Brückenbau für viele nach wie vor ein faszinierendes Thema ist, an dem großes Interesse besteht. Sicherlich spielte hierbei auch eine Rolle, dass inzwischen im Rahmen der deutschen Wiedervereinigung beim Auf- und Ausbau der Verkehrswege in den neuen Bundesländern innerhalb einer kurzen Zeit eine große Anzahl von neuen Brücken entstanden waren, die durch besondere Gestaltung, innovative Entwicklungen und gute Einpassung in die Landschaft auch in den Medien zunehmend Aufmerksamkeit fanden. Hinzu kam die Erkenntnis, dass aufgrund des sich abzeichnenden Nachwuchsmangels im Bereich der Bauingenieure mehr Werbung für diesen interessanten und kreativen Beruf notwendig sein wird, wozu sich der Brückenbau als Königsdisziplin der Ingenieure besonders eignet. Was lag da näher, als im

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Rahmen einer öffentlichkeitswirksamen Veranstaltung jeweils die besten Brückenbauer auszuzeichnen und deren Werke zu präsentieren. Von der Bundesingenieurkammer als bundesweite Berufsvereinigung (BIngK) wurde die Idee daher sehr schnell und engagiert aufgegriffen und gemeinsam mit dem Verband der Beratenden Ingenieure (VBI) im Jahr 2005 die erste Auslobung für den „Deutschen Brückenbaupreis“ gestartet. Vom Bundesverkehrsministerium wurde die Idee eines Brückenbaupreises von Anfang an aktiv begleitet und unterstützt. Das Ministerium beteiligt sich sowohl durch Übernahme der Schirmherrschaft als auch mit einem namhaften Betrag an der Finanzierung. Als Hauptsponsor konnte bereits frühzeitig die Deutsche Bahn AG gewonnen werden. Weitere Sponsoren tragen dazu bei, dass der Preis auch auf Dauer gesichert ist (Bild 1.6-10).

Bild 1.6-10   Preisskulptur Brückenbaupreis

Dass ein eigener Brückenbaupreis eigentlich längst überfällig war, zeigte sich auch daran, dass im Rahmen einer Recherche zwar etwa 25 Architekturpreise ermittelt wurden, dagegen aber nur 6 Bauingenieurpreise zu finden waren. Und dies obwohl die etwa 52.000 Ingenieurbüros in Deutschland mit 28 Mrd. € fast dreimal so viel jährlichen Umsatz erbringen als die Architekten. Das zeigt deutlich, dass das gestalterische und wirtschaftliche Potenzial der Ingenieurbüros in der Öffentlichkeit erheblich unterrepräsentiert ist. Bundesweite Bedeutung hatten bis dahin hauptsächlich zwei Preise. Nämlich der Ingenieurbau-Preis vom Verlag Ernst  &  Sohn und der Fritz-LeonhardtPreis der Ingenieurkammer Baden-Würt­ temberg. Bei letzterem wird eine Persönlichkeit ausgezeichnet, die für wegweisende Bauwerke verantwortlich zeichnet. Es geht bei diesem Preis nicht so sehr um ein be-

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

stimmtes Bauwerk, sondern mehr um das Profil und Lebenswerk eines bekannten Bauingenieurs. Der Ingenieurbau-Preis dagegen umfasst die ganze Breite des Wirkens der Bauingenieure. Es werden Bauwerke ausgezeichnet, die in den zurückliegenden fünf Jahren verwirklicht wurden und eine innovative Leistung aufweisen. Hierbei kann es sich um eine Brücke, Halle, einen Tunnel oder auch andere Bauwerke handeln. Es kann jedoch auch eine intelligente Instandsetzungsmaßnahme oder ein innovativer Bauablauf sein. Der Deutsche Brückenbaupreis hat sich sehr schnell in der Gruppe der reinen Bauingenieurpreise etabliert und sich ganz bewusst auf diesen speziellen aber sehr wichtigen Leistungsbereich der Ingenieure beschränkt. Einbezogen sind hierbei alle Brücken, also sowohl Eisenbahn- und sonstige Bahnbrücken als auch Straßenbrücken, Rad- und Fußwegbrücken sowie als Sonderform auch Leitungs- oder Versorgungsbrücken. Der Deutsche Brückenbaupreis soll für herausragende Leistungen von Bauingenieuren im Brückenbau vergeben werden. Die ausgezeichnete Leistung kann auf unterschiedlichen Gebieten erbracht werden. So kann eine gute Systemwahl und deren Umsetzung, eine gute Gestaltung und Anpassung des Bauwerks an den umgebenden Standort, eine neue Technologie, eine ressourcen- und kostensparende Lösung oder auch interessante und innovative Erhaltungsmaßnahmen, der Einsatz von neuen Baustoffen oder Bauverfahren maßgeblich für den Preis werden. Ausgezeichnet wird jeweils das Bauwerk, den Preis erhalten der oder die Ingenieure, die den wesentlichen Anteil an der herausragenden Ingenieurleistung haben. Der Deutsche Brückenbaupreis ist ein ideeller Preis und besteht aus: • einer Urkunde für den oder die Preisträger • einer Preisskulptur

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• einer Schrifttafel für das Bauwerk • einer besonderen Präsentation des Bauwerks. Die Preisverleihung erfolgt im Rahmen eines feierlichen Festaktes mit begleitender Öffentlichkeitsarbeit und Beteiligung der Medien. Der Deutsche Brückenbaupreis wird alle zwei Jahre vergeben, die ersten Preisverleihungen fanden am 13. März 2006 und am 10. März 2008 jeweils in Dresden statt. Ausgelobt wurden zwei Kategorien von Brücken: • Kategorie A: Straßen- und Eisenbahnbrücken • Kategorie B: Fuß- und Radwegbrücken sowie Versorgungsbrücken. Teilnahmeberechtigt sind alle Bauingenieure, die an verantwortlicher Stelle zum Gelingen einer Brücke in Deutschland beigetragen haben. Eingereicht werden können Brückenbauwerke, deren Fertigstellung nicht länger als fünf bzw. zwei Jahre zurückliegt und bei denen die Arbeiten am Bauwerk zum Stichtag des Einsendeschlusses bereits abgeschlossen sind. Die Ingenieurleistung kann ein Neubau, eine grundlegende Instandsetzung oder eine Umbaubzw. Erweiterungsmaßnahme sein. Von den Teilnehmern am Wettbewerb sind jeweils folgende Unterlagen einzureichen: • Teilnahmebogen A mit Angaben zum Bauwerk und den Beteiligten • Teilnahmebogen B mit einem Fragenkatalog zum Bauwerk • Erläuterungsbericht (max. 2 Seiten) • 5 Fotos des Bauwerks und der wesentlichen Teile • maximal 5 Konstruktionszeichnungen. Als Bewertungskriterien gelten gemäß Ausschreibung folgende Beurteilungskriterien: • Gestaltung • Konstruktion • Funktion

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• • • •

1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Innovation Wirtschaftlichkeit Planungs- und Bauverfahren Nachhaltigkeit

Die von den Auslobern ausgewählte Jury setzte sich bei beiden Wettbewerben aus folgenden Fachleuten zusammen: MinRat Joachim Naumann, Ingenieur (Vorsitz) MinRat a. D. Klaus Bernhardt, Ingenieur Prof. Hans-Günther Burkhardt, Architekt Dr.-Ing. Hans-Gerd Lindlar, Ingenieur Dr.-Ing. Hans-Ulrich Litzner, Ingenieur Dr.-Ing. Steffen Marx, Ingenieur Prof. em. Dr.-Ing. Gerhard Sedlacek, Ingenieur Prof. i. R. Dr.-Ing. Jürgen Stritzke, Inge­nieur Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E. h. Konrad Zilch, Ingenieur. Von den Auslobern ist beabsichtigt, künftig die Besetzung der Jury regelmäßig zu wechseln. Im Rahmen einer formellen Vorprüfung wird zunächst festgestellt, ob alle einge­ reichten Beiträge fristgerecht vorgelegt wurden und die Bedingungen der Ausschreibung erfüllen. Die Jury befindet dann während einer ersten eintägigen Jurysitzung anhand der Bewertungskriterien darüber, welche Beiträge in die nähere Auswahl kommen. Hierzu wählt die Jury in mehreren Bewertungsdurchgängen aus jeder Kategorie maximal drei Brückenbauwerke aus, die für die Endrunde nominiert werden. Die nominierten Bauwerke werden anschließend von den Auslobern bekanntgegeben. In einer zweiten Jurysitzung kurz vor der Preisverleihung wählt die Jury schließlich unter den nominierten Brücken­ bauwerken jeweils einen Gewinner aus, der aber erst zur Preisverleihung bekannt gegeben wird. So bleibt die Spannung bei allen Beteiligten bis zum Schluss erhalten.

Die Auslobung und die Preisverleihung für den Deutschen Brückenbaupreis waren auf Anhieb ein großer Erfolg. Bei der Preisverleihung, die gemeinsam von den Präsidenten der Bundesingenieurkammer und des Verbands der Beratenden Ingenieure sowie dem Bundesminister für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung vorgenommen wurde, verfolgten 2006 und 2008 jeweils über eintausend Teilnehmer den feierlichen Akt in der Technischen Hochschule Dresden und auch die Resonanz in den Medien war überaus positiv. Die Ergebnisse des Wettbewerbs zum Deutschen Brückenbaupreis werden anschließend durch eine Ausstellung und eine Buchveröffentlichung dokumentiert. Die nächste Preisverleihung zum Deutschen Brückenbaupreis wird im Frühjahr 2010 wiederum in Dresden erfolgen. 1.6.7  Gewinner und Nominierte für den Deutschen Brückenbaupreis 2006 und 2008 Für den ersten Wettbewerb zum Deutschen Brückenbaupreis 2006 wurden insgesamt 70 Brückenbauwerke eingereicht. Im Rahmen der formalen Vorprüfung mussten aller­dings fünf Beiträge wegen Nichteinhaltung der Ausschreibungsbedingungen ausgeschieden werden, sodass schließlich 34 Bauwerke für die Kategorie A Straßen- und Eisenbahnbrücken und 31  Bauwerke für die Kategorie B Fuß- und Radwegbrücken zur Bewertung zugelassen waren. Von der Jury konnte bei der Bewertung festgestellt werden, dass fast alle eingereichten Beiträge ein erfreulich hohes technisches und gestalterisches Niveau aufwiesen und die Auswahl der in die engere Wahl zu ziehenden Bauwerke außerordentlich schwer fiel. Für die Preisverleihung wurden schließlich folgende Bauwerke nominiert:

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

Kategorie A Straßen- und Eisenbahn­ brücken • Talbrücke Wilde Gera im Thüringer Wald • Eisenbahnbrücke über die Donau bei Ingolstadt • Luckenberger Brücke in Brandenburg an der Havel. Kategorie B Fuß- und Radwegbrücken • La-Ferté-Steg über die Haldenrainstraße in Stuttgart • Fußgängerbrücke über die Gahlensche Straße in Bochum • Holzbrücke über die Freiberger Straße im Forstbotanischen Garten Tharandt. In der zweiten Jurysitzung wurde zum Gewinner der Kategorie A die Talbrücke Wilde Gera und zum Gewinner in Kategorie B der La-Ferté-Steg in Stuttgart gewählt. Aus der Begründung der Jury werden nachfolgend einige Auszüge zu den nominierten Bauwerken zitiert. Eine ausführliche Beschreibung der Bauwerke ist in Abschnitt 1.6.8 zusammengestellt. Weitere Informationen sind in [Naumann, 2006] und [Dokumentation Brückenbaupreis, 2006] enthalten.

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Kategorie A Straßen- und Eisenbahn­ brücken Talbrücke Wilde Gera, Bundesautobahn A  71 bei Gehlberg im Thüringer Wald (Bild 1.6-11) Maßgeblicher Entwurfsverfasser: Dr. sc. techn. Roland von Wölfel. Der Bau der A  71 erforderte eine ca. 110 m hohe Trassenführung über das tief eingekerbte Tal der Wilden Gera. Dabei bildeten eine Bahnlinie, eine Straße, der Flussverlauf und eine Deponie im Talgrund die Zwangspunkte. Ausgeschrieben war eine Balkenbrücke, ein Sondervorschlag mit dem überzeugenden Entwurf einer Bogenbrücke setzte sich jedoch durch. Realisiert wurde ein gestalterisch außerordentlich eleganter, unten liegender Bogen von ca. 252 m Spannweite – die zurzeit größte Betonbogenbrücke in Deutschland. Diese Spannweite mit einem Bogenstich von 70 m ergab sich aus den topografischen Verhältnissen und dem Wunsch, das Tal möglichst stützenfrei zu überqueren. Der Bogen setzt nahezu senkrecht auf den Talflanken auf. Durch die elegante Linie des Bogens mit seiner wohl proportionierten Verjüngung überzeugte dieser Entwurf die Juroren.

Bild 1.6-11   Talbrücke Wilde Gera

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Fazit: Deutschlands größte Betonbogenbrücke (Spannweite des Bogens 252 m) überzeugt durch außerordentliche gestalterische Eleganz. Die Errichtung eines Bogens dieser Dimension im Freivorbau stellt eine ganz besondere Ingenieurleistung dar. Der mit der Brücke über die Wilde Gera realisierte Sondervorschlag ergab zudem einen deutlichen Kostenvorteil gegenüber dem Verwaltungsentwurf. Die Brücke ist ein überzeugendes Beispiel dafür, wie Landschaft und Bauwerk sich zu einer neuen Qualität zusammenfügen. Die Dramatik des tiefen Taleinschnitts wird so erst richtig nachvollziehbar. Eisenbahnbrücke über die Donau bei Ingolstadt (Bild 1.6-12) Maßgebliche Entwurfsverfasser: Dipl.-Ing. Andreas Keil, Prof. Dr.-Ing. Drs. h. c. Jörg Schlaich. Die neue ICE-Strecke quert bei Ingolstadt die Donau unmittelbar neben der vorhandenen Fachwerkbrücke der Bahn und eine nahe liegende Straßenbrücke. Diese bestehenden Brücken gaben die Spann­ weite der neuen Brücke vor. Die Integration ins Stadtbild erforderte zudem eine hohe Transparenz des Neubaus und große Nähe

zu den Nachbarbrücken, da nur wenig Platz im Donaubereich vorhanden war. Wegen der Zwänge aus der Gradiente kam nur ein oben liegendes Tragwerk infrage. Anstelle des nahe liegenden Entwurfs eines modernen Fachwerks wurde eine mehrfeldrige Trogbrücke gewählt, deren Hauptträger dem Momentenverlauf entsprechend geformt sind. Die Stahlbetonplatte bildet zusammen mit den stählernen Hauptträgern den Trog. Dadurch entstand ein schlankes Tragwerk, das die Donau wellenförmig überspannt, was zu einer dezenten und gleichzeitig überraschenden Ensemblewirkung führt, die mit einem weiteren Fachwerkträger auf so raffinierte Weise nicht zu erreichen gewesen wäre. Fazit: Die Jury sieht in diesem Entwurf die Entwicklung einer völlig neuen Form von Trogbrücken. Die Konstruktion zeigt eindrucksvoll, dass auch bei Eisenbahnbrücken mit ihren sehr hohen Beanspruchungen gestalterisch und technisch innovative Lösungen möglich sind. Damit wurde der Beweis erbracht, dass der manchmal beklagten gestalterischen Eintönigkeit solcher Bauwerke entgegengewirkt werden kann.

Bild 1.6-12    Eisenbahn­ brücke über die Donau bei Ingolstadt

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

Luckenberger Brücke in Brandenburg an der Havel (Bild 1.6-13) Maßgebliche Entwurfsverfasser: Dipl.-Ing. Peter Poitzsch, Dipl.-Ing. Thomas Kolb. Die Luckenberger Brücke in Brandenburg muss mehrere gegensätzliche Anforderungen erfüllen. Neben dem städtischen Individualverkehr muss die Brücke die Straßenbahn aufnehmen, was eigentlich eine steife und massive Konstruktion bedingt. Im direkten Widerspruch dazu sollte auch mehr Freiraum für den Schifffahrtsweg und die neu angelegten Uferwege geschaffen werden. Ein oben liegendes Tragwerk war aus städtebaulichen Gründen nicht möglich. So ergaben sich für das Bauwerk extreme Anforderungen an die Schlankheit des Überbaus bei gleichzeitig hoher Steifigkeit. Die damals neue Idee, hochfesten Ortbeton zusammen mit Fertigteilen einzusetzen, führte zu dem ausgeführten Entwurf eines flachen Sprengwerks. Die daraus resultierende Schrägstielrahmenbrücke ist handwerklich sehr gut durchgebildet und erfüllt die gegensätzlichen Anforderungen auf außerordentlich überzeugende Art und Weise. Die schlanke, elegante Linienführung in Korrespondenz zum Kräfteverlauf

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und die Gestaltung der Widerlager haben die Jury beeindruckt. Fazit: Die Luckenberger Brücke ist ein gutes Beispiel dafür, wie innovative Bauverfahren und Materialkombinationen zu Einsparungen bei den Baukosten und zu besonderer Wirtschaftlichkeit eines Bauwerks führen. Die damals neue Idee, hochfesten Ortbeton zusammen mit Fertigteilen einzusetzen, führte zu dem ausgeführten Entwurf eines flachen Sprengwerks. Die schlanke, elegante Linienführung in Korrespondenz zum Kräfteverlauf und die Gestaltung der Widerlager passen das Bauwerk ausgezeichnet an das städtebaulich schwierige Umfeld an. Kategorie B Fuß- und Radwegbrücken La-Ferté-Steg in Stuttgart, Haldenrainstraße (Bild 1.6-14) Maßgeblicher Entwurfsverfasser: Dr.-Ing. Matthias Schüller. Der La-Ferté-Steg ist eine hochfrequentierte Verbindung zu Hallenbad, Schule und Festplatz über eine vierstreifige Straße mit mittig liegender Straßenbahntrasse

Bild 1.6-13   Luckenberger Brücke in Brandenburg an der Havel

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.6-14   La-Ferté-Steg in Stuttgart, Haldenrainstraße

hinweg. Den topografischen Gegebenheiten – steile Böschung südlich der Straße und flaches Gelände auf der Nordseite – passt sich das Bauwerk in einem gleichmäßigen, eleganten Bogen mit ca. 6% Gefälle in hervorragender Weise an. Das massive, weit auskragende Wider­ lager an der steilen Böschung steht in bewusstem Gegensatz zu der kaum sichtbaren Auflagerung am anderen Ende der Brücke. Dadurch entsteht der Eindruck, das Bauwerk wachse dynamisch aus der Böschung heraus, um dann flach in der Ebene auszulaufen. Dabei wird durch die ungewohnt schmale Ausbildung des südlichen Widerlagers ein sehr eleganter, leichter Eindruck erzeugt. Auch alle Details wie Geländer, Beleuchtung und Stützenfüße sind sorgfältig gestaltet. Fazit: Der La-Ferté-Steg ist ein Ingenieurbauwerk, an dem alles stimmig ist und das sich ausgezeichnet in seine Umgebung einfügt. Die Form der Brücke mit einem Radius von 53 m ermöglichte eine zwängungsarme Verformung in radialer Richtung, sodass die konsequent umgesetzte fugen- und lager­lose Bauweise möglich wurde. Da-

durch entstand eine wartungsarme und nachhaltige Konstruktion von außergewöhnlicher Eleganz, die nicht nur den Betrachter erfreut, sondern auch dem Benutzer ein besonderes Erlebnis bietet. Brücke über die Gahlensche Straße in Bochum (Bild 1.6-15) Maßgebliche Entwurfsverfasser: Dipl.-Ing. Knut Göppert, Prof. Dr.-Ing. Drs. h. c. Jörg Schlaich. Durch die Brücke über die Gahlensche Straße werden zwei parallel, versetzt laufende Wege fußgängerfreundlich in Form einer S-Kurve verbunden. Die schmale Fußgängerbrücke ist die elegante Überquerung eines tristen Konglomerats aus Bahnanlagen, Industriegelände und Restindustriebauten. Sie fügt dieser urbanen Brache ein positiv wirkendes Element hinzu, das dabei mit seiner „wilden“ Form durchaus der „wilden“ Umgebung entspricht. Die S-Form, die sich aus der Wegeführung ergibt, ist bei der Tragwerkskonstruktion konsequent umgesetzt. Dabei wird das Prinzip der Hängebrücke zu einem räumlichen Tragwerk weiter entwickelt, bei dem die Pylone jeweils auf der konkaven Seite des stark gekrümmten Weges stehen und

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

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Bild 1.6-15    Brücke über die Gahlensche Straße in Bochum

durch ihre Neigung die Tragwirkung betonen. Hierbei genügt ein einziges Tragseil, was die Konstruktion besonders leicht und filigran wirken lässt. Fazit: Die Brücke über die Gahlensche Straße ist die erste doppelt gekrümmte, einseitig gestützte Hängebrücke überhaupt. Sie liefert einen ganz neuen Ansatz zur Weiterentwicklung gekrümmter Brücken. Das Tragverhalten und die Funktion der Trag­ elemente sind trotz ihrer Komplexität gut ablesbar. Das Bauwerk ist frei von jedem Zierrat und beeindruckt durch seine elegante Konstruktion. Als bewusster Gegensatz zu seiner Umgebung setzt es Maßstäbe für die zukünftige Entwicklung in diesem Stadtgebiet. Holzbrücke über die Freiberger Straße im Forstbotanischen Garten Tharandt (Bild 1.6-16) Maßgebliche Entwurfsverfasser: Kathrin Gädeke, André Dreßler, Dipl.-Ing. Uwe Fischer. Die Brücke verbindet den alten und neuen Teil des forstbotanischen Gartens in Tharandt, sie überquert dabei den Zeisig-

bach und die Staatsstraße S  194 in einer maximalen Höhe von 13 m. Die Brücke wurde so geplant, dass keinerlei Baumbestand gefällt werden musste. Die 117 m lange und 2,50 m breite Brücke besteht aus 15 Brücken­feldern mit einer Länge von 7 m und einem Feld mit einer Stützweite von 12 m über der Staatsstraße S 194. Als Parkbrücke für Fußgänger sollte sie möglichst aus einheimischem Holz gebaut werden und sich gestalterisch als organisch mit dem Garten verwobenes Bauwerk harmonisch einfügen. Der Entwurf geht auf die bewegte Geländesituation ein, schlängelt sich mit gleichmäßigen Radien durch das mit Laubhölzern besetzte Tal. Fazit: Die Holzbrücke für Fußgänger zeigt sich als graziles, durchlaufendes Holzband mit eleganter Trassierung und bietet außergewöhnliche Ausblicke auf die in Augenhöhe liegenden Baumkronen. Neu und innovativ an diesem gelungenen Bauwerk ist die in sich verbundene Brettschicht-Konstruktion aus Einzelelementen mit versteckten Verbindungen. So entstand ein gestalterisch und ökologisch bemerkenswertes Bauwerk mit hoher Nachhaltigkeit.

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Bild 1.6-16   Holzbrücke über die Freiberger Straße im Forstbotanischen Garten Tharandt

Beim zweiten Wettbewerb zum Deutschen Brückenbaupreis 2008 war erwartungsgemäß die Anzahl der eingereichten Bauwerke deutlich geringer, da dieses Mal die Bauwerke nur aus den letzten zwei Jahren stammen durften und nicht aus den letzten fünf Jahren wie bei der letzten Auslobung. Immerhin wurden bis zum Einsendeschluss über 40 Bauwerke eingereicht, alle wiederum auf erfreulich hohem technischem und gestalterischem Niveau. Im Rahmen der Vorprüfung musste nur ein Beitrag ausgeschieden werden, sodass im Ergebnis 20 Straßen- und Eisenbahnbrücken sowie 21 Fuß- und Radwegbrücken am Wettbewerb teilnehmen konnten. Für die Preisverleihung wurden bei der ersten Jurysitzung folgende Bauwerke nomi­niert: Kategorie A Straßen- und Eisenbahn­ brücken • Neue Saalebrücke Jena-Göschwitz • Humboldthafenbrücke am Hauptbahnhof Berlin • Lautrupsbachtalbrücke im Zuge der Osttangente Flensburg.

Kategorie B Fuß- und Radwegbrücken • Geh- und Radwegbrücke über den Inn bei Wernstein-Neuburg • Gessentalbrücke in der Neuen Landschaft Ronneburg bei Gera • Dreiländerbrücke über den Rhein zwischen Weil am Rhein (D) und Huningue (F). In der zweiten Jurysitzung wurde zum Gewinner der Kategorie A die Humboldt­ hafenbrücke Berlin und zum Gewinner der Kategorie B die Dreiländerbrücke bei Weil am Rhein gewählt. Aus der Begründung der Jury sind nachfolgend ebenfalls Auszüge zu den nominierten Bauwerken zitiert und in Abschnitt 1.6.8 ausführliche Beschreibungen der Bauwerke zusammengestellt. Weitere Informationen sind in [Naumann, 2008] und [Dokumentation, Brückenbaupreis, 2008] enthalten. Kategorie A Straßen- und Eisenbahn­ brücken Humboldthafenbrücke am Hauptbahnhof Berlin (Bild 1.6-17) Maßgebliche Entwurfsverfasser: Prof. Dr.Ing. Drs. h. c. Jörg Schlaich, Dr.-Ing. Hans Schober

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

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Bild 1.6-17   Humboldt­ hafenbrücke am Hauptbahnhof Berlin

Die Humboldthafenbrücke, an einer städtebaulich herausragenden Stelle der neuen Mitte Berlins gelegen, ist ein Meilenstein des modernen Eisenbahnbrückenbaus. Sie ist integraler Bestandteil des anschließenden Hauptbahnhofes und überspannt den Humboldthafen mit sechs Gleisen. Dabei bewegt sich das Bauwerk mit seiner außergewöhnlich filigranen Gestalt konstruktionstechnisch an der Grenze des Machbaren. Die gegenüber herkömmlichen Lösungen mit Betonstützen und Stahlüberbau umgekehrte Konstruktion eröffnet auch ästhetisch neue Wege. In punkto Innovationen, die wegweisend für die weitere Entwicklung des Eisenbahnbrückenbaus sein werden, ist der Bauherr Deutsche Bahn AG hier geradezu über sich hinausgewachsen. Hervorzuheben ist der erstmalige Einsatz von Stahlgussknoten dieser Dimension, die sich als technische Alternative zu den bisher üblichen geschweißten Knoten bei der Humboldthafenbrücke bestens bewähren. Bei diesem technisch sehr innovativen Bauwerk an exponierter Stelle steht die Wirtschaftlichkeit allerdings nicht im Vordergrund. Aber die zunächst hohen Entwicklungskosten der Stahlgussknoten haben sich inzwischen be-

zahlt gemacht und werden auch bei anderen Brücken eingesetzt. Fazit: Mit der Brücke wurde eine hochkomplexe Bauaufgabe exzellent gelöst und bei der Bahn einer neuen Generation von Bauwerken der Weg geebnet. In Verbindung mit dem neuen Hauptbahnhof bildet die neue Brücke ein gelungenes Ensemble mitten in Berlin. Neubau der Saalebrücke Jena-Göschwitz im Zuge der BAB A 4 bei Jena (Bild 1.6-18) Maßgeblicher Entwurfsverfasser: Dipl.-Ing. Thomas Kleb Der Neubau der Saalebrücke JenaGöschwitz ist die gelungene Übertragung des denkmalgeschützten Bogenmotivs des Bestandsbauwerks in das moderne Material Spannbeton. Die besondere Ingenieuraufgabe, in dichtem Abstand zu der vorhandenen Bogenbrücke mit 17 proportional zur Talhöhe ansteigenden Steinbögen aus der Reichsautobahnzeit ein zweites Bauwerk zu errichten, wurde sehr gut gelöst. Neu- und Bestandsbau bilden in der reizvollen Flussauenlandschaft des Saaletals ein harmonisches Ensemble. Die neue Saalebrücke ist ein herausra-

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Bild 1.6-18   Saalebrücke Jena-Göschwitz

Bild 1.6-19   Lautrupsbachtalbrücke in Flensburg

gendes Beispiel für das Bauen im Bestand. Sie ist einer der wenigen gelungenen Versuche, Alt und Neu zu verbinden. Dazu nimmt die in einem Wettbewerb gefundene Lösung zwar die alte Form der historischen Brücke auf, setzt diese aber in ein andersartiges Tragwerk entsprechend moderner Konstruktionstechnik um. Wesentliches Gestaltungselement sind die bogenförmig aufgelösten Pfeilerscheiben, die am Kopf durch zwei Zugbänder kaum sichtbar untereinander verbunden sind. Durch die Spreizung der Pfeilerscheiben am Stützenkopf sind die Stützweiten deutlich verringert. Dadurch war ein relativ schlanker Überbauquerschnitt als Spannbetonplattenbalken möglich. So korrespondiert die relativ massive Konstruktion von gebo-

genen Scheiben und flacher Fahrbahnplatte mit dem Bestand in einem variationsreichen Spiel von Kurvenüberschneidungen und Durchblicken. Fazit: Mit der neuen Saalebrücke wurde die Vorgabe, Form und Charakter der vorhandenen Brücke aufzugreifen, perfekt gelöst. Die erzielte Ensemblewirkung aus Neu und Alt hat Vorbildfunktion für die Verbindung von Denkmalschutz und heutiger Baukunst. Lautrupsbachtalbrücke im Zuge der Osttangente in Flensburg (Bild 1.6-19) Maßgebliche Entwurfsverfasser: Arbeitsgemeinschaft Dipl.-Ing. Wigand Grawe, Architekt Olaf Düvel.

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

Die Lautrupsbachtalbrücke ist ein Bauwerk aus einem Guss und besticht zunächst durch die elegante Ausformung der durchgehenden Krümmung. Im Bauwerk verschmelzen Brücke und Schallschutz zu einem Ganzen. Die dabei durch die Oberflächenstruktur der Schallschutzwände und ihren Abschluss durch eine glatte Glasplatte erzielte futuristisch anmutende Leichtbauwirkung ist umso lobenswerter, als die ästhetische Gestaltung von Brücken mit Lärmschutzwänden nach wie vor als problematisch gilt. Neben dem Lärmschutz über den gesamten Brückenzug hinweg war es vor allem wichtig, den für das Mikroklima der Stadt Flensburg wichtigen Kaltluftströmen nur einen geringen Widerstand zu bieten. Der vorgespannte Plattenquerschnitt des Überbaus der Lautrupsbachtalbrücke ist entsprechend der Lage der Brücke in einem Bogen asymmetrisch geformt. Dies ist statisch-konstruktiv günstig und ergibt auch die prägende aerodynamische Form, die nach oben in die gekrümmten Lärmschutzwände fortgesetzt wird. Innovativ ist auch die Kombination mit einer interessanten Beleuchtungslösung, die Blendeffekte vermeidet. Fazit: Die Brücke im Verlauf einer vierspurigen Umgehungsstraße über einen empfindlichen Landschafts- und Siedlungsraum bei Flens-

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burg erfüllt die komplexen Anforderungen, die sich aus den besonderen Umweltbedingungen ergeben. Die konstruktiven und gestalterischen Lösungen haben trotz der Nähe einer Wohnsiedlung und der zu beachtenden Naturschutzaspekte eine hervorragende Akzeptanz der Brücke bewirkt. Kategorie B Fuß- und Radwegbrücken Dreiländerbrücke über den Rhein zwischen Weil am Rhein (D) und Huningue (F) (Bild 1.6-20) Maßgebliche Entwurfsverfasser: Arbeitsgemeinschaft Dipl.-Ing. Dietmar Feichtinger/ Dipl.-Ing. Wolfgang Strobl. Die Fußgängerbrücke über den Rhein besticht zunächst durch eine Rekordspannweite von 230 m. Durch die geringe Höhe des Bogenstichs wirkt das Bauwerk angemessen und niemals aufdringlich. Ermög­ licht wird dies durch die beweglichen Wi­ derlager – eine außergewöhnlich innovative Lösung, durch die die extreme Spann­weite der Brücke ohne Dämpfer bewältigt wird. Durch die Einspannung der Bogenenden in die aufgelösten Widerlager setzt das Bau­ werk leichtfüßig auf den ufernah im Wasser befindlichen Fundamentpfeilern auf. Das Brückendeck ist eine asymmetrisch ausgebildete orthotrope Platte, die gleichzeitig als Zugband wirkt. Zusammen mit dem Bogen ergibt das Brückendeck eine hinsichtlich Wind- und Fußgängerbelas­

Bild 1.6-20   Dreiländerbrücke über den Rhein zwischen Weil am Rhein (D) und Huningue (F)

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

tungen schwingungsarme Lösung. Der Verzicht auf Flusspfeiler vereinfachte den Bauablauf. Maßnahmen gegen Schiffsanprall waren dadurch überflüssig. Fazit: Die Dreiländerbrücke versinnbildlicht den Brückenschlag zwischen Deutschland, Frankreich und der nahen Schweiz. Sie begeistert durch die perfekte Logik ihrer Konstruktion, die zu einem ästhetisch perfekten Ingenieurbauwerk geführt hat. Dieses Grenzbauwerk ist schon jetzt Symbol des modernen Brückenbaus und hat sich rasch zu einem beliebten Anziehungspunkt entwickelt. Geh- und Radwegbrücke über den Inn bei Wernstein-Neuburg (Bild 1.6-21) Maßgeblicher Entwurfsverfasser: Dipl.-Ing. Erhard Kargel. Elegant überspannt diese asymmetrische Hängebrücke mit einseitigem Pylon als Geh- und Radwegübergang zwischen dem deutschen Neuburg und dem österreichischen Wernstein den Inn. Hier gilt das Prinzip „Einordnung statt Konfrontation“. Der kühne Brückenschlag unterstützt die Typologie des Orts auf überzeugende Weise. Der 30 m hohe Pylon auf der durch eine Burg gekrönten Neuburger Seite lenkt die Blicke auf eine klassische Flusslandschaft

mit Steil- und Flachufer. Auf der flachen Seite, dem Ufer von Wernstein, wurden die Tragkabel in zwei niedrigen Dreiecksscheiben verankert. Die frei gespannte Hängebrücke mit ihrem einseitigen Pylon ist extrem schlank und leicht. Sie erreicht durch die Schmalheit des Steiges über die große Distanz von 144 m eine faszinierende Eleganz. Diese Grazie resultiert auch aus der geschickten Art der Vorspannung durch zwei Unterspannseile, die sie in horizontaler und vertikaler Richtung gegen Verformungen und Schwingungen stabilisieren. Das ermög­ licht eine schwingungsarme Konstruktion, die dank der in Auf- und Grundriss gekrümmten Unterspannungen ganz ohne Versteifungsträger auskommt. Fazit: Die Grenzbrücke zwischen Bayern und Oberösterreich ist technisch, gestalterisch und wirtschaftlich überzeugend, weil sie konstruktiv auf das Wesentliche reduziert ist – eine Brücke, bei der man nichts hinzufügen, aber auch nichts weglassen kann. Auch das Bauverfahren war relativ einfach und rational. Der besondere Reiz der Gehund Radwegbrücke Wernstein-Neuburg liegt in ihrer materiellen Reduktion auf ein absolutes Minimum.

Bild 1.6-21   Geh- und Radwegbrücke über den Inn bei Wernstein-Neuburg

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

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Bild 1.6-22   Gessental­ brücke in der Neuen Landschaft Ronneburg bei Gera

Gessentalbrücke in der Neuen Landschaft Ronneburg bei Gera (Bild 1.6-22) Maßgebender Entwurfsverfasser: Dipl.Ing. Richard J. Dietrich. Die Gessentalbrücke auf dem Gelände der Bundesgartenschau 2007 ist mit 225 m eine der längsten und innovativsten Holzbrücken Deutschlands. Technische Innovationen birgt das Bauwerk insbesondere in der ausgefeilten Konstruktion des Spannband-Überbaus. Als Teil eines Radfernwanderweges besticht die Brücke vor allem durch ihre Form. Bei der Gessentalbrücke ist erstmalig ein Spannband mit kompakten, blockverleimten Brettschichtholzplatten ausgeführt worden. Wie ein Seil schwingt sich dieses nur 50  cm dicke Zugband aus einer integralen Holzstahlverbundkonstruktion wellenförmig über drei Felder mit Stützweiten von über 50 m. Der Brückenbelag besteht aus Lärchenholzbohlen, die neben der Funktion als Gehbahn gleichzeitig zur Reduzierung der vertikalen Schwingungen dienen. Das Spannband wird durch extrem schlanke und helle Gruppen von Pendelstützen getragen, die sich in der „Krone“ verästeln. Das Spannbandsystem zeichnet sich

durch eine sehr wirtschaftliche Vorfertigung im Werk aus. Die durch Stahlblech und seitliche Sperrholzverkleidung geschützte Holzkonstruktion wurde materialgerecht und dauerhaft ausgeführt. Verschleißteile und Geländer sind leicht auswechselbar. Fazit: Mit der Gessental­brücke wurde eine innovative und nachhaltige Konstruktion realisiert, die sich mit den schlanken Stützen gut in die Landschaft einpasst. Ihre ungewöhnliche Gestalt macht die Brücke zu einem heiter-poetischen Bestandteil der terrassenförmig angelegten Landschaft des BUGA-Geländes. 1.6.8  Beschreibung der für den Brückenbaupreis 2006 und 2008 nominierten Bauwerke Vorbemerkung Im Folgenden werden die einzelnen preisgekrönten und nominierten Brücken, in der Regel von den maßgeblichen Entwurfsverfassern, erläutert.

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

1.6.8.1  Talbrücke Wilde Gera, Thüringen

Roland von Wölfel Bauherr: Bundesrepublik Deutschland, DEGES Entwurf und Projektleitung: Dr. sc. techn. Roland von Wölfel, Leonhardt, Andrä und Partner, Erfurt (damals Köhler und Seitz, Nürnberg) Ausführungsplanung: Dr. sc. techn. Roland von Wölfel, Leonhardt, Andrä und Partner, Erfurt (damals Köhler und Seitz, Nürnberg) Prüfung: Dr.-Ing. Zichner, Berlin (Unterbauten) Dr.-Ing. Haensel (†), Prof. Dr.-Ing. Hanswille, Bochum (Überbau) Ausführung: Adam Hörnig Baugesellschaft, Aschaffenburg Foto: Klaus Kappes, foto schüler, Zella-Mehlis

Das Verkehrsprojekt Deutsche Einheit Nr. 16 sah den Bau einer Autobahn durch den Thüringer Wald vor. Sie verbindet Thürin­gen mit Bayern und bindet den Thürin­ger Wald und die Regionen Suhl und Meiningen an das Autobahnnetz an. Die Trasse quert den Kamm des Thüringer Walds von Ilmenau nach Zella-Mehlis. Die Hauptkammdurchquerung bildet dabei der 8  km lange Rennsteigtunnel. Unmittelbar vor diesem Tunnel wird die Autobahn in Ost-Westrichtung über das tiefe Tal der Wilden Gera geführt. Die gewählte Trassen­ führung ergibt dabei Höhen von ca. 110 m über dem Talgrund. Weiterhin werden eine im Tal verlaufende Landesstraße und eine Eisenbahnstrecke überführt. Im Verwaltungsentwurf war eine Balkenbrücke ausgeschrieben mit konstanter Bauhöhe im Talfeld und linear veränderlichen Bauhöhen in den Hangfeldern. Die Konstruktionshöhe des Überbaus nahm dabei von 5 m im Talfeld auf 4 m bzw.

Bauzeit: 1997–2000

3,79 m zu den Widerlagern hin ab. Die Stützweiten betrugen 90 + 108 + 114 + 102 + 78 + 60 = 552 m. Ausgeführt wurde ein Sondervorschlag als Bogenbrücke. Dabei war von Vorteil, dass erst durch den einteiligen Überbau eine wirtschaftliche Bogenvariante möglich war. Eine Variante mit zweiteiligem Betonüberbau und zwei Bogen nebeneinander war kostenintensiver. Außerdem wird die Autobahn schiefwinkelig über das Tal geführt, die zwei versetzt angeordneten Bogen hätten auch gestalterische Nachteile. Der Sonderentwurf ergab gegenüber dem Verwaltungsentwurf einen Kostenvorteil von mehreren Millionen DM. Deshalb wurde aus wirtschaftlichen Gründen, aber auch aufgrund der besonderen ästhetischen Gestaltung, der Sondervorschlag Bogenbrücke vom Bauherrn ausgewählt. Dadurch erfolgten im Bereich der vorhandenen Deponie im Talgrund keine Gründungsmaßnahmen, die ursprünglich geplante Verlagerung der Depo-

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

nie ist somit nicht mehr erforderlich. Besondere Sicherungsmaßnahmen im Bereich des vorhandenen 100 Jahre alten Bahndamms, der als mauerverblendeter Damm ca. 60° geneigt und über 20 m hoch ist, und auch bei der Landesstraße konnten ebenfalls entfallen. Eine Verlegung der Wilden Gera war nicht mehr notwendig. Um eine „bogenfreundliche“ Gestaltung des Bauwerks zu erreichen, wurden einige geometrische Randbedingungen gegen­ über dem Verwaltungsentwurf verändert. Der Grundrissradius der Gradiente wurde im Bereich des Bauwerks von 5200 auf 7800 m vergrößert, um geringere Außermittigkeiten der Bogenpfeiler auf dem im Grundriss geraden Bogen zu erhalten. Eine weitere Vergrößerung des Radius oder sogar eine Gerade war nicht möglich, da die direkt angrenzende Schwarzbachtalbrücke bereits in der Ausführung war. Damit stand nur eine begrenzte Strecke zur Trassierungsänderung zur Verfügung. Außerdem wurde das gesamte Bauwerk um 3 m in westliche Richtung verschoben, um den Bogen symmetrisch ins Tal einzupassen und die Kämpferfundamente auf die gleiche Höhenkote zu setzen, was der Ästhetik zugutekommt, siehe auch Bild 1.6-11. Die Stützweiten der Bogenbrücke betragen bei unveränderter Bauwerksgesamtlänge 30 + 36 + 10 ∙ 42 + 36 + 30 = 552 m. Um die Bogenkämpfer weit genug vom Bahndamm und in gut tragfähigem Untergrund zu gründen, entstand die Bogenspannweite von 6 ∙ 42 m = 252 m. Sie war damit zu dieser Zeit die Bogenbrücke

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Deutschlands mit der größten Bogenspann­ weite. Die Abmessungen der rechteckigen Hohlpfeiler betragen 2,5 ∙ 9,0 m beim Regelpfeiler und 3,5  ∙  9,0 m beim Kämpferpfeiler. Die Wanddicke beträgt 30 cm, beim Kämpferpfeiler 40  cm. Der Pfeilerkopf ist so dimensioniert, dass neben den Lager­ sockeln das beidseitige Aufstellen von hydraulischen Pressen zum Anheben des Überbaus möglich ist. Da sich das Bauwerk als Zwischenquartier für die Besiedlung mit Fledermäusen eignet, erhielten alle Pfeiler an den Türöffnungen am oberen Abschluss einen Einflugschlitz von ca. 10 cm Höhe. Zutrittsbereiche der Widerlager und Hohlpfeiler sind mit Stein- bzw. Kiesschüttungen ausgestattet. Kunststoffrohre zur Entwässerung und Belüftung des Bogens wurden durch raue unglasierte Tonrohre ersetzt, um eine bessere Ultraschallübertragung zu gewährleis­ ten. Auf sonst übliche Vogelflugschutzvorrichtungen wurde gänzlich verzichtet. Als Bogenquerschnitt wurde ein 10,3 m breiter, zweizelliger Kasten mit Wand­dicken von 40 cm bei den Außenstegen, 35 cm bei der oberen und unteren Bogenscheibe und

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

30 cm am Innensteg gewählt. Die Bauhöhe beträgt am Kämpfer 5,5 m und verringert sich zum Scheitel auf 3,3 m. Der Mittelsteg ist aus statischen Gründen angeordnet, um möglichst die gesamte obere und untere Bogenscheibe zur statischen Mitwirkung bei der Biegebeanspruchung im Bauzustand heranzuziehen. Ein Massivbogen würde weniger Probleme beim Bewehren und Betonieren ergeben, durch sein höheres Gewicht bei gleicher Biegesteifigkeit aber größere Abspannmaßnahmen erfordern. Die Bogenform wurde im Zuge der Ausführungsplanung statisch optimiert, um die Biegemomente im Endzustand klein zu halten. Aus Eigenlast des Bogens würde eine parabelförmige Bogenform als Stütz­ linie entstehen. Konzentrierte Lasten an den Bogenpfeilern erzeugen Knicke in der Stützlinie. Diese wurden aus ästhetischen Gründen etwas ausgerundet, sodass optisch eine parabelähnliche Bogenform entstand. Jede Bogenhälfte wurde von den Kämpfern in 24 Takten von beiden Seiten aus zeitgleich im Freivorbau hergestellt. Im Schlusstakt wurde der Bogen geschlossen. Die Abschnittslängen betrugen je 6 m. Die einzelnen Takte waren gerade, da die erforderliche Krümmung bei jedem Takt unterschiedlich wäre, was den Schalungsaufwand erheblich erhöht hätte. Daraus ergibt sich eine polygonzugartige Bogenform, die aber optisch nicht auffällt. Um den Freivorbauwagen montieren zu können, wurde der erste Takt mit 7 m Länge auf Lehrgerüst erstellt.

Für die Abspannung wurden mit temporärem Korrosionsschutz versehene Litzenspannglieder vom Typ VBF 12-150 mit einer zul. Kraft von 1752 kN verwendet. Sie wurden nur bis maximal etwa 1500  kN beansprucht. Ab dem jeweils 13. Takt waren zusätzliche stählerne Hilfspylone auf den Kämpferpfeilern notwendig, um eine ausreichende Neigung der Abspannung zu erzielen. Die Einleitung der Rückhängekräfte der Bogenhälften wurden mit Felsankern in den Achsen 1 + 2 und 10 + 11 realisiert. Hierzu wurden innerhalb des Fundamentes Übergreifungsstöße zwischen der Abspannung und den Felsankern ausgebildet. Die Abspannung wurde über Koppelanker angeschlossen. Für die Erdanker wurden DYWIDAG AS  6815 mit einer zulässigen Vorspannkraft 2009  kN verwendet. Nach der Herstellung der Takte 124 und 224 im frei auskragenden, abgespannten Zustand erfolgte vor dem Betonieren des Schlussstücks ein vorgezogener Bogenschluss. Dafür wurde ein Stahldruckstück eingesetzt und durch geringfügiges Ablassen der Abspannung so auf Druck beansprucht, dass die Beanspruchungen aus Temperaturschwankungen während des Erhärtens des Schlussstücks aufgenommen wurden. Solche Temperaturschwankungen oder auch einseitiges Erwärmen des Bogens würden die Enden der beiden Bogenhälften um einige cm gegeneinander verschieben, was man dem im Erhärtungsprozess stehenden Beton nicht zumuten kann. Anschließend wurde

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

die Abspannung bis auf einige Seile, die für die Herstellung der Fahrbahnplatte des Überbaus notwendig sind, zurückgebaut. Der Brückenüberbau ist ein Verbundquerschnitt, bestehend aus einem trapezförmigen Stahltrog und seitlichen Fachwerk-Abstrebungen sowie einer Betonfahrbahnplatte für beide Richtungsfahrbahnen mit einer Breite zwischen den Geländern von 26,5 m. Seit Anfang der 80er-Jahre ist in der Bundesrepublik Deutschland festgelegt, dass bei zweibahnigen Straßen grundsätzlich getrennte Überbauten vorzusehen sind, um bei größeren Instandsetzungsarbeiten eine Fahrbahn sperren und den Verkehr auf die Gegenfahrbahn leiten zu können. Bei hohen Brücken ergeben sich neben den höheren Kosten der daraus resultierenden doppelten Unterbauten auch gestalterisch unbefriedigende Lösungen. Aus diesem Grunde wurde vom Bauherrn der einteilige Querschnitt gewählt. Bereits in der Ausschreibung wurde dabei ein Austausch des Verschleißteils Fahrbahnplatte unter laufendem halbseitigem Verkehr in Abschnitten von 15,0 m eingeplant. Dieser Wert wurde auf 14 m verringert und beträgt damit 1/3 der Feldweite, sodass die Arbeits­ fuge nie im Bereich der hohen Stützenmomente und daraus resultierenden hohen Zugbeanspruchungen liegt. Ein reiner Stahlüberbau mit einteiligem

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Querschnitt wurde sowohl aus Kostengründen als auch aufgrund der exponierten Lage und damit verbundener erhöhter Gefahr der Glatteisbildung ausgeschlossen. Ein reiner Betonüberbau ist zu schwer und auch bei einer Breite von 26,5 m in dieser Höhe aufwendig herzustellen. Der Zusammenbau der einzelnen Stahlmontageteile erfolgte hinter dem Widerlager West. Auf der 80 m langen Montagefläche wurden jeweils drei Schüsse vormontiert bzw. vorgerichtet und vollständig miteinander verschweißt. Im Bereich der Montagestöße wurde unmittelbar nach den Schweißarbeiten der werkseitig auf­ gebrachte Korrosionsschutz ergänzt bzw. ausgebessert. Der letzte Deckanstrich erfolgt nach dem Betonieren der Fahrbahnplatte. Nach der Fertigstellung eines 63 m langen Verschubtakts wurde die Stahlkonstruktion mittels ca. 2 m langer Verschublager über die Pfeiler hin­weg eingeschoben. Nach Einschub des Stahltrogs und Umsetzung auf seine end­gültigen Lager wurde die Fahrbahnplatte „in situ“ hergestellt. Hierzu sind zwei Schalungseinheiten an den beiden Widerlagern aufgebaut worden, die zeitlich versetzt starteten, sodass sie etwa in Bogenmitte zusammentrafen. Hierfür ist eine Lage der Bogenabspannung wieder aktiviert worden, um der ungleich­ mäßigen Bean­spruchung des Bogens entgegenzuwirken.

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

1.6.8.2  Eisenbahnbrücke Ingolstadt

Andreas Keil und Jörg Schlaich Bauherr: Deutsche Bahn AG, PB DE Nürnberg Entwurf: Schlaich Bergermann und Partner Ausführungsplanung: Ingenieurbüro Schütz, Kempten Ausführung: Dyckerhoff & Widmann Bauzeit: 1999–2001

Bild: Roland Halbe, Stuttgart

In Ingolstadt spannt eine neue eingleisige Fernbahn­brücke über die Donau. Sie liegt stadtseitig unmit­telbar neben einer bestehenden zweigleisigen Strecke. Die bestehenden drei­feldrigen Brücken mit zwei getrennten Überbauten und klassisch oben liegen­den Fachwerken mit je 55 m Spannweite stammen aus dem Jahr 1961. Das unmittelbare Umfeld der Brücke ist durch die grünen, baumbestandenen Ufer, den Blick über die Donau mit der historischen Altstadt und dem Neuen Schloss im Hintergrund bestimmt. Die unmittelbare Nachbarschaft zur bestehenden Brücke stellte weitere Randbedingungen, denn blickt man donauabwärts, sieht man die neue Brü­cke vor der alten Fachwerkbrücke liegen. Von der benachbarten Straßenbrücke aus donauaufwärts geblickt, erahnt man sie lediglich durch die vier Fachwerke der alten Brücke hindurch. Es galt also eine Brücke mit den vorgegebenen Spannweiten zu entwerfen, die neben den alten Fachwerkbrücken zurückhaltend den Fortschritt belegt und zugleich in

20–30 Jahren mit der glei­chen – oder einer wieder weiterentwickelten – Konstruktion verbreitert werden kann. Da es eigentlich keine Begründung für eine große Spannweite über dem linken Ufer gibt, hat die neue Brücke im Vergleich zu den Fachwerkbrücken nur zwei Hauptfelder mit je 55 m über der Donau, dazu am rechten Ufer ein Randfeld mit 19,5 m und am linken Ufer 3 Randfelder mit 22,3 – 19,0 – 13,4 m. Nach einigen Variantenstudien kam es zu einem flächigen, gedrungenen, in bewusstem Gegensatz zu der in Stäbe aufge­ lösten jetzigen Brücke stehen­denden Entwurf: einer durchlaufenden Trogbrücke mit materialgerechten, entsprechend dem Momen­tenverlauf gewellten Stegen aus Stahl, die beidseits auf die Stahlbeton­ bodenplatte unter den Gleisen aufgesetzt sind. Bei der gewählten Stegform sind in den Hauptfel­dern die Zugkraft im Flansch des stählernen Stegs und die Druckkraft in der Betonplatte unter einer Gleichlast über die

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

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Donau

Donau

13.42

19.00

22.30

55.15 184.09

ganze Brückenlänge konstant und visualisieren den vorherrschenden Lastabtrag. Die Steifen der Stege sind schräg und fächer­artig angeordnet, dass sie die Richtung der Hauptdruck­kräfte und deren Weg in die Auflager abbilden. Dort, wo diese Auflagerkräfte abhebend wirken, also in den Endfeldern, sind Zugpendelpaare unter den Stegen angeordnet. Wenn diese Brücke in 20–30 Jahren verbreitert werden muss, bietet es sich an, die Konstruktion einfach zu verdoppeln. Denn im Gegensatz zu an­deren Bauarten wie z. B. Stabbögen oder Fachwer­ken, die in Reihung eher wirr und versperrend wir­ken, vertragen sich die gewählten Wellenformen in einer Addition gut und erscheinen dann noch schö­ner und plastischer. Die Brücke ist nicht nur aufgrund der statischen Berechnungen und der konstruktiven Ausbildung sehr anspruchsvoll. So wichen z. B. die Verbund­bauweise ohne Längsvorspannung, die Verwendung von Blechstärken größer als 60 mm und die Gelenklager in den Pendelstützen im Vorland-

54.72

bereich von den Richtlinien der DB ab und es mussten Zustimmungen im Einzelfall und unternehmensinterne Genehmigungen eingeholt werden. Bei der statischen Berechnung und Bemessung der Brücke waren außer den Spannungs-, Gebrauchs­tauglichkeits- und Dauerfestigkeitsnachweisen auch detaillierte Betrachtungen zur seitlichen Ober­ gurt­stabilität des Stahlsegels notwendig. Ebenso musste der Montageablauf mit seinen verschiedenen Bau­zuständen und die damit „eingefrorenen“ Span­nungs­zustände bei der Schnittkraftermittlung be­rück­sich­ tigt werden. Die Montage des Stahlbaus erfolgte gerüstfrei. Große vorgefertigte Stahlteile wurden mit Auto­kränen eingehoben und zu dem durchgehenden Stahltrog zusammengefügt. Mit einem auf den Obergurten der Längsträger fahrenden Schalwagen wurden die Betonlängsträger hergestellt. Auch die Betonplatte wurde mit eingehängten Schalungen zwischen den Stahlquerträgern in Ortbeton hergestellt.

Hauptabmessungen: Stützweiten Gesamtlänge Gesamtbreite Konstruktionshöhe Betonplatte

19.50

13,42 – 19,00 – 22,30 – 55,15 – 54,72 – 19,50 m 184,09 m 6,70 m Stütze 5,35 m Feld 2,30 m D = 25 cm

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

1.6.8.3  Die Luckenberger Brücke in Brandenburg an der Havel

Peter Poitzsch Bauherr: Stadt Brandenburg, Tiefbau- und Grünflächenamt Entwurf: VIC Brücken und Ingenieurbau GmbH Potsdam Architektonische Beratung: Kolb+Ripke Architekten, Berlin Ausführung: Heinrich Klostermann Baugesellschaft mbH, Velten Gebrüder Kemmer, Berlin Bauzeit: 2000–2001

Die Luckenberger Brücke ist ein innerstädtisches Bauwerk. Sie überspannt in der Stadt Brandenburg die Havel. Das Bauwerk ist Ausdruck des Gestaltungswillens des Auftraggebers und der fruchtbaren Zusammenarbeit von Ingenieuren und Architekten in allen Phasen der Planung und Bauausführung. Die Konstruktion ist die Basis für das Gestaltungskonzept. Konstruktion und Gestaltung bilden eine Einheit. Sie wurden konsequent aus den funktionalen und technischen Randbedingungen entwickelt. Auf ausschließlich schmückende Elemente wurde verzichtet. Die angrenzende Bebauung und die Topografie der Havelufer erfordert eine möglichst flache Gradiente mit auch für Radfahrer angemessenen Tangentenneigungen. Gleichzeitig müssen die Forderungen hinsichtlich des Schifffahrtsprofils unter der Brücke erfüllt werden. Diese Anforderungen beschränken die Bauhöhe des Überbaus einschließlich Brückenbelag auf 75 cm.

Als für die Randbedingungen sinnvolle und angemessene Konstruktion wurde ein Sprengwerk aus Stahlbeton gewählt. Die pfeilerlose schlanke Konstruktion passt optimal in die sensible städtebauliche Situation des parkartigen Areals und setzt ein selbstbewusstes, aber die Umgebung respektierendes Zeichen. Die Schlankheit der Brücke erreicht mit l/h = 63 m einen Wert, der bei vergleichbaren Massiv­bauten nahezu beispiellos ist. Der Brückenquerschnitt ist ein vierstegiger Plattenbalken mit einer Breite von 12,50 m. Der Querschnitt trägt zwei Straßenbahngleise im Fahrbahnbereich und beidseitig je einen Geh- und Radweg. Die Brückenwiderlager sind auf jeweils 12 Großbohrpfählen mit einem Durchmesser von 1,20 m und einer maximalen Länge von 20,70 m gegründet. Um diese sehr schlanke Konstruktion zu ermöglichen und Langzeitverformungen sowie Schwingungsanfälligkeit zu minimieren, wurde die Brücke in Hochleistungsbeton der Festigkeitsklasse B  85

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

(C  70/85) hergestellt. Sie war damit zum Zeitpunkt ihrer Errichtung die größte mit Hochleistungsbeton gebaute Brücke in Deutschland. Die Brücke ist als integrale Konstruktion ohne Lager und Übergangskonstruktion und durch den eingesetzten Hochleistungsbeton ein sehr robustes Bauwerk, das eine wirtschaftliche Unterhaltung erwarten lässt. Für die Realisierung des Bauwerks wurden verschiedene technische und technologische Maßnahmen umgesetzt, die den Besonderheiten des Hochleistungsbetons Rechnung trugen und die Qualität und Wirtschaftlichkeit des Bauvorhabens gesichert haben. So wurden die Schrägstiele des Sprengwerks als Fertigteile im Werk vorgefertigt und auf der Baustelle in das entsprechend vorbereitete Lehrgerüst eingesetzt. Bei der Betonage wurde der Überbau in zwei Abschnitte unterteilt, die im Brückenscheitel durch eine 1 m breite Schlusslücke

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getrennt und noch nicht mit den Widerlagern verbunden waren. Zur Minimierung der Rissbildung infolge Frühschwindens wurden beide Abschnitte zentrisch vorgespannt. Nach dem Aushärten des Betons wurden in die Schlusslücke horizontal arbeitende Pressen eingesetzt, mit deren Hilfe der Überbau aus dem Lehrgerüst gedrückt werden konnte. Durch die Schlusslücke und den Presseneinsatz konnten Zwangsbeanspruchungen des Überbaus vermieden werden. Die horizontalen Setzun­gen des Bauwerks aus der Sprengwerkwirkung wurden weitgehend vorweggenommen und die Überbauteile konnten vor dem Schließen der Schlusslücke und der Herstellung der biegesteifen Verbindungen zu den Widerlagern entsprechend der Sollgradiente ausgerichtet werden. Mit einer technisch innovativen Lösung konnte eine Brücke entworfen und gebaut werden, die einen hohen Anspruch an Funktionalität, Ästhetik, Wirtschaftlichkeit und Dauerhaftigkeit erfüllt.

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

1.6.8.4  La-Ferté-Steg Stuttgart-Zuffenhausen

Roland Wetzel

Bauherr: Landeshauptstadt Stuttgart, Tiefbauamt Entwurf: Peter und Lochner, Beratende Ingenieure für Bauwesen GmbH, Stuttgart; Projektleiter: Dr.-Ing Matthias Schüller Architektonische Beratung: ‚asp‘, Arat – Siegel & Partner, Stuttgart Ausführung: Max Früh GmbH & Co. KG, Achern Foto: Dietmar Strauß, Besigheim

Entwurf Der La-Ferté-Steg ist eine stark frequentierte Verbin­dung zu Hallenbad, Schule und Festplatz über eine vierstreifige Straße mit mittig liegender Straßenbahn­trasse hinweg. Der Entwurf als Ergebnis der interdisziplinären Zu­sammenarbeit von Architekt und Ingenieur sieht bei der vorhandenen Geländesituation, mit einem Hang auf der einen und einer weit, nahezu flach aus­ laufen­den Wiese auf der anderen Seite der Haldenrain­straße, eine unsymmetrische Balkenbrücke mit 119 m Länge über sieben Felder vor, die sich auf der Hang­seite in eine Wandscheibe einspannt und dann gera­ dezu leichtfüßig den 28,50 m breiten Verkehrsraum frei überspannt. Im Grundriss beschreibt die Brückenachse die Form einer Kreisbogenlinie mit einem Radius von 53,70 m. Die damit verbundene leicht begreifbare und über­sichtliche Wegeführung dient der Orientierung und der Verkehrssicherheit auf der Brücke. Ein wichtiger Aspekt, wenn man bedenkt, dass Fußgänger und Radfahrer gemeinsam auf einer Fläche verkehren. Die Kreisbogenform der Brücke begünstigt

Bauzeit: 2000–2001

nicht nur die Integralbauweise ohne Übergangskonstruktionen, sondern ermöglicht auch eine Stützung lediglich entlang der Mittelachse des Querschnitts. Dies dient der Transparenz unter der Brücke und erzeugt so ein ruhiges Gesamtbild. Gestaltung Damit die Brücke – auch im Bereich der großen Spannweite – als eine Einheit verstanden werden kann, wird die Geh- und Radwegplatte mit gleich bleibenden Abmessungen durchgeführt. Die untere Kontur des Plattenbalkens erhält zu den Widerlagern hin einen parabelförmigen Verlauf und bindet so in einem Schwung in das Gelände ein, um das „He­raus­wachsen“ des Überbaus aus dem Gelände zu betonen. Der Übergang vom Plattenbalkensteg zu den Wandscheiben erfolgt fließend. Eine formale Tren­nung wird bewusst nicht vorgenommen, um den monolithischen Charakter der zusammengehörenden, in einem Guss betonierten Tragelemente Plattenbal­ ken und Wandscheiben zu erhalten.

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

Mit abnehmender Höhe der Brücke über Gelände werden die Spannweiten des Überbaus verkürzt, wodurch die Proportionen zwischen Feldweiten und Höhe der Brücke über Gelände ausgewogen bleiben. Gemäß den abnehmenden Spannweiten verringert sich auch die Höhe des Plattenbalkenstegs. Hierdurch wirkt der Überbau in Bodennähe und somit auch in unmittelbarer Nähe des Betrachters weiterhin sehr schlank. Auf der Ostseite mündet der Plattenbalken mit 45 cm Konstruktionshöhe unauffällig in ein klei­nes Widerlager, das ebenfalls die Proportionen wahrt. Die verschiedenen Tragelemente – zum einen der aus dem Hang organisch heraus wachsende massive Plattenbalken und zum anderen die dünnen, silberfar­benen Stahl-

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stützen – dokumentieren den Kontrast in Material und Funktion. Die unauffälligen Stützen lassen den Überbau optisch schweben; der Betonträger erhält somit eine Leichtigkeit, die den städtebaulichen Raum wenig belastet. Das sehr dünne Gesimsband und das filigrane Füllstabgeländer tragen hierzu in erheblichem Maße bei und sind ein wesent­licher Bestandteil des gestalterischen Gesamtkon­zepts. Tragverhalten Um Temperaturzwänge klein zu halten, darf das seitliche Ausweichen des Überbaus nicht behindert werden. Die Stahlstützen sind an ihren Enden so geformt, dass sie sich praktisch wie „Pendelstützen“ ver­ halten.

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

Foto: Dietmar Strauß, Besigheim

Foto: Dietmar Strauß, Besigheim

Deshalb erhalten sie im Wesentlichen nur Normal­kräfte, auch wenn sich der Überbau infolge von Temperaturschwankungen ausdehnen oder zu­sam­menziehen will. Die Stützen wurden im Werk aus je zwei Gussteilen und einem Rohr zusam-

men ge­schweißt. Die Gussteile sind aus einem hochfesten Stahlguss (GS-18NiMoCr3-6, Festigkeitsstufe  I, nach SEW  520) mit guter Schweißeignung gefertigt, die Rohre bestehen aus Baustahl St 52 und haben einen Durchmesser von 219 mm bzw. 168 mm. Die „Wei­zenbierglasform“ der Gussteile wurde in direktem Bezug zum gewünschten Tragver­halten gewählt. Um die Temperaturbewegungen des Überbaus zu ermöglichen, müssen die an den Stützenenden be­findlichen Gussteile eingeschnürt werden, damit die mit dem „Pendeln“ der Stützen einhergehenden Ver­ formungen in den kritischen Querschnitten nicht zu untragbaren Beanspruchungen führen. Der Stahlbetonplattenbalken des LaFerté-Stegs trägt die Vertikallasten wie ein klassischer Kreis­ringträger ab. Vereinfachend kann er als ein räumlicher Biege­stab betrachtet werden, der zu den beiden Enden voll eingespannt wird und entlang seiner Achse lediglich durch horizontal verschiebbare Punktlager gestützt ist.

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

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Aus Sicherheitsgründen wurde der Überbau für den Katastrophenlastfall „Ausfall der Stütze 1“ be­messen, trotz angeordnetem Anprallschutz. Integrale Bauweise Fugen stellen im Brückenbau häufig Schwachpunkte dar, die aufwendig saniert werden müssen. Können die mit der fugenlosen Bauweise verbundenen Zwänge kontrolliert werden, dann kommt dies der Dauerhaftigkeit in besonderem Maße zugute. Die Zwänge werden am besten durch das Ausweichprin­zip kontrolliert, d. h. man lässt die Zwänge erst gar nicht entstehen. Aufgrund seiner Bogenform im Grundriss kann hier der Überbau Zwängen aus Tem­ peratur gut ausweichen. Unterschiedliche Setzungen bereiten dem schlanken und damit relativ biegewei­chen Träger ebenfalls keine Probleme. Für geringe Rissabstände und somit kleine Rissbreiten sorgt eine durchgehend eingelegte Mindestbewehrung mit Durchmesser 14 mm alle 10 cm. Die lagerlose Bauweise wurde durch die spezielle Stützenform und das damit verbundene „Stützenpen­deln“ möglich. Sie kommt besonders der Bauausfüh­rung und der Wartung, aber auch der Gestaltung entgegen, weil die Details einfach gehalten werden können. Zudem entfällt der mit Inspektionen oder Lagerwechseln verbundene Aufwand. Brückenausstattung Zur Ausführung gelangte ein glasperlen­ gestrahltes Edelstahlgeländer mit einem Flachstahlhandlauf und Rundstahlfüllstäben. Um die Füllstäbe des leicht nach innen geneigten Geländers möglichst dünn zu halten, wird das Geländer im Abstand von ca. 2 m von je­weils zwei Streben stabilisiert. Die zylindrischen Beleuchtungskörper aus Edelstahl sind an jedem vierten Strebenpaar auf der Kurveninnenseite befes­tigt. Die auskragende Randkappe mit ihrem dünnen Ge­simsband dient einmal den Ge-

Foto: Dietmar Strauß, Besigheim

länderstreben als Auf­standsfläche, zum anderen ermöglicht sie einen zier­lichen, nur 36 cm über die Kappe hinausragenden Berührungsschutz zu den Hochspannungsleitungen der Stadtbahn. Der stählerne Treppenturm ist eine eigenständige Konstruktion und nicht mit der Brücke verbunden, damit sich die seitlichen Verformungen des Überbaus bei Temperaturschwankungen ohne Behinderung einstellen können. Die beiden vierendeel-artigen Stüt­zen, die Treppenwangen und das Geländer sind aus Baustahl S235JR gefertigt. Die Trittflächen der Stu­fen und Podeste bestehen aus Edelstahltränenblechen, die auf Neoprenstreifen zur Trittschalldämmung und zur Vermeidung von Kontaktkorrosion auflagern. Herstellung Nach dem Herstellen der Bohrpfähle und der Funda­mente für Widerlager und Stützen wurde das Lehrge­rüst aufgebaut. Wegen des geringen Abstands der Überbauunterkante zur Oberleitung der Stadtbahn entschied man sich für eine Traggerüstkonstruktion, die aus Längsträgern mit hängenden Querträgern besteht. Um die Schwindverformungen möglichst klein zu halten, wurde der Überbau in drei Abschnitten beto­niert, mit einer Schwindlücke in Brückenmitte, die erst vier Wochen später geschlossen wurde.

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

1.6.8.5  Brücke über die Gahlensche Straße, Bochum

Knut Göppert und Andrea Wittel Bauherr: Kommunalverband Ruhrgebiet Kronprinzenstraße 35 45128 Essen Entwurf: Schlaich Bergermann und Partner mit von Gerkan, Marg und Partner Ausführungsplanung: Schlaich Bergermann und Partner Hohenzollernstraße 1 70178 Stuttgart Ausführung: MSD Maschinen- und Stahlbau Dresden Foto: Thomas Riehle, Köln

Aufgabenstellung Im Rahmen eines konzentrierten Wettbewerbs an zwei Tagen wurden 1997 direkt vor Ort die Ideen für drei Brücken im Westpark entwickelt. Die Brücke über die Gahlensche Straße, im Wettbewerb unter Mitwirkung von Gerkan Marg und Partner Architekten erarbeitet, wurde als Bindeglied zwischen Westpark und Erzbahntrasse von der Jury zur Realisierung vorgeschlagen. Damit erhielt die inzwischen als Radund Wanderweg genutzte, derzeit 20  km lange, Erzbahntrasse eine direkte Anbindung an die umgebaute Jahrhunderthalle. Entwurfsidee/Konzept Ausgehend von den Wegebeziehungen der Radfahrer legt sich die Brücke „dynamisch“ über die unübersichtliche und indifferente Situation aus Straße, Gleisanlagen und Rohrbrücke.

Bauzeit: 2002–2003

Die 30 m hohen Maste wirken als Landmarken und markieren bereits aus der Ferne deutlich sichtbar den Standort der Überquerung. Die über der Brücke angeordnete Aufhänge-konstruktion vermittelt Sicherheit und lenkt den Fußgänger und Radfahrer über die Brücke. Zusammen mit den an den Tragrippen angeordneten Hängerseilen, deren Neigung sich stetig ändert, wird dem Benutzer so das Erlebnis eines dreidimensionalen Tragwerkes vermittelt. Die S-Kurve verbindet gestalterische Absicht, Wegeführung und die konstruktiven Vorteile einer gekrümmten Brücke in idealer Weise. Konstruktion Die gekrümmte Form der Brücke lässt sich ideal nutzen. Der Ringträger muss nur auf einer Seite gestützt werden, braucht also als

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

Hängeseilbrücke statt der üblichen zwei Tragseile nur eins. Durch seine Kreisringform wandelt er das Kippmoment aus der einseitigen Aufhängung in ein Kräftepaar, oben in der Platte Zug und unten im Rohr Druck, und wird so als reiner Stahlquerschnitt mit einer dünnen Schicht Aufbeton als Gehwegbelag konstruiert. Der wechselnd gekrümmten Form des Überbaus folgend werden zwei zum jeweiligen Kreismittel­punkt hin geneigte Maste angeordnet, die jeweils eine Brückenhälfte tragen. Die Verankerung der Tragseile erfolgt an den Widerlagern, die aufgrund der schwierigen Bodenverhältnisse auf bis zu 30 m langen Pfählen aufgeständert sind. Da die beiden Maste so angeordnet wurden, dass die Trageseile tangential am Mastkopf anschließen, sie im Schwerpunkt

Grundriss

Querschnitt

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der jeweiligen Brückenhälfte und mit ihren Kugelfußpunkten unterhalb der Brücke liegen, kann auf Abspannseile verzichtet werden. Montage Der Überbau – bestehend aus dem Stahltrog der Gehwegplatte, dem Druckrohr und dem aussteifenden Fachwerk – wurde in Schüssen von bis zu 25 m Länge in der Werkstatt vorgefertigt, in der end­gültigen Lage über den Gleisen auf Hilfsstützen aufgebaut und verschweißt. Mit dem Einhängen der Trag- und Hängerseile wurde der Überbau aus den Hilfsstützen gehoben und die, bis dahin durch Hilfsabspannungen gesicherten, Maste stabilisiert. Auf der bereits frei hängenden Brücke wurde dann der Aufbeton der Gehwegplatte eingebracht und das Geländer montiert.

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

1.6.8.6  Holzbrücke über die Freiberger Straße im Forstbotanischen Garten Tharandt

Uwe Fischer Bauherr: SIB – Sächsisches Immobilien- und Baumanagement, NL Dresden II Gestaltungsentwurf, Architektur: Kathrin Gädeke, Andre Dreßler Betreuung (TU Dresden): Prof. Schulten, Prof. Haller, Prof. Roloff Vorplanung: Schulze + Partner, Architekten Entwurf und Projektleitung: Planungsbüro Bonk & Herrmann, Dresden Planungsbüro für konstruktiven Ingenieurbau Ausführung: Schmees & Lühn Holz- und Stahlingenieurbau GmbH Bauzeit: 2003–2004

Ziel der Baumaßnahme war es, die beiden Teile des Forstbotanischen Gartens Tharandt der TU Dresden durch eine die Staatsstraße S  194 überquerende Fußgängerbrücke miteinander zu verbinden. Der Entwurf dazu basiert auf dem Ergebnis eines Studentenwettbewerbs der TU Dresden, Fakultät Architektur. Im Rahmen der Entwurfsplanung erfolgte durch das Planungsbüro Bonk & Herrmann eine grundsätzliche Überarbeitung der Gestal­tungskonzeption sowie der statisch konstruktiven Ausbildung des Bauwerks. Die Brücke hat eine Länge von 117 m und eine nutzbare Laufbreite von 2,50 m und passt sich mit wechselnden Krümmungen im Grund­riss und einer Steigung entgegen dem Anstieg des Zeisiggrunds der örtlichen Situation so­wie dem Baumbestand des Forstbotanischen Gartens an. Als Tragkonstruktion kamen 22 cm dicke, werksseitig vorgefertigte Brett­schicht­

holzele­mente mit stehenden Lamellen zum Einsatz. Zur Realisierung der Grund­riss­ lösung war eine extreme Krümmung dieser Brettschichtholz­-Elemente (Achs­radius 16,25 m) erforderlich. Die Einzelelemente wurden durch teilweise ins Holz eingelasse­ ne Stahlteile zu einem Durchlaufträger über alle 16 Felder gekoppelt. Die Stützen bestehen jeweils aus drei Stahl­rohren Ø  14  cm sowie einem ge­ schweißten dreieckigen Kopfrahmen mit kastenförmigem Querschnitt. Aus der Anpassung an den Geländeverlauf ergeben sich die Stützenlängen zu 1,2 m bis 10,8 m. Zur Begrenzung der seitlichen Verformung des Überbaus wur­den jeweils nach vier Elementen Abspannun­gen vorgesehen. Die zylinderförmigen Stüt­zen­ fundamente aus Stahlbeton ruhen auf je­ weils drei räumlich angeordneten Kleinbohr-Ver­presspfählen mit einer Anpassung an die teil­weise extreme Gelände­ neigung.

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

Das Geländer unterstützt durch die sehr trans­parente Geländerfüllung aus einem Edelstahl­netz den Gesamteindruck der filigranen Kon­struktion eines über die gesamte Brückenlän­ge durchlaufenden Holzbands.

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Durch die Kombination von Holz und Stahl und ihre eleganten, mit der natürlichen Umgebung des Forstbotanischen Gartens harmonierende Konstruktion bildet die Brücke ein gelungenes ingenieurtechnisches Bauwerk.

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

1.6.8.7  Die Humboldthafenbrücke in Berlin

Hans Schober und Jörg Schlaich Bauherr: Deutsche Bahn AG Entwurf: Schlaich Bergermann und Partner, Stuttgart Ausführungsplanung: Leonhardt, Andrä und Partner, Stuttgart Ausführung: ARGE Brücke Humboldthafen Porr Technobau Berlin GmbH, Subunternehmer: DSD Dillinger Stahlbau GmbH: Stahlbau Thyssen Guss AG, Mülheim/Ruhr: Stahlguss Mannesmann Handel GmbH: Stahl­rohre Bild: Oltmann Reuter, Berlin-Charlottenburg

Bauzeit: 1997–1999

Nach dem Mauerfall entstand am Spreebogen im Herzen Berlins der neue Hauptbahnhof, ein zentraler Kreuzungsbahn­hof am Schnittpunkt der unterirdischen NordSüd-Trasse mit der oberirdischen OstWest-Verbindung. Die in Hochlage geführte sechsgleisige und 1000 m lange Ost-West-Trasse überquert unmittelbar östlich des Hauptbahnhofs mit zwei eingleisigen und zwei zweigleisigen Brücken das Humboldthafenbecken (Bild 1.6-19). Die 180 m lange Humboldthafenbrücke – ein Teilabschnitt des gesamten Brückenzugs – weitet sich von ca. 33 m im Osten auf ca. 66 m im Westen auf. Auf den beiden äußeren eingleisigen Brücken lagert ein 105 m langer Teil des 340 m langen gläsernen Bahnsteigdachs. Die Planung war 1997 im Wesentlichen abgeschlossen. Die Einweihung des Bahnhofs fand 2006 statt.

Der Entwurf Ziel unseres in Zusammenarbeit mit M. von Gerkan ausgearbeiteten Entwurfs war es, für den gesamten 1000 m langen Brückenzug ein einheitlich gestaltetes Tragwerk mit möglichst geringer Bauhöhe und weitestgehend freier Durchsicht zu schaffen. Die geringe Höhe von nur 10 m über Gelände legt es nahe, enge Stützenabstände um 20–25 m zu wählen, die für den durchlaufenden Überbau eine Bauhöhe von nur ca. 1,70 m erlauben. Schlanke Stahlrohrstützen mit lediglich 660 mm Durchmesser sind mit dem Überbau fest verbunden und ermöglichen durch ihre Verformbarkeit eine weitgehend lagerfreie Konstruktion. Robuste Platten- und Plattenbalkenquerschnitte aus schlaff bewehrtem Beton und im Bereich der Humboldthafenbrücke aus vorgespanntem Beton bilden den Überbau.

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

Die beiden Stege des zweigleisigen Überbaus wie auch die sie tragenden Stahlrohrstützen folgen mittig den sich aufweitenden Gleisachsen. Die beiden äußeren, das Bahnsteigdach tragenden, eingleisigen Brücken sind als massive Plattenstrei­fen ausgebildet, die von Doppelstützen mit 4 m Querabstand symmetrisch unter der Gleisachse gestützt werden. Alle Kragarme und die Flächen zwischen den Stegen sind bei diesen „Brücken zum Anfassen“ korbbogenförmig ausgerundet, was zusammen mit der Grundrisskrümmung zwar eine anspruchsvolle Schaltechnik verlangte, aber im Ergebnis eine sehr schön gestaltete Brückenuntersicht und -ansicht ergab. Die durchgängig einheitliche Gestaltung wurde auch über dem Hafenbecken bei Spannweiten von bis zu 60 m verwirklicht, indem die Platten- bzw. Plattenbalkenquerschnitte von Stahlrohrbogen mit enger Aufständerung zusätzlich gestützt wurden, sodass die schlanke Überbauhöhe von 1,70 m auch hier beibehalten werden konnte. Die Stahlrohrbogen waren im ursprünglichen Entwurf schräggestellt und mündeten am Kämpferwiderlager in einen Punkt und gaben so dem Tragwerk eine ausgeprägte dritte Dimension. Um Kosten zu sparen, wurden diese dann im Zuge der Ausführungsplanung zusammen mit den Ständern senkrecht gestellt und im Grundriss abschnittsweise begradigt. Zur Optimierung des Bogenstichs und Verringerung der Normaldruckkräfte im

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Bogen taucht der Stahlrohrbogen in den Betonüberbau ein, natürlich ohne das Stahlrohr im Beton weiterzuführen. Ein entsprechend geformter Bogenkopf sorgte für die Krafteinleitung in den Betonüberbau. In den angrenzenden Seitenfeldern verkürzen Streben die freie Spannweite des Seitenfelds, aber auch den vom Widerlager zu tragenden Bogenschub. Um auch den Bogen möglichst schlank zu halten, wurde er als Stabbogen konzipiert, der im Wesentlichen nur Normalkräfte erfährt und durch den Überbau ausgesteift wird. Zur Minimierung der Biegebean­ spruchung wurde die räumliche Geo­metrie des Bogens über eine Formfindungs­ be­rechnung am umgekehrten Hänge­­ modell gefunden und die Biegesteifigkeit durch Verwendung dickwandiger Stahl­ rohre mit Wanddicken von 100 mm reduziert. So blieb der Rohrquerschnitt unter allen Lastfällen überdrückt und konnte theoretisch über Kontakt gestoßen werden. Zur Sicherheit wurde jedoch eine mindestens 40%ige Verschweißung vor­ gesehen. Die Innovation Lagerlose Brücken Im Gegensatz zu herkömmlichen Brücken wurde die Überbauverschieblichkeit nicht mit Verschiebelagern auf massiven Betonpfeilern ermöglicht, sondern durch im Überbau eingespannte schlanke elastische

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Bogenrohr ø660 Riegel + Ständer ø508 Diagonalen ø267

Stahlrohrstützen mit Wanddicken bis 60 mm. Rohrknoten aus Stahlguss Es wurden erstmals im modernen Großbrückenbau Stahlgussteile für Rohrknoten verwendet. Mit Stahlguss erhält man homogene, robuste Knoten mit vereinfachter Geometrie und optimiertem inneren Kraftfluss, die ein wesentlich günstigeres Ermüdungsverhalten und eine viel längere Lebensdauer bei vermindertem Wartungsaufwand aufweisen als geschweißte Knoten. Dies hat folgende Gründe: • Man kann die Schweißnaht vom Knoten weg in weniger beanspruchte Bereiche mit guter Zugänglichkeit legen. • Stahlguss erlaubt bei noch so komplizierten Knotengeomet­rien fließende Formen.

• Man kann die Knotengeometrie und Wanddicken optimal dem inneren Kraftfluss anpassen. • Stahlgussfehler haben größere Kerbradien als Schweißfeh­ler und verhalten sich hinsichtlich der Ermüdung günstiger. • Gussknoten sehen gut und vertrauenserweckend aus, weil sie natürlich geformt sind. Ein ganz wesentlicher Entwurfsgedanke bestand daher in der Verwendung von Stahlgussknoten aus kaltzähem Stahlguss mit guter Schweißeignung für sämtliche Rohrknoten. Folgende Knotentypen wurden vorgesehen: • Bogenknoten mit Anschlussstutzen für Ständer und Querriegel (3,2 t). • Bogenkopf (2,8 t). • Bogenkämpfer (24 t). • Kreuze von Diagonalverbänden am Bogenkämpfer.

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

Überbau: beschränkt vorgespannte Platte bzw. Plattenbalken, Betonfestigkeitsklasse B55 alle restlichen Brücken: schlaff bewehrte Platten/ Plattenbalken, Betonfestigkeitsklasse B45 Stützweiten der Humboldthafenbrücke: ca. 21/26/32/60/28/21 m (Gesamtlänge 190 m) Bauhöhe Überbau: 1,70 m Stützen: nahtlose Stahlrohre Ø 660, 60 mm Wand­ dicke bzw. Ø 508 mm, 50 mm Wandstärke, Stahl S 355 J2H Bogen: dickwandige nahtlose Stahlrohre, ø660 mm, 100 mm Wanddicke mit Kontaktstoß zu den Bogenknoten, Stahl S 355 J2H

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Bogenständer: nahtlose Stahlrohre Ø 508 mm, 60 mm Wanddicke, mit Bogenknoten voll ver­ schweißt Diagonalverband am Widerlager: Rohre Ø 267 mm, 45 mm Wanddicke Stahlgussteile (Stahlguss GS 20 Mn 5 V): Bogenknoten, Bogenkopf, Bogenkämpfer (24 t), Knoten Diagonalverbände am Wider­ lager Literatur: [Schlaich/Schober, 1999-1 und -2] und [Seifried et al., 1999]

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1.6.8.8  Saalebrücke Jena-Göschwitz

Thomas Kleb Bauherr: Freistaat Thüringen Entwurf und Projektleitung: Dipl.-Ing. Thomas Kleb, Dipl.-Ing. Torsten Weise, Ingenieurbüro Kleb GmbH, Erfurt Ausführungsplanung: Dr.-Ing. Horst Kinkel Kinkel und Partner, Neu-Isenburg Prüfung: Dr.-Ing. Hans-Peter Andrä, Stuttgart Ausführung: Gerdum und Breuer Bauunternehmen GmbH, Kassel Bauzeit: 2004–2006

Dem Beschluss der Bundesregierung zum sechsstreifigen Ausbau der BAB  A  4 von Eisenach bis Dresden entsprechend, wurde die vorhandene Saalebrücke JenaGöschwitz zur Aufnahme der Richtungsfahrbahn Dresden/Eisenach mit vier Fahrspuren ertüchtigt. Parallel zum vorhandenen Bauwerk wird mit einem lichten Abstand von 5 m südlich eine zusätzliche Brücke zur Aufnahme der Richtungsfahrbahn Eisenach – Dresden erforderlich. Die nach über zweijähriger Bauzeit am 18.  August 1939 erfolgte Verkehrsfreigabe der alten Saalebrücke überspannt mit 17 proportional zur Talhöhe ansteigenden Steinbogen das eher flache, weite Saaletal. Der größte Bogen erreicht eine lichte Öffnungsweite von 31,43 m und lichte Höhen von ca. 19,75 m. Die sichtbaren Bogen bestehen aus Muschelkalk, während die im Inneren befindlichen Spargewölbe aus Klinkermauerwerk bestehen. Die Brückengesamtlänge beträgt 794,03 m, die Nutzbreite

19,70 m. Die im Zweiten Weltkrieg zerstörten zwei Bögen über die Saale wurden nach Kriegsende detailgetreu wieder aufgebaut. Das Bauwerk beherbergt neben einer Kolonie von Turmfalken seit den 40er-Jahren die größte Dohlenkolonie Thüringens. Heute brüten die Paare in den hinter den Lichtschlitzen der Pfeiler angeschraubten Nistkästen aus den 70er-Jahren. Nach Fertigstellung der neuen Saalebrücke erfolgt eine Instandsetzung des alten Bauwerks mit dem Umbau für eine Richtungsfahrbahn. Bei der Gewölbebrücke handelt es sich um ein in technischer und architektonischer Hinsicht außergewöhnliches Bauwerk, das deshalb unter Denkmalschutz steht. Der zweistegige, vorgespannte Betonplattenbalken der neuen Saalebrücke wurde im Taktschiebeverfahren von West nach Ost über das Saaletal geschoben, wodurch die Umwelt geschont und die Dohlenkolonie in der alten Brücke kaum beeinflusst wurde. Die Stützweiten wechseln ständig

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

und weisen maximal 28,85 m auf. Die Gesamtlänge zwischen den Endauflagern beträgt 723,66 m. Um die Unterbauscheiben nicht zu massiv zu gestalten, wurden große Überbaukragarme gewählt, die eine Quervorspannung erforderten. Der Überbau hat Querträger, sodass die Torsionsbeanspruchung durch die Fahrbahnplatte und die Endquerträger begrenzt werden konnte. Für die torsionssteifen Hauptträger wurde eine Breite von 2,90 m gewählt. Der Vorspannungsgrad ist wegen der Bauzustände relativ hoch. Der Überbau ist auf Verformungsgleit­ lagern gelagert. Die Bewegungsruheachse befindet sich etwa in Brückenmitte. Die Dehnwege der mehrfaltigen wasserdichten Übergangskonstruktionen betragen jeweils 524 mm. Die in Anlehnung an den sichtbaren Bogenring der alten Brücke ausgebildeten, 1,5 m dicken Stahlbetonpfeilerscheiben bilden die Hauptgestaltungselemente der neuen Saalebrücke. Sie sind am Kopf durch jeDer Entwurf der neuen Brücke (Visualisierung):

Die neue Brücke nach Fertigstellung:

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weils zwei Zugbänder zwischen den Überbaubalken miteinander verbunden. Jede Pfeilerscheibe hat in Anpassung an die alte Saalebrücke einen anderen Krümmungsradius. Am Pfeilerfuß treffen die gekrümmten Scheiben aufeinander und werden durch einen muschelkalkverblendeten sichtbaren Betonsockel aufgenommen. Die maximale Pfeilerhöhe beträgt 20 m. Mit dieser Pfeilerform gelang es, die Stützweiten zu verkleinern und mit einem sehr schlanken Überbau, der möglichst wenig von der alten Brücke verdeckt, zu entwerfen. Beide Widerlagervorderkanten entsprechen der Bogenform der alten Saalebrücke mit einer Konstruktion als Ortbetonkastenwiderlager auf Flachgründung mit Begehbarkeit durch einen Wartungsgang. Die großen Talpfeiler wurden mit Großbohrpfählen d = 1,50 m im tieferliegenden Sandstein gegründet. Eine Flachgründung im hochliegenden Festgestein wurde hingegen für die kleinen Pfeiler auf der westlichen Hochebene vorgesehen.

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

1.6.8.9  Lautrupsbachtalbrücke

Wigand Grawe Bauherr: Stadt Flensburg Entwurf: Ingenieurteam Trebes, Rendsburg Architekten AX5, Kiel Ausführung: Fritz Spieker Bauunternehmungen, Oldenburg Bauzeit: 2004–2006

Die Lautrupsbachtalbrücke überspannt eine stadtnahe Landschaft mit einem kleinen Flusstal, dem Lautrupsbach, auf einer Länge von ca. 250 m. Für die Stadt Flensburg hat dieser Gelän­deeinschnitt im Fördehang eine große Bedeu­tung für den Luftaustausch im Stadtgebiet. Das Brückenbauwerk überführt eine vierstreifige Straße mit einer Breite von ca. 19 m. Zum Schutz der Anwohner vor ausstrahlenden Fahr­ge­ räuschen waren 4 m hohe Lärmschutzwände zu berücksichtigen. Zur Umsetzung der Anforderungen wurde durch den Bauherrn ein Realisie-

rungswettbewerb aus­gelobt. Dieser Entwurf, welcher den 1. Preis ge­wann, wurde ohne nennenswerte Änderungen umgesetzt. Bei dem Entwurf handelt es sich um ein Betonbauwerk mit 7 Feldern, die Stützweiten von bis zu 39 m aufweisen. Der Überbau ist als längs und quer vorgespannte, durchlaufende Platte ausgebildet, die einen „flügelartigen“ Quer­schnitt hat. Die Form des Überbaus und die Stützen tragen der Leitidee des Strömens Rech­nung. Sie sind entsprechend den Gesetzen der Strömungsmechanik asymmetrisch ausge-

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

formt und unterstützen dadurch den natürlichen Luftstrom im Tal. Die Pfeiler sind in verschiedenen Winkeln zur Gradiente gedreht, sodass sich aus unter­schiedlichen Perspektiven jeweils neue räumli­che Eindrücke ergeben. Aufgrund der gewählten Spannbetonbauweise konnte der Überbau besonders schlank ausge­führt werden, im Randbereich läuft die Platte auf 30 cm Dicke aus. Die Ausbildung der Kappe nimmt die Krümmung der Lärmschutzwand auf und verbindet diese harmonisch mit dem Über­ bau. Die Entwässerung erfolgt in einer Aussparung des Überbaus und der Stützen, welche durch eine Edelstahlverkleidung abgedeckt ist. Da­durch kann die elegante

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Durchformung der durchgehenden Krümmung auch in der Unter­sicht beibehalten werden. Die Beleuchtungslö­sung erfolgt durch reflektiertes Licht, die Lampen sind so ausgebildet, dass sie ein integraler Be­ standteil der Lärmschutzwand sind. Durch die windschnittige Gestaltung des Überbaus, die gekrümmte Lärmschutzwand und die strömungstechnisch geformten und in den Wind gedrehten Pfeiler ist die Leitlinie des an die örtli­chen Klimagegebenheiten an­gepassten Entwur­fs ablesbar. Das gesamte Erscheinungsbild führt dazu, dass trotz des schwierigen Umfelds (Wohnsiedlung und Naturschutzaspekte) eine hohe Akzeptanz bei den Anwohnern und den Naherholungs­su­chenden des Lautrupsbachtals erzielt wird.

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

1.6.8.10  Dreiländerbrücke Weil am Rhein (D) – Huningue (F)

Wolfgang Strobl Bauherr: Stadt Weil am Rhein in Kooperation mit Communauté de Communes des Trois Frontières Wettbewerb, Genehmigungsplanung: Planungsgemeinschaft WeilamRhein GbR Entwurf: Dietmar Feichtinger, Paris Feichtinger Architectes, Paris, Wien Wolfgang Strobl, Berlin Leonhard, Andrä und Partner, Berlin Ausführung: Max Bögl GmbH Bauzeit: 2005–2006

Im Südwesten Deutschlands wurde im März 2006 eine Fußgängerbrücke zwischen Weil am Rhein (D) und Huningue (F) mit einer Rekordspannweite von 230 m eröffnet. Der grundlegende Entwurfsgedanke, den Rhein in einem Bogen zu überspannen, ist eine eindeutige Geste, die eine starke Verbindung zwischen den beiden Ländern Deutschland und Frankreich symbolisiert. Die Bogenform entwickelt sich dabei aus folgenden Überlegungen:

• Eine große Spannweite mit möglichst geringem Bogenstich gibt der Form große Spannung und Eleganz. Der flache Bogen wird zusätzlich durch Absenken auf das Niveau des Wasserspiegels minimiert. Die technische Herausforderung wird ablesbar und wird zum Spiegelbild unserer Zeit • Die Leichtigkeit der Konstruktion findet ihre Fortsetzung im Uferbereich. Klassische Brückenpfeiler würden die Durchsicht behindern. Sie wurden in einer

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

weiterführenden Konstruktion aufgelöst und bilden optisch den Auftakt zum Bogen. Um die traditionelle Sichtachse auf den Turm der Église du Christ-Roi in Huningue freizuhalten, rückt die Brücke um einen Wimpernschlag zur Seite und neigt sich konsequent zur asymmetrischen Querschnittsform mit einer starken und einer schwachen Seite. Die optische Beziehung wird durch eine konstruktive ergänzt. In der Zusammenarbeit innerhalb der Planungsgemeinschaft stand an erster Stelle die Entwurfsidee, die sich konsequent bis ins Detail durchzieht. Symbole, städtebauliche Themen, aber auch das bewusste Zurücknehmen des Bauwerks wurden zentrale Ideen und Aufgaben. Materialien waren

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

ein wichtiges Thema, natürlich auch „HighTech-Materialen“, sofern Sie zum Erreichen des Entwurfsziels erforderlich waren. Die Materialwahl war aber nie Entwurfsidee, ebenso wenig wie die Konzeption einer Rekordspannweite, die sich einfach aus der konsequenten Übersetzung des Entwurfs ergab. Als Ergebnis entstand ein äußerst schlankes Bauwerk – die Leichtigkeit der Konstruktion wird erlebbar durch eine konsequente Übersetzung des Entwurfs bis ins Detail: • Die Brücke mit einem Hauptfeld und zwei Vorlandbrücken findet Gestalt als Stabbogenbrücke mit der Ausbildung räumlicher Fachwerke im Auflagerbereich. Der nördliche Bogen, ein Doppelträger aus Sechseckprofilen, steht senkrecht, der südliche, ein Rundrohr, lehnt sich mit einer Neigung von 16 Grad an.

• Das orthotrope Brückendeck, das gleichzeitig als Zugband wirkt, weitet sich von der Mitte zu den Ränder hin auf und geht über in filigrane Rampen und Treppen in Form eines Faltwerks. Für die Umsetzung des Entwurfs waren folgende Punkte maßgeblich: • Reduzierung der Windlasten auf ein Minimum: Berücksichtigung nach E-DIN 1055/4 anstatt DIN FB 101 • Stabilitätsnachweis unter halbseitiger Verkehrslast: Nachweis unter Berücksichtigung großer Verformungen und der Überhöhung aus Werkstattform • Geringe Auflagen der Wasser- und Schifffahrtsämter aus Schiffsanprall aufgrund der großen Spannweite • Montage: Die gesamte Hauptbrücke wurde auf französischer Seite vormontiert. Es folgte der Querverschub auf

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

zwei Pontons mit Hilfe von Schwerlastwagen und Einschwimmen der gesamten Brücke auf einer Länge von ca. 1 km. Unter ständiger Beobachtung der Windgeschwindigkeit erfolgte die eigentliche Präzisionsarbeit – das Eindrehen und Absetzen der Brücke auf Hilfspressen. Im Zuge des Absenkens wurden die Bolzenverbindungen der Endabspannungen fixiert. Erst nach abschließender Vermessung und Kontrolle der Pressenkräfte erfolgte das Untergießen der Lager. • Winderregte Schwingungen: die erforderliche Sicherheit zur aerodynamischen

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Stabilität wurde numerisch nachge­ wiesen. • Fußgängererregung: Als Hauptproblem erwies sich, wie bei anderen weichen, niederfrequenten Fußgängerbauwerken auch, die horizontale Fußgänger-Selbsterregung des Brückendecks unter hohem Verkehrsaufkommen. Der Nachweis einer ausreichenden Sicherheit der Brücke ohne zusätzliche schwingungsdämpfende Maßnahmen wurde letztlich durch einen Großversuch mit bis zu 1000 Teilnehmern und umfangreiche Messungen erbracht.

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

1.6.8.11  Mariensteg Wernstein-Neuburg, Grenzbrücke Österreich-Deutschland

Erhard Kargel Bauherr: Gemeinde Wernstein am Inn, Gemeinde Neuburg am Inn Entwurf, Statik und Konstruktion: Dipl. Ing. Erhard Kargel, Linz Ausführung: GLS Bau und Montage G.m.b.H., RW-Montage G.m.b.H. Bauzeit: 2005–2006

Die schon seit der Zeit um das Jahr  1050 bestehende enge Beziehung zwischen dem bayerischen Neuburg am Inn und dem ober­österreichischen Wernstein konnte auch Napoleon 1803 mit seiner Grenz­ ziehung nicht zerschlagen. Die in den Jahrhunderten gewach­sene Verbindung wird durch die Geh- und Radwegbrücke erleichtert und gestärkt. Sie halbiert die Entfernung von 16  km zwischen den nächstgelegenen Brücken in Passau und Schärding. Die prächtige, unter Schutz stehende Landschaft, wie die das Steilufer krönende Neuburg und die geschichtlich bedeutungsvolle Mariensäule in Wernstein erforderten größte Zurückhaltung und Feingefühl beim Entwurf. Mit einem möglichst filigranen, minimalistischen Bauwerk wurde dieses Ziel erreicht. Von allen ausführbaren Lösungen erwies sich eine Hängebrücke mit 144 m Spannweite am besten geeignet. Die Aus­ legung der Tragkabel folgte der Topografie: Sie steigen von einem tief liegenden Verankerungspunkt im Respekt­abstand zur Mariensäule in Richtung Neuburg zur Spitze eines einzigen, nadelförmigen Pylons an. Von der Pylonspitze ausgehend, sind die

Trag- und Rück­hängeseile gespreizt und in niedrigen Widerlagerschei­ben auf der Wernsteiner Seite bzw. in Fundamenten im Neuburger Innhang verankert. Auf einen durchlaufen­den Streckträger wurde verzichtet; stattdessen ruht der Gehweg auf schlanken Einfeldträgern zwischen den Hängern. Der Erhöhung der Steifigkeit dienen zwei zusätzliche Seile, die neben den Längsträgern verlaufen und mit diesen durch auskragende Querträger verbun­den sind. Weil diese „Windseile“ im Aufriss der Fahr­bahnkuppe folgen und im Grundriss ebenfalls in Kreis­bogen ausgeführt werden, liegen ihre Krümmungsebe­nen geneigt im Raum. Die Seile sind daher in der Lage, lotund waagerecht wirkende Kräfte aufzunehmen. Durch Vorspan­nung der Windseile – und nicht durch Vergrößerung der Trägerquerschnitte – wurde die Steifigkeit des Systems gesteigert, die vertikalen und horizontalen Verformungen vermindert und die Schwingungen be­schränkt. Die Brücke wurde ohne Schwingungstilger eröffnet. Obwohl nicht unbedingt nötig, wurden später, wie vorgesehen, drei relativ leichte Tilger eingebaut. Das Konzept der seilsta-

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

bilisierten Einfeldträgerkette ermöglichte eine einfache Herstellung. Nach dem Ein­ ziehen der Seile und dem Aufhängen der Querträger konnte die komplette Gehwegkonstruktion, einschließ­lich der Geländer, in dreieinhalb Tagen eingehoben und verschraubt werden. Baustellenschweißungen waren nicht erforderlich. Die Geh- und Radwegbrücke WernsteinNeuburg ist ein minimalistisch gestaltetes Ingenieurbauwerk mit minimalem Re­s­ sourcenverbrauch. Es gibt an ihm nichts, das notwendig wäre hinzuzufügen, aber

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auch absolut nichts mehr, was man wegnehmen könnte. Der Eindruck der Leichtigkeit wird noch durch einen perforierten Blechprofilrost als Gehweg unterstützt. Das Bauwerk fügt sich gut in die Natur ein, ohne sich da­bei zu verstecken. Seine Unsymmetrie ist eine logische, nachvollziehbare Folge aus den Gegebenheiten des Umfelds. Der Mariensteg hat in der Region, über die Grenzen hinweg, eine nachhaltige Belebung bewirkt. Historische Beziehungen wurden wieder zusammenge­führt, ein Kultur- und Landschaftsraum aufgewertet.

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1.6.8.12  Fußgängerbrücke über das Gessental bei Ronneburg, Thüringen

Richard J. Dietrich Bauherr: BUGA Gera und Ronneburg 2007 GmbH Entwurf und Ausführungsplanung: Dipl.-Ing. Richard J. Dietrich, Büro für Inge­nieur-Architektur, München Statik und Dynamik: Köppl Ingenieure, Rosenheim Ausführung: Schaffizel Holzindustrie GmbH + Co KG, Schwäbisch Hall Baujahr: 2006

Eine Hauptattraktion der Bundesgartenschau Gera-Ronneburg 2007 war eine ungewöhnliche Brücke, die heute ein wichtiges Bindeglied im Fernradweg „Thüringer Städtekette“ ist. Das Bauwerk wurde für den Deutschen Brückenbaupreis  2008 nominiert, sowie mit renommierten Holzbaupreisen und dem Renault Future Trafic Award 2007 ausgezeichnet. Mit 225,5 m Überbau-Länge ist diese Brücke eine der längsten Holzbrücken der Erde und eine der innovativsten. Extrem leicht und elegant schwingt sich die Spannband-Konstruktion aus Holz in 25 m Höhe über das Gessental in der sogenannten Neuen Landschaft Ronneburg, die im Rahmen der BUGA aus der öden Wüste eines ehemaligen Uran-Bergwerks geschaffen wurde. Die Brücke ist in Ihrer Art bisher einzigartig, denn noch nie wurde ein blockverleimter Brettschichtträger für eine derartige Spannband-Konstruktion verwendet. Das auf Zug beanspruchte Spannband zieht sich

wie ein gespanntes Seil über 230 m von Wider­lager zu Widerlager, dabei überbrückt es mit einer Konstruktionshöhe von nur 50 cm freitragend drei Felder mit 55 m und 52,5 m Spannweite. Da die Lasten der Brücke hauptsächlich über Zugkräfte abgetragen werden, wird der extrem schlanke Quer­schnitt möglich. Die Zugkräfte in der Größenord­nung von 8000  kN werden an den Widerlagern aufgenommen und mittels jeweils 14  Dauererdankern in den felsigen Boden abgetragen. Andererseits wird das Spannband mit baumar­tig verstrebten Pfeilerböcken aus Stahlrohren zwi­schen­unterstützt und sanft gekrümmt übergeleitet. Die in Brückenquerrichtung A-förmig angeordneten „Stämme“ dieser Pfeilerböcke nehmen die seitli­chen Kräfte vor allem aus Wind auf. In Brücken­längs­ richtung hingegen sind die Pfeilerböcke relativ biegeweich konstruiert, sodass die Zugkräfte im Band bis in die Widerlager durch geleitet werden. Der Durchhang des Spannbands in den Feldern ist optimiert, denn je geringer der

1.6  Gestaltung von Brücken, Wettbewerbe, Brückenbaupreise

Durchhang ist, desto größer sind die Zugkräfte. Im mittleren Feld ist der Stich 2,20 m. Um andererseits die Gehbahnsteigung nicht zu steil werden zu lassen, sind oben auf dem Spannband weitere Leimholzbalken aufgedoppelt, die zur Mitte des Felds hin an Höhe zunehmen und so die Steigungen auf maximal 6% behindertengerecht reduzieren. Gleichzeitig bewirkt diese oben mit einer Schichtholzplatte abgedeckte Aufdopp­lung eine Versteifung des Spannbands gegen verti­kale Schwingungen in den frei gespannten Feldern. Hier verbinden sich konstruktive und funktionale Vorteile ebenso wie bei der im Grundriss der Brücke wechselnden Breite. Diese beträgt in Feldmitte 2,90 m und über den Auflagern bis zu 3,90 m. Damit entstehen an den Hochpunkten verbreiterte Standflächen für die Benutzer und gleichzeitig eine höhere Steifigkeit des Spannbands gegen Torsion, d. h. gegen seitliche Verdrehungen und Schwingungen. Andererseits hat Holz hinsichtlich des Schwingungs-Verhaltens eines solchen Spannbands prinzipiell einen entscheidenden Vorteil gegenüber anderen Materialien wegen seiner inneren Eigen­dämpfung, die rhythmische Schwingungen unterd­rückt und damit ein Aufschaukeln verhindert. Auf diese Weise kommt die extrem schlanke Konstruk­tion entgegen allen Erwartungen ohne mechanische Schwingungsdämpfer aus. Zehntausende Besucher der Gartenschau haben die Brücke begangen und ihre Gebrauchstauglich­keit bewiesen.

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Der auf und ab schwebende und taillierte Brückenweg in luftiger Höhe erwies sich als besonderes Erlebnis. Das Tragwerk der Brücke ist als zugbeanspruchte Konstruktion grundsätzlich sehr effektiv. Ein auf Zug und Druck beanspruchter Biegebalken aus Leimholz mit gleicher Spannweite müsste etwa sechsmal so stark dimensioniert werden, also ca. 3 m anstatt 50 cm hoch sein. Konstruktiv vor­teilhaft ist dabei auch das äußerst güns­ tige Ge­wichts-/Festigkeitsverhältnis des Werkstoffs Holz gegenüber Stahl oder Stahlbeton. Das ist für spannweitenüberbrückende Konstruktionen ent­scheidend und wirkt sich in den Kosten aus. Auf­grund der geringen Eigenlast und des optimierten Durchhangs des hölzernen Spannbands müssen an den Widerlagern im Vergleich zu ähnlichen Kons­truktionen aus Stahl und Beton wesentlich gerin­gere Zugkräfte ver­ankert werden. Dies ist ebenfalls ein erheb­licher Kostenfaktor. Andererseits ist Holz als nachwachsender Baustoff auch in ökologischer Hinsicht vorteilhaft. Auch damit entsprach die Verwendung von Holz den Intensionen der BUGA und dem landschaftlich geprägten Kontext. Formal erinnern die Stützstreben in ihrer Gestaltung an die Bäume in der Landschaft. So werden hier techni­sche und ästhetische Erfordernisse kreativ mitei­nander verbunden und es entsteht eine charakteris­tische Gestalt, die sich dem Kontext einfügt. Herstellung und Montage der Brücke wurden bei der Planung ebenfalls gut

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1  Brückenbau auf dem Weg vom Altertum zum modernen Brückenbau

durchdacht. Das Spann­band wurde in Teilstücken von 25 m bis 30 m Länge einschließlich der stählernen Kopplungsele­ mente, der seitlich angebrachten Wetterschutz-Verkleidungen und Geländerpfos­ ten im Werk vor­gefertigt. Diese Teilstücke wurden dann an die Baustelle transportiert und Stück für Stück von einem Widerlager her anfangend über die Pfeiler­böcke hinweg montiert, bis das gegenüberliegende Widerlager erreicht war. Dafür waren nur einzelne Hilfsstützjoche jeweils an den Kopplungsstellen erforderlich. Die mit Schlitzblechen und Stabdübeln im Spann­bandblock befestigten Kopplungselemente aus Stahl wurden im Werk bei einer Probemontage exakt in Position vormontiert. So konnte sichergestellt werden, dass an der Baustelle alle Verbin­

dungen genau passten. Nach der Montage des Spannbands wurde die Brückenausstattung, d. h. die Blechabdeckung des Spannbands, der Geh­bahnbelag und die Geländerfüllungen montiert. Um der Brücke eine hohe Dauerhaftigkeit zu ver­leihen, ist das gesamte eigentliche Holztragwerk gegen Witterungseinflüsse verkleidet, oben mit der Blechabdeckung unter dem Belag, an den Flanken mit der Verkleidung aus wetterfestem Sperrholz. Die hohen Pfeilerböcke aus Stahlrohren sind durch eine Beschichtung nach ZTVIng gegen Korrosion geschützt. Alles in allem ist die minimalistisch und konse­quent konstruierte Brücke äußerst effektiv und wirtschaftlich. Die Baukosten betrugen rund 1,7 Mio. € brutto.

2 Ingenieuraufgaben im Brückenbau Manfred Keuser, Peter Ruse und Francesco Aigner

2.0  Vorbemerkung Im Brückenbau ist der Bauingenieur Generalist und Fachplaner zugleich. Während im Hochbau der Bauingenieur in der Regel Fachingenieur für das Tragwerk oder Gutachter für Baugrund oder Bauphysik ist, obliegt ihm im Brückenbau die Gesamtverantwortung. Dies schließt nicht aus, dass insbesondere in städtebaulich sensiblen Bereichen auch Architekten in die Planung einer Brücke eingebunden werden. Bei aller Vielfalt der Aufgaben und den damit verbundenen Herausforderungen darf jedoch nicht übersehen werden, dass sich die Ingenieurkunst des Brückenbaus in den Industrieländern der westlichen Welt, bei der großen Mehrzahl der Projekte zu einem von Regel- und Vorschriftenwerken diktierten Alltagsgeschäft des Ingenieurs entwickelt hat. Dies ist vor allem auf die rasante Entwicklung des Personen- und Güterverkehrs nach dem zweiten Weltkrieg zurück zu führen. Die zunehmende Dichte der Besiedlung, das Bündeln von Verkehrswegen zum Zweck eines möglichst sparsamen Landverbrauchs und das immer engmaschiger werdende Netz erforderlicher Infrastrukturen üben Zwänge aus, die großzügigen Planungen oft im Wege stehen. Auch der allgemeine Kostendruck, der immer wieder zu standardisierten Lösungen unter Ausnutzung von Wiederholungseffekten führt, engt den Spielraum ein. Doch trotz solcher Beschränkungen sollte auch der Bauingenieur des 21. Jahrhunderts immer daran denken, dass seine Entwürfe nicht nur den umfangreichen aktuellen Re-

geln und Vorschriften im Hinblick auf einwandfreie Funktionalität, geringen Wartungsbedarf und robuste Dauerhaftigkeit entsprechen, sondern darüber hinaus das immer bewusster werdende Bedürfnis nach einer humanen Gestaltung des Lebensraums in angemessener Weise erfüllen. In den Industrieländern sind die Verkehrsnetze weitestgehend vorhanden, wobei vor allem die Hauptstrecken verhältnismäßig alt und die Brückenbauten ihre vorgesehene Lebensdauer erreicht oder schon überschritten haben, die Bevölkerungsdichte und auch die Motorisierung haben sich auf ein stabiles Niveau eingependelt. Gleichzeitig ist ein immer restriktiverer Umgang mit freien Landschaftsflächen notwendig geworden. Daraus lässt sich zunächst folgern, dass die Streckenerhaltung künftig immer mehr an Bedeutung gewinnen und immer größere finanzielle Mittel im Vergleich zum Neubau erfordern wird. Andererseits können sich durch geänderte politische Verhältnisse (z. B. Schaffung eines Großwirtschaftsraums Europa durch konsequente Integrierung der ehemaligen Ostblockstaaten oder des ehemaligen Jugoslawien) Verschiebungen der Verkehrsströme im Transitverkehr ergeben und es können auch neue Hauptverbindungen notwendig werden. Der Neubau von Brückenbauwerken wird in folgenden Fällen notwendig: 1. Bei der Neuschaffung ganzer Straßenoder Bahnstrecken, z. B. im Zusammenhang mit politischen Änderungen. Ein Beispiel hierfür ist die Verbindung der

166

Verkehrssysteme von alten und neuen Bundesländern nach der deutschen Wiedervereinigung. 2. Bei Lückenschlüssen innerhalb bereits bestehender Verkehrswegesysteme. 3. Bei der Verbreiterung bestehender Autobahnstrecken, sofern die bestehenden Brücken nicht in hinreichendem Ausmaß verbreitert werden können. 4. Beim lawinensicheren Ausbau bestehender Gebirgsstraßen sind die vielfach sehr alten Gebirgsstraßen bereichsweise zu verlegen und die Straßen durch Lawinengalerien zu schützen oder im Tunnel zu führen. Dabei wird auch der Bau von Brücken notwendig. 5. Der Ersatz baufälliger Brücken und von Brücken mit zu geringer Tragfähigkeit oder unbefriedigender Gebrauchstauglichkeit durch Neubauten ist vielfach technisch einfacher und zudem kostengünstiger als deren Ertüchtigung. Allerdings ist in diesem Zusammenhang zu bemerken, dass manche alten Brücken ausgesprochene Baudenkmäler darstellen und – nach heutiger Auffassung – nicht ohne Weiteres abgebrochen oder dem Verfall preisgegeben werden sollten. Der Bestand an Brücken für öffentliche Verkehrswege (öffentliches Straßennetz, öffentliches Bahnnetz) umfasst in Deutschland rund 80.000 Bauwerke, in Österreich rund 20.000 und in der Schweiz rund 16.000. Einerseits erfordern diese Brücken eine entsprechende Kontrolle und Wartung und sind fallweise durch Neubauten zu ersetzen, andererseits ist der Bestand zu erweitern und zu ergänzen. Auf die Aufgaben im Zusammenhang mit dem Erhalt der Verkehrsinfrastruktur wird in einem gesonderten Abschnitt am Ende dieses Kapitels eingegangen. Die Darstellung der Ingenieuraufgaben im Brückenbau erfolgt exemplarisch aus der Sicht der gesamtverantwortlich han-

2  Ingenieuraufgaben im Brückenbau

delnden Ingenieure unter Berücksichtigung der aktuellen deutschen Verfahrensweise. Dabei wird für die Aufgaben, die die Planung und Überwachung von Brückenbauten beinhalten, auf die Gliederung und Systematik der Honorarordnung für Architekten und Ingenieure [HOAI, 1996] aufgebaut. Im Brückenbau sind Bauingenieure in Bauverwaltungen, Bauunternehmen und Ingenieurbüros tätig, wobei die Aufgabenverteilung in anderen Staaten durchaus unterschiedlich strukturiert ist. Weitere Aspekte der vielfältigen Aufgaben von Bauingenieuren im Brückenbau können [Leonhardt, 1974] und [Straub, 1964] entnommen werden.

2.1  Genereller Entwurf 2.1.1  Vorplanung In der Regel wird die nach entsprechenden Erhebungen politisch formulierte Bedarfslage von Fachplanern für Strassen- und Schienennetze unter Berücksichtigung aller Vorgaben durch Raumordnung, Landes- und Bauleitplanung in ein erstes Planungskonzept umgesetzt. In groben Zügen wird dabei auch dem Umstand Rechnung getragen, welche Hindernisse sich nicht mehr durch Erdbauwerke, sondern nur durch ein Brückenbauwerk überwinden lassen. Bereits in dieser frühen Planungsphase muss der Brückenplaner in die Planung eingebunden werden, damit die endgültige Gestaltung der Gradiente in Grundund Aufriss auf die technischen Belange der Brücke abgestimmt wird. Deren angemessene Berücksichtigung ist von eminenter Wichtigkeit, denn wenn ein Planfeststellungsbeschluss Rechtskraft erlangt hat, können bautechnisch erforderliche Änderungen nur noch mit hohem verfahrenstechnischem Zeitaufwand eingebracht werden. Darüber hinaus werden in diesem frühen Planungsstadium die wesentlichen

2.1  Genereller Entwurf

167 ~ 80,0

34,0

»A«

66,5° ± 0,0 150,0 M 15,0 20,0

»B« 20,0

20,0

20,0 15,0

Bild 2.1-1a   Argentobelbrücke, Bogenklappverfahren System Bung

Bild 2.1-1b   Argentobelbrücke

Randbedingungen für die mit dem Bau einer Brücke verbundenen Kosten definiert. Die Vorgaben des Streckenplaners sind insbesondere in den folgenden Punkten zu überprüfen und gemeinsam mit diesen die technisch, ökologisch und wirtschaftlich optimierte Gesamtlösung für den zu planenden Verkehrsweg zu finden. Gründungsmöglichkeiten Da Pfeiler- und Widerlagerstandorte besonders in empfindlichen Naturschutzoder Trinkwassereinzugsgebieten häufig einzeln im Planfeststellungsbescheid

rechtsverbindlich definiert werden, ist in solchen Fällen bereits für die Vorplanungsphase eine große Planungstiefe erforderlich. Es empfiehlt sich deshalb, den bei Planfeststellungen üblicherweise verwendeten Lageplanmaßstab von 1 : 1000 entsprechend zu vergrößern. Unter Umständen wird im Vorentwurf bereits eine endgültige Festlegung für das Tragwerkssys­ tem (z. B. Bogenbrücke, Schrägkabelbrücke o. ä.) getroffen. Dies wird nachfolgend an einem Beispiel erläutert. Auf den Bildern 2.1-1a und 2.1-1b ist die im Jahr 1984 errichtete Argentobelbrücke dargestellt, die

168

eines der Allgäuer Naturdenkmäler überspannt. Landschaft und Baumbestand des „Eistobels“ unterhalb der Brücke ließen keinerlei Eingriffe in Gelände und Baumbestand zu. Deshalb war eine ohne Lehrgerüst zu erstellende Bogenbrücke mit aufgeständerter Fahrbahn zwingend vorgeschrieben. Tragwerkssystem und Randbedingungen für das Bauverfahren ergaben sich demnach bereits bei der Planfeststellung. Eine diesen Anforderungen entsprechende Gradientenführung war Voraussetzung für die Realisierung dieses Bauwerks. Diese diffizile Bauaufgabe gab den Anstoß zur Entwicklung und zum Einsatz eines neuartigen Bauverfahrens. Im Rahmen der Vorplanung sind insbesondere alle Fragestellungen zu klären, die Auswirkungen auf die Trassierung und auf die Genehmigungsfähigkeit haben. Exemplarisch werden nachfolgend zwei Probleme aufgezeigt. Besonders bei sehr langen Brücken ist es angezeigt, die möglichen Herstellungsverfahren bereits im Rahmen der Vorplanung zu bedenken, da manche Herstellungsverfahren nur unter bestimmten Gradientenbedingungen möglich sind. So erfordert z. B. das Taktschiebeverfahren für die Herstellung von Balkenbrücken konstante Trassierungselemente wie Gerade und Kreis. Schleifende Schnitte der Achsen sich kreuzender Verkehrswege und die daraus resultierenden schiefen Auflagerachsen können zu abhebenden Lagerkräften für das Bauwerk des überführten Verkehrswegs führen. Lagerkörper zur Aufnahme von Zugkräften sind meist wartungsintensive Sonderausführungen und erfordern in der Regel eine Zustimmung im Einzelfall. Eine Entschärfung der Lagerungsproblematik durch entsprechende Drehung der Auflager­ achsen jedoch kann zu Sichtbehinderungen für die Benutzer des unterführten Verkehrswegs führen. Auch in einem solchen Fall sind Abwägungen und entsprechende

2  Ingenieuraufgaben im Brückenbau

endgültige Festlegungen bereits in der Vorplanungsphase erforderlich. Das wesentliche Ergebnis der Vorplanungsphase ist die verbindliche Lage und damit auch die Länge des Bauwerks bei ­abgestimmter Gradientenführung, seine Klassifizierung hinsichtlich der Verkehrslasten, in besonderen Fällen bereits schon die Festlegung von Tragwerkssystem und Bauverfahren. Selbstverständlich müssen begleitende statische Vorberechnungen in den Findungsprozess eingebunden werden. Eine überschlägige Ermittlung der Baugrundbeanspruchungen und ein darauf basierender Lastenplan wird für die Anfertigung des Bodengutachtens benötigt. Auch die konstruktiven Festlegungen für Baustoffe, Bauarten und Herstellungsverfahren sowie der Platzbedarf für die Baustelleneinrichtung und die Baustraßen finden bereits in der Vorplanungsphase statt, so dass die Mitwirkung des Tragwerkplaners unerlässlich ist. 2.1.2  Entwurfsfindung im offenen oder eingeladenen Realisierungswettbewerb Die seit dem Jahr 1977 in der Bundesrepublik Deutschland geltenden Grundsätze und Richtlinien für Wettbewerbe [GRW, 2004] auf den Gebieten der Raumplanung, des Städtebaus und des Bauwesens wurden 1995 nicht nur wegen der erforderlich gewordenen Anpassung an das europäische Recht novelliert, sondern auch, um die besonderen Anforderungen an Ingenieurwettbewerbe besser zu berücksichtigen. Deshalb wurde die Objektplanung für Verkehrsanlagen und Ingenieurbauwerke, zu denen auch Brücken zählen, in den Gegenstandskatalog von Wettbewerben aufgenommen. Grundlage für den Realisierungswettbewerb ist ein im Rahmen der Planfeststellung fest umrissenes Programm mit bestimmten Leistungsanforderungen. Die Bauverwaltungen in Deutschland haben

2.2  Entwurfsplanung

169

Bild 2.1-2   Neckarbrücke bei Mannheim im Zuge der BAB A 5 1. Preis Peter u. Lochner (Ingenieure) mit Frank-Jakob-Bluth (Architekten) Modellfoto des erfolgreichen Wettbewerbsentwurfs

seither bei einer Reihe von Bauvorhaben davon Gebrauch gemacht, offene oder eingeladene Realisierungswettbewerbe auszuschreiben. Wettbewerbe haben sich insbesondere dann als geeignetes Instrument zur Findung der optimalen Konstruktion und des geeigneten Planers erwiesen, wenn das Baufeld für den Brückenneubau sich in architektonisch, städtebaulich oder landschaftlich besonders sensiblen Bereichen befindet. Die in denkmalgeschützter Nachbarschaft konstruktive Zusammenarbeit von Bauingenieur, Architekt und Landschaftsplaner ist bei solchen Wettbewerben die Grundlage dafür, dass derartige Entwurfsfindungen oft zu besonders gelungenen Planungen geführt haben. Bild 2.1-2 zeigt das Ergebnis eines solchen Wettbewerbs in fotorealistischer Visualisierung. Moderne CAD-Programme ermöglichen in Verbindung mit Visualisierungs-Soft­ ware die Erzeugung eines realistischen Bildes, das auch dem Nichtfachmann einen zutreffenden Eindruck eines Brückenbauwerks und von dessen Einbindung in seine zukünftige Umgebung vermitteln kann.

Die fotorealistische Visualisierung bietet eine hervorragende Ergänzung zum Entwurfsplanwerk und zu konventionellen Modellen im Maßstab 1 : 100.

2.2  Entwurfsplanung 2.2.1  Vorschriften Aufbauend auf den Ergebnissen der Vorplanung oder eines Wettbewerbs entsteht in der Entwurfsplanung der realisierbare Bauwerksplan. Entwurfsgrundlage ist der vom Bauherrn vorgelegte, rechtskräftige Planfeststellungsbeschluss für die Baumaßnahme. Aus ihr geht der in dem Schema 2.1-1 dargestellte Bedarf hervor, so dass Größe und Nutzungsart der Brücke eindeutig festliegen. Das zu erstellende, mit Erläuterungsbericht und Kostenberechnung versehene Planwerk hat dem aktuellen Stand der Technik zu entsprechen, der sich in Erlassen und Vorschriften niederschlägt, die von Normenausschüssen und Bauverwaltungen herausgegeben sind.

170

2  Ingenieuraufgaben im Brückenbau

Bedarf

Verbindungsziele

Wirtschaftlichste Lage und Länge des Bauwerks

Bedarfsdauer und Verkehrsfrequenz

–  stationäres Bauwerk –  bewegliches Bauwerk –  Hilfsbauwerk

Verkehrsteilnehmer

Querschnittsgestaltung für –  Fuß- u./oder    Radwegbrücke –  Grünbrücke/Wildwechsel –  Straßenbrücke –  Schienenverkehrsbrücke –  Leitungsbrücke –  Schiffsbrücke –  gemischte Nutzung

Umfeld

Lastannahmen

Topographie Geologie Hydrologie Seismologie kreuzende Verkehrswege kreuzende Leitungen lokale Bebauung lokale Landschaft Lokalklima/Luftqualität

Tragwerkssystem Spannweiten Gründungsart Pfeiler-/Widerlagerhöhen Lagerungsart baukünstlerische Gestaltung Anprallschutz Immissionsschutz Korrosionsschutz

Technologie

Werkstoffe Bauverfahren

Schema 2.2-1   Grundlagen und Abhängigkeiten für die Konzeption einer Brücke

2.2  Entwurfsplanung

Wird der Stand der Technik überschritten, so ist bereits frühzeitig eine Zustimmung im Einzelfall einzuholen. Das vom Bundesministerium für Verkehr, Bauen und Wohnen erlassene, im VerkehrsblattVerlag in Dortmund herausgegebene Dokument Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauwerke [ZTV-ING, 2003] ist für Straßenbrücken ein wichtiges Vorschriftenwerk für den Planer von Brücken in Deutschland. Es ist zwar primär auf die Erstellung der Ausführungsunterlagen von Kunstbauten ausgerichtet, ohne Kenntnis der darin enthaltenen Vorgaben, die auch den Bau von Brücken betreffen, ist jedoch eine in ein Bauwerk umsetzbare Entwurfsplanung undenkbar. Jeder Bauingenieur, der sich auf den Entwurf von Brücken spezialisieren möchte, kann diese anspruchsvolle Aufgabe nur dann in vollem Umfang erfüllen, wenn er zuvor durch die Schule der Ausführungsplanung gegangen ist. In den ZTV-ING sind auch alle für den Bau von Kunstbauten erforderlichen Normen und sonstigen technischen Regelwerke unter Hinweis auf deren Bezugsquellen zusammen gestellt. Das Dokument wird nach dem jeweiligen Stand der Technik durch Allgemeine Rundschreiben Straßenbau beständig fortgeschrieben. Für den Brückenplaner sind die Sachgebiete 05.2 (Brückenund Ingenieurbau) sowie 16.2 (Bauvertragsrecht und Verdingungswesen) von besonderer Wichtigkeit. Vom gleichen Herausgeber stammen die ebenfalls immer wieder fortgeschriebenen Richtzeichnungen für Brücken und andere Ingenieurbauwerke [Richtzeichnungen]. Die darin enthaltenen Bauelemente sind eindeutig bezeichnet, stellen Regelausführungen dar und können im Entwurf zitiert werden. Alternative Lösungen müssen den gleichen Anforderungen an Standsicherheit, Dauerhaftigkeit und Wartungsfreundlichkeit genügen. Im Jahr 2003 erfolgte ein tiefgreifender Umbruch im Bereich der Vorschriften.­

171

Mit den DIN-Fachberichten 100 Beton 101 Einwirkungen 102 Massivbrücken 103 Stahlbrücken 104 Verbundbrücken wurde das europäische Normenwerk in Deutschland für den Brückenbau eingeführt. Für Straßen- und Eisenbahnbrücken wird damit z. B. einheitlich das Konzept der Teilsicherheitsbeiwerte Grundlage der Bemessungen. Form und Inhalt der drei wesentlichsten Bestandteile eines Brückenentwurfs, nämlich: • Bauwerksplan • Erläuterungsbericht • Kostenberechnung werden von den in [ZTV-ING, 2003] ebenfalls erwähnten Richtlinien für das Auf­stellen von Bauwerksentwürfen [RAB-BRÜ, 1995] geregelt. Die ZTV-ING weisen auch auf das für den Eisenbahnbrückenbau zuständige Richtlinienwerk der Deutschen Bahn AG hin [Rili 804, 2003]. Die Richtlinien können vom Logistikcenter der Deutschen Bahn AG bezogen werden. Im Zuge der Planung von Neubaustrecken (NBS) ist ein Rahmenplanungswerk entstanden. Es ist nach Konstruktionsarten gegliedert und umfasst alle gängigen Querschnitte und Bauweisen für den Eisenbahnbrückenbau. Die wesentlichsten Vorschriften, die zum Handwerkszeug des entwerfenden Ingenieurs gehören, sind in der Tabelle 2.2-1 noch einmal zusammengefasst. 2.2.2  Randbedingungen Im Schema 2.1-1 sind die durch das vorhandene Umfeld vorgegebenen Randbedingungen aufgezählt. Obwohl die von der Planung betroffenen Institutionen im Rah-

172

2  Ingenieuraufgaben im Brückenbau

Tabelle 2.2-1  Wesentliche Vorschriften für den Entwurfsplaner Vorschrift

Herausgeber

Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen für Kunstbauten (ZTV-ING)

Bundesministerium für Verkehr, Bauen und Wohnen

Richtzeichnungen für Brücken und andere Ingenieurbauwerke

Bundesministerium für Verkehr, Bauen und Wohnen

Richtlinien für das Aufstellen von Bauwerksentwürfen (RAB BRÜ)

Bundesministerium für Verkehr, Bauen und Wohnen

Druckschriftenwerk der Deutschen Bahn AG

Deutsche Bahn AG

DIN-Fachbericht 100 DIN-Fachbericht 101 DIN-Fachbericht 102 DIN-Fachbericht 103 DIN-Fachbericht 104

Bundesministerium für Verkehr, Bauen und Wohnen

men der Planfeststellung bereits gehört wurden, müssen viele Instanzen wegen der nun erheblich größeren Planungstiefe erneut in die Planung eingebunden werden, um folgende aktuelle Unterlagen zu bekommen: • verbindliche Lagepläne • Verkehrsgutachten zur Festlegung eventuell erforderlicher Verkehrsumleitungen während der Bauzeit • Baugrundgutachten • Hydrogeologische Gutachten • Bestandspläne von vorhandenen Einbauten und Leitungsführungen im Baufeld • landschaftspflegerische Begleitplanung • baukünstlerische Beratungsplanung. In der Tabelle 2.2-2 sind die wichtigsten ­öffentlichen Institutionen aufgeführt. Außerdem sind die vom Bauherrn eingeschalteten Fachplaner und Gutachter in den Planungsprozess einzubinden und zu koordinieren. Sie sind in der Tabelle 2.2-3 aufgeführt. Es empfiehlt sich, von Anfang an ein Entwurfstagebuch anzulegen, in welchem alle Gespräche, Vereinbarungen und Fest-

Tabelle 2.2-2  Ämter, Behörden, Verbände Ämter, Behörden und Verbände für Vermessung, Öffentliche Ordnung, Geologie, Hydrogeologie, Wasserwirtschaft, Verkehrsanlagen, Versorgung, Entsorgung, Landschaftsschutz, Umweltschutz, Forstwirtschaft, Denkmalschutz, Hochbau, Tiefbau, Straßenbau, Gemeindeverwaltung

Tabelle 2.2-3  Fachplaner und Gutachter Fachplaner oder Gutachter für Baugrund, Landschaftsplanung, Schallschutz, Fahrdynamik, Signal -und Verkehrsleittechnik, Elektrotechnik, Telekommunikation, baukünstlerische Beratung, bildende Kunst

legungen mit ihrem Datum sorgfältig aufgeführt werden, damit der Planungsprozess gegenüber dem Bauherrn lückenlos dokumentiert werden kann. Die von allen Gesprächen aufgestellten und in den Verteiler gegebenen Gesprächsprotokolle gehören als Anlage zum Entwurfstagebuch.

2.2  Entwurfsplanung

173

Bild 2.2-1   Neue Nibelungenbrücke Worms – fotorealistische Visualisierung der Entwurfsplanung. Entwurf: BUNG – Beratende Ingenieure mit Verheyen Ingenieure

Die fotorealistische Visualisierung hat sich mit der rasch fortschreitenden Entwicklung der CAD- und Grafiksoftware in den vergangenen Jahren zu einem wichtigen Planungsinstrument in der Entwurfsphase entwickelt. Bei nahezu allen größeren Brückenbauprojekten werden die technischen Möglichkeiten sowohl für die endgültige Formfindung, als auch für die Präsentation der Projekte in der Öffentlichkeit eingesetzt. Bild 2.2-1 zeigt die Visualisierung der 2008 fertig gestellten neuen Rheinbrücke Worms zusammen mit der Nibelungenbrücke, die 1950/53 als erste Spannbetonbrücke über den Rhein im Freivorbau errichtet wurde. 2.2.3  Baubetrieb und Baustelleneinrichtung Erste Überlegungen müssen sich mit dem Platzbedarf für Baubetrieb und Baustelleneinrichtung auseinandersetzen, damit die erforderliche Größe des Baufelds und dessen Erschließung festgelegt und die Vorgaben aus dem Planfeststellungsverfahren umgesetzt werden können. Tabelle 2.2-4 enthält die wesentlichsten Gesichtspunkte für den Flächenbedarf.

Tabelle 2.2-4  Flächenbedarf für Baubetrieb und Baustelleneinrichtung Flächenbedarf für Baubüros, Lagerflächen, Aktionsbereiche von Bohrpfahlgeräten, Baugruben, Aktionsbereiche von Hebezeugen, Wasserhaltungen, Abwasserbehandlungsanlagen, Fertigungseinrichtungen bei speziellen Bauverfahren

2.2.4  Entwurfselemente, Hilfsmittel und statische Vorberechnung In den nachfolgenden Kapiteln dieses Buches werden die Entwurfselemente des Brückenbaus detailliert dargestellt. Ihre Vielfalt muss dem Entwurfsplaner zu Gebote stehen, um einen optimalen und vollständigen Entwurf vorlegen zu können. Die Entwurfselemente werden vorab in der Tabelle 2.2-5 aufgeführt. Zu den unentbehrlichen Hilfsmitteln des Entwurfsplaners gehören Fachkata­ loge, um Platzbedarf und Montage für ­Einbauteile und Ausrüstungen von Anfang an korrekt zu berücksichtigen. Die Tabelle 2.2-6 enthält Hinweise auf die notwendigsten Fachkataloge. Um die unabhängige Entwurfsneutralität zu wahren, müssen die Entwurfsmodalitäten so ge-

174 Tabelle 2.2-5  Entwurfselemente Unterbauten: Gründungen, Widerlager, Pfeiler Haupttragwerke der Überbauten: Plattenbrücken, Balkenbrücken, Rahmenbrücken, Bogen ‑und Stabbogenbrücken, Schrägkabel­ brücken, Hängebrücken, Spannbandbrücken Herstellung: Lehrgerüst, Vorschubrüstung, Freivorbau, Taktschiebeverfahren, Fertig­ teile, Segmentbauweise, Mischbauweise Baustoffe: Stahlbeton, Spannbeton, Stahl, Holz, Mischbauweisen (z.B. Walzträger in Beton) Lagerung und Brückenausrüstung: Fahrbahnbelag, Dichtungen, Lager, Fahrbahn­ übergänge, Leiteinrichtungen, Geländer, Entwässerung, Beleuchtung, Versorgungs­ leitungen, Lärmschutzanlagen

Tabelle 2.2-6  Fachkataloge Fachkataloge für Pfahlsysteme, Spundwände, Baugrubenverbauten, Fugenbänder, Entwässerungs­sys­ teme, Ankerteile, Lagerkörper, Fahrbahn­ übergänge, Hubpressen, Hebezeuge, Vorspannsysteme, Beleuchtungssysteme, Besichtigungswagen, Schallschutzwände, Gleisbefestigungen

2  Ingenieuraufgaben im Brückenbau

staltung der tragenden Querschnitte und Knotenpunkte maßgebend mit und hat die Anordnung von Fugen und Aussparungen statisch zu überprüfen. Sie hat das statisch und konstruktiv erforderlichen Material zu ermitteln, die der Kostenberechnung zugrunde gelegt werden. Nachfolgend werden Hinweise aus der Sicht des Entwurfsplaners zu einigen Entwurfselementen gegeben. Wiederum gilt, dass der Entwurfsingenieur seinem Bauherrn einen Bauentwurfsplan abzuliefern hat, der ohne Einschränkungen in die Realität umsetzbar ist und somit bereits einen grundlegenden Teil der Ausführungsplanung darstellt. 2.2.5  Hinweise zur Bauwerksgründung Im Baugrundgutachten wird in der Regel bereits eine den örtlichen Baugrundverhältnissen entsprechende Gründungsart empfohlen. Ihre Durchführbarkeit muss im Entwurf umgesetzt und beschrieben werden. Gleiches gilt für die zur Herstellung der Gründung erforderlichen Baugruben. In der Tabelle 2.2-7 werden einige Stichworte aufgeführt, die im Entwurf zu beachten sind. 2.2.6  Hinweise zu den Unterbauten

wählt werden, dass nicht einzelne Produkte oder bestimmte Hersteller bevorzugt werden. Selbstverständlich muss die gesamte Entwurfsphase intensiv tragwerksplanerisch untermauert werden, da als Entwurfsergebnis ein realisierbarer Bauplan vom Bauherrn eingefordert wird, der zur Grundlage einer verbindlichen Ausschreibung der Baumaßnahme herangezogen werden kann. Die Tragwerksplanung hat eine nachvollziehbare statische Vorberechnung und Bemessung zu liefern. Sie wirkt bei der Ge-

Unabhängig von der Konstruktionsart der Widerlager und Pfeiler einer Brücke wird in Tabelle 2.2-7  Hinweise zur Bauwerksgründung und zur Baugrubensicherung Offene Baugrube, zulässige Böschungs­ neigungen, Baugrubensicherung (Spundwände, Bohrpfahlwände, Spritzbeton, Vereisung u.a.), Auskolkungsschutz, Wasserhaltung (offen oder geschlossen), Grundwasseraggressivität, Bodenverbesserung, Bodenaustausch, Planum für Pfahlgründungen, Vorschüttungen

2.2  Entwurfsplanung

175

Bild 2.2-2   Brückeninspektionsgerüst für eine Bahnbrücke nach [Prommersberger/Rojek, 1987]

den meisten Fällen die Zugänglichkeit des Bauwerks zu Inspektions‑, Wartungs- und Reparaturzwecken über diese lastabtragenden Bauglieder realisiert. Die Forderungen aus dem Unterhalt haben Einfluss auf lichte Abstände und Höhen benachbarter Bauglieder zur einwandfreien Begehbarkeit, auf Platzbedarf für das Unterbringen von Hebezeugen und Hubpressen für die Korrektur oder den Ersatz von Lagerkörpern, auf Zugänglichkeit der Entwässerungs‑ und sonstiger Ver‑ und Entsorgungsanlagen, auf ausreichende Beleuchtung und Entlüftung sowie auf Verschließbarkeit der zu begehenden Bauteile. Das Bild 2.2-2 zeigt die

Einsatzmöglichkeit von Arbeitsgerüsten zu Inspektions‑, Wartungs‑ und Reparatur­ zwecken für eine Eisenbahnbrücke. Entsprechende Halterungen und Öffnungen sind im Rahmen des Entwurfs zu berück­ sich­tigen. 2.2.7  Hinweise zu Lagerung und Beweglichkeit Beim Entwurf sollte grundsätzlich darauf geachtet werden, dass das Bauwerk möglichst zwängungsfrei gelagert wird. In die Überlegungen zur Anordnung des Brü-

176

ckenfestpunkts sind aber nicht nur die Bewegungsmöglichkeiten, sondern auch die Aufnahme der statischen und dynamischen Horizontalkräfte unter Berücksichtigung der Baugrund‑ und Unterbausteifigkeiten mit einzubeziehen. Bei hohen Horizontalkräften kann es erforderlich werden, diese durch separate Horizontallager abzuleiten. Dieser Problemkreis ist bei Brücken für schienengebundene Hochgeschwindigkeitsstrecken von besonderer Relevanz. Die Druckschrift D804 enthält verschiedene Systemmöglichkeiten zur einwandfreien Abtragung hoher Längskräfte bei nahtlos geschweißten Schienen. Ein kritischer Punkt ist der Übergang der Fahrbahn vom Erdkörper auf das Bauwerk. Ein geeigneter, entsprechend verdichteter Aufbau des Erdkörpers im Widerlagerbereich gehört zu den Entwurfselementen des Bauwerks, seine Planung ist Bestandteil der Bauwerksplanung. 2.2.8  Hinweise zu Brückenentwässerung und Abdichtung Eine gut funktionierende Fahrbahnentwässerung, die das im Bauwerksbereich anfallende Oberflächenwasser schnell und zuverlässig abführt, gehört zu den wesentlichen Bestandteilen der Ausrüstung für die sichere Nutzung einer Brücke. Anzahl und Anordnung der Brückeneinläufe sowie Rohrdurchmesser gehen aus einer hydraulischen Berechnung hervor. Alle Entwässerungseinrichtungen müssen unbedingt wartungsfreundlich angeordnet werden. Obwohl es für die Bauästhetik problematisch ist, Rohrleitungen sichtbar am Bauwerk anzubringen, geht in diesem Fall Sicherheit vor Schönheit, wenn die Leitungen nicht innerhalb eines Tragquerschnitts leicht zugänglich untergebracht werden können.

2  Ingenieuraufgaben im Brückenbau

Dichtungsanstriche, Fugenabdichtungen und Bauwerksbeläge sind entsprechend dem Stand der Technik unter Hinweis auf entsprechende Richtzeichnungen im Entwurf zu berücksichtigen. Revisionsschächte und Anschluss der Brückenentwässerung an die Streckenentwässerung oder an den Vorfluter sind ebenfalls zu beachten. Bild 2.2-3 zeigt den Querschnitt eines Überführungsbauwerks mit angehängter Entwässerung. 2.2.9  Hinweise zu Bau- und Herstellungsverfahren Maßhaltigkeit (Bautoleranzen), zulässige Verformungen, Oberflächenqualität und Farbgebung der einzelnen Baukörper einer Brücke sind in der Regel in Vorschriften definiert, oder sie werden vom Bauherrn und gegebenenfalls seinem baukünstlerischen Berater vorgegeben. Der Entwurf muss beachten, dass die gewählten Ab­ messungen nicht nur den Anforderungen der geplanten Nutzung gerecht werden, sondern auch den zum Einsatz vorgesehenen Bau- und Herstellungsverfahren entsprechen. Trotz aller Zwänge aus Vorschriften und örtlichen Randbedingungen zeigt doch gerade die Entwurfsplanung, dass der Brückenbau eine der anspruchvollsten Disziplinen des Bauingenieurwesens ist. Die starke Dominanz des Tragwerks prägt das Bild von Brückenbauwerken und verlangt von dem planenden Ingenieur ein Höchstmaß an Kompetenz, um eine hinsichtlich Technik, Gestaltung und Wirtschaftlichkeit optimale Konstruktion entwerfen zu können. Die Bilder 2.2-4 und 2.2-5 zeigen exemplarisch zwei herausragende Beispiele des modernen Brückenbaus.

2.2  Entwurfsplanung

Bild 2.2-3   Brückenentwässerung, Aufhängung gem. BMV-Riz. Was 13

Bild 2.2-4   Ting Kau Brücke, Hongkong. Entwurf: Schlaich, Bergermann und Partner

Bild 2.2-5   Talbrücke Zahme Gera im Zuge der BAB A 71. Entwurf: Fritsch Ingenieure

177

178

2.3  Genehmigungsplanung Brücken, die in das öffentliche Straßenund Wasserstraßen- Verkehrsnetz integriert sind, haben den Staat, ein Land, einen Landkreis oder eine Kommune als Bauherrn. Übergeordnete Genehmigungsbehörden gibt es nicht. Der Entwurfsplan also ist amtlich genehmigte Grundlage für jeden Brückenneubau. Anders verhält es sich bei privaten Auftraggebern. Auch die Deutsche Bahn AG ist seit 1994 ein privater Bauherr. Deshalb wurde zum gleichen Zeitpunkt das Eisenbahnbundesamt (EBA) als Genehmigungsbehörde für die Bauvorhaben der Deutschen Bahn AG eingerichtet. Im Rahmen der Genehmigungsplanung wird in der Tragwerksplanung die prüffähige statische Berechnung für das gesamte Brückenbauwerk aufgestellt. Üblicherweise wird diese mit hoher Verantwortung beaufschlagte Ingenieuraufgabe in Deutschland nicht mehr vom entwurfsbegleitenden Tragwerksplaner erbracht. Aus Gründen von Haftung und Gewährleistung koppelt die Bauherrschaft der öffentlichen Hand diese Ingenieurleistungen in den meisten Fällen an die Ausführungsplanung und vergibt sie über die Ausschreibung an die bauausführende Firma. Als Folge von Umstrukturierungen in der Bauwirtschaft haben heute nur noch wenige Großbauunternehmungen ein eigenes leistungsstarkes Technisches Büro, so dass die Genehmigungs- und Ausführungsplanung von der Baufirma häufig an ein freies Ingenieurbüro vergeben wird. Hierbei kann es vorkommen, dass der entwurfsbegleitende Tragwerksplaner wieder in den Prozess eingebunden wird und seine Arbeit, jetzt allerdings unter einem anderen Auftraggeber weiterführen kann. Als weiteres Argument für diesen im Regelfall vorgesehenen Wechsel der Ingenieure zwischen Entwurf und Ausführung führt der öffentliche Auftraggeber gerne die hierdurch gegebene Anregung der Bauindustrie zu Entwurfsvarian-

2  Ingenieuraufgaben im Brückenbau

ten an, die als Nebenangebote von den Baufirmen bei der Submission mit eingereicht werden können und von denen sich der Bauherr eine gegenüber dem ausgeschriebenen Entwurf technisch-wirtschaftlich optimierte Lösung verspricht. Im Abschnitt 2.4 wird auf diese Problematik noch einmal eingegangen.

2.4  Ausschreibung 2.4.1  Ausschreibung mit Mengenermittlung Abweichend von dem in [HOAI, 1986] vorgesehenen Ablauf wird im Brückenbau die mit einer Mengenermittlung versehene Ausschreibung der Baumaßnahme nicht auf der Grundlage der vorangegangenen Genehmigungs-  und Ausführungsplanung erstellt. Hier wird die Entwurfsplanung zur Grundlage für die Ausschreibung herangezogen. Dies erklärt, wie hoch die Ansprüche an die Entwurfsplanung im Hinblick auf ihre Vollständigkeit und Realisierbarkeit sind. Die Ermittlung und Aufgliederung nach Einzelpositionen kann also nicht anhand von Ausführungsplänen vorgenommen werden, in denen alle Bauteile lückenlos vermaßt und berechnet sind. Diese Vorgehensweise stellt hohe Ansprüche an die statische Vorberechnung des Brückenbauwerks. Um zum Beispiel die Materialmengen für den Fundamentaushub zutreffend angeben zu können, müssen die Fundamentabmessungen vorab berechnet worden sein. Gleiches gilt für alle anderen Bauteile des Unter- und Überbaus, für die Tragkräfte und Bewegungsmöglichkeiten der Brückenlager und Fahrbahnübergänge, sowie für sämtliche Ver- und Entsorgungseinrichtungen. Was im Rahmen der Entwurfsarbeit wegen des damit verbundenen Aufwands nicht bis ins Detail berechnet und festgelegt werden kann, so zum Beispiel der Bewehrungsanteil bei Stahlbeton- und Spannbetonbauteilen,

2.4  Ausschreibung

muss deshalb geschätzt werden. Dazu gehört ein großes Maß an Erfahrung und spätestens hier wird der planende Ingenieur in Schwierigkeiten kommen, wenn er keine umfassende Kompetenz auf dem Gebiet der Ausführungsplanung hat. Offensichtlich unzutreffende Ermittlungen oder nicht realisierbare Konstruktionen können zu einer Aufhebung der Submission oder, wenn sie erst nach der Auftragserteilung festgestellt werden, zu neuen Preisverhandlungen zwischen dem Bauherrn und der Bauunternehmung führen. Die Ausschreibung für ein Brückenbauwerk mit Mengenermittlung gliedert sich in folgende Abschnitte: A: Anschreiben des Bauherrn mit Bewerbungsbedingungen B: Verdingungsunterlagen Zu den Verdingungsunterlagen gehören: 01: Vorbereitetes Angebotsschreiben des Bieters 02: Besondere Vertragsbedingungen mit komplettem Inhaltsverzeichnis der gesamten Ausschreibung, einschließlich sämtlicher Planunterlagen 03: Leistungsbeschreibung mit verbaler Baubeschreibung und angefordertem Qualitätsmanagement, einschließlich zugehöriger Anlagen 04: Leistungsverzeichnis 05: Planunterlagen 06: Baugrund -und Gründungsgutachten 07: Behördliche Auflagen Als Richtlinie für das Aufstellen der Ausschreibung dient das Handbuch für die Vergabe und Ausführung von Bauleistungen im Straßen- und Brückenbau [HVA-StB, 2001], herausgegeben vom Bundesministerium für Verkehr, Bauen und Wohnen. Es enthält Muster und Vordrucke zur korrekten und vollständigen Verfassung der Ausschreibung. Eine ebenso wichtige Unterlage für das Aufstellen einer Ausschreibung ist die

179

Verdingungsordnung für Bauleistungen [VOB, 2000], die folgende drei Teile enthält: Teil A: Allgemeine Bestimmungen für die Vergabe von Bauleistungen DIN 1960 Teil B: Allgemeine Vertragsbestimmungen für die Ausführung von Bauleistungen DIN 1961 Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen. Der Umfang einer Ausschreibung für ein Brückenbauwerk mittlerer Größe umfasst etwa 150 Textseiten und Formulare. Die Plananlagen, das Gründungsgutachten und die „Behördlichen Auflagen“ sind hierbei nicht mitgerechnet. Die Tragweite eines solchen Dokuments erfordert für seine Erstellung neben exzellenten technischen Kenntnissen auch ein solides Wissen über die Rechtsgrundlagen von Bauverträgen. Die Ursache der oft mehrere Jahre an­ dauernden Verhandlungen oder Prozesse zwischen dem Bauherrn und dem Auftragnehmer über die korrekte Abrechnung einer Baumaßnahme der öffentlichen Hand ist häufig in einer mangelhaften Ausschreibung zu finden. Die Ausschreibung für ein Brückenbauwerk wird veröffentlicht. Als wesentliche Veröffentlichungsorgane fungieren: • Amtsblatt der EU • Bundesausschreibungsblatt Kleinere Bauvorhaben auf kommunaler Ebene werden auch in den entsprechenden Tageszeitungen veröffentlicht. In der Ver­ öffentlichung werden neben dem Bauwerk die Bezugsquelle für die Ausschreibungsunterlagen, die Termine für Submission und Vergabe (Bindungsfrist) und eine Ansprechstelle für Rückfragen genannt. Die Publikation, der Versand und die Ausschreibungsunterlagen erfolgen heute weitgehend auf Datenträger oder bereits über Internet.

180

2  Ingenieuraufgaben im Brückenbau

2.4.2  Randbedingungen für Sonderentwürfe

2.4.3  Funktionale Ausschreibung

Brückenbauten, für die ein Realisierungswettbewerb durchgeführt wird (vgl. Abschnitt 2.1.3), werden in aller Regel nach dem Entwurf ausgeführt, der sich im Wettbewerb durchgesetzt hat, so dass Sonderentwürfe von vornherein ausgeschlossen sind. Denkmalpflegerische Belange oder durch vorhandene Topographien, Bebauungen oder Bodenverhältnisse vorgegebene Zwänge können ebenfalls zum Ausschluss von Sonderentwürfen führen. Sofern es die Umstände jedoch erlauben, sind die Auftraggeber der öffentlichen Hand durchaus an Sondervorschlägen bzw. Alternativen zum ausgeschriebenen Entwurf interessiert. Hierfür müssen allerdings in der Ausschreibung konkrete Randbedingungen formuliert werden, um den angestrebten Zweck des Bauwerks zu erfüllen und die Vergleichbarkeit zum ausgeschriebenen Entwurf sicher zu stellen. Diesbezügliche Versäumnisse können zu einer Anfechtung der Submission und Vergabe führen. Die Randbedingungen sind in der Baubeschreibung zu formulieren. In jedem Fall muss der Bieter die ausgeschriebenen Leistungen vollständig anbieten und für den von ihm eingereichten Sonderentwurf ein vergleichbares Leistungsverzeichnis erstellen. Sonderentwürfe können insbesondere die Gründung, das Bauverfahren, aber auch die Baustoffe und die Gesamtkonstruktion beinhalten. Bei Aufträgen die auf der Grundlage eines Sonderentwurfs vergeben sind, geht das Mengenrisiko auf die Baufirma über, während das Baugrundrisiko beim Bauherrn verbleibt. Daneben sind auch Alternativvorschläge zu Einzelposi­ tionen möglich, bei denen die Konstruk­tion der Brücke nicht wesentlich verändert wird.

Der Unterschied einer funktionalen Ausschreibung zum bereits in 2.4.1 und 2.4.2 beschriebenen Verfahren besteht in der Hauptsache darin, dass der funktionalen Ausschreibung kein Leistungsverzeichnis mit ausgeworfenen Mengen beigegeben ist. Alle anderen in den vorangegangenen Kapiteln aufgeführten Bestandteile gehören auch zu einer funktionalen Ausschreibung, wobei die Definition der Randbedingungen und die Baubeschreibung so eindeutig sein müssen, dass die Vorstellung des Bauherrn ohne Auslegungsspielräume aus den Ausschreibungsunterlagen hervorgeht. Es liegt dann bei den Bietern, sich einen Entwurf und ein Leistungsverzeichnis anzufertigen, um das Bauwerk zutreffend kalkulieren zu können. Spekulationen auf nicht zutreffende Ansätze im Leistungsverzeichnis sind bei der funktionalen Ausschreibung nicht möglich, da die Baumaßnahme nicht nach Positionen, sondern pauschal zum angebotenen Festpreis abgerechnet wird. Inwieweit es volkswirtschaftlich zu vertreten ist, dass bei einer funktionalen Ausschreibung umfangreiche Planungsleistungen gleichzeitig von allen Bietern erbracht werden müssen, bleibt freilich dahin gestellt. Das Beispiel der Geratalbrücke Ichtershausen, s. Bild 2.4-1, zeigt die Möglichkeiten, die eine funktionelle Ausschreibung bei qualifizierter Anwendung bietet. Die Konstruktion wurde im Rahmen eines Sonderentwurfs insbesondere im Bereich der Gründung optimiert. Mit dem Einsatz einer Spannbeton-Vorschubrüstung wurde ein in diesem Fall wirtschaftliches Bauverfahren gewählt. 2.4.4  Verpflichtung zur Eindeutigkeit Jede Ausschreibung muss so verfasst sein, dass der Wille des Bauherrn eindeutig und klar zum Ausdruck kommt. Sofern die Aus-

2.5  Angebotsbearbeitung

181

Bild 2.4-1   Geratalbrücke Ichtershausen im Zuge der NBS Erfurt – Nürnberg, Herstellung mit Vorschubrüstung aus Spannbeton und Stahlschnabel

schreibung bei einzelnen Bauteilen einen Interpretationsspielraum zulässt, ist es dem Bieter gestattet, eine Annahme zu treffen. Wie im Kapitel 2.8. (Nachträge) dargelegt, bieten solche Annahmen stets Anlass zu Nachträgen, die zu erheblichen Verteuerungen des Bauvorhabens führen können.

2.5  Angebotsbearbeitung Im Zuge der Angebotsbearbeitung werden die an einem ausgeschriebenen Brückenbauvorhaben interessierten Bauunternehmen aktiv. Unter hohem Zeitdruck erfolgt zunächst das Durcharbeiten der Ausschreibungsunterlagen und nach deren Analyse die Festlegung einer Konzeption für die Erstellung des Angebots. Da in der Regel hierfür nur ein Zeitraum von 6 – 8 Wochen zur Verfügung steht, muss die Entscheidung über die Ausarbeitung von Sonderentwürfen, die Bildung von Arbeitsgemeinschaften und die vertragliche Bindung von Subunternehmern zu diesem frühen Zeitpunkt

fallen. Häufig werden hierzu bereits im Vorfeld einer erwarteten Ausschreibung Abstimmungen getroffen. Wesentliche Bestandteile der Angebotsbearbeitung sind in der Tabelle 2.5.1 aufgeführt. Voraussetzung für ein qualifiziertes und im Auftragsfall umsetzbares Angebot ist ein schlüssiges Konzept für den Bauablauf, das Bauverfahren, den Personal- und Geräteeinsatz. Im Rahmen dieser Konzeptfindung können auch Sonderentwürfe entwickelt werden, bei denen die speziellen Möglichkeiten und Tabelle 2.5-1  Wesentliche Bestandteile der Angebotsbearbeitung Bauverfahren, Bautechnologie, Baustelleneinrichtung, Personalkonzept, Geräteeinsatz, Überprüfung der Mengenansätze, Kalkulation der Einzelpositionen, Einholen von Nachunternehmer-Angeboten, Planung der Bauzeit und der Bauabläufe, Erstellung des Angebots – Leistungsverzeichnisses, Ausarbeiten von Sonderentwürfen und Nebenangeboten, Finanzierung

182

Erfahrungen (z. B. Geräteausrüstungen, Patente, Lizenzen usw.) einzelner Firmen zum Tragen kommen. Als Ergebnis der Angebotsbearbeitung wird kurz vor der Angebotsabgabe das Angebots – LV erstellt und im Falle von Sonderentwürfen und Nebenangeboten um die erforderlichen technischen Unterlagen ergänzt. Die endgültige Festlegung des Angebotspreises erfolgt dann auch unter Berücksichtigung übergeordneter unternehmenspolitischer Interessen. Die rechtsverbindliche Unterzeichnung des Angebots durch einen oder mehrere bevollmächtigte Vertreter des anbietenden Bauunternehmens oder einer Bietergemeinschaft ist Voraussetzung für die Wertung bei der Submission.

2.6  Submission Bis zu dem in der Veröffentlichung genannten Submissionstermin müssen alle Angebote in verschlossenem Umschlag an dem vom Bauherrn festgelegten Ort abgegeben werden. Im Beisein der Bieter oder deren Vertreter werden die Angebote vom Bauherrn geöffnet und verlesen. Dieser erste Preisspiegel gibt jedoch noch keinen Aufschluss darüber, an wen der Zuschlag erteilt werden wird. Vor allem dann nicht, wenn Alternativangebote und Sondervorschläge zugelassen waren. Da Submissionen öffentlich sind, darf die verlesene Reihenfolge der Bieter in einschlägigen Druckerzeugnissen als Submissionsspiegel veröffentlicht werden.

2.7  Vergabe In der Zeit zwischen Submission und Vergabe, die nie länger als die Bindefrist sein darf, werden sämtliche Angebote geprüft, nachgerechnet und gewertet.

2  Ingenieuraufgaben im Brückenbau

Geprüft wird, ob keine Verstöße gegen die Verdingungsordnung vorliegen, ob der Bieter über ausreichende Erfahrungen im Brückenbau verfügt, ob sich die Sonderentwürfe an die in der Ausschreibung dargelegten Randbedingungen halten und ob die angesetzten Einheitspreise realistisch sind. Nachgerechnet werden sämtliche Posi­ tionen, sowohl für den Ausschreibungsentwurf, wie auch für die eventuell angebotenen Sonderentwürfe und Nebenangebote. Aus den Nachrechnungen wird ein Preisspiegel angefertigt, der mit 100 Prozent auf den günstigsten Bieter bezogen wird. Dieser Preisspiegel wird nicht nur für die gesamte Angebotssumme, sondern auch für die Angebotssummen eventuell ausgeschriebener Teillose und für die Preise der einzelnen Positionen erstellt. Hieraus ergibt sich eine ausreichende Transparenz, nach welcher eine Wertung der Angebote vorgenommen werden kann. Gewertet werden schließlich alle Angebote entsprechend den vorausgegangenen Prüfungen und Nachrechnungen. Vor der Vergabe werden die für den Bauherrn interessantesten Bieter, in der Regel sind dies nicht mehr als 3 oder 4, zu einem Gespräch eingeladen, in dem sie die Möglichkeit haben, die technischen Aspekte des Angebots zu erläutern und eventuelle Unklarheiten zu beseitigen. Wenn der Auftraggeber anhand der Auswertungen und der Verhandlungsergebnisse Klarheit gewonnen hat, welcher Bieter die bautechnisch beste und preiswerteste Lösung für das ausgeschriebene Projekt angeboten hat, wird auf der Grundlage der Ausschreibung ein Bauvertrag verfasst und abgeschlossen. Die Vergabe des Auftrags wird wiederum in den entsprechenden öffentlichen Publika­ tionen bekannt gegeben.

2.9  Prüfung

2.8  Ausführungsplanung In den seltensten Fällen, nämlich dann, wenn eine Brücke über den Weg eines Realisationswettbewerbs zur Ausführung kommt, vergibt der Bauherr schon vor der Vergabe der Bauleistungen die gesamte Tragwerksplanung im eigenen Namen, weil Gestalt, Ausstattung und Konstruktion der Brücke eindeutig festliegen. Im Regelfall wird die Tragwerksplanung jedoch zusammen mit der Bauausführung beauftragt. Wie in den Abschnitten 2.2 (Entwurfsplanung) und 2.4 (Ausschreibung) bereits dargelegt, liegt der Termin für den Beginn der Ausführungsplanung im Regelfall daher nach dem Datum der Vergabe. Unter dem Druck eines nur geringen zeitlichen Vorlaufs muss der von der Baufirma beauftragte Tragwerksplaner nun die statische Berechnung und die Ausführungsplanung erstellen. Der von der Objektplanung zu leistende Anteil an der AusführungsplaTabelle 2.8-1  Bestandteile der Ausführungs­ planung Prüffähige statische Berechnung der Unterund Überbauten und aller Baubehelfe ein­ schließlich sämtlicher Bauzustände, Ver­ formungsberech­nungen mit zugehörigen Mess­­proto­kollen, Berechnung der Lagerkörper und Übergänge, Spann- und Dehnund Lager­wegbe­rechnungen einschließlich zugehöriger Protokolle Absteckpläne Schal-, Bewehrungs- und Spannpläne für Stahlbeton- und Spannbetonkonstruktionen, Werk­stattzeichnungen für Holz- und Stahlkonstruktionen, Konstruktionspläne für Baubehelfe, Versetzpläne für Brückenlager und Übergänge, Geländerpläne, Zeichnerische Darstellung aller Ausrüstungsteile, Steinversetzpläne für Verkleidungen, positionierte Stück‑ und Materi­allisten, Einbauund Ver­legeanweisungen

183

nung wird zumeist bereits mit dem Planwerk erbracht, das der Ausschreibung beigegeben ist (vgl. Abschn. 2.4.1). Da in den nachfolgenden Kapiteln 5 bis 10 ausführlich über alle Konstruktionsteile, Ausführungsmethoden und Bauweisen einer Brücke einschließlich deren Berechnung in sämtlichen Materialvarianten detailliert berichtet wird, wird hier nur auf die wesentlichen Bestandteile der Ausführungsplanung eingegangen. Sie werden in der Tabelle 2.8‑1 zusammengefasst.

2.9  Prüfung Durch die Einbindung eines unabhängigen Prüfingenieurs wird ein hohes Maß an Sicherheit, gewährleistet. Damit gilt auch im Brückenbau wie im Hoch- und Industriebau das Vier-Augen-Prinzip in der Tragwerksplanung. Da die Straßenbauverwaltung ihre eigene Bauhoheit hat, fallen Brückenbauvorhaben jedoch nicht unter das öffentliche Baurecht. Baugenehmigungsbehörde ist die jeweilige Straßenbauverwaltung, im Bahnbau das Eisenbahnbundesamt. Im Gegensatz zum Prüfingenieur, der im Rahmen des öffentlichen Baurechts als beliehener Unternehmer hoheitliche Aufgaben übernimmt, werden der Prüfingenieur und der vom EBA bestellte Sachverständige für Stand­ sicherheit im Rahmen eines privatrecht­ lichen Auftrags tätig. Grundsätzlich kann die Prüfung auch von Mitarbeitern der Ge­ nehmigungsbehörde selbst durchgeführt werden. Der Umfang der Prüfung umfasst die Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit und die Ausführungszeichnungen für den Endzustand und die Bauzustände. Darüber hinaus können auch die Prüfung der Gebrauchstauglichkeit, der Geometrie (Absteckung), der Einhaltung des Bauvertrags und der Wirtschaftlichkeit dem Prüf­ inge­nieur übertragen werden.

184

Grundlage für die Prüfung ist der dem Bauauftrag zugrunde liegende Bauwerksentwurf. Neben der Überwachung der Einhaltung des in Vorschriften und Regelwerken definierten Stands der Technik ist insbesondere das Erkennen der wesentlichen Beanspruchungszustände des Tragverhaltens und der Wechselwirkung zwischen Baugrund und Bauwerk Bestandteil der Tätigkeit des Prüfingenieurs.

2.10  Bauausführung, Bauüberwachung, Abrechnung 2.10.1  Bauausführung Die Bauausführung von Brücken ist in Deutschland eine Kooperation von Bauunternehmung und öffentlichem Bauherrn, sofern es sich um eine Brücke im Rahmen des öffentlichen Wege-, Straßen-, Wasserstraßen- oder Schienennetzes handelt. Hierbei wird die Bauunternehmung durch ihren Bauleiter, der öffentliche Bauherr durch die örtliche Bauüberwachung und die Bauoberleitung vertreten. Auch der Tragwerksplaner muss fallweise in das Baugeschehen vor Ort eingebunden werden. Dies ist unabdingbar, wenn außergewöhnliche Bauverfahren angewendet werden, die noch nicht zum Stand der Technik gehören, oder wenn komplizierte Montagezustände auszuführen sind, bei denen die aktuell gemessenen Verformungen der Bauteile eine wesentliche Rolle für das weitere Vorgehen bei der Montage spielen. Auch der vom Bauherrn bestellte Prüfingenieur muss im Bedarfsfall auf der Baustelle anwesend sein, insbesondere, wenn ihm vom Bauherrn gewisse Kontrollfunktionen, z. B. die Abnahme der Bewehrung bei Stahlbeton- und Spannbetonbauwerken übertragen worden sind. Auf die verschiedenen Brückenbauverfahren wird im Kapitel 9 eingegangen weshalb an dieser Stelle nur die organisato-

2  Ingenieuraufgaben im Brückenbau Tabelle 2.10-1  Aufgaben der Baustellenleitung Organisation von Baustelleneinrichtung und Logistik, Aufstellung eines Bauablaufplanes, Darstellung des aktuellen Baufortschrittes gegenüber der Sollkurve, Ordern des Mate­ rialbedarfes, Festlegen und Einsetzen des jeweiligen Personalbedarfes, Einplanen und Kontrollieren der Subunternehmerleistungen, Veranlassung der erforderlichen Eigen- und Fremdüberwachungen von Baustoffen, Anordnung von baubegleitenden Kontrollmessungen einschließlich deren Protokollierung und Auswertung, laufende Kosten- und Qualitätskontrolle, Einleitung von Ent­schei­dungs­ prozessen bei unvorhergesehenen Bau­prob­ lemen, Kontrolle der Einhaltung berufsgenossenschaftlicher Forderungen im Hinblick auf die Baustellensicherheit, Führung der Bauakten (Planunterlagen, Lie­ferscheine, Protokolle, Gesprächsnotizen u.a.), Einberufung außergewöhnlicher Baubesprechungen, Meldung von Verzögerungen oder Verzug bei allen zum Bau erforderlichen Lieferungen, Festhalten von Änderungen der Bauausführung gegenüber dem Planwerk

rischen Notwendigkeiten und deren Realisation angesprochen werden. Alle Ausführungsbelange laufen in der Person des Bauleiters zusammen, der, entsprechend der VOB, vom beauftragten Bauunternehmer als verantwortlicher Ansprechpartner zu benennen ist. Die wesentlichsten seiner vielfältigen Aufgaben werden in der Tabelle 2.10-1 zusammengefasst, während das Bild 2.10-1 Teile des Bauablaufplans einer Eisenbahnbrücke im Zuge der NBS Mannheim – Stuttgart zeigt. Der verantwortliche Bauleiter hat als Vertreter der die Brücke herstellenden Baufirma ein sehr breites Aufgabengebiet. Er muss als Ingenieur alle für die technisch einwandfreie und sichere Erstellung des Bauwerks erforderlichen Maßnahmen ergreifen bzw. veranlassen. Gleichzeitig obliegt ihm auch die wirtschaftliche Durch-

2.10  Bauausführung, Bauüberwachung, Abrechnung

185

Bild 2.10-1   Beispiel für einen Bauablauf: Eisenbahnbrücke im Zuge der NBS Mannheim – Stuttgart [Penner, 1987]

führung der Bauaufgabe. Als Repräsentant der beauftragten Baufirma oder Arbeitsgemeinschaft hat er die Geschäftsinteressen sowohl gegenüber den Nachunternehmern als auch gegenüber dem Bauherrn zu vertreten. Angesichts des hohen Anteils der Leistungen, die heute üblicherweise von Nachunternehmern erbracht werden, stellen diese Aufgabenfelder mit ihren oft widersprüchlichen Zielstellungen höchste Anforderungen an die in der Bauleitung tätigen Ingenieure. 2.10.2  Örtliche Bauüberwachung Für die örtliche Bauüberwachung bei Brückenbauwerken wird vom Bauherrn häufig

ein Fachbüro beauftragt. Mitunter wird sie auch vom Bauherrn selbst wahrgenommen, sofern ihm eigenes Personal zur Verfügung steht. Die Aufgaben der örtlichen Bauüberwachung sind in der Tabelle 2.10-2 wiedergegeben. Bei größeren Brückenbauwerken verlangt dieses Aufgabengebiet eine nahezu ständige Anwesenheit der örtlichen Bau­ überwachung auf der Baustelle. 2.10.3  Bauoberleitung Die örtliche Bauüberwachung wird im Brückenbau von der Bauoberleitung beaufsichtigt. Diese Bauoberleitung wird in der Regel von Fachkräften des Bauherrn wahrgenommen, kann aber auch vom Bauherrn an ein

186 Tabelle 2.10-2  Leistungsbild der örtlichen Bauüberwachung   (1) Überwachen der Ausführung des Objekts auf Übereinstimmung mit den zur Ausführung genehmigten Unterlagen, dem Bauvertrag sowie den allgemein anerkannten Regeln der Technik und den einschlägigen Vorschriften,   (2) Hauptachsen für das Objekt von objektnahen Festpunkten abstecken sowie Höhenfestpunkte im Objektbereich herstellen, soweit die Leistungen nicht mit besonderen instrumentellen und vermessungstechnischen Verfahrens­anforde­ rungen erbracht werden müssen, Baugelände örtlich kennzeichnen,   (3) Führen eines Bautagebuchs,   (4) Gemeinsames Aufmaß mit den ausführenden Unternehmen,   (5) Mitwirken bei der Abnahme von Leistungen und Lieferungen,   (6) Rechnungsprüfung,   (7) Mitwirken bei behördlichen Abnahmen,   (8) Mitwirken beim Überwachen der Prüfung der Funktionsfä­higkeit des Objekts,   (9) Überwachen der Beseitigung der bei der Abnahme der Leistungen festgestellten Mängel, (10) Überwachung der Ausführung von Tragwerken auf Überein­stimmung mit dem Standsicherheitsnachweis.

Ingenieurbüro vergeben werden. Das Leistungsbild der Bauoberleitung ist in den §§ 55 (Objektplanung) und 64 (Tragwerksplanung) der HOAI aufgeführt und wird zum Zweck der Gegenüberstellung mit dem Leistungsbild der örtlichen Bauüberwachung in der Tabelle 2.10-3 in konzentriertem Auszug wiedergegeben. Der Tragwerksplaner ist nach §64 der HOAI nur in besonderen Fällen an der Bauoberleitung beteiligt, nämlich dann, wenn er im Sonderfall mit der ingenieurtechnischen Kontrolle der Bauwerksausführung oder der Baubehelfe beauftragt wurde. Auch die ingenieurtechnische Kontrolle der Herstellung, Verarbeitung und

2  Ingenieuraufgaben im Brückenbau Tabelle 2.10-3  Leistungsbild der Bauoberleitung Aufsicht über die örtliche Bauüberwachung, Koordinieren der an der Objektüberwachung fachlich Beteiligten, Prüfen auf Übereinstimmung und Freigeben von Plänen Dritter Aufstellen und Überwachen eines Zeitplanes In Verzug setzen der ausführenden Unter­ nehmen Abnahme von Leistungen und Lieferungen unter Fertigung einer Niederschrift über das Ergebnis der Abnahme Antrag auf behördliche Abnahmen und Teilnahme daran Übergabe des Objekts einschließlich der zugehörigen Bauakten Zusammenstellen von Wartungsvorschriften Überwachen der Funktionsprüfung Auflisten der Verjährungsfristen der Gewährleistungsansprüche Kostenfeststellung Kostenkontrolle durch Überprüfen der Leistungsabrechnung des bauausführenden Unternehmens im Vergleich zu den Vertragspreisen und der fortgeschriebenen Kostenberechnung

Nachbehandlung von Beton können im Rahmen einer betontechnologischen Beratung in Sonderfällen erforderlich werden. Auch der örtlichen Bauüberwachung und Bauoberleitung stehen zur Erfüllung ihrer verantwortlichen Tätigkeit einige Regelwerke zur Verfügung, deren wichtigste in der Tabelle 2.10-4 zusammengefasst sind. [HVA-StB, 2001] gibt in Absatz 2.1 unter anderem konkrete Verfahrensanweisungen in Bezug auf das Verhältnis von Bauüberwachung zu Auftragnehmer, Nachunternehmern und Baustellenanliegern, es regelt die Baustellenbeschilderung, die Behandlung von Baustoff- und Bauteilkontrollen, das Aufstellen von Bautagesberichten durch den Auftragnehmer, die Aufstellung der Ordnungszahl - Kontrollliste als Grundlage

2.10  Bauausführung, Bauüberwachung, Abrechnung

187

Tabelle 2.10-4  Regelwerke für Bauüberwachung und Bauoberleitung Regelwerk

Herausgeber

[HVA-StB, 2001] Handbuch für die Vergabe und Ausführung von Bauleistungen im Straßen- und Brückenbau (HVA-StB Teil 3)

Bundesministerium für Verkehr, Bauen und Wohnen

[Merkblatt, 2001] für die Bauüberwachung von Kunstbauten (M-BÜ-K)

Bundesministerium für Verkehr, Bauen und Wohnen

[Rili 804, 2003] Verdingungsordnung für Bau­ leistungen

DIN Deutsches Institut für Normung e.V.

für den festzustellenden Mittelbedarf und schließlich das Führen des Bautagebuches. Die Abschnitte 2.2 und 2.3 [HVA-StB 2001] regeln die Abrechnung der Baumaßnahme und enthalten ebenfalls Musterblätter z. B. für das örtliche Aufmaß. Absatz 2.4 beinhaltet die Behandlung von Nachträgen. Die weiteren Absätze betreffen die Behinderung und Unterbrechung der Ausführung, die Sicherheitsleistungen, das Behandeln von Rechnungen und Zahlungen einschließlich der Zahlungen an Dritte, die Abnahme und die Gewährleistung. [Merkblatt, 1996] ist vor allem für die Über­ wachung der Übereinstimmung der Bauausführung mit den allgemein anerkannten Regeln der Technik maßgebend. Dort sind alle einschlägigen Vorschriften aufgelistet und Checklisten enthalten, nach denen die einzelnen Bauteile einer Brücke von der Gründung bis hin zum Korro­ sions- und Oberflächenschutz überprüft werden können, wobei auf die jeweils zutreffenden Vorschriften hingewiesen wird. Die sichere Kenntnis von [Rili 804, 2003] ist für die Überwachung der Bau­ ausführung im Hinblick auf Überein­ stimmung mit dem Bauvertrag unerlässlich. Selbstverständlich muss die Bauüberwachung auch die im Rahmen der Entwurfs- Genehmigungs- und Ausführungsplanung zitierten Regelwerke kennen, beachten und jederzeit auf sie zurückgreifen können.

2.10.4  Bauüberwachung bei funktional ausgeschriebenen Brückenbauwerken Mit Ausnahme der Aufgaben im Hinblick auf die Ermittlung der eingebauten Mengen durch Planvergleich oder örtliches Aufmaß gelten alle bereits genannten Aufgaben, Regelwerke und Zuständigkeiten auch für die Bauüberwachung von funktional ausgeschriebenen Brückenbauwerken. Da die Abrechnung eines derart ausgeschriebenen Brückenbauwerks auf pauschaler Basis vorgenommen wird, muss ein Zahlungsplan geführt werden, der anhand der jeweiligen Baufortschrittsmeldungen Abschlagszahlungen an den Unternehmer freigibt. 2.10.5  Abrechnung Der Auftragnehmer ist nach [Rili 804, 2004] Teil B § 14 Nr. 1 verpflichtet, seine Leistungen prüfbar abzurechnen und dabei Art und Umfang der Teilleistungen anhand der Ordnungszahlen (OZ) des Leistungsverzeichnisses unter Vorlage von Berechnungen, Zeichnungen und anderen Belegen nachzuweisen. Die Abrechnung wird entweder nach Soll‑Daten oder nach Ist‑Daten vorgenommen. Für die Abrechnung nach Soll‑Daten dienen die vom Bauherrn genehmigten Ausführungspläne samt Stücklisten als Abrechnungsgrundlage, sofern ohne Abweichung von diesen Soll‑Unterla-

188

gen gebaut worden ist. Bei der Abrechnung nach Ist‑Daten sind Aufmaße, Wiege‑ oder Lieferscheine, Frachtbriefe und Stundenlohnzettel als Belege erforderlich. Eventuell vereinbarte Lohn‑ und Stoffpreisgleitklauseln, wie sie bei Bauvorhaben vereinbart werden können, deren Bauzeit sich über mehrere Jahre erstreckt, sind bei der Abrechnung zu berücksichtigen. Für die Abrechnung mit DV-Anlagen enthält die bereits zitierte HVA-StB Hinweise, wobei insbesondere auf die „Sammlung der Regelungen für elektronische Bau­ abrechnung“ (Sammlung REB) verwiesen wird. Aufträge, die auf der Grundlage eines Sonderentwurfs oder einer funktionalen Ausschreibung vergeben wurden, werden nicht auf der Grundlage von Mengenermittlungen, sondern nach Pauschalpreisvereinbarungen mit Zahlungsplänen abgerechnet. 2.10.6  Nachträge So korrekt und vollständig ein Brückenbauwerk auch immer ausgeschrieben sein mag, es werden sich Nachträge nie völlig vermeiden lassen. Nachträge sind Änderungen oder Ergänzungen des Bauvertrags. Sie sind schriftlich zu vereinbaren und können folgende Ursachen haben: • Über­oder Unterschreitung des Ansatzes einer Position um mehr als 10 v. H. • Änderung der Leistung • Zusätzliche Leistung. Die hierfür erforderlichen Regelungen sind in §2 der VOB aufgeführt. Bei Unter- oder Überschreitung des Ansatzes einer Position im Leistungsverzeichnis kann von Seiten des Bauherrn oder der Baufirma eine Änderung des Einheitspreises verlangt werden. Eine Änderung der Leistung kann sich ergeben, wenn der Auftraggeber eine Ent-

2  Ingenieuraufgaben im Brückenbau

wurfsänderung anordnet. Solche Entwurfsänderungen können sich ergeben, wenn während des Baugeschehens andere örtliche Verhältnisse angetroffen werden, wie sie bei der Aufstellung des Entwurfs nicht vorhersehbar waren, oder wenn sich herausstellen sollte, dass sich ein vom Entwurf vorgesehenes Bauteil mit den hierfür vorgesehenen baulichen Mitteln nicht realisieren lässt. Vor allem im Gründungsbereich können derartige Entwurfsänderungen auftreten, wenn z. B. die Gründungssohlen vor Ort tiefer als vorausgesetzt anstehen oder aufgrund witterungsbedingter Umstände andere Wasserhaltungsmaßnahmen erforderlich werden. Im innerstädtischen Bereich kann es immer wieder zu Änderungen der Gründungskörper kommen, weil Ver- oder Entsorgungsleitungen im Baufeld angetroffen werden, die in den Bestandsplänen der Versorgungsträger nicht oder in anderer Lage enthalten sind. Zusätzliche Leistungen fallen an, wenn Bauteile errichtet werden müssen, die im Entwurf nicht vorgesehen sind. So können z. B. wegen nicht ausreichend vorhandener Geländedarstellungen zusätzliche Stützmauern zur Abfangung des Geländes in der Örtlichkeit erforderlich werden. Da Nachtragsverhandlungen in jedem Falle ein nicht unbeträchtliches Konfliktpotenzial und ein Kostenrisiko in sich bergen, sollte jeder entwurfsverfassende Ingenieur mit Hilfe geeigneter Qualitätssicherungsmethoden stets bestrebt sein, ein vollständiges, technisch und vertraglich einwandfreies Entwurfswerk zu erstellen.

2.11  Objektbetreuung und Dokumentation Im Regelfall wird bei Brückenbauwerken im Bauvertrag eine Verjährungsfrist für die Gewährleistung vereinbart. Sie beginnt mit der Abnahme des Bauwerks. Vor Ablauf dieser Frist muss das Objekt noch einmal

2.12  Ingenieuraufgaben im Brückenbestand

begangen werden um eventuelle Mängel und damit Gewährleistungsansprüche gegenüber dem Auftragnehmer festzustellen. Werden Mängel festgestellt, so ist deren Beseitigung zu überwachen. In Abhängigkeit von der vollständigen Vertragserfüllung durch den Auftragnehmer hat der Inge­ nieur auch bei der Freigabe der im Bau­ vertrag vereinbarten Sicherheitsleistungen mitzuwirken. Als letzte Aufgabe obliegt dem Ingenieur eine systematische Zusammenstellung der zeichnerischen Darstellungen und der rechnerischen Ergebnisse. Die wesentlichen Daten des Bauwerks werden in einem Bauwerksbuch festgehalten. Auch eine fotografische Dokumentation des Brückenbauwerks mit seinen Ansichten und seiner Untersicht, seinen Widerlagern und Pfeilern sowie aller wesentlicher Besonderheiten wird angefertigt und archiviert.

2.12  Ingenieuraufgaben im Brückenbestand Das ständig steigende Verkehrsaufkommen und der große Bestand an alten Brücken sorgen dafür, dass ein breites Aufgabenspektrum für Bauingenieure in der Erhaltung des Brückenbestands und in dessen Ausbau zu finden ist. Viele Aufgaben entsprechen denen des Neubaus, daher wird nachfolgend nur auf die Besonderheiten von Planen und Bauen im Bestand hingewiesen. Die beiden Bilder 2.12-1 und 2.12-2 zeigen die Altersstrukturen des Bestands an Straßen- und Eisenbahnbrücken in Deutschland. 2.12.1  Überwachen, Bewerten und Beurteilen von Brücken Mit der Übernahme in den Bestand eines Baulastträgers (Bund, Land, Kreis, Kommune) geht auch die Verantwortung für

189

den Substanzerhalt des Bauwerks über. Grundlage für die Überprüfung von Brücken hinsichtlich ihrer Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit ist die DIN 1076. Sie sieht Hauptprüfungen in einem Abstand von 6 Jahren und einfache Prüfungen jeweils 3 Jahre nach einer Hauptprüfung vor. Bei besonderen Ereignissen, wie z. B. dem Anprall eines Fahrzeugs an eine Stütze werden zusätzliche Prüfungen erforderlich. Die Ergebnisse der Prüfungen werden in der Bauwerksakte dokumentiert und die Mängel/Schäden am Bauwerk gekennzeichnet, damit die aufgetretenen Probleme zukünftig beobachtet werden können. Damit wird die Grundlage für das Ergreifen von Maßnahmen zur Begutachtung und Sanierung von Schadensfällen ge­ schaffen. Inzwischen geht die Entwicklung hin zur Entwicklung von Management-Sys­ temen, die einen strukturierten Mitteleinsatz bei der Unterhaltung von Bauwerken erlauben [Zilch, et al., 2000]. Die Beschaffung zuverlässiger Daten als Grundlage der Entscheidungsfindung kann den Einsatz moderner Monitoringinstrumente erfordern. Die Inhalte der Tätigkeiten in diesem Bereich liegt im allgemeinen weniger im statisch-konstruktiven Bereich, als bei der Brückenausrüstung. Anspruchsvolle statisch-konstruktive Aufgabenstellungen sind die Beurteilung festgestellter Schäden, z. B. von Ermüdungsrissen bei Stahlbauten, Korrosionsschäden an Stahlteilen oder an freiliegender Bewehrung, an Spannkabeln und deren Verankerungen. In vielen Fällen lässt sich der Abbruch einer Brücke durch entsprechende Reparaturen, Nutzungsbeschränkungen, rechnerische Bewertung des Ist-Zustands mit realen Betriebslastenzügen statt mit genormten Lastmodellen und durch permanente Überwachung um einige Jahre hinauszögern. In diesem Zusammenhang ist auch die rechnerische Ermittlung der „Restlebensdauer“ ermüdungsgeschädigter Stahltragwerke zu nen-

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2  Ingenieuraufgaben im Brückenbau

Bild 2.12-1   Bestand Straßenbrücken in Deutschland nach [Friebel/Krieger, 2002]

nen. Die Forderung nach einfacher Kontrollierbarkeit, Austauschbarkeit oder die Möglichkeit zur Instandsetzung schadhafter Teile wird heute auf der Grundlage langjähriger Erfahrungen sehr hoch bewertet und beeinflusst stark die technische Entwicklung im Brückenbau. Ein Beispiel hierfür ist der Einsatz der externen Vorspannung als Regelbauweise bei Beton-Kastenträgern.

2.12.2  Instandsetzung und Ertüchtigung von Brücken Erfordert der Zustand einer Brücke Instandsetzungs- und Ertüchtigungsmaßnahmen, so sind diese zumindest unter Berücksichtigung besonderer Anforderungen, z. B. der Durchführung der Arbeiten unter laufendem Verkehr zu planen und auszuführen. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die Sicherstellung der Eignung der verwendeten Baustoffe und ihre Verträglichkeit mit dem bestehenden Bauwerk.

2.12  Ingenieuraufgaben im Brückenbestand

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Bild 2.12-2   Bestand Eisenbahnbrücken in Deutschland nach [König et al., 1986]

Die Notwendigkeit einer Verstärkung bestehender Brückenbauwerke ist in folgenden Fällen gegeben:

allem bei sehr alten Eisenbahnbrücken ist zu beachten, dass diese manchmal auch den heutigen Vertikallasten (Betriebslastenzüge) genügen, jedoch kaum eine definierte Tragfähigkeit für Horizontallasten (Fliehkräfte, Windkräfte, besonders aber Anfahr- und Bremskräfte) besitzen. 2. Bei unbefriedigender Gebrauchstauglichkeit (Verformungen, Schwingungsverhalten, Lärmentwicklung). Unzulässig große Verformungen betreffen hauptsächlich Balkenbrücken aus Stahl- und Spannbeton und resultieren vielfach aus Schwinden und Kriechen des Betons und Widerlagerbewegungen. Unannehmbare Schwingungen können von geänderten Nutzungsbedingungen herrühren. Starke Lärmentwicklung ist oft darauf zurückzuführen, dass bei der Errichtung der Brücke kein Wert auf den Schallschutz und die Lärmvermeidung gelegt worden war. Die beiden letztgenannten Punkte betreffen hauptsächlich Stahlbrücken.

1. Bei ungenügender Tragfähigkeit, z. B. wenn die Strecke auf ein höheres Lastniveau gehoben oder einer neuen Normensituation angepasst werden soll. Vor

Bei der Verstärkung von Brücken ist zu unterscheiden, ob die Maßnahmen das Brückentragwerk, die Unterbauten oder alle Teile betreffen.

Instandsetzungsarbeiten können mit vorübergehenden oder dauernden Änderungen im statischen System oder im Kräftespiel verbunden sein. Ein Beispiel hierfür ist die Erneuerung des Fahrbahnbelags. Wenn die Arbeiten unter laufendem Verkehr durchgeführt werden, entstehen durch die einseitige Verkehrslast und das einsei­ tige Fehlen des Fahrbahnbelags und eventuell der Randbalken große Torsionsmomente, die für das Tragwerk und für die Lager maßgebend sein können. Nach modernen Normenwerken berechnete Bauwerke werden für solche Situationen bemessen, bei älteren Bauwerken wurden hingegen oft nur der Endzustand und, soweit dies als notwendig erachtet wurde, die Bauzustände berücksichtigt. 2.12.3  Verstärkung von Brückenbauwerken

192

2.12.4  Austausch oder Verbreiterung von Tragwerksteilen oder von ganzen Tragwerken In vielen Fällen können bei einer Instandsetzung oder der Verbreiterung einer Brücke die Standsicherheit, Gebrauchstauglichkeit und die Dauerhaftigkeit der Unterbauten mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand durch Sanierung wiederhergestellt werden. Bei den Überbauten kann hingegen oft ein Neubau technisch und wirtschaftlich sinnvoller sein. In der Regel ist dabei der Verkehr aufrecht zu erhalten, oder es sind nur kurze Sperrpausen möglich. Besonders bei Bahnbrücken ist man oft gezwungen, die Beeinträchtigung des bestehenden Verkehrs möglichst gering zu halten. Regelausführungen sind der Austausch des Überbaus durch Ausheben der alten und Einheben der neuen Tragwerke, durch beidseitige Anordnung von Gerüsten und seitliches Verschieben der alten und neuen Tragwerke, durch den Einsatz von Hilfsbrücken oder durch Einpressen im Schutz einer Vereisung des Baugrunds. Wegen der vielfach schweren Zugänglichkeit bzw. wegen gegenüber dem Zeitpunkt der Errichtung geänderter Platzbedingungen ist die Anordnung von Gerüsten zuweilen unmöglich und man muss vielfach die Tragwerke an Ort und Stelle austauschen.

2  Ingenieuraufgaben im Brückenbau

Hier sind aufgrund der Vielfalt möglicher Randbedingungen sinnvolle Maßnahmen im Einzelfall zu treffen, sie stellen in der Regel echte Herausforderungen an den Ingenieurgeist dar. Stets sind neben statischen und konstruktiven auch baubetriebliche Probleme zu lösen. Der Ausbau von Verkehrswegen und nachträgliches Anbringen von Schallschutz­ einrichtungen erfordern eine Verbreiterung der Fahrbahntafel. Wo dies möglich ist, wird man die baulichen Veränderungen auf die Verbreiterung des Überbaus beschränken. Wie beim Austausch von Tragwerken ist man auch hier vielfach gezwungen, den bestehenden Verkehr möglichst wenig zu beeinträchtigen. Durch einfache Möglichkeit des Autogenschneidens und Schweißens bzw. Schraubverbindungen mit GVoder Passschrauben herzustellen, durch die vergleichsweise geringen Bauteilgewichte und die sofort voll vorhandene Bauteilsteifigkeit sind die entsprechenden Arbeiten bei Stahlbrücken wesentlich einfacher durchzuführen als bei Betonbrücken. Bei letzteren ergeben sich durch die Möglichkeit einer verbundlosen Vorspannung mit externen Spanngliedern und den Einsatz von GFK-Bewehrung neue Lösungsan­ sätze. Scheidet eine Verbreiterung des Überbaus aus statisch-konstruktiven oder geo-

Bild 2.12-3   Talbrücke Siebenlehn. Querverschub des neuen Überbaus für eine Richtungsfahrbahn

2.12  Ingenieuraufgaben im Brückenbestand

193

Bild 2.12-4   Verbreiterung einer Bahnbrücke durch einen zusätzlichen Überbau

metrischen Gründen aus, so können entweder zwei neue Überbauten auf den zu verbreiternden Unterbauten oder ein vollständig neues Brückenbauwerk neben der bestehenden Brücke erforderlich werden. Beides stellt nicht nur hohe Anforderung an die Planung der Tragwerke sondern insbesondere auch an die Gestaltung des Gesamtbauwerks. 2.12.5  Abbruch von Brückenbauwerken Schon aus Forderungen des Umweltschutzes muss der Abbruchvorgang in der Regel schonend durchgeführt werden. Wegen der erheblich geringeren Gewichte und

der einfachen Möglichkeit Bauteile zu trennen und diese mit Hebezeugen an­ zufassen, ist ein Abbruch im Stahl- und Holzbau meist wesentlich einfacher als im Betonbau, der Vorgang entspricht ge­ radezu einem planmäßigen „Rückbauen“. Bei Ortbetonbauten wird man meist Bauteile durchtrennen oder sprengen müs­ sen, bei Ausführungen mit Fertigteilen richtet sich die Art eines systematischen Abbruchs eventuell nach der Art und Größe der Fertigteile und der Fugenaus­ bildung. Wie bei der Herstellung hat man es auch beim Abbruch meist mit sich ändernden statischen Systemen zu tun, die auch Abspannungen und/oder Hilfsge­ rüste erfordern können.

3  Entwurf

Christian Menn und Johann Kollegger

Der Entwurf ist die Grundlage des Bau­ projekts. Das Ziel des Entwurfs besteht da­ rin, ein technisch einwandfreies, ausführ­ bares Konzept zu entwickeln, das dem Standort, dem Umfeld, der Bedeutung und der ­Größe der Brücke bezüglich Kosten und Ästhetik optimal entspricht. Der Ent­ wurf muss mit der Darstellung der konzep­ tionellen Idee einen Projektierungsstand erreichen, der gewährleistet, dass das Bau­ projekt ohne wesentliche Änderungen aus­ gearbeitet werden kann und dass eine rela­ tiv zuverlässige Schätzung der Baukosten bereits möglich ist. Bei Ingenieurbrücken erfolgt der Ein­ stieg in den Entwurf mit einem geeigneten Tragsystem, das dann im Blick auf Funk­ tionalität und Randbedingungen unter Be­ rücksichtigung von konstruktiven, bautech­ nischen, ökonomischen und gestalterischen Aspekten verfeinert wird. Die endgültige Form der Brücke ist das Ergebnis dieser Entwicklungsarbeit. Die Ausdruckskraft der Form kann allenfalls mit vorsichtig zu­ rückhaltender Ornamentik in der Detail­ ausbildung noch etwas gesteigert werden. Bei Architekturbrücken erfolgt der Ein­ stieg in den Entwurf im Wesentlichen mit der Form. Vor allem im Blick auf Ausführ­ barkeit und Baukosten wird dann die Form so weit notwendig modifiziert, Das Ergeb­ nis ist das der formalen Grundlage entspre­ chende optimale Tragsystem. In der Regel weist diese Art des Entwurfsprozesses wirt­ schaftliche Nachteile auf. Meistens lässt sich bereits mit generel­ len Vorstudien das geeignetste Tragsystem festlegen. Unter Umständen müssen aber

für einen einwandfreien Vergleich auch zwei oder mehrere Entwürfe ausgearbeitet werden.

3.1  Entwurfsgrundlagen Im konzeptionellen Entwurf werden das Tragsystem, die Spannweiten, die Funda­ tionen, die Baustoffe, die Querschnitts­ gestaltung und weitgehend auch der Bau­ vorgang und die Bauzeit ermittelt. Die Grundlagen der Entwurfsarbeit bestehen einerseits aus der bauwerkspezifischen, verkehrstechnischen Funktion und den ortspezifischen Randbedingungen und an­ dererseits aus den allgemeinen, funktionel­ len und den kulturellen Anforderungen. Die bauwerkspezifische, verkehrstech­ nische Funktion und die ortspezifischen Randbedingungen bilden die Grundlage für das gesamte Spektrum prinzipiell geeig­ neter Tragsysteme. Die kulturellen Anfor­ derungen grenzen dieses Spektrum bereits stark ein. In Vorstudien werden aufgrund der funktionellen Anforderungen einige wichtige Querschnittsabmessungen be­ stimmt und die Machbarkeit und Eignung einer konzeptionellen Idee überprüft. Auf diesem Entwicklungsniveau ist es in der Regel möglich, das optimale Konzept zu ermitteln, das dann in einem interdepen­ denten Prozess auf ökonomisch-gestalte­ rischer Basis verfeinert wird; d. h. jede Formverfeinerung muss in Bezug auf die funk­tionelle Eignung und die wirtschaft­ lichen Auswirkungen sorgfältig überprüft werden.

196

Die bauwerkspezifischen, verkehrstech­ nischen Vorgaben sind • Verkehrsart, • Linienführung und • Nutzungsquerschnitt. Die ortspezifischen Randbedingungen bestehen im wesentlichen aus • Topographie, Geologie und Hydro­logie, • Seismologie, • Bodenchemie und lokaler Klimatologie, • verbindlichen Lichtraumprofilen, • Bauzeit und lokaler Bautechnik, sowie aus umfeldbezogenen Aspekten wie • Landschaft, angrenzender Bausubstanz, und zeitlichem Umfeld, • Exposition des Brückenstandorts und • kultureller Bedeutung der Brücke, • Lärmemissionen und Auswirkungen des Bauwerks auf Vegetation und • Wasser. Die allgemeinen funktionellen Anforde­ rungen umfassen • Tragsicherheit, • Gebrauchstauglichkeit und • Dauerhaftigkeit. Die kulturellen Anforderungen bestehen aus optimaler Ausgewogenheit von • Wirtschaftlichkeit und • Ästhetik des Bauwerks.

3.2  Bauwerkspezifische, ­verkehrstechnische ­Vorgaben Verkehrsart, Linienführung und Nutzungs­ querschnitt sind im Prinzip Grundlagen und Ergebnisse der übergeordneten, ver­ kehrstechnischen Infrastrukturplanung und in diesem Sinne Vorgaben für den ­Brückenentwurf. Trotzdem sollten diese Vorgaben grundsätzlich in Bezug auf ihre Auswirkungen auf das Bauwerk überprüft werden.

3  Entwurf

Brücken, die nach dem heutigen Kennt­ nisstand projektiert und gebaut werden, sollten ohne wesentliche Umbau- und Ver­ stärkungsarbeiten eine Nutzungsdauer von 80 bis 100 Jahren aufweisen. Das bedeutet, dass bezüglich Verkehrsart die künftige Entwicklung der Verkehrsstruktur und der Verkehrslast eine wichtige Rolle spielen. Diese Entwicklung wurde in den Normen bei der Festlegung der Verkehrslast auf­ grund wissenschaftlicher Untersuchungen berücksichtigt. Nur bei sehr großen Brü­ cken auf städtebaulich fixierten Achsen, für die bereits im Planungsstadium eine um­ baufreie Nutzungsdauer von bedeutend mehr als 100 Jahren erwartet wird, sollte die normierte Verkehrslast überprüft und ­allenfalls erhöht werden. Bei der Gesamtplanung finden die Aus­ wirkungen der Fahrbahngeometrie im ­Brückenabschnitt oft zu wenig Beachtung und deshalb sollte der Brückeningenieur die Fahrbahngeometrie im Blick auf den Brückenentwurf überprüfen und allenfalls Korrekturen zur Diskussion stellen. Selbst kleine Änderungen an der Fahrbahngeo­ metrie können unter Umständen sehr ­große Auswirkungen auf den konzeptionellen Entwurf haben. Der Nutzungsquerschnitt im Brücken­ bereich entspricht selten demjenigen au­ ßerhalb der Brücke. Bei der Festlegung der Abmessungen sind die Verkehrssicherheit bei Pannen und Unfällen auf der Brücke, die Anforderungen bezüglich Inspektion, Unterhalt und Belagserneuerung sowie die künftige Entwicklung des Verkehrs zu be­ rücksichtigen. Bei voraussichtlich rascher Verkehrszunahme im Vergleich zur Nut­ zungsdauer der Brücke, sind Reserven in der Nutzungsbreite sinnvoll: bei langsa­ merer Zunahme kann es zweckmäßiger sein, Maßnahmen für eine Querschnitts­ verbreiterung vorzusehen und die künftig erforderliche Tragfähigkeit in Haupttrag­ richtung bereits von Anfang an sicher zu stellen.

3.4  Funktionelle A ­ nforderungen

3.3  Ortspezifische ­Randbedingungen Die ortspezifischen Randbedingungen sind entscheidend für die Erarbeitung geeig­ neter Entwurfsvarianten. Die vorliegenden Randbedingungen sollten deshalb nicht kritiklos übernommen, sondern aus der Sicht des Brückenbauers nochmals sorg­ fältig überprüft werden: Die Lage eines Feldwegs ist sicher nicht maßgebend bei der Wahl der Pfeilerstandorte, und bautech­ nische Angaben in geologischen Berichten dürfen und sollten vom Brückenbauer hin­ terfragt werden. Im Zusammenhang mit den üblichen Randbedingungen muss sich der Brückenbauer aber auch Gedanken ­machen über künftige Veränderungen im Umfeld der Brücke und über seltene Ge­ fährdungsbilder durch Naturkatastrophen, die im Verhältnis zur wahrscheinlichen Le­ bensdauer der Brücke zu bewerten sind. Die Beurteilung der Exposition und der ­B edeutung der Brücke im kulturellen ­Umfeld ist zum Teil subjektiv. Wie bei allen Aktivitäten im Brückenbau sind auch hier künf­tige Entwicklungen in Betracht zu ­ziehen. Auch bei zahlreichen, konkreten Rand­ bedingungen sind im Prinzip beliebig viele Entwurfsvarianten möglich. Es ist aber nicht sinnvoll, ein breites Variantenspekt­ rum zu untersuchen. Mit Blick auf Wirt­ schaftlichkeit und Ästhetik können viele grundsätzlich mögliche Varianten, soge­ nannte Nullvarianten von vornherein aus­ geschieden werden. Umso intensiver soll­ ten neuartige, noch nie ausgeführte Lö­ sungen studiert werden. Geeignete Ent­ wurfsvarianten sollten aufgrund konstruk­ tiver Überlegungen aus den Randbedin­ gungen entwickelt werden; und nicht auf einer mehr oder weniger willkürlichen, ar­ chitektonisch-skulpturellen oder architek­ tonisch-metaphorischen Idee basierend in die Randbedingungen eingezwängt wer­ den. Mit einer kleinen Zahl von konstruk­ tiven Maßnahmen lassen sich oft viele

197

Randbedingungen erfüllen; das Richtige ist meistens einfach.

3.4 Funktionelle ­Anforderungen 3.4.1  Tragsicherheit Die Tragsicherheit betrifft im Einzelnen die statische Tragsicherheit, die Ermü­ dungssicherheit, die dynamische Trag­ sicherheit (bei verkehrs- oder windindu­ zierten Schwingungen) und die Erdbeben­ sicherheit. Die für die Tragsicherheit rele­ vanten Einwirkungen sind im wesentlichen Lasten und Kräfte sowie dem Tragwerk auf­ gezwungene Verschiebungen. Die Trag­ sicherheit ist normiert; d. h. der gültigen Norm entsprechend muss für normierte Einwirkungen eine normierte Tragreserve gegen den Verlust des Gleichgewichts bzw. gegen den Verlust der Standsicherheit des Tragwerks oder einzelner Teile davon ga­ rantiert werden. Sofern gefährliche Ein­ wirkungen nicht konzeptionell eliminiert werden können, wird die erforderliche Tragsicherheit bei den maßgebenden un­ günstigsten Einwirkungen normalerweise bemessungstechnisch aufgrund normierter Baustoffkennwerte durch analytisch ermit­ telte Widerstände im Tragwerk gewährlei­ stet. Die normierte Tragsicherheit ist ver­ bindlich und in der Regel juristisch rele­ vant; sie hat deshalb höchste Priorität unter den allgemeinen funktionellen Anforde­ rungen. Im Grenzzustand der Tragfähigkeit d. h. unmittelbar vor dem Verlust der Stand­ sicherheit sind Tragwerksschäden in Form von Rissen und Verformungen nicht rele­ vant. Beim Nachweis der Tragsicherheit dürfen somit im Rahmen der vorhandenen Verformungs-Duktilität Schnittkraftumla­ gerungen bzw. plastische Tragwerksreser­ ven berücksichtigt werden. Der Spannstahl wird in der Regel in den plastischen Gelen­

198

ken über die Vordehnung infolge Vorspan­ nung hinaus bis zur Streckgrenze gedehnt und wird deshalb im Widerstandsmodell als Zugglied mit der effektiv vorhandenen Zugkraft berücksichtigt. Bei duktilen Sys­ temen werden im Grenzzustand der Stand­ sicherheit meistens auch die Vordehnungen infolge von Zwängungen überschritten. Beim Nachweis der Tragsicherheit müssen deshalb Zwängungen im Beanspruchungs­ bereich erster Ordnung nicht berücksich­ tigt werden. 3.4.2  Gebrauchstauglichkeit Unter Gebrauchstauglichkeit versteht man einerseits die Eignung des Bauwerks in Be­ zug auf Nutzung und in Bezug auf Durch­ führung von Kontrollen und Unterhalt und andererseits das Langzeitverhalten des Bau­ werks bezüglich Aussehen und das Verhal­ ten des Bauwerks bei Unfällen, die bei der Nutzung eintreten. Zur Gewährleistung der Gebrauchstauglichkeit sind vor allem kon­ zeptionelle und konstruktive aber auch be­ messungs- und materialtechnische Maß­ nahmen erforderlich. Die Gebrauchstaug­ lichkeit lässt sich nur ansatzweise normie­ ren. Es sollten deshalb für alle Anforderun­ gen an die Gebrauchstauglichkeit die ent­ sprechenden Maßnahmen in einem Bericht über Nachweise der Gebrauchstauglichkeit aufgeführt werden. Bezüglich Nutzung sind vor allem fol­ gende Anforderungen und Maßnahmen zu beachten: • Schutz von Fahrzeugen gegen Anprall an Brückenelemente, • Ausreichende Sicherheit der Benützer gegen Absturz durch entsprechende Ausbildung der Geländer und Leitplan­ ken, • Schutz der Benützer gegen starke Wind­ böen (z.B. mit Strömungsumlenkern) und gegen herab­fallendes Eis von Trag­ elementen über der Fahrbahn (Warn­

3  Entwurf

anlagen oder in extremen Fällen Heiz­ einrichtungen oder Schutznetze), • Physiologisch zumutbares Schwingungs­ verhalten des Tragwerks, • Hoher Fahrkomfort; u.a. wirksame Fahrbahnentwässerung und (in der ­Regel) betriebliche Maßnahmen zur Verhinderung von Eisbildung auf der Fahrbahn. Die Schutzvorkehrungen gegen Anprall und gegen Absturz sollten dem Gefahrenpotential (Linienführung bzw. Kurven im Brückenbereich, Vereisungsgefahr, ­Brücken über Bahnanlagen) Rechnung tragen. Bei allen Brücken und insbesondere ­­bei Fußgängerbrücken sollte zumindest die erste Eigenschwingungsform der Vertikal-, Horizontal- und Torsionsschwingung er­ mittelt werden, und wenn die entsprechen­ de Schwingungsfrequenz im Bereich der Erregerfrequenz liegt, sind zusätzliche Spe­ zialuntersuchungen notwendig. Bei Fuß­ gängerbrücken werden Vertikalschwingun­ gen durch eine oder wenige Personen ange­ regt; bei starkem Fußgängerverkehr ist die Schwingungsanregung nur dann erheblich, wenn die Personen im Gleichschritt gehen. Bei den Horizontalschwingungen (quer zur Brücke) übernehmen zahlreiche Fuß­ gänger im „Matrosengang“ die Brückenfre­ quenz und verursachen damit eine sehr starke Schwingungsanregung. Brücken vereisen deutlich früher als die an­schließenden Straßenabschnitte. Man kann, insbesondere in Nebelgebieten für die Differenzvereisungen (Brücke – Straße) auto­matische Enteisungsanlagen vorsehen. Eine zuverlässige Steuerung dieser Anlagen ist je­doch schwierig und Enteisungsanlagen mit Salzsprühwasser ist in Bezug auf das Bauwerk problematisch; ganz abgesehen davon, dass diese Anlagen störungsanfällig sind. Für Kontrolle und Unterhalt des Bau­ werks sind insbesondere folgende Einrich­ tungen erforderlich:

3.4  Funktionelle A ­ nforderungen

• Inspektionsmöglichkeit für die Lager und Vorkehrungen für das Auswechseln der Lager, • Zugang zu allen Hohlräumen im Trag­ werk; Ausnahme: vollständig verschweiß­ te Stahlkästen, • Zugang zu allen Leitungen insbesondere zu den Entwässerungsleitungen, • Zugang zu den Widerlagernischen und den Fugenkonstruktionen. Moderne Brücken erfordern im Blick auf Funktionstüchtigkeit und Substanzerhal­ tung periodische Inspektionen. Damit ­diese Inspektionen überhaupt durchführbar sind, müssen unterhaltsanfällige Bauteile wie ­Lager, Fugen und Leitungen ohne weiteres einsehbar sein. Bei frei liegenden, gut ein­ sehbaren Bauteilen wird auch die Reparatur oder der Ersatz dieser Bauteile erleichtert. In Bezug auf das Aussehen des Bauwerks sind folgende Aspekte zu beachten • Vermeidung unzulässiger Tragwerkver­ formungen, • Vermeidung von Tragwerkverschmut­ zungen vor allem durch unkontrolliert abfließendes Wasser. Unter unzulässigen Tragwerkverformun­ gen versteht man einerseits Risse mit einer mittleren Rissbreite von über 0,3 mm und andererseits Abweichungen von der Soll­ nivellette. Bei korrekter und sorgfältiger Bemes­ sung sind aus Last- und Krafteinwirkung keine unzulässigen Risse zu befürchten. In der Regel genügt es, die Schnittkräfte aus Eigenlast und Vorspannung im Bauzustand und im Eingusszustand am elastischen ­System zu ermitteln, den Schnittkräften des Eingusszustands die elastischen Schnitt­ kräfte aus Verkehrslast zu überlagern und die Spannungen im Betonstahl einer Riss­ breite von 0,2 mm entsprechend zu be­ grenzen. Bei Zwängungen wird unter Be­ rücksichtigung des Beanspruchungszu­ stands aus Eigenlast und Vorspannung

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aufgrund der zulässigen Rissbreite geome­ trisch die Verformungsfähigkeit bestimmt, die größer als die effektive Zwangsverfor­ mung sein muss. Abweichungen von der Sollnivellette können verschiedene Ursachen haben. Am häufigsten sind Tragwerkverformungen aus Lasten, Kräften und Vorspannung, aus Temperaturänderungen und Setzungen oder aus Bauungenauigkeiten. Diese Ver­ formungen können Betrieb und Fahrkom­ fort beeinträchtigen oder visuell störend sein. Bei Straßenbrücken werden Betrieb und Fahrkomfort praktisch nur beim ­Übergang Brücke – Straße und bei Träger­ gelenken im Feld durch Verformungen aus Dauerlast und Setzungen beeinträchtigt. Setzungen bei den Stützen und Trägerver­ formungen sind in der Regel nur visuell störend. Wesentlich heikler sind Verfor­ mungen bei Bahnbrücken. Bei Hochge­ schwindigkeitsbahnen sind Verformungen unter Verkehrslast stark begrenzt; das Trag­ werk muss eine relativ hohe Mindeststei­ figkeit aufweisen. Trägerverformungen aus Dauerlast kön­ nen in vielen Fällen ohne wesentliche Mehr­ kosten durch entsprechende Bemessung der Vorspannung so stark reduziert wer­ den, dass sie von gleicher Größenordnung sind wie die unvermeidlichen Bauungenau­ igkeiten. Insbesondere bei Freivorbauträ­ gern würde jedoch eine weitgehend form­ treue Vorspannung beträchtliche Mehrkos­ ten verursachen. In diesen und ähnlichen Fällen werden die zu erwartenden Träger­ verformungen durch Überhöhungen kom­ pensiert. Dabei sind bei großen zu erwar­ tenden Verformungen nicht nur sorgfältige Berechnungen unter Berücksichtigung der Spannungsausbreitung im Brückenquer­ schnitt sondern auch umfangreiche Unter­ suchungen über das Verformungsverhalten der Baustoffe unerlässlich. Unkontrolliert abfließendes Wasser ins­ besondere Schmutzwasser beeinträchtigt nicht nur das Aussehen des Bauwerks; es

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ist meistens auch aggressiv und verursacht Korrosion. Der Brückenentwurf sollte durch­gehend sehr sorgfältig in Bezug auf Kontakt- und (Fahrzeug oder Wind-) Spritz­ wasser untersucht werden. Dabei ist zu be­ achten, dass einerseits kleine Abflussrohre oft verschlammen und versintern und dass andererseits anfänglich dichte Konstruk­ tionselemente oder Durchbrüche wasser­ durchlässig werden können. Bei allen Fu­ genkonstruktionen, Rohrdurchbrüchen oder Öffnungen im Fahrbahndeck sollten deshalb Tropfnasen vorgesehen werden, und Röhrchen der Belagsentwässerung müssen Überstände aufweisen und dürfen nicht in einen Kastenträger entwässern. Grundsätzlich sollte jede Betonober­ fläche sorgfältig überprüft werden, ob sie Regen, Schnee, Spritz- oder Kontaktwasser ausgesetzt ist, ob das Wasser chloridhaltig ist und ob große Feuchtigkeitsschwankun­ gen auftreten. Diese Überprüfung ist die wichtige Grundlage für die entsprechende Maßnahmenplanung: Erhöhung der Be­ tonüberdeckung, ev. Hydrophobierung bei chloridfreiem Wasser; unbedingt wirk­ samer Betonschutz bei chloridhaltigem Wasser. Im Blick auf das Verhalten des Bauwerks bei Verkehrsunfällen sind vor allem folgen­ de Maßnahmen erforderlich: • Angemessene, der Größe des Bauwerks entsprechende Brandsicherheit, • Angemessene Redundanz bei empfind­ lichen, exponierten Tragelementen. Fahrzeugbrand und auslaufender brennen­ der Treibstoff ist ein Gefährdungsbild, mit dem unbedingt gerechnet werden muss. Vor allem bei Brücken mit oben liegender Hauptbewehrung sollten in relativ kleinen Abständen Feuerlöschgeräte installiert werden. Entwässerungsleitungen dürfen nur dann im Trägerkasten angeordnet wer­ den, wenn sie einen hohen Feuerwider­ stand aufweisen. Ein Brand in einer Längs­ leitung lässt sich kaum ersticken, da durch

3  Entwurf

die Einlaufschächte und Querleitungen Luft zugeführt wird, und die Ausrüstung der Einlaufschächte mit Syphons ist wegen der Eisbildung nur mit Heizdrähten mög­ lich. Der beste Platz für Entwässerungs­ längsleitungen ist hinter dem Konsolkopf oder beim Ansatz der Trägerstege. Empfindliche Tragelemente müssen eine angemessene Redundanz aufweisen. Bei Schrägkabelbrücken darf ein Fahrzeug­ brand auf der Brücke nicht zum Einsturz des Bauwerks führen und das Auswechseln eines Kabels sollte bei geringen Verkehrs­ einschränkungen möglich sein. Auch die Einheiten der Spannkabel sollten so ge­ wählt werden, dass bei einem groben Bau­ fehler (z. B. Korrosion infolge schlechter Injektion eines Kabelhüllrohrs) die Trag­ sicherheit des Gesamtsystems höchstens etwa um 20% abfällt. Im Blick auf Belagserneuerungen sollte die Brückenbreite bei nicht richtungsge­ trennten Fahrbahnen so festgelegt werden, dass die Arbeiten ohne große Schwierig­ keiten und ohne Qualitätseinbuße aus­ geführt werden können. Bei richtungsge­ trennten Fahrbahnen ermöglichen Zwil­ lingsbrücken zwar bei einer Belagserneue­ rung ein unbehindertes Arbeiten; anderer­ seits weisen diese Brücken aber meistens beträchtliche ästhetische Nachteile auf. Bei modernen, im wesentlichen fachgerecht geplanten und ausgeführten Brücken kommt es nicht mehr vor, dass die Beweh­ rung in großen Bereichen der Fahrbahn­ platte wegen schwerer Korrosionsschäden verstärkt oder ersetzt werden muss. Der Bauherr ist grundsätzlich verpflich­ tet qualifizierte Fachleute zu beauftragen, und beim heutigen Kenntnisstand sind qualifizierte Fachleute ohne weiteres in der Lage, eine Brücke fachgerecht zu planen und auszuführen.

3.4  Funktionelle A ­ nforderungen

3.4.3  Dauerhaftigkeit Dauerhaftigkeit bedeutet im Brückenbau, dass die bei der Inbetriebnahme des Bau­ werks vorhandene Tragsicherheit und Ge­ brauchstauglichkeit bei periodischer In­ spektion und Wartung während der ganzen vorgesehenen Nutzungsdauer fast vollstän­ dig erhalten bleiben. Die Nutzungsdauer der Tragkonstruk­ tion sollte etwa 80 bis 100 Jahre betragen. In dieser Zeit sollten in Abständen von 20 bis 30 Jahren höchstens lokale Instandset­ zungsarbeiten notwendig sein. Die Trag­ sicherheit darf lokal nie um mehr als 10% absinken und betreffend Gebrauchstaug­ lichkeit sollten die Endwerte der Tragwerk­ verformungen die entsprechenden Berech­ nungswerte nicht um mehr als ca. 30% übersteigen. Die Lebensdauer der Fahrbahnabdich­ tung und der Schutzanstriche sollte bei lo­ kalen Instandsetzungsarbeiten aufgrund einer etwa alle fünf Jahre durchgeführten Zustandskontrolle 40 bis 50 Jahre betragen. Lokale Reparaturen am Belag müssen bei auftretenden Schäden möglichst bald aus­ geführt werden, und alle 20 bis 25 Jahre ist eine weitgehende Erneuerung des Belags erforderlich. Nach 40 bis 50 Jahren muss auch mit Instandsetzungsarbeiten am ­Drainagesystem, an den Brüstungen, Leit­ planken und an den mechanischen Kom­ ponenten (Lager, Fugenkonstruktionen etc.) gerechnet werden, wobei auch hier ­offensichtliche Schäden sofort behoben werden sollten. Die Dauerhaftigkeit der Tragkonstruk­ tion wird vor allem durch klimatische Ein­ wirkungen (wie Temperaturänderungen, innere Temperaturdifferenzen, Frost, Re­ gen, Schnee etc.), durch Chloride (Salzwas­ ser) und Sulfate sowie durch Bewuchs der Betonflächen mit Moosen und Flechten ge­ fährdet. Im Rahmen des Entwurfs müssen vor allem mit materialtechnischen und konstruktiven Maßnahmen die notwendi­

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gen Voraussetzungen für eine hohe Dauer­ haftigkeit geschaffen werden. Zur Gewähr­ leistung der erwünschten Dauerhaftigkeit sind überdies große Sorgfalt bei der Bau­ ausführung sowie eine plangemäße Durch­ führung von Kontrolle und Unterhalt erfor­ derlich. Dauerhaftigkeit lässt sich deshalb nicht deterministisch normieren. Die Normen enthalten zwar materialtechnische, kon­ struktive und ausführungstechnische Vor­ schriften, die zur Gewährleistung der Dau­ erhaftigkeit unbedingt notwendig aber ­keineswegs ausreichend sind. Bereits im Entwurfsstadium sind folgende Maßnah­ men zu berücksichtigen. • Materialtechnische Maßnahmen: – Eine im Blick auf die Einwirkungen geeignete, in Bezug auf Bestandteile und Zusammensetzung überprüfte Betonqualität (insbesondere hinsicht­ lich Frost- und allenfalls Frost-Tau­ salz-Beständigkeit), – Wetterfeste Stähle im Stahlbau nur bei Tragelementen, die gegen Regen und dauernde Feuchtigkeit geschützt sind; Tropfkanten (im Blick auf Kon­ denswasser und Schnee) zum Schutz unten liegender Betonteile, – Anpassung der Oberflächenschutz­ systeme bei Stahlkonstruktionen an die atmosphärischen Bedingungen, – Beachtung von Kontaktkorrosion bei verschiedenartigen Metallen, – Oberflächenschutzanstriche oder Ver­ wendung von Bewehrungen mit ho­ hem Korrosionswiderstand bei be­ sonders aggressiven Einwirkungen. • Konstruktive Maßnahmen: – Vermeidung von Salzwasser auf Be­ tonflächen (einwandfreie Drainagen, kein durchsickerndes Wasser bei Fu­ gen und Rohrdurchbrüchen in der Fahrbahnplatte), – Wenn Salzwasserkontakt nicht ver­ meidbar ist, Oberflächenschutz auf

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3  Entwurf

der Betonfläche oder Betondeckung von mehr als 75 mm, Ausreichende Betondeckung gegen Karbonatisierung; 30 mm bei wasser­ geschützten Flächen und 40 mm bei nicht wassergeschützten Flächen, Keine unzugänglichen Hohlräume und keine verlorenen Holzschalun­ gen, damit alle Betonflächen (insbe­ sondere nach dem Betonieren) kon­ trolliert werden können, Stahlhohlprofile luftdicht abschlie­ ßen, Vermeidung von Schmutztaschen oder Kanten, auf denen Wasser liegen bleibt oder gestaut wird, Kontaktkanten bei geschraubten Stirnplatten- oder Laschenstößen ­alterungsbeständig abdichten, Günstige Bedingungen für die Beton­ verarbeitung; Platz für vollständige Umhüllung der Bewehrungsstähle, planmäßige Betonier- und Vibrier­ lücken und Vermeidung von breit­ flanschigen Baustahlelementen, die unterbetoniert werden müssen, Maßnahmen für gute Ausführbarkeit und Kontrolle der Schweißnähte bei Stahl- und Verbundbrücken (Vermei­ dung von „Überkopf “-Nähten), Alle außenliegenden Stahlbauteile wie Pfosten und Stützen mit rost­ freien Schrauben im Beton befestigt (nie einbetoniert), Möglichst wenig Dilatationsfugen mit schweren, gut verankerten und einwandfrei entwässerten Fugenkon­ struktionen, Betonbeläge nur bei praktisch risse­ freien Spannbetonbrücken, Vermeidung von durchgehenden Trennrissen in der Fahrbahnplatte, die nicht mit der Abdichtung dauer­ haft abgedichtet werden können, Robustes, mit dem Konstruktionsbe­ ton verklebtes Abdichtungs-BelagsSystem bei Verbundbrücken, da unter

Dauerlast wasserführende Trennrisse praktisch unvermeidlich sind. (Ge­ fährdung der Stahlkonstruktion). Für alle Gefährdungsbilder, d. h. für alle Einwirkungen und Schwachstellen, die die Dauerhaftigkeit beeinträchtigen können, sollten mit einem Dauerhaftigkeitsnach­ weis die entsprechenden bemessungs-, ­material- und ausführungstechnischen Maß­nahmen aufgeführt werden.

3.5  Kulturelle Anforderungen Echte Brückenbaukunst besteht darin, dass der konzeptionelle Entwurf unter voller Gewährleistung der funktionellen Anfor­ derungen eine dem Standort und der Be­ deutung der Brücke entsprechende Aus­ gewogenheit zwischen Wirtschaftlichkeit und Ästhetik aufweist. Die zulässigen öko­ nomischen Abweichungen von der wirt­ schaftlichsten Lösung sind beschränkt. Große Abweichungen sind fast immer ein Anzeichen für ein ungeeignetes Konzept. Bei der Entwicklung des konzeptionellen Entwurfs ist die Wirtschaftlichkeit somit ein wichtiger Leitparameter. Le Corbusier versteht Ökonomie im Tragwerksbau als eine wichtige Grundlage der künstlerischen Wahrheit: „L’Ingénieur inspiré par la loi d’économie et conduit par le calcul, nous met en accord avec les lois de l’univers“. In diesem Sinne gehört Wirtschaftlichkeit klar zur Baukultur im Brückenbau. 3.5.1  Kosten Die Lebensdauer einer Brücke, die nach dem aktuellen Kenntnisstand aufgrund der erforderlichen Nachweise für Tragsicher­ heit, Dauerhaftigkeit und Gebrauchstaug­ lichkeit einwandfrei konstruiert und ausge­ führt wurde und die bei unveränderter Nutzung einem fundierten Unterhaltsplan entsprechend kontrolliert und unterhalten

3.5  Kulturelle Anforderungen

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wird, beträgt deutlich über 100 Jahre. Die Nutzungsdauer des originalen Tragwerks ist jedoch sehr unterschiedlich, da sie ent­ weder durch einen Umbau infolge stark geänderter verkehrstechnischer Anforde­ rungen oder durch Außerbetriebsetzung des Verkehrswegs begrenzt wird. Für die Beurteilung der Kosten geht man deshalb von einer Basis-Nutzungsdauer von etwa 100 Jahren aus. In diesem Zeitraum setzten sich die Brückenkosten zusammen aus:

• Umfassende Zustandserfassung und Instandsetzung  0,45% (Durchführung ca. alle 45 Jahre; d. h. 45 × 0,45 = 20% des Neuwerts zur Zeit der Instandsetzung; z.B. vollständige Er­ neuerung von Abdichtung und Belag, teilweiser Ersatz von Lagern, Fugen und Drainageelementen) sowie OberflächenInstandsetzungen.

• Landerwerb und Baukosten, • Betriebs-, Kontroll- und Unterhalts­ kosten und • Abbruchskosten.

Die aufgeführten Betriebs-, Kontroll-, Un­ terhalts- und Instandsetzungskosten gelten bei Balkenbrücken, die nach dem heutigen Kenntnisstand einwandfrei konstruiert und ausgeführt wurden. Bei Bogen- und Ka­ belbrücken ist die Bauwerkskontrolle um­ fangreicher und schwieriger und die ge­ samten Unterhaltskosten sind etwa 50% höher. Ein etwa 30% größeres Risiko be­ züglich Unterhalt und Instandsetzung wei­ sen Freivorbaubrücken im Blick auf zu ­große Verformungen und Kabelkorrosion bei mangelhafter oder schadhafter Abdich­ tung auf. Ohne Berücksichtigung der Teuerung betragen die Unterhaltskosten einer Brücke bei einwandfreier Konstruktion und Aus­ führung und einer Nutzungsdauer von 100 Jahren etwa 60 bis 90% der Neubaukosten und sie sind wesentlich höher, wenn der Dauerhaftigkeit in der Planung und Aus­ führung nicht die erforderliche Beachtung geschenkt wurde. Die Baukosten einer Brücke sind vor ­allem vom Tragwerkskonzept abhängig. Mit Berechnungen, die über den sorgfäl­ tigen Nachweis der Erfüllung der funktio­ nellen Anforderungen hinausgehen, lassen sich die Baukosten nicht vermindern; d. h. dass Berechnungen im Prinzip wenig oder nichts mit Kosteneinsparungen zu tun ­haben.

Die Abbruchkosten sind sehr stark abhän­ gig von Baustoff, Standort und Abbruch­ methode. Der Abbruch einer Überfüh­ rung, bei der keine Rücksicht auf den Raum unter der Brücke genommen werden muss, beträgt nur wenige Prozente der Neubau­ kosten. Der Rückbau einer hohen, weit­ gespannten Betonbrücke kann dagegen sehr teuer sein; ganz besonders dann, wenn auch noch der Raum unter der Brücke nicht beeinträchtigt werden darf. Für die Betriebs-, Kontroll- und Unter­ halts- und Instandsetzungskosten ist durch­ schnittlich etwa mit folgenden Aufwen­ dungen pro Jahr zu rechnen: • Betrieb und laufende Kontrolle 0,10% (Durchführung alljährlich; in % des je­ weiligen Neuwerts der Brücke; z. B. ­Reinigung von Fahrbahn und Drainage etc., Verformungskontrolle, Überprü­ fung von Stellen mit Spritz- und Kon­ taktwasser), • Zustandskontrolle und lokale Ausbesse­ rungen 0,05% (Durchführung ca. alle 10 Jahre, d. h. 10 × 0,05 = 0,5% des Neuwerts zur Zeit der Ausbesserung; z. B. Ausbesserungen an Belag, Leitplanken, Drainagen etc. Kontrolle der Lager und Fugen, Rissver­ halten, sichtbare Korrosionsstellen),

Total

0,60%

204

Die Baukosten lassen sich in folgende Hauptpositionen gliedern: • • • •

Baustelleneinrichtungen, Unterbau, Fundationen: Pfeiler und Widerlager, Überbau: Lehrgerüst, Schalung, Montage, Beton, Betonstahl, Spannstahl, Baustahl, Ausbau: Lager, Fugen, Entwässerung, Leitplan­ ken etc. Fahrbahnabdichtung und Belag, • Projektgrundlagen, Projekt, Bauleitung, Projektprüfung.

Die Auswertung der Baukosten von etwa 20 mittelgroßen Brücken zeigt, dass die Kosten der einzelnen Positionen nicht stark variieren; die Mittelwerte der Kostenstruk­ tur zeigt folgendes Bild (Baukosten ohne Projekt etc.): • Baustelleneinrichtungen, Rohbau, Aus­ bau: Baustelleneinrichtungen,   8% Rohbau, 78% Ausbau. 14% • Unterbau, Überbau (bezogen auf Roh­ bau- bzw. Gesamtbaukosten): Rohbau- Gesamtbau kosten kosten Unterbau, 30% 23% Überbau 70% 55% (Bei einer Brücke mit Spannweiten von 50 m und Pfeilerhöhen von bis zu 80 m in schwierigen Fundamentschächten bis zu 70 m Tiefe erreichten die Unterbau­ kosten nicht mehr als 50% der Überbau­ kosten). • Fundationen und Pfeiler (bezogen auf Unterbau- bzw. Gesamtbaukosten) Unterbau- Gesamtbau kosten kosten Pfeiler, 24%   5,5% Fundationen. 76% 18%

3  Entwurf

• Schalung, Lehrgerüst/Montage und Be­ ton + Stahl (bezogen auf Überbau bzw. Gesamtbaukosten) Überbau- Gesamtbau kosten kosten Schalung/ 37% 20% Lehrgerüst etc. Beton + Stahl. 63% 34,5% • Beton und Stahl (bezogen auf Überbau und Gesamtbaukosten) Überbau- Gesamtbau kosten kosten Beton, 18% 10% Stahl. 45% 24,5% Die Zusammenfassung zeigt folgende Kos­ tenstruktur: • Baustelleneinrichtungen,    8,0% • Unterbau: Fundationen,   18% Pfeiler und Widerlager,    5,5%   23,5% • Überbau: Schalung, Lehrgerüst/Montage,   20% Beton,   10% Stahl,   24,5%   54,5% • Ausbau.   14,0% Gesamtbaukosten 100,0% (ohne Projekt etc.) Bei Stahl-Beton-Verbundbrücken sind die Unterbaukosten Dank der kleineren Eigen­ last der Brücke etwas kleiner (im Mittel etwa 20%), dafür sind die Überbau­kosten gene­ rell etwas höher (im Mittel etwa 50%). Die Abschätzung der Baukosten einer Standard-Balkenbrücke ist bei der Entwurfser­arbeitung wichtig; sie befinden sich in der Regel nahe bei den Mindestko­ sten, und die Kosten des aus ästhetischen Gründen an­visierten Konzepts dürfen sich nicht zu weit von diesem Vergleichswert entfernen. Man kann die Baukosten einer Standard­ brücke sehr grob aufgrund der üblichen Kosten pro m2 Brückenfläche abschätzen;

3.5  Kulturelle Anforderungen

man kann aber auch – etwas genauer – bei einer mittleren Spannweite lm für den ­Überbau den Massenaufwand für Beton, Betonstahl und Spannstahl ermitteln und aus den entsprechenden Kosten (ca. 45% der Gesamtbaukosten) mit den oben auf­ geführten (und den der Brückenhöhe und den Fundationsverhältnissen angepassten) Prozentsätzen die Gesamtbaukosten extra­ polieren. Die mittlere Spannweite ergibt sich aus: ∑ l2i lm =  6  ∑ li und die mittlere Trägerdicke hm bzw. das Be­tonvolumen pro m2 Brückenfläche be­ trägt bei üblichen Schlankheiten von lm/h = 16 bis 22:  0,45 · lm hm ≈ 0,35 + 03   hm und lm in [m]     100 Dabei beträgt der Aufwand an Betonstahl in kg/m3 Beton (keine Quervorspannung): ms ≈ 90 + 0,35 · lm und der Aufwand an Spannstahl in kg/m3 Beton mp ≈ 0,4 · lm Die Wirtschaftlichkeit einer Brücke wird je nachdem ob die Finanzierung als Bauwerk der öffentlichen Infrastruktur mit Steuer­ geldern oder als Renditeobjekt mit einem Brückenzoll aus dem Betrieb erfolgt unter­ schiedlich ermittelt. Im Normalfall, bei einer Finanzierung aus Steuergeldern sind für die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit alle anfallenden Kos­ ten während einer Referenz-Nutzungsdau­ er von z. B. 100 Jahren maßgebend. Diese sogenannten Nutzungsdauer-Kosten er­ geben unter Berücksichtigung der ortspezi­ fischen Erschwernisse (Baugrund, Brücken­ höhe etc.) im Vergleich mit den ortsüb­ lichen Durchschnittskosten einer Stan­

205

dardbrücke einen Ansatz für die Beurtei­ lung der Wirtschaftlichkeit. Die Wirtschaftlichkeit einer als Rendite­ objekt aus Zolleinnahmen finanzierten Brücke ergibt sich dagegen aus dem Ver­ gleich von Aufwand und Ertrag in einem bestimmten Zeitraum. Der Aufwand be­ steht in diesem Fall aus Bauzinsen, Kapital­ zinsen, Amortisation, Betriebs- Über­ wachungs- und Unterhaltskosten und evtl. den Abbruchkosten. Der Ertrag besteht im wesentlichen aus den vorgesehenen Zoll­ einnahmen im gleichen Zeitraum. 3.5.2  Ästhetik Ästhetik wird in der Philosophie mit ver­ schiedenen Qualitäten in Verbindung ge­ bracht; mit nach Maß und Zahl geordne­ ten Formverhältnissen, mit interesselosem Wohlgefallen, mit Zweckmäßigkeit in der organischen Natur, mit Steigerung, Lebens­ qualität, Kunst etc. Das konstruktive In­ genieurwesen beruht auf dem statischen Gleichgewicht der einwirkenden und wider­ stehenden Kräfte, einem zeitlosen, univer­ salen Phänomen, das ausgewogene harmo­ nische Strukturen vom Aufbau der Atome bis zu den Bahnen der Himmelskörper be­ stimmt. Im bildlichen Sinne, bezogen auf die menschliche Psyche, bedeutet Gleich­ gewicht aber auch Ausgewogenheit des Ge­ mütszustands, ein Gefühl des Wohlbefin­ dens. Eine Ästhetik, die sich auf das physi­ kalisch bestimmte, mit der Aufwandmini­ mierung verknüpfte Kräftegleichgewicht bezieht, reflektiert somit praktisch alle in der Philosophie beschriebenen Qualitä­ ten, wie (mathematische) Formverhältnisse (Heraklit, Polyklet u. a.), Zweckmäßigkeit in der organischen Natur (Kant), Lebens­ qualität (Santayana) etc. Und die kunst­ volle Visualisierung des optimal mit der Umwelt, der Ökonomie des Aufwands­ und dem Stand der Technik vernetzten Kräftegleichgewichts übt deshalb immer

206

eine ganz besondere Faszination auf den Menschen aus. Sie ist eine objektivierte, de­ terministische Grundlage der technischkonstruktiven Baukultur und unterscheidet sich damit grundlegend von der subjektivwillkürlichen, architektonisch-künstle­ rischen Baukultur. Die ästhetische Qualität einer Brücke ist einerseits von der Einfügung der Brücke in ihr Umfeld und andererseits von der ­Gestaltung der Brücke selbst abhängig. Sie kann grundsätzlich im Erscheinungsbild des Tragsystems, in der Gestaltung der Tragwerkkomponenten und Details und in der Ornamentik liegen. Brücke und Umfeld Beim Einfügen der Brücke in ihr Umfeld sind räumliche und zeitliche Komponenten zu beachten. Die räumlichen Komponenten betreffen • die Maßstäblichkeit der Brücke in Be­ zug auf Landschaft und Topographie sowie • die Maßstäblichkeit und den Charakter der Brücke in Bezug auf das gebaute Umfeld. Die zeitlichen Komponenten beziehen sich auf • die Geschichte und Tradition der loka­ len Brückenbautechnik sowie • die aktuelle Baukultur und den Stand der (lokalen) Bautechnologie. Bei den räumlichen Komponenten spielen das Tragsystem und seine Spannweiten eine wichtige Rolle. Sie müssen durch die Visu­ alisierung ökonomischer, bautechnischer und umweltrelevanter Vorteile eine logi­ sche Antwort auf das landschaftliche und gebaute Umfeld geben; d. h. das Tragsystem sollte der Topographie und der geotech­ nischen Struktur des Baugrunds entspre­ chen, die Spannweiten sollten eine mit dem Landschaftsraum unter der Brückenfahr­ bahn und mit dem gebauten Umfeld der

3  Entwurf

Brücke vergleichbare Größenordnung auf­ weisen, und die Systemabstützungen soll­ ten sich an topographisch charakteristi­ schen, wenn möglich gut zugänglichen Stellen befinden; z. B. auf Schultern von Ab­ hängen, in Flachzonen, landseits der Ufer­ linien etc. Brücken sind oder werden oft zu Wahr­ zeichen, wobei den Baustoffen und dem Tragsystem eine zeichenhafte Bedeutung zukommt. In solchen Fällen wird meistens erwartet, dass Ersatz- aber auch Neubauten die lokale brückenbautechnische Geschich­ te und Tradition wieder aufnehmen. Aller­ dings muss dieser Bezug in moderner Form erfolgen, denn Brücken sollten zumindest im vorhandenen technologischen Umfeld den neusten Stand der Bautechnik reflek­ tieren. Gestaltung der Brücke selbst Brücken sind technische Bauwerke. Ihre Funktionalität erfordert Systemformen, die auf klaren naturwissenschaftlichen Grund­ lagen beruhen. Die architektonisch-künst­ lerische Gestaltungsfreiheit ist deshalb stark begrenzt und den eindeutigen naturwis­ senschaftlich-technischen Grundlagen ent­ sprechend lassen sich einige wichtige Ge­ staltungskriterien definieren, die im Blick auf die ästhetische Qualität der Brücken ­beachtet werden müssen. • Visualisierung technischer Effizienz durch – Transparenz und Schlankheit. • Visualisierung von Einheitlichkeit und Ordnung im Tragwerk durch – Ganzheitliches Erscheinungsbild des Tragsystems, – Klare Gliederung des Systems, – Kohärente, einheitliche Typologie der Systemelemente. • Künstlerische Gestaltung: Verfeinerung der rohen statischen Form durch – Visualisierung des Kraftflusses, – Saubere Detailausbildung,

3.5  Kulturelle Anforderungen

– Licht- und Schatteneffekte mittels Querschnittsprofilierung, – Strukturelle Ornamentik und – Architektonische Ornamentik. Visualisierung der technischen Effizienz: Die technische Trägerschlankheit wird als Verhältnis von Trägerspannweite zu Träger­ höhe definiert. Im architektonischen Sinn spielt jedoch das Verhältnis der sichtbaren Trägerlänge zur sichtbaren Träger­höhe eine wesentlich wichtigere Rolle. Die sichtbare Trägerlänge ist natürlich von Betrachter­ standort zu Betrachterstandort unterschied­ lich. Es ist deshalb wichtig, dass besonders stark frequentierte Betrachterstandorte in die Beurteilung der Schlankheit einbezogen werden. Auch bezüglich Trägerhöhe ist die visuelle Trägerhöhe wesentlich wichtiger als die effektive, statische Trägerhöhe. Für die visuelle Trägerhöhe ist die Gestaltung des Trägerquerschnitts maßgebend. Mit ­einem kräftigen, sichtbaren Brückenrand und einem stark zurücktretenden, im Schat­ ten liegenden Träger kann die visuelle Trä­ gerhöhe wesentlich reduziert werden. Wenn stark frequentierte Betrachterstandorte ­tiefer als die Fahrbahn liegen, muss auch der unteren Trägerbreite (z. B. untere Kas­ tenbreite) Beachtung geschenkt werden. Sie kann unter Umstän­den als Teil der Träger­ höhe in Erscheinung treten. Vor allem bei Bogen- aber auch bei Ka­ belbrücken visualisiert die Systemhöhe ne­ ben der Querschnittshöhe des Trägers und des Bogens ebenfalls einen architektoni­ schen Schlankheitseffekt. Das Erscheinungs­ bild flacher Bogenbrücken mit einem ­großen Verhältnis von Bogenspannweite zu Bogenpfeilhöhe ist zum Beispiel bedeu­ tend spannungsvoller als dasjenige steiler Bogen. Die Baukosten wachsen aber meis­ tens mit zunehmendem Schlankheitsgrad bei flachen Bogen- und insbesondere bei flachen Kabelbrücken genau gleich wie bei schlanken Trägern rasch an. Die schlank­ heitsbedingten, zusätzlichen Kosten im

207

Vergleich zum analogen System mit opti­ mierter Systemhöhe sollten deshalb immer in Betracht gezogen werden. Für die Transparenz einer Brücke sind im Wesentlichen die Spannweiten und die Gestaltung des Unterbaus, insbesondere der Pfeiler maßgebend. Auch mit zuneh­ mender Größe der Spannweiten steigen die Baukosten in der Regel progressiv an. Vor allem bei breiten Brücken hat die Ausbil­ dung der Pfeiler erhebliche Auswirkungen auf die Transparenz. In der Regel sind bei breiten Brücken Träger mit einem Einheits­ querschnitt für die gesamte Breite und dementsprechend einem einzigen Zentral­ pfeiler architektonisch wesentlich vorteil­ hafter als Zwillingsbrücken mit Doppel­ pfeilern. Zwillingsbrücken weisen zwar bei umfangreichen Instandsetzungsarbeiten an der Fahrbahnplatte arbeitstechnische Vor­ teile auf. Bei neuen, nach dem heutigen Stand der Brückenbautechnik konstruier­ ten, erstellten und unterhaltenen Brücken muss aber nicht mehr mit umfangreichen Schäden an der Fahrbahnplatte gerechnet werden. Die marginalen bautechnischen Vorteile bei Instandsetzungsarbeiten, wie­ gen deshalb die beachtlichen architektoni­ schen Nachteile geringerer Transparenz bei Zwillingsbrücken normalerweise nicht auf. Visualisierung von Einheitlichkeit und Ordnung Einheitlichkeit im Erscheinungsbild des Tragsystems visualisiert vor allem eine ganzheitliche, effiziente Systemtragwir­ kung, und umgekehrt vermittelt eine ganz­ heitliche Tragwirkung bereits eine wichtige Grundlage für ein einheitliches Erschei­ nungsbild. Systeme mit ganzheitlicher Tragwirkung sind tatsächlich meistens ­wesentlich ökonomischer als Tragsysteme, die aus einzelnen, unabhängigen Teilen be­ stehen. So sind z. B. Ketten aus einfachen Balken bezüglich Montage zwar etwas ein­ facher als Durchlaufträger; sie sind aber bei

208

gleicher Trägerhöhe bedeutend weniger steif und sie erfordern einen höheren Bau­ stoffaufwand, breitere Auflagerquerträger sowie viel mehr Lager und Fugen, die un­ terhaltserschwerend und unterhaltsanfällig relativ heikle Schwachstellen bezüglich Dauerhaftigkeit darstellen. Zahlreiche ­Fugen vermindern zudem deutlich den Fahrkom­ fort. Bei Bogenbrücken vermittelt die ganz­ heitliche Tragwirkung z. B. die Versteifung des Bogens mit dem Träger ganz besonders dann ein ausgewogenes, einheitliches Er­ scheinungsbild, wenn Bogen, Stützen und Träger auch noch gleiche Querschnitts­ formen aufweisen. Kräftige Bogen mit ei­ nem leichten, vom Bogen unabhängigen und formal verschiedenartigen Aufbau, der praktisch nichts zur Systemsteifigkeit bei­ trägt, vermögen dagegen in architektoni­ scher Hinsicht meistens nicht zu überzeu­ gen. In diesen Fällen ist dann auch noch die Trägerhöhe in den Zufahrtsviadukten größer als im Bogenbereich, was die for­male Heterogenität der Brücke noch vergrößert. Vor allem bei Schrägkabelbrücken be­ reitet die kohärente Gestaltung der Pylone mit den darunter stehenden Pfeilern oft er­ hebliche Schwierigkeiten. Auf jeden Fall sollte vermieden werden, dass der Eindruck entsteht, der Schrägkabelüberbau sei will­ kürlich und zusammenhangslos auf einen Unterbau aus konventionellen Pfeilern auf­ gesetzt. Die visuelle Einheitlichkeit des Sy­ stems wird dadurch stark beeinträchtigt. Ein wichtiges Merkmal im Erschei­ nungsbild einer sauberen Konstruktion be­ steht in der übersichtlichen, geordneten Gliederung der Konstruktionselemente. In diesem Sinne ist es vorteilhaft, die Anzahl der Systemelemente auf ein Minimum zu reduzieren und ein geometrisches Ord­ nungsprinzip zu visualisieren. Auf jeden Fall darf nicht der Eindruck einer willkür­ lichen Gliederung entstehen, die reduziert oder verändert werden könnte. Der Be­ trachter muss den Eindruck gewinnen, dass

3  Entwurf

an der Konstruktion nichts hinzugefügt werden muss und nichts weggelassen wer­ den kann. Besonders anspruchsvoll in Be­ zug auf klare Gliederung ist die Anordnung der Kabel bei Schrägkabelbrücken. Kabel­ überschneidungen in zahlreichen Richtun­ gen können außerordentlich störend und verwirrend sein. Bei fächerförmiger Kabel­ anordnung und relativ kleinen Abständen bewirken z. B. Doppelkabel viele unschöne Überschneidungen, weil die Zuordnung der Doppelkabel in der Schrägsicht nicht mehr erkannt werden kann. In solchen Fäl­ len und bei mehr als drei sich überschnei­ denden Kabelebenen ist es deshalb im Blick auf die ästhetische Qualität meistens von Vorteil, die teurere harfenförmige Kabelan­ ordnung zu wählen. Die meisten architektonisch überzeu­ genden Brücken zeichnen sich u. a. durch eine einheitliche Querschnittstypologie der Tragelemente aus. Die Grundform der Tragelemente kann dabei eindimensional stabförmig oder zweidimensional flächig sein, und die Charakteristik der Quer­ schnittsform kann sehr verschiedenartig, z. B. flach, gedrungen, plattenbalkenförmig gegliedert etc. sein. Eine einheitliche Quer­ schnittstypologie für alle Tragelemente ist allerdings meistens etwas teurer als eine differenzierte, kostenmäßig optimierte Querschnittsausbildung für die einzelnen Tragelemente. Künstlerische Gestaltung Meistens ist es ohne großen Kostenaufwand möglich, die rohe statische Form zu verfei­ nern: Am wirkungsvollsten ist dabei die Visu­ alisierung des Kraftflusses in den Tragele­ menten indem im Sinne passiver Gestal­ tung die Querschnittsabmessungen dem Beanspruchungsverlauf entsprechend vari­ iert werden oder indem im Sinne aktiver Gestaltung durch den Verlauf der Quer­ schnittsabmessungen die Beanspruchung gesteuert wird.

3.6  Ziel der Entwurfsarbeit

Ein außerordentlich wichtiger Teil der Gestaltung besteht in der sorgfältigen De­ tailausbildung, die von der Einpassung der Endwiderlager bis zur Durchbildung des Brückenrandes und zur Formgebung der Beleuchtungskörper reicht. Im Prinzip ­sollte die Detailgestaltung einfach, klar und funktionell sein; auf die Ausschmückung des Tragwerks mit unnötigen Details wie z. B. barocke Pfeilerkapitelle sollte besser verzichtet werden. Mit Licht- und Schatteneffekten lassen sich durch Profilierung relativ große, ­dominierende Betonflächen unterbrechen oder strukturieren. Die Profilierung kann aus einer oder wenigen starken Kerben oder aus einer schwachen flächendeckenden Profilierung bestehen. Bei konzentrierten Kerben muss die Kerbentiefe in einem ange­ messenen Verhältnis zu den Abmessungen des profilierten Bauteils stehen, damit die Schattenfläche auch bei diffusem Licht er­ kennbar ist und die Maßstäblichkeit von Schattenbreite zu Gesamtbreite gewahrt wird. Flächendeckende relativ schwache Profilierungen sind mit einer Verstärkung des Schalungsbilds vergleichbar; sie können die Tragrichtung eines ­Tragelements be­ tonen oder auf großen ­Betonflächen Hel­ ligkeitsunterschiede vermitteln. Unter struktureller Ornamentik versteht man Tragsysteme mit unnötig extensiver räumlicher Ausgestaltung oder mit einem gewollt verkomplizierten Kraftfluss; Sys­ temteile, die einen fiktiven Beanspru­ chungszustand visualisieren oder Tragele­ mente mit einem beanspruchungsfremden Querschnittsverlauf. Alle diese Systeme, Systemteile und Tragelemente können archi­ tektonisch durchaus gefällig und belebend sein; sie weisen aber immer einen Mangel an statischer Effizienz auf und sind deshalb oft wesentlich teurer als statisch optimierte und formal reduzierte Systeme und Trag­ elemente. Architektonische Ornamentik an oder mit nicht tragenden Elementen, Ornamen­

209

tik an den Widerlagern oder außerhalb der Brücke und Einrichtungen zur Beleuchtung der Brücke selbst liegen klar außerhalb des technischen im künstlerischen Bereich und lassen sich deshalb nicht mit rationalen Ge­ staltungskriterien qualifizieren. Diese Art der Ornamentik ist bei modernen Brücken sehr heikel; sie sollte zurückhaltend und nur in Zusammenarbeit mit einem Archi­ tekten oder Künstler angewendet werden. Messbare Gestaltungskriterien sind bei der Entwurfsarbeit außerordentlich nütz­ lich, und es lohnt sich, einen Entwurf in Bezug auf diese Gestaltungskriterien sorg­ fältig zu überprüfen. Abschließend sollte der Entwurf einer anspruchsvollen Brücke aber immer auch noch gesamthaft über­ prüft werden; und zwar in Bezug auf das Einfügen der Brücke in das Landschaftsbild mit einigen computergenerierten Foto­ montagen aus den am stärksten frequen­ tierten Blickpunkten und aus der Sicht des Brückenbenützers und in Bezug auf die ­Gestaltung der Brücke selbst mit einem re­ lativ großen physischen Modell, das immer bedeutend aussagekräftiger ist als zwei­dimensionale Bilder.

3.6  Ziel der Entwurfsarbeit Die weitgehend normierten, funktionellen Anforderungen bezüglich Tragsicherheit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit müssen nach den anerkannten Regeln der Baukunde grundsätzlich immer erfüllt wer­ den. Das ist mit beliebig vielen Lösungen möglich und erfordert fast nur „handwerk­ liche“ Arbeit. Die eigentliche Baukunst be­ steht darin, Lösungen zu erarbeiten, die ein Höchstmaß an nicht normierbarer wirt­ schaftlicher und ästhetischer Qualität auf­ weisen. Dazu braucht es neben unterneh­ merischer Erfahrung in Bautechnik und Kostenermittlung einerseits und architek­ tonischem Formgefühl andererseits vor al­ lem innovative Phantasie und Kreativität.

210

3  Entwurf

Entwurfsziel

handwerklich gemäss Norm

Weg

kreativ künstlerisch

Tragsicherheit Gebrauchstauglichkeit Dauerhaftigkeit Kosten Ästhetik

Bild 3-1   Entwurfsziele

Absolute Ideallösungen, die gleichzeitig ein Maximum an Wirtschaftlichkeit und ästhetischer Qualität aufweisen sind nicht möglich. Das Ziel der Entwurfsarbeit, die wahre Baukunst besteht deshalb darin, möglichst nahe an die Ideallösung heran­ zukommen, und im Blick auf die Exposi­ tion des Brückenstandorts, die Bedeutung der Brücke in ihrem Umfeld und die Größe der Brücke nach subjektiven Gesichtspunk­ ten Wirtschaftlichkeit und Ästhetik gegen­ einander abzuwägen. Die Zusatzkosten für erhöhte ästhetische Qualität müssen sich in einem relativ engen Rahmen bewegen, da eine aus den ortspe­ zifischen Randbedingungen konstruktiv einwandfrei entwickelte Lösung bereits eine beachtliche ästhetische Qualität auf­ weist. Bei großen Brücken sollten die Zu­ satzkosten auch bei anspruchsvollster Standortexposition nicht mehr als 3 bis 5% und bei mittleren Brücken nicht mehr als 15% betragen. Wenn diese Grenzwerte überschritten werden, ist der konzeptio­ nelle Entwurf offenbar ungeeignet und sollte aufgegeben werden. Bei kleinen Brü­ cken wie zum Beispiel Fußgängerstegen dürfen die Zusatzkosten gegenüber der wirtschaftlichsten Lösung auch 100% oder mehr betragen, und bei Brücken, die vor­ wiegend eine skulpturelle Bedeutung haben oder als Wahrzeichen einer Ausstellung dienen sind Kostenlimits nicht sinnvoll.

3.7 Überlegungen beim ­konzeptionellen Entwurf Die Erarbeitung eines konzeptionellen Ent­ wurfs, der möglichst nahe an die Ideal­lö­ sung (minimale Kosten bei optimaler Er­ scheinungsform) herankommen soll, muss auf technischer Grundlage erfolgen, da die Kosten nur mit konstruktiven und bautech­ nischen Maßnahmen tief gehalten werden können. Es ist auch viel einfacher, eine funktionelles, konstruktiv einwandfreies Konzept, das meistens an sich schon visuell überzeugt, formal zu verfeinern und zu op­ timieren, als zu versuchen, eine willkür­ liche, meistens unwirtschaftliche, architek­ tonische Idee mit den technischen Rand­ bedingungen in Einklang zu bringen und in der Weiterbearbeitung die Kosten zu sen­ ken. Meistens gelingt es bei „architektoni­ schen“ Lösungen nicht, die Kosten ohne konzeptionelle Änderungen zu reduzieren. D. h. man bleibt dann bei der architekto­ nisch-willkürlichen, unwirtschaftlichen Lösung oder man beginnt mit einem neuen Konzept. Die Salginatobelbrücke von R. Maillart ist ein typisches und ausgezeichnete Bei­ spiel für eine auf rein technisch-konstruk­ tiver Grundlage entwickelte Brücke, die sehr nahe an die Ideallösung bezüglich Kosten und Aussehen herankommt: Bei der Linienführung der Straße wurde offensichtlich großes Gewicht auf einen to­ pographisch geeigneten Standort der Brü­

3.7  Überlegungen beim k­ onzeptionellen Entwurf

Bild 3-2   Salginatobelbrücke von Robert Mail­ lart

cke gelegt. Für die Überquerung der 80 m tiefen Schlucht eignete sich eine Bogen­ brücke in wirtschaftlicher und ästhetischer Hinsicht am besten. Die Widerlager des 90 m weit gespannten Bogens liegen nur 13 m unter der Fahrbahn; aber topogra­ phisch und bautechnisch sehr günstig: Auf der rechten Talseite befindet sich das Bo­ genwiderlager auf einer markanten Gelän­ deschulter, auf der linken Talseite ist es in der steilen Felswand wegen der geringen Tiefe unter der Fahrbahn von oben relativ gut erreichbar. Der mit einem Pfeilverhält­ nis von 1 : 7 sehr flache Bogen wurde als Dreigelenkbogen konzipiert und weist ­einen nach oben offenen Plattenbalken­ querschnitt auf. Dieser Querschnitt lässt sich dem Beanspruchungsverlauf sehr gut anpassen: Die Seitenwände sind im Viertel der Spannweite, beim Maximum der Biege­ momente am größten und hier mit dem Fahrbahnträger verbunden. Der Platten­ balkenquerschnitt ist auch bautechnisch

211

sehr vorteilhaft, weil das Lehrgerüst nur für die dünne Bogenplatte bemessen werden musste; das Gewicht der Seitenwände wie auch jenes der Stützen und des Fahrbahn­ trägers konnten dann zusammen mit dem Lehrgerüst von den jeweils bereits tragen­ den Bauteilen übernommen werden. Der flache Bogen über der tiefen Schlucht visualisiert eine hohe technische Effizienz, und an der Bogenform ist der Kraftverlauf deutlich ablesbar. Bogen- und Zufahrts­ abschnitt bilden in Bezug auf die Sekundär­ spannweiten, die Querschnittsform und die Querschnittsabmessungen eine monolithi­ sche Einheit. Maillarts Rohkonzept für die Salginato­ belbrücke gehörte ohne jeden Zweifel zu den denkbar wirtschaftlichsten Lösungen, und bei der Formverfeinerung beschränkte er sich auf drei Konstruktionselemente, die er künstlerisch und nicht im kosten-güns­ tigsten Sinn gestaltete. Die entsprechenden Zusatzkosten waren aber sehr bescheiden; sie betrugen sicher weniger als 1% der ge­ samten Brückenkosten: Anstatt eines einfachen Eisengeländers wählte Maillart eine durchgehende Beton­ brüstung. Diese Brüstung bildet einerseits eine Einheit mit den flächigen Bogenrippen und verbindet andererseits Zufahrts- und Bogenbereich zu einer Einheit. Die Beton­ brüstung hat zudem aber auch den Vorteil, dass sie die Sicherheit auf der schmalen, oft schneebedeckten Fahrbahn der hohen ­Brücke physisch und psychisch erhöht. Bei den Stützen wären wandartige Scheiben oder aufgelöste Stützen etwas billiger gewe­ sen als die von Maillart gewählten Stützen mit I-Querschnitt. Aber auch hier bevor­ zugte Maillart im Sinne einer einheitlichen Querschnittstypologie die etwas teurere, gleiche Querschnittsform wie bei Bogen und Fahrbahnträger. Das dritte, gestalte­ risch verfeinerte Konstruktionselement sind die Bogenkämpfer. Zur Visualisierung der räumlichen Bauwerks-Plastizität und der Querstabilität der schmalen Brücke er­

212

Bild 3-3   Salginatobelbrücke-Schrägansicht

Bild 3-4   Systemmutationen   1) Dreifeldträger mit konstanter Bauhöhe   2) Voutenträger mit Variationen bezügl. ­Voutenverlauf   3) Dreifeldträger auf Stützen mit V-Kopf und Zugband Starke Reduktion der Stützenmomente aus Eigenlast: „keine“ Zwängungen in den Stützen   4) Dreifeldträger auf V-Stützen mit Zugband   5) V-Stiel-Rahmen Zwängungen bei Trägerverkürzungen   6) Klassische V-Stiel-Brücke ohne Widerlager   7) Sprengwerk; Horizontalschub auf Baugrund   8) Vouten-Rahmen mit vertikalen Stützen; Horizontalschub unbedeutend   9) Durchlaufträger mit konstanter Bauhöhe auf den Stützen beliebig ge­lagert 10) Klassischer Dreifeldträger 11) Voutenträger 12) Bogenförmiger Kragträger mit Verschiebe­ gelenk im Scheitel kein Horizontalschub

3  Entwurf

weiterte Maillart den Fuß der Kämpferstüt­ zen und die Breite der Bogenplatte bei den Bogenkämpfern. Die Entwurfsarbeit beginnt in der Regel mit der Wahl des generellen Tragsystems, das im Prinzip den Charakter einer Balken-, Bogen- oder Kabelbrücke haben kann und nicht an einen bestimmten Baustoff gebun­ den ist. Balkenbrücken sind in der Regel billiger aber auch weniger ausdrucksvoll als Bogenoder Kabelbrücken und sie eignen sich bei fast allen technischen Randbedingungen. Gekrümmte Linienführungen, seitlich an­ schließende Rampen sowie komplizierte topographische oder geotechnisch-geo­ logische Verhältnisse bereiten keine grund­ sätzlichen Schwierigkeiten. Bei Spannwei­ ten über ca. 200 m machen Balkenbrücken jedoch mehr und mehr einen etwas massi­ gen, schwerfälligen Eindruck, und die Kos­

13) Bogentragwerk; Horizontalschub aus ­Eigenlast ausbalanciert mit oder ohne Horizontalschub bei Verkehrslast 14) Klassische Bogenbrücke mit Variationen bezüglich Bogensystem, Bogenform, Bogenaufbau, Steifigkeitsver­ hältnis zwischen Bogen und Träger 15) Bogenbrücke mit teilweise unten liegender Fahrbahn 16) Bogen mit unten liegender Fahrbahn auf Kragsystemen 17) Klassischer Bogen mit unten liegender Fahrbahn mit Variationen bezüglich Hän­ gersystem, Steifigkeitsverhältnis z­ wischen Bogen und Träger 18) Unterspannter Träger mit Variationen in der Unterspannungs-Steifigkeit und -Ab­ stützung 19) Selbst verankerte Hängebrücke 20) Klassische Hängebrücke 21) Schrägkabelbrücke mit Variationen in der Pylonausbildung und Kabelanordnung 22) Fischbauchträger; Trogquerschnitt 23) Klassischer Dreifeldträger

Bild 3-4   Systemmutationen

10)

9)

8)

7)

6)

System verschieblich oder unverschieblich

18)

16)

15)

14)

5)

Systeme mit oder ohne Horizontalschub

13)

4)

12)

3)

Stützen im Träger verschieblich oder unverschieblich eingespannt

11)

2)

3)

10)

2)

1)

1)

22)

23)

System mit oder ohne Horizontalschub aus Verkehrslast Bogensystem verschieblich oder unverschieblich

Bogen auf Kragträgern als "einfacher Balken" gelagert. Systeme ohne Horizontalschub auf Baugrund

21)

"Verschiebegelenk" im Scheitel; "Bogen" auf schlechtem Baugrund

20)

19)

3.7  Überlegungen beim k­ onzeptionellen Entwurf 213

214

ten steigen mit zunehmender Spannweite rascher an als bei anderen Tragsystemen. Bogenbrücken mit oben liegender Fahr­ bahn sind vor allem dann zweckmäßig, wenn nur eine einzige Spannweite für die Überbrückung eines tiefen Einschnittes oder einer Schiffahrtsöffnung erforderlich ist, währenddem für die Zufahrtsviadukte zum Bogenbereich kleine Spannweiten ge­ nügen. Bei entsprechender Höhenlage der Fahrbahn eignen sich Bogenreihen gut zur Überquerung breiter Wasserwege. Bei ­Bogen mit oben liegender Fahrbahn ist von Anfang an sorgfältig abzuklären wie der Horizontalschub des Bogens aufgenommen werden kann, ob sich der Bogenscheitel in horizontaler Richtung teilweise oder ganz blockieren lässt und wie der Bogen am wirtschaftlichsten hergestellt werden kann. Bogen mit unten liegender Fahrbahn eignen sich gut, wenn die Bauhöhe unter der Fahrbahn beschränkt ist. Sie lassen sich, da der Horizontalschub des Bogens mit der Fahrbahn aufgenommen werden kann, als „geschlossene“ Systeme oft durch Verschie­ bemanöver kostengünstig einbauen. Bogenbrücken können Dank geschick­ ter Bautechnik auch in Spannweitenbe­ reichen von 300 bis 400 m noch durchaus wirtschaftlich sein. Bogentragwerke eignen sich jedoch mit zunehmendem Verhältnis von Bogenspannweite zu Kurvenradius der Fahrbahn immer weniger oder überhaupt nicht mehr. Es hat keinen Sinn, Bogenbrücken mit ­großem Aufwand in enge Kurven ein­ zuzwängen; als Rahmen durchgebildete Voutenträger sind hierfür konstruktiv und gestalterisch viel besser geeignet. Kabelbrücken erschließen Spannweiten­ bereiche, die mit Balken- und Bogentrag­ werken nicht mehr erreichbar sind. Bei mittleren und kleinen Spannweiten sind Kabelbrücken in der Regel teurer als Bal­ ken- und Bogenbrücken. Oft sind sie aber ausdrucksvoller und vor allem bei Fuß­ gängerbrücken kann ihre Leichtigkeit und

3  Entwurf

Eleganz wesentlich höhere Kosten durch­ aus rechtfertigen, zumal Seilwerk, gut ge­ staltete Pylone und eine sorgfältig dosierte Tragwerksdynamik dem Fußgänger ein ganz besonderes Brückenerlebnis vermit­ teln können. Krümmungen in der Linien­ führung wirken sich bei Kabelbrücken wie bei Bogenbrücken erschwerend aus. Topo­ graphie und Geologie haben dagegen kaum einen Einfluss auf die Eignung dieser Trag­ werke. Zwischen den Standardsystemen für Balken-, Bogen- und Kabelbrücken gibt es unzählige Übergangsformen. Bild 3-4 zeigt einige, aus einem Dreifeldträger abgeleitete Mutationen. Bei allen Systemen lassen sich natürlich die Spannweitenverhältnisse, die Tragwerkschlankheit und die Querschnitts­ form variieren. Abgesehen von Serienbrücken wie Über­ führungen und Unterführungen sind so­ wohl die technischen Randbedingungen wie auch die Standortexposition bei allen Brü­ cken verschieden. Dieser Differenziertheit der ortspezifischen Entwurfsgrund­lagen kann im konzeptionellen Entwurf genau so differenziert Rechnung getragen werden. Neben der Systemdifferenzierung spie­ len auch die mit der Ausgestaltung des Sys­ tems eng verbundene Baustoffwahl und die Art der Vorspanntechnik eine wichtige ­Rolle bei der Tragwerksoptimierung. Im Prinzip kann für jeden Bauteil der geeignetste Baustoff verwendet werden; aber entsprechende Kosteneinsparungen und allfällige architektonische Nachteile in Bezug auf die visuelle Einheitlichkeit müs­ sen gegeneinander abgewogen werden. Auch die Vorspanntechnik sollte nicht nur in Standardformen sondern in der gan­ zen Bandbreite verwendet werden; d. h. von der Ergänzung der schlaffen Bewehrung z. B. bei Platzproblemen bis zur vollen Vor­ spannung, beliebiger Mischung von inter­ ner und externer Vorspannung, beliebiger Mischung von Vorspannung mit oder ohne Verbund und beliebiger Mischung von

3.7  Überlegungen beim k­ onzeptionellen Entwurf

Spannbettvorspannung und Vorspannung des erhärteten Betons. Die Bauausführung muss unbedingt in den Entwurfsprozess einbezogen werden. Die Herstellungstechnik hat große Auswir­ kungen auf die Baukosten; sie ist unter Um­ ständen aber auch von Bedeutung für die Tragwerksform. Grundprinzipien ratio­ neller Herstellungstechnik bestehen darin, dass ausgeführte Bauteile so rasch wie mög­ lich in den weiteren Bauvorgang integriert und dass gleiche Arbeitsabläufe mit dem entsprechenden Lerneffekt taktförmig wie­ derholt werden. Bei niedrigen Brücken ist die Herstel­ lung auf Gerüst meistens am wirtschaft­ lichsten. Bei hohen Brücken muss die Her­ stellung bodenunabhängig erfolgen. Das ist bei allen Standardsystemen möglich. Oft sind auch Verschubtechniken wie Vor­ schub, seitlicher Verschub oder Eindrehen ganzer Brückensegmente interessant. Die Wahl der generellen Tragwerksform erfolgt aufgrund technischer und architek­ tonischer Überlegungen: Bei der Evalua­ tion muss in erster Priorität die technische

215

Eignung des Tragsystems gewährleistet sein; erst in zweiter Linie können unter Berück­ sichtigung der Standortexposition, Kosten und ästhetische Qualität gegeneinander ab­ gewogen werden. Die Systemoptimierung erfolgt mit Maßnahmen, die geeignet sind, die technischen Randbedingungen mit kleinstem Aufwand zu erfüllen. Weil mit geschickten Maßnahmen oft mehrere technische Anforderungen effizient und formal überzeugend erfüllt werden können, ergeben sich bereits daraus besonders bei Brücken mit zahlreichen, komplizierten Randbedingungen sehr oft außerordentlich originelle und visuell faszinierende Trag­ werksformen. Die eigentliche Formverfeinerung und die Ausgestaltung der Details beginnt erst in der Schlussphase des Entwurfs, und vor allem in dieser Phase muss immer im Blick auf die Standortexposition sorgfäl­ tig zwischen vorteilhafter künstlerischer Gestaltung und zusätzlichen Baukosten abgewogen werden. Bei diesem Vorgehen bleiben die Kosten immer unter Kon­ trolle.

216

3  Entwurf

3.8  Ausgewählte Brücken 3.8.1 S unnibergbrücke, Schweiz



Christian Menn Bauherr: Kantonales Tiefbauamt, Graubünden mit ­architektonischer Beratung durch A. Deplazes, Dipl.Arch.ETH, Chur Konzept, Entwurf: C. Menn, Prof.em. ETH, Chur Projekt: Bänziger + Köppel + Brändli +Partner, Chur Ausführung: Vetsch, Klosters, Preiswerk +Cie AG, ­Brückenbau, Siebnen Bauzeit: 1996–1998

Die Sunnibergbrücke befindet sich an einem exponierten Standort. Etwa 1 km ­unterhalb des weltbekannten Ferienortes Klosters überquert die 525 m lange, im Grundriss ge­ krümmte Brücke in einer Höhe von 60 m das an dieser Stelle weitgehend unberührte Tal. Erwünscht war deshalb ein zeichenhaf­ tes, modernes Bauwerk, das nicht als Talrie­ gel in Erscheinung treten durfte und deshalb mit einem möglichst schlanken Träger eine hohe Transparenz aufweisen sollte. Eine konventionelle Freivorbaubrücke, die hier am wirtschaftlichsten gewesen wäre, konnte diese formalen Anforderungen nicht erfül­ len. Es wurde deshalb ein Konzept für eine gekrümmte Schrägkabelbrücke ausgearbei­ tet, das zwar Mehrkosten von ca. 15 % auf­ wies, die sich aber im Blick auf den besonde­ ren Brückenstandort rechtfertigen ließen. Das fünffeldrige Tragsystem mit vier ­Pylonen weist drei Hauptspannweiten von 128 bis 140 m auf. Die Größe der Spann­ weiten entspricht der Brückenhöhe und der Maßtäblichkeit der Landschaft, ergibt topo­

graphisch und bautechnisch günstige Pfei­ lerstandorte und erfordert auch nicht außer­ gewöhnliche Maßnahmen zur Bewältigung der Brückenkrümmung von 500 m Radius. Im Blick auf einen möglichst schlanken ­Träger mussten die Biegemomente aus Ver­ kehrslast direkt in die Pfeiler hinuntergelei­ tet werden; sie waren maß­gebend für die Querschnittsabmessungen am Pfeilerkopf. Aus architektonischen Gründen sollten ­Pylone auf hohen Pfeilern möglichst niedrig sein; der entsprechende Mehraufwand für die Schrägkabel wird aber im vorliegenden Tragsystem wegen der starken Pylonbiegung in Längs- und Querrichtung mit kurzen Py­ lonen zu einem großen Teil kompensiert. Die mini­male Pylonhöhe ergibt sich aus den zulässigen Trägerdurchbiegungen, die sich durch Längsfixierung der gekrümmten Brü­ cke mit der Elimination der Dilatations­ fugen bei den Widerlagern wesentlich ver­ mindern lassen. Die nach unten verjüngte Pfei­lerform visualisiert einerseits die Biege­ beanspruchung und vermittelt andererseits

3.8  Ausgewählte Brücken

den Eindruck, dass die Pfeiler natürlich aus dem Wald herauswachsen. Mit der Quer­ spreizung der Pylone wird vermieden, dass die Kabel das Lichtraumprofil der Straße be­ einträchtigen. Die Plattendicke des Trägers ist auf die Quertragrichtung ausgelegt, ge­ nügt aber mit einer kleinen Verstärkung

217

auch bei der Größtspannweite zur Aufnah­ me der hohen Längsdruckkräfte. Pfeiler, Py­ lone und Träger weisen mit einem flachen Plattenbalkenquerschnitt die gleiche Quer­ schnittstypologie auf und betonen damit die Einheitlichkeit und Ganzheitlichkeit des monolithischen Tragsystems.

218

3  Entwurf

3.8.2 Fußgängerbrücke Kelheim, Deutschland



Jörg Schlaich Entwurf, Statik und Konstruktion: Schlaich Bergermann und Partner Beratende Ingenieure im Bauwesen Stuttgart Gestalterische Beratung: Prof. K. Ackermann und Partner, München

Bauherr: Rhein-Main-Donau AG, München Neubauamt Donauausbau Regensburg

Für diesen Entwurf waren zwei Überle­ gungen entscheidend: – auf die technikorientierte Schifffahrts­ straße des Main-Donau-Kanals mit ei­ ner technisch sauberen und möglichst leichten Lösung zu reagieren – Rampen geradlinig und platzsparend entlang der Kanalufer anzuordnen. Eine aufgehängte Gehwegplatte bot sich an, weil sie mit einer minimalen Konstruk­ tionshöhe auskommt und so die Rampen nicht unnötig verlängert. Eine Hänge­brücke sollte es werden, weil sie natürlich schöner als eine Schrägseilbrücke ist. Die Realisierung eines harmonischen Fußgänger- und Kraftflusses zusammen mit dem freizuhaltenden Schifffahrtsprofil führten zu dem im Grund- und Aufriss kontinuierlich gekrümmten Überbau­träger, der einseitig an einem Seiltragwerk hängt. Die an der Innenseite des Bogens befestig­ ten Hänger (ds = 30 mm) sind an ein voll­ verschlossenes Tragseil (ds = 90 mm) ge­ klemmt. Dieses ist über zwei geneigte, ab­

Ausführung: Arge Ortsdurchfahrt Kelheim, Bilfinger + Berger Bau AG, München Stanglmeier / Luitpold Aukofer, Hoch- und Tiefbau GmbH, Regensburg Friedrich Maurer Söhne, München Pfeifer Seil- und Hebetechnik, Memmingen Bauzeit: 1985–1988

gespannte Stahlrohrmaste (d = 660 mm) umgelenkt und in den Widerlagern veran­ kert. Diese spezielle Aufhängung in Verbin­ dung mit den geometrischen und statischen Festlegungen für Rampen und Bogen (Län­ ge, Querschnitt, Lagerungsbedingungen, Wahl der inneren und äußeren Vorspan­ nung) bewirken eine nahezu tor­sions­ momentenfreie Lastabtragung der ständi­ gen Lasten, so wie dies vom vertikal belas­ teten und am Innenrand kontinuierlich gelagerten Kreisringträger bekannt ist. Ne­ ben den statischen Lastfällen sind bei leich­ ten, weitgespannten Fußgängerbrücken auch umfangreiche dynamische Untersu­ chungen erforderlich. Es zeigte sich, dass bei der Fußgängerbrücke Kelheim keine durch Fußgänger oder Wind angeregten Schwingungen zu erwarten sind. Funktion, Form, Lastabtragungsverhal­ ten und Auswahl der Werkstoffe bilden bei dieser Brücke eine Einheit.

3.8  Ausgewählte Brücken

219

220

3  Entwurf

3.8.3  O sormort Viaduct, Spanien



Javier Manterola Armisén Property: GISA. Gestió d’Infraestructures, S.A. Empresa Pública de la Generalitat de Catalunya Jordi-Joan Rosell i Silvas Design: CARLOS FERNÁNDEZ CASADO, S.L. Javier Manterola Armisén, Leonardo Fernández Troyano, Amando López Padilla, Antonio Martínez Cutillas Construction: AGROMAN – Modesto Fraile Construction period: 1994

The Osormort viaduct lies on the Sant Juliá – Osormort stretch of the Eix Transversal in Barcelona. It is 504 m long, has the plan ­radius of 1550 m and its maximum height over the ground amounts to 30 m. The ­carriageway has the total width of 12 m ­between the railings’ inside edges. After having studied various solutions we chose a continuous viaduct 504 m long made of eleven, 40 m long spans and two end spans of  a 32 m length. There are differ­ ent types of concrete decks built in situ that fit this range of spans and construction sys­ tem. After a series of considerations the de­ cision was made to use a continuous deck, cable-stayed in the lower part, given its ad­ equacy considering the strength and eco­ nomic reasons as well as for its visual effect. This type of lower cable-staying is new in continuous decks made of prestressed con­ crete. The lower cable-staying creates an intermediate support in the deck by means of a triangular metallic cell. This support is elastic and its flexibility depends on the relative stiffnesses between the deck and the stay system. The more flexible the deck, the more efficient the system. This intermediate

situation between an exterior prestressing and a cable-stayed system gives this deck type great advantages and possibilities for a wide range of medium-length spans due to following reasons: • Unlike in the cable-stayed bridge, the upper carriageway is not used to arrange the towers in which cables are lodged. The fact that the bridge hangs in its lower part eliminates the need to widen the deck. The support is self-balanced and compresses the deck at the same time. • As compared with the technique of exte­ rior prestressing, this system is much more effective due to a greater stay cable inclination. • Although it takes advantage of the mor­ phology of the stay cable in a cablestayed bridge, it does not have its incon­ veniences since oscillation amplitudes of their stresses are much smaller and there­ fore their dimensions are not conditioned by fatigue criteria. • Due to the fact of the bending moments in the deck can be greatly reduced, the slenderness values that can be achieved are important. This makes possible the

3.8  Ausgewählte Brücken 32

40

40

221 40

40

40

504 40

40

40

40

40

40

32

240

32 110

44 264

110

240

30

123

construction of viaducts of different shape configurations. • The stay cables can be replaced without having to cut the traffic. To this purpose an additional tube was placed, both in the central deviator and in the pier. The

construction is carried out in the same way as in a continuous deck. It can be done span by span by means of a scaf­ folding truss where the stay cable is load­ ed at the same time and in a similar way as the rest of the prestressing cables.

222

3  Entwurf

3.8.4 S acramento river trail ­p edestrian bridge, USA



Jiri Strasky Owner: City of Redding, CaliforniaFred Mathis, Project Engineer Concept, Design: Charles Redfield, Consulting Engineer Mill Valley, California Dr. Jiri Strasky, Design Consultant Brno, The Czech Republic/Mill Valley, California Contractor: Shasta Constructors Inc., Redding, California Construction period: 1990

The Sacramento river trail and connecting bridge form part of the City of Redding’s park system. This area of the park lies to the northwest of the city on both sides of the river extending 4 km upstream to Keswick Dam. The new bridge located at this junc­ ture provides a link between the previously separated trails lying just above the rocky areas on each side of the river. Because of the dam’s presence, the riverbanks directly downstream have extensive rock outcrop­ ping which dramatically add to the beauty of the basin. To preserve this natural terrain and to mitigate adverse hydraulic condi­ tions, it was important to avoid founding any piers in the river basin. The bridge is formed by a stressed-rib­ bon of prestressed concrete over a span of 127.41 m and fixed at both end abutments. The deck width between railings is 3.04 m while the total width of the structure is 3.96 m. During the service of the bridge the sag at mid span varies from 3.35 m (time 0 with maximum temperature and full live load) to 2.71 m (time infinity with mini­ mum temperature). Since the bridge is used by bicyclists the height of the railing is set by code at 1.37 m. Apart from a dis­

tance of 4.20 m at each end abutment, where the deck is haunched to 91 cm, the deck has a constant depth of only 38 cm. This arrangement corresponds to the static behavior of the prestressed concrete band. By keeping the abutments at the same ele­ vation and a minimal drape in the center, the slope at the ends is held to an acceptable 9 %. Considerable prestressing material in the superstructure (236 strands of 13 mm dia.), and large rock anchors composed of 16 × 27 dia. 13 mm strands embedded deeply into the hillside at both ends, are required to form this shallow drape. Bridge vibration studies were carefully considered in the design for a wide range of pace frequencies, including jogging and the remote possibility of vandals attempt­ ing to physically excite the bridge. Because the bridge is an extremely shallow band with a long span over a channelized valley, an aeroelastic study was deemed necessary to check the stability under dynamic wind loads. Construction of the superstructure con­ sisted of lifting the previously cast segments onto the bearing cables and sliding them into their final position. This was accom­

3.8  Ausgewählte Brücken

plished in two working days. Placement of additional cables directly over the bearing cables within two troughs, casting them in place and further stressing provided the re­ quired stiffness for the bridge. Due to the unusual type of structure and its first use in the United States, it was considered prudent to load test the bridge and verify the struc­ tural behavior with the design assumptions.

223

A successful test was conducted on the completed bridge with 24 vehicles spaced over the whole length of the structure. In conclusion, a light bridge of a stressed-rib­ bon design with a single span and no joints presented an elegant solution, with a simple erection and no necessary construction within the river basin.

224

3  Entwurf

3.8.5 Puente de la Barqueta, Spanien



Juan José Arenas de Pablo Bauherr: Sociedad Estatal para la Exposición Universal de Sevilla Sevilla, Spanien Konzept, Entwurf und Projekt: Prof. Dr. Ing. Juan J. Arenas de Pablo Prof. Dr. Ing. Marcos J. Pantaleón Santander, Spanien Ausführung: AUXINI, S.A. und ENSIDESA, S.A. Spanien Bauzeit: 1988–1989

Die Barqueta-Brücke wurde als Zugang zum Ausstellungsgelände der Weltausstel­ lung Expo ’92 in Sevilla erbaut und entwi­ ckelte sich zum eigentlichen Symbol dieser Ausstellung sowie zu einem Wahrzeichen Sevillas. In den Bedingungen des Wettbe­ werbs, aus welchem das ausgeführte Projekt hervorging, wurde eine maximale Träger­ höhe in Feldmitte von 3 m und eine Min­ destspannweite von 165 m vorgegeben (keine Flusspfeiler). Außerdem war eine kurze Bauzeit anzustreben, und der schlech­ te Baugrund ließ keine horizontalen Auf­ lagerreaktionen zu. Die ausgeführte Stahl­ brücke ist das Resultat der Bemühungen, diese Auflagen mit einem seiner Funktion entsprechend eleganten und sorgfältig durchgestalteten Tragwerk zu erfüllen. Das Tragsystem der Brücke besteht im wesentlichen aus einem oberhalb der Fahr­ bahn in der Brückenmittelebene liegenden Bogen, welcher in einer Distanz von 30 m zur Auflagerachse durch zwei dreiecksför­ mige, die Bogenneigung übernehmende Portalrahmen gestützt wird. Der Fahrbahn­ träger dient als Zugband des Bogens und übernimmt infolge der großen Schlankheit

des Bogens praktisch die gesamten nichtsymmetrischen Nutzlasten. Die Spannweite über den Guadalquivir beträgt 168 m, ­wobei der Bogenscheitel 27.75 m über der Fahrbahn liegt. Die gesamte Brücke steht auf vier Vertikallagern, welche in Querrich­ tung 30 m voneinander entfernt sind. Durch die Anordnung der Portalrahmen wird vermieden, dass die Fahrbahn an den Brückenenden durch die Bogenkämpfer gelegt wird; andererseits entstehen dadurch regelrechte Eingangstore zur Ausstellung. Zudem wird die Knickstabilität des Bogens in Querrichtung wesentlich erhöht. Bogen und Portalrahmen weisen in allen vier Sei­ tenflächen 300 mm tiefe Längskerben auf, welche die Mittelachse dieser Elemente be­ tonen und die optische Schlankheit erhö­ hen, gleichzeitig aber auch zur Aussteifung der Profilbleche dienen. Der Fahrbahn­ träger weist eine Höhe von 2.40 m und eine Breite von 16 m auf, wobei die Möglichkeit einer zukünftigen Verbreiterung auf 21 m vorgesehen wurde. Sein Querschnitt be­ steht aus einem trapezförmigen Stahlkasten mit orthotroper Fahrbahn, im Abstand von 4.25 m angeordneten Querrahmen und

3.8  Ausgewählte Brücken

e­ inem zentrischen Raumfachwerk, welches der Einleitung der Hängerkräfte dient. Die Hänger liegen in der Brückenmittelebene, stützen den Fahrbahnträger im Abstand von 8.50 m und sind mit dem Bogen im Ab­ stand von 6.75 m verbunden. Ihre Längs­ neigung ist somit variabel, wodurch die Brückenmitte betont und gleichzeitig die Stützung des Fahrbahnträgers im Bereich der Portalrahmen optimiert wird. Die Kno­

225

tenpunkte, in welchen Bogen und Portal­ rahmen zusammenlaufen, spielen inner­ halb der Tragkonstruktion eine zentrale Rolle. Der Kraftfluss wird durch Verbin­ dungsbleche zwischen den jeweils analogen Seitenflächen des Bogens und den Streben des Portalrahmens sichergestellt. Die Trag­ wirkung ist von außen ablesbar, wodurch ein ausdrucksvolles, einheitliches Erschei­ nungsbild resultiert.

226

3  Entwurf

3.8.6 Falkensteinbrücke, Österreich



Franz Aigner Bauherr: Österreichische Bundesbahnen (ÖBB), Gene­ raldirektion Wien Planung und Projekt: Dipl.-Ing. Franz Aigner, Graz Ausführung: Beyer & Co., Graz Bauzeit: 1971–1974

Um das Jahr 1965 wurde begonnen, die 1901–1909 erbaute eingleisige Tauernbahn (Salzburg-Villach) in eine moderne Hoch­ leistungsbahn für zweigleisigen Betrieb und höhere Fahrgeschwindigkeiten umzubauen. Durch die angestrebte gestreckte Linienfüh­ rung ergab sich aufgrund der ­Topographie (breites Tal mit zahlreichen Quertälern) die Notwendigkeit, weitgespannte Talübergänge zu schaffen. Anstatt der ursprünglich beab­ sichtigten Stahlbrücken wurden schließlich, nicht zuletzt aus wirtschaftlichen Erwägun­ gen, Beton-Bogenbrücken ausgeführt. Die hier beschriebene Falkensteinbrücke, eine Brücke mit zwei Bögen (Spannweiten: 150 und 120 m), ist eines der Bauwerke aus einer aus sechs Bogenbrücken bestehenden „Brü­ ckenfamilie“. Bei all diesen Brücken wurde darauf Wert gelegt, Bauwerke zu schaffen, die bestmöglich mit der Landschaft harmo­ nieren und sich dem Betrachter nicht auf­ drängen. Dies war eine Vorgabe, die durch den ­Bogen bestens erfüllt werden konnte. Beton-­Bogenbrücken dieser Bauart sind derart robuste Systeme, dass sie den heuti­ gen Anforderungen an die Gebrauchstaug­ lichkeit voll gewachsen sind. Aufgrund seiner besonderen Form konnte der Doppelgraben nur durch zwei Bögen überbrückt werden. Ein besonderes

gestalterisches Problem stellte dabei die g­ eometrische Abstimmung der beiden Bögen zueinander dar. Das Fahrbahntrag­ werk weist eine konstante Längsneigung von 27,619‰ auf. Das Pfeilverhältnis f/L beträgt für beide Bögen 1/3,26. Die Ver­ bindungslinie der vier Bogenkämpfer ist gerade, verläuft jedoch nicht parallel zum Fahrbahntragwerk. Die beiden Verhält­ nisse hScheitel /L bzw. hScheitel  /hKämpfer sind für beide Bögen gleich, ebenso die Hö­ henverläufe der beiden Bögen sowie die Stützenabstände über den Bögen. Durch diese einfachen geometrischen Analogien werden die beiden Bögen als eine un­ trennbare Einheit empfunden, diese wird durch die alte Burg Falkenstein noch ver­ stärkt. Soweit wie möglich wurden alle Kon­ struktionsteile monolithisch verbunden. Die Bogenscheitel wirken als Fixpunkte des Gesamtsystems, Fahrbahnübergänge sind an den Brückenenden und über dem Trenn­ pfeiler angeordnet. Die Bögen weisen zwei­ zellige Kastenquerschnitte auf. Sie sind an den Kämpfern eingespannt. Diese sind flach gegründet. Das Fahrbahntragwerk läuft zwischen den Fahrbahnübergängen fugenlos durch. In den Bogenbereichen wurde ein vierstegiger Plattenbalkenquer­

3.8  Ausgewählte Brücken

schnitt gewählt, in den Vorlandbereichen musste dieser wegen der deutlich größeren Stützweiten zu einem dreizelligen Kasten­ querschnitt ergänzt werden. Tragwerk und Bögen sind nicht miteinander verschmol­ zen. Für die schlanken Stützen wurden zweizellige Kastenquerschnitte gewählt. Alle Stützen sind mit dem Tragwerk und den Bögen bzw. Fundamentkörpern biege­ steif verbunden. Die Fundamente der Vor­ landstützen mussten auf Brunnen gegrün­ det werden.

227

Die Bögen wurden mit freitragenden Lehrgerüsten des Systems Cruciani einge­ rüstet. Durch den schrittweisen Aufbau des Bogenquerschnitts und durch die konse­ quente Ausnützung der Verbundwirkung zwischen dem Lehrgerüst und den bereits erhärteten Betonteilen konnten die Lehrge­ rüste sehr sparsam dimensioniert werden. Die Bauzeit für die Brücke betrug ca. 20 Monate.

228

3  Entwurf

3.8.7 Le Pont de Brotonne, Frankreich



Jacques Mathivat Maître d’Ouvrage: Direction Départementale de l’Equipement de Seine Maritime Conception et Exécution: Entreprise Campenon Bernard Achevé en: 1977

Le Pont de Brotonne est situé sur la Seine, à 35 Km en aval de Rouen, à Caudebec en Caux. Achevé en 1977, il fut le premier pont en béton à haubans multiples répartis et constitua pendant plusieurs années le re­ cord mondial de ce type d’ouvrage avec une portée centrale de 320 m. Il ne comporte pas de piles en rivière et dégage un gabarit sous tablier de 50 m de hauteur afin de per­ mettre la navigation de navires de fort ton­ nage entre Le Havre et Rouen. L’ouvrage est continu sur toute sa lon­ gueur à l’exception d’un joint de dilatation disposé en cantilever entre l’ouvrage princi­ pal et le viaduc d’accès rive gauche. Les por­ tées de l’ouvrage principal sont respective­ ment 143,5 m – 320 m – 143,5 m et les por­ tées courantes des viaducs d’accès sont égales à 58,5 m. Le tablier, de hauteur constante égale à 3,8 m, est constitué d’une poutre tubulaire monocellulaire en béton précontraint, à deux âmes inclinées, raidie par une triangu­ lation intérieure permettant de reprendre les efforts concentrés dus au haubanage. Sa largeur est égale à 19,2 m. Il est encastré élastiquement sur les piles principales par l’intermédiaire d’une couronne d’appareils d’appui en néoprène et repose simplement sur les autres piles et culées.

La suspension axiale de l’ouvrage est réa­ lisée au moyen de 21 haubans, disposés en semi-éventail, ancrés aux deux extrémités dans le tablier au point de concours de la triangulation intérieure et déviés en tête des deux pylônes par des selles d’appui formant point fixe. A la traversée des pylônes un double gainage est prévu afin de permettre le remplacement des haubans en cas de ­nécessité. Les ancrages des haubans dans le tablier sont écartés de 6 m. Les haubans sont constitués des câbles de précontrainte comportant 39 à 60 torons protégés à l’intérieur de tubes métalliques injectés au coulis de ciment. Des amortis­ seurs hydrauliques sont installés au voisi­ nage de l’attache des haubans sur le tablier de manière a éviter leur vibration. Les pylônes verticaux, en béton armé, sont encastrés dans le tablier qu’ils sur­ plombent de 70 m. Les piles principales, également en béton armé, sont fondées sur des colonnes cylin­ driques de 12,5 m de diamètre ancrées à 35 m de profondeur dans le calcaire. Le tablier a été construit par encorbelle­ ments successifs au moyen de voussoirs de 3 m de longueur bétonnés en place à l’inté­ rieur d’équipages mobiles, les âmes incli­ nées étant préfabriquées.

3.8  Ausgewählte Brücken

229

230

3  Entwurf

3.8.8 D onaukanalbrücke in Wien, Österreich



Alfred Pauser Bauherr: Bundesministerium f. Bauten u. Technik/Stadt Wien, Magistratsabteilung 29 Entwurf und Detailplanung: Ingenieurbüro A. Pauser, Wien Ausführung: Arbeitsgemeinschaft A. Porr AG – Auteried & Co, Wien Bauzeit: 1973–1975

Am Rande Wiens kreuzt die stadtwärts führende zweispurige Richtungsfahrbahn der Flughafenautobahn den Donaukanal unter einem Winkel von 45°. Strenge Rand­ bedingungen zwangen zur Ausführung ei­ nes parallelgurtigen Tragwerkes mit einer Schlankheit von l/h = 42. Es bot sich daher die Vorkehrung einer symmetrischen, ein­ strängigen Abspannung an. Das Tragwerk ist in Längsrichtung – im Bereich der Pylon- und Abspannquerträger auch in Querrichtung – vorgespannt. Die Abspannung besteht aus verschlossenen Seilen mit 72 mm Durchmesser, die in Gruppen zu jeweils 8 Stück einen Strang bilden, der am Pylonkopf über einen Seil­ sattel aus Stahlguss geführt wird. Beschrän­ kungen durch die Aufrechterhaltung der Schifffahrt führten, unter Ausnützung der Abspannung, zur Überlegung, die beiden Brückenhälften entlang der Ufer herzu­ stellen und einzudrehen. Der nur in einer Breite von ungefähr 5 m zur Verfügung ge­ standene Uferstreifen wurde zur Ausfüh­ rung eines zentralen Ortbetonkastens ge­ nützt. Die seitlich auskragenden und zu­ rückverhängten Fertigteilplatten dienten gleichzeitig der Abstützung und dem

Längsverschub einer Innenschalung zur Ergänzung der Fahrbahnplatte. Nach Aufbringen einer Teilvorspannung im Träger, Montage der Seile und deren teilweisen Vorspannung erfolgte zuerst das Eindrehen der rechtsufrigen Tragwerks­ hälfte. Sodann wiederholten sich die ge­ schilderten Vorgänge auch am gegenüber­ liegenden Kanalufer. Die baulichen Maß­ nahmen für das Eindrehen mussten auf die äußerst beschränkte Lastabtragungsfläche Rücksicht nehmen. Es lag nahe, sich das Prinzip des altbekannten Sandtopfes zunut­ ze zu machen. Das Montagedrehlager mit einem Durchmesser von 1,6 m (Elastomer/ PTFE-Scheibe in der Gleitpaarung mit ei­ ner polierten Stahlplatte auf einem sand­ gelagerten Betonstempel) hatte bei einer Beanspruchung des Quarzsandes mit 2 kN/ cm2 nicht nur eine Last von 40 MN abzutra­ gen, sondern musste darüber hinaus auch die Absenkung (durch teilweises Absau­ gung des Sandes) auf ein nachträglich ein­ geschobenes, eng stehendes Lagerpaar er­ möglichen. Das Eindrehen einer Tragwerk­ shälfte benötigte bei einer Initialkraft von nur 150 kN kaum 3 Stunden. Als sehr vor­ teilhaft erwies sich eine für den gegebenen

231

55 m

55 m

5 5,4,90 4 45 5,

1m

Schlussstück 15,80

119 m

provisorisches Drehlager

provisorische Verschubbahn

23 m

2,80 + 0,24

3.8  Ausgewählte Brücken

AL

AN

UK NA

DO

seitl. ausgestellte Fertigteilpl. Ortbetonzelle auf Rüstung

11

15,30

1,10

2,15

18,00

Drehachse

1,10

5,00

Quervorspannung

4,90

2,26

2,80

5,26

0,24

1,55

13,30

Abhängeträger

Neoprene PTFE-Platte Stahlplatte Betonstempel Quarzsand

4,20

Zweck vorgenommene Abwandlung des Taktschiebeverfahrens nach Leonhardt/ Baur. Nachdem beide Tragwerkshälften in ihrer Endposition waren, erfolgten der Fu­

2,20

genschluss, das Einfädeln der Kontinuitäts­ kabel und die abschließenden Spannar­ beiten.

232

3  Entwurf

3.8.9 M angfallbrücke, Deutschland



Herbert Kupfer Bauherr: Autobahndirektion Südbayern Entwurf: U. Finsterwalder, DYWIDAG München, architektonische Beratung G. Lohmer Ausführung: Dyckerhoff & Widmann, NDL München Bauzeit: 1957–1959

Die Autobahnbrücke über das Mangfalltal auf der Strecke München – Salzburg wurde erstmals 1934–36 als dreifeldriger stähler­ ner Vollwandträger errichtet, 1945 durch Sprengung des westlichen (Münchner) Pfeilers zerstört, 1946–49 als Stahlbehelfs­ brücke (SKR-Stahlfachwerkkonstruktion) wieder aufgebaut und 1957–59, wie im fol­ genden beschrieben, als Spannbetonfach­ werkbrücke im freien Vorbau nach dem Entwurf von Ulrich Finsterwalder unter Verwendung der alten Pfeiler und Widerla­ ger neu errichtet. Die Behelfsbrücke wurde zu diesem Zweck vorher seitwärts auf Hilfs­ pfeiler verschoben. Die Wahl einer Fachwerkkonstruktion ermöglichte die Unterbringung eines Fußund Radweges auf dem Unterdeck des Par­ allelträgers mit großartigen Ausblicken auf das schöne, 60 m tief eingeschnittene Mang­ falltal. Die Füllstäbe des parallelgurtigen Fach­ werks sind gekreuzte Diagonalen und Ver­ tikalen mit in der Ansicht konstanter Dicke, so, dass der dreifeldrige Fachwerkträger von L = 90 + 108 + 90 = 288 m Länge und 6 m Bauhöhe als ein völlig gleichmäßiges, ästhetisch sehr ansprechendes Band er­ scheint. Die Gleichmäßigkeit dieses Bandes

verstärkt auch den Eindruck der Schlank­ heit der Konstruktion. Der architektonische Berater Finsterwalders war Gerd Lohmer. Die Bodenplatte ist in den mittleren Be­ reichen der drei Felder durch elliptische Öffnungen unterbrochen. Die Kräfte der Füllstäbe nehmen ent­ sprechend dem Querkraftverlauf zu den Auflagern hin zu. Um die Querschnitte der Füllstäbe den Stabkräften anzupassen und damit unnötige Maßen und Eigengewichte zu vermeiden, nehmen auch die Breiten der Füllstäbe – in Brückenquerrichtung gemes­ sen – zu den Auflagern zu. Dabei sind aber die Ansichtsflächen der beiden Fachwerk­ träger eben ausgebildet. Die Brücke wurde nach dem Dywidag Spannverfahren mit Spannstäben von 26 mm Durchmesser aus Sigma-Stahl 80/105 vorgespannt. Beim freien Vorbau wurden die 6 m lan­ gen Vorbauabschnitte in zwei Teilen beto­ niert und vorgespannt, wobei der erste Teil (Untergurt, untere Hälfte der steigenden Diagonale und ganze fallende Diagonale) sich bereits bei der Abtragung der Frischbe­ tonlast des zweiten Teils (obere Hälfte der steigenden Diagonale, Vertikale, Obergurt mit Fahrbahnplatte) beteiligt.

3.8  Ausgewählte Brücken

Die Brücke wurde – vom Münchner Wi­ derlager aus – in einer Richtung bis zum Salzburger Widerlager frei vorgebaut, wo­ bei es notwendig war, vorübergehend Zwi­ schenstützen anzuordnen, die nach Been­ digung des Baues wieder entfernt wurden. 4 Zwischenstützenpaare waren im ersten Feld, 3 Zwischenstützenpaare in der zwei­ ten Hälfte des Mittelfeldes und 2 Zwischen­ stützenpaare in der zweiten Hälfte des End­ feldes erforderlich. Die Verbreiterung der Bundesautobahn zwischen München und dem Inntaldreieck

233

auf 6 Spuren zuzüglich Standstreifen erfor­ derte auch eine Verbreiterung der Mang­ fallbrücke. Dazu wurde von 1977 bis 1979 ein zweiter Überbau neben dem bestehen­ den errichtet und nach Umlegung des Ver­ kehrs die Fachwerkbrücke von 1980 bis 1981 umgebaut. Bei dieser Gelegenheit wurde auch der Erhaltungszustand des Bauwerks eingehend untersucht und nahe­ zu für mängelfrei befunden. Außerdem wurde die Brücke an eine neue Einteilung der Fahrspuren mit erhöhten Lasten ohne Verstärkungsmaßnahmen angepaßt.

234

3  Entwurf

3.8.10 The Normandie Bridge, Frankreich



Michel Virlogeux

Concept, Design: Michel VIRLOGEUX (SETRA at the time), Bonnelles Architect: Charles LAVIGNE (Vanves) Project: SETRA + SOFRESID (Jean-Claude FOUCRIAT) + SOGELERG +QUADRIC + INGEROP + CSTB Owner: Chambre of Commerce et d’Industrie du Havre Project Manager: Bertrand DEROUBAIX (Direction Départementale de l’Equipement de Seine Maritime)

When the construction of the Normandie Bridge was considered for the first time as early as 1973–1979, this took place within the scope of a local project as an alternative route to Paris – since the le Havre region and harbour could not be totally dependent on the Tancarville Bridge – and as a new link with western France. But before being built it was integrated as a key element of the A 29 motorway which links Calais and the Channel Tunnel to the French western coast, down to Nantes, Bordeaux and Spain. The bridge crosses the river Seine estu­ ary a few kilometres upstream from le Havre. A first project (1976–1979) consist­ ed of three different structures, a central cable-stayed bridge with an access viaduct on each side; with a main span (510 m), the bridge had several supports in the river in­ cluding the north pylon and end-pier of the cable-stayed bridge. After several bridges had collapsed due to a ship collision a deci­

Contractors: Campenon Bernard, Bouygues, SOGEA, GTM, Dumez, Spie Batignolles, Quillery Construction period: 1989–1995

sion was made to cross the estuary without any pier in the river. The final design was developed from 1986–1988 and though the longest cablestayed span at the time was only 465 metres (Alex Frazer Bridge, Canada), it was de­ cided to prefer a cable-stayed bridge to a suspension bridge for economical reasons but also to avoid large anchorage blocks in the flat landscape of the estuary. The main span of 856 m was a large step forward in the design of cable-stayed bridges and held the world record from January 20, 1995 to May 1, 1999 when the Tatara Bridge was opened. The Normandie Bridge is designed as a unique, continuous structure with a length of 2142 m without any intermediate expan­ sion joint. The design has been mainly ori­ ented to resist wind forces and for aerody­ namic stability: the deck is a stream-lined box-girder directly inspired by English sus­ pension bridges; it is supported by two

3.8  Ausgewählte Brücken

235 COUPE TRANSVERSALE TRAVEE PRINCIPALE

COUPE LONGITUDINALE

PONT DE NORMANDIE

Elévations Pylone

VIADUCS D’ACCES

planes of cable-stays which concentrate in the pylon heads; the pylons have the shape of an inverted Y, the most efficient design to resist transverse wind forces; and the deck is rigidly connected to pylons to limit verti­ cal and transverse deflections induced by wind. The bridge is a composite structure with concrete access spans on multiple supports

and with an orthotropic box-girder in the central part of the main span for economi­ cal reasons but also to take advantage of the concrete weight to distribute back-staying action between all rear cables. The global concept as well as shapes and details aim at elegance and slenderness through a structural design.

236

3  Entwurf

3.8.11 Rheinbrücke Bendorf, Deutschland



Herbert Schambeck Konzept: Ulrich Finsterwalder Entwurf: Arbeitsgemeinschaft Dyckerhoff & Widmann KG (Überbau) Grün & Bilfinger AG (Unterbau) Architektonische Beratung: Gerd Lohmer, Köln

Bauherr: Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch Straßenverwaltung Rheinland – Pfalz Straßenneubauamt Vallendar

Der Rhein wird in Bendorf bei Koblenz von einer ca. 1000 m langen und ca. 31 m brei­ ten Autobahnbrücke überquert. Haupt­ blickpunkt des Bauwerks ist der 528 m lange östliche Brückenbereich, in dem die 208 m weite Mittelöffnung über dem Haupt­ strom von einer Deckbrücke mit stark ver­ änderlicher Trägerhöhe überbrückt wird. Zusammen mit dem im Westen nahtlos an­ schließenden, ca. 500 m langen schlichten Parallelträger entsteht so ein Prototyp einer großzügigen, anspruchsvoll gestalteten Überquerung eines Strombettes. Bei einer Ausschreibung für dieses Bau­ vorhaben hat sich 1961 im freien Wettbe­ werb der Entwurf einer im freien Vorbau errichteten Spannbetonbrücke gegenüber dem Verwaltungsentwurf einer Stahlbrü­ cke durchgesetzt. Maßgebend für die Ver­ gabe waren der deutlich niedrigere Ange­ botspreis, der Hinweis auf ca. 50 Bauwerke, die seit 1950 weltweit nach dem gleichen Bausystem errichtet worden waren und si­ cher auch der Reiz, ein so großes Bauwerk

Ausführung: Arbeitsgemeinschaft Dyckerhoff & Widmann KG, Grün & Bilfinger AG Bauzeit: 1962–1965

als Konstruktion „aus einem Guss“ – also Pfeiler, Widerlager und gesamter Überbau aus dem Baustoff Beton zu errichten. Und dazu kam der Mut der Verwaltung, mit die­ ser Spannweite bis in den technisch und gestalterisch sinnvollen Grenzbereich die­ ser Bauweise vorzustoßen und damit einen Beitrag zu Weiterentwicklung des noch jungen Spannbetons zu leisten. Die Breiten­ wirkung dieser zu ihrer Zeit weitestge­ spannten Beton-Deckbrücke war enorm: seitdem wurden nach diesem in Deutsch­ land entwickelten System weltweit hunder­ te von Brücken (besonders in Japan) mit Spannweiten bis zu etwa 250 m gebaut. Die wesentlichen Merkmale der Rhein­ brücke Bendorf: • Ein Kasten mit stark veränderlicher Bau­ höhe (4,4 m in Feldmitte, 10,5 m über den Hauptpfeilern, 3,3 m an den Brücke­ nenden und beim anschließenden west­ lichen Parallelträger), monolithisch ver­ bunden mit den schlanken (nur 2,8 m

3.8  Ausgewählte Brücken

dicken) Scheiben der Hauptpfeiler. Den ca. 31 m breiten Fahrbahnquerschnitt bilden zwei jeweils 7,2 m breite einzellige Kästen mit durchgehender Längsfuge, mit 14,82 m Achsabstand und mit ent­ sprechenden seitlichen Kragplatten. • An die 208 m weite Hauptöffnung schlie­ ßen beidseits verhältnismäßig kurze Nachbarfelder von 71 m an. Sie bewir­ ken, dass das Mittelfeld in den Haupt­ pfeilerachsen nahezu starr eingespannt ist und deshalb die Durchbiegungen der Konstruktion unter Verkehrslasten ent­ sprechend klein bleiben. • Anordnung eines längsverschieblichen Gelenks in Strommitte. Dieses Gelenk ermöglicht eine minimale Trägerhöhe in Feldmitte und trägt damit zur Eleganz der Brücke bei. Es vereinfacht die Be­ rechnung, die Konstruktion und die Bauausführung, weil die statischen Be­ anspruchungen im Bauzustand (beim freien Vorbau) und im Endzustand ähn­ lich sind. Hinzu kommt die klare Füh­ rung der Spannglieder bei einem Krag­ träger: Nahezu alle Spannglieder liegen, einfach und schnell montierbar, in der Fahrbahnplatte; die Stege bleiben frei von Spanngliedern und können ohne Behinderungen betoniert werden. Es ist dies derselbe Effekt, der durch extern ge­

237

führte Spannglieder erreicht werden kann. – Die Erfahrung hat gezeigt, dass die geschilderten Vorteile mit Nachtei­ len verbunden sein können: Die Durch­ biegungen der Kragarmspitzen in Feld­ mitte können zu unerwünschten Abwei­ chungen von der planmäßigen Fahr­ bahngradiente führen und die laufende Wartung einer Überganskonstruktion im freien Feld ist aufwendiger als über einem Pfeiler. • Im gesamten Bereich der Hauptöffnung und der beiden Nachbarfelder wird durch entsprechende Festlegung des Verlaufs der Trägerunterkante erreicht, dass die Schubkraft in den Stegen und damit auch die Dicke der Längsstege auf ganze Feldlänge konstant ist. Herstellung im freien Vorbau in Ortbeton­ bauweise von den 2,8 m dicken Pfeilerschei­ ben aus symmetrisch nach beiden Seiten ohne Hilfsstützen. Im Westen – über dem Strom – nach dem Erreichen des Nach­ barpfeilers Weiterführung des freien Vor­ baus in den 44 m weiten Nebenfeldern ohne Hilfsstützen mit Hilfsabspannungen und Hilfspylonen. Für die beiden 44 m Felder im Osten war eine herkömmliche feldweise Herstellung auf Gerüst wirtschaftlicher.

238

3  Entwurf

3.8.12 Schrägseilbrücke Dubrovnik, Kroatien



Herbert Schambeck Entwurf: Dr.-Ing. E.h. Herbert Schambeck, Germany Dipl.-Ing. Karl Sporschill, Innsbruck, Austria Ausführungsplanung: Structural Depart. of Civil Eng. Faculty Zagreb, Dipl.-Ing Zlatko Savov, Dipl.-Ing- Veljko Lrpic Ausführung: Arbeitsgemeinschaft WALTER – BAU AG, Germany und Konstruktor, Split, Croatia mit Construzioni Cimolai Armando Spa, Italy (Stahlbau) und DYWIDAG, Germany (Litzenseile und Spannstahl)

Bauherr: Croatian Roads (National Road Authority)

Bauzeit: 1999–2001

Für den Brückenentwurf waren folgende Vorgaben bestimmend:

Seite Split zwei Felder, die von der Haupt­ brücke abgetrennt sind und sich somit nicht an deren Tragwirkung beteiligen. 1996, nach dem Krieg in Kroatien, be­ warb sich die WALTER BAU – AG um die Bauausführung und beauftragte die Ingeni­ eure H. Schambeck und K. Sporschill mit der Überprüfung des vorliegenden Ent­ wurfs und Überlegungen zu Sondervor­ schlägen. Dabei entstand der nachfolgend beschriebene Vorschlag, der schließlich zur Auftragsvergabe führte. Der Entwurf hält alle Grundparameter ein und verwendet eine Idee, die bereits 1968 bei der von DYWIDAG gebauten Mainbrücke Hoechst bei Frankfurt angewendet wurde: Vom Pfeiler Split ragt ein 60 m langer Kragarm in die Hauptöffnung, der im 87 m langen Randfeld rückverankert ist und an der Kragarmspitze ein längsverschiebliches Auflager für den anschließenden 244 mBereich erhält. Dadurch entstehen zwei verschiedene Brückenabschnitte: Im Schrägseilbereich vermindern sich die Auskragung auf ca. 80 % und die Krag­

• Die Schifffahrt erfordert eine lichte Höhe von 50 m und eine Hauptspannweite von 304 m, an die bis zum Widerlager Du­ brovnik 90 m und zum Widerlager Split 87 m anschließen. • Ein Radius über dem Ufer Split macht es unmöglich, dort einen Pylon aufzustel­ len. • Die Brücke ist sehr schmal (Nutzbreite über dem Fluss = 12,1 m) und liegt in einer Zone mit hoher seismischer Akti­ vität (0,38 g) und hohen Windgeschwin­ digkeiten (Bora). Nach diesen Kriterien stellte Z. Savor be­ reits 1989 einen Entwurf auf: Die 304 m Hauptöffnung wird von einem Stahlkasten­ träger überspannt, der mit Schrägseilen an dem am Ufer Dubrovnik stehenden, 163 m hohen A-förmigen Pylon aufgehängt ist. Beidseits der Hauptöffnung schließt Spann­ beton an: Auf der Seite Dubrovnik das 90 m lange Rückverankerungsfeld und auf der

3.8  Ausgewählte Brücken

momente in der Pylonachse auf ca. 64 %. Die Pylonhöhe beträgt anstatt 163 m nur noch 142 m und für den Versteifungsträger kann auf seine ganze Länge eine Stahlver­ bundkonstruktion vorgesehen werden. Das führt insgesamt zu einer höheren Steifigkeit und einer über die gesamte Brückenlänge durchlaufenden Betonfahrbahnplatte. Als Querschnitt wird ein 2,2 m hoher Platten­ balken mit 2 außen, in der Achse der Schräg­ seile liegenden Stahllängsträgern gewählt, die durch Querträger verbunden sind und an die schubfest die in Längsrichtung ge­ spannte Fahrbahnplatte angeschlossen ist.

239

Windkanalversuche an der RWTH ­ achen haben dazu geführt, dass zur Er­ A höhung der Torsionssteifigkeit in Höhe der Trägerunterkante ein Fachwerkverband eingezogen wurde. Der zweite Brückenbereich aus dem 60 m Kragarm und dem 87 m Randfeld liegt in einem Übergangsbogen mit Rmin = 212 m und verbreitert sich im Randfeld um ca. 4 m. Eine geeignete Konstruktion hierfür ist ein einzelliger Hohlkasten aus Spannbe­ ton mit stark veränderlicher Trägerhöhe (3,2 bis 8,2 m), biegesteif in den Pfeiler Split eingespannt. Konstruktion und Bauverfah­

240

3  Entwurf

ren entsprechen dem weltweit bewährten System des freien Vorbaus in Ortbetonbau­ weise. Bindeglied beim Zusammenfügen dieser beiden, für sich genommen optimal kon­ struierten Brückenteile zu einem funktio­ nierenden und optisch befriedigenden Ge­ samtbauwerk ist der Fugenbereich mit dem Gelenk. Die Schwierigkeit der Aufgabe war den Planern von Anfang an bewusst: Geo­ metrische Gestaltung des Übergangs vom 2,2 m hohen Stahlplattenbalken mit seinen außen liegenden Trägern zum 3,2 m hohen, schmalen Spannbetonkasten – Unterbrin­ gung der Lager und der Übergangskon­ struktion samt Möglichkeit der Besichti­ gung und Auswechslung. Dementsprechend sorgfältig war die Detailbearbeitung dieses Bereichs mit dem Ziel, für den Gelenk­ bereich denselben Sicherheitsstandard zu erreichen wie für die Gesamtkonstruk­tion.

4  Querschnittsgestaltung

4.1  Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit von System und Funktion Francesco Aigner und Thomas Petraschek 4.1.1  Allgemeines In diesem Abschnitt werden nur Querschnitte der Fahrbahntragwerke betrach­ tet. Tragkabel, Hänger, Pylon-, Bogen- und Pfeilerquerschnitte bleiben unberücksichtigt. Allgemein lassen sich vom Baustoff losgelöst drei unterschiedliche Typen von Querschnitten angeben: Die Platte, der Plattenbalken und der Kastenquerschnitt. Durch schubfeste Kopplung längs der Verbindungskanten wirken die Einzelelemente zu Gesamtquerschnitten zusammen. Durch Plattenwirkung, oder bei durchlaufenden Plattensystemen auch durch Gewölbewirkung, werden konzentrierte Lasten verteilt. Bei aufgelösten Querschnitten wie beim Plattenbalken oder beim Kastenquerschnitt wirken diese Elemente gleichzeitig als Druck- bzw. als Zugscheiben des Gesamtquerschnitts. Durch konsequente Ausnutzung der Vorteile der Grundformen lassen sich für Sonderfälle entsprechende Kom­ binationen und Sonderquerschnitte ent­ wickeln. Querschnitte der Fahrbahntragwerke moderner Brücken erfüllen in der Regel mehrere Aufgaben: Sie bilden den Raumabschluss, enthalten die eigentliche Ver-

kehrsfläche, die in der Regel durch eine Platte konstanter oder veränderlicher Dicke gebildet wird (Fahrbahn bei Straßenbrücken, Geh- und Radweg bei Fußgängerund Radwegbrücken, Begrenzung des Schottertrogs oder Tragelement für eine feste Fahrbahn bei Eisenbahnbrücken) und sind Bestandteil der Haupttragkonstruktion oder diese selbst. Besonders ausgeprägt ist die mehrfache Bedeutung des „Tragwerks“ bei Brücken für beson­ dere Verwendung, z. B. Rohrbrücken. Hier bildet das Tragwerk gleichzeitig den Verkehrsweg, den Raumabschluss und das Haupttragwerk. Somit kann der Tragwerksquerschnitt nur im Zusammenhang mit der übergeordneten Tragwerkskonstruktion gesehen werden. Es spielen bei der Wahl und Festlegung des Querschnitts die Stützweiten, die Tragwerksschlankheit h/l, die Tragwerksbreite, die Krümmungsverhältnisse im Grundriss, die Größe der Nutzlast und das Montagesystem eine entscheidende Rolle. Da der gewählte Querschnitt nicht nur die Kosten für den Überbau, sondern auch das gesamte Erscheinungsbild einer Brücke maßgeblich beeinflusst, sind bei der Querschnittswahl außer technischen, betrieblichen und wirtschaftlichen auch gestalterische Überlegungen anzustellen. Durch Ausnutzung von Hell-Dunkel- und LichtSchatten-Effekten, durch gezielte Farbgebung bei Stahlbrücken bzw. Oberflächengestaltung bei Betonoberflächen sowie durch entsprechende Ausbildung der Kappen lassen sich die Tragwerke optisch auflockern und strecken.

242

4  Querschnittsgestaltung

Im Rahmen der Projektierung ist aus der Bandbreite grundsätzlich in Frage kommender Querschnitte jener auszuwählen, der die Randbedingungen (hinsichtlich Gestaltung, Kosten, Tragwirkung, Dauerhaftigkeit, eventuell Flexibilität) objektiv und subjektiv insgesamt am Besten erfüllt. Die Wahl der Querschnittsart und -geometrie ist an bestimmte Vorgaben gebunden. Durch die Nutzung ist die Querschnitts­ geometrie teilweise vorgegeben, z. B. Lichtraumprofile bei Eisenbahnbrücken oder Regelquerschnitte bei Straßenbrücken. Die Nutzlasten von Eisenbahnbrücken sind in der Regel um ein Vielfaches größer als jene von Straßenbrücken. Wegen der kleinen einzuhaltenden Verformungen (Durchbiegungen, Endtangentenverdrehungen) ergeben sich vor allem bei Bahnbrücken steife Tragwerke. Hingegen sind die Steifigkeitsanforderungen der Straßenbrücken und – vor allem – der Fußgängerbrücken geringer. Bei letzteren ist wegen der Möglichkeit, weiche Tragwerke mit geringer Masse auszubilden, das Schwingungsverhalten zu berücksichtigen. Versteifungsträger weit gespannter Schrägkabel- oder Hängebrücken erfordern – schon mit Rücksicht auf die Bauzustände – aerodynamisch

stabile Querschnitte. Auch besondere Anforderungen bezüglich des Temperaturverlaufs in der Fahrbahnplatte können Einfluss auf den Baustoff und die Querschnittsausbildung haben. Soll sich z. B. aus Gründen der Verkehrssicherheit die Tragwerksplatte einer Straßenbrücke bei Sonneneinstrahlung möglichst gleichmäßig erwärmen, wird man eine Betonplatte gegenüber einer Stahlplatte bevorzugen und weit ausladende Konsolen vermeiden. Auch die Unterbringung von Versorgungsleitungen oder der Brückenentwässerung kann für die Querschnittsgestaltung von Bedeutung sein (siehe Kapitel 10.5). Einige Planungsparameter sind von vornherein gegeben, andere frei wählbar, siehe Tabelle 4.1-1. Von Bedeutung für die Querschnittsausbildung sind der Betrieb, die Wartung und die Erhaltung. Vor allem bei Brückentragwerken des hochrangigen Straßen- und Bahnnetzes besteht die Notwendigkeit, auch bei größeren Instandsetzungsarbeiten eine dauernde Aufrechterhaltung des Verkehrs, allenfalls mit Einschränkungen der verfügbaren Fahrspuren und Geschwindigkeitsbegrenzungen zu gewährleisten. Diesbezüglich sind nicht durchlaufende Trag-

Tabelle 4.1-1   Vorgegebene Planungsparameter bei der Querschnittsgestaltung Vorgabe

Beispiele

Änderungen möglich

Nutzung

Straße, Bahn, Fußgänger, Rohrgut

nein

Konstruktionshöhe, Höhenverlauf

–

in Grenzen

Lichtraumprofile, Mindestabstände

–

nein

Leiteinrichtungen

Leitschienen usw.

nein

Lärmschutz

Lärmschutzwände

fallweise

Material

Stahl, Beton, Verbund, Holz

meistens ja

Bauverfahren

–

ja

Höhenlage der Nutzfläche

FBOK, SOK

nein

Gestaltung der Kappen

Farbe, Detailausbildung

in Grenzen

4.1  Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit von System und Funktion

werke günstiger als durchlaufende. Sie weisen jedoch eine Reihe von statischen und betrieblichen Nachteilen auf und sind im Wesentlichen auf Tragwerke aus Spann­ beton-Fertigteilen beschränkt. Muss bei breiteren Brücken wie z. B. für Autobahnen oder für mehrgleisige Bahnstrecken un­ bedingt stets mindestens ein Tragwerk voll verfügbar sein, ist eine Trennung in zwei Einzelbrücken mit dazwischenliegender, durchgehender Längsfuge trotz ihrer Nachteile unverzichtbar. In diesem Fall kann im Bedarfsfall der gesamte Verkehr über eine der beiden Brücken geführt werden. Durch die Wahl eines bestimmten Tragwerktyps hinsichtlich Baustoff und Gestaltung wird damit der Charakter der Brückenkonstruktion bestimmt. Der Entwerfende muss sich bewusst sein, dass Brücken in höchstem Maße die Landschaft gestaltende Bauwerke sein können, d. h., dass er mit seiner Brücke die Umwelt unwiderruflich verändert, weshalb die Einpassung seines Bauwerks im Gelände mit größter Sorgfalt erfolgen sollte. Ein Querschnitt kann unpassend wirken, indem er z. B. auf einen Betrachter einen zu hohen oder auch zu wuchtigen Eindruck hinterlässt. Auch kann dieser der zu erfüllenden Funktion oder auch seinem Standort nicht angemessen sein. Möglichkeiten dafür gibt es genügend. Dies kann dann allerdings auch nicht immer erwünschte Auswirkungen hervorrufen, vor allem wenn es z. B. so wichtige und sensible Bereiche wie die Verkehrssicherheit betrifft. So darf ein Fahrzeuglenker von einer besonders interessanten (Brücken‑) Konstruktion keinesfalls vom Verkehrsgeschehen abgelenkt werden. Somit kommt dem Entwerfendem eine besondere Verantwortung zu, die ein großes Maß an Fachwissen und Einfühlungsvermögen erfordert. Zu Fragen der Gestaltung wird auf Kapitel 3 und [Leonhardt, 1982] verwiesen. Im Folgenden werden stellvertretend einige einfache Beispiele für eine gute Brückenge-

243

staltung gegeben. Bei Brücken mit kleinerer Stütz­weite sollte die sichtbare Fläche des Konstruktionsbandes des Überbaus, die durch die Wahl eines bestimmten Querschnitts definiert wird, zu den sichtbaren Flächen des Widerlagers in ein optimales Verhältnis gesetzt werden. Damit lässt sich der Eindruck vermeiden, dass der Überbau ohne besondere Anschlusskonstruktion aus dem Gelände oder dem Damm herauswächst (bei Durchlaufkonstruktionen tritt dann allerdings der Einfluss des Wider­ lagers gegenüber der Gesamtkonstruktion zurück und der Linieneindruck des Überbaus überwiegt). Um eine wuchtige Wirkung einer Konstruktion etwas zu mildern, eignet sich vor allem eine Oberflächenminimierung durch die Wahl geeigneter, kompakter Querschnitte. Schließlich kann man durch die Wahl des Querschnitts für den Betrachter auch den inneren Kraftfluss des Bauwerks verdeutlichen. Brücken des Stadtstraßen- und Stadt­ eisenbahnhochbaus im dicht besiedelten städtischen Raum stehen im Blickpunkt der Öffentlichkeit. Deren Ausführung greift spürbar in die Architektur der Stadtlandschaft ein. Hier stellt fallweise auch die Tragwerksuntersicht ein nicht unerhebliches Gestaltungsmerkmal dar. In der Ansicht ist vor allem die Querschnittshöhe von Bedeutung. Der optische Eindruck von Lärmschutzeinrichtungen ist hier unbedingt zu berücksichtigen, ebenso die von der Querschnittsform abhängigen Unterbauten. Diese Aufbauten erfordern oft ein Tragwerk mit besonders niedrigem Querschnitt. Ein durchsichtiger („transparenter“) Querschnitt trägt spürbar zur optischen Schlankheit des Tragwerks bei. Schließlich kann ein gestalterisch versierter Ingenieur oder Brückenarchitekt Funktion und Gestaltung zu einer Einheit zusammenfügen und eine Brücke so gestalten, dass sie – ohne sich aufzudrängen – auch im sensiblen innerstädtischen Bereich ­positive Akzente setzt.

244

Mit der Eigenlast und einer Gegenüberstellung des Nutzlastanteils an der Gesamtlast erhält man eine Charakteristik der strukturellen Effizienz des Querschnitts. Hier lässt sich die Beanspruchbarkeit aus dem Nutzlastanteil durch den Grad einer Querschnittsauflösung in Grenzen beeinflussen. Biege-, Torsionssteifigkeit, Verformungs- und Langzeitverhalten sind mit der Wahl des Baustoffs und der Querschnittsgeometrie festgelegt. Ist man in der Höhe nicht eingeschränkt, so wird man im All­ gemeinen die Bauhöhe nicht zu knapp wählen, um z. B. bei Betonbrücken mit weniger Bewehrung ein steiferes Tragwerk zu erhalten. Jeder Baustoff hat typische optimale Querschnittsformen und nicht jeder Baustoff und Querschnitt ist für jede Spannweite sinnvoll anwendbar. Für kleine Spannweiten, besonders aber auch für unregelmäßige Grundrissformen oder aber auch für eine möglichst flexible Nutzung der Verkehrsfläche sind herstellungstechnisch einfache Querschnitte, z. B. massive Platten, ausnahmsweise Stahlgrobbleche, wirtschaftlicher als komplizierte, leichte, in der Herstellung aufwendige Querschnitte. Im Großbrückenbau bestimmen heute im erheblichen Maße das für den jeweiligen Querschnitt mögliche Fertigungsverfahren die Kosten und damit die Wirtschaftlichkeit. Hier müssen auf jeden Fall die Wahl des Querschnitts und die betriebliche Fertigung immer im Zusammenhang gesehen werden, denn nicht alle eignen sich für eine industrielle Herstellung, und Lohnkosten sind noch immer höher als Material­ kosten. Auch bei Einhaltung aller aufgezählten Vorgaben bleibt doch genügend Spielraum für individuelle Gestaltungsmöglichkeiten, weshalb auch jede sorgfältig gestaltete Brücke ein individuelles Bauwerk darstellt.

4  Querschnittsgestaltung

4.1.2  Allgemeine Erläuterungen zu den Hauptquerschnittstypen 4.1.2.1  Platte Eine Platte ist ein dünnwandiges Flächentragwerk mit ebener Mittelfläche und Belastung quer dazu. In der Praxis werden auch Platten mit Konsolen oder Platten mit gekrümmter Unterfläche dazugezählt. Durch die Dünnwandigkeit kann ein Ebenbleiben der Quer­schnitte angenommen werden. Bei hinreichend dünnen Platten kann die Schubverzerrung vernachlässigt werden. Die Durchbiegungen werden sehr klein im Vergleich zur Dicke vorausgesetzt. Die Abgrenzung zum Balken ist mit b/l ≥ 1 / 5 festgelegt. Unterhalb dieses Wertes stellt sich keine Plattenwirkung mehr ein und man spricht dann von einem Balken. Dessen Lastabtragung erfolgt ein­ achsig. Anwendung Der Plattenquerschnitt wird eingesetzt für: • Brücken geringer bis mittlerer Stütz­ weite  („Plattenbrücken“: Brückentrag­ werk ≡ Fahrbahn) • Durchlässe, Unterführungen (breite Bauwerke) • Bogenbrücken: Fahrbahntragwerke und kleinere Bogen • Fahrbahntragwerke und Stiele bei kleineren Rahmenbrücken • Spannbandbrücken • Als raumabschließendes und statisch wirksames Element bei aufgelösten Querschnitten (Plattenbalken, Kastenquerschnitt, Sonderquerschnitte) Eigenschaften Günstige Eigenschaften von Plattentragwerken: • Lassen sich leicht an beliebige Grundrissformen anpassen wie z. B. Aufweitungen, Verengungen, schiefwinklige Platten

4.1  Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit von System und Funktion

245

• Erlauben die größten Schlankheiten li /h (li: Abstand der Momentennullpunkte für ständige Einwirkungen) • Erlauben beliebige Breiten b • Beachtliche Tragreserven infolge Membranwirkung bei durchlaufenden Platten­ systemen • Zweiachsige Lastabtragung bei konzen­ trierten Lasten (Radlasten) • Gleiches Verhalten gegenüber positiven und negativen Momenten Ungünstige Eigenschaften von Plattentragwerken: • Begrenzte Stützweiten • Bei sehr schlanken Tragwerken können die Langzeitdurchbiegungen infolge ständiger Einwirkungen zum Problem werden, besonders an den freien Rändern (Eigenlast, Randbalken) 4.1.2.2  Plattenbalken Der Plattenbalken besteht aus einer von der Bauart abhängigen Anzahl n von „Stegen“ (n ≥ 1) und einer mit diesen schubfest verbundenen Platte. Die Stege dienen der Querkraftübertragung und der Erzielung einer ausreichenden statischen Höhe d. Die Platte hat raumabschließende Funktion, wirkt für die Haupttragwirkung als Gurtscheibe und verteilt durch Plattenwirkung die Querbelastung (Radlasten, verteilte Flächenlasten) auf das Haupttragsystem (Lastabtragung durch Biegemomente und Querkräfte). Die durch die Biegesteifigkeit der Platte stets vorhandene Quertragwirkung lässt sich durch Querscheiben oder Querrahmen im Feldbereich (in l/2 oder l/3, mehr Querscheiben bringen keine nennenswerte Verbesserung) wirksam erhöhen. Dadurch werden alle Hauptträger durch eine Trägerrostwirkung zur gemeinsamen Lastabtragung gezwungen (Bild 4.1.2-1). Aus baupraktischen Gründen versucht man mit möglichst wenig Querträgern auszukommen. Stets werden sie an den End­

Bild 4.1.2-1   Quertragwirkung eines Plattenbal­ kens aus Beton

widerlagern angeordnet, oft aber nicht immer auch an den Innenstützen. Charakteristisch für Plattenbalkenbrücken sind die vergleichsweise geringe Drillsteifigkeit sowie die ungünstige Tragwirkung gegenüber negativen Biegemomenten. Größere Änderungen in der Fahrbahnbreite, die nicht durch einfache Verbreiterung der Plattenkonsolen bewerkstelligt werden können, sind konstruktiv aufwendig (Verziehung oder Anordnung zusätzlicher Stege). Eigenschaften Günstige Eigenschaften von Plattenbalkentragwerken: • Die Gurtplatte übernimmt mehrere Funktionen • Geringe Torsionssteifigkeit: es werden nur kleine (Zwangs-)Torsionsmomente aufgebaut → für schiefwinklige Lagerung gut geeignet, schont die Lager • Bei Ausbildung als Trogbrücke sind sehr geringe Bauhöhen prinzipiell möglich, doch soll diese Konstruktionsart nur in zwingenden Ausnahmefällen vorgesehen werden • Es sind wesentlich größere Spannweiten als bei Platten erreichbar

246

Ungünstige Eigenschaften von Plattenbalkentragwerken: • Keine volle Mitwirkung der Gurtplatte bei Biegung mit Querkraft („mitwirkende Breiten“) • Innerlich statisch unbestimmt (Tor­ sionssteifigkeit der Stege, Mitwirkung der Platte, unklare Verhältnisse durch das ­unterschiedliche Abfallen der Biege- und Torsionssteifigkeit im Traglastzustand) • Geringe Torsionssteifigkeit: „weicher“ als Platte oder Kasten (Gebrauchslasten), geringe Querverteilung, größere Durchbiegungen infolge Verdrehungen • Für stärker gekrümmte Tragwerke weniger geeignet 4.1.2.3  Der Kastenquerschnitt Der Kastenquerschnitt ist geeignet für mittlere bis große Stützweiten, wie sie bei Balkenbrücken und Rahmenbrücken vorkommen können. Ebenfalls einen Kastenquerschnitt erhalten größere Druck- und Biegedruckglieder, wie hohe Pfeiler, Stiele und Tragwerke von Rahmenbrücken, Bogen und eventuell auch Fahrbahntragwerke von Bogenbrücken. Dem Vorteil einer guten Materialausnutzung steht unter anderem der Nachteil einer aufwendigen Fertigung gegenüber. Wichtige konstruktive Vorgabe ist die Einhaltung einer lichten Mindest­ höhe (Begehbarkeit). In der Regel wird hli ≥ 80 cm verlangt. Bezüglich der Anwendung, Konstruk­tion und Berechnung von Kastenbrücken wird auf [Schlaich/Scheef, 1982] verwiesen. Eigenschaften Günstige Eigenschaften von Kastentragwerken: • Gewichtsersparnis gegenüber Tragwerken mit Vollquerschnitt • Große St. Venant’sche Torsionssteifig­ keit ermöglicht die Aufnahme großer (Last‑)Torsionsmomente, dadurch sind

4  Querschnittsgestaltung

auch stärker gekrümmte oder schiefwinklig gelagerte Tragwerke möglich • Für die Aufnahme positiver und negativer Momente gleichermaßen geeignet • Vergleichsweise geringe Biegespannungen aufgrund großer Kernweiten • Einbauten sind möglich und geschützt (frei liegende Spannglieder; Rohrleitungen, wegen Explosionsgefahr dürfen aber Gasleitungen nicht im Kasteninneren verlegt werden) • Auch für sehr große Spannweiten geeignet Ungünstige Eigenschaften von Kastentragwerken: • Keine volle Mitwirkung der Platte bei Querkraftbiegung („mitwirkende Breite“) • Große Torsionssteifigkeit: es können große (Zwangs‑)Torsionsmomente aufgebaut werden (Lagerkörper) 4.1.3  Querschnitte für Straßenbrücken Wichtigstes Planungskriterium sind die in den Regelwerken, z. B. RVS, RAS usw., festgelegten Regelquerschnitte für Brückenbauten. Je nach Straßentyp beträgt die Fahrstreifenbreite 3,50 m (Autobahn) bis 2,75 m. Von größter Bedeutung für die Gestaltung der Verkehrsfläche sind die Randbereiche (Pannenstreifen, Übergang zu den Randbalken, Anordnung der Leiteinrichtungen, Geländer und Lärmschutzwände). Bild 4.1.3-1 zeigt einen typischen Regelquerschnitt der RVS. Anzumerken ist der Unterschied zwischen dem oberen und dem unteren Querschnitt. Wird der Querschnitt über Kunstbauten geführt, verbreitert sich dieser insgesamt um 1,0 m. Sowohl links als auch rechts wird das 0,75 m breite Bankett bei der Brücke als 1,25 m breiter Randbalken ausgeführt. Dies gilt für alle Querschnitte der RVS, die über ein solches Bauwerk geführt werden.

4.1  Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit von System und Funktion

247

Bild 4.1.3-1   Regelquerschnitt einer Hochleistungsstraße [RVS 3.93 Stadtstraßen, 1975]

4.1.4  Querschnitte für Bahnbrücken Wichtigstes Planungskriterium sind die in den Regelwerken (Richtlinien der Bahnverwaltungen, z. B. DB‑Richtlinien) vorgegebenen Regelquerschnitte für Brückenbauten.

Bild 4.1.4-1 zeigt einen solchen Regelquerschnitt der HLAG für Hochleistungsstrecken in Österreich. Die Werte a und b in der Tabelle stellen Werte für die erforderliche Vergrößerung der halben Breite in Bogen mit einem Radius 3000 m ≥ R ≥ 300 m dar.

Bild 4.1.4-1  Regellichtraum mit Raum für den Durchgang der Stromabnehmer

248

4  Querschnittsgestaltung

Bild 4.1.4-2  Zweigleisige Grobblechbrücke mit gekrümmter Gleislage

Bild 4.1.4-3  Lichtraumbestimmungen für Abstandmaße im Fahrbahnbereich [HLAG, 1998]

Von Bedeutung sind bei mehrgleisigen Strecken die Gleisabstände. Diese betragen bei Neubaustrecken im Allgemeinen 4,70 m, eventuell auch 5,00 m. Bei bestehenden Strecken können die Gleisabstände dem Ist‑Zustand entsprechend geringer ausgeführt sein. Zu beachten ist im Bogen eine notwendige Mehrkubatur an Schotter im Querschnitt, siehe Bild 4.1.4-2. Weiters ist auch hier wie schon bei den Querschnitten für Straßenbrücken den Randbereichen besondere Beachtung zu schenken. Bild 4.1.4-3 zeigt exemplarisch Ausschnitte aus der ÖBB‑Regelplanung. 4.1.5  Querschnitte für Fußgängerund Radwegbrücken Hier existiert quasi kein Regelwerk, das Vorschriften zur Gestaltung des Quer-

schnitts enthält. Meist ist auch nicht die Wirtschaftlichkeit das wesentliche Planungskriterium. Hier spielen vor allem gestalterische Gesichtspunkte, Aspekte die den Menschen direkt betreffen, wie z. B. Schutz vor ungünstiger Witterung, beheizbare Laufflächen usw., und oft ein hoher Anspruch an die Architektur eine wesentliche Rolle. Wegen der geringen Massen und der niedrigen Nutzlasten und den sich daraus ergebenden geringen auftretenden Kräften sind die konstruktiven Probleme oft relativ gering. Damit lässt sich praktisch jeder Baustoff und auch jede Kombination dieser zu einer Querschnittsbildung heranziehen. Die dadurch sich ergebende Vielfalt ist enorm. Zu beachten ist allerdings, dass wegen der geringen Masse Schwingungsprobleme auftreten können. Diese resultieren meist aber nicht aus einer Windeinwirkung, sondern durch den Benutzer selbst.

4.2  Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff

249

Bild 4.1.6-2  Barbarabrücke

4.2  Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff Bild 4.1.6-1  Freitragende Rohrbrücke [Prölss Stahltechnik]

Hier ist schon beim Entwurf zu beachten, dass die Eigenfrequenz der Brücke nicht mit der Schrittfrequenz eines Fußgängers, die ca. 2 Hz beim Gehen und ca. 4 Hz beim Laufen beträgt, übereinstimmt. 4.1.6  Sonderquerschnitte Die Querschnittsgestaltung von Rohrbrücken richtet sich naturgemäß nach den speziellen Anforderungen hinsichtlich Größe, Eigenschaften der durchzuleitenden Substanz (gasförmig, flüssig oder körnig; Dichte) und der Durchströmungsgeschwindigkeit. Bei weit gespannten Tragwerken mit Zylinderquerschnitt ist besonders auf die aerodynamische Stabilität zu achten. Bild 4.1.6-1 und Bild 4.1.6-2 zeigen Beispiele für Rohrleitungsbrücken.

4.2.1  Betonbrücken

Francesco Aigner und Thomas Petraschek 4.2.1.1 Allgemeines Im Folgenden werden die im Betonbau ­vorkommenden Grundtypen (Platte, Plattenbalken, Kasten) bezüglich Anwendbarkeit, konstruktiver Eigenheiten, Variationsmöglichkeiten und Herstellung beschrieben. Für weitere Angaben und die Berechnung wird auf die Abschnitte 5.1, 5.2.1 und 8.5 hingewiesen. Die Tabelle 4.2 -1 zeigt die bei Betonbrücken unter Berücksichtigung der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit erreichbaren Schlankheiten l/h in Abhängigkeit von Ausführungsart und Verwendung. Die angeführten Werte sind entnommen aus ­[Leonhardt, 1979], [Schlaich/Scheef, 1982], [Hegger, 1998], [Holst, 1998] und [Pauser, 2002]. Die unteren Grenzwerte der Schlankheit gelten für die kleineren Stützweiten, die oberen für die größeren Stützweiten.

250

4  Querschnittsgestaltung

Tabelle 4.2.1-1   Erzielbare Schlankheiten li/h in Abhängigkeit von Ausführung und Verwendung Querschnittstyp

ohne Längsvorspannung

mit Längsvorspannung

Straße

Eisenbahn

Straße

Eisenbahn

Platte1

15–22 (20–25)

11–16

18–30 (26–36)

13–22

Plattenbalken1

  8–12

12

10–18

15

Plattenbalken2

10–14

Plattenbalken3

12–24 15–20

Kasten1

17

21

Kasten2

18

25

12–14

Kasten3Feld

35–50

30

Kasten3

17–22

20

Stütze

Abstand der Momentennullpunkte li = Einfeldträger ... 1,0 * l Durchlaufträger (Endfeld) ... 0,8 * l Durchlaufträger (Innenfeld) ... 0,7 * l Platte1 Vollplatte mit konstanter Dicke Plattenbalken1 Herstellung in Ortbeton (2 Stege) – ohne Stegverstärkung für negative Momente Plattenbalken2 Herstellung in Ortbeton (2 Stege) – mit Stegverstärkung für negative Momente Plattenbalken3 Herstellung in Fertigteilbauweise Kasten1 Einfeldbalken, konstante Trägerhöhe – Unterkante gerade Kasten2 Durchlaufträger, konstante Trägerhöhe - Unterkante gerade Kasten3 variable Trägerhöhe – Unterkante gevoutet

Bei Straßenbrücken aus Platten sind für kleinere Verkehrslasten im Vergleich zu den in der Tabelle 4.2.1-1 angegebenen Schlankheiten entsprechend größere möglich. Bei Platten für Eisenbahnbrücken hängen die zulässigen Verformungen infolge Verkehrslasten auch von der Fahrgeschwindigkeit ab, was die Schlankheit beeinflusst. Für Kastenquerschnitte gilt nach [Schlaich/Scheef, 1982], dass bis 90 m Spannweite eine konstante Bauhöhe sinnvoll ist, aber ab 150 m eine veränderliche, dem Schnittkraftverlauf angepasste Kon­ struk­tionshöhe notwendig wird. Aus gestalterischen Gründen wird in [Schlaich/Scheef, 1982] empfohlen, bei hoch über dem Tal liegenden Brücken das Ver-

hältnis hStütze /hFeld etwas kleiner zu nehmen als statisch optimal. 4.2.1.2 Platte Allgemeines Im Betonbau üblich ist die Vollplatte. Platten mit Hohlräumen sind vielfach nicht zugelassen und werden kaum mehr verwendet. Aus gestalterischen Gründen und auch wegen der Eigenlast ist hingegen­ vor allem bei orthogonalen Platten die ­Anordnung von Konsolen üblich (Bild 4.2.1-1). Trotz aufwendigerer Schalung und Bewehrungsführung ist der im oberen Teilbild

4.2  Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff

251

tigteilen), dadurch wird die Herstellung aufwendiger. Hohlplatten sind vielfach nicht zugelassen und kaum mehr üblich • Erhebliche Materialmengen liegen in statisch wenig wirksamen Bereichen • Wegen der kleinen Kernweite ist die Vorspannung weniger effektiv als bei aufgelösten Querschnitten (Plattenbalken, Kastenquerschnitt)

Bild 4.2.1-1  Ausführungsformen von Konsolen

dargestellten Ausbildung der Vorzug zu geben, da sie meist besser aussieht, das Tragwerk schlanker erscheinen lässt und überdies die exakte Ausführung der normalerweise sichtbaren Kante „A“ praktisch nicht möglich ist. Günstige Eigenschaften von Plattentragwerken aus Beton: • Kleinster Schalungsanteil pro m³ Beton, einfache Schalung (keine zu schalende Hohlräume bei Vollplatten, durchgehende untere Schalung bei Platten mit ebener Untersicht) • Kürzester „Umfang“ und damit minimale Bewehrungsfläche; bei orthogonalen Platten ist meist eine einfache Bewehrungsführung möglich • Günstige Schubabtragung: Platten ohne durchgehende Schubbewehrung sind möglich und üblich, eine Schub-Mindestbewehrung (wie bei Balken) ist nicht erforderlich Ungünstige Eigenschaften von Plattentragwerken aus Beton: • Größte Masse (Kosten der Platte selbst; Lastwirkung auf Gerüst, Schalung, Unterbauten). Durch Konsolen lässt sich die Eigenlast senken, ebenfalls durch die Ausbildung als Rippenplatte (verlorene Schalung bei Ortbeton, Ziehschalung bei Fer-

Grenzwerte für die Dicke h von Plattentragwerken Die Dicke von Platten ist nach unten begrenzt durch: • Die Tragfähigkeit der Betondruckzone (keine Druckbewehrung bei Platten) • Den Wunsch, keine oder nur an wenigen Stellen eine Schubbewehrung anordnen zu müssen • Konstruktive Vorgaben (Mindestabstände der Hüllrohre von der Oberfläche bei Spannbetonplatten) • Die notwendige Steifigkeit Übliche Plattendicken liegen im Bereich von 30 bis 70 cm oder mehr (etwa 100 cm, ausnahmsweise noch mehr, z. B. Elbe­brücke Torgau: 179 cm am biegesteifen Übergang zwischen Spannbeton- und Verbundtragwerk). Tragwirkung Orthogonale und quasi orthogonale Platten: Nach [Leonhardt, 1979] können schiefwinklige Platten mit ϕ ≥ 70° rechnerisch wie gerade Platten behandelt werden. Nach neueren Normenwerken ist ϕ weiter begrenzt, z. B. auf 75°. Die Schnittkraftkonzentration in den Bereichen der stumpfen Ecken sind konstruktiv zu berücksichtigen. Bei Vernachlässigung der Querdehnung (µ = 0) tragen gerade Platten (ϕ = 90°) über die Breite gleichmäßig verteilte Lasten durch einachsige Biegung ab, d. h. es gibt keine Biegung in der Querrichtung. Die

252

Biegefläche ist zylindrisch und es gilt m1 ≡ mx und m2 ≡ 0. Als Folge der Querdehnung (µ = 1/6 oder µ = 0,2) entstehen durch über die Breite gleichmäßig verteilte Lasten neben den Biegemomenten mx auch Querbiegemomente my  . Diese Momente sind Zwangsmomente in Querrichtung, die für die Bemessung nicht herangezogen werden müssen, jedoch eine Mindestquerbewehrung zur Begrenzung der Rissbreiten erfordern. Auch gibt es Hauptmomentenkomponenten, die quer zu den freien Plattenrändern verlaufen, was bei der Bewehrungsführung zu berücksichtigen ist. Über die Breite ungleichmäßig verteilte Lasten, z. B. konzentrierte Lasten (Radlasten), werden durch zweiachsige Biegung abgetragen (Plattenwirkung: mx, my → m1, m2 ). Platten mit ϕ  6 : 1). Mehr als 3 oder 4 Stege verbessern die Querverteilung praktisch nicht und sind daher unüblich. Nach Möglichkeit sollte die Konstruk­ tionshöhe nicht zu knapp gewählt werden, allenfalls sollte man Durchlaufträger, für die größere Stützensenkungen erwartet werden, eher schlank ausbilden. Die Stege müssen die Druckkräfte infolge Querkraft und Torsion in den schrägen Druckstreben aufnehmen können. Ein „ausgewogener Querschnitt“ wie beim Plattenbalken hat beim Kasten keine Bedeutung, wodurch die Formfindung weniger eingeschränkt ist. Wie beim Plattenbalken wird auch hier die Fahrbahnplatte zu den Stegen hin verstärkt (gevoutete oder gekrümmte Untersicht), um die Platte dem Schnittkraftverlauf anzupassen, obwohl die Herstellung komplizierter ist als bei ebener Untersicht. Die Berechnung des Tragwerks als torsionssteifer Stab geht von einem formtreuen Querschnitt aus. Querschotte sind fertigungsmäßig unangenehm. An den Tragwerksenden müssen sie jedoch unbedingt angeordnet werden („Endquerscheiben“), auch an den Zwischenauflagern werden im Allgemeinen Querschotte vorzusehen sein (Aufnahme großer Torsionsmomente). Querschotte im Feld sind bei großen Stützweiten erforderlich (nach [Wicke] eventuell ab 60 m, auf jeden Fall ab 100 m). Können Querschotte nicht angeordnet werden (befahrbarer Kasten), sind lokale Querrahmen auszubilden. In diesem Fall ergeben sich Zusatzbeanspruchungen aus der Querschnittsverformung.

261

4.2.2  Stahlbrücken

Francesco Aigner und Thomas Petraschek 4.2.2.1  Orthotrope Platte Ausgehend von der durch die Anforderungen vorgegebenen Querschnittskontur und der Dicke der Fahrbahnbeläge folgt bei Stahlbrücken das Deckblech dem Querschnitt. Alle Stufen, die im Bereich vom Übergang von der Fahrbahn zum Gehweg, Radweg oder Mittelstreifen entstehen, alle Querneigungen usw. vollzieht das Stahlblech mit. Eine stufenlose Querschnittsgestaltung würde das Brückendeck von Stahlbrücken wesentlich vereinfachen, die Ausführung scheitert aber meistens aus Gründen der Verkehrssicherheit. Um vertikale Lasten aus Eigenlast, vor allem aber aus dem Verkehr, zu übertragen, muss das Deckblech mit einer Dicke t ≥ 12 mm bei Straßenbrücken und t ≥ 14 mm bei Eisenbahnbrücken mit Schotterbett ausgesteift werden. Die Aussteifung erfolgt durch Längs- und Querträger, die mit dem Deckblech und untereinander schubfest verbunden (verschweißt) werden. Eine Fahrbahnplatte, bestehend aus miteinander schubfest verbundenem Deckblech und Längs- und Querträgern, wird wegen der in zwei zueinander orthogonalen Richtungen gegebenen Anisotropie in den Biegeund den Schubsteifigkeiten orthogonal aniso­trope, kurz orthotrope, Fahrbahn­platte oder auch Stahlleichtfahrbahn genannt. Das System ist im Bild 4.2.2-1 dargestellt und z. B. bei der Hochbrücke Brunsbüttel, siehe Bild 4.2.2-2, praktisch zur Anwendung ­gekommen. Bei Eisenbahnbrücken mit Schotterbett und bei Fußgängerbrücken können eventuell die Längssteifen entfallen und nur in engen Abständen liegende Querträger angeordnet werden (Bild 4.2.2-3). Grundprinzip der Konstruktion ist, dass die Längsträger über die gesamte Brücken-

262

4  Querschnittsgestaltung

Bild 4.2.2-1  Hauptträger mit orthotroper Platte [Kindmann/Krawinkel et al., 1999]

Bild 4.2.2-2  Orthotrope Platte bestehend aus 5 Streifen bei der Montage

länge biegesteif durchlaufen und die Querträger meist in ⊥-Form mit entsprechend ausgeschnittenen Stegen auf die Längs­ träger aufgekämmt (möglichst nicht aufgefädelt) werden (Bild 4.2.2-4). Als Längsträger werden offene Profile wie Flachstähle, Wulstflachstähle oder ­halbierte Ι-Querschnitte (Bilder 4.2.2-5, 4.2.2-6) oder geschlossene Profile wie Winkel und dreieck- und trapezförmige Steifen (Bilder 4.2.2-7, 4.2.2-8) verwendet.

Da bei geschlossenen Profilen zur Unterstützung des Deckblechs nur die halbe Anzahl der Schweißnähte gegen­ über offenen Profilen erforderlich ist, werden heute aus wirtschaftlichen Gründen überwiegend geschlossene Profile, meist Trapezprofile, als Längsträger verwendet. Außerdem weisen geschlossene Profile um zwei bis drei Zehnerpotenzen  größere St. Venant’sche Tor­sions­steifigkeiten und geringere äußere Beschichtungsflächen als

4.2  Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff

263

Bild 4.2.2-3  Eisenbahnbrücke mit querorientierter orthotroper Platte [DS 804]

Bild 4.2.2-4  Verbindung Längsträger – Querträger [Kindmann/Krawinkel et al., 1999]

264

Bild 4.2.2-5  Flachstahlsteife

offene Profile auf. Die höhere Torsionssteifigkeit führt zu einer besseren Querverteilung der konzentrierten Radlasten und vermindert somit die örtliche Verformung des Deckblechs, wodurch die Lebensdauer des Belags erhöht wird. Bei Straßenbrücken müssen die Unterstützungen des Deckblechs durch die Längs­ träger in einem Abstand a, e ≤ 25 t erfolgen, bei Eisenbahnbrücken mit Schotterbett muss a, e ≤ 40 t sein (Bild 4.2.2-9). Die Abstände der Querträger richten sich nach der Höhe der Längsträger. Bei offenen Profilen beträgt der Querträger­ abstand üblicherweise bei Straßenbrücken 2,5 bis 4,0 m, bei Eisenbahnbrücken 2,0 bis 3,0 m, bei geschlossenen Profilen bei Straßen­brücken 3,5 bis 5,0 m, bei Eisenbahnbrücken 3,0 bis 4,5 m. Die Stahlleichtfahrbahn wird durch die Hauptträger unterstützt und bildet gleichzeitig deren Obergurt. Der Haupttragwerksbalken kann als offener Querschnitt – Plattenbalkenquerschnitt – oder als geschlossener Querschnitt – Kastenquerschnitt – ausgebildet werden. Auf beide Möglichkeiten wird in den folgenden Abschnitten 4.2.2.2 und 4.2.2.3 näher eingegangen.

4  Querschnittsgestaltung

Bild 4.2.2-6  Wulstflachstahl-Steife (ältere Ausführung)

Bild 4.2.2-7  Trapezsteife für Straßenbrücke

4.2.2.2  Plattenbalken Plattenbalkenquerschnitte aus Stahl bestehen aus der orthotropen Fahrbahnplatte und mindestens zwei Hauptträgerstegen und Hauptträgergurten, die alle schubfest miteinander verbunden sind. Im Stahlbau werden bei ausreichender Konstruktionshöhe aus wirtschaftlichen Gründen immer nur zwei Hauptträger ausgebildet (Bild 4.2.2-10). Nur wenn die Konstruktionshöhe gering ist, so dass die Querträger diese bereits aus-

4.2  Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff

265

Bild 4.2.2-8  Trapezsteife für Eisenbahnbrücke [Kindmann et al., 1999]

Bild 4.2.2-9  Abstände a, e in Abhängigkeit von t [Kindmann et al., 1999]

Bild 4.2.2-10  Zweistegiger Plattenbalken

füllen, werden mehrere Hauptträger ausgeführt. Man erhält damit einen mehrstegigen Plattenbalkenquerschnitt. Aus dem Zusammenwirken von Haupt- und Querträgern entsteht ein Trägerrost (Bild 4.2.2-11).

Bild 4.2.2-11  Mehrstegiger Plattenbalken – Trägerrost [Weitz, 1975]

Plattenbalkenquerschnitte können auch mit Fachwerk-Hauptträgern gebildet werden. Bei Deckbrücken bildet die orthotrope Fahrbahnplatte den Obergurt der Fach­ werke. Trogbrücken, bei denen die Hauptträger die Fahrbahn überragen, werden mit vollwandigen Hauptträgern bei Straßenbrücken heute nicht mehr ausgeführt, bei Eisenbahnbrücken nur dann, wenn die Oberkante der Hauptträger tiefer als die Unterkante der Waggonfensterunterkante liegt. Trogbrücken mit Fachwerk-Haupt­

266

4  Querschnittsgestaltung

Bild 4.2.2-12  Fachwerk Eisenbahnbrücke, Fahrbahn unten [DS 804]

trägern werden sowohl bei Straßen- als auch bei Eisenbahnbrücken ausgeführt, da die Fachwerke den Ausblick nach der Seite hin nur geringfügig beeinträchtigen. Die Fahrbahn liegt dann entweder mitwirkend zwischen den Gurten oder bildet selbst die Untergurte der Fachwerk-Hauptträger (Bild 4.2.2-12). 4.2.2.3  Kastenquerschnitt Der einfachste Fall ist der Kastenquerschnitt aus Stahl mit zwei Stegen, wobei diese lotrecht oder auch geneigt ange­

ordnet werden können (Bilder 4.2.2-13, 4.2.2-14). Da aus statischen Gründen und wegen der dann erforderlichen dichten Aussteifungen das Bodenblech nicht zu dünn ­gewählt werden sollte (t ≥ 10 mm), und da die erforderliche Fläche des Bodenblechs immer kleiner als die des Deckblechs mit örtlicher Plattenbeanspruchung ist, müssen bei Kastenquerschnitten die Stege der Hauptträger meist in engeren Abständen als bei offenen Querschnitten angeordnet werden. Eine Schrägstellung der Stege kommt diesen Anforderungen und der

4.2  Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff

Bild 4.2.2-13  Kasten mit lotrechten Stegen [Weitz, 1975]

267

Bild 4.2.2-14  Kasten mit schrägen Stegen [Weitz, 1975]

Bild 4.2.2-15  Kastenquerschnitte mit Schrägstreben [Weitz, 1975]

Pfeilerbreite entgegen. Deshalb ergeben sich bei Kastenquerschnitten oft weit auskragende Fahrbahnteile, die wegen der Querbiegung zu Längsrissen im Fahrbahnbelag führen können. Aus diesem Grund kann es bei Kastenquerschnitten an­ gebracht  sein, diese Kragarme durch Schrägstreben abzustützen (Bild 4.2.2-15). Schrägstreben können bei jedem Querträger oder nur bei den Querscheiben an­ geordnet werden. Im letzteren Fall müssen lastverteilende Längsträger die dazwischenliegenden Kragarme stützen. Bei breiten Brücken, insbesondere bei Mittelträgerbrücken, können auch Kastenquerschnitte mit einem oder mit zwei Mittelstegen d. h. als mehrzellige Kastenquerschnitte ausgeführt werden (Bild 4.2.2-16). Brücken mit Autobahnbreite werden oft mit zwei einzelligen Kastenquerschnitten ausgeführt (Bild 4.2.2-17). Dies hat den Vorteil, dass auch die halbe Brücke ein tragfähiges Bauwerk bleibt. Auch Querschnitte für Trogbrücken können aus zwei vollwandigen Kastenquer­schnitten mit dazwischenliegender Fahrbahn ausgeführt wer-

den. Bei schiffbaren Wasserläufen mit Radarnavigation können von unten einge­ sehene parallele, ungegliederte innere ­Stegflächen zu einer Vielfachreflexion des Radarstrahls führen und auf dem Radarschirm ein scheinbar zweites, weiter weg liegendes Brückentragwerk anzeigen. Deshalb sind solche Stege gegeneinander um mindestens 10° zu neigen oder weitere Maßnahmen (z. B. Netze) anzuordnen, die Vielfachreflexionen verhindern. Bei Steg- und Bodenblechen muss beachtet werden, dass diese bei Druck- und/ oder Schubbeanspruchungen ausbeulen können. Deshalb werden auch diese Bleche meist durch Längs- oder Quersteifen ausgesteift, so dass orthotrope Scheiben (Beanspruchung in der Tragwerksebene) entstehen. Um die Forderung der Statik nach der Erhaltung der Querschnittsform (formtreuer Querschnitt) zu erfüllen, werden die Querträger der orthotropen Fahrbahn­ platte und die Quersteifen der Steg- und Bodenbleche biegesteif zu Querrahmen verbunden. An allen Stellen, an denen konzentrierte Lasten in den Querschnitt ein­

Bild 4.2.2-16  Dreizelliger Kastenquerschnitt für eine Mittelträger-Schrägkabelbrücke [Weitz, 1975]

Bild 4.2.2-17  Doppelkasten mit schrägen inne­ ren Stegen [Weitz, 1975]

268

4  Querschnittsgestaltung

Bild 4.2.2-18  Plattenbalkenquerschnitt mit Fachwerk-Querverband – Autobahnbrücke Karlsruhe – Durlach

geleitet werden (z. B. Auflager, Seil- und Kabeleinleitungen, Bogeneinleitungen) und meist in den 1/3- oder 1/4-Punkten einer Stützweite werden entweder Querscheiben oder Querverbände angeordnet, die die Querschnittsform erhalten und konzentrierte Lasten auf den Querschnitt verteilen. (Bild 4.2.2-18). 4.2.2.4  Fertigung der Stahlbrücke auf der Baustelle Für die Fertigung muss der Brückenquerschnitt in Sektionen eingeteilt werden, deren Abmessungen und Gewichte den Transport von der Werkstatt zur Baustelle und dort die Montage mit dem eingesetzten Hebezeug gestatten. Diese Sektionen sind im Allgemeinen längsorientiert und nur in Ausnahmefällen an Auflagern oder Krafteinleitungen querorientiert. Ihre ­Abmessungen richten sich nach den im Handel erhältlichen Blechgrößen. Üblicherweise beträgt die Breite 2,0 bis 3,8 m und die Länge ein ganzzahliges Vielfaches der Querträgerabstände, meist 12 bis 25 m. Dabei muss darauf geachtet werden, dass bei Hauptträgern ­bis max. 3,5 m Höhe Steg, Obergurt und Untergurt eine Einheit

bilden, die bei der Montage die Querschnittsform der Höhe nach festlegt und entsprechende Biegesteifigkeit aufweist (Bilder 4.2.2-19, 4.2.2-20). Bei hohen Trägern wird wegen des Transports der Querschnitt durch einen Längsstoß in einen oberen Teil – Steg mit Deckblech – und einen unteren Teil – Steg mit Untergurt bzw. Bodenblech – geteilt und beide Teile in der Nähe der Baustelle auf einem Vormontageplatz zum Hauptträger zusammengefügt. Maßgebend für die Einteilung des Querschnitts in Sektionen können auch alle Abstufungen des Querschnitts werden. Die Breiten der Sektionen werden so gewählt, dass die Längsstöße zwischen den Steifen, insbesondere zwischen den Trapezprofilen, zu liegen kommen. Längsstöße werden heute praktisch ausschließlich stumpf verschweißt. Für das Deckblech haben sich dabei Steilflankennähte auf Stahlplättchen oder auf kera­mischer Bad­ sicherung als wirtschaftlich herausgestellt, die mit Unterpulver-Schweißautomaten gezogen werden können. Längsstöße in Stegund Bodenblechen werden mit V-Nähten, X-Nähten oder Steilflanken­nähten mit Bad­ sicherung ausgebildet. Die an den Längsstößen ebenfalls zu stoßenden Querträger

4.2  Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff

269

Bild 4.2.2-19  Aufteilung eines Brückenquerschnitts in Sektionen – Oberkasseler Brücke, Düsseldorf [Weitz, 1975]

Bild 4.2.2-20  Sektionen der Oberkasseler Brücke, Düsseldorf, bei der Montage

270

4  Querschnittsgestaltung

Bild 4.2.2-21  Montagestöße des Deckblechs, quer (links), längs (rechts) [Kindmann/Krawinkel et al., 1999]

und Quersteifen werden ent­weder mit GV-Laschenstößen verbunden oder ebenfalls stumpf mit V- und/oder X-Nähten verschweißt (Bild 4.2.2-21). Um die Quernähte in den Blechen ziehen zu können, müssen sie von beiden Seiten zugänglich sein. Man lässt deswegen Ausschnitte (Fenster) in den Längssteifen

beiderseits des Querstoßes frei. Nach dem Schweißen der Quernähte in den Blechen werden die nach Naturmaß gefertigten Längsträger-Fensterstücke erst bei der Montage stumpf eingeschweißt (Bilder 4.2.2-22 bis 4.2.2-24). Ein wesentliches Gestaltungselement für den Brückenquerschnitt stellt der Randträ-

Bild 4.2.2-22  Montagestoß einer Trapezblechsteife [Kindmann/Krawinkel et al., 1999]

Bild 4.2.2-23  Querstoß mit Fenstern in den Trapezprofilen – Donaubrücke U6, Wien

4.2  Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff

271

Bild 4.2.2-24  Einschweißen der Fensterstücke – Donaubrücke U6, Wien

ger dar. Dieser sollte aus optischen Gründen ausreichend steif sein und auch einen ausgesteiften unteren Rand besitzen, da an diesem die harmonische Form des Tragwerks abgelesen werden kann, „Wellen“ vor allem im Streiflicht stark sichtbar werden und den optischen Eindruck schmälern. Eine helle Außenbeschichtung des Randträgers lässt jede Brücke schlanker erscheinen und betont die Längserstreckung (Bild 4.2.2-25, s. S. 210). 4.2.3  Verbundbrücken

Ulrike Kuhlmann und Annette Detzel 4.2.3.1  Allgemeine Kriterien Verbundbrücken werden heute überwiegend als vollwandige Balkenbrücken ausgeführt. Gegenüber Spannbetonbrücken haben sie den Vorteil der geringeren Bauhöhe und des geringeren Konstruktionsgewichts bei gleichzeitig rascher Montage ohne Verkehrsbehinderung. Gegenüber der reinen Stahlbauweise bietet die Verbundbauweise entscheidende Kostenvorteile, weil sie die ‚teure‘ orthotrope Stahlfahrbahn durch die

günstigere Betonfahrbahn ersetzt. ‚Teuer‘ ist die orthotrope Stahlfahrbahn durch den hohen Aufwand an Schweißarbeiten. In Hochlohnländern wie Deutschland, Österreich oder Schweiz überwiegt von den beiden Anteilen der Gesamtkosten Material und Lohn der Anteil der Lohnkosten. Im Sinne der Wirtschaftlichkeit wird also die Querschnittsgestaltung darauf abzielen, den Lohnkostenanteil und dabei insbesondere den Anteil der Schweißarbeiten zu minimieren. Auch wenn heute nach wie vor Kostenreduktion und Wirtschaftlichkeit Hauptkriterien zur Bauwerksgestaltung darstellen, kommen weitere ebenso wichtige dazu, wie • Bauzeitverkürzung • Dauerhaftigkeit und Unterhaltungsfreundlichkeit • Ästhetische Gestaltung. Gerade das zuletzt genannte Kriterium verlangt z. T. ein Umdenken der Ingenieure, die besonders im Brückenbau auch für die Wahl einer ästhetischen, wohlproportionierten Form und die Einfügung der Brücke in die Landschaft verantwortlich sind. Wie die Beispiele noch zeigen werden, beeinflussen diese Kriterien nicht nur das

272

Bild 4.2.2-25  Randausbildung einer Eisenbahnbrücke [DS 804]

4  Querschnittsgestaltung

4.2  Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff

273

Brückensystem sondern sehr wesentlich auch die Entscheidung für eine bestimmte Querschnittsform. Grundsätzlich lassen sich offene Plattenbalkenquerschnitte und geschlossene Kastenquerschnitte unterscheiden.

• die Ausbildung nur weniger eher dicker Bauteile und • die Aufteilung in große Montageeinheiten, hier die beiden Hauptträger, so daß die Anzahl der Montagestöße und die aufwendige Montageschweißarbeit minimiert werden.

4.2.3.2  Plattenbalken oder Kastenquerschnitt

Als Beispiel für eine der vielen Straßenbrücken mit zweistegigem Plattenbalken zeigt Bild 4.2.3-2, die Böckinger Brücke in Heilbronn [Engländer et al., 1997]. Hier gelang es sogar, den Wettbewerb mit einer Stahlverbundkonstruktion als Sonderentwurf gegenüber der ausgeschriebenen, als Ersatz für die alte Spannbetonbrücke geplanten Spannbetonlösung zu gewinnen. Wesentliches Kriterium war die durch den Querschnitt bedingte günstige Montagemöglichkeit der Verbundkonstruktion. Da auch während der Bauzeit das Schifffahrtsprofil freizuhalten war, hätte der Spannbetonkastenträger das fast 100 m breite Flussfeld im Freivorbau überbrücken müssen. Die zwei Stahlhauptträger konnten mit einem schweren Autokran in großen vorgefertigten Stahlschüssen von 20 bis 30 m montiert werden, bis schließlich von beiden Seiten etwa 40 m lange Krag­ arme ins Flußfeld hineinreichten, so dass auch die beiden Hauptträgerschlussstücke von etwa 20 m dazwischen eingehängt und verschweißt werden konnten. Auf diese fertiggestellte Stahlkonstruktion stützte sich dann die Schalungskonstruktion zur Herstellung der Verbundplatte ab. Die Stahlträger wirkten also quasi als Schalungsträger. Interessant ist das Beispiel der Böckinger Brücke in Heilbronn auch, weil im Bereich des einen ca. 40 m langen Seitenfelds der über drei Felder durchlaufenden Verbunddeckbrücke statt des zweistegigen Plattenbalkens ein Kastenträger ausgebildet wurde. In diesem Bereich erzeugt eine starke Krümmung von R = 110 m so hohe Abtriebskräfte, dass sie mit den leichten Quer-

Das Beispiel der Eisenbahnbrücken Melk [Pommer, 1995], [Glatzl/Pommer, 1995] ist ein für Verbundbrücken sehr typischer zweistegiger Plattenbalken, vgl. Bild 4.2.3-1. Durch die ein­fache sparsame Querschnittsform mit wenigen Längs- und Queraussteifungen werden vor allem der Umfang der Schweiß­arbeiten und damit die Fertigungskosten reduziert. Eine weitere Besonderheit der Eisenbahnbrücken Melk ist die gewählte Stahlgüte. So wurde bei den Verbundbrücken die Stahlkonstruktion von etwa 1540 t in wesentlichen Teilen aus thermomechanisch gewalztem Stahl der Güte DIMC-355B hergestellt. Es wurden Materialdicken bis zu 90 mm verarbeitet, die dicksten Gurte bestanden aus zwei Lamellen 1400 × 90 mm. Thermomechanisch gewalzte Stähle können aufgrund des geringen Kohlenstoffgehalts und der guten Kerbschlag­zähigkeit mit erheblich geringerer Vorwärmleistung als übliche Stähle auch in größeren Blechdicken verschweißt werden. Größere Blechdicken führen zu einer ge­ringeren Zahl von Einzellamellen. Ermüdungswirksame Kerben, wie die Lamellen­enden und die Verbindungsnähte, werden dadurch vermieden, so dass neben der Kostenersparnis auch die Dauerhaftigkeit der Konstruktion verbessert wird. Der Plattenbalkenquerschnitt der Eisenbahnbrücken Melk ist also ein Beispiel für einige moderne Grundsätze zur wirtschaftlichen Querschnittsgestaltung: • die Gestaltung klarer einfacher Querschnittsformen mit nur wenigen Verbindungsnähten

274

4  Querschnittsgestaltung

Bild 4.2.3-1  Brücke Melk

Bild 4.2.3-2  Böckinger Brücke, Montage der Stahlträger

rahmen des offenen Plattenbalkenquerschnitts nicht mehr aufzunehmen sind. Die Entscheidung für einen Kastenquerschnitt wird also in sehr vielen Fällen wegen der Notwendigkeit einer erforderlichen hohen Torsionssteifigkeit gefällt. Geschlossene Kastensysteme werden heute nicht mehr nur bei gekrümmten Brücken eingesetzt. Die Bauherren sehen wegen der glatten Außenflächen auch Vorteile für die spätere Unterhaltung. Neben gerin-

geren Anstrichkosten – die Innenflächen der Kästen erhalten meistens nur zwei und nicht drei Deckbeschichtungen – spielt der Taubenschutz eine Rolle. Offene Plattenbalkenquerschnitte [Kuhl­ mann, 1995] führen z. T. zu erheblichen Problemen durch die breiten ausladenden Untergurte, auf denen sich Tauben und andere Vögel niederlassen und nisten. Wenn man alte Brücken und Bahnhöfe insbesondere im Stadtbereich betrachtet, kann man

4.2  Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff

sich vorstellen, daß es sich hier nicht nur um Verschmutzungsprobleme handelt, sondern dass auch der Korrosionsschutz auf Dauer in Mitleidenschaft gezogen wird. Mit einem erheblichen Aufwand werden deshalb bei offenen Querschnitten heute Gitterroste oder Schutznetze vorgesehen. In anderen Bereichen schweißt man zwischen Steg und Untergurt Schrägbleche ein. Da diese Schrägbleche durch das Verschweißen zu tragenden Querschnittsteilen werden, gelten für sie die gleichen hohen Anforderungen in Bezug Schweißnahtausbildung und -kontrolle und konstruktiver Detailausführung. Besonders an den Kreuzungsstellen von Querträgern und Hauptträgern entstehen durch die Untergurtschrägbleche der beiden Tragglieder fertigungstechnisch komplizierte Verschneidungspunkte. Gitterroste oder auch Netze sind einfachere und weniger kostenträchtige Lösungen. Vorteile in der Unterhaltung und ästhetische Kriterien führen bei einer Vielzahl neuer Verbundbrücken insbesondere im Zuge des Ausbaus des neuen Verkehrs-

275

netzes in den neuen deutschen Bundesländern zur Wahl eines einzelligen Kastenquerschnitts in Stahlverbundbauweise. Dabei werden die Stege bei konstanter Untergurtbreite geneigt, so dass eine gleichmäßige Brückenuntersicht entsteht. Durch diese geneigten, unter der auskragenden Platte zurückgesetzten Stege wird der Eindruck eines besonders schlanken Tragwerks verstärkt. Beispiele sind die Elbebrücke Torgau, die Talbrücken Siebenlehn und Wilkau-Haßlau oder die Elbebrücke Vocke­ rode, siehe Bilder 4.2.3-3 und 4.2.3-4, [Grabein et al., 1995], [Seifried/Stetter, 1996], [Saul et al., 1999] und weitere Beispiele in [BMV, 1997]. Diese Brücken sind in der Regel in Längsrichtung gevoutet und verfügen im Bereich des hohen Stützquerschnitts über einen sogenannten Doppelverbundquerschnitt. Ein jüngeres Beispiel hierfür ist die Innbrücke Neuötting [Langen et al., 2000], siehe Bild 4.2.3-5, mit einem Betonverbunduntergurt über eine Länge von 40 bis 50 m rechts und links der Flusspfeiler in variabler Dicke von 40 cm am Anfang des

Bild 4.2.3-3  Verbundbrücke Vockerode; Übersicht

276

4  Querschnittsgestaltung

Bild 4.2.3-4  Verbundbrücke Vockerode, Regelquerschnitte

Bild 4.2.3-5  Innbrücke Neuötting: Doppelverbund am Stützquerschnitt

Betongurts bis zu 1,20 m über der Pfeilerachse. Da der Betongurt das Stabilitätsverhalten des Stahluntergurtblechs und der Stegbleche im negativen Momentenbereich über der Stütze positiv beeinflusst, können für die Stahlbleche wesentlich geringere ­Dicken gewählt werden. Die Kopplung der Betonuntergurtplatte an die Stahlkonstruktion erfolgt durch Kopfbolzendübel vorwiegend in zwei Bereichen • im Übergangsbereich zwischen reinem Stahluntergurt und Verbunduntergurt zur Druckkrafteinleitung über die gesamte Untergurtbreite • im übrigen Untergurtverbundbereich vor allem im stegnahen Untergurt bis zur ersten Längssteife und durch horizontale Dübel an den Stegen selbst.

Wissenschaftliche Untersuchungen betreffen zum einen die Dübelkraftverteilung in der Untergurtplatte [Ibach, 2001], zum anderen die Angabe der reduzierten Dübeltragfähigkeit bei einer horizontalen Anordnung der Dübel unmittelbar unter der Betonoberfläche [Breuninger, 2000] und [Kürschner, 2003]. Regeln zur Berücksichtigung der reduzierten Dübeltragfähigkeit bei horizontal oder besser randnah angeordneten Dübeln, die Spaltzugkräfte erzeugen können, sind inzwischen im Anhang A von DIN 18800-5:2007-3 zu finden. Auch der neue DIN-Fachbericht 104, Ausgabe 2009, verweist auf diese Regel. Weitere Erläuterungen zu den Hintergründen der Behandlung von horizontalen oder randnah angeordneten Dübeln sind in [Kürschner/ Kuhlmann, 2005] und [Kuhlmann/Raichle, 2008] zu finden. Zusätz­liche Überlegungen

4.2  Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff

277

Bild 4.2.3-6  Querschnitt Diepmannsbachtalbrücke

hinsichtlich Kriechen und Schwinden des Betons und der gegenseitigen Beeinflussung der Betonteile im Querschnitt sind erforderlich, wenn der Fahrbahnquerschnitt in Brückenlängsrichtung vorgespannt ist, wie z. B. bei der ältesten Doppelverbundbrücke, der Innbrücke Wasserburg [Bilfinger et al., 1988] oder bei der Moselbrücke Bernkastel-Kues [Kuhlmann, 1996]. Da für die Bemessung des Stahluntergurtblechs der Bauzustand, also das Betonieren des Betonuntergurts maßgebend ist, das zur Begrenzung der Spannung dann unter Umständen in mehreren Lagen erfolgen muss, stellt sich die Frage, ob man mit dem Stahluntergurtblech nicht ein sehr teures „Schalungsblech“ hat, auf das man auch ganz verzichten könnte. Fertigung und Montage sind sehr wichtige Kriterien zur Festlegung des geeigneten Querschnitts, und so sind die einfache Zugänglichkeit und Montierbarkeit nach wie vor die Hauptvorteile der offenen aus einzelnen Hauptträgern zusammengesetzten Querschnitte gegenüber dem ein- oder mehrzelligen Kastenträger, der in der Regel nicht als geschlossene Einheit transportiert werden kann. Eine Kombination beider Querschnittsformen macht sich die Vorteile beider zu Nutze. Bild 4.2.3-6 zeigt das

Bild des Querschnitts der Diepmannsbachtalbrücke, die in der Nähe von Remscheid – Lennep die Bundesautobahn A1 im Grundriß mit einer Krümmung von R = 1000 m über das reizvolle Diepmannsbachtal führt. Diese Brücke wurde neben der bestehenden alten Brücke erstellt, um die Fahrbahn von vier auf sechs Spuren zu erweitern. Ziel war es, die neue Brücke so zu gestalten, dass die Ansicht auf das alte als Denkmal geschützte Bauwerk nicht gestört wurde. So wurde eine sehr leichte Brücke gewählt, die sich mit ihren Stützweiten an die Spannweiten der alten Mauerwerks­ bogen von 25 m im doppelten Raster von 50 m anpaßt. Der Querschnitt besteht aus zwei kleinen ca. 2 m breiten Stahlkästen, die mit einer durchlaufenden Platte verbunden sind. Dieser Querschnitt vereinigt die Vorteile der Torsionssteifigkeit und glatten Ansichtsflächen geschlossener Querschnitte mit der einfachen Montierbarkeit der typischen Plattenbalken. Diese Lösung ermöglicht auch eine optimale Stützung der Verbundplatte durch die Kastenstege, so dass die Betonplatte auch im Querschnitt schlaff bewehrt werden konnte. Der Zusammenhang zwischen Fahrbahnplattenerstellung und Querschnittsgestaltung wird im Folgenden behandelt.

278

4.2.3.3  Einfluss der Fahrbahnplatte auf die Querschnittsgestaltung Die Betonfahrbahnplatte übernimmt im Verbundbau eine Doppelfunktion: • In Querrichtung wirkt sie als Platte, die die Lasten zu den Längsträgern ableitet. • In Längsrichtung bildet sie den Obergurt des Verbundquerschnitts und wirkt als Scheibe. Beide Funktionen führen zu Zugspannungen im Beton: In Querrichtung erhält die Platte Zug aus der Durchlaufwirkung über den Längsträgern, in Längsrichtung reißt der Obergurt im Bereich negativer Momente an den Auflagern. Früher wurden diese Zugspannungen durch Vorspannung mit Spanngliedern in beide Richtungen überdrückt. Die Erfahrungen der letzten Jahre mit Schäden an Spannbetonbrücken haben in letzter Zeit jedoch zu einer Zurückhaltung gegenüber der Vorspannung mit nachträglichem Verbund geführt, die auch die Ausführung von Verbundplatten betrifft. Um eine Vorspannung in Querrichtung vermeiden zu können, müssen die Spannweiten insbesondere der Kragarme entsprechend reduziert oder sehr massive Querschnitte gewählt werden, die jedoch schnell unwirtschaftlich und ästhetisch wenig ansprechend sind. Die Vorspannung der Betonplatte hat nicht nur Nachteile in Bezug auf Unterhalt und Dauerhaftigkeit der Konstruktion, sondern bestimmt auch ganz entscheidend die Kosten der Verbundplatte mit. Ein einfacher Kostenvergleich für die Einheitspreise verschiedener Plattentypen in Tabelle 4.2.3-1 zeigt, dass der erforderliche höhere Anteil an schlaffer Bewehrung durch die Einsparung der Vorspannglieder mehr als ausgeglichen wird. Die einfache Schlussfolgerung, bei gro­ ßer Plattenbreite ist eine Vielzahl von Hauptträgerstegen vorteilhaft, da dadurch die Spannweite der Platte reduziert wird, be-

4  Querschnittsgestaltung

deutet nicht automatisch, dass dieses Sys­ tem wirtschaftlicher ist. Bei großen Spannweiten wird die Höhe der Hauptträgerstege durch die erforderliche Steifigkeit bestimmt und nicht durch die erforderliche Querkrafttragfähigkeit. Dies führt in der Regel zu Stegen, die bei weitem nicht durch die Querkraft ausgenutzt sind. Bei einer großen Anzahl an Hauptträgerstegen reduziert sich die Höhe der Stege nur geringfügig, die Querkrafttragfähigkeit der Brücke nimmt demgegenüber unverhältnismäßig zu. Die Materialausnutzung ist insgesamt schlechter und die Konstruktion damit unwirtschaftlicher. Bei kleinen Spannweiten sind die Verhältnisse zwischen Momenten- und Querkrafttragfähigkeit in der Regel güns­tiger, so dass bei mehreren Stegen die ­Ausnutzung und damit die Wirtschaftlichkeit der Konstruktion steigt. Dann kommt auch eine entsprechende Einsparung im Bereich der Quervorspannung der Platte zum Tragen. Eine weitere Möglichkeit, bei geringer Hauptträgeranzahl die Stützweite, insbesondere von Kragarmen zu reduzieren bietet sich durch schräge Streben, die den Kragarm gegen den Untergurt der Hauptträger abstützen, wie in Bild 4.2.3-7 dargestellt. Die Horizontalkomponenten am Ober- und Untergurt müssen kurzgeschlossen werden. Im Falle der Talbrücke über die Wilde Gera [Wölfel, R., 1999 und Denzer et al., 2000] erfolgt dies über ein Zugband im Betonobergurt und den Riegel des Querrahmens im Untergurt. Die Fahrbahnplatte wird in Querrichtung durch die beiden geneigten Stege des Stahlkastens sowie durch außen liegende Verbundträger unterstützt. Diese Längsträger wiederum liegen alle 6 m auf Querrahmen auf. Die Querrahmen werden durch die innen- und außen liegenden Diagonalen, die Quersteifen des Kastenquerschnitts und ein in der Fahrbahn­platte liegendes Zugband gebildet (siehe Bild 4.2.3-7). Das Zugband dient in erster Linie zur Aufnahme der aus den außen liegenden Diagona-

4.2  Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff

279

Tabelle 4.2.3-1   Kostenvergleich Betonverbundplatten (Stand 1995) Kosten für Betonverbundplatten Einfeldträger

Beton

0,35 m2 ×

  300,–

=

Bewehrung

0,050 t ×

  650,–

=   32,50

m2 ×

   75,–

=   75,–

Schalung Einfeldträger mit Quervorspannung

Durchlaufträger

Durchlaufträger mit Längsvorspannung



212,50 €/m2 105,–

0,35 m2 ×

  300,–

=

Bewehrung

0,035 t ×

  650,–

=   22,75

Querspannglieder

0,010 t ×

3500,–

=   35,–

Schalung

1,00 m2 ×

   75,–

=   75,–

237,75 €/m2

Beton

0,35 m2 ×

  300,–

=

105,–

Bewehrung

0,09 t ×

  650,–

=

58,50

   75,–

=

75,–



238,50 €/m2

1,00

m2

×

Beton

0,35 m2 ×

  300,–

=

105,–

Bewehrung

0,070 t ×

  650,–

=

45,50

Querspannglieder

0,010 t ×

3500,–

=

35,–

Schalung

1,00 m2 ×

   75,–

=

75,–



260,50 €/m2

Beton

0,35 m2 ×

  300,–

=

105,–

Bewehrung

0,050 t ×

  650,–

=

32,50

Längsspannglieder

0,015 t ×

3000,–

=

25,–

  75,–

=

75,–



237,50 €/m2

Schalung Durchlaufträger mit Längsvorspannung und Quervorspannung

1,00

105,–

Beton

Schalung Durchlaufträger mit Quervorspannung

 €

1,00

m2

×

Beton

0,35 m2 ×

  300,–

=

105,–

Bewehrung

0,035 t ×

  650,–

=

22,75

Längsspannglieder

0,015 t ×

3000,–

=

45,–

Querspannglieder

0,010 t ×

3500,–

=

35,–

   75,–

=

75,–



282,75 €/m2

Schalung

1,00

m2

×

280

len resultierenden Zugkräfte in Querrichtung. Je nach konstruktiver Durchbildung erhält es jedoch auch mehr oder weniger hohe Beanspruchungen aus der örtlichen Belastung der Fahrbahn. Dass die Entscheidung für oder gegen eine Vorspannung nicht nur von den Kosten der Fahrbahnplatte abhängt zeigt das Beispiel einer Verbundbrücke im Raum Landschaftsverband Westfalen-Lippe: Die Brücke BW19 sollte den DattelnHamm-Kanal als Einfeldträger mit einer Stützweite von ca. 53 m überspannen. Der Verwaltungsentwurf sah eine zweistegige Verbundbrücke vor. Bedingt durch die Stützweitenverhältnisse der Platte, 8 m Hauptträgerabstand und 3,15 m Kragarmlänge, war geplant, die Verbundplatte in

4  Querschnittsgestaltung

Querrichtung mit Spanngliedern vorzuspannen. Angeregt durch ein Rundschreiben des Bundesverkehrsministeriums zur Einführung der veränderten Verbund­ trägerrichtlinie, entwickelten die Firmen Dörnen Stahlbauwerke, Dortmund, und Echterhoff, Westerkappeln, einen Sondervorschlag mit ausschließlich schlaff bewehrter Fahrbahnplatte. Wie aus dem Quer­ schnitt (Bild 4.2.3-8) ersichtlich, erfordert dieser Entwurf jedoch im Gegenzug für den Verzicht auf die Vorspannung einen dritten Stahllängsträger als zusätzliche Platten­unterstützung. Die Einsparung des Spannstahls wird also durch zusätzliches Baustahlgewicht erkauft. Inwieweit die Gesamtkonstruktion wirtschaftlicher ist, hängt von den spezi-

Bild 4.2.3-7  Talbrücke über die Wilde Gera, Querschnitt mit Querrahmen und Zugband

4.2  Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff

281

Bild 4.2.3-8  Querschnitt BW19

fischen Randbedingungen ab. Im vorliegenden Beispiel wurde der Sondervorschlag beauftragt, aus juristischen und politischen Gründen wurde der Streckenabschnitt der B474n, zu dem das Brückenbauwerk gehört, jedoch nie fertiggestellt. 4.2.4  Holzbrücken

Thomas Jahn 4.2.4.1  Anmerkungen zum Werkstoff Holz im Brückenbau Der Werkstoff Holz hat im Brückenbau nach einer großen Vergangenheit heute praktisch sehr an Bedeutung verloren. Zwar werden noch immer Brücken aus Holz gebaut, doch nicht vordergründig wegen der überragenden Materialeigenschaften, sondern eher aus Gründen der Tradition und der angenehmen Optik. Mit Rücksicht auf den Denkmalschutz oder auf schöne Landschaften wird im Brückenbau Holz eingesetzt, nicht aber aus dem Grund, weil man ein besonders effizientes, wirtschaftliches Tragwerk bauen will. Holz ist ein ökologischer Baustoff. Der Ort, wo er produziert wird, ist der Wald. Wälder verschönern und verbessern

die Umwelt. Doch neben der effi­zienten Aufforstung von Wäldern stellen das Waldsterben sowie die großflächige Abholzung von Regenwäldern die Bilanz in Frage. Die Verarbeitung von Holz, von der Gewinnung bis zum Endprodukt, ist die energiesparendste aller Baumaterialien. Zudem wird die Materialeffizienz, die spezifische Leistungsfähigkeit des Holzes in konstruktiver Hinsicht bis heute von keinem herkömmlichen oder neuen Baumaterial erreicht. Holzbauteile sind von Natur aus stabförmig und können in Faserrichtung verhältnismäßig hohe Zug- oder Druckkräfte aufnehmen. Für den Brückenbau ist das Verhältnis der Eigenlast des Materials zur Festigkeit gesehen von entscheidender Bedeutung. Holz erfüllt diesen Anspruch absolut gesehen außerordentlich. So wiegt ein Stab aus Nadelholz mit 3 m Länge, der eine zentrische Drucklast von 20 Tonnen aufnehmen soll, 60 kg, aus Vollstahl 130 kg und aus Stahlbeton 300 kg. Erfolgt die Belastung durch Zug, werden diese Unterschiede noch deutlicher. Die Reißlänge eines aufgehängten Holzstabs mit beliebigem, durchgehend konstantem Querschnitt liegt rechnerisch bei 7 km. Bei normalem Baustahl

282

liegt die Länge bei 3 km und Stahlbeton fällt bei diesem Vergleich ganz heraus, da der für Zug ungeeignete Beton die Stahlbewehrung noch zusätzlich belastet. [Dietrich, 1998]. Somit übertrifft Holz hinsichtlich des Gewichts-Festigkeits-Verhältnisses bei weitem die anderen genannten Werkstoffe. Es ist zu erwarten, dass man sich der hervorragenden Eigenschaften dieses naturgegebenen Baustoffes wieder bewusster wird und Holz im Brückenbau noch eine Zukunft hat. 4.2.4.2  Konstruktionsformen der Überbauten Dieser Abschnitt gibt nur einen sehr kurz gehaltenen Einblick in die unterschiedlichen Konstruktionsformen für Überbauten, die in der Regel von der zu überbrückenden Weite abhängen. Für nähere Informationen zu Konstruktionsformen wird auf einschlägige Literatur verwiesen (z. B. [Melan, 1922], [Laskus, 1955], [Mucha, 1995]). Konstruktionsformen des Überbaus bestimmen die Querschnittsform der Brücke (siehe Abschnitt 4.2.4.3). Folgende Konstruktionsformen werden im Holzbrückenbau angewendet.

a

4  Querschnittsgestaltung

4.2.4.2.1  Vollwand-Balken-Brücken Mehrere Balken liegen auf den Unterstützungskonstruktionen (Widerlagern, Stützen oder Jochträgern) nebeneinander und tragen den Fahrbahnaufbau. Werden Balken übereinander gelegt, dann addieren sich ihre Trägheits- bzw. Widerstandsmomente. Unter Belastung erfolgt eine gegenseitige Verschiebung in der Berührungsfläche. Bei völliger Behinderung dieser Verschiebung liegt starrer Verbund vor. Zwischen den Grenzfällen freie Verschieblichkeit und starrer Verbund liegt der elastische Verbund, der in der Norm [DIN 1052/1/2, 1988] ausführlich behandelt wird. Als Verbindungsmittel beider Balken in der Fuge dienen Holzdübel, stehende Nagelplatten, liegende Nagel-Einpressplatten oder Einpressdübel. 4.2.2.2.2  Sprengwerke Sprengwerke bestehen aus geraden oder gekrümmten durchlaufenden oder ein­ feldrigen Balken (Streckbalken) und den schrägen inneren Stützen (s. Bild 4.2.4-1). In Abhängigkeit von der Anzahl der un­ terstützten Punkte zwischen den End­

b

Bild 4.2.4-1  a Einfaches symmetrisches Dreiecksprengwerk, b Dreifaches Sprengwerk

a

b

Bild 4.2.4-2  a Einfaches Hängewerk (Dreieckhängewerk), b Zweifaches Hängewerk (Trapez­ hängewerk)

4.2  Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff

auflagern, spricht man von ein-, zweioder mehrfachen Sprengwerken. Die Sprengwirkung entsteht durch die schrägen Stützen, die Horizontalkräfte hervorrufen. Die seitliche Stabilisierung zur Aufnahme von Windlasten erfolgt durch Verbände in der Streckbalkenebene oder durch die Fahrbahnscheibe.

283

scheiben (z. B. bei überdachten Brücken) oder Scheiben in der Fahrbahnebene übernommen werden. 4.2.4.2.4  Hängesprengwerke Hängesprengwerke, s. Bild 4.2.4-3, stellen eine Kombi­nation der Tragsysteme Hängewerk und Sprengwerk dar. Infolge vertikaler Lasten entstehen horizontale Auflagerkräfte.

4.2.4.2.3  Hängewerke Bei einem Hängewerk hängt der Balken an einem Stab bzw. an einem Stabwerk, s. Bild 4.2.4-2. Entsprechend der Anzahl der Aufhängepunkte unterscheidet man, wie beim Sprengwerk, ein-, zwei- oder mehrfache Hängewerke. Im Gegensatz zum Sprengwerk erzeugt das Hängewerk unter vertikaler Belastung keine horizontalen Auf­ lagerkräfte. Die seitliche Stabilisierung kann auf verschiedene Arten erfolgen. Bei oben offenen Brücken (Trogbrücken) und Brücken ohne Obergurtverband wird die Windlast durch Querrahmen in den Untergurtverband geleitet. Ist ein Obergurtverband vorhanden, dann leitet er seine Kräfte in Portale an den Auflagern oder ebenfalls durch Querrahmen in den Untergurtverband. Die Funk­ tion der Verbände kann auch durch Dach-

4.2.4.2.5  Fachwerk-Brücken Stäbe von Fachwerken werden primär durch Normalkräfte beansprucht. Das wird erreicht, indem die Stäbe gelenkig mit­ einander verbunden sind, s. Bild 4.2.4-4, und Lasten in erster Linie in die Gelenkknoten eingetragen werden. Obwohl die Gurte der Fachwerke meist biegesteif durchlaufen (siehe Bild 4.2.4-5), treten­ bei den üblichen Fachwerkformen keine nennenswerten Nebenspannungen infolge Biegebeanspruchung auf. 4.2.4.2.6  Bogenbrücken Bei richtiger Wahl der Bogenform (umgedrehte Kettenlinie) sind Bogen Tragwerke, die überwiegend durch Normalkräfte beansprucht werden. Im Brückenbau unter-

a

b

Bild 4.2.4-3  a Einfaches Hängesprengwerk, b Doppeltes Händesprengwerk

a

b

Bild 4.2.4-4  a Einteiliges Pfostenfachwerk mit vier Feldern, b Fachwerk mit gekreuzten Streben

284

4  Querschnittsgestaltung

Bild 4.2.4-5  Fachwerkbrücke über die Orke in Vöhl-Ederbringhausen [Gerold, 2001]

scheidet man Vollwandbogen und Skelettbogen. Skelettbogen, welche in Form von Stabwerk-, Sprengwerk- und Fachwerkbogen ausgebildet sein können, bestehen aus geraden Stäben. Vollwandbogen bestehen in der Regel aus in der Horizontalfuge verleimten Holzbrettern, siehe Bild 4.2.4-6. 4.2.4.2.7  Hängebrücken-Spannbandbrücken Bei der einfachsten Form der Hänge­brü­ cken werden die Bohlen der Gehbahn direkt auf die Tragseile gelegt und befestigt. Die Seile werden zugfest im Boden ver­ ankert.

Die wohl bekannteste und beeindruckenste Hängebrücke ist die SpannbandBrücke über den Main-Donau-Kanal bei Essing, siehe Bild 4.2.4-7. 4.2.4.3  Querschnittsgestaltung bei Brücken Die Querschnittsgestaltung bei Holzbrücken hängt in entscheidendem Maße von der Konstruktionsform des Überbaus und somit vom gewählten statischen System zum Lastabtrag ab. Nachfolgend werden die wesentlichsten Querschnittsformen im Holzbrückenbau vorgestellt.

Bild 4.2.4-6  Brücke über den Machfeldkanal in Wien [Mucha, 1995]

4.2  Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff

285

Bild 4.2.4-7  Der Steg über den Main-Donau-Kanal bei Essing [Mucha, 1995]

4.2.4.3.1  Fahrbahnplatten Wirtschaftliche Lösungen für Fahrbahnplatten erhält man durch die Verwendung von Holzplatten oder Holz-Verbundkonstruktionen. Hölzerne Fahrbahnplatten entstehen durch das Zusammenwirken mehrerer Holzelemente (Brett-Lamellen). Die einzelnen Lamellen werden zum Erzielen der Plattenwirkung an den vertikalen oder horizontalen Holzflächen (je nach Einbaurichtung) mechanisch durch Vernagelung, Verschraubung, Verdübelung, Vorspannung (QS-Bauweise) und/oder Verklebung miteinander verbunden, siehe Bild 4.2.4-8. Im Brückenbau werden zweiseitig gelagerte einfeldrige Platten, aber auch Platten über mehrere Unterstützungen (Querträ-

a

ger, Joche, Pfeiler) verwendet. Auch schiefwinklige Plattenkonstruktionen sind einfach auszubilden. Wegen der in den Faserrichtungen und quer dazu verschiedenen Festigkeitseigenschaften ist die Platte aniso­ trop. Für die Ermittlung von Schnittgrößen an solchen Platten verwendet man in der Praxis Trägerroste bzw. orthotrope Mate­ rialformulierungen. Nachfolgend werden die Plattensysteme näher erläutert, deren Vorzüge sowohl in einer guten Lastverteilungskapazität als auch in einer ebenen und formstabilen Platten­oberfläche liegen, die es ermöglicht, einen bituminösen Fahrbahnbelag mit entsprechender Fahrbahnabdichtung aufzubringen.

b

Bild 4.2.4-8  Prinzip der Plattenwirkung, a Keine Verbindung zwischen den Balken, allein der belastete Balken hat die Last aufzunehmen (z. B. Radlast). b Balken sind in vertikaler Richtung unverschieblich miteinander verbunden und bilden somit eine zweiseitig gelagerte Platte, durch den Querverbund beteiligen sich alle Balken am Lastabtrag.

286

4  Querschnittsgestaltung

Verleimte Plattensysteme Durch Verleimen der Holzlamellen untereinander in den Berührungsflächen entsteVernagelte Plattensysteme hen sogenannte Brettschichtholzelemente Für vernagelte Plattensysteme werden (BSH-Elemente). Diese können bzgl. der Holzbohlen mit einer Dicke d = 18 bis Faserrichtung sowohl längs- als auch quer24 mm, einer Höhe h = 80 mm und einer orientiert zur Brückenachse ausgerichtet Länge l = 1,0 bis 6,0 m eingesetzt. Erforder- sein. Beim Einsatz von BSH-Elementen liche Stöße werden versetzt und stumpf sind besonders die Holzfeuchten in den oder mit Keilzinken ausgeführt. Die Verna- ­unterschiedlichen Verarbeitungsstufen zu gelung der einzelnen Holzlamellen erfolgt berücksichtigen. Die Tragstruktur ist so in der Regel zweireihig und in ver­setzter auszubilden, dass Verformungen infolge Anordnung. Durch das Vernageln aufge­ Schwindens und Quellens unbehindert stapelter Bretter und Bohlen entsteht­ möglich sind. die sogenannte Brettstapelplatte. Der Brücken-Überbau kann sich aus mehreren Quer vorgespannte Plattensysteme Brettstapelplatten zusammensetzen. (QS-Platten) QS-Platten bestehen aus Brettern oder Verschraubte Plattensysteme Bohlen, die senkrecht nebeneinander angeNeben der Vernagelung der gestapelten La- ordnet und anschließend mittels Spannmellen zu plattenförmigen Elementen be- gliedern in Querrichtung zusammengesteht die Möglichkeit der Verschraubung. presst werden, s. Bild 4.2.4-9. Allein der Die Lastverteilungskapazität verschraubter Verbund durch Reibung verhindert ein geBohlen liegt durch die höhe­re Querbiege- genseitiges Verschieben der Lamellen unter steifigkeit zwischen ver­na­gelten und ver- konzentrierten Lasten z. B. aus Radlasten. leimten Systemen (mit oder ohne Quer- Die Kräfte werden auch in Querrichtung vorspannung). Die verwen­deten Schrau- (Plattenwirkung) aufgenommen. Die große ben sollten aus hochfestem und korrosi- Steifigkeit der Platte in Richtung der onsbeständigem Material sein. ­Platten­ebene gewährleistet die horizontale Aussteifung. Zur Einleitung der Vorspannkräfte werden im einfachsten Fall Rand­ 4.2.4.3.1.1  Fahrbahnplatte mit in vertikaler Richtung zusammengefügten Holzlamellen

Bild 4.2.4-9  Forstwegebrücke über den Tiefen Bach in Ilsenburg (D) [Gerold, 2001]

4.2  Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff

balken aus Hartholz eingesetzt. Spezielle Krafteinleitungssysteme haben wie im Spannbetonbau die Aufgabe, die hohen konzentrierten Druckspannungen unter der Verankerungsplatte ohne große lokale Einpressungen in den Querschnitt einzutragen. Das Aufbringen der Spannkräfte erfolgt in der Regel mit Muttern, die gegen die Ankerplatten angezogen werden. Bei­ zu starker Abnahme der Vorspannung in Folge Kriechens und Schwindens kann jederzeit nachgespannt werden. 4.2.4.3.1.2  Fahrbahnplatte mit in horizontaler Richtung zusammengefügten Holzlamellen Platten lassen sich ebenfalls durch Verbindungen von Brettern, Bohlen oder Furnieren in der horizontalen Berührungsfläche aufbauen. Die Plattensysteme bestehen aus mehrlagigen Einzelschichten, die in der Regel miteinander verklebt werden. Aber auch Verbindungsmittel, welche beim vertikalen Verbund vorgestellt wurden, kommen in Frage. Plattensysteme aus Sperrholz Sperrholzplatten werden aus unterschiedlichen Holzprodukten gefertigt. Allen gemeinsam ist die zueinander winklige bzw. orthogonale Ausrichtung der Holzfaserrichtungen in den miteinander verklebten Lamellen. Unterschieden werden:

a

287

Spansperrholzplatten: bestehen aus allseitig beleimten Spänen mit bestimmten Abessungen. Die Faserrichtung ist in der Regel unidirektional. Bei Verwendung von Langspanholz wird ein Anteil der Holzspane in Querrichtung orientiert. Furniersperrholzplatten: bestehen aus kreuzweise angeordneten und verleimten Furnieren. Brettsperrholzplatten: bestehen aus mehrlagig kreuzweise, orthogonal und/oder diagonal miteinander verleimten Brettern. 4.2.4.3.2  Brückenquerschnitte bei Balkenträgern Im Querschnitt sind die Überbaukons­ truktionen so zu stabilisieren, dass Windlasten aufgenommen werden können und die Hauptträger gegen Kippen ge­sichert sind. Kastenträger sind wegen ihres großen Drillwiderstandes gegen­über  offenen Trägern bzgl. des Kippens überlegen. Verbände, Querrahmen, Querschotte und Fahrbahnscheiben können zur seitlichen Stabilisierung verwendet werden. Deckbrücken Die einfachste Querschnittsform einer Deckbrücke besteht aus zwei Hauptträgern, siehe Bild 4.2.4-10 a. Zumeist werden Brettschichtholz-Träger verwendet. Bei

b

Bild 4.2.4-10  Deckbrücken. a Die Fahrbahnplatte liegt auf den Hauptträgern und indirekt gestützten Längsträgern, die seitliche Stabilisierung erfolgt durch Verbände in der Ebene der Querträger. b Die Fahrbahnplatte liegt auf den Hauptträgern, die seitliche Stabilisierung erfolgt durch Querschotte oder die Fahrbahnplatte.

288

4  Querschnittsgestaltung

die Anordnung von mehreren Trägern notwendig, siehe Bild 4.2.4-10 b. Zusätzlich wird dadurch die Spannweite in Querrichtung reduziert. Durch die Anordnung von Querträgern wird eine Trägerrostwirkung erzielt, siehe Bild 4.2.4-11. Trogbrücken Trogbrücken sind oben offen. Die Hauptträger sind außerhalb der Fahrbahn angeordnet. Die Vorteile dieser Bauart liegen in der geringeren Gesamtbauhöhe gegenüber Deckbrücken. Die horizontale Aussteifung wird durch unmittelbar unter der Fahrbahnebene angeordnete Verbände oder durch Querrahmen erreicht. Geschlossene Brücken Geschlossene Brücken sind in der Regel überdacht, wodurch ein sehr guter Schutz des Holzes vor Nässe gegeben ist. Die seit­ liche Aussteifung kann durch obere und/ oder untere Verbände oder durch Querrahmen erfolgen (Bild 4.2.4-13). Bild 4.2.4-11  Crestawaldbrücke bei Sufers (CH) [Gerold, 2001]

Ver­wendung plattenförmiger Bauteile für die Fahrbahnkonstruktion ist es möglich, auf Längs- bzw. Querträger zu verzichten. Dadurch kann die gesamte Höhe der Konstruktion reduziert werden. Bei Brückenbreiten über 3,5 m und bei höheren Lasten z. B. aus Straßenverkehr, ist

a

b

4.2.4.3.3  Verbundsysteme Durch eine sinnvolle Kombination von Stahl bzw. Beton mit Holz im Brückenbau lassen sich die positiven Eigenschaften der Materialien verbinden und nutzen. Stahl-Holz-Verbundbrücken Bei dieser Art von Brücken besteht die Fahrbahn aus stehend angeordneten Holzbohlen, welche in Brückenquerrichtung zu­

c

Bild 4.2.4-12  Trogbrücken. a Die Fahrbahnplatte ruht auf Querträgern, die an den Hauptträgern befestigt sind. Die seitliche Stabilisierung erfolgt durch Verbände in der Querträgerebene. b Die Fahrbahnplatte wird durch Balken gestützt, die an den Hauptträgern angedübelt oder angeleimt sind. Die seitliche Stabilisierung erfolgt durch Querrahmen. c Die Fahrbahn liegt auf durch die Querriegel indirekt gestützten Längsträgern.

4.2  Querschnittsgestaltung in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff

a

289

b

Bild 4.2.4-13  Geschlossene Brücken. a Stabilisierung durch unteren Verband in Höhe der Querträger sowie obere Verbände auf den Traufpfetten. b  Die seitliche Stabilisierung erfolgt durch Querrahmen sowie Verbände in Höhe der Querträger. Eine zusätzliche Anordnung von Verbänden in der Dachebene ist möglich.

sammengespannt werden. Die Schubkraft­ übertragung erfolgt über Kopfbolzendübel, die an die Trägerflansche angeschweißt sind. Sie werden in Aussparrungen des druckbe­anspruchten Holzquerschnitts mittels Vergussmörtel einbetoniert [Bulleit, 1984]. Beton-Holz-Verbundbrücken Bei dieser Art werden die Schubkräfte zwischen Holz- und Betonquerschnitt über

Schubleisten, welche mittels Holzschrauben befestigt sind, oder über im Holzquerschnitt eingelassene Schubdübel übertragen. Zum Stand der Entwicklung des Beton-Holz-Verbundbaus in Deutschland sei auf [Schwaner et al., 1999] und [IABSE, 2001] verwiesen. Berechnungsmöglichkeiten von Holz-Verbund-Konstruktionen, insbesondere unter Berücksichtigung des Langzeitverhaltens sind in [Schänzlin, 2003] enthalten.

5  Haupttragwerke der Überbauten

5.1  Beton-Plattenbrücken Gerhard Mehlhorn Balken- und Plattenbrücken sind die am häufigsten angewendeten Konstruktionsformen des modernen Betonbrückenbaus. Im Bild 5.1-1 ist eine Auswahl von bei Platten- und Balkenbrücken üblichen statischen Systemen gezeigt. Mit der Verwendung des bewehrten Betons, etwa seit der Jahrhundertwende vom 19. zum 20. Jahrhundert, war es möglich neben der Bogenform auch die Platte und den Balken, auch Biegeträger genannt, als

Konstruktionsformen im Betonbrückenbau zu wählen. So setzte sich zeitlich parallel zur Entwicklung der modernen bewehrten Betonbogen die Verwendung der biegebeanspruchten bewehrten Beton-Trag­ glieder durch. Zunächst wurden kleinere Spann­weiten als bewehrte Betonplatten und mittlere als bewehrte Betonplattenbalkenbrücken (Bild 5.1-2) ausgeführt. Ab dem Ende des dritten Jahrzehnts des 20. Jahrhunderts und vor Allem nach dem Zweiten Weltkrieg wurden die Betonbrücken auch vorgespannt ausgeführt, was größere Spann­ weiten bei den biegebeanspruchten Tragwerken, insbesondere den Platten und Balken, aber auch den Rahmen, ermöglichte.

Bild 5.1-1   Beispiele üblicher statischer Systeme für Platten und Balkenbrücken

292

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.1-2   Konstruktive Ausbildung von Betonbalkenbrücken, wie sie bis etwa 1950 üblich war [Gehler, 1931]

Bild 5.1-3   Typische Querschnittsformen von Betonbrücken nach [Beyer/Thul, 1967]

Die typischen Querschnittsformen von Betonbrücken sind im Bild 5.1-3 dargestellt. Bei Plattenbrücken gab es im Betonbrückenbau die beiden Varianten Vollplatte  (A) und Hohlplatte (B). Heute ist nur noch die Vollplatte üblich. Hohlplatten werden trotz ihrer geringeren Eigenlast im Brückenbau wegen der dabei auftretenden Herstellungsprobleme (Verankerung der Hohlkörper gegen Auftrieb während des Betonierens, komplizierte, lohnintensive Bewehrung) und der Anforderungen an die Dauerhaftigkeit praktisch nur noch selten ausgeführt. Sie sind vielfach nicht einmal

mehr zugelassen. Auf festgestellte Schäden an älteren Brücken [BMV, 1982 und 1994] wird hingewiesen. Vor allem aus gestalteri­ schen Gründen und wegen des Gewichts ist die Anordnung seitlich konsolenartig auskragender Platten üblich, die Betonplatte wirkt dadurch optisch schlanker. Die Eleganz kann durch eine stetig gekrümmte, gevoutete untere Fläche der Platte gesteigert werden (Bild 5.1.4). Die Plattendicken für Fahrbahnplatten betragen nach dem [DIN FB 102, 2003] mindestens 20 cm. Diese Mindestdicke sollte nach Meinung des Autors allenfalls an

5.1  Beton-Plattenbrücken

293

Bild 5.1-4   Nahebrücke in Kirn. Von DYWIDAG 1960 gebaute, vorgespannte, über drei Felder durchlaufende Plattenbrücke (Stützweiten: 18 m – 25 m – 18 m)

den Enden der seitlichen konsolenartigen, sich verjüngenden Auskragungen gewählt werden. Aus konstruktiven Gründen wird empfohlen, die Fahrbahnplatten mindestens 25 cm, besser mindestens 30 cm dick auszuführen (beachten: 4 cm Mindestbetondeckung nach [DIN-FB 102, 2003]-II, 4.1.3.3 (114) P). Bei Verwendung von Hoch­ leistungsbeton, Ultrahochfestem-Beton (UHPC-Beton) oder bei im Fertigteilwerk vorgefertigten Teilen kann diese empfoh­ lene Mindestdicke geringfügig reduziert werden. Bei der Festlegung der Platten­ dicke sollte darauf geachtet werden, dass in der Platte keine Schubbewehrung erforderlich ist. Die üblichen Plattendicken liegen für Betonplattenbrücken im Bereich von 60 cm bis 100 cm, sie können aber auch, insbesondere über den Innenstützen bei über mehrere Felder durchlaufenden Platten mit veränderlicher Konstruktionshöhe (Vouten an den Innenstützen oder stetig gekrümmte, gevoutete Unterfläche des Überbaus – der stetig gekrümmten, gevouteten Unterfläche ist aus ästhetischen Gründen der Vorzug zu geben), etwas darüber liegen. Die Betonplatte eignet sich wegen ihrer geringen Konstruktionshöhe für einfeldrige Brücken mit Spannweiten bis etwa 20 m, für über mehrere Felder kontinuierlich durchlaufende Platten mit konstanter Konstruktionshöhe bis etwa 30 m Spannweiten der Innenfelder und für über mehrere Felder kontinuierlich durchlaufende Platten

mit veränderlicher Konstruktionshöhe bis etwa 35 m Spannweiten der Innenfelder. Die Spannweiten der Randfelder der kontinuierlich durchlaufenden Platten sollten etwa 80% der der Innenfelder betragen. Die üblichen Schlankheiten der Platten l/h bei Einfeldplatten und der mechanischen Schlankheiten li /h bei durchlaufenden Platten liegen bei nicht vorgespannten Platten etwa zwischen 12 und 15 und bei vorgespannten Platten etwa zwischen 15 und 25. Dabei bedeuten l die Plattenstützweite, li die Entfernung der Momentennullpunkte unter ständig wirkenden Einwirkungen bei mehrfeldrigen durchlaufenden Platten und h die Plattendicke (bei veränderlicher Konstruktionshöhe in den Innenfeldern in Feldmitte und im Randfeld an der Stelle, wo das größte Feldmoment auftritt). Die Biegemomente aus ständig wirkenden Einwirkungen betragen bei nicht vorgespannten Platten ein Mehrfaches der Momente unter denen Risse auftreten. Die Platten sollten deshalb in Längsrichtung stets vorgespannt werden! Die Vorspannung der Platte soll so dimensioniert werden, dass unter ständig wirkenden Einwirkungen keine Betonlängszugspannungen auftreten. Die Umlenkkräfte aus der Vorspannung der Platte sollen den ständig wirkenden Einwirkungen direkt entgegen wirken und etwa 75% bis 100% dieser Last entsprechen. Platten sind besonders für schiefwink­ lige Brücken und Brücken mit unregelmä-

294

Bild 5.1-5   Schiefwinklige Brücke und Brücke mit unregelmäßigem Grundriss

ßigen Grundrissen geeignet (Bild 5.1.5). Bei genügend breiten, schiefwinkligen Platten mit parallelogrammförmigem Grundriss weicht bei konstanter gleichmäßig verteilter Belastung die Haupttragrichtung nur geringfügig von der Normalenrichtung der Verbindung der Lagerlinien ab. Deshalb ist im Mittelbereich das Tragverhalten von im Vergleich zu ihrer Spannweite breiten Platten mit parallelen Richtungen der Lager­ linien wie das des entsprechenden unendlichen Plattenstreifens mit einer Stützweite, die gleich dem kleinsten Abstand der parallel gerichteten Lagerlinien ist. Für die freien Plattenränder und besonders für die Plattenecken sind aber stets gesonderte Untersuchungen erforderlich. Die größte Plattenbeanspruchung und die größte Auflager­ beanspruchung treten in den stumpfen Ecken der schiefwinkligen Platte auf. Hier ist die Platte unbedingt auch auf die Gefahr des Durchstanzens zu untersuchen. Schiefwinklige Platten mit j ≥ 75° können rechnerisch näherungsweise wie rechteckige Platten behandelt werden. Die Schnittkraftkonzentrationen in den Bereichen der stumpfen Ecken sind aber unbedingt konstruktiv zu berücksichtigen. Fugen und Lager kann man bei Plattenbrücken häufig vermeiden. Bei durchlaufenden Platten sind aber mindestens auf einer Widerlagerwand Lager anzuordnen. Bei Einfeldbrücken kann die Platte mit den Widerlagerwänden zu einem Rahmen verbunden werden. Bei vorgespannten Platten sind für den Zustand der Gebrauchstauglichkeit die Rahmeneckmomente aus ständig wirkenden Einwirkungen und sinnvoll gewählter Vorspannung, s. o., sehr klein, weshalb die Widerlagerwand dünner als die Plattendicke des Überbaus gewählt werden

5  Haupttragwerke der Überbauten

kann, sofern sich die erforderliche Dicke der Widerlagerwand nicht aus der Beanspruchung aus dem Erddruck größer ergibt. Werden Lager angeordnet, werden sie als allseitig kippbare Punktlager ausgebildet. Die Abstände zwischen diesen Lagern betragen in der Regel etwa das Drei- bis Fünffache der Plattendicke. Möglichst nahe zu den Eckpunkten der Platte sollten stets Lager angeordnet werden. Der Festpunkt wird zweckmäßig in die Brückenachse gelegt. Die anderen Lager der Auflagerlinie sind allseits frei verschieblich auszubilden. Vor etwa 50 Jahren begann die Verwendung von Leichtbeton im Brückenbau [Heufers, 1967]. Zu den ersten vorgespannten Plattenbrücken aus Leichtbeton zählt die Selterstorbrücke in Gießen [Alsen/ Schäfer, 1970]. Sie besteht aus einer durch drei achteckige Öffnungen durchbrochenen, viereckigen, nahezu trapezförmigen, 75 cm dicken Platte mit umlaufenden Auskragungen, die punktartig auf Punktkipp­ lagern auf sechs Stützen aufgelagert ist. Die Rundstützen sind auf Großbohr­pfählen ∅ 120 cm mit Fußverbreiterung gegründet. Die drei achteckigen Öffnungen wurden für eine gute Belichtung der darunter liegenden Verkehrsfläche angeordnet. Die Brückenplatte dient den Fußgängern zur Überquerung des Stadtstraßen-Rings mit den Ausfahrten aus der Stadt zu den Autobahnzubringern und gleichzeitig den direkten Zugängen zum Karstadt-Kaufhaus und der Techniker Krankenkasse in deren ersten Obergeschossen. Die vorgespannte Brückenplatte (Bild 5.1-6) wurde aus gefügedichtem Leichtbeton LB 300 (entspricht etwa LC 25/28) und im Bereich über den Innenstützen aus LB 450 (zwischen LC 35/38 und LC 40/44) hergestellt. Die Berechnung der Schnittgrößen der Platte erfolgte an einem Trägerrost. Das der Berechnung zugrunde gelegte System ist im Bild 5.1-7 angegeben [Alsen/Schäfer, 1970]. Die beiden Längsträger über

5.1  Beton-Plattenbrücken

295

Bild 5.1-6   Selterstorbrücke in Gießen, Blick von oben, Aufnahme vom Parkdeck des KarstadtKaufhauses aus dem 4. Obergeschoss im April 2005

zwei Felder haben Stützweiten von etwa 28 m und 13 m, die vier Querträger von etwa 13 m, 13 m, 19 m und 24 m. Im Verhältnis zur Plattendicke von 75 cm waren die Stützweiten verhältnismäßig groß. Die mechanische Schlankheit ergibt sich zu li  /h ≈ 0,85 · 28//0,75 ≈ 32. Es ist also eine sehr schlanke Platte. Dabei ist noch zu beachten, dass der Leichtbeton nur einen Elastizitätsmodul von 17000 N/mm2 hat. Die Vorspannung der Platte erfolgte mit

Dywidag-Spanngliedern ∅ 32 mm aus St 80/105 (� St 834/1030). Aus dem Bild 5.1-8 ist die Spanngliedführung in Längsund Querrichtung ersichtlich. Die Spannglieder bestehen sowohl aus dem Momentenverlauf folgenden Teilen als auch aus Teilen mit über den Unterstützungen­ durch plastisches Vorbiegen zulässigen kleinen Krümmungsradien (ca. 5 m). Die großen negativen Krümmungen der Spannglieder im Bereich der Auflager verbessern

Bild 5.1-7   Der Berechnung der Selterstorbrücke zugrunde gelegtes System des Trägerrosts [Alsen/ Schäfer, 1970]

296

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.1-8   Spanngliedführung bei der Selterstorbrücke [Alsen/Schäfer, 1970]

als Folge der konzentrierten Umlenkkräfte die Beanspruchungen in den Lasteintragungsbereichen der Lagerkräfte. Beim Bau der Selterstorbrücke handelt es sich, wie bereits gesagt, um eine der ersten Ausführungen in Deutschland aus vorgespanntem Leichtbeton, die zudem auf Einzelstützen gelagert wurde. Wegen der Lagerung auf Einzelstützen mit den Zusatzbeanspruchungen im Eintragungsbereich der Stützenlasten in die Platte wurden die Beanspruchungen der Platte zu der zuvor erläuterten Berechnung zusätzlich in einer modellstatischen Untersuchung am Institut für Massivbau der Technischen Hochschule Darmstadt ermittelt [Beck/Mehlhorn, 1970]. Das Modell aus Plexiglas (Bild 5.1-9) wurde der Haupausführung im Maßstab 1:50 geometrisch ähnlich nachgebildet. Die Abmessungen der Modellplatte und die

Anordnung der Messstellen, bestehend aus Verzerrungsmessstreifen in Rosettenform zur Messung der Verzerrungen in drei Richtungen, sind aus dem Bild 5.1-10 zu ersehen. Die Querdehnungszahlen von Beton (ν = 0,2) und von Plexiglas (ν = 0,37) unterscheiden sich. Die Unterschiede wirken sich aber auf die Ermittlung der Beanspruchungen der Platte nicht entscheidend aus. Mit für ν-freie Randbedingungen gültige Umrechnungsgleichungen (für die untersuchte Platte wegen der freien Plattenränder für die Selterstorbrücke aber nicht zutreffend) wurde abgeschätzt, dass der Fehler unter 10% liegt. Es ist in allen Fällen unbedingt zu fordern, dass der Bemessung konsequent ein Gleichgewichtszustand zugrunde gelegt wird, auch wenn er die Verträglichkeitsbedingung geringfügig ver-

Bild 5.1-9   Plexiglasmodell für die modellstatische Untersuchung der Selterstorbrücke [Beck/Mehl­ horn, 1970]

5.1  Beton-Plattenbrücken

297

Bild 5.1-10   Messstellen für die modellstatische Untersuchung der Selterstorbrücke [Beck/Mehlhorn, 1970]

letzt. Dies wurde bei der Bemessung und konstruktiven Ausbildung der Selterstorbrücke natürlich beachtet. Als Belastung des Modells dienten untergehängte Gewichte. Die Last wurde über kleine Einzelbalken und Ringe mit unter die Modell­ platte aufgeklebten Lasthäkchen und durch feine Bohrungen durch die Modellplatte gefädelte Stahldrähte in das Modell eingetragen. Die insgesamt 377 Lasteintragungspunkte wurden auf der Modellplatte so ­verteilt, dass sie der gleichmäßig verteil-

ten  Flächenbelastung gleichwertig waren. Durch gruppenweise Zusammenfassung konnten auch Teilflächenbelastungen unter­ sucht werden. In den Bildern 5.1-11 und 5.1-12 sind die Ergebnisse der in der Träger­ rostberechnung und im Modellversuch ermittelten Momentenverläufe für den Lastfall Eigenlast g1 = 12,75 kN/m2 (� 1,25 Mp/ m2) angegeben. Es ist zu erkennen, dass­­ die Ver­läufe grundsätzlich gut übereinstimmen. Die Bemessungswerte aus den beiden Ermittlungen sind jedoch zum Teil unter-

Bild 5.1-11   Mit der Trägerrostberechnung ermittelter Momentenverlauf der Selterstorbrücke [Beck/Mehlhorn, 1970]

298

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.1-12   Im Modellversuch ermittelter Momentenverlauf der Selterstorbrücke [Beck/Mehlhorn, 1970]

schiedlich, natürlich insbesondere an den Stellen, an denen in der Trägerrostberechnung (Knotenpunkte der Längs- und Querträger) Momentensprünge auftreten und bei den Momentenspitzen über den Stützen, die ja in der Platte nicht in dieser Größe vorhanden sind. Die Auflagerkräfte wurden ebenfalls modellstatisch durch Verzerrungsmessungen an den Stützen des Modells ermittelt. Dadurch konnte die Richtigkeit der ermittelten Schnittmomente und Auflagerkräfte abschließend durch Gleichgewichtsprüfungen bestätigt werden. In der Trägerrostberechnung mit den Plattenstreifen als Träger wurden Torsions­ momente errechnet. Die bei der Platte auftretenden Drillmomente bedeuten, dass die zwar sinnvoll aber willkürlich gewählten Koordinatenachsen nicht mit den Richtungen der Hauptmomente für den jeweils betrachteten Punkt der Platte übereinstimmen. Weil die Drillmomente nur in Ausnahmefällen aus den Torsionsmomenten des Trägerrosts ermittelbar sind, ist es im Allgemeinen kaum möglich, die Richtungen der Hauptmomentenvektoren der Platte durch eine Trägerrostberechnung ausreichend zuverlässig zu bestimmen. Die modellstatische Untersuchung und die Trägerrostberechnung zusammen ermöglichten eine wirtschaftliche Bemessung der Platte,

ohne die wegen der Ausführung aus vor­ gespanntem Leichtbeton mit der Aufla­ gerung auf Einzelstützen zu beachtende Sicherheit zu vernachlässigen. Man betrat ja mit dem Bau der Selterstorbrücke damals Neuland. Später wurde im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschungsvorhabens im Schwerpunktprogramm Flächentragwerke die Modellplatte mit der Finite-Element-Methode rechnerisch untersucht [Schäfer et al., 1975]. Dabei wurde die im Modellversuch ermittelte Querdehnungszahl des Modellwerkstoffs von ν = 0,37 auch der Berechnung zugrunde gelegt, um einen einwandfreien Vergleich der Ergebnisse des Modellversuchs und der FEM-Berechnung zu ermöglichen. Das für die Berechnung verwendete Dreiecks-Plattenelement mit 33 Freiheitsgraden ist im Bild 5.1-13 angegeben. An den Eckknoten 1 bis 3 (siehe Bild 5.1-13) sind jeweils die acht Frei­ heitsgrade ux , uy , uz , uz, x , uz, y , uz, xx , uz, xy , uz, yy  und in den Seitenmitten, Knoten 4 bis 6, sind jeweils die drei Freiheitsgrade ux , uy  und uz, n angesetzt. u sind die Verschiebungen, der Index vor dem Komma steht für die Richtung der Verschiebung, die Indices hinter dem Komma geben die Ableitungen der Verschiebung an

5.1  Beton-Plattenbrücken

299 Plattenelement im Grundriss; Definition des lokalen Koordinatensystems und der Knotenfreiheitsgrade. = Knotenpunkte mit den Formänderungsgrößen ux, uy, uz, uz, x, uz,y, uz, xx, uz, xy, uz, yy. = Knotenpunkte mit den Formänderungsgrößen ux, uy, uz, uz, n.

Bild 5.1-13   In der FEM-Berechnung verwendetes Dreiecks-Plattenelement

∂2 u ∂2 w (z. B.: uz, xy = 9z � 9). In den Bil∂x δy   ∂x ∂y dern 5.1-14 und 5.1-15 ist das für die Berechnung gewählte Elementnetz angegeben, und es sind die mit dieser Einteilung berechneten Ergebnisse den Versuchsergebnissen gegenüber gestellt. Die Übereinstimmung der Ergebnisse ist trotz der in der Berechnung zur Rechenvereinfachung näherungsweise zur x-Achse vorausgesetzten Symmetrie und der gewählten groben Elementeinteilung sehr gut. In den letzten Jahren sind Plattenbrücken auch aus Hochleistungsbeton ausgeführt worden. Die ersten dieser Platten­ brücken sind die beiden 1998 erbauten Brücken Buchlohe [Zilch et al., 2002] und Sasbach [Bernhardt et al., 1999]. Die als ­Pilotprojekt in Bayern ausgeführte Brü-

cke Buchlohe überführt einen Wirtschaftsweg über die BAB 96 München-Lindau. Die Tragwerksplanung für die Brücke der Brückenklasse 30/30 nach DIN 1072 (12.1985) erfolgte durch Zilch+Müller Ingenieure, München, die Bauausführung durch die Hermann Assner GmbH & Co. Der Überbau, eine 80cm dicke vorgespannte Betonplatte mit konstanter Plattendicke über zwei Felder mit 21,5 m Spannweite, und der Mittelpfeiler der Plattenbrücke wurden aus Hochleistungsbeton der Festigkeitsklasse B 85 (≈ C 70/85) hergestellt. Die Brücke ist mit einer mechanischen Schlankheit von li  /h ≈ 0,75 · 21,5/80 ≈ 20 relativ schlank. Bei der gleichzeitig, ebenfalls als Pilotprojekt in Baden-Württemberg, 1998 ausgeführten Brücke Sasbach besteht der Überbau aus einer vorgespannten Beton-

Bild 5.1-14   Für die FEM-Berechnung gewähltes Elementnetz

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5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.1-15   Vergleich der in der im Modellversuch und in der FEM-Berechnung erhaltene Ergebnisse

platte mit 16 m Spannweite, die auf Kastenwiderlagern aufliegt. Die Tragwerksplanung für die Brücke erfolgte durch König und Heunisch, Beratende Ingenieure, ­Frank­furt/Main, die Bauausführung durch die Bilfinger+Berger Bauaktiengesellschaft, Niederlassung Freiburg. Die Brücke wurde für die Brückenklasse 30/30 nach DIN 1072 (12.1985) bemessen. Die aus Hochleistungs­ beton der Festigkeitsklasse B 85 (≈ C 70/85) hergestellte einfeldrige Platte des Überbaus mit Dachprofil (beiderseitige Querneigung des Dachprofils von 3%) ist in der Brückenachse 55 cm und im Mittel 53 cm dick und hat eine Spannweite von 16 m. Sie ist mit der Schlankheit l/h = 16/0.53,5 ≈ 30 eine außergewöhnlich schlanke Brücke. Die große Schlankheit erforderte eine verhältnismäßig hohe Beton- und Spannstahlmenge (Menge des Betonstahls: 130 kg/m3, Menge des Spannstahls für die Längsspannglieder: 63,6 kg/m3 und auf die Brückenfläche bezogen von 22,2 kg/m2). Die Möglichkeit der geringen Konstruktionshöhe ergab eine Reduzierung der Höhen der in der Verlängerung der Brücke erforderlichen Dämme beidseitig mit Rampen mit je

6% Längsneigung, was zu Kostenersparnissen führte. Aus diesem Grund und ­natürlich vor allem, weil es für das Pilotprojekt sinnvoll war, möglichst hohe Betonspannungen zu erzielen, war es sinnvoll die große Schlankheit zu wählen. Es sollte aber nicht das vorrangige Ziel der Verwendung von Hochleistungsbeton sein, extrem schlank zu bauen. Die Verwendung von Hochleistungsbeton sollte aus der Sicht des Autors vor allem aus Gründen der höhe­ren Dauerhaftigkeit und der Wirtschaftlichkeit (Herstellungs- und Erhal­ tungs­kosten), also der Nachhaltigkeit des Bau­ens dienen. Die fünffeldrige Beton-Plattenbrücke über die Zwickauer Mulde bei Glauchau [König et al., 2002] und die über drei Felder durchlaufende, vorgespannte BetonPlattenbrücke Freihamer Allee [Zilch et al., 2002] zählen ebenfalls zu den ersten Brücken in Deutschland, die aus Hochleistungsbeton B 85 ausgeführt wurden, als größere Brücken sind sie die beiden ersten in Deutschland aus Hochleistungsbeton gebauten Brückenüberbauten überhaupt. Die über fünf Felder durchlaufende Platten­

5.1  Beton-Plattenbrücken

301

Bild 5.1-16   Fünffeldrige Beton-Plattenbrücke über die Zwickauer Mulde bei Glauchau

brücke der Brücke über die Zwickauer Mulde bei Glauchau (Bild 5.1-16) hat eine konstante Plattendicke von 1,05 m. Die Stütz­weiten betragen 31 m – 39 m – 37 m – 35 m – 29 m. Ihre mechanische Schlank­ heit beträgt etwa 24, die größte optische Schlankheit etwa 37. Die Brücke ist damit sehr schlank. Üblich ist auch die Herstellung von Platten aus Fertigteilen mit Ortbetonausfüllung, wodurch die Schalung und Rüstung der Platte entfällt. Dazu wird auf Abschnitt 4.2.1 und insbesondere auf Bild 4.2.1-4 verwiesen. Es sollen noch Betrachtungen zu vorgespannten Plattenbrücken und der Spanngliedführung angestellt werden, die auch für die im Abschnitt 5.2.1 behandelten vorgespannten Durchlaufträger in gleicher Weise typisch sind. Im Bild 5.1-17 ist die von DYWIDAG 1960 ausgeführte Brücke über die Nahe in Kirn (Bild 5.1-4), die für die Brückenklasse 30 nach DIN 1072 (03.1952) dimensioniert wurde, mit der zugehörigen Spanngliedführung im Längsschnitt dargestellt. Bei 25 m Mittelspannweite besitzt sie eine Konstruktionshöhe

von 60 cm in Plattenmitte und von 1,10 m über den Innenstützen. Sie ist mit der mechanischen Schlankheit li  /h ≈ 0,6 · 25/0,6 = 25 eine aus Normalbeton ausgeführte als sehr schlank zu bezeichnende Brücke. Bei der Schlankheit ist aber zu beachten, dass die Brücke ja über den Innenstützen fast doppelt so dick ist wie in Feldmitte, was die Frage der Schlankheit relativiert. Die Brücke ist sehr wirtschaftlich konstruiert und ausgeführt, weil die Eigenlast im Feld (großer Hebelarm für die Belastung) gering und über der Stütze (kleiner Hebelarm für die Belastung) höher ist. Die Spanngliedführung ist typisch für die damalige Zeit, als man die Anordnung der Spannglieder entsprechend den Beanspruchungen aus äußeren Lasten wählte und nach Möglichkeit Zwangsmomente aus Vorspannung vermied. Bei heutigen Konstruktionen erfolgt die Führung der Spannglieder bei solchen Brücken so, dass man ganz bewusst gerade die Zwangsmomente aus Vorspannung durch geeignete Spanngliedführung erzwingt. Dadurch wird nämlich erreicht, dass die

Bild 5.1-17   Längsschnitt mit Spanngliedführung der Nahebrücke Kirn

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Spannglieder über die ganze Länge mit der gleichen Anzahl durchgehen und keine Endverankerungen im Feld erforderlich sind, was zu Querkraftsprüngen führen würde. Die gewollten Zwangsmomente werden durch die exzentrische Anordnung der Spannglied-Verankerungen an den Endauflagern und die Verschiebung der Wendepunkte der Spanngliedführung nach den Innenstützen zu erreicht. Die Krümmungsradien der Spannglieder werden durch die genannte Verschiebung der Wendepunkte allerdings kleiner(darauf achten, dass die zulässigen Krümmungsradien der Spannglieder nicht unterschritten werden!). Es werden durch die sinnvolle Spanngliedführung Zwangsmomente aus Vorspannung so aufgebaut (positive Zwangsmomente, die über der Stütze die positiven Momente aus Vorspannung im Vergleich zum statisch bestimmten Anteil vergrößern und im Feld die Absolutwerte der negativen Momente aus Vorspannung verkleinern), damit sich eine insgesamt gleichmäßigere Beanspruchung aus der Überlagerung aus den äußeren Einwirkungen und der Vorspannung in den Feldern und über der Stütze ergibt. Außerdem wird durch diese Spanngliedführung im Bereich der Mittelunterstützungen erreicht, dass die aus der Umlenkung der Spannglieder resultierenden Betonbeanspruchungen direkt zum Auflager gerichtet sind, was einen günstigeren Spannungszustand in diesem Bereich, in dem der Beton durch die schräg gerichteten Hauptdruckspannungen besonders hoch beansprucht ist, ergibt. Darauf, wie man die Zwangsmomente gezielt beeinflusst, wird an Grundlastfällen an einseitig eingespannten statischen Systemen im Abschnitt 8.5.2.3 eingegangen.

5  Haupttragwerke der Überbauten

5.2  Balkenbrücken 5.2.1  Beton-Balkenbrücken

Gerhard Mehlhorn Abgesehen von den großen Bogenbrücken können nicht vorgespannte, bewehrte Betonbrücken mit den Stahlbrücken kaum konkurrieren, wenn Spannweiten über 60 m zu überbrücken sind. Deshalb gibt es nicht vorgespannte Beton-Balkenbrücken hauptsächlich nur mit kleinen Spann­ weiten. Die Seinebrücke bei Villeneuve (Bild 5.2.1-1) ist mit 78 m Spannweite vermutlich die am weitesten gespannte nicht vorgespannte Stahlbetonbalkenbrücke. Obwohl die günstige Flächentragwirkung der Platte zur Querverteilung konzentrierter Lasten durch die monolithische Konstruktion der Stahlbetonbrücken durch­ aus vorhanden war, wurde früher, zu Beginn der Entwicklung der Stahlbetonbauweise, die Platte zur Querverteilung der Belastung nicht herangezogen. Es wurden dazu Querträger angeordnet, denen die Querverteilung allein zugewiesen wurde. Dieses Konstruktionsprinzip (Bild 5.2.1-2) wurde bis nach 1945 beibehalten. Beton-Balkenbrücken werden heute in der Regel in Längsrichtung vorgespannt. Deshalb wird hier nicht weiter auf nicht vorgespannte ­Beton-Balkenbrücken eingegangen. Es sei aber noch auf eine ältere Stahlbetonbalkenbrücke und das Konstruktionssystem des Möller-Trägers, obwohl das System wegen des aus genietetem Walzstahl bestehendem Stahl-Zuggurts heute eigentlich nicht in die Stahlbetonbauweise einzuordnen ist, hingewiesen. Bei diesen sind nämlich einige Konstruktionsprinzipien des vorgespannten Betons, der den modernen Betonbrückenbau der heutigen Zeit beherrscht, bereits vorweggenommen. Es handelt sich um die bereits 1930/31 in Brasilien über den Rio Peixe (Bild 5.2.1-3) errichtete Stahlbetonbrücke mit 68  m freier

5.2  Balkenbrücken

303

Bild 5.2.1-1  Längs- und Querschnitt der Seinebrücke bei Villeneuve [Wittfoht, 1972]

Spannweite, die die erste bekannt gewor­ dene, im Freivorbau errichtete Betonbrücke ist [NN, 1931]. Der Freivorbau erfolgte in Abschnitten von 1,5 m Länge. Die Längsbewehrung aus Betonstahl ∅ 45 mm wurde durch Muffenstöße verlängert. Die Möllerträger (Bild 5.2.1-4), auch Fischbauchträger genannt, bestehen aus Plattenbalken mit einem oberen Betondruckgurt. Die Stege aus Beton sind nach unten parabelförmig begrenzt. Möller verwendete für den Zuggurt Flachstahl, dessen Verankerung am Auflager mittels aufgeschweißter Winkel gewährleistet wird. Zur besseren Verbundwirkung des Flachstahls mit dem Beton werden, auch im Feld, Stahlwinkel angeschweißt. Die nach diesem Prinzip Anfang des dritten Jahrzehnts des vorigen Jahrhunderts gebaute Elbe-Flutbrücke bei Heyrothsberge mit 29 Öffnungen mit je 14,5 m Spannweite und mit jeweils sieben nebeneinander liegenden Möllerträgern bei 9,7 m Brückenbreite gehörte zu den längsten Betonbalkenbrücken [Gehler, 1931]. Sie wurde in den 60iger Jahren des vorigen Jahrhunderts zum größten Teil ersetzt. Dieses Konstruktionsprinzip des Möllerträgers entspricht im Prinzip dem des unterspannten Trägers, der bei der ersten aus Spannbeton errichteten Brücke angewendet wurde, allerdings ist dort das Zugband nicht stetig gekrümmt, sondern an Punkten konzentriert umgelenkt und vor Allem: vorgespannt. Aus dem Bild 5.1-5, siehe Abschnitt 5.1, ist die Entwicklung der heute gebräuchlichen Querschnittsformen von Beton-Balkenbrücken für Durchlaufträger und Platten ersichtlich. Beim Träger fand eine Entwicklung vom Plattenbalken mit Quer­

Bild 5.2.1-2  Konstruktive Ausbildungen bewehrter Betonbalkenbrücken, wie sie vor allem bis etwa 1950 üblich waren [Gehler, 1931]

Bild 5.2.1-3  Aus Stahlbeton 1930/31 im Freivorbau errichtete Brücke über den Rio Peixe (Brasilien) [NN, 1931]

Bild 5.2.1-4   Möllerträger [Deinhard, 1964]

trägern und engem Längsträgerabstand zu immer größer werdenden Trägerabständen statt, wobei man zur wirtschaftlichen Bauausführung mit Ausnahme an den Endauflagern zunehmend auf Querträger verzichtete und die Querverteilung ausschließlich der Platte zuwies. Analog war die Entwicklung bei den Hohlquerschnitten, aus denen

304

sich dann schließlich auch noch als Variante die Pilzbrücke entwickelte. Wie bereits gesagt, ist der moderne Betonbrückenbau durch die Vorspannung des Betons geprägt. Hauptsächlich wegen der geringen Dehnfähigkeit und wegen der im Verhältnis zu seiner Druckfestigkeit geringen Zugfestigkeit des Betons ist es nicht möglich Stähle sehr hoher Festigkeit im Betonbau ohne Vorspannung auszunutzen, da dies zu zu großen Rissbreiten führen würde, die die Dauerhaftigkeit des Bauwerks in Frage stellen. Als fruchtbar für die Weiterentwicklung im Betonbau erwies sich deshalb die Vorspannung der Tragwerke. Erst mit der Entwicklung der Spannbetonbauweise kamen auch bei großen Spannweiten Biegeträger, meist als Durchlaufträger ausgeführt, im Betonbrückenbau zur Anwendung. Die Grundidee des Vorspannens geht bereits bis ins Ende des 19. Jahrhunderts zurück. Bereits 1888 erhielt Doehring das Patent Einrichtung zur Herstellung von mit Draht durchzogenen Latten erteilt, wonach die Drähte durch Schrauben gespannt werden sollen. Im Jahre 1905 beschrieb Lund in der Zeitschrift Beton und Eisen eine Deckenkonstruktion aus Fertigbeton-Hohlblöcken mit vorgespannter Bewehrung, wozu er schrieb: Will man die Rissbildung im Beton verhüten, muss man das Eisen der Zuganker vor der Ausrüstung mit der zuläs­ sigen Spannung beanspruchen, und dieses kann bei der vorliegenden Konstruktion aus einzelnen fertig abgebundenen Betonblöcken sehr leicht geschehen, indem man die Blöcke vor der Ausschalung durch Anziehen der Zuganker zusammenpresst. Diese Ideen waren für die Anwendung im Hochbau gedacht, setzten sich zunächst auch dort nicht durch und hatten für den Brückenbau keine Bedeutung. Die Entwicklung des Spannbetons ist vor allem mit den Arbeiten und Veröffentlichungen des französischen Ingenieurs Freyssinet aufs Engste verbunden, der sich

5  Haupttragwerke der Überbauten

ebenfalls bereits seit Anfang des 20. Jahrhunderts mit dem Gedanken der Vorspannung beschäftigte. Der Spannbeton konnte erst mit der Entwicklung hochfester Stähle zur Anwendung kommen. Außerdem war die Erkenntnis wichtig, dass der Beton unter dauernd wirkenden Druckspannungen kriecht, was Freyssinet beim Bau der 1907/12 errichteten drei Betonbogenbrücken über den Allier (Le Veudre, Boutiron und Chatel de Neuvre), von denen heute nur noch die Brücke bei Boutiron (Bild 1.4-46) existiert, erkannte. Er stellte sich die Frage, ob sich trotz der langandauernden, zeitabhängigen Zunahmen der Formänderungen im Beton dauerhafte Vorspannungen erzeugen lassen. Als Ergebnis seiner Experimente kam er zu dem Schluss, dass für den Spannbeton die Verwendung hochfester Stähle notwendig ist. In einem seiner Patente heißt es: „Für die Erfindung ist also Voraussetzung: die Verwendung eines die angegebenen hoch­ wertigen Eigenschaften besitzenden Werk­ stoffs für die Bewehrung und die Verwen­ dung einer ebenfalls hochwertigen Beton­ masse. Denn nur in diesem Fall liegt die Er­ findungsaufgabe, nämlich die Schaffung ei­ nes hohe Belastungen mit Sicherheit ermög­ lichenden Eisenbetonkörpers überhaupt vor. Für die Bewehrungsstäbe kommen mithin Stäbe in Betracht, die eine Elastizitätsgrenze von mindestens 40 kg/mm2 ( � 400 N/mm2) haben, die, je nach Größe der anzuwen­ denden Vorspannung, bis zu 160 kg/mm2 ( � 1600 N/mm2) und mehr betragen muss. Ferner müssen die vorgespannten geradlini­ gen Bewehrungen im Beton so verteilt wer­ den, dass sie in ihm eine Druckverteilung schaffen, die den Zugkräften entgegenwirkt, welche sich aus der Eigenlast und der Nutz­ last ergeben. Als Mittel zur Erzielung einer geeigneten hochwertigen Betonmasse kom­ men in Betracht: sorgfältige Körnungswahl, Rütteln, Pressen und Umschnüren. Durch die Erfindung soll erreicht werden, dass die den Bewehrungsstäben erteilte Vorspannung

5.2  Balkenbrücken

305

Bild 5.2.1-5   Finsterwalders Entwurf für die Dreirosenbrücke in Basel aus dem Jahr 1930, Bild nach [Finsterwalder, 1967]

durch die diesen entgegenwirkenden Kräfte nicht völlig aufgehoben wird und der Eisen­ betonkörper dauernd wirksamen Druck­ kräften unterworfen bleibt, welche die in dem Körper durch Eigenlast und Nutzlast entstehenden Zugspannungen ganz ver­ schwinden lassen oder doch im wesentlichen ausgleichen. Dadurch erhalten nämlich die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Eisenbetonkörper die Eigen­ schaften homogener Körper.“ Man kann heute rückblickend sagen, dass dieser in seiner Patentschrift von 1929 aufgezeigte Weg, Betone und Stähle hoher Festigkeit zu verwenden, sich vollauf bestätigt hat. Im Spannbetonbau finden heute Spannstähle mit Festigkeiten zwischen 1000 und 2000 N/mm2 Verwendung. Dagegen hat sich die andere Vorstellung ­Freys­sinets, hinsichtlich des Aufbringens so hoher Vorspannkräfte, dass auch nach Wirksamwerden der vollen Nutzlasten auf Dauer keine Zugspannungen im Beton auftreten, als nicht zweckmäßig erwiesen. Vielmehr wird heute in Anlehnung an die Überlegungen von Abeles, Finsterwalders und Rüsch’s in dem Maße vorgespannt, dass der Beton nicht auf Dauer voll überdrückt ist. Betonzugspannungen werden entweder soweit begrenzt, dass sie unterhalb der Betonzugfestigkeit liegen oder man lässt bewusst Risse im Beton zu. Dann ist neben dem vorgespannten Spannstahl zusätzlich nicht vorgespannter Betonstahl (dieser ist auf jeden Fall anzuordnen!) zur Aufnahme der Schnittgrößen erforderlich. Die über die Zugzone verteilte Bewehrung wirkt sich besonders vorteil-

haft auf die Begrenzung der Rissbreiten aus und führt damit zu einem günstigen Verhalten des Bauwerks unter Eigen- und Nutzlasten. Bei der Errichtung der bereits erwähnten Brücken über den Allier verband Freyssinet an einem Bogen als Probekörper mit 50 m Spannweite die beiden Widerlager mit einem vorgespannten Zuggurt aus vorgespannten kaltgezogenen Drähten ∅ 8 mm mit Spannungen nahe an der Fließgrenze. Die vorgespannten Drähte wurden mit in einer Ankerplatte angeordneten Keilen verankert. Diese erstmalige Anwendung der Vorspannung im Betonbrückenbau an einem Probekörper ist der erste Meilenstein der späteren Entwicklung des SpannbetonBrückenbaus [Grote/Marrey, 2000]. Der erste bekannt gewordene Entwurf einer Spannbetonbrücke überhaupt stammt aus dem Jahr 1930. Finsterwalder schlug damals für den Bau der Dreirosenbrücke in Basel eine Spannbetonbrücke [Finster­ walder, 1965] vor. Dieser Entwurf (Bild 5.2.1-5) wurde allerdings nicht ausgeführt. Betrachtet man das Konstruktionssystem, erkennt man, dass schon dieser Entwurf prinzipiell wesentliche charakteristische Elemente der nach 1945 entwickelten Freivorbauweise enthält. Es sei auf die Ausbildung als Kragträger mit der gelenkigen Verbindung im Scheitel hingewiesen. Diese Brücke sollte aber auf einem Lehrgerüst, nicht im Freivorbau, hergestellt werden. Der von Dischinger 1927/28 beim Bau der Saalebrücke Alsleben (Bogenbrücke mit angehängter Fahrbahn der Schifffahrtshauptöffnung über 68 m Spannweite als

306

5  Haupttragwerke der Überbauten Schneeberger Straße Niederschlemaer Weg Carola Anlagen 19,01

28,00

41,05

28,00

nach Aue Alberodaer Straße

IX

Zwickauer Mulde

23,25

Lößnitzer Straße nach Lößnitz

Bahnhofsstraße

24,81

21,90

25,20

69,00

23,40

303,62

Bauteil C

18,75

4,75

1 : 40

31,50

18,75 23,40

+ 357,265

20

10

+ 357,010

+ 356,379

54

Schutzrohre

7,91

12 ∅ 70 60

35

30

2 18 ∅ 70 + 354,319

1 : 40

69,00

25,20

24,50

Bauteil D

1,90

Bauteil B

4,75

Bauteil A

9,375

7,91 25,20

12 ∅ 70 Öffnung

36 ∅ 70 40

+ 357,065

36 ∅ 70

Einsteigeöffnung

30 ∅ 70

+ 352,15

9,375

9,375 10,75

mit Einhängeträger 31,50

Bild 5.2.1-6   Dischingers Konstruktion der Brücke in Aue. Erste Spannbetonbrücke überhaupt, nach [Finsterwalder, 1967]

Zweigelenkbogen mit vorgespanntem Zugband) [Dischinger, 1949-2, Standfuß, 2000] und der ersten 1935/37 gebauten vorgespannten Brücke überhaupt [Schönberg/ Fichtner, 1939, Dischinger, 1949-2, Finsterwalder, 1965], der Brücke in Aue (hängewerkartig, außerhalb des Querschnitts ­geführte und umgelenkte Spannglieder) ­gewiesene Weg, die Vorspannbewehrung ohne Verbund hängewerkartig, polygonal außerhalb des Querschnitts anzuordnen (Bild 5.2.1-6), damit sie entsprechend­ der plastischen Formänderung des Betons jederzeit nachgespannt und ausgewechselt werden kann, hat sich in jüngster Zeit­ als erfolgreiche Variante im Beton­ brückenbau entwickelt. Dischinger, der Konstrukteur der Brücke in Aue, legte­ die Spannglieder aus Rundstählen St52 ∅ 70 mm (Vorspannung nur etwa 200 N/

mm2) vor allem wegen der noch fehlenden Theorie zur Berechnung des Spannkraftver­ lusts infolge Kriechens des Betons – diese Theorie wurde von ihm erst 1939 anwendungsreif veröffentlicht [Dischinger, 1939] – außerhalb des Betonquerschnitts zwischen die Stege der Plattenbalken, um sie jederzeit entsprechend der auftretenden Verformungen und den damit verbundenen Spannungsverlusten nachspannen zu können. Während des 2. Weltkriegs wurde die Brücke nicht wie vorgesehen gewartet, und es sind erwartungsgemäß sichtbare Durchbiegungen und signifikante Spannkraftverluste von ca. 40% aufgetreten. Außerdem wurden als Folge der unterbliebenen Wartung an den Spanngliedern und deren Verankerungen Korrosionsschäden festgestellt. Die Brücke konnte 1962 wieder instand gesetzt werden [Lippold/Spaethe, 1965]. Inzwi-

5.2  Balkenbrücken

schen wurde sie durch ein neues Bauwerk ersetzt [Ivanyi/Blume, 1995]. Vor allem waren die Entwicklung hochfester Spannstähle, aber auch die Erforschung der Kriechprobleme und die zu entwickelnde Theorie zur rechnerischen Ermittlung des Spannkraftverlusts infolge des Kriechens des Betons notwendige Voraussetzungen für den Durchbruch des Spannbetons und der dadurch eingeleiteten Entwicklung neuer Konstruktionsformen im Betonbrückenbau, die, wenn auch die Anfänge bereits in die 30er Jahre des vorigen Jahrhunderts zurück gehen, doch vor allem seit etwa 1950 den Brückenbau revolutionierten. Bevor die heute üblichen Konstruk­ tionssysteme im Betonbrückenbau weiter erläutert werden, soll kurz auf das Prinzip des Spannbetons eingegangen werden. Für die rechnerische Behandlung wird auf Abschnitt 8.5, auf eine ausführlichere Behandlung z. B. auf [Mehlhorn, 1998] verwiesen. Beim gerissenen Stahlbetonbalken unterscheidet man die Druck- und die Zug­ zone. In der Druckzone werden die Druckbeanspruchungen vom Beton, in der Zugzone nach der Rissbildung die Zugkräfte vom Betonstahl aufgenommen. In nichtvorgespannten, auf Zug bzw. Biegezug beanspruchten, bewehrten Tragwerken des Betonbaus treten Risse in der Regel bereits unter Eigenlast auf, da die Dehnfähigkeit des Betons das Maß 0,1 ‰ nicht oder kaum überschreitet. Die vor der Rissbildung vom Beton und der Bewehrung zunächst gemeinsam aufgenommenen Zugkräfte müssen im Riss allein vom Betonstahl aufgenommen werden. Die zwischen dem Beton und dem Betonstahl auftretenden Verbund­ spannungen bewirken, dass die im Riss vom Betonstahl allein aufgenommenen Zugkräfte im ungerissenen Bereich zwischen den Rissen allmählich in den Beton übertragen werden. An der Stelle, an der die Zugspannungen die Größe der Betonzugfestigkeit erreichen, entsteht der nächste

307

Riss. Durch geeignete konstruktive Maßnahmen (profilierte Oberfläche des Betonstahls) wird ein guter Verbund gewährleistet. Die im Riss vom Beton nicht aufnehmbaren Zugspannungen bauen sich über kürzere Einleitungslängen zwischen den Rissen im Beton wieder auf und ergeben somit kürzere Rissabstände mit einer größeren Rissanzahl bei gleichbleibend genügend kleinen Rissbreiten. Bei gleichbleibender Rissbreite kann also eine höhere Stahlspannung ausgenutzt werden. Jedoch wird bei zu kleinen Rissabständen die Verbundwirkung erheblich reduziert. Deshalb sind der Verwendung und Ausnutzung von Stählen hoher Festigkeiten als Bewehrung in nichtvorgespannten Tragwerken des Betonbaus Grenzen gesetzt. Bei Spannbetonbauteilen, bei denen der aus äußeren Einwirkungen auf Zug beanspruchte Beton vorgedrückt wird, damit er unter Gebrauchslast nicht oder nur sehr begrenzt auf Zug beansprucht wird, gelten wegen der Vordehnung der Stähle diese Grenzen für die Ausnutzbarkeit hochfester Stähle nicht im gleichen Maße. Spannt man nämlich durch Vordehnung die in der Betonzugzone angeordneten Spannglieder vor (die Betonzugzone wird dabei vorgedrückt), müssen zunächst durch die zunehmende Beanspruchung aus äußeren Lasten und den daraus resultierenden Zugspannungen die aus Vorspannung herrührenden Druckspannungen in der vorgedrückten Betonzugzone abgebaut werden, ehe die Dehnfähigkeit des Betons erreicht wird und der Beton bei weiterer Laststeigerung reißt. Durch die Vordehnung der Spannglieder ist es deshalb möglich höhere Stahlfestigkeiten auszunutzen. Das Kräftespiel an einem äußerlich statisch bestimmten Spannbetonbalken – Spannglieder mit Ankerkörpern und zugehörige Druck- und Zuglinien im Beton für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit, bei dem der Beton im Zugbereich nahezu ungerissen ist – ist im Bild 5.2.1-7 dargestellt. Entscheidend für

308

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.2.1-7   Prinzipielle Darstellung des Kräftespiels am äußerlich statisch bestimmten Spann­ betonbalken

die Biegetragfähigkeit des vorgespannten Balkens ist, dass die Spannglieder im Bereich der größten Beanspruchungen möglichst nahe dem aus äußeren Lasten herrührenden Zugrand angeordnet sind. Hinsichtlich der Schubbeanspruchungen ist die in Bild 5.2.1-7 dargestellte Spanngliedführung (Zuglinien) günstig, um im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit auch Rissbildungen im Schubrissbereich möglichst lange auszuschalten. Durch die der Querkraft aus äußeren Lasten entgegenwirkende Querkraft aus Vorspannung werden die Hauptzugspannungen gering gehalten. Hinsichtlich der Schub­ tragfähigkeit wäre aber eine möglichst tiefe Lage der Spannglieder im Auflagerbereich günstiger. Nach den Rissbildungen stellt sich nämlich ein anderes Tragverhalten als vor den Rissbildungen ein. Dieses Tragverhalten entspricht im Prinzip dem eines Fachwerks. Dazu sind im Auflagerbereich möglichst tiefliegende Spannglieder mit größerem inneren Hebelarm besser geeignet als nach oben gezogene. Gegen die Spannglieder stützen sich die schräggerichteten Betondruckstreben ab. Zur Aufbringung der Vorspannung sind geeignete Spannverfahren erforderlich. Unter Spannverfahren wird die Art und der Zeitpunkt der Erzeugung der Vorspannung, die Art der Verankerung der Spannstähle, die Art der Kopplung der Spannglieder und die Art der Herstellung des Verbunds verstanden. Bei Spannverfahren mit Spanngliedern aus hochfestem Stahl wird hierbei grundsätzlich unterschieden: Vorspannung ohne Verbund: Spannglieder liegen außerhalb (externe Spannglieder) im Innern des Kastenquer-

schnitts, als interne Längsspannglieder ohne Verbund im Steg oder bei der Quervorspannung von Fahrbahnplatten ohne Verbund innerhalb des Betonquerschnitts des vorzuspannenden Betonteils, Vorspannung mit sofortigem Verbund: Spannglieder werden nach dem Vorspannen so in den Beton eingebettet, dass gleichzeitig mit dem Erhärten des Betons die Verbundwirkung entsteht (Fertigteile), Vorspannung mit nachträglichem Verbund: Der Beton wird zunächst ohne Verbundwirkung zwischen Spanngliedern (in Hüllrohren verlegt) und Beton vorgespannt, später wird die Verbundwirkung durch das Auspressen der Hüllrohre mit Verpressmörtel hergestellt. Vorspannung als Mischbauweise: Es werden sowohl interne Längsspannglieder mit Verbund im Betonquerschnitt als auch externe Spannglieder im Innern des Kastenquerschnitts verwendet. Bei der Misch­bauweise werden nach [DIN-FB 102, 2003], 3.4 (1) P besondere Anforderungen zu späteren Möglichkeiten von eventuell erforderlichen Verstärkungsmaßnahmen gestellt. Ein wesentliches Merkmal der Spannverfahren mit nachträglichem Verbund und der internen Spannglieder ohne Verbund ist, dass die Spannglieder weitgehend beliebige Vorspannführung erlauben. Lediglich durch die einzuhaltenden Krümmungs­ radien wird der frei wählbare Verlauf der Spanngliedführung begrenzt. Es ist auch möglich, die Spannglieder an beliebigen Stellen innerhalb des Tragwerks enden zu lassen. Dadurch können, für beliebige Stel-

5.2  Balkenbrücken

309

len Größe, Lage und Richtung der erforderlichen Vorspannkräfte sowie der Zeitpunkt ihrer Aufbringung den Erfordernissen angepasst werden. Die Anspannstellen müssen jedoch während des Spannvorgangs zugänglich sein. Wenn Spannglieder innerhalb des Tragwerks enden, ist bei der konstruktiven Ausbildung der Bewehrung darauf zu achten, dass im Bereich der inneren Verankerungen den Querkraftsprüngen aus der Vorspannung (zusätzliche Schub­­bewehrung) und der erforderlichen Spaltzugbewehrung Rechnung getragen wird. Wie bereits erwähnt führte Dischinger bei den ersten vorgespannten Betonbrücken die Spannglieder außerhalb des Querschnitts. Diese externe Vorspannung wird ohne Verbund, mit den Vorteilen der Nachspannbarkeit und der Austauschbarkeit der Spannstähle, ausgeführt. Auch in Frankreich wurden bereits um 1950 vier Brücken mit Vorspannung ohne Verbund gebaut [Metzler/Schmitz, 1998]. Danach ist diese Art der Vorspannung lange Zeit nicht mehr angewendet worden. Seit Mitte der siebziger Jahre wurde das Prinzip der extern geführten Spannglieder, zunächst in Frankreich und in den USA, wieder aufgegriffen. In Frankreich stand bei dieser Weiterentwicklung der extern geführten Spannglieder die Qualitätsverbesserung der Brücken im Vordergrund. Die Spanngliedführung,

5,51

32,60

36,00

Längsschnitt in Brückenachse

38,00

40,00

die geringen und besser abschätzbaren Reibungsverluste beim Vorspannen und die jederzeitige Nachspannbarkeit und Austauschbarkeit der Spannglieder waren wichtige Kriterien. Zudem erlauben die extern geführten Spannglieder die Eigenlast des Überbaus durch die Verringerung der Stegdicken zu reduzieren. Auch die Einbringung des Betons wird erleichtert. Die Konstruktionsform der Massivbrücken wird in ganz besonderem Maße durch die Bauausführung beeinflusst. Dabei werden auch bewährte Konstruktionsformen laufend verbessert. Am Beispiel der Unkelsteinbrücke, der Hochstraße Ludwigshafen und der Elztalbrücke (Bilder 5.2.1-8 bis 5.2.1-11) soll die Entwicklung der Pilzbrücken gezeigt werden. Es sei angemerkt, dass es fraglich ist, ob die Pilzbrücke und auch die anschließend besprochene Freivorbauweise in allen ihren Formen im strengen Sinn als Balkenbrücken zu bezeichnen sind. Auf sie wird hier aber deshalb eingegangen, weil die Entwicklung der Bauformen von besonderem Interesse ist und auch der Zusammenhang von Konstruktion und Bauausführung deutlich wird. Bei der nach einem Entwurf (Beteiligung bei der Gestaltung: Architekt Gerd Lohmer) und der technischen Bearbeitung von Dyckerhoff & Widmann 1956/57 in Arbeitsgemeinschaft gebauten Unkelstein­ brücke parallel zum Rhein im Zuge der B 9

40,00

40,00

40,00

346,56

41,06

6,00

38,90

bahn

von Köln Untersicht

desBun

B9 Alle

nach Mainz Draufsicht

Bild 5.2.1-8   Unkelsteinbrücke, Längsschnitt, Unter- und Draufsicht (DYWIDAG-Archiv)

310

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.2.1-9    Unkelsteinbrücke

Fuge

37,50

37,50

37,50

37,50

379.30 37,50

37,50

37,50

37,50

37,50 37,50

20,90 20,90

3000 3000

20,90

Bild 5.2.1-10   Längsschnitt und Untersicht der Elztalbrücke, Bild nach [Schambeck/Foerst, 1973]

von Köln nach Mainz, wurde der 358 m ­lange Überbau als Durchlaufträger über neun Felder als zweizelliger Kasten mit 2 m Konstruktionshöhe gebaut. An den Wider­ lagern und über den Pfeilern ist der Kasten durch Querscheiben ausgesteift. An einer der mittleren Innenstützen ist der Überbau mit dieser Stütze biegesteif verbunden. An den beiden Widerlagern werden die Kräfte vom Überbau in die Widerlager über je drei Pendellager übertragen. An sieben der acht Innenstützen ist der Überbau auf jeweils vier Vielrollenlagern auf tellerartigen Stützenköpfen (Vorläufer der Pilzköpfe) auf einer Mittelstützenreihe gelagert. Die Rol-

len sind in einem allseits geschlossenen Rahmen gefasst und gewährleisten die Längsverschieblichkeit des Überbaus in der Bauwerksachse infolge Temperaturänderungen und der Verkürzungen aus dem Kriechen und Schwinden des Betons, während die Querverschiebung des Überbaus ausgeschlossen wird. Die Stützen haben Abstände von 32,60 m bis 41,06 m von­ einander. Die Weiterentwicklung dieser Konstruktionsart führte zur monolithischen Verbindung des Überbaus mit der Stütze, dem Pilzkopf. Diese Entwicklung führte zur festen Verbindung des Überbaus mit den Stützen über die Zwischenstufen

37 500

Schalung

Bild 5.2.1-11   Längsansicht und Querschnitt des freitragenden Gerüstwagens der Elztalbrücke, Bild nach [Schambeck/Foerst, 1973]

Fahrschienen

Hinteres Fahrwerk

1 240 7 800 1 240

Bühne ausgefahren

Unter Arbeitsbühne

Hydr. Pressen

3 300 3 300

37 500

Pfeiler

Hilfsgerüst

±0

Schalung in Fahrstellung Vorrichtung zum Ablasen der Schalung Bühne eingefahren

Mittlerer Stüzbock Mittlerer Längsträger Seitlicher Längsträger

Obere Arbeitsbühne

Bühne eingefahren

Schalung in Betonierstellung

Mittlerer Längsträger

Abgang zum Pfeiler zur Montage des Stüzbockes

Seitl. Stützbock beim Betonieren des Abschnitts I (Leerstellung)

Untere Arbeitsbühne

16 000

Mittlerer Stüzbock

5.2  Balkenbrücken 311

312

Hochstraße Ludwigshafen mit diagonalen Trag­rippen und die Hochstraße Vahrer Kreuz in Bremen mit annähernd konti­ nuierlich in die Platte des Überbaus auslaufenden Pilzköpfen zu der im Bild 5.2.1-10 als System dargestellten 380 m langen Elztalbrücke bei Kaisers­esch in der Eifel. Der Überbau ist eine 30 m breite vorgespannte Betonplatte mit veränderlicher Dicke, die im Abstand von 37,5 m in Mittelstützen eingespannt ist und nur im mittleren Feld eine Querfuge hat. Der Überbau, die Stützen und die Widerlager sind monolithisch miteinander verbunden, nur an der Querfuge sind in Längsrichtung gegenseitige Verschiebungen möglich. Die bis zu 100 m hohen Stützen haben achteckige Hohlquerschnitte, deren Querschnitte über die Höhe konstant sind und Außenabmessungen von 4,8 m ∙ 5,8 m haben. In den Feldern ist die Platte jeweils zwischen 50 cm und 65 cm dick, und zu den Stützen nimmt ihre Dicke pilzförmig auf 2,45 m zu. Der Bau des Überbaus erfolgte abschnittsweise mit einem Vorschubgerüst (Bild 5.2.1-11). Von dem über der Überbaukonstruktion liegenden Hauptlängsträger des Vorschubgerüsts kra-

5  Haupttragwerke der Überbauten

gen beidseitig Querrahmen aus, die die Scha­lung für den Überbau tragen. Der Hauptlängsträger des Vorschubgerüsts wird auf Stützböcken gelagert, die sich auf die bereits im vorhergehenden Bau­ abschnitt hergestellten Brückenabschnitt und dem nächsten Pfeiler auflagern. Nachdem der jeweilige Bauabschnitt fertigge­ stellt ist, wird das Vorschubgerüst ohne zusätzliche Hilfsmaßnahmen um eine Abschnittslänge nach vorn verschoben. Nach dem Prinzip der Elztal­brücke sind viele Brücken, insbesondere verschiedene Hangbrücken beim Bau der Brennerautobahn, gebaut worden. Ein weiteres typisches System für weitgespannte Spannbetonbrücken ist der Auslegeträger, der vor allem für die im Frei­ vorbau errichteten Brücken verwendet wird. Es seien hier die wohl bekanntesten Brücken dieses Systems erwähnt, die 1950 ge­baute Lahnbrücke Balduinstein (Bilder 1.4-51 und 2.1-12), die mit ca. 62 m Spannweite die erste Brücke dieses Typs ist, die Nibelungenbrücke in Worms (Bilder 1.4-52, -53 und 5.2.1-13), die Moselbrücke Koblenz, die Rheinbrücke Ben-

Bild 5.2.1-12   Lahnbrücke Balduinstein, Ansicht und Schnitte, Bild nach [Finsterwalder, 1951]

5.2  Balkenbrücken

313

Bild 5.2.1-13   Längs- und Querschnitt der Nibelungenbrücke in Worms über den Rhein, Bild nach [Finsterwalder/Knittel, 1953]

Bild 5.2.1-14   Längs- und Querschnitte der Rheinbrücke Bendorf, Bild nach [Finsterwalder/ Schambeck, 1965]

dorf (Bilder 1.4-54, 3.8-11 und 5.2.1-14), die Hamana Brücke in Japan (Bild 1.4-56) mit 240 m Spannweite und schließlich die im Mittelbereich aus Leichtbeton LC 60 mit einer Rohdichte von 1,94 kg/dm³ hergestellte Stolma Brücke (siehe Bild 9.1.3-14) in der Nähe von Bergen in Norwegen [Ingebrigtsen, 1999], die mit 301 m Spannweite zur Zeit die im Freivorbau errichtete Betonbrücke mit der größten Spannweite ist. Für den Freivorbau, mit Auslegeträgern im Bauzustand, ist der Kastenträger (Bil-

der 5.2.1-13 und -14) besonders geeignet. Die hohen negativen Momente aus der Kragarmbelastung mit den horizontal gerichteten Zugkräften am oberen Rand des Kragträgers werden durch Spannglieder, die lotrechten und schräggerichteten Zugkräfte in den Stegen durch Betonstahl und/ oder Spannstahl und die schräg in den Stegen und parallel zum unteren Rand gerichteten Druckkräfte durch den Beton aufgenommen. Entsprechend dem Momentenverlauf wird die Konstruktionshöhe so ab-

314

gestuft, dass sich die erforderliche vorgespannte Längsbewehrung in der Zugzone, in der Längsrichtung gestaffelt, so ergibt, dass die Zahl der benötigten Spannglieder zum Kragarmende etwa gleichmäßig abnimmt. Durch das abschnittsweise Bauen lassen sich die jeweils im betreffenden Bauabschnitt endenden Spannglieder einfach vorspannen. Bei Verwendung von Stabstäben, wie sie von der Fa. Dyckerhoff & Widmann in der Anfangszeit der Freivorbauweise ausschließlich verwendet wurden, können die für die folgenden Bauabschnitte benötigten Spannglieder mit einfachen Muffenverbindungen gekoppelt werden. Bei modernen Ausführungen werden vorzugsweise Litzenspannglieder verwendet, die bauabschnittsweise über die jeweilige Bauabschnittslänge in Hüllrohre eingeführt und vorgespannt werden. Ein wesentliches Konstruktionsprinzip besteht weiterhin darin, dass die bereits erwähnte Veränderlichkeit der Konstruktionshöhe des Kragträgers so gewählt wird, dass auch eine annähernd konstante Schubbeanspruchung der Stege erreicht und deshalb die erforderliche Schubbewehrung über die Trägerlänge nahezu konstant wird (Bilder 5.2.1-15 und -16). Die Bodenplatte im Querschnitt über der Stütze wird in der Regel deutlich dicker als im Feldbereich gewählt, um die dort erforderliche größere Druckzone zu erzielen. Bei sehr großen Spannweiten empfiehlt es sich, auch die Dicke der Fahrbahnplatte im mittleren Bereich des Felds zu verringern, weil sich ja die Anzahl der in der Platte angeordneten Spannglieder kontinuierlich von der Stütze zur Feldmitte hin verringert und deshalb weniger Platz für die Unterbringung der Verankerungskörper der Spannglieder benötigt wird. Die 1963 fertiggestellte Moselbrücke Thörnich (Bild 5.2.1-17) mit 84,5 m Mittelspannweite ist eine der nach diesem Konstruktionsprinzip errichteten Brücken. Sie wurde nicht komplett im Freivorbau errichtet, sondern zwischen den Achsen 1–3

5  Haupttragwerke der Überbauten

Spannglieder Druckkräfte

Bild 5.2.1-15   Konstruktionsprinzip beim Freivorbau mit Spanngliedführung und Druckkraftlinien

Bild 5.2.1-16   Konstruktionsprinzip mit an­ nähernd konstanter Schubbeanspruchung der Stege

und 5–7 wurde sie auf Lehrgerüsten hergestellt. Dabei wurde zunächst der westliche Brückenteil (der linke Teil in Stromrichtung gesehen) zwischen den Achsen 6 und 5 auf Gerüst hergestellt. Während der Vorbauwagen bei Achse 5 montiert wurde, erfolgte die Herstellung der Platte zwischen den Achsen 6 und 7. Während darauf folgend der Freivorbau zwischen den Achsen 5 und 4 erfolgte wurde der Brückenteil zwischen den Achsen 1 und 3 auf Gerüst hergestellt. Anschließend erfolgte der Umbau des Vorbauwagens von Achse 4 nach Achse 3 und schließlich wurde der Brückenteil zwischen den Achsen 3 und 4 im freien Vorbau hergestellt und die beiden Kragarme mit dem Einbau des Gelenks in Achse 4 verbunden und damit der Überbau fertig gestellt. Im Bild 5.2.1-18 ist die prinzipielle Anordnung der Längs-Vorspannbewehrung im Querschnitt dargestellt. In den jeweiligen Arbeitsfugen wurde ein Teil der Spannglieder vorgespannt und verankert.

5.2  Balkenbrücken

315

Bild 5.2.1-17   Moselbrücke Thörnich, Längs- und Querschnitte, Gelenkausbildung zur Übertragung von Querkräften

Bild 5.2.1-18   Querschnitt der Moselbrücke Thörnich mit Spanngliedverteilung in der Querrichtung

Bild 5.2.1-19   In einem Gelenk gekoppelte Kragträger im unverformten (oben) und verformten (unten) Zustand

Die in der jeweiligen Arbeitsfuge endenden und vorzuspannenden Spannglieder wurden nach den Stegen gezogen. Die anderen Spannglieder wurden in die nächsten Bauabschnitte geführt.

Die eben besprochenen Auslegerbrücken, die im Freivorbau errichtet werden, sind oft, in der Anfangszeit fast immer, so konstruiert worden, dass in den Feldmitten Gelenke angeordnet werden, über die nur Querkräfte übertragen werden, die Übertragung von Biegemomenten und Längskräften jedoch ausgeschlossen wird [Finsterwalder/Schambeck, 1965]. Infolge dieser Mittelgelenke treten unstetige Durchbiegungen im Bereich dieser in Feldmitte angeordneten Gelenke auf. Auch wenn Gelenksysteme bei der Herstellung wirtschaftlicher sein können als Durchlaufsysteme, sollte wegen der Unstetigkeiten der Tangentenneigungen (Knick) für neu zu errichtende Brücken grundsätzlich angestrebt werden auf diese Mittelgelenke ganz zu verzichten, was durch entsprechende konstruktive Ausbildung meistens möglich ist. In einigen Fällen wird es trotzdem zweckmäßig sein, Mittelgelenke anzuordnen, wenn auf einfache Weise Korrekturen der Gradiente der Brücke möglich sind. Im Bild 5.2.1-19 oben sind zwei durch ein Mittelgelenk gekoppelte Kragträger im unverformten und im verformten Zustand skizzenhaft dargestellt. Treten nun im Laufe der Zeit größere Durchbiegungen auf als erwartet und voraus berechnet, was bei vielen derartigen Systemen in der Tat eingetreten ist,

316

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.2.1-20   Hangbrücke Würgau

lässt sich durch nachträglich eingezogene Spannglieder die Höhenlage der Gradiente korrigieren und auf das gewünschte Maß bringen. Bei bereits bestehenden Brücken ist allerdings der Einbau geeigneter Verankerungsbalken, die auch durch Stahlkonstruktionen ersetzt werden können, notwendig. Bei neu zu bauenden Brücken kann man konstruktiv gleich entsprechende Vorkehrungen zum nachträglichen Einziehen entsprechender Spannglieder treffen. Verwendet man für diese Spannglieder solche ohne Verbund, kann man gegebenenfalls notwendige weitere Korrekturen auch in mehreren Schritten leicht vornehmen. Der bereits 1973 gemachte Vorschlag [Mehlhorn, 1973] ist zweckmäßiger als die mitunter vorgenommene Korrektur der Gradiente durch Aufbringen zusätzlichen Ausgleichbetons und Asphalts. Im Abschnitt 9.1.3 wird ausführlicher auf die im Freivorbau errichteten Brücken und die damit zusammen hängenden Probleme und die üblichen Varianten beim Bau eingegangen, worauf verwiesen wird. Ein typisches Beispiel für die wirtschaftliche Herstellung von Durchlaufträgern ist die Hangbrücke Würgau (Bild 5.2.1-20), die typisch für Brücken mit ca. 30 m bis 45 m Stützweite ist, wobei der Querschnitt als querträgerloser, zweistegiger Plattenbalken ausgebildet ist. Dabei ist es unerheblich, ob die vorschiebbaren Rüstträger durch Böcke

zwischenunterstützt werden oder ob sich diese Rüstträger frei tragen. Andere Beispiele sind die Autobahnhochstraße der Umgehung Köln, bei der verfahrbare Lehrgerüste verwendet wurden (Bild 5.2.1-21) und die Pleichachbrücke im Zuge der Autobahn Fulda – Würzburg (Bild 5.2.1-22). Hier wurde erstmals das „Rechenschieberprinzip“ angewendet. Dabei haben die seitlichen Rüstträger die Länge eines Felds, während der mittlere Träger über zwei Felder reicht. Zum Umsetzen der Vorbaurüstung werden die seitlichen Rüstträger an einem Kranwagen aufgehängt, der über dem langen, frei auskragenden, auf Rollböcken vorgestreckten Mittelträger läuft, und anschließend verfahren wird. Hinten werden sie durch eine auf dem fertiggestellten neuen Feld laufende Transportkonstruktion abgefangen. Bei dem Bausystem, das beim Bau der Brücke am Kettiger Hang (Bild 5.2.1-23) angewendet wurde, ist neben den eigentlichen Rüstträgern, die etwas länger als ein Feld sind, ein vorlaufender Vorbauträger, der über zwei Felder reicht, zum Umsetzen der Rüstung erforderlich. Beim Bau sehr langer Brücken in Takten, die als Durchlaufträger auf Rüstträgern in feldweisen Bauabschnitten mit in den Momentennullpunkten angeordneten Bauabschnittsgrenzen hergestellt wurden, ist bei den Anwendungen dieser Baumethode in

5.2  Balkenbrücken

317 b

a

Schalung

∅ 1,90

Rüstträger O.K.S.

b 29,50

a 29,50

29,50

max. 11,00

Arbeitsfuge

2,00

Rüstung in Betonierstellung

Arbeitsschritt

∅ 1,90 O.K.S.

Fahrgestell

Vorfahren der Rüstung 3,30

2,00

32,80 4%

9,20

7,80

9,20

3,30

4% Rüstträger Fahrgestell

Konsolen

Stahlstützen

klappbare Bodenplatten

17,00

Schnitt a – a

Schnitt b – b

Bild 5.2.1-21   Autobahnhochstraße der Umgehung Köln, Bild nach [Beyer/Thul, 1967]

den ersten Jahren mitunter nicht beachtet worden, dass die Arbeitsfuge, in der die Spannglieder abschnittsweise vorgespannt und gekoppelt wurden (mitunter wurden sogar alle Spannglieder in der Arbeitsfuge vorgespannt, mit Koppelstellen verlängert und jeweils an den nächsten Arbeitsfugen wieder vorgespannt und durch weitere Kopplungen verlängert) wegen des an die-

ser Stelle scheinbar rechnerisch erforderlichen geringen Bewehrungsgrads sehr sensibel auf nicht direkt ermittelte Zusatzbeanspruchungen reagieren. Dazu zählen z. B. die Traggerüstverformungen während der Herstellung, ungleiche Erwärmung des Überbaus bei statisch unbestimmten Sys­ temen, Bauwerksimperfektionen und Zwangs­beanspruchungen aus Kriechen

318

5  Haupttragwerke der Überbauten

Rüstträger in Betonierstellung hinterer Kranwagen vorderer Kranwagen

RV

R

Vorfahren der Rüstträger einschließlich Schalung

2,20

R

36,25

RV

36,25

36,25

36,25

Vorfahren der Rüst- und Vorbauträgers Arbeitsfuge RV

R 1,90

Querschnitt 28,80

R = Rüstträger einschließlich Schalung RV = Rüst- und Vorbauträger

2,20

14,40

7,90 5,00

5,00 14,50

max. 29,00

14,40

Bild 5.2.1-22   Pleichachtalbrücke, Bild nach [Beyer/Thul, 1967]

und Schwinden des Betons. Sie wirken sich auf die Gebrauchstauglichkeit stärker aus als in den übrigen Bereichen. Diese eben genannten Zusatzbeanspruchungen können nach der üblichen Technischen Biegetheorie ermittelt werden. Beachtet werden sollte, dass in der Betonierfuge eine abgeminderte Betonzugfestigkeit zu erwarten ist.

Aus der bereits erläuterten Herstellungsund Vorspannfolge an Arbeitsfugen mit Spanngliedkopplungen, häufig vereinfachend Koppelfugen genannt, treten aus der Eintragung der Vorspannkraft als konzentrierte Kraft Abweichungen vom nach der Technischen Biegetheorie für Balken linear veränderlichen Verlauf der Normalspan-

39,20

39,20

39,20

Windenplattform

39,20

Vorbauträger

Bild 5.2.1-23   Brücke am Kettiger Hang, Bild nach [Beyer/Thul, 1967]

39,20

Vorfahren des Vorbauträgers

39,20

Fahrrichtung

3 % Gefälle

b

b

39,20

vorderer Kranwagen

Vorfahren der Rüstträger einschließlich Schalung

39,20

Rüstträger in Betonierstellung

39,20

Rollenböcke

3 % Gefälle

39,20

39,20

Fahrrichtung

39,20

Rüstträger mit Stahlschalung

6,125

a

39,20

hinterer Kranwagen

39,20

Versetzungstraverse

39,20

a

39,20

39,20

9,00

Schnitt b – b

7,20

1,80

Schnitt a – a

1,80

Rollenbock

Vorbauträger

39,20

6,125

2,10 Stahlschalung Rüstträger

2,10

81,40

5.2  Balkenbrücken 319

320

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.2.1-24   Modellscheibe zur Erläuterung der Vorspannung an einer ergänzten Scheibe

nungen auf. Dieses Problem wird zunächst prinzipiell an einer mittig belasteten, einfachen Modellscheibe (Bild 5.2.1-24) erläutert. Aus den im Bild 5.2.1-25 angegebenen Verformungs- und Spannungsbildern der Modellscheibe ist deutlich zu erkennen, dass im Bereich der Betonierfuge mit der Spanngliedkopplung die Normalspannungen über die Scheibenhöhe nicht konstant sind. Entsprechend würden sie bei ex­zentrischer Krafteintragung über die Scheibenhöhe nicht linear veränderlich sein. Es sind daraus drei Schlussfolgerungen zu ziehen: 1. In diesem Bereich muss der Spannungsverlauf nach der Elastizitätstheorie ermittelt werden, wie dies ja für alle Bereiche mit Eintragungen von konzentrierten Lasten üblich ist. Die Technische Biegetheorie (Navier) ist für die Ermittlung des Spannungszustands in diesem Bereich nicht anwendbar. 2. Es ist an der Betonierfuge mit Spanngliedkopplungen nicht nur Bewehrung zur Aufnahme der Spaltzugkräfte aus der Eintragung der Vorspannkräfte im zuerst hergestellten Bauabschnitt anzuordnen, die hier für die vollen Vorspannkräfte zu dimensionieren ist. Auch auf der ergänzten Seite der Betonierfuge mit Spanngliedkopplungen ist eine Spaltzugbewehrung anzuordnen, die aber geringer (etwa 50%)sein darf. 3. In den Betonierfugen sollten nicht alle Spannglieder gekoppelt werden. Ein wesentlicher Teil der Spannglieder sollte ungestoßen durchlaufen!

Bild 5.2.1-25   Verformungen und Hauptspannungen an der Modellscheibe. a) Scheibe I mit mittiger Vorspannung (links Verformung, rechts   Hauptspannungen) b) Scheiben I+II verbunden, Spannglieder gekoppelt und am Ende (rechts) vorgespannt (oben Verformungen, unten Hauptspannungen)

Ende 1970 wurde bei routinemäßigen Über­ prüfungen bei zwei Spannbetonbrücken einige Jahre nach ihrer Verkehrsübergabe an deren sämtlichen Koppelfugen Rissschäden festgestellt [Fehse, 1972, Pfohl, 1973], im Sachverständigen Ausschuss Spannverfahren des Instituts für Bautechnik von Herrn Pfohl darüber berichtet und das ­Phänomen von mir erklärt. Im Rahmen ­einer Verlängerung des Zulassungsbescheids des LEOBA-Spannverfahrens ­wurde Herr Baur anlässlich der Beratungen im SVA Spannverfahren auf den Effekt ­hingewiesen, worauf der Beitrag [Baur/ Göhler, 1972] entstanden ist.

5.2  Balkenbrücken

321

Betrachtete Koppelfuge

29,85

13 × 25,5 = 331,5

21,15

15 × 25,5 = 382,5

Bild 5.2.1-26   Statisches System der untersuchten Brücke

a)

275

325

42

35

325

113

26

275

136 150

Ankerplatten

b) idealisierter Querschnitt

32,7

113

Maßangaben in cm 250

200 143

Bild 5.2.1-27   Querschnitt des zweistegigen Plattenbalkens a) Querschnitt des zweistegigen Plattenbalkens b) Der der Berechnung zugrunde gelegte idealisierte Querschnitt

Am Beispiel einer ausgeführten zweistegigen Plattenbalkenbrücke wird beispielhaft die Auswirkung des Effekts gezeigt [Mehlhorn/Hoshino, 1974]. Im Bild 5.2.126 ist das statische System des Platten­ balkens (Bild 5.2.1-27a), der feldweise auf einem Vorschubgerüst als durchlaufender, vorgespannten Träger ausgeführt wurde, angegeben. In der Berechnung mit dem im Bild 5.2.1-27b gezeigten idealisierten Querschnitt wurden nur die Scheibenspannungszustände berücksichtigt, der Einfluss der Plattenwirkung blieb unberücksichtigt. Die Zulässigkeit dieser Vereinfachung wurde von Hoshino in seiner Dissertation [Hoshino, 1974] nachgewiesen. Betrachtet wird die Koppelfuge zwischen dem dritten und dem vierten Bauabschnitt. Im Bild 5.2.1-28 sind die untersuchten Lastfälle 1–4 angegeben. Der Lastfall 1 ist

die Vorspannung des fertiggestellten Bauabschnitts, der Lastfall 2 ist die Vorspannung des neu anbetonierten Abschnitts nach der Spanngliedkopplung, wobei das Zwängungsmoment aus Vorspannung zu berücksichtigen ist. Die Lastfälle 3 und 4 sind die Eigen- und Verkehrslasten mit der Laststellung, die für die Koppelfuge das größte Biegemoment ergibt. In den Bildern 5.2.1-30 und 5.2.1-31 sind die Rechenergebnisse für die Spannungsverteilung, und in der Tabelle 5.2.1-1 sind die Normalspannungen am unteren Rand des Steges unmittelbar links neben der Fuge aus Vorspannung angegeben, wie sie sich aus der Technischen Biegetheorie und nach der genaueren Berechnung nach Zustand I (ungerissener, unbeschränkt elastischer Werkstoff) ergeben. Zusätzlich sind auch die Span­nungen aus Eigen- und Verkehrslast angegeben und bei den angegebenen

322

5  Haupttragwerke der Überbauten

a) Lasfall 1: Vorspannung

470 kN/m

18,8 MN/m

b) Lasfall 2: Vorspannung und Zwängungsmoment

Nc,p = –12,69 MN Mc,p = –6,61 MNm Mzw = 4,83 MNm

470 kN/m

+ 18,8 MN/m

Schwächung des Querschnitts

c) Lasfall 3: Eigenlast und ständig wirkende Lasten g = 100 kN/m Mg = 2,25 MNm Qg = –410 kN

+

d) Lasfall 4: Verkehrslasten Q=195 kN 1,50

2,85

1,50

2,80 q=28 kN/m

Mq=1,53 MNm Qq = –80 kN

+

4,35

4,30 Spannglied Betonstahl

Bild 5.2.1-28   Untersuchte Lastfälle für die Untersuchung der Koppelfuge des vorgespannten, zweistegigen Plattenbalkens

Spannungen aus Vorspannung sind die mit der FEM nach der Elastizitätstheorie ermittelten Anteile aus der Vorspannung am statisch bestimmten Hauptsystem und aus dem Zwängungsmoment getrennt aufgeführt. Die Spannungen aus Eigen-, Verkehrslast und Zwängungsmoment sind für

die beiden Rechenannahmen gleich, weil dafür die Berechnung nach der Technischen Biegetheorie zutreffend ist. Die geringen Unterschiede bei den in der Tabelle 5.2.1-1 angegebenen Werten beruhen darauf, dass bei den nach der FEM berechneten Spannungen die gemittelten Schwer-

5.2  Balkenbrücken

Bild 5.2.1-29   Längsspannungen σx aus Vorspannung an der Koppelfuge (Berechnung linear elastisch), Verlauf im Steg

punktsspannungen zweier benachbarter Betonelemente angegeben sind. Für die Randspannungen aus der Eintragung der Vorspannung ergeben sich an der Koppelfuge beträchtliche Unterschiede nach den beiden Theorien. Nach der genaueren Be-

323

rechnung erhält man am unteren Querschnittsrand in der Koppelfuge 4,2 N/mm2 geringere Längsdruckspannungen als sie sich nach der Technischen Biegetheorie ergeben. Es ist an diesem Beispiel erkennbar, warum bei vielen in der damaligen Zeit gebauten Brücken an den Koppelfugen Risse aufgetreten sind. Aus den Bildern 5.2.1-29 und 5.2.1-30 ist ersichtlich, dass die Längsspannungen in der Koppelfuge selbst bei linear-elastischer Berechnung deutlich vom linearen Verlauf abweichen. Die Abweichungen klingen umso mehr ab je weiter der betrachtete Schnitt von der Koppelfuge entfernt ist. In der Koppelfuge sind die Längsspannungen größer als die Zugfestigkeit des Betons, weshalb es am unteren Rand zur Rissbildung kommt. Im Bild 5.2.1-31 sind noch die Verläufe der berechneten Längsspannungen im ungerissenen Zustand I und im gerissenen Zustand II jeweils über die Höhe des Stegs und in Längsrichtung für den unteren Rand im Bereich der Koppelfuge angegeben. Die Zugspannungen im Beton werden nach der Rissbildung kleiner, und die Stahlspannungen im Riss wachsen an.

Bild 5.2.1-30   Längsspannungen σx aus Vorspannung an der Koppelfuge (Berechnung linear elastisch), Verlauf in der Fahrbahnplatte

324

5  Haupttragwerke der Überbauten

Tabelle 5.2.1-1  Normalspannungen im Beton am unteren Rand des Stegs unmittelbar links neben der Koppelfuge in N/mm2 Lastfall Technische Biegetheorie (Lineare Spannungsverteilung)

FEM-Elastizitätstheorie

1+2

3

4

1+2+3+4

–1,1

+3,1

+0,3

stat. best. Anteil

–13,8

aus Zwängungs­ moment

+12,1

Summe

–1,7

stat. best. Anteil

–9,1

aus Zwängungs­ moment

+11,6

Summe

+2,5

-0,9

+2,9

+4,5

+4,2

+0,2

-0,2

+4,2

Abweichungen zwischen Elastizitätstheorie und Technischer Biegetheorie

Ausführlichere Ergebnisse von Untersuchungen zu diesem Problem, wobei auch der Einfluss des Kriechens des Betons berücksichtigt wurden, sind in [Dietrich, 1979 und Mehlhorn et al., 1983] enthalten, worauf verwiesen wird. Beim Beton wachsen während der ­Hydratation des Zements die Festigkeit und der Elastizitätsmodul mit der Er­ härtung des Betons an. Durch diese Entwicklung der Festigkeit und des Elastizitätsmoduls des Betons und des Wärmevorgangs als Folge der Hydratation des Zements mit folgendem Abkühlen auf die Umgebungstemperatur verbleiben bei der Herstellung in Betonierabschnitten im Endzustand parallel zur Arbeitsfuge gerichtete Zugspannungen im anbetonier­ ten und Druckspannungen im zuvor betonierten Bauabschnitt. Unter der vereinfachten Annahme, dass die Wärmeentwicklung und die Entwicklung des Elastizitätsmoduls während des Abbindevorgangs zunächst linear anwachsen und der Elastizitätsmodul während des Abkühlungsprozesses konstant bleibt (Bild 5.2.132), ergeben sich aus der Berechnung an einer Modellscheibe die parallel zur Ar-

beitsfuge gerichteten Zugspannungen im Beton zu: E·T max σ = α · 8 (5.2.1-1) 4 mit α Temperaturdehnzahl des Betons E Elastizitätsmodul des erhärteten Betons T größter Temperaturunterschied des Betons zwischen den beiden Bauabschnitten, der zum Zeitpunkt des Abschlusses des Abbindevorgangs im neubetonierten Bauabschnitt auftritt Der Größtwert für den Temperaturunterschied T, der zwischen den beiden Bauabschnitten auftritt, hängt von der Dicke der Querschnitte, der Betonzusammen­setzung, insbesondere vom verwendeten Zement, und von den während des Abbindens des Betons vorhandenen Umgebungsbedingungen ab. Die Abbindetemperatur kann einen Wert bis zu etwa 70 °C erreichen. Die nach Gleichung (5.2.1-1) ermittelten Werte können als obere Abschätzung für die auftretenden Spannungen angenommen werden. Es wird noch darauf hingewiesen, dass

5.2  Balkenbrücken

325

a) Verlauf der Längsspannungen im Beton σc über die Höhe des Steges an der Stelle 2,5 cm links der Koppelfuge

b) Verlauf der Längsspannungen im Beton σc (x) an der Unterkante des Steges

c) Stahlspannungsverlauf σs (x) der unten im Steg liegenden Bewehrung

Bild 5.2.1-31   Vergleich der nach den Zuständen I und II berechneten Verläufe der Längsspannungen σx aus Vorspannung an der Koppelfuge im Steg

326

5  Haupttragwerke der Überbauten

T (t)

0

t

tO

Bild 5.2.1-33   Prinzip des Taktschiebeverfahrens

E (t) E = konst

0

tO

t

Bild 5.2.1-32   Vereinfachte Annahmen für die Wärmeentwicklung und die Entwicklung des Elastizitätsmoduls

in den Querschnitten noch zusätzliche Eigenspannungszustände auftreten [Zeitler, 1983], worauf verwiesen wird. Eins der erfolgreichsten, weil sehr wirtschaftlichen Bauverfahren zur Ausführung durchlaufender Betonträger ist das im Stahlbau schon lange angewendete Taktschiebeverfahren [Göhler, 1999]. Hierbei werden Teilstücke etwa zwei Teilstück­ längen hinter dem Widerlager in einer dort ortsfesten Schalung hergestellt (Bild 5.2.1-33). Die Takte sind zwischen 6 m und 30 m lang, und sie werden monolithisch miteinander verbunden. Am ersten Teilstück wird ein Vorbauschnabel angeschlossen. Die Brücke wird dann in Takten in ihre end­ gültige Lage längs verschoben. Damit der Beton während des Wochenendes erhärten kann, wird in der Regel die Fertigung im Wochentakt gewählt. Die wirtschaftliche Herstellung der Brücken mit dieser Bauweise setzt voraus, dass die Brücke eine bestimmte Mindestlänge hat, Göhler nennt

dafür Brückengesamtlängen von mindestens 200 m. Die Spannweiten der Brücken sollten zwischen 30 m und 50 m liegen. Bei großen Spannweiten ist es zweckmäßig Hilfspfeiler während des Vorschubvorgangs anzuordnen. Die vom Ingenieurbüro Leonhardt und Andrä, insbesondere ist hier Willi Baur zu erwähnen, entwickelte Taktschiebe-Bauweise vereinigt zur Herstellung monolithischer Tragwerke die Vorteile der werkmäßigen Fertigung in einer Feld­ fabrik mit denen der Ortbetonbauweise in idealer Weise. Die Fertigungsanlage bietet Witterungsschutz, es herrschen praktisch Arbeitsbedingungen wie in einer Fabrik. Die sich ständig wiederholenden Arbeitsgänge senken den Zeitaufwand. Ausführlich wird auf die Herstellung der Brücken im Taktschieben im Abschnitt 9.1.4 ein­ gegangen. Das System der Schrägkabelbrücke ist im Stahlbau für größere Spannweiten üblich. Im Bild 5.2.1-34 sind die wichtigsten im Stahlbau gebräuchlichen derartigen Systeme gezeigt. Man unterscheidet prinzipiell einfache oder mehrfache Schrägkabelanordnungen, die als Büschel, Harfe, Fächer oder Stern ausgebildet werden können. Zur Tragwirkung sind im Bild 5.2.1-35 statische Ersatzsysteme zur Vorbemessung von Schrägkabelbrücken angegeben, die ohne weitere Erläuterung die statische Wirkungsweise erkennen lassen. Für die statische Berechnung ist dann das Systemverhalten als

5.2  Balkenbrücken

327

Bild 5.2.1-34   Gebräuchliche Systeme für Schrägkabelbrücken, Bild nach [Feige, 1966]

Bild 5.2.1-35   Statische Ersatzsysteme zur Vorbemessung von Schrägkabelbrücken

äußerlich und innerlich statisch unbestimmtes Rahmentragwerk nach der technischen Biegetheorie für räumliche Stabtragwerke am verformten System unter Berücksichtigung der Vorspannung der Kabel zu untersuchen. Dabei ist die realis­ tische Beschreibung der Biege- und Tor­ sionssteifigkeiten des Überbau-Balkens und des Pylons sowie der Dehnsteifigkeiten der Schrägkabel für die Nachweise der Gebrauchstauglichkeit, der Tragfähigkeit und des Schwingungsverhaltens der Brücke von besonderer Bedeutung. Im Betonbrückenbau wurde die Anwendung des Systems der Schrägkabelbrücken mit dem Bau der Brücke über den Mara­ caibo-See in Venezuela eingeleitet. Ein Ausschnitt des statische Systems der Hauptöffnungen dieser 1959/62 nach einem Entwurf des italienischen Ingenieurs Morandi errichteten Brücke ist im Bild 5.2.1-36 gezeigt. Die Maracaibobrücke besitzt insgesamt fünf Hauptöffnungen mit je 235 m Spannweite. Die gesamte Brücke ist ca. 

8,7 km lang. Sie ist überwiegend aus vorgefertigten Teilen, die am Ufer gefertigt wurden, hergestellt worden. Nach einem Entwurf ebenfalls von Morandi wurde 1963/66 die Autobahnbrücke Polcevera in Genua mit einer Hauptspannweite von 208 m nach dem gleichen Prinzip gebaut. Auch die mit 282 m Spannweite 1968/71 gebaute WadiKuf-Brücke in Libyen (Bild 5.2.1-37) ist nach dem gleichen Konstruktionsprinzip gestaltet. Bei der Autobahnbrücke Polce­ vera und der Wadi-Kuf-Brücke wurden die Schrägkabel als Spannbeton-Kabel ausgeführt. Im Bild 5.2.1-38 ist das System der Stromöffnung der Waalbrücke bei Tiel gezeigt. Diese nach dem System des Büschels

Bild 5.2.1-36   System der Maracaibobrücke, Bild nach [Dimel, 1963]

328

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.2.1-37   System der Wadi-Kuf-Brücke, Bild nach [Morandi, 1974]

Bild 5.2.1-38   System der Waalbrücke bei Tiel nach [Loenen, 1973]

gebaute Brücke besitzt je zwei unter 1 : 2 und 1:1 geneigte Abspannungen vom Pylonkopf zum Überbau. Das Mittelstück besteht aus vier je 425 t schweren vorgefertigten Einhängeträgern mit T-Querschnitt. Die Spannbeton-Schrägkabel wurden aus 5,15 m langen Betonfertigteilen mit Spanngliedkanälen mit Überhöhung so zusammengesetzt, dass die Kabel nach Entfernen der Montageunterstützung nicht wesentlich durchhängen. Beim Bau der zur Jahreswende 1971/72 fertiggestellten zweiten Mainbrücke der Farbwerke Hoechst [Schambeck, 1973] wurde erstmals eine Betonbrücke für Eisen­

bahn- und Straßenverkehr als Schrägkabelbrücke in Harfenform mit dichter Anordnung der Schrägkabel (Bild 5.2.1-39) gebaut. Die konstruktive Lösung wurde aus der Freivorbauweise mit über die Länge an-

Bild 5.2.1-39   System der 2. Mainbrücke der Farbwerke Hoechst, Bild nach [Schambeck, 1973]

5.2  Balkenbrücken

329 A B

Regensburg

68,85

Passau

145,00

68,00

68,00

Bild 5.2.1-40   Ausschnitt aus dem statischen System der Donaubrücke Metten

nähernd konstantem Schubkraftverlauf, d. h. mit im Steg etwa konstantem Schubbewehrungsbedarf, entwickelt (s. Bild 5.2.117). Der im freien Vorbau hergestellte Streckträger ist als Beton-Kastenträger ausgebildet. Die Mittelspannweite beträgt 148 m, die beidseitig anschließenden Seitenfelder spannen über 39 m und 26 m. Die Konstruktionshöhe beträgt 2,65 m. Die Rand­felder mit unterschiedlichen Stützweiten wirken als Rückhaltefelder. Die Lasten von etwa 100 m des Überbaus des Felds mit der großen Spannweite werden über Schräg­

Schnittführung für die Berechnung des Umlenkbereiches der Spannglieder am Pylonkopf mittels finiter Elemente S. A.

Spannbündel 19 ∅ 6''-Litzen, Pzul = 2589 KN

6 × 19

1,30 65 b=

1,60

,5 =1,7

65

6×

7

19,5

BX/D = 0,84 BY/D = 0,84 bis 1,38 D: Hüllrohrdurchmesser

b

m

7,73

95 m

=6,

6,18

Rm R= m b= 1,60

Bild 5.2.1-41   Pylonkopf der Donaubrücke Metten

R=

5 =1,0 1:2

0 = 2,4

6 × 22,6 =1,356

1,30

BV

BX

1,60

kabel in Harfenform zum Pylon getragen, während etwa 48 m zum benachbarten Pfeiler abgetragen werden, weshalb dort ein vollwandiger Träger mit linear veränderlicher Konstruktionshöhe angeordnet ist. Für den Bau der als Schrägkabelbrücke ausgeführten Donaubrücke Metten [Scham­ beck/Kroppen, 1982] waren sowohl die Ver­ ankerung und Umlenkung der Schräg­ kabelkraft mit Radien von 8 m an den beiden Fußpunkten im Kastenträger des Überbau-Streckträgers (B in Bild 5.2.1-40) als auch dessen Umlenkung mit Radien von

330

5  Haupttragwerke der Überbauten

Mörtel Elemente Typ „UTLQ1“ Stahl Elemente Typ „UTLQ1“ Beton Elemente Typ „IPQQ“

Bild 5.2.1-42   Elementnetz für die FEM-Berechnung des Spannungszustands am Pylonkopf der Donaubrücke Metten

6,18 m bis 7,73 m (mittlerer Radius 6,95 m) am Kopf des Pylons (A in Bild 5.2.1-40) zu untersuchen. Aus dem Bild 5.2.1-40 ist der für die Untersuchungen wesentliche Ausschnitt des statischen Systems der Donaubrücke Metten im Bereich des Schrägkabels

ersichtlich. Das Schrägkabel ist ein Spannbetonquerschnitt mit 56 Litzenspanngliedern Typ Dywidag mit 19 ∅ 6˝-Litzen mit einem charakteristischen Wert für die Zugfestigkeit von 1770 N/mm2. Die gesamte Schrägkabelkraft beträgt 135 MN. Es war

Reihenfolge der Vorspannung 5.2  Balkenbrücken (halber Zügelgurt)

331

Reihenfolge der Vorspannung (halber Zügelgurt)

Vorspannen zunächst ­aller 56 Spannglieder (8 Spannglieder neben- und 7 übereinander) nacheinander und dann erst anschließendes Verpressen der Spannglieder zu nicht vertretbar hohen Betondruckspannungen geführt hätte, ­weshalb der ursprünglich angestrebte Vorspann- und Verpressvorgang jeweils aller Spannglieder ausgeschlossen werden muss­te. Deshalb wurde nach einer alternativen Aufeinanderfolge für das Vorspannen und Verpressen der Spann­glieder des Schräg­kabels gesucht. Im Bild 5.2.1-41 sind das Schrägkabel und der ­Pylonkopf dargestellt. Der Schnitt, für den die Spannungen nach der FEM berechnet wurden, ist im Bild 5.2.1-41 angegeben. Das Elementnetz für die FEM-Berechnung mit dem Programm STRUDL [ICES STRUDL II] ist aus dem Bild 5.2.-42 ersichtlich. Für die Modellierung des Betons wurden isoparametrische Elemente mit 8 Knoten verwendet. Die Stahl- und Verpressmörtelanteile im verpressten Hüllrohr wurden mit kompatiblen Dreiecksele­ menten modelliert. Die im Bild 5.2.1-42 angegebene Element-Typenbezeichnung ist der STRUDL-Elementbibliothek [ICES STRUDL II] entnommen. In Voruntersuchungen wurde die erforderliche Diskre­ tisierung untersucht. Das gewählte Netz ergab im Vergleich zu Netzverfeinerungen nur etwa 4% höhere Werte für die Größtwerte der Spannungsspitzen, was ausreichend genau ist und dem Problem angepasst vernünftige Rechenzeiten ergab. Die geringsten Beanspruchungen aus den Umlenkkräften aus Vorspannung für den Pylonkopf erhält man, wenn nacheinander die einzelnen Lagen 1 bis 7 der Spannglieder mit der Lage 1 beginnend sukzes­sive vorgespannt und anschließend sofort verpresst werden bevor die darüber liegende Spanngliedlage vorgespannt und ebenfalls sofort verpresst wird. Diese Vorspann- und Verpressfolge ergibt aber gerade für die Beanspruchungen an den beiden Fußpunkten des Schrägkabels, an der Ein-

STUFE 2 6 Spgl.

STUFE 2 6 Spgl.

STUFE 3 7 Spgl.

STUFE 4 9 Spgl.

STUFE 3 7 Spgl.

STUFE 4 9 Spgl.

wird gespannt bereits gespannt und injiziert

Bild 5.2.1-43   Alternative Vorspann- und Verwird gespannt pressfolgen für die Donaubrücke Metten bereits gespannt und injiziert

zu klären, ob die örtlich konzentrierten Druck- und Querzugspannungen in den Umlenkbereichen während des Bauzustands nach dem Vorspannen und vor dem Verpressen der Spannkanäle aufgenommen werden können und wie die Vorspannfolge der einzelnen Spannglieder und der Verpressvorgang zu erfolgen hat. Im Folgenden werden einige Ergebnisse der FEM-Berechnungen für die Beurteilung der Umlenkungen am Pylonkopf durch­ geführten Untersuchungen [Mehlhorn et al.,  1980], [Cornelius, 1980] angegeben. Für die Vorspannfolge der einzelnen Spannglieder ergaben die Berechnungen, dass das

332

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.2.1-44   Betondruckspannungen für die Vorspann- und Verpressfolge b nach Abschluss der vier Stufen

5.2  Balkenbrücken

333

Bild 5.2.1-45   Betonzugspannungen für die Vorspann- und Verpressfolge b nach Abschluss der vier Stufen

334

5  Haupttragwerke der Überbauten

oy Druck N/mm2

4

6

4

6

8

7

12

9

b

–15 a –7,5

10 10

0

20 20

a

28 28

i

Vorspannfolge a

b

7,5

ox

Zug

Vorspannfolge b

: wird gerade vorgespannt : zuvor bereits vorgespannt und Verpressen : alle Spannglieder vor dem Verpressen vorgespannt

Bild 5.2.1-46   Vergleich der Spannungen für alternative Vorspann- und Verpressfolgen für die Donaubrücke Metten

führung in den Streckträger mit Umlenkung, die ungünstigsten Beanspruchungen. Diese Folge kam deshalb ebenfalls nicht in Frage. Als für alle kritischen Bereiche hat sich die im Bild 5.2.1-43 angegebene Vorspann- und Verpressfolge b in vier Stufen (mit der Stufe 1 beginnend, danach folgen die Stufen 2 bis 4 nacheinander) unter Berücksichtigung der Beanspruchungen in den beiden Bereichen als optimal erwiesen. Die sich ergebenden Betondruckund Betonzugspannungen für diese Folge b sind für den Endzustand nach der Stufe 4 in den Bildern 5.2.1-44 und 5.2.1-45 angegeben. Im Bild 5.2.1-46 sind für verschiedene Vorspann- und Verpressfolgen ebenfalls jeweils in vier Stufen die größten Betondruck- und Betonzugspannungen angegeben. Der Fall a entspricht einer lagenweise Vorspann- und Verpressfolge. Wie schon ausgeführt, ist dieser Fall für die Beanspruchungen am Pylonkopf zwar günstig, aber an den Einführungen in den Streckträger

ungünstig. Der Fall b ist die ausgeführte optimierte Vorspann- und Verpressfolge. Außerdem sind zum Vergleich noch die größten Betondruck- und Betonzugspannungen angegeben, die auftreten würden, wenn zunächst alle Spannglieder vorgespannt und erst anschließend alle Spannglieder verpresst worden wären. Als Entscheidungskriterium für die Wahl der Vorspann- und Verpressfolge dienten die auftretenden Betondruckspannungen. Die auftretenden größten Betonzugspannungen waren in allen untersuchten Fällen so groß, dass sie über der Zugfestigkeit des Betons lagen. Zur Aufnahme der Zugkraftresultanten wurde Bewehrung aus Betonstahl in Querrichtung jeweils oben und unten liegend zwischen den Spanngliedlagen angeordnet. Inzwischen hat mit der weiteren Entwicklung der Schrägkabelbrücken in Massivbauweise auch bei Spannweiten zwischen 250 m und 500 m der fruchtbare Wettbewerb zwischen Stahl- und Massivbrücken

5.2  Balkenbrücken

wichtige Entwicklungen beider Bauweisen beeinflusst, wie dies auch bereits früher bei Balkenbrücken mit Spannweiten bis 250 m der Fall war. Ausführlich wird auf Schrägkabelbrücken in den Abschnitten 5.5 und 9.1.6 eingegangen. 5.2.2  Stählerne Balkenbrücken

Günter Ramberger, Francesco Aigner und Thomas Petraschek 5.2.2.1  Vollwandbrücken Gegenüber anderen Baustoffen (Stahl­beton, Holz) gestatten Stahlbrücken mit voll­wan­ digen Trägern Stützweiten und Schlankheiten, die von anderen Baustoffen nicht erreicht werden, da Stahl von allen Massenbaustoffen das geringste Verhältnis von ­Eigenlast zur Tragfähigkeit der Konstruk­ tion aufweist. Ob stählerne Balkenbrücken gegenüber Stahlbeton- oder Spann­betonBalkenbrücken konkurrenzfähig sind, ­entscheiden Stützweite, Schlankheit und ­Montagebedingungen. Generell kann ­gesagt werden, dass bei unbeschränkter Konstruktionshöhe Straßenbrücken ab etwa 120 m und Eisenbahnbrücken ab etwa ­60 m Stützweite, bei beschränkter Konstruktionshöhe Straßenbrücken mit einer Schlankheit l/h ≥ 30, für Eisenbahnbrücken

Bild 5.2.2-1   Balkenbrücken mit unterschiedlichen Schlankheiten [Leonhardt, 1982]

335

l/h ≥ 20 (Bild 5.2.2-1), vor allem aber bei räumlich oder terminlich stark eingeschränkten Montageverhältnissen, aus Stahl gegenüber Stahlbetonbrücken konkurrenzfähig werden. Die einfachste Form der Balkenbrücke stellt der Einfeldträger dar. Dieser Träger folgt mit dem Obergurt, der bei Deckbrücken mit dem Deckblech der Fahrbahn identisch ist, immer der vorgegebenen Gradiente, der Träger selbst wird meist parallelgurtig gestaltet. Die Anpassung an die Schnittgrößen erfolgt meist nicht durch Zunahme der Konstruktionshöhe in Feldmitte. Bei Brücken in Kuppen wird manchmal der Untergurt horizontal ausgeführt und damit die größere Konstruktionshöhe in Feldmitte ausgenützt. Durch Wahl entsprechender Untergurt-, Deckblech- und Stegdicken, eventuell auch durch Wahl von Blechen mit höheren Festigkeiten in den hochbeanspruchten Bereichen wird das Tragwerk den Schnittgrößenverläufen angepasst. Nur in seltenen Fällen werden die Längsträger der Fahrbahnplatte in Feldmitte verstärkt. Die Blechabstufungen folgen heute praktisch immer den Austeilungen der Montagestöße, da Stumpfstöße in Feldern wesentlich teurer kommen als das Mehrmaterial. Sollte bei Eisenbahnbrücken der Ermüdungsfestigkeitsnachweis maßgebend werden, so bringt eine Erhöhung der Materialfestigkeit keinen Vorteil. Ähnlich verhält es sich bei großen ‒ > 1,0), wenn der StabiltätsSchlankheiten (λ nachweis für den Tragfähigkeitsnachweis maßgebend wird. Bei Durchlaufträgern ist zwischen der klassischen drei- oder mehrfeldrigen Strombrücke mit einer großen Mittelöffnung und kleineren, meist halb so großen Seitenöffnungen und den mehrfeldrigen Talübergängen mit meist gleichen Innenfeldern und etwas kleineren (70 bis 80 %) Randfeldern zu unterscheiden. Die klassische Strombrücke weist meist gevoutete Träger auf, wobei die Höhe an der Voute etwa l/20 bis l/30 beträgt und in

336

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.2.2-2   Balkenbrücke mit unterschiedlichen Voutenhöhen

Bild 5.2.2-3   Mehrfeldrige Balkenbrücken mit unterschiedlichen Schlankheiten

­Feldmitte und an den Rändern der Seitenfelder auf etwa l/70 bis l/40 abnimmt. Wegen der sehr geringen Konstruktionshöhe in Feldmitte sieht dieser Balken überaus elegant aus (Bild 5.2.2-2). Beim oberen Teilbild von Bild 5.2.2-2 werden Konstruktionshöhen von hStütze = l/20 und hFeld = l/70 verwendet, beim unteren Teilbild Konstruktionshöhen von hStütze = l/30 und hFeld = l/40. Bei mehrfeldrigen Talübergängen wird meist der parallelgurtige Vollwandträger mit Konstruktionshöhen l/20 bis l/35 verwendet (Bild 5.2.2-3), selten der an den Stützen gevoutete Träger. Die Verringerung der Stützweite in den Randfeldern sorgt für etwa gleiche Beanspruchungen in jedem Feld. Ist dies nicht möglich, sind besondere Maßnahmen vorzusehen, wie z.B. Unterspannungen bei großen Randfeldern. 5.2.2.2  Fachwerkbalken Eine besondere Form der Balkenbrücke stellt im Stahlbau der Fachwerkbalken dar. Der entscheidende Vorteil des Fachwerkbalkens gegenüber dem Vollwandbalken liegt in der Möglichkeit, das Haupttragwerk über der Fahrbahn anzuordnen, ohne den Benutzer der Brücke in seiner Aussicht we-

sentlich einzuschränken, da bei schlanken Fachwerkstegen die „Maschen“ für die Durchsicht groß genug sind. Damit kann bei einer geringen Bauhöhe zwischen Fahrbahnoberkante und Tragwerksunterkante eine beliebig hohe Konstruktionshöhe der Träger gewählt werden. Liegen die Obergurte über dem Lichtraumprofil, werden im Allgemeinen obere Verbände ange­ ordnet. Von den vielen möglichen Fachwerk­ systemen wird heute das parallelgurtige Strebenfachwerk als ästhetisch befriedigendes Tragwerk angesehen. Die Neigung der Streben zur Horizontalen betragen zwischen 45° und 60° (Bild 5.2.2-4). Die Stützweiten sind in gleiche Gefache zu teilen. Bei Einfeldträgern werden 8 bis 12 Gefache, bevorzugt 10, verwendet, bei Durchlaufträgern im großen Feld 10 bis 16 Ge­ fache, bevorzugt 12 (Bild 5.2.2-5). Die Seitenfelder der Durchlaufträger sollten Stützweiten haben, die einem ganzzahligen Vielfachen der Gefachlänge der Hauptöffnung entspricht. Obergurte von Fachwerkträgern werden meist als Kastenquerschnitte, bei kleineren Stützweiten auch als Hutquerschnitte ausgeführt. Kastenquerschnitte sind gegen­über Hutquerschnitten steifer, haben weniger

5.2  Balkenbrücken

337

Bild 5.2.2-4   Fachwerkbalken mit unterschiedlichen Neigungen der Streben

Schnitt A  A Bild 5.2.2-5   Fachwerkbalkenbrücke als Durchlaufträger (l1  : l2  : l1 = 0,75 : 1 : 0,75) Montagefenster

Schnitt A  A Montagefenster Systemachse Montagestoß Systemachse Montagestoß Montagestoß Montagestoß Montagestoß Montagestoß

Bild 5.2.2-6   Obergurtknoten [DS 804]

Anstrichfläche und benötigen dieselbe Anzahl durchlaufender Schweißnähte. Die Knotenbleche in den Stegen der Obergurte werden im Werk vollständig eingeschweißt. Der Montagestoß im Gurt wird oft am

Ende des Knotenblechs angeordnet (Bild 5.2.2-6). Der Untergurt des Fachwerkbalkens wird von der Fahrbahnplatte gebildet. Untergurte können mit einwandigen oder

338

5  Haupttragwerke der Überbauten

Schnitt A  A Montagestoß

Montagestoß Montagefenster

Montagestoß

Systemachse

Schnitt B  B

Bild 5.2.2-7   Untergurtknoten [DB – Richtzeichnungen], [DS 804]

5.2  Balkenbrücken

339

Bild 5.2.2-8   Anschluss der Diagonale [DS 804]

zweiwandigen Stegen ausgebildet werden. Die einwandige Ausbildung hat den Vorteil der leichteren Zugänglichkeit für den Anschluss der Querträger (Bild 5.2.2-7). Bei Gefachen bis 5 m werden die Querträger nur an den Fachwerkknoten angeordnet. Bei größeren Gefachlängen werden weitere Querträger in ganzzahligen Teilpunkten angeordnet. Dadurch entsteht aber in den Fachwerk-Untergurten Zwischenbiegung, die bei den Nachweisen beachtet werden muss. Auch bei einwandigen Untergurten werden zweiwandige Knotenbleche zum Anschluss der Diagonalen verwendet (Bild 5.2.2-8). Die Diagonalen werden bei kleineren Fachwerken als H-Profile, bei größeren zu-

mindest die Druckdiagonalen als Kastenprofile ausgebildet. Die Anschlüsse der Diagonalen an Ober- und Untergurte werden immer biegesteif, entweder stumpf geschweißt oder als ein- oder zweischnittige Laststöße GVverschraubt, ausgeführt. Da bei Kastenquerschnitten sowohl der geschweißte als auch der geschraubte Anschluss schwieriger herzustellen ist als bei H-Profilen, werden oftmals die Stege der Kastenquerschnitte am Anschluss abgebogen und auf ein Stegblech zusammengeführt. Damit wird erreicht, dass die Vorteile der hohen Knicksteifigkeit im Feld vorhanden bleiben, der Anschluss jedoch mit einem offenen H-Profil erfolgt, was wegen der Zugänglichkeit wesentlich einfacher ist (Bild 5.2.2-9).

340

Bild 5.2.2-9   Abbiegen der Stege eines Kastenquerschnittes im Anschlussbereich

5.2.3  Balkenbrücken als Verbundbrücken oder Mischkonstruktionen

Ulrike Kuhlmann und Annette Detzel 5.2.3.1  Vollwandbrücken Allgemeine Kriterien Vollwandbrücken stellen ein besonders wirtschaftliches System zur Lastabtragung dar. Die klare, nicht in einzelne Bauteile gegliederte Konstruktion lässt sich einfach

Bild 5.2.3-1   Eisenbahnüberführung BW 228

5  Haupttragwerke der Überbauten

fertigen und montieren. Da die Erstellungskosten heute zu einem besonders wichtigen Teil durch die Lohnkosten bestimmt werden, ist dieses System des vollwandigen Biegebalkens so beliebt. Durch die Biegebeanspruchung werden zwar nur die Randfasern des Querschnitts voll ausgenutzt, aber die im Vergleich z. B. zu Fachwerkkonstruktionen schlechtere Materialausnutzung wird durch den Vorteil der geringen Anzahl von Schweißnähten und der Möglichkeit, in vielen Fällen durch güns­ tige Einhubmontage von vollständigen Brü­ckenteilen oder Hauptträgern die Lohn­kosten gerade auf der Baustelle zu reduzieren, ausgeglichen. Durch den relativ hohen Materialaufwand sind allerdings die Vollwandbrücken als reine Biegebalken für lange Stützweiten nicht geeignet. Hier gewinnt bei den bemessungsrelevanten Lasten die Eigenlast gegenüber der Verkehrslast an Bedeutung, so dass das statische System auch hinsichtlich Gewichtsoptimierung zu wählen ist. Der typische Einsatzbereich einer Verbundbrücke als Vollwandbrücke liegt beim Einfeldträger im Stützweitenbereich zwischen 30 m bis 60 m, bei Durchlaufträgern (eventuell gevoutet) sind Stützweiten über 100 m möglich. Neben Wirtschaftlichkeit und Spannweite spielen für die Entscheidung für eine Verbundvollwandbrücke auch die Lage und Umgebung eine Rolle. Das betrifft zum einen den erforderlichen Lichtraum unter der Brücke, der unter Umständen die Bauhöhen stark einschränkt. Bild 5.2.3-1 zeigt

5.2  Balkenbrücken

341

Bild 5.2.3-2   Elbebrücke Torgau

als Beispiel die Eisenbahnüberführung BW 228 über die Autobahn A4 in Köln, wo stählerne Eisenbahnbrücken mit einer Konstruktionshöhe von nur etwa 1,2 m durch Verbundbrücken ersetzt wurden. Autobahn und Schienenlage ließen hier keine größeren Bauhöhen zu [Kuhlmann, 1995]. Zum anderen betrifft es die Einbindung der Brücke in Landschaft und Umgebung. Wie bei der Elbebrücke Torgau erlauben Vollwandbrücken in Verbundbauweise sehr schlanke Brückenkörper, die sich in der Formgebung gegenüber anderen spektakuläreren Bauwerken zurücknehmen. Der Entwurf der Brücke wurde entscheidend davon bestimmt, das Erscheinungsbild des Schlosses Hartenfels in unmittelbarer Nachbarschaft der Brücke nicht zu stören, siehe Bild 5.2.3-2. Ausbildung mit Voute Die Elbebrücke Torgau ist auch ein Beispiel für eine gevoutete Vollwandträgerbrücke. Besonders wirtschaftlich sind die Vollwandträger dort, wo ein ausgeglichener Momentenverlauf, wie z. B. bei Durchlaufträgern gegeben ist. Durch Vouten kann der Querschnitt im Stützbereich an hohe Momente angepasst und es können dadurch auch entsprechend große Stützweiten erreicht werden. Beispiele hierfür sind u. a. neben der Elbebrücke Torgau, die Böckinger Brücke in Heilbronn [Engländer et al., 1997], die mit einer Voutung von 2,8 m im Feld auf 5 m an der Stütze das Neckarfeld mit ca. 98 m überspannt, oder das Viaduc de Schengen, das den Grenzfluss Mosel zwischen Deutsch-

land und Luxemburg mit den Stützweiten 49 – 72,5 – 72,5 – 87,5 – 130 – 88,5 – 59 – 48 m quert [Emge/Girard, 2001]. Bei der Elbebrücke Torgau wird die große Hauptöffnung von 106 m über der Elbe sowie das Überflutungsgebiet durch einen Verbundträger mit einzelligem Kastenquerschnitt und einer hohen Voute am Hauptpfeiler überspannt. Durch die hohe Steifigkeit im Bereich der 5,6 m hohen Voute, die durch einen Doppelverbundquerschnitt, also Betonplatten im Ober- und Untergurt, noch erhöht wird, werden die Schnittgrößen gezielt zu diesem Pfeiler verlagert. Entsprechend verringern sich die Momente am gegenüberliegenden Stützquerschnitt, an dem die sehr geringe Bauhöhe mit nur 2,6 m eine möglichst freie Ansicht des Schlosses erlaubt. Allerdings kann bei einem gevouteten Längsschnitt der Überbau nicht eingeschoben werden. Die Konstruktion muss dann von der Seite oder von unten eingehoben werden. Entsprechend wurde zum Beispiel die Moselbrücke Schengen nur über die ersten drei Feldbereiche mit konstanter Bauhöhe geschoben, die übrigen z. T. gevouteten Schüsse wurden dann durch Kranmontage und das Strommittelteil durch Einschwimmen und Litzenhub montiert. Ähnliches gilt für die Elbebrücke Torgau, bei der auch das 63 m lange Schlussstück eingeschwommen und mit Kranen eingehoben wurde. Bemerkenswert ist bei der Elbebrücke Torgau außerdem, wie die Vorlandbrücken in Spannbeton mit dem Verbundüberbau biegesteif gekoppelt sind. Der Spannbeton-

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querschnitt wird auf einer Länge von 7,4 m in den Verbundkasten hineingeführt. Die Lastübertragung erfolgt durch Kopfbolzendübel. Auch die Längsspannglieder werden in den ausbetonierten Verbundquerschnitt geführt. Man vermeidet so auf dem Trennpfeiler zwischen Spannbetonund Stahlverbundüberbau einen unterhaltungsintensiven Fahrbahnübergang und die Ausbildung von zwei getrennten Lagerachsen. Auch Lagerkonstruktionen erfordern eine regelmäßige Kontrolle und Wartung und möglicherweise ein vorzeitiges Auswechseln, so dass durch weniger Lager Vorteile bei der Unterhaltung entstehen. Die Unterhaltung der Lagerkonstruktionen ist besonders aufwendig, wenn es zu abhebenden Lagerkräften kommen kann. Abhebende Lagerkräfte Bei sehr unterschiedlichen Spannweitenverhältnissen (Bild 5.2.3-3) oder auch bei schiefwinkligen Brückenenden können bei Balkenbrücken an den Auflagern der Endfelder Zugkräfte entstehen, die allein durch die Eigenlast der Brücke nicht zu über­ drücken sind. Die Teerhofbrücke über die

5  Haupttragwerke der Überbauten

Weser in Bremen [Steffens et al., 1995] zeigt hier ein extremes Beispiel für unterschiedliche Stützweiten (100,7 – 16 m), siehe Bild 5.2.3-3. So führen am Widerlager Schlachte abhebende Lasten von maximal 7 MN zu einer kräftigen Abspannkonstruktion mit Gelenkbolzen. Verbundbrücken bieten gegenüber reinen Stahlbrücken neben ihrer höheren Auflast durch das Gewicht der Platte gute Möglichkeiten, wegen der hohen Steifigkeit durch Absenkmaßnahmen eine Vorspannung der Lager zu erzielen und dem Ab­ heben so entgegenzuwirken. So wurden bei der Eisenbahnüberführung BW 228 über die Autobahn A4 bei Köln, siehe Bild 5.2.3-1, durch Absenkmaßnahmen an den Pfeilerachsen zwischen 30 und 50 cm sowohl abhebende Kräfte an den Widerlagern speziell in den spitzen Ecken überdrückt als auch eine vorteilhafte Druckvorspannung in der nicht vorgespannten Verbundplatte erzeugt. So positiv die hohe Längssteifigkeit für die Wirksamkeit von Absenkmaßnahmen ist, so nachteilig ist diese hohe Steifigkeit für den Einfluss von Zwängungen. Dies

Bild 5.2.3-3   Teerhofbrücke Bremen, Ansicht und Draufsicht

5.2  Balkenbrücken

macht sich besonders bei engen Lagerabständen in Brückenquerrichtung und Pressenanordnung unter steifen Verbundquerträgern bemerkbar. Bei dem Bauwerk 228 handelt es sich um einen offenen Plattenbalkenquerschnitt mit sieben Haupt­trägern, die im Grundriss als schiefwinkliger Trägerrost über drei Felder (Stützweiten 16,5 – 27,4 – 23,4 m) wirken. Die Hauptträger sind nur in den Lagerachsen untereinander über Verbundquerträger gekoppelt. In diesen Achsen ist jeder Hauptträger für sich gelagert. Es gibt also sieben Einzellager im Abstand von 2,2 m bzw. 3 m. Bei einer solchen engen Stützung und der hohen Steifigkeit der Verbundquerträger führen winzige Lagerhebung von wenigen Millimetern zu extremen Schnittgrößen im Verbundquerträger und Abhebekräften der Lager. Die übliche Forderung, jedes Lager für sich auswechseln zu können, ist also mit normalen Bemessungsansätzen nicht realisierbar. Daher wurde nur ein Auswechseln der Lager bei gleichzeitigem Anheben einer gesamten Lagerachse gefordert. Bei fünf Hauptträgern pro Überbau mit jeweils zwei Pressen ist ein solches ,gleichzeitiges‘ Anheben aller Lager einer Achse natürlich auch nicht so einfach durchzuführen. Während der Umbauten im Bauzustand hat man daher gekoppelte Pressen eingesetzt und die Kraftgrößen an den Lagern kontrolliert. Eine weitere Lösung zur Verbesserung der Lagesicherheit ist die Ballastierung der Brückenenden. So kann über Ballastbeton das Trägerende an den Widerlagern so beschwert werden, dass die Eigenlast ausreicht, die abhebende Kraft aus Verkehr und Konstruktionsgewicht im Feld zu überdrücken. Bei der Moselbrücke BernkastelKues [Kuhlmann, 1996] führt das Stützweitenverhältnis (36,4 – 74,4 – 36,4 m) von in etwa 1 : 2 : 1 an den Widerlagern zu einer so geringen Auflast aus dem Gewicht der Brücke, dass bei Verkehrsbelastung in Brückenmitte die Lager dort abzuheben drohen. Statt einer Abhebesicherung durch

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Anker o. ä. werden die Brückenenden durch hinter das Lager auskragende massive Be­ tonendquerträger ballastiert. Die Ballastierung reicht allerdings allein zur Gewährleistung der theoretischen Lagesicherheit nicht aus, so dass ein zusätzliches Anheben der Brückenenden um ca. 20 cm erforderlich war. Der Bauablauf ist ausführlich im Abschnitt 9.4.1 beschrieben. Die Beispiele zeigen, wie gerade bei vollwandigen Durchlaufträgern in Verbundbauweise die Schnittgrößen und Lagerkräfte durch Montagemaßnahmen gezielt gesteuert werden können. 5.2.3.2  Fachwerkbrücken Allgemeine Gesichtspunkte Der in Tragwerken verwendete Werkstoff wird sicherlich am besten ausgenutzt, wenn er eine reine Normalkraftbeanspruchung erhält. Demzufolge sind Fachwerke hinsichtlich der Materialausnutzung besonders effiziente Tragwerke. Allerdings besteht diese Effizienz nur, wenn die mechanischen Annahmen eines idealen Fachwerks wie – gerade Stäbe – nahezu reibungsfreie gelenkige Knoten – äußere Kräfte nur in den Knoten auch verwirklicht sind. Typischerweise sind aber gerade die letzten beiden Bedingungen in realen Fachwerkkonstruktionen nicht erfüllt. In den Fachwerkknoten als ­geschweißte Stahlknoten können Biege­ momente entstehen, so dass insbesondere für Eisenbahnbrücken gefordert wird, zur Erfassung dieser Nebenspannungen im Betriebsfestigkeitsnachweis das Fachwerk als biegesteifes Rahmensystem zu unter­ suchen, siehe z. B. Richtlinie 804, Abs. 4 [DB AG, 2003]. Noch deutlicher wird die Verletzung der idealen Fachwerkbedingungen am Obergurt, der als in den Fachwerkknoten örtlich gestützter „Durchlaufträger“ planmäßig Biegebeanspruchung aus der

344

Fahrbahn erhält. Neben dieser eingeschränkten reinen Normalkraftwirkung gibt es einige weitere Nachteile, die gerade für moderne Stahl- und Verbundbrücken Fachwerklösungen weniger nahe legen. Die Feingliedrigkeit führt zu höherer Korro­ sionsanfälligkeit und schwierigerer Unterhaltung, eine größere Anzahl von Schweißnähten im Vergleich zu Vollwandkonstruktionen erhöht die Fertigungskosten. Trotzdem gibt es gerade in jüngster Zeit wieder mehr Fachwerkbrücken und seit einigen Jahren auch als Fachwerkverbundkonstruktionen. So wurde zum Beispiel eine der ersten Fachwerkverbundbrücken in Deutschland, das Nesenbach-Viadukt als Eisenbahnbrücke in Stuttgart [Grüter/Kobbner, 1985], einer Stahlbetonkonstruktion vorgezogen, weil das Fachwerk winddurchlässiger ist und im Vergleich zur Vollwandbrücke keine so starke optische und klimatische Barriere darstellt. Grundsätzlich bieten sich Fachwerklösungen wegen des geringeren Gewichts, der hohen Steifigkeit und der geringen Windangriffsfläche immer an, wenn große Spann­ weiten zu überbrücken sind oder kleine Durchbiegungen gefordert werden z. B. bei Eisenbahnbrücken. Neben den Aspekten des geringen Gewichts und der hohen Steifigkeit spielt bei einer Reihe von Fachwerkbrücken jüngerer Zeit das Aussehen eine große Rolle. Die Möglichkeit einer sehr filigranen „durchsichtigen“ Konstruktion hat in einer Reihe von Fällen, wo besonderer Wert auf die Gestaltung und die Einbindung in die Landschaft gelegt wurde, zur Entscheidung für eine Fachwerkkonstruktion geführt. Unterstrichen wird der positive optische Eindruck dann z. T. auch durch die Querschnittswahl der Fachwerkstäbe als Rohrquerschnitte. Ein weiteres weniger funktional geprägtes, aber nicht zu unterschätzendes Argument für eine Fachwerklösung ist bei Ersatz

5  Haupttragwerke der Überbauten

vorhandener Stahlfachwerkbrücken neben der Nutzung vorhandener Unterbauten durch gleichbleibend kleine Auflasten auch die Gewöhnung der Menschen an ein bestimmtes Ansichtsbild, das ihre Umgebung prägt [Grüter/Kobbner, 1985]. Wenn es um den Ersatz vorhandener Stahlfachwerkbrücken geht ist die Verbundbauweise ähnlich wie für die Vollwandbrücken wirtschaftlich gegenüber der reinen Stahllösung, weil die aufwendige Stahlfahrbahn durch die Verbundplatte aus Stahlbeton ersetzt wird. Allerdings kommen durch die Wirkung als Fachwerkobergurt für die Ausbildung der Verbundplatte einige besondere Überlegungen hinzu. Lage des Obergurts Wie der Querschnitt des Nesenbach-Viadukts, siehe Bild 5.2.3-4, zeigt, muss die Verbundplatte zumindest im Bereich der Fachwerkträger zu Plattenbalken aufgedickt werden, um neben der örtlichen Fahrbahnwirkung die Abtragung der Obergurtnormalkräfte und der oben beschriebenen Durchlaufträgerbiegung zu gewährleisten. Gleichzeitig zeigt der Querschnitt (Bild 5.2.3-4) das typische Eintauchen des Stahlfachwerkknotens in die Betonfahrbahn. Diese Bauweise bietet mehrere Vorteile: durch die Betonummantelung ist der Obergurt vollständig vor Korrosion geschützt, die Stabilisierung des Stahlobergurts und seiner Bleche ist durch die Betonfahrbahnplatte gegeben, und – wesentlich – die Schwerlinie des Stahlfachwerks und des Verbundfachwerks liegen nahezu in gleicher Höhe, so dass nur minimale Exzentrizitäten zwischen der Einleitung der Kräfte über die Stahlfachwerkknoten zu dem biegesteifen Verbundträger des Obergurts entstehen. Auch entstehen durch die Kragarmwirkung in Brückenquerrichtung in den vertikalen Verbundfugen Anpressdrücke, die die Verbundwirkung vorteilhaft beeinflussen, auch wenn das zur Zeit noch nicht rechnerisch berücksichtigt werden kann.

5.2  Balkenbrücken

345

Bild 5.2.3-4   Nesenbachviadukt, Querschnitt

Allerdings ist bei den liegenden Kopfbolzendübeln an den vertikalen Stegen, die sich in der Nähe der Oberfläche befinden, auf die Möglichkeit der durch Spaltwirkung reduzierten Tragfähigkeit zu achten [Breuninger/Kuhlmann, 2001]. Die zweite Möglichkeit, den Stahlobergurt unter der Verbundplatte anzuordnen, wurde zum Beispiel bei der Fuldatalbrücke Kragenhof [Keller et al., 1988] oder auch der Mainbrücke Nantenbach [Schwarz et al., 1995] angewandt. Man wird zu diesen Lösungen eher gelangen, wenn die Beanspruchungen des Stahlobergurts im Bauzustand groß sind und mit einem im Beton liegenden „Stahlhilfsgurt“ nicht mehr bewältigt werden können. In diesen Fällen kann selbstverständlich auch auf eine Aufdickung der Verbundplatte zu einem Stahlbetonplattenbalken wie beim NesenbachViadukt (Bild 5.2.3-4) verzichtet werden. Das Beispiel der Fachwerkverbundbrücke über den Teltowkanal in Berlin-Tempelhof zeigt, dass auch jüngste Fachwerkverbundkonstruktionen wieder den innen liegenden Stahlobergurt bevorzugen [Moser/Springer, 2000].

Einfeld- oder Durchlaufträger Bei der Fachwerkverbundbrücke über den Teltowkanal in Berlin Tempelhof wird die große Öffnung über den Teltowkanal, wie bei vielen ihrer Art, durch ein Einfeldträgersystem überspannt. Im Vorlandbereich mit relativ kleinen Spannweiten wird ein Spannbetonkasten als Durchlaufträger geführt. Im Übergang ist die Auflagerbank des gemeinsamen Pfeilers an die Höhe der Spannbetonbrücke angepasst und sind entsprechend die Auflagerpunkte der höheren Fachwerkverbundbrücke hochgezogen (Bild 5.2.3-5). Die Untergurte des Fachwerks bestehen aus geschweißten Kastenquerschnitten. Für die Diagonalen und die Obergurte wurden zusammengesetzte Doppel-TProfile verwendet. Entscheidend für die Herstellungskosten eines Fachwerkträgers ist die Anzahl der auszuführenden Schweißnähte und die Menge des einzubringenden Schweißguts. Durch die Anzahl der Knoten würden sich für die beiden zweistegigen Hauptträger 208 Diagonalblechanschlüsse und 200 Gurtblech­ anschlüsse ergeben. Indem die Gurt- und

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5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.2.3-5   Tempelhof, Längsschnitt Fachwerkträger

Knotenbleche an einem Stück gefertigt wurden, konnte die Zahl der Anschlüsse hier auf 48 reduziert werden. Der erforderliche Querschnittszuwachs wurde durch von außen nicht sichtbare Zusatzlamellen erzielt. Die Stöße wurden so ausgebildet, dass sich ein möglichst geringes Nahtvolumen ergab. Einfeldsysteme bieten sich nicht nur bei Materialwechsel in Brückenlängsrichtung an, sondern sie entsprechen in hohem Maße der optimalen Nutzung der beiden Verbund­ materialien: Zugbeanspruchung in den Stahl­untergurten und Druckbeanspruchung in den Betonobergurten. Aus diesem Grund wurde gerade in der Anfangsphase dieser neuen Bauweise auf die Ausbildung als Durchlaufträger verzichtet. Bei der Isarbrücke Großhesselohe [Kobbner, 1985] wurde sogar die für das Einschieben im Bauzustand hergestellte Kopplung der Kette von vier Stahlfachwerküberbauten für den Endzustand wieder getrennt. Inzwischen hat die positive Erfahrung mit Fachwerkverbundbrücken und die Entwicklung der Rissbreitenbegrenzung der Verbundplatten zu einer Aufgabe dieses Prinzips geführt, wie auch insbesondere das Beispiel der Mainbrücke Nantenbach zeigt [Schwarz et al., 1995]. Die Brücke überspannt den Main mit einer großen Mittelöffnung von 208 m und

zwei Seitenöffnungen von je 83,2 m. Konsequent wird der Längsschnitt über den Innenpfeilern gevoutet und der Querschnitt zum Teil als Doppelverbundquerschnitt ausgeführt. Der Obergurt ist über die gesamte Länge als Verbundträger ausgebildet. Dies gilt auch für die Untergurte der Seiten­ öffnungen und Teile der Mittelöffnung im Bereich der Stützenmomente. Der große Anteil an Beton macht das Tragwerk sehr steif und wirkt sich positiv auf die Lärmentwicklung aus. Die Stahlkonstruktion besteht aus geschweißten Rechteckprofilen. Die Diagonalen sind biegesteif an die Oberund Untergurtscheiben angeschlossen. Dadurch entstehen in Querrichtung Rahmen, die für die nötige Stabilität sorgen. Durch die relativ kleinen Seitenspannweiten können trotz der hohen Eigenlast an den Endauflagern Zugkräfte entstehen (vergl. auch Mosel­brücke Bernkastel-Kues, Abschnitt 5.2.3.1). Diese müssen über eine Zugverankerung aufgenommen werden. Im Bild 5.2.3-6 ist die konstruktive Ausbildung des Zuglagers zu sehen. Rohrfachwerke Bei besonders exponierten Standorten, bei denen dem Erscheinungsbild einer Brücke hervorragende Bedeutung zugemessen wird, werden wegen ihrer filigranen Ge-

5.2  Balkenbrücken

347

Bild 5.2.3-6   Mainbrücke Nantenbach, Zugverankerung am Widerlager

stalt bevorzugt Rohrfachwerke eingesetzt. Durch die Integration von zumeist räumlichen Fachwerken aus Rundhohlprofilen in Verbundquerschnitten und schlanken Verbundfahrbahnplatten entstand in den letzten Jahren ein neuer ästhetisch anspruchsvoller Brückentyp. Zwei Bei­­spiele werden im Folgenden beschrieben. Bei der Brücke zur Siele in der Nähe von Olpe bei Siegen handelt es sich um eine Straßenbrücke, die aber vorwiegend als Fuß- und Radweg genutzt wird. Der Bauherr, der Landschaftsverband WestfalenLippe, hatte, um für diesen tiefen Taleinschnitt eine optisch ansprechende Lösung zu finden, schon im Vorfeld der Planung einen Architekten und einen Ingenieur gemeinsam mit dem Entwurf beauftragt. Die Brücke besteht aus einem durchlaufenden Untergurtstahlrohr, aus Stahlrohrdiagonalen und der Betonfahrbahn als Obergurt. Die beiden Stahlhilfsgurte liegen im Betonfahrbahnquerschnitt und bilden mit dem Untergurt und den Diagonalen ein Dreieck (Bild 5.2.3-7). Damit handelt es

sich insgesamt um ein räumliches Fachwerk. Die Fachwerkkonstruktion überspannt als Dreifeldträger mit den Stützweiten 22 – 44 – 22 m den recht steilen Taleinschnitt. Die Brücke zeigt optisch ein sehr attraktives Erscheinungsbild, allerdings handelt es sich insbesondere wegen der aufwendigen Knotenausbildung der durch die Voutung in Längsrichtung völlig unterschiedlichen räumlichen Fachwerknoten und ihrer Ausbildung mit innenliegenden Knotenblechen um eine recht teure Konstruktion. Beim zweiten Beispiel für den entscheidenden Einfluss der Gestaltung auf das Bauwerkskonzept geht es um den vom Ingenieur Dr. Dauner entworfenen Viadukt von Lully im Schweizer Kanton Freiburg, siehe [Dauner, 1998]. Bei Stützweiten von etwa 43 m und einem Bodenabstand von maximal 16 m wären normalerweise zwei Spannbetonkästen die wirtschaftliche Standardlösung gewesen. Stattdessen entschied man sich im Rahmen eines beschränkten Entwurfswettbewerbs dafür,

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Bild 5.2.3-7   Brücke zur Siele, Querschnitt

durch eine besonders filigrane räumliche Rohrkonstruktion eine Einbindung in die parkähnliche Landschaft mit Baumgruppen und einem Feuchtbiotop zu erreichen, vgl. Bild 5.2.3-8. Die räumliche Verbundfachwerkkonstruktion besteht aus zwei getrennten Betonfahrbahntafeln, die jeweils von einem

Bild 5.2.3-8   Der Viadukt von Lully

5  Haupttragwerke der Überbauten

Rohrdreigurtträger gestützt werden. Über den Lagerpunkten sind zur Stabilisierung Querträger ebenfalls als räumliche Fachwerkstrukturen angeordnet. Die Knoten sind mit Ausnahme der Querträgeranschlüsse geschweißte Knoten ohne Knotenbleche. Die Obergurte des Fachwerkträgers werden von zwei Stahlrohren gebildet, die im Endzustand hauptsächlich der Schubkrafteinleitung aus dem Stahlfachwerk in den Betongurt dienen. Entscheidend ist die Funktion des Stahlprofils im Bauzustand. Durch den durchgehenden Obergurt entfallen aufwendige Hilfskonstruktionen während des Transports und der Montage. Zudem dient das Stahlprofil als Abstützung des Schalwagens beim Betonieren der Fahrbahnplatte. Die konstruktive Ausbildung der versteifungslosen Rohrknoten hat vor allem bei hoher Ermüdungsbeanspruchung besondere Bedeutung. Grundsätzlich können zwei Konstruktionsformen unterschieden

5.2  Balkenbrücken

349

Bild 5.2.3-9a,b   Typische Rohrknoten. a Schweißknoten, b Gussknoten

werden: der Gussknoten und der geschweißte Knoten, kurz: Schweißknoten (Bild 5.2.3-9). Beide Ausführungen sollten nicht als konkurrierende Bauweisen gesehen werden, denn ihr Einsatz hängt wesentlich von den Randbedingungen des betrachteten Anwendungsfalles ab [Friedrich/Quaas, 2008]. Beim Gussknoten werden alle Fachwerkstäbe mittelbar über ein individuell hergestelltes Gussformteil miteinander verbunden. Der Gussknoten zeichnet sich durch eine hohe Gestaltungsvielfalt aus, die gerade bei geometrisch komplexen Situationen, wenn eine Vielzahl von Fachwerkstäben an einem Knoten zusammentrifft, von Vorteil ist. Die erforderlichen Schweißarbeiten sind im Gegensatz zum Schweißknoten einfacher, da alle Anschlüsse gerade Stumpfstöße darstellen (Bild 5.2.3-10). Ungünstig zu bewerten ist jedoch die größere Anzahl der zu schweißenden Stöße im Haupttragglied, die nicht nur aus Sicht der Ermüdung potenzielle Schwachstellen darstellen. Darüber hinaus ist die Herstellung der Stahlgussteile zeit- und kostenintensiv. Siehe weiterführende Literatur: [Herion,

2007], [Denzer, 2006], [Schlaich/Schober, 1999a], [Schlaich/Schober, 1999b]. Schweißknoten haben gegenüber der Gussknotenausführung drei wesentliche Vorteile. Erstens werden durch die direkte Verschweißung der Fachwerkstäbe die Gussformstücke eingespart, die aufgrund ihrer individuellen Herstellung einen wesentlichen Kostenfaktor darstellen. Zweitens hat der Schweißknoten ein vergleichs-

Bild 5.2.3-10   Westumgehung Korntal-Münchingen, Rohrknoten aus Stahlguss (Quelle Stra­ßenbauamt Besigheim)

350

weise gutartiges Ermüdungsverhalten, da ein möglicher Ermüdungsriss nicht vom Inneren der Konstruktion ausgeht, sondern an der Außenseite beginnt. Damit bestehen die Möglichkeit einer frühzeitigen Detektion bei einer Brückenkontrolle und die Option für eine Ertüchtigung. Drittens wird der Planungs- und Ausführungsprozess gestrafft, da die relativ langen Vorlaufzeiten für die Gussknotenerstellung entfallen und mögliche Unterbrechungen bei Qualitätsmängeln an den Gussknoten, die durch den Neuguss entstehen, ausgeschlossen sind. Nachteilig ist beim Schweißknoten, dass die Schweißarbeiten eine hohe Befähigung des fertigenden Unternehmens voraussetzen, da sich über den Nahtverlauf die Nahtform und die Schweißposition ändern und auch die hohe Ermüdungsbeanspruchung der Schweißnähte eine hohe Fertigungsqualität erfordert. Im Gegensatz zum Gussknoten, bei dem durch eine günstige Ausformung des Gussteils die Schweißnähte aus dem strukturellen Störbereich des Fachwerkknotens herausgelegt werden können, befinden sich die Schweißnähte beim Schweißknoten im Bereich der höchsten Ermüdungsbeanspruchung. Der Nachweis für diese Art der Konstruktion muss nach dem Strukturspannungskonzept [EC 3 1-9] geführt werden. Kuhlmann und Euler [2008] stellen hierfür aufbereitete Tafeln zur Verfügung. Siehe weiterführende Literatur: [Casper/Karpa, 2008], [Kuhlmann et al., 2002], [Dauner, 1998].

5  Haupttragwerke der Überbauten

5.3  Rahmenbrücken 5.3.1  Rahmenbrücken aus Beton

Jürgen Stritzke Biegesteife Verbindungen von einfeldrigen oder durchlaufenden Überbauten mit ihren Unterbauten führen zu Rahmentragwerken, bei denen im Vergleich zu Einfeldoder Durchlaufträgern die Feldmomente kleiner und die Stützenmomente größer ausfallen. Daher lassen sich mit Rahmenbrücken kleinere Bauhöhen in den Feldbereichen erzielen. Ein vielfach verwendetes statisches Sys­ tem ist der Zweigelenkrahmen mit der Einspannung des Überbaus in die Widerlagerwände (Bild 5.3.1‑1). Je steifer die Rahmenstiele ausgebildet werden, umso kleiner wird das Riegelmoment im Feld. Im Hinblick auf den Momentenverlauf erhält der Rahmenriegel vorzugsweise eine veränderliche Bauhöhe. Der Nachteil des Rahmens ist in der Erzeugung eines Horizontalschubs zu sehen, der entweder von einer entsprechenden Gründung oder bei unsicherem Baugrund von einem Zugband aufgenommen werden muss. Über die Autobahn A 11 Berlin – Stettin wurden in letzter Zeit mehrere Über­ führungsbauwerke für die Brückenklasse 30/30 als Stahlbetonzweigelenkrahmen (Bild 5.3.1‑2) mit einer Stützweite von 35 m gebaut. Die Höhe des Rahmenriegels in Rahmenmitte von 1,04 m entspricht 1/33,5 der Stützweite. Die Rahmenstiele können auch schräg angeordnet werden. Dadurch verbessern

Bild 5.3.1-1   Zweigelenkrahmen mit lotrechten Rahmenstielen zur Erzielung minimaler Bauhöhen nach [Stritzke, 2000], Bilder 1.17 und 1.18

5.3  Rahmenbrücken

351

Bild 5.3.1-2   Überführungsbauwerk als Zweigelenkrahmen über die Autobahn A 11

Bild 5.3.1-3   Überführungsbauwerk mit schräg gestellten Rahmenstielen über die B 112n bei Frankfurt/Oder

sich die Sichtverhältnisse auf dem zu unterführenden Verkehrsweg und im Riegelbereich wird eine Längsdruckkraft von der Größe der Horizontalkomponente der Rahmenstielkraft eingeleitet. Bild 5.3.1‑3 zeigt ein Überführungsbauwerk über die B 112n im Westen der Stadt Frankfurt/Oder, das als vorgespannter Rahmen mit schrägen Rahmenstielen errichtet wurde. Die Stützweite des Rahmens beträgt im Hinblick auf die zwei 7,50 m breiten Richtungsfahrbahnen der unterführten B 112n rd. 30 m. Der Rahmenriegel ist als 1,00 m dicke Vollplatte ausgeführt, und die Rahmenecken sind durch eine 300 mm dicke Voute verstärkt. Die Schrägstielrahmenbrücke (Bild 5.3.1‑4) stellt wegen ihres großen Hori­

zontalschubs hohe Anforderungen an den anstehenden Baugrund. Aus der Längen­ änderung des Überbaus infolge abfließender Hydratationswärme, Vorspannung, Schwinden und Kriechen sowie Temperaturbeanspruchungen resultieren Zwangschnittgrößen im Rahmenriegel und in den Rahmenstielen. Die Größe der Zwangschnittgrößen hängt von der Bettungsziffer des Baugrunds ab. Eine steifere Bettung führt zwar zu un-

Bild 5.3.1-4   Schrägstielrahmenbrücke

352

günstigeren Zwangbeanspruchungen, wirkt sich jedoch auf den Einspanngrad des Riegels in die Rahmenstiele und die Abtragung der Eigen- und Verkehrslasten günstig aus. Aufgrund der gegenläufigen Effekte sind bei der Tragwerksplanung stets zwei Grenzzustände mit einem oberen und unteren Wert der Bettung zu untersuchen. Es gibt topographische Situationen, wie z. B. bei der Überbrückung eines tiefen Einschnitts, bei denen i. d. R. die klassische Lösung eines Zweigelenkbogens mit aufgeständerter Fahrbahn gewählt wird. Eine gestalterisch ansprechendere Lösung ist ­jedoch eine Schrägstielrahmenbrücke (Bild 5.3.1-4). Das Sprengwerk ist gegenüber dem Bogen die modernere Form und unter Einhaltung bestimmter Proportionen und bei entsprechenden Höhen- und Breitenverhältnissen des Einschnitts gestalterisch völlig gleichwertig. Die Stiele sollten im Hinblick auf Zwangbeanspruchungen infolge Temperatur im Kämpferbereich dünn sein und mit zunehmender Dicke in den leicht gekrümmten Rahmenriegel übergehen. Dabei kommt es auf eine gute Ausrundung der Rahmen­ecken an, und der Rahmenriegel selbst ist in der Mitte möglichst dünn auszubilden. So zwingt man die Stützlinie, nahe der System­linie zu bleiben und erzielt gleichzeitig eine elegante Form.

5  Haupttragwerke der Überbauten

Als Rahmenriegel kommen die massive Vollplatte, der einstegige Plattenbalken mit weit auskragenden Fahrbahnplatten oder ein mehrstegiger Plattenbalken zur An­ wendung, bei größeren Stützweiten auch Spannbetonkästen. Die Rahmenstiele von Plattenbalkenriegeln sind in Querrichtung so breit wie die Plattenbalkenstege zu wählen. Der Anschluss der Rahmenstützen an die Fundamente kann sowohl gelenkig als auch eingespannt ausgeführt werden. Bei der Schrägstielrahmenbrücke „Tor nach Dresden“ [Denzer/Eilzer, 1997] zur Überführung einer Kreisstraße über die sechsstreifige Autobahn A 4 beträgt die Stielneigung gegenüber der Horizontalen 35 ° und die Spreizung der Rahmenstiele 53 m. Daraus ergeben sich Stützweiten des Überbaus von 22,80 m + 36,00 m + 22,80 m bei einer Gesamtlänge von 81,60 m zwischen den Auflagerachsen. Der Querschnitt besteht aus einer 5,50 m breiten Platte mit 2,90 m langen Kragarmen. Die Gesamtbreite beträgt einschließlich der Kappen 12,00 m. Die Kragarmanschnitte sind so gewählt, dass auf eine Quervorspannung verzichtet werden konnte. Die veränder­ lichen Konstruktionshöhen des Überbaus betragen 0,90 m bis 1,60 m, die der Stiele 0,70 m bis 1,30 m. Dieses Bauwerk (Bild 5.3.1‑5) über die Autobahn im tiefen Einschnitt wird den gestalterischen Anfor­

Bild 5.3.1-5   Schrägstielrahmenbrücke „Tor nach Dresden“, Überführungsbauwerk über die Autobahn A 4

5.3  Rahmenbrücken

derungen, die an das Bauwerk aufgrund seiner exponierten Lage zur Landeshauptstadt Dresden gestellt wurden, am besten gerecht und hebt den Einfahrtscharakter als „Tor nach Dresden“ besonders hervor. Die Luckenberger Brücke in Brandenburg überführt den innerstädtischen Verkehr über die Havel. Mit der gewählten Schrägstielrahmenbrücke (Bild 5.3.1‑6) aus Hochleistungsbeton B 85 konnten die bestehenden Straßenanbindungen und die Gradiente beibehalten und eine ausreichend breite Schifffahrtsöffnung freigehalten werden. Auch die vorhandenen Eingangs- und Einfahrtssituationen der Anlieger an der überführten Straße blieben un-

353

verändert. Der vierstegige Plattenbalkenquerschnitt (Bild 5.3.1‑7) mit einer Breite von 12,50 m nimmt zwei Straßenbahngleise im Fahrbahnbereich und beidseitig je einen Geh- und Radweg auf. Die Brücken­widerlager sind auf jeweils 12 Groß­bohrpfählen mit einem Durchmesser von 1,20 m und einer maximalen Länge von 20,70 m gegründet. Infolge der Randbedingungen ergibt sich eine relativ große Schlankheit von l/h = 42,3/0,67 = 67 in Brückenmitte. Dies stellt für den Massivbau eine äußerst schlanke Konstruktion dar. Um die Langzeitverformungen und das Schwingungsverhalten dieser extrem

Bild 5.3.1-6   Luckenberger Brücke über die Havel in Brandenburg als Schrägstielrahmenbrücke aus Hochleistungsbeton B 85

Bild 5.3.1-7   Luckenberger Brücke – Überbauquerschnitt nach [Stritzke, 2002], S. 19

354

schlanken Konstruktion zu minimieren, wurde die Brücke aus Hochleistungsbeton der Festigkeitsklasse B 85 hergestellt. Obwohl Hochleistungsbetone im internationalen Brückenbau keine Seltenheit sind, gibt es in Deutschland bisher erst ca. 7 zumeist kleine Brücken aus diesem Baustoff. Die Luckenberger Brücke ist als Pilotprojekt im Land Brandenburg momentan die mit der größten Spannweite. Die Schrägstiele wurden als Fertigteile hergestellt. So konnten die Erfordernisse der Betontechnologie erfüllt und die Verformungen des Traggerüsts minimiert ­werden. Der Überbau wurde in zwei Abschnitten hergestellt. In Brückenmitte wurde eine Schlusslücke vorgesehen, in der nach Erhärten des Betons mittels Pressen die beiden Überbauhälften auseinander ­gedrückt wurden. Dadurch konnten die Setzungen infolge Eigenlast weitestgehend vorweggenommen und der Überbau zwangsfrei eingebaut werden. Durch die aufgebrachte Druckspannung der Pressen wurde die Rissbildung infolge Schwinden günstig beeinflusst. Darüber hinaus wurde die Schlusslücke zum Einstellen der Gra­

5  Haupttragwerke der Überbauten

diente genutzt, so dass keine weiteren Maßnahmen zum Erreichen der Sollgradiente erforderlich wurden. Rahmenbrücken als Überführungsbauwerke z. B. über Autobahnen werden auch gern als Zweifeldsysteme ausgeführt (Bild 5.3.1‑8). Scheibenartige Widerlager lassen sich auch in ein Druckglied und vorgespannte, schräg angeordnete Zugstreben (Bild 5.3.1‑9), wie z. B. bei der Föhrer Brücke in Berlin, auflösen [Heusel, 1951]. Weitere Beispiele für Rahmenbrücken mit aufge­ lösten Rahmenstielen sind z. B. die Donaubrücke beim Gänstor in Ulm [Finsterwalder/König, 1951], die Lombardsbrücke Hamburg [Havemann/Sülz, 1953], die Dischingerbrücke Berlin [Heusel, 1957] und die Balduinbrücke über die Mosel in Koblenz [Schambeck/Böckel, 1973]. Da sich der Riegel zwischen Druck- und Zugglied verformen kann, verringert sich nach [Feistel/Vockrodt, 1970] der Einspann­ grad um bis zu 15%, wenn der Betrag der Zugfläche in m² größer als das Trägheitsmoment des Riegels in m4 im Stielbereich ist und die Breite des Stielbereichs kleiner

Bild 5.3.1-8   Zweifeldriges Rahmentragwerk nach [Holst/Holst, 2004], S. 136

Bild 5.3.1-9   Längsschnitt der Föhrer Brücke – aufgelöste Widerlager und elegant gevouteter ­Rahmenriegel

5.3  Rahmenbrücken

als ein Viertel der Stützweite ist. Da beides in den meisten Fällen des Massivbrückenbaus zutrifft, besteht kein prinzipieller Unterschied zum Rahmen mit geschlossenem, steifen Stiel. Eine weitere Form der Einspannung des Überbaus in die Unterbauten lässt sich durch die Ausbildung von V-Stützen er­ zielen. Bei der Maintalbrücke Gemünden [Leonhardt et al., 1983] im Zuge der DB‑AG‑Strecke Hannover – Würzburg ist die Strombrücke über den Main als Rahmentragwerk mit Stützweiten von 82 m + 135 m + 82 m ausgebildet. Mit einer ­Spreizung der Stiele von 23 m verringert sich die Riegelstützweite um rd. 20 %, was sich sowohl auf die Schnittgrößen als auch auf die Verformungen positiv auswirkt. So wurde mit Konstruktionshöhen von 6,50 m über den Stützen und 4,50 m in Feldmitte Schlankheiten von l/21 bzw. l/30 erzielt. Bei langen mehrfeldrigen Rahmenbrücken (Bild 5.3.1‑10) ist der Längenänderung des Überbaus infolge Temperatur, Schwinden und Kriechen durch die Anord-

355

nung von Lagern auf den Pfeilerköpfen der Randfelder Rechnung zu tragen. Dadurch geht allerdings die Rahmenwirkung in diesen Bereichen verloren. Beispiele solcher Rahmenbrücken sind die Rheinbrücke Bendorf [Finsterwalder/Schambeck, 1965], die Kochertalbrücke Geislingen [Baumann, 1979], die Moselbrücke Schweich [Schambeck, 1976], die Brücke über den VejleFjord [Rausch, 1980], die Felsenaubrücke Bern [Menn, 1976] und die Talbrücke Schottwien [Vogler, 1989]. Ein Rahmentragwerk besonderer Art (Bild 5.3.1-11) wurde mit dem Bau der Talbrücke Zahme Gera im Zuge der Autobahn A 71 verwirklicht [Abel/Tiarks, 2003]. Es handelt sich hierbei um ein vierfeldriges Tragsystem, bei dem der gevoutete Überbau bei freier Auflagerung an den Wider­ lagern mit den in der Ansicht Y-förmigen Pfeilern biegesteif verbunden ist. Durch die Spreizung der Stützen in ihrem oberen Bereich zu einem Y kann bei einem solchen Rahmentragwerk der Überbau trotz der großen Stützweite außerordentlich schlank gehalten werden. Bei Stützweiten von 115 m

Bild 5.3.1-10   Talbrücke als mehrfeldriges Rahmentragwerk

Bild 5.3.1-11   Talbrücke Zahme Gera im Zuge der Thüringer Waldautobahn

356

+ 145 m + 145 m + 115 m beträgt die Konstruktionshöhe des Spannbetonkastens in den Feldern und an den Widerlagern minimal 3,80 m und wächst parabelförmig bis zu den Pfeilergabeln auf 6,70 m an. Zwischen den Pfeilergabeln erhielt die Kastenunterkante einen Stich von 400 mm, so dass sich in der Pfeilerachse eine Bauhöhe von 6,30 m ergibt. Damit betragen die Schlankheiten über den Stützen l/22 und in den Feldern l/38. Die maximale Pfeilerhöhe beträgt rd. 63,50 m. Die Pfeilergabeln haben eine Höhe von ca. 20 m und eine obere Spreizung von ca. 25 m. Die Ansichtsbreite des Vollquerschnitts der Gabeläste verringert sich von 2,50 m am Stützenknoten bis auf 2,00 m an der Unterkante des Überbaus. Im unteren Pfeilerschaft wird die Form der Gabeläste durch eine 200 mm tiefe Nut optisch weiter­ geführt. Die Gabeläste sind sowohl biege­ steif am Überbau als auch am Pfeilerschaft angeschlossen. Mit ihren kühnen Y-Pfeilern ist die Talbrücke Zahme Gera sowohl ingenieurtechnisch als auch ästhetisch eine der anspruchsvollsten Brücken im Zuge der Thüringer Waldautobahn A 71/A 73. Bei schiefen, vorgespannten Rahmenbrücken treten mit zunehmender Schiefe Schnittgrößen infolge Einwirkungen aus Zwang auf, da sich Riegel und Stiele unter-

5  Haupttragwerke der Überbauten

schiedlich verformen. [Feistel/Schleicher, 1974] untersuchten die Problematik des Einflusses der Ausbildung torsionsweicher Stielquerschnitte, in Pendelscheiben aufgelöster Stiele und quergeneigter Gelenk­ linien auf die Zwangschnittgrößen. Danach gibt es ebenso wie für die Stützweite rechtwinkliger Spannbetonrahmen für die Schiefe oder Breite vorgespannter, schiefer Rahmenbrücken keine besonderen Grenzwerte für den praktischen Anwendungs­ bereich. Über Erfahrungen an 3 schiefen, vorgespannten Rahmenbrücken wird von [Feistel et al., 1974] berichtet. Ein 56 gon schiefes, gevoutetes Einfeld-Rahmentragwerk mit einem dreistegigen Platten­ balkenquerschnitt ist in [Strauß/Hensel, 2001] dargestellt. Die in Brückenachse gemessene Stützweite beträgt bei einer Konstruktionshöhe von 1,00 m in Feldmitte und ca. 2,00 m (i. M.) an den Rahmenecken 40,60 m, so dass sich Schlankheiten von l/d = 41 im Feld und ca. 20 am Anschnitt zu den Rahmenstielen ergeben. Im Zuge der Ortsumfahrung Erfurt wurde über die L 1055 (Leipziger Straße) ein Einfeldbauwerk in der Form eines vorgespannten Zweigelenk­rahmens mit leicht gevoutetem Überbau errichtet (Bild 5.3.1‑12). Bedingt durch diese Variante konnte die Lage der Gradiente niedrig ge-

Bild 5.3.1-12   Schiefer Zweigelenkrahmen im Zuge der Ortsumgehung Erfurt über die L 1055

Bild 5.3.1-13   Brücke im Zuge der Ortsumgehung Erfurt über die L 1055 – Querschnitt nach [Stritzke, 2002], S. 27

Gussasphalt  Deckschicht Gussasphalt  Schutzschicht Bitumenschweißbahn (einlagig) Grundierung

5.3  Rahmenbrücken 357

358

5  Haupttragwerke der Überbauten

a

b Bild 5.3.2-1a, b   Eisenbahnbrücke über die Praterhauptallee in Wien

halten werden. Gleichzeitig wirkt der Überbau durch die Konstruktionshöhe von 1,00 m in der Brückenmitte sehr schlank. Durch die Vorspannung werden positive Eckmomente erzeugt, so dass eine Anvoutung der Rahmenecken wie beim Stahlbetonrahmen hier nicht unbedingt erforderlich ist und auf ein gestalterisch gewünschtes Maß reduziert werden konnte. Die Stützweite des 71,65 gon schiefen Tragwerks beträgt 28,81 m  bei einer lichten Weite von 26,00 m  zwischen den Widerlagern. Die sehr flach gezogene abgestufte Ausrundung der Unterseite des Rahmen-

riegels in Verbindung mit den schräg gegen die Böschung geneigten Rahmenstielen bestimmt den Gesamteindruck der Brücke. Der Überbauquerschnitt (Bild 5.3.1‑13) läuft hinter den Rahmenecken bis zum Böschungsansatz bzw. Endquerträger weiter. Zwischen Rahmenstiel und Überbau-Plattenstreifen ist jeweils eine Zugscheibe mit einer Dicke von 80 cm angeordnet, die die Steifigkeit der Rahmenstiele sichert. Zwischen den Rahmenstielen und den Fundamenten mussten Linienkipplager ausgebildet werden. Diese Rahmengelenke liegen so tief, dass sie im Endzustand nicht mehr zugänglich sind. Daher musste eine wartungsfreie Lösung in der Form von unbewehrten Betongelenken zur Ausführung kommen. Zwischen den Stielen wurden im Überbau Querträger ausgebildet. Diese Querträger laufen nach unten in Blendscheiben aus, die den Zwischenraum zwischen den Stützen gegen die Hinterfüllung abdecken. Die Scheiben sind mittig durch eine Raumfuge geteilt, damit der Rahmenstiel in Querrichtung nicht zu steif wird. 5.3.2  Rahmenbrücken aus Stahl

Günter Ramberger und Francesco Aigner Stählerne Rahmenbrücken gehören zu den eher selten angewandten Brückenformen. Bei Rahmenbrücken werden vertikale oder schräge Stiele biegesteif in den Brücken­

5.3  Rahmenbrücken 95,4

359 68,8

0,75%

Bild 5.3.2-2   Großherzogin-Charlotte-Brücke

balken eingespannt und damit gegenüber einer Balkenbrücke die Biegemomente verringert. Dafür erhalten jedoch die Stiele nicht nur Normalkraft, sondern auch Biege­ momente und deren Lager nicht nur Kräfte in Achsrichtung der Stiele, sondern auch quer dazu. Dem statischen Vorteil der Verringerung der Biegemomente steht der Nachteil, vor allem bei schrägen Stielen, entgegen, dass diese für die Montage unterstützt werden müssen und dass Stiele und Balken so verbunden werden müssen, dass sie Biegemomente und Querkräfte (Rahmenecke) einwandfrei übertragen können. Ausgeführte Beispiele findet man vor allem im Eisenbahnbrückenbau über Straßen mit beidseitigen Gehwegen, wo die Stiele jeweils zwischen Fahrbahn und Gehweg angeordnet sind, siehe Bild 5.3.2-1. Da die Stahlstützen leicht beschädigt werden können, sind sie gegen Anprall von Straßenfahrzeugen wirksam zu schützen. Ein bekanntes Bei­spiel für eine große Rahmenbrücke mit einer Stützweite von 234 m ist die „Groß­herzogin-Charlotte-Brücke“ über die Alzette in ­Luxemburg (Bild 5.3.2-2 und Bild 5.3.2-3).

Bild 5.3.2-3   Großherzogin-Charlotte-Brücke – Montageübersicht [Jacobi, 1969]

83,6

107,0

360

5.3.3  Rahmenbrücken als Verbundund Mischkonstruktionen

Ulrike Kuhlmann und Annette Detzel In jüngerer Zeit sind eine Reihe von Rahmenbrücken als Verbundkonstruktionen gerade bei Überführungen von anderen Verkehrswegen ausgeführt worden. Ein Beispiel für ein solches Tragwerk ist die Brücke über den Storkower Kanal bei Blossin [Fischer et al., 1999] in Brandenburg. Um die Anrampungen nicht zu hoch aus der flachen Landschaft herausragen zu lassen, bestand der Wunsch nach einer möglichst niedrigen Bauhöhe. Mit nur 66 cm Konstruktionshöhe in der Mitte des über 23,4 m weit spannenden Felds konnte das vorgegebene Lichtraumprofil von 4,0 m Höhe als Höhendifferenz zwischen Gra­ dientenhochpunkt und dem umliegenden Gelände eingehalten werden, siehe Bild 5.3.3-1. In diesem Spannweitenbereich wären Stahlbetonlösungen sicher üblicher gewesen. Neben dem Vorteil der guten Montierbarkeit der Stahlträger über dem Kanal konnte durch die geringe Eigenlast des Verbundüberbaus die Bauhöhe noch weiter reduziert werden. Schließlich vermeidet die Rahmenkonstruktion mit der

5  Haupttragwerke der Überbauten

Einspannung der Längsträger in die Wider­ lager Bauwerksfugen und Lager, die im Allgemeinen zusätzliche Unterhaltungs­kosten verursachen. Die leicht gevouteten drei Verbundträger sind in die Flügel- und Mittelwände der Widerlager, die im Grundriss ein E bilden, eingespannt. Zwei Pfähle im Abstand von 4,0 m unter jeder Widerlagerwand nehmen das Rahmeneckmoment auf. In horizontaler Richtung ist die Gründung im oberflächennahen Bereich relativ weich. Dies bewirkt, dass Längenänderungen aus Temperatur, Kriechen und Schwinden über Horizontalbewegungen abgebaut werden können, ohne Zwängungen hervorzurufen. Für die Bemessung der Verbundbrücke sind zwei Grenzfälle maßgebend: 1. Geringe horizontale Steifigkeit des Baugrunds zur Ermittlung des maximalen Feldmoments 2. Hohe horizontale Steifigkeit des Baugrunds zur Bestimmung der maximalen Einspannmomente in den Rahmen­ ecken. Die Einspannung des Stahlträgers am Widerlager erfolgt mit durch die Kopfplatte geführten Spannstäben (siehe Bild 5.3.3-2). Auch bei einer weiteren Rahmenverbundbrücke, der Überführung der Staats-

Bild 5.3.3-1   Rahmenbrücke über den Storkower Kanal, Längsschnitt

5.3  Rahmenbrücken

Bild 5.3.3-2   Einspannung der Verbundträger im Widerlager (Quelle Leonhardt, Andrä und Partner)

straße Perlach-Unterhaching über die Bundesautobahn A8 südlich von München [Doss et al., 2001] war der Vorteil der geringen Überbauhöhe der Grund, ein Rahmentragwerk auszuführen. Der Brückenträger wurde als Verbundfertigteil einschließlich Betonfahrbahn auf die Baustelle angeliefert, so dass der Baustellenablauf vereinfacht wurde und sich eine Bauzeit von nur drei Monaten ergab. Im Abschnitt 9.3.2.3 findet sich eine genaue Beschreibung der Brücke. Weiter Hinweise zu ausgeführten Rahmentragwerken einschließlich einiger Entwurfs- und Konstruktionsgrundsätze enthält [Braun et al., 2006].

Bild 5.3.3-3   Ronatobelbrücke Längsschnitt

361

Ein ausgefallenes Trapezrahmentragwerk mit ungewöhnlichem Materialeinsatz findet sich in der Schweiz bei Furna [Informationsdienst Holz, 1999]. Die Ronatobelbrücke ist ein Sprengwerk mit vier Feldern (siehe Bild 5.3.3-3). Die Schrägstreben und die Pendelstütze bestehen aus 2 BS-HolzGurten mit Stahlrohrausfachung. Die Fahrbahnträger aus BS-Holz sind als Doppelträger unter der Betonplatte angeordnet. Der Verbund wird mit Hilfe von Stahlblechen hergestellt. Die Bleche sind in Dreiergruppen in die Holzträger eingelassen und verdübelt. Die in die Fahrbahn ragenden Schwerter haben Bohrungen, durch die Bewehrungsstäbe geschoben werden. So wird eine Verdübelung mit dem Beton hergestellt (siehe Bild 5.3.3-4). Im Endzustand sorgt die Platte als Scheibe für die Abtragung der horizontalen Kräfte zu den Auflagern hin. Die überstehende Betonplatte bietet zudem einen guten konstruktiven Holzschutz für das Holztragwerk. Ein weiteres Sprengwerk in Holz-Betonverbundbauweise wurde 1996 in der Schweiz bei Sufers errichtet [Informationsdienst Holz, 1999]. Die Crestawaldbrücke besteht aus 4 Rahmenträgern, die mit der Fahrbahn einen Verbundquerschnitt bilden. Verbindungsmittel sind hierbei auf Stahlplatten aufgeschweißte Kopfbolzen­

362

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.3.3-4   Ronatobelbrücke, Verdübelungsdetail

Bild 5.3.3-5   Crestawaldbrücke, Verdübelungsdetail

dübel (Bild 5.3.3-5). Die Stahlplatten werden mit Holzschrauben an den Holzträgern befestigt. Die Übertragung der Schubkraft erfolgt über eine angeschweißte Knagge, die in das Holz eingelassen ist. Die schlanken Rahmenträger sind in regelmäßigen Abständen über Querträger biegesteif verbunden und somit bereits im Bauzustand gegen Kippen stabilisiert. Im Endzustand wirkt die Fahrbahnplatte als horizontale Scheibe, über die die Wind- und Stabilisierungskräfte zu den Auflagern abgetragen werden. Durch die Auskragung dient sie zudem als konstruktiver Holzschutz für die Holzkonstruktion. Die Rahmenstiele wurden zusätzlich durch eine Kupferab­ deckung vor direktem Wasserzutritt geschützt. Diese beiden Beispiele zeigen, dass der richtige Materialeinsatz bei Mischkonstruktionen zu ästhetisch anspruchsvollen, konstruktiv sinnvollen Lösungen führt. So können viele Probleme, wie hier z. B. der Holzschutz und die horizontale Stabilität, auf effiziente Weise gelöst werden.

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken 5.4.1  Steinbrücken

Jürgen Stritzke 5.4.1.1  Beurteilung von Steinbrücken Steinerne Gewölbe- und Bogenbrücken gehören zu den ältesten Tragsystemen zur Überbrückung größerer Spannweiten. Aus Kostengründen werden derartige Brücken heutzutage nicht mehr gebaut. Wenn man aber bedenkt, dass Gewölbebrücken mit einer Anzahl von etwa 32% und einer Brücken­nutzfläche von 19% einen erheblichen Anteil des Bestands an Straßenbrücken der neuen Bundesländer ausmachen, wird deren Bedeutung unter dem Gesichtspunkt der Instandhaltung deutlich. In [Der Bundesminister für Verkehr, 1988] und [Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen, 1999] werden 218 Steinbrücken Deutschlands in hervorragender Weise vorgestellt.

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

363 Stützweite 1

Kämpferpunkt

R2 R2 R3

Widerlager

R3

R

R1

Bogenstich f

Scheitelpunkt Überbau

R1

Kämpferpunkt

R2 R

Unterbau

gelenkloser Stützlinienbogen mehrteiliger Korbbogen

R2

R3 R3

Widerlager

Bild 5.4.1‑1   Brückenüberbau als mehrteiliger Korbbogen nach [Vockrodt et al., 2003]

Gewölbe- und Bogenbrücken bestehen aus behauenen natürlichen Steinen oder aus künstlichen Steinen, insbesondere aus gebrannten Ziegelsteinen, in Ausnahmefällen auch aus Betonsteinen. Als natürliche Steine kamen solche mit hoher und mittlerer Druckfestigkeit zur Anwendung, so z. B. Granit, Syenit, Quarzporphyr, Sandstein, aber auch Muschelkalk. Die Qualität und Eignung typischer Naturbausteine für Brücken wird durch den Gehalt, das Gefüge und die Anordnung der Mineralien bestimmt. Daraus resultieren die Rohdichte, Dauerhaftigkeit, die Druckfestigkeit und die Bearbeitbarkeit als die bautechnisch wichtigsten Merkmale. Hierbei hat nicht die Druckfestigkeit des Gesteins allein, sondern der Mauerwerksverband für die Tragsicherheit und Dauerhaftigkeit die entscheidende Bedeutung. In [DIN 1075, 1981] erfolgte die Trennung der Bauarten Gewölbe- und Bogenbrücken nach dem Verhältnis der Pfeil­ höhe f zur Stützweite l. Ist das Verhältnis­ f/l  1/3 um eine Gewölbebrücke. Nach [Busch, 1995] gelten die Verhältnisse f/l = 0,06 bzw. 0,29 als Grenzwerte für flache bzw. hohe Bogen. Die Formgebung der Gewölbe- und Bogen­brücken war maßgeblich von ihrem Tragverhalten bestimmt. Die Bogen­brücken wurden entweder als Kreisbogen oder als aus mehreren Kreisbogen zusammengesetzten, mehrteiligen Korbbogen ausgebil-

det (Bild 5.4.1‑1). Als statisches System kamen der statisch bestimmte Dreigelenkbogen, der einfach statisch unbestimmte Zweigelenkbogen und der dreifach statisch unbestimmte, beidseitig eingespannte Bogen zur Anwendung. Da der Kreisbogen als Brückentragwerk nicht frei von Biegemomenten ist, sind im Hinblick auf die geringe Zugfestigkeit des Mauerwerks der Stütz­ weite Grenzen gesetzt. Anders verhält es sich, wenn Gewölbe oder Bogen nach der Stützlinie geformt sind. Die Stützlinie stellt die Verbindung der Durchstoßpunkte der zu einer Resultierenden zusammengefassten Druckspannungen der einzelnen Querschnitte dar. Greift die Resultierende innerhalb der 1. Kernweite an, ist der gesamte Querschnitt überdrückt. Nimmt die Ausmittigkeit e der Druckkraft N zu, kommt es zu einem Versagen der Zugzone und der Querschnitt reißt auf. Das Klaffen der Fuge ist begrenzt. [Brendel, 1950] hat Angaben zu Grenzspannweiten von Brücken mit Stützlinienform gemacht, die sich durch eine geschlossene mathematische Lösung auszeichnen. Die Anwendung des Stützlinienverfahrens ist auf Gewölbe und Bogen mit einer Stützweite von l ≤ 25 m und einem Pfeilverhältnis f/l ≥ 1/7 begrenzt. Bogen mit Stützweiten von l > 25 m oder flachere statisch unbestimmte Bogen sind nach der Elastizitätstheorie zu berechnen. Bezüglich einer wirklichkeitsnahen, rechnerischen Tragfähigkeitsanalyse sei auf [Lachmann,

364

1990], [Bechert, 1996], [Falter, 1999] und [Vockrodt et al., 2003] verwiesen. Insbesondere enthält [Vockrodt et al., 2003] grundlegende Darstellungen der rechnerischen Nachweisführung auf der Grundlage des derzeit geltenden Vorschriftenwerks. Unter den außer Kraft gesetzten Vorschriften der DDR gab es spezielle Vorschriften zur Nachrechnung bestehender Brücken ([Sw 120, 1973], [TGL 12999, 1977] , [SBA 169/89, 1989] und [Deutsche Reichsbahn, 1991]). Anfang der 90er Jahre erschienen Richtlinien für Lasteinstufungsberechnungen von Straßenbrücken ([Der Bundesminister für Verkehr, 1991], [Der Bundesminister für Verkehr, 1992]) und Kataloge für Instandsetzungslösungen bestimmter Typen von Straßenbrücken ([Der Bundesminister für Verkehr, 1993]), die zwar speziell für die neuen Bundesländer herausgegeben wurden, jedoch allgemein anwendbar sind. Für die Bewertung der Tragsicherheit bestehender Eisenbahnbrücken gelten die [Rili 805, 2002] und der [UIC-Kodex Nr. 778-3, 1995]. Zur Tragsicherheitsbewertung bestehender Massivbrücken werden auch experimentelle Untersuchungen einbezogen. Außer den üblichen Bestimmungen baustofflicher und geometrischer Kennwerte durch Prüfungen an Probekörpern, die dem Bauwerk entnommen werden, oder durch zerstörungsfreie Prüfungen am Bauwerk selbst, werden noch folgende Verfahren angewendet: Bauwerksmessungen unter Verkehrsbe­ lastung vor und nach Instandsetzungen zur Kontrolle der rechnerischen Untersuchungen. Damit kann geprüft werden, wie genau die angenommene Tragwerksmodellierung die Wirklichkeit widerspiegelt, da die Mitwirkung der Stirnwände, der Aufschüttung, Einspannung in den Widerlagern, Riss­ bildungen usw. unbekannte Einflussgrößen darstellen. Mit Hilfe des messwertgestützten Nachrechnens kann in vielen Fällen eine ausreichende Tragfähigkeit der Gewöl-

5  Haupttragwerke der Überbauten

bebrücken nachgewiesen oder notwendige Instandsetzungsmaßnahmen ermittelt werden, ohne das Bauwerk gleich dem Abbruch preiszugeben. In [Mildner, 1997], [Mildner, 2001], [Mildner/Mildner, 2002] sind Beispiele dieser Vorgehensweise dargestellt. Bei unsicheren Annahmen für die Eingangsgrößen in die Berechnung lassen sich häufig mit geringem experimentellen Aufwand Systemeigenschaften (Steifigkeiten, Einspanngrad usw.) ermitteln und in den rechnerischen Nachweis einbauen (Hybrid­ statik). In Ergänzung eines rechnerischen Standsicherheitsnachweises dürfen nach der [DAfStb-Richtlinie, 2000] auch Belas­ tungsversuche durchgeführt werden. Das ist u. a. dann sinnvoll, wenn keine ausreichenden Informationen über die Eigenschaften der Baustoffe, über Lage und Form der ­Bewehrung und über die Genauigkeit der ­Modellierung (z. B. Einspanngrad, Verbundwirkung) vorliegen. Grundlagen und Erfahrungen zur Methode der Experimentellen Tragsicherheitsbewertung von Brücken wurden im Rahmen des Forschungsprojekts EXTRA ([Steffens et al., 1999], [Opitz/Steffens, 2000]) erarbeitet. Für die Belastung der Brücken können z. B. Schwerlastfahrzeuge eingesetzt werden. Für Straßenbrücken wurde ein spezielles Belastungsfahrzeug BELFA entwickelt und gebaut, das bis zu Spannweiten von 18 m angewendet werden kann. Wenn es positioniert und aufgebaut ist, erzeugen bis zu 5 Hydraulikzylinder die regelbare externe Versuchslast entsprechend dem vorgeschriebenen Lastschema ([Gutermann/ Steffens, 2002]). Ein analoges Fahrzeug BELFA-DB wurde auch für Eisenbahnbrücken erprobt. Alle erforderlichen Messdaten (Durchbiegungen, Verzerrungen, Krümmungen, Schallemissionssignale usw.) können online am Bildschirm verfolgt werden. Durch Einhaltung vorgegebener Kriterien muss eine Schädigung des Bauwerks verhindert werden.

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

365

Bild 5.4.1‑2    Saalebrücke Bad Kösen

5.4.1.2  Instandsetzung und Ertüchtigung von Gewölbe- und Bogenbrücken Die Instandsetzung und Ertüchtigung bestehender Brücken ist i. d. R. mit einer Anpassung an neue funktionale Anforderungen verbunden. Im Folgenden werden nur Maßnahmen behandelt, die den Überbau betreffen. Umfassende Darstellungen der Ertüchtigung von Pfeilern, Widerlagern und Gründungen sowie der Instandsetzung von Dichtungen, Gesimsen usw. findet man z. B. in [Vockrodt et al., 2003] und [Nodoushani, 1996]. Die einfachste Variante der Instandsetzung des Überbaus einer Gewölbe- und Bogenbrücke ist der Austausch der Auffüllung, die aus bindigen Schottermaterialien, Kiessand oder anderen Erdstoffen bestehen kann. Der Ersatz durch Leichtbeton führt zu einer besseren Verteilung der Verkehrslasten, reduziert den Horizontaldruck auf die Stirnwände und ermöglicht den ordnungsgemäßen Einbau einer Fahrbahndichtung. Die unter Denkmalschutz stehende Saalebrücke Bad Kösen (Bild 5.4.1‑2) im Zuge der B87 war 1892/93 als Gewölbe­ brücke mit 4 Bogen errichtet worden. Zur Erhaltung der Standsicherheit, der Gebrauchstauglichkeit, der Dauerhaftigkeit und somit zur Erhaltung ihrer wichtigen Funktion im Bundesstraßennetz war eine

umfangreiche Instandsetzung des Bauwerks dringend erforderlich. Die lichten Weiten zwischen den Pfeilern des Bauwerks betragen 24,5 m + 27,0 m + 27,0 m + 24,5 m. Die Randpfeiler haben eine Breite von 5,0 m, der Mittelpfeiler und die Widerlager haben eine Breite von jeweils 8,0 m. Damit ergibt sich die Gesamtlänge der Brücke zu 137,0 m. Die aus gelben Klinkersteinen gemauerten Bogen weisen zwischen Scheitel und Kämpfer unterschiedliche Dicken auf. Die Gewölbedicke ist den statischen Erfordernissen angepasst: 1,16 m/1,29 m/1,45 m. Die 1 m breiten Seitenansichten der Bogen bestehen aus großformatigem Muschelkalk und gelbem Sandsteinmauerwerk. Der Bogenstich in den Randfeldern beträgt 2,75 m, in den Innen­feldern 3,15 m. Das Gewölbe hat eine Gesamtbreite von 11,0 m. Im Zuge der Erneuerung der Bauwerksabdichtung wurden die vorhandenen Bogenauffüllungen ausgebaut und durch einen in sich standfesten, bewehrten Stahlleichtbeton ersetzt (Bild 5.4.1‑3). Damit konnte eine weitgehend gleichmäßige Belastung des Klinkermauerwerks über die Gewölbebreite erreicht werden. Querzugbeanspruchungen im Gewölbe, die von Mauerwerk nur in sehr geringer Größe aufnehmbar sind, werden auf ein Minimum reduziert. Des Weiteren treten keine Horizontalbelastungen des Stirnmauerwerks

2%

25 Det. III

Sandstein

Klinkergewölbe

2,5 %

Granit-Platten Mörtelbett Schutzbeton Einkornbeton Granit-Hochbord

2,5 %

• • • • •

Reinigung Ausräumen schadhafter Fugen Neuverfugung lokaler Steinaustausch kraftschlüssiges Verpressen von Rissen

2%

3,5 cm Gussasphalt-Deckschicht 3,5 cm Gussasphalt-Schutzschicht Abdichtung gem. ZTV-BEL-B 1/87 Stahlleichtbeton (LB 25)

Instandsetzung des Mauerweks

10,75

Bild 5.4.1‑3   Saalebrücke Bad Kösen – Schnitt durch den Scheitelbereich

40

25

40

Sandstein

Schutzrohre für mgl. Ver- bzw. Entsorger 1PE-HD ∅ 300 5PE-HD ∅ 100

366 5  Haupttragwerke der Überbauten

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

mehr auf. Durch den Einsatz von Leicht­ beton konnte eine Erhöhung der ständigen Lasten vermieden und die Ertüchtigung der Tragfähigkeit von Brückenklasse 24/24 auf 60/30 erzielt werden. Eine Verbreiterung der Brücke war nicht erforderlich. Es erfolgte eine grundhafte Instandsetzung aller Naturstein- und Mauerwerks­ flächen, der Austausch stark geschädigter Steinsubstanz und eine Erhöhung der Dauerhaftigkeit der Sandsteine durch Steinverfestigung. Die Abdichtung wurde komplett als hochliegende Dichtung erneuert. Neben der Ertüchtigung einer Gewölbeoder Bogenbrücke kann eine gleichzeitige Vergrößerung der Verkehrsraumbreite mittels einer auf dem vorhandenen Überbau aufgesetzten Stahlbetonfahrbahnplatte mit entsprechenden Auskragungen erforderlich werden. Die Friedensbrücke in Plauen/Vgtl., besser bekannt unter dem Namen Syratal­ brücke (Bild 5.4.1‑4), wurde in den Jahren 1903 bis 1905 im Zuge einer Ortsumgehung erbaut und ist mit 90 m Bogenstützweite die größte Natursteinbogenbrücke der Erde. Der flache Bogen hat im Scheitel eine lichte Höhe von 18,0 m. Die Konstruktionsdicke des Bogens beträgt im Scheitel 1,5 m und im Kämpferbereich 4,0 m. Der Bogen selbst besteht aus 60% ortsnahem dickplattigem Phyllit und 40% Mörtel. Bereits mit dem Absenken des Lehrgerüsts stellten sich erhebliche Scheitelsenkungen ein, die bis 1977 auf 440 mm anstiegen. Die durchschnittliche Scheitelsenkung beträgt noch heute rund 2 mm pro Jahr. Im Laufe der Jahrzehnte erfolgten ständig Ursachenforschung und Teilinstandsetzungen mit dem Ziel des Unterbindens der Senkungen. Maßnahmen wie Zementverpressung, Teilerneuerung der Brückenabdichtung und Einschneiden von Fugen zur definierten Kraftabtragung erwiderte die Brücke mit einer kurzzeitigen Erhöhung der Scheitelsenkung mit anschließender Beruhigung auf die durchschnittlichen Werte pro Jahr.

367

Bild 5.4.1‑4   Friedensbrücke Plauen/Vgtl.

In den vergangenen Jahren wurde die Brücke einer umfassenden Prüfung und Instandsetzung unterzogen. Am Bogen selbst wurden über 6 Querschnitte verteilt Verzerrungen, Durchbiegungen und vergleichsweise Schwingungen gemessen. An ausgewählten Fugen und Rissen wurden zusätzlich Verschiebungen ermittelt. Die Bauwerksprüfung und die Probebelastung erfolgte im September 1996. Zum Einsatz kamen drei Vierachs-LKW mit einer Gesamtmasse von 100 t. Durch die Fülle der gewonnenen Daten in den einzelnen Laststellungen war eine gute Auswertung möglich. In Einbeziehung der gewonnenen Baustoffkennwerte und der Daten aus der Probebelastung konnte die Brückenklasse 60/30 nachgewiesen werden. Weiterhin zeigte sich, dass die Eigenlast während der Bauphase nicht einseitig reduziert werden konnte. Die sich einstellenden Spannungsumlagerungen hätten zu zusätzlichen

368

Scheitelsenkungen geführt. Eine halbseitige Bauweise konnte aus dieser Sicht nicht die Vorzugsvariante sein. Die wesentlichste Erkenntnis aus der Brückenhauptprüfung war, dass es keine durchgängig funktionierende Brückenentwässerung gab. Im Laufe der Jahrzehnte waren durch Fahrbahndeckenerneuerungen Brückenabläufe verschwunden. Innerhalb des Bauwerks konnten die Entwässerungsanlagen in Ermangelung an Material nicht ordnungsgemäß erhalten werden. Of­fen­ sichtlich war die Bauwerksabdichtung seit 1905 zu keiner Zeit voll funktionstüchtig. Beidseitig der Brücke wurde zwischen den Flügeln eine überschnittene Bohrpfahlwand mit einer vorgelagerten Drainagewand angeordnet. Talwärts strebendes Wasser soll so vor dem Bauwerk abgeleitet werden. Der erste Teil der Instandsetzung war geprägt durch die Stahlbetonarbeiten, Bauwerksabdichtung, Bauwerksentwässerung und Geländerbau. Der zweite Teil der Instandsetzung der Friedensbrücke wurde 2002 ausgeführt. Dieser beinhaltete die Mauerwerksinstandsetzung im Bereich des Bogens, der Stirnwände und der Spargewölbe. Im 2. Weltkrieg wurde die Brücke von 5 Bomben getroffen. Infolgedessen war der Querschnitt im Bogenscheitel bis zu zwei Drittel geschwächt worden. Die heute noch sichtbare Stelle der Bombentrefferreparatur sollte nicht mit Spritzbeton an den restlichen Bogen angepasst werden. Diese Betonplombe wurde gemäß [ZTV-SIB 90, 1990] hergerichtet und bleibt im ordentlichen Zustand sichtbar. Der aus Bruchsteinen hergestellte Bogen hatte ursprünglich über seine gesamte Länge ein aus Mörtel bestehendes angedeutetes Quadermauerwerk. Dieses Element wurde am Bogen und den Spargewölben wieder aufgebracht. Auf dem 16 m breiten Bogen konnten durch die Ausbildung einer geringen Auskragung eine 11 m breite Fahrbahn und zwei 3 m breite Gehwege angeordnet werden (Bild 5.4.1‑5). Zu diesem Zweck wurde

5  Haupttragwerke der Überbauten

von Bohrpfahlwand zu Bohrpfahlwand über das Bauwerk selbst eine 250 mm dicke Stahlbetonplatte vollflächig aufgelegt. Direkt über dem Bogen liegt diese Platte auf dem neu eingebrachten Leichtbeton auf. Eine vielfach praktizierte Möglichkeit der Ertüchtigung von Gewölbe- und Bogenbrücken besteht in der Verstärkung des gemauerten Gewölbes bzw. Bogens mit Beton. Das kann durch bewehrten Auf­ beton erfolgen, wie z. B. bei der Erfurter Roß­brücke ([Baumbach/Vockrodt, 2000, S. 42–46], [Vockrodt et al., 2003, S. 264– 265]) oder durch eine bewehrte Spritzbetonschale auf der Unterseite des Überbaus ([Ruffert, 1983, S. 218–219]). Damit entsteht ein Verbundquerschnitt, der als solcher nachzuweisen ist. Voraussetzung ist eine entsprechende Verdübelung zwischen dem gemauerten Gewölbe bzw. Bogen und der Verstärkung, um die auftretenden Schubkräfte aufnehmen zu können. Besteht zwischen dem so verstärkten Gewölbe bzw. Bogen keine Trennung von der weiteren Betonauffüllung, z. B. durch einen Bitumenanstrich, entsteht nach [Stein, 2001] sogar ein Verbundtragwerk in der Form eines Gewölberahmens. Eine Erweiterung einer Brücke kann auch durch Anordnung eines Erweiterungsbauwerks neben der vorhandenen erfolgen. Hierfür kann die Krämpfertorbrücke in Erfurt ([Vockrodt, 2000], [Baumbach/Vockrodt, 2000, S. 31–35], [Vockrodt et al., 2003, S. 260–264]) als ein gelungenes Beispiel angesehen werden. Eine ganz andere Vorgehensweise wurde bei der Ertüchtigung des unter Denkmalschutz stehenden, rd. 570 m langen Wahrener Viadukts ([Patzschke, 1996]) im Zuge des Leipziger Güterringes gewählt. Das Bauwerk war in den Jahren 1904 bis 1907 aus für die Leipziger Ingenieurbauwerke der Eisenbahn dieser Zeit typischen gelben Klinkern errichtet worden. Die Druckfestigkeit der Verblendklinker liegt zwischen 40 und 50 MN/m². Für die Hinter­mauerung

Bild 5.4.1‑5   Friedensbrücke Plauen/Vgtl. – Querschnitt im Bogenscheitel

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken 369

370

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.4.1‑6   Querschnitt eines Bogens des Wahrener Viadukts vor der Instandsetzung nach [Patschke, 1996]

wurden rote Ziegelsteine geringer Festigkeit und Frostbeständigkeit verwendet. Oberhalb der tragenden Bogen und zwischen den Stirnwänden wurde mit einem sog. Sparbeton aufgefüllt. Bild 5.4.1‑6 zeigt die Darstellung des Querschnitts der Bestandszeichnung. In der Ansicht stellen sich die gemauerten Bogen mit konstanter Dicke dar, obwohl sie sich in der Auffüllung in abschnittsweise veränderlicher Dicke vom Kämpfer her abnehmend fortsetzen. Auf diese Weise entstand eine Verzahnung zwischen Auffüllung und Mauerwerk, die zu einer für Druck- und Zugkräfte unterschiedlichen Mitwirkung der Auffüllung

700

935

1:30

2000 Bauwerksachse 1 = Bahnachse

380 520

Gleisachse

2000

1580

2200

1330

2200

1:30

Rinnenhochpunkt

1568

3962

200

350

OK vorh. Gesims = Abbruchfuge

1100

8,00

380

1,68

Sparbeton

200 225

4,64

1,68

650

0,32 0,15

Gleisachse

1,18 0,32

60

7,00

führt. Die lichten Weiten der Gewölbe betragen 13 bis 22 m und die Kreuzungswinkel der unterführten Bundesstraße B6 und der Weißen Elster bis zu 20 Grad. Betriebliche Belange, beträchtliche Schäden an der Abdichtung und in bestimmten Bereichen über viele Jahre beobachtete, örtlich vergrößerte Risse und Ausbrüche machten eine grundlegende Instandsetzung erforderlich. Bei der Ausbildung der Fahrbahnwanne waren einerseits die Forderungen des Denkmalschutzes nach Erhaltung des Gesimsbandes und andererseits die der [Rili 804, 2003] für die Fahrbahnwanne zu erfüllen. Die Lösung zeigt Bild 5.4.1‑7. Die eindeutige Abhängigkeit der Rissbewegungen von den Temperaturverläufen konnte durch eine etwa 6 Monate dauernde systematische Beobachtung und Erfassung der Risse nachgewiesen werden. Rechnerisch ergab sich, dass bereits eine Temperaturerhöhung um 15 K zu Druckspannungen oberhalb der zulässigen führten. Insbesondere zahlreiche Querzugrisse in den Scheitelbereichen wiesen auf außerordentlich hohe Druckspannungen hin. Nach einer langanhaltenden Hitzeperiode mit relativ hohen Nachttemperaturen erfolgte ein regelrechtes Aufbrechen des Gewölbes im Scheitelbereich des Bogens 15, und aus dem bisherigen Stützliniengewölbe stellte sich

710

Schnitt +166,84

4007

1523

Bild 5.4.1‑7   Normalquerschnitt eines Bogens des Wahrener Viadukts nach der Instandsetzung nach [Patschke, 1996]

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

das statische System eines Dreigelenk­ bogens ein. Zur Entlastung der Bogenreihen von den Zwangbeanspruchungen infolge Temperatur wurden deshalb elastische nachstellbare Scheitelgelenke in ausgewählten Bogen eingebaut (Bild 5.4.1‑8). Damit konnten die Zwangbeanspruchungen in den ungünstigsten Bogenscheiteln um 25–30% abgebaut werden. Da der entlas­ tende Einfluss dieser elastischen Gelenke in den Bogen 6 und 15 in Richtung zu den Brückenenden hin stark abgebaut wurde, entschloss man sich auch in dem zunächst nicht betroffenen Bogen 24 ein weiteres elas­tisches Gelenk einzubauen. Somit entstand eine Aufteilung der Gewölbereihe in 4 Abschnitte. Als elastische Gelenke wurden speziell entwickelte Elastomerlager (Bild 5.4.1‑9) für eine Längskraft von 1,25 MN/Lager eingebaut. Neben den Normalkräften müssen auch Querkräfte übertragen werden können, um gegenseitige Verschiebungen und Verdrehungen der Bogenschnittufer aus ungleicher Belastung der Bogenabschnitte oder möglicher Bogenzwängungen auszuschließen. Zu diesem Zweck wurden an den Außenseiten zwei stählerne Lager ohne Längskraftübertragung angeordnet (Bild 5.4.1‑10). Mit dem Schlitzen der Bo-

371

gen wurden die Bogenhälften spannungslos auf einem aus jeweils 4 Ortbetonscheiben und einer Stahlträgerlage bestehenden Traggerüst aufgelagert. Vor dem Einbau der Lager wurden zur Lastausbreitung stark bewehrte Stahlbetonauflagerbänke hergestellt, die in dem anstehenden, verzahnten Mauerwerk der Gewölbe und dem darüber vorhandenen Sparbeton mit sehr wechselnder Festigkeit tief verankert wurden. Nach dem Einbau der Lager wurden die Bogen durch ein stufenweises Aufbringen von Vorspannkräften in der Größe von 50 kN/Lager freigesetzt. Die Anfangskräfte wurden temperaturabhängig für den Zustand ohne Schotter- und Verkehrslast am statischen Grundmodell berechnet. Sie betrugen für eine Temperatur von 20 °C, z. B. für den Bogen 15, rund 250 kN. Die Kräfte sind so bemessen, dass das elastische System bis etwa 0 °C funktioniert. Für tiefere Temperaturen wird die Trag­wirkung als Stützliniengewölbe vorausgesetzt. Die konstruktive Ausbildung der Gewölbeschlitzung fügt sich harmonisch in die Gesamtansicht ein. Der Weiterbau der in den 30er Jahren begonnenen Autobahn A72 und ihr Ausbau für die heutigen Erfordernisse des Verkehrs stellte eine große Herausforderung

Bild 5.4.1‑8   Anordnung elastischer Gelenke im Bogen 15 des Wahrener Viadukts nach [Patschke, 1996]

372

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.4.1‑9    Prinzipskizze des speziell für den Wahrener Viadukt entwickelten Elastomerlagers nach [Patschke, 1996]

Stahllager ohne Längskraftkontakt Elastomerlager

Bild 5.4.1‑10   Lageranordnung an einem geschlitzten Bogen des Wahrener Viadukts nach [Patschke, 1996]

hinsichtlich der Integration bereits bestehender Brückenbauwerke in das Konzept einer modernen Autobahn dar. Die Autobahn verläuft etwa parallel zum Erzgebirge, Elstergebirge und Fichtelgebirge, die Ursprung zahlreicher, in tief eingeschnittenen Tälern nach Norden fließender Flüsse sind. Dadurch war der Bau mehrerer großer und kleiner Brücken notwendig, die seinerzeit teils nur begonnen und teils fertig gestellt waren, jedoch in jedem Fall verbreitert werden mussten. Beim Umbau der vorhandenen Steinbogenbrücken auf die heutige Verkehrsbelastung war die architektonische Gestaltung der alten Bauwerke zu erhalten

und das Landschaftsbild so wenig wie möglich zu beeinträchtigen. Im Zuge der Reichsautobahn Dresden – Naila wurde 1938 mit dem Bau der Elstertalbrücke Pirk ([Cordes et al., 1993]), einer Steinbogenbrücke aus 12 Gewölben von je 33,5 m lichter Weite und einem Pfeilerabstand von 38,5 m zur Überwindung des ca. 500 m breiten Tales der Weißen Elster begonnen, die nach ihrer Vollendung die größte Steinbogenbrücke der Erde gewesen wäre. Sie hat eine Gesamtlänge von 635 m, die größte Höhe über der Talsohle beträgt 60 m. Bei der Planung hatte man neben verkehrstechnischen Gesichtspunkten insbesondere

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

373

Bild 5.4.1‑11   Saalebrücke im Zuge der Autobahn A72 – Längsschnitt nach [WALTER∙BAU]

ästhetische berücksichtigt, denn es sollte ein Brückenbauwerk entstehen, das sich in der Form, dem Material, der Bauart und Farbe in die umgebende Landschaft harmonisch einfügt. Kriegsbedingt wurden die Arbeiten 1940 eingestellt. Hergestellt waren die Widerlager, Pfeiler, die 12 Granitbogen und die Aufmauerungen über den Pfeilern für die Spargewölbe. Über 50 Jahre führten bei dem ungeschützten Bauwerk Regen und Schnee zu beträchtlichen Kalkaussinterungen. Infolge der Temperaturschwankungen war die Vormauerung der Pfeiler von den abschnittsweise eingebrachten Stampfbetonschichten getrennt. Ziel der Baumaßnahmen zur Vollendung der im Zuge der heutigen Autobahn A72 Chemnitz – Hof wichtigen Elstertalbrücke war die Nutzung der bauhistorisch und bautechnisch vorhandenen Substanz unter Berücksichtigung der heute verkehrstechnischen Standards. Das Natursteinmauerwerk wurde unter Anwendung des Hochdruckwasserstrahlverfahrens gereinigt und anschließend neu verfugt. Risse und Hohlstellen in den Pfeiler- und Bogenbereichen wurden mit einer Spezialzementsuspension verpresst. Als Tragsystem wurden 2 getrennte, asymmetrische und über die Pfeiler durchlaufende Spannbetonkästen mit je einem einseitig angeordneten Kragarm von 6,61 m gewählt, deren vertikale Stützkräfte über in den Pfeilerachsen angeordnete „Auflagerstühle“ direkt in die Pfeiler abgetragen werden. Nur die Horizontalkräfte in Längsrich-

tung werden von den Auflagerstühlen über Längsscheiben in die Gewölbe eingeleitet und von diesen zu den Endbauwerken abgetragen. Nach Herstellung der Auflagerstühle und der seitlichen Aufmauerung nach altem Vorbild wurden die beiden Spannbetonkästen im Taktschiebever­ fahren hergestellt. Da für die Herstellung der Brüstung die Granitsteine nicht in den erforderlichen Abmessungen und Menge vorhanden waren, wurde hierfür eine zweischalige Konstruktion gewählt: Eine örtlich als Stützwand ausgebildete Stahlbetonfertigteilplatte wurde mit 150 mm breiten Granitsteinen verblendet. Die Saalebrücke im Zuge der Autobahn A72 ([WALTER∙BAU]) wird von drei Bogen mit Pfeilerabständen von 58 m + 74 m + 62 m (Bild 5.4.1‑11) gebildet. Das Bogentragwerk besteht aus gemauerten Granitquadern unterschiedlicher Abmessungen und war weder ausreichend tragfähig noch breit. Als Verfüllung war Stampfbeton unterschiedlicher Festigkeit schichtenweise bis UK Fahrbahn eingebracht. Die seitlichen Wangen sowie die Stützwände im Bereich der Pfeilerkammern sind gleichfalls aus Natursteinmauerwerk, und die Granitsteine binden in den Verfüllbeton ein. Als Überbau kam deshalb je Richtungsfahrbahn ein einzelliger Spannbetonkasten mit einer konstanten Bauhöhe von 2,5 m und einer einseitig weit auskragenden Fahrbahnplatte im Taktschiebeverfahren zur Ausführung. Mit diesem Überbauquerschnitt können maximal 40 m überbrückt

374

werden. Um die Bogen von der Lastabtragung auszuschließen, mussten die Unterbauten im Bereich der drei großen Bogen entsprechend ausgebildet werden. Sie bestehen aus Ortbetonstützen und Scheiben, die z. T. auf dem Bestand und z. T. auf Fels flach gegründet sind. Im Bereich der Bogen sind massive, in Längsrichtung vorgespannte Waagebalken mit Kraglängen bis 20 m und Bauhöhen von 5 m ausgebildet. So entstanden in Verbindung mit den zu überbrückenden Endbauwerken Durchlaufträger über 9 Felder mit Stützweiten von 15 m bis 40 m (Bild 5.4.1‑11). Die Stützung der Waage­balken erfolgte über Verpresspfähle, die in den Pfeilerbeton einbinden, teilweise bis in die Gründung geführt wurden und zudem zu einer Verbesserung des Pfeilerbetons führten. In den Achsen 100, 200 und 700 bis 900 sind die beiden Überbauten starr gestützt,

5  Haupttragwerke der Überbauten

während die Achsen 300 bis 600 elastische Stützungen darstellen, die sich entsprechend den Einwirkungen verformen und zu entsprechenden Schnittgrößenumlagerungen führen. Zur Verringerung der Schnittgrößen aus äußeren Lasten, insbesondere in den hochbelasteten Außenstegen, war es jedoch erforderlich, im Bereich der Waagebalken ein zusätzliches Lager anzuordnen. Zum Einbau der Waagebalken und zur Aufnahme der Spannbetonkästen wurde der alte Verfüllbeton über den Steinbogen und zwischen den seitlichen Wangenmauern, soweit erforderlich und statisch möglich, entfernt. Der Ausführungsentwurf der Saale­ brücke war so ausgelegt, dass er auch für den späteren Umbau der Talbrücke Pöhl (Bild 5.4.1‑12) und der Göltzschtalbrücke (Bild 5.4.1‑13) mit Anpassung an die dortigen Pfeilerabstände von 45 m bzw.

Bild 5.4.1‑12   Talbrücke Pöhl – Längsschnitt nach [WALTER∙BAU]

Bild 5.4.1‑13   Göltzschtalbrücke im Zuge der Autobahn A72 – Längsschnitt nach [WALTER∙BAU]

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

62 m wirtschaftlich übertragbar war ([WALTER∙BAU]). Auch hier wurden als Überbauten zwei getrennte, asymmetrische Spannbetonkästen im Taktschiebeverfahren eingebaut. Bei der Talbrücke Pöhl konnten durch die Wahl der Stützweiten von 30 m über den Bogen und mit 15 m in den Pfeilerbereichen die Auflagerscheiben so starr ausgebildet werden (Bild 5.4.1‑12), dass die Überbauten in allen Lagerpunkten auch starr gestützt sind. Das Prinzip der Herstellung der Unterbauten mit der Gründung der Auflagerscheiben auf Verpresspfählen entspricht dem der Saalebrücke. In Anbetracht der Pfeilerachsabstände der Göltzschtalbrücke wurden die Stützweiten der Überbauten bis auf die Endbereiche stets gleich zu 31 m gewählt (Bild 5.4.1‑13). Die Auflagerscheiben in den Pfeilerbereichen sind konstruktiv steifer als bei der Saalebrücke ausgebildet. Trotzdem sind sie als elastisch zu betrachten, so dass auch hier die statischen Besonderheiten der Saale­ brücke zu berücksichtigen waren. 5.4.2  Betonbogenbrücken

Francesco Aigner und Thomas Petraschek 5.4.2.1  Allgemeines Der Bogen ist für den auf Druck optimal einsetzbaren Baustoff Beton ein prädestiniertes System. Bogenartige Konstruktionen wurden schon sehr früh und unabhängig in allen Teilen der Welt erfolgreich eingesetzt. Zu Beginn der Betonbauweise wurden praktisch alle Betonbrücken als Bogenbrücken gebaut: Manche tatsächlich als unbewehrte Betonbogen, andere als „Monierbogen“, wobei überaus beachtliche Spannweiten erzielt werden konnten. Zur Entwicklung der Bogen­brücken siehe [Pauser, 1987], S. 18−85. Von den vielen Veröffentlichungen über die Berechnung von massiven Bogenbrücken

375

werden die beiden Arbeiten von Dischinger [Dischinger, 1937] und [Dischinger, 1939] genannt, in welchen das Trag-, Verformungsund Stabilitätsverhalten unter Einbeziehung von Schwinden und Kriechen erschöpfend behandelt ist. Zu Fragen der Gestaltung siehe z. B. [Leonhardt, 1982]. 5.4.2.2  Bogenwirkung Die Leistungsfähigkeit von Gewölben beruht auf ihrer Stützlinienwirkung, d. h. auf der Fähigkeit, einen beachtlichen Teil der Lasten nur durch Normalkräfte und ohne Biegung abzutragen, wodurch die Querschnitte besser ausgenützt werden. Bild 5.4.2‑1 zeigt schematisch die Funktionsweise des Bogens. Werden die Auflagerpunkte horizontal unverschieblich gehalten, so entstehen infolge vertikaler Lasten horizontale AuflaM0 gerkräfte H = 6 (Horizontalschub), d.h. f das System wird Druckkräften ausgesetzt, die mit größer werdender Spannweite L und kleiner werdendem Stich f größer werden. Diese Druckkräfte erzeugen einerseits Druckspannungen im Querschnitt und wirken andererseits den „Balkenmomenten“ M0 entgegen. Im Idealfall eines Stützliniensystems (System in der Form der Seil­ linie) verschwinden die Momente M0 vollständig: M0 + H · y = 0. Dies steht in Analogie zum Spannbeton: Bei diesem werden durch das Vordehnen von Spanngliedern in einem Balken Druckkräfte erzeugt, deren Abtriebskräfte bei entsprechender Spanngliedgeometrie entlastende Biegemomente erzeugen. Beim Bogen entsteht durch Wirkung der Schwerkraft bei gleichzeitiger Unterbindung des Ausweichens an den Kämpfern eine Druckkraft, die wiederum bei entsprechender Formgebung des Tragwerks entlastende Biegemomente erzeugt. Im Unterschied zum Spannbeton ist die Gewölbewirkung sozusagen eine Systemeigenschaft (wie z. B. die

376

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.4.2-1   Seillinie, Momentenlinie und Stütz­linie

Masse), die so lange existiert, wie das System einschließlich seiner Lagerung existiert. Der Bogen kann daher als ein ideal vorgespanntes Tragwerk betrachtet werden, das alle Vorteile des Spannbetons besitzt, nicht aber dessen Nachteile (Spannkraftverlust durch Kriechen, Möglichkeit der Schädigung oder des Ausfalls von Spanngliedern). Ist die ästhe­ tische Qualität eines Tragwerkes auch nicht allgemein verbindlich, so muss das Gewölbe zumindest als „logisches“ System angesehen werden, das in der Natur – hier meist als doppelt gekrümmte Schale – häufig vorkommt, besonders, wenn große Kräfte zu bewältigen sind. Technisch günstige Eigenschaften des Bogens sind seine große Steifigkeit, seine Dauer­haftigkeit, seine Fähigkeit, Kräfte in Längsrichtung problemlos und mit kleinsten Verformungen aufnehmen zu können (Brem­

sen!) und sein günstiges Verhalten im Erd­ bebenfall. Eine Bogenbrücke ist wirtschaftlich konkurrenzfähig, wenn es gelingt, dem Fahrbahntragwerk vergleichsweise geringe Stützweiten zu geben und hohe Pfeiler zu vermeiden, d. h. wenn man das Haupthinder­nis bzw. die Haupthindernisse durch einen oder mehrere Bogen überbrücken kann. Ein Beispiel zeigt Bild 5.4.2-2, wo durch die Aneinanderreihung zweier Bogen mit Spannweiten von 120 m und 150 m große Feldstützweiten, hohe Pfeiler und aufwendige Gründungen vermieden werden konnten. 5.4.2.3  Gründung Vielfach wird die Notwendigkeit eines überdurchschnittlich guten Baugrunds an-

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

377 Bild 5.4.2-2   Überwindung eines Hindernisses durch ein Bogentragwerk [Bildarchiv ÖBB]

genommen, allerdings nicht ganz zu Recht. Zwar ist die Auflagerkraft an einem Kämpfer mit der Neigung α gegen die Horizon­tale um den Faktor 1/sin α größer als die Vertikalkraft, doch ist zu bemerken, dass bei entsprechendem Verlauf allfälliger Kluftlinien, in der Praxis also sehr oft, der Hang durch die schräge Auflagerkraft des Bogens sogar stabilisiert wird, wodurch die Gründungen oft überraschend einfach ­werden (einfacher als z. B. bei hohen, eingespannten Pfeilern), Bild 5.4.2-3. Auch lassen sich die Bogenfundamente durch Änderung der wirksamen Auflagerfläche sehr gut an die Bodenverhältnisse anpassen. 5.4.2.4  Bogenform Um die Vorzüge der Lastabtragung durch Stützlinienwirkung bestmöglich ausnützen

zu können, ist die Bogenform sorgfältig zu wählen. Theorie der Stützlinien siehe [Melan et al., 1948], S. 78–84. Es ist zu beachten, dass jede Stützlinie nur für ein bestimmtes feststehendes Lastbild gilt, dass es also gar nicht möglich ist, einen Bogen schlechthin „in die Stützlinie zu legen“. Die Bogenachse sollte daher so gewählt werden, dass sie für ständige Einwirkungen (Eigenlasten, Ausbaulasten, bei sehr stark be­ fahrenen Brücken eventuell zusätzlich ein quasi-ständiger Anteil der Verkehrslasten) der Stützlinie nahe kommt und für alle ­anderen Lastbilder von dieser möglichst wenig abweicht. Schließlich sind die Bogenquerschnitte für die Schnittkraftkombination N + M = N · (1 + M/N) = N · (1 + e) zu bemessen. Zugspannungen entstehen, wenn die Normalkraft N aus dem „Kern“ des Querschnittes austritt (Normalkraftexzentrizität e > Kernweite k).

378

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.4.2-3   Hangstabilisierung durch ein Bogenfundament

5.4.2.5  Einteilung der Bogenbrücken 1. Nach der Lage des Fahrbahntragwerks zum Bogen: – Bogenbrücken mit aufgeständerter Fahrbahn, Bild 5.4.2-4a und Bild 5.4.2-4b (Regelausführung im Massivbau) – Bogenbrücken mit abgehängter Fahrbahn, Bild 5.4.2-4c (werden häufiger in Stahl ausgeführt: „Langerbalken“ siehe Abschnitt 5.4.3) 2. Nach dem Verhältnis der Biegesteifigkeit des Fahrbahntragwerks zu jener des Bogens: – Bogenbrücken mit steifem Bogen (Bogen trägt das Tragwerk), Bilder 5.4.2‑5a, 5.4.2‑5b – Stabbogenbrücken (Bogen steift das Tragwerk aus), Bild 5.4.2‑5c 3. Bei Bogenbrücken mit steifen Bogen zusätzlich nach dem statischen System des Bogens: – Eingespannter Bogen, Bild 5.4.2‑5a – Zweigelenkbogen, Bild 5.4.2‑5b

5.4.2.6  Projektierung und Vorbemessung des Bogens Die nachstehenden Grundsätze gelten für den Fall von Bogen mit aufgeständerter Fahrbahn. Man kann den Bogen in der Art konzipieren, dass er sich selbst und die Überbauten (Stützen, Tragwerk) trägt oder aber in der Art, dass er für die Überbauten nur aussteifend wirkt (Stabbogen). Ein Problem bei dieser Bauweise ist die Her­ stellung, da Bogenteile, Stützen und Tragwerk zusammengefasst und in der Regel gesichert (unterstützt, abgespannt) werden müssen. Außerdem entfällt der Vorteil, eine vom Rest der Brücke unabhängig standfeste Überbrückung des Haupthindernisses zu schaffen. Wegen der statischen Wirkungsweise von Bogenbrücken mit Stabbogen wird auf den Abschnitt 5.4.3 verwiesen. Hier wird nur auf Systeme mit steifen Bögen eingegangen. Das statische System ist in Abhängigkeit von der Geometrie (Pfeilverhältnis f/l) zu wählen (Bezeichnungen siehe Bild 5.4.2‑1),

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

379

a

b

c

Bild 5.4.2-4   Lage des Fahrbahntragwerks zum Bogen

Bild 5.4.2-5   Statische Systeme von Bogen­brücken

380

5  Haupttragwerke der Überbauten

allenfalls können die Bodenverhältnisse im Kämpferbereich von Bedeutung sein: Bei gelenkiger Lagerung erhält man gleichmäßigere Bodenpressungen, bei voller Einspannung höhere Kantenpressungen. Üblich sind statisch unbestimmte Bogen: Eingespannte ­Bo­gen, bei flacheren Bogen auch Zweigelenk­ bogen. Zur Orientierung wird angegeben: f  1  1 Eingespannter Bogen 3 ≥ 3  bis  3  l  7  3 Zweigelenkbogen

f     1  1  3 ≥ 4  bis  3  l 10  6

Eingelenkbogen scheiden wegen ihres schlechten Kriech-, Schwind- und Stabilitätsverhaltens aus, Dreigelenkbogen sind bezüglich des Stabilitätsverhaltens ebenfalls ungünstig, werden aber zuweilen ausgeführt. Vor allem für flache Bogen sind Systeme mit Scheitelgelenk ungünstig, da bei diesen die erste Knickeigenform symmetrisch ist und daher die durch Normalkraftstauchung, vor allem aber durch Kriechverformungen verursachte Verkürzung der Bogenachse das Knicken fördert. Bezüglich des Stabilitätsverhaltens und aller damit zusammenhängenden Fragen siehe [Dischinger, 1937] und [Dischinger, 1939]. Bei genügend großem Pfeilverhältnis f/l empfiehlt sich jedenfalls der eingespannte Bogen. Bei kleinem Pfeilverhältnis kommt der Zweigelenkbogen in Frage, wobei die konstruktive Ausbildung der Gelenke bereits am Beginn der Brückenplanung zu klären ist. Die Bogenachse wird zweckmäßigerweise numerisch eingerechnet und nicht als Parabel zweiter oder höherer Ordnung, als coshLinie u. ä. oder als Kreisbogen (ungünstige Bogenform!) gewählt. Die theoretische Stützlinie weist an allen Stellen mit konzentrierter Lasteintragung (Stützen) Knicke auf, die man am fertigen Bauwerk als störend aber auch als „logisch“ empfinden kann. Dabei ist allerdings zu beachten, dass

der Bogen meist nicht nur in der Ansicht, sondern auch in der Schrägsicht betrachtet werden kann und dass gerade hier Knicke oft schlecht aussehen. Bei steifen Bogen lassen sich die Knicke so weit glätten, dass sie kaum mehr auffallen. Hingegen werden „Stabbogen“ wegen ihrer geringen Eigensteifigkeit und der daraus resultierenden geringen Momentenaufnahmefähigkeit möglichst in die Stützlinie für ständige Einwirkungen gelegt und die Knicke in voller Größe belassen (Bild 5.4.2‑5c). Die Neigung der gedachten Verbindungs­ linie der Kämpfer hat erhebliche Auswirkungen auf das Erscheinungsbild. Zwei gute Möglichkeiten zeigt Bild 5.4.2‑6. Bei entsprechenden Geländeverhältnissen bietet sich die Anordnung mehrerer Bogen an, siehe Kapitel 3 und Bild 5.4.2‑2. Die Kämpferstandorte sind eingehend zu überlegen und sorgfältig zu wählen. Da häufig in verhältnismäßig steilen Hängen gegründet wird, können auch kleine Standortverschiebungen das Aushubvolumen und den Umfang allfälliger Sicherungsmaßnahmen stark beeinflussen. Gerade bei Bogenbrücken sind die Gründungen entscheidend für die Wirtschaftlichkeit und die Gesamtqualität des Bauwerks. Tiefgründungen sind für die Bogenkämpfer fast nie erforderlich. Die Bogenspann­ weite sollte im Allgemeinen nicht unnötig groß gewählt werden, wobei jedoch der Einfluss der Fundierungsmaßnahmen zu berücksichtigen ist. Bei entsprechenden Baugrundverhältnissen kann ein etwas weiter gespannter Bogen insgesamt sogar günstiger sein. Flache Bogen (kleines Pfeilverhältnis f/l) sollten in Hinblick auf Horizontalschub, Kämpferverschiebungen, Kriechverformungen und Stabilität nicht flacher sein als notwendig. Durch das Zusammenführen von Tragwerk und Bogen, siehe Bild 5.4.2‑7, kann man an Pfeilhöhe gewinnen. Aus ästhetischen Gründen sollten steile Bogen (großes Pfeilverhältnis f/l) nicht unnötig steil ausgebildet werden.

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

381

Bild 5.4.2-6   Höhenmäßige Anordnung der Kämpfer bei Fahrbahntragwerk in der Wanne

Bild 5.4.2-7   Möglichkeiten zur Gestaltung des Scheitelbereichs

Die konstruktive Durchbildung im Scheitel­ bereich hat einen erheblichen Einfluss auf die Lastabtragung der vom Fahrbahntragwerk abgegebenen Längskräfte und auf das Erscheinungsbild, siehe Bild 5.4.2‑7. Man kann zwischen Bogen und Fahrbahntragwerk einen Zwischenraum belassen oder diese Teile zusammenführen. Im ersten Fall wird oft ein Mindestabstand von ca. 80–100 cm gefordert (Bild 5.4.2‑7b). Hier kann es einfacher sein, im Scheitel ein Tragwerksfeld und nicht eine Stütze anzuordnen (Bild 5.4.2‑7c). Vorteilhaft bei der Lösung nach Bild 5.4.2‑7d sind die sehr günstige Übertragung von TragwerksLängskräften (Bremsen!) und der Entfall eines Teils des Tragwerks, nachteilig sind die Unstetigkeiten in der Bogenachse. Bogenquerschnitt: Aus den Ausführun­ gen in Abschn. 5.4.2.4 folgt, dass im Hinblick auf das Stabilitätsverhalten und auf eine günstige Aufnahme der Biegemomente eine Querschnittsform mit großer Kern­ weite günstiger ist als eine mit kleiner Kernweite, d.h. der Kastenquerschnitt ist dem Vollquerschnitt klar überlegen. Dies steht

auch in Analogie zu hohen Pfeilern, die auch mit ein- oder mehrzelligen Kastenquerschnitten und nicht mit Vollquerschnitten ausgeführt werden. Nach den Erfahrungen des erstgenannten Verfassers, die er aus Kalkulationsergebnissen an zahlreichen Bogenbrückenprojekten im Spannweitenbereich von 30 bis 250 m gewonnen hat, ist der Vollquerschnitt nur für kleinere Bogen (etwa bis 40 m, äußerstenfalls ca. 50 m Spannweite) vertretbar. Ein größerer Vollbogen benötigt erheblich größere Mengen an Konstruktionsbeton, bringt entsprechend größere Lasten auf die Lehrgerüste, Abspannungen usw. und verursacht grö­ ßere Bodenpressungen. Für große Bogen (Spannweite ab ca. 180 m) ergibt sich bei günstiger Formgebung und Querschnittsgestaltung praktisch überhaupt keine statisch erforderliche Längsbewehrung, da der Querschnitt stets voll überdrückt ist. Ein Bogen mit veränderlicher Konstruktions­ höhe, Bild 5.4.2‑8, passt sich dem Kräfteverlauf besser an als ein Bogen mit konstanter Höhe und sieht daher nach Meinung der Verfasser auch besser aus.

382

Bild 5.4.2-8   Verlauf der Konstruktionshöhe

Seine Herstellung ist bei manchen Bauverfahren problematisch. Beim ein­gespann­ ten Bogen ergibt sich eine Zu­nah­me der Höhe zu den Kämpfern, beim Zweigelenkbogen lässt man die Höhe zu den Kämpfern abnehmen („Sichelbo­gen“). In beiden Fällen hat sich das Gesetz h(x) = hS + (hK – hS) · ξn bewährt, im ersten Fall hK > hS , mit n = 4, im zweiten Fall hS >hK  mit n = 6 oder sogar n = 8. Beim Entwurf einer Bogenbrücke müs­sen selbstverständlich auch die Vorland­ brücken berücksichtigt werden. Ein Sprung in der Tragwerkshöhe ist, wenn überhaupt, nur bei sehr langen Brücken sinnvoll, vor allem wenn sich die Konstruktion des Fahr-

5  Haupttragwerke der Überbauten

bahntragwerks ändert (z. B.: Tragwerk der Vorlandbrücken in Verbundbauweise, Tragwerk im Bogenbereich in Massivbauweise). Stützen: Einzelstützen, Stützengruppen oder Einzelscheiben sollten radial zum Tragwerk angeordnet werden. Bei stärker gekrümmten Fahrbahntragwerken müssen die Stützen auf dem Bogen Platz finden,­ Bild 5.4.2‑9. Die Kämpferstützen oder Kämpferschei­ ben sollten nach Möglichkeit etwas von der theoretischen Kämpferlinie abgerückt werden (2 bis 3 m, bei großen Bogen entsprechend mehr) und nur in zwingenden Fällen auf dem Bogen angeordnet werden, Bild 5.4.2‑10. Bogenkämpfer und Kämpferstützen erhalten ein gemeinsames Fundament. Bei Bogen mit Kastenquerschnitt werden die Stützenlasten über Querscheiben in den Bogen eingeleitet. Mit Rücksicht auf die Herstellung und auf den Kraftfluss sollten diese vertikal angeordnet werden. Die Breite der Quer-

Bild 5.4.2-9   Anordnung der Stützen bei im Grundriss gekrümmtem Fahrbahntragwerk

Bild 5.4.2-10   Anordnung der Kämpferstützen

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

383

5.4.2.7  Festlegung der Hauptabmessungen Bogenbreite: Bei im Grundriss stark gekrümmtem Tragwerksverlauf ergibt sich die Mindestbreite aus der konstruktiven Forderung, dass die Stützen auf dem Bogen untergebracht werden können, siehe Bild 5.4.2‑9. Bei geraden Tragwerken ist ein sinnvolles Maß zu wählen, wobei die Anforderungen aus der Herstellung sowie eine ausreichende Quersteifigkeit zu beachten sind (Windkräfte, Fliehkräfte, Stabilität quer zur Bogenebene). Als Bezugsgröße für die Konstruktionshöhe des Bogens wird die Querschnittshöhe hS im Scheitel festgelegt, siehe Bild 5.4.2‑8. Für einen ersten Ansatz kann angenommen werden:     l      l Straßenbrücken hS = 4  bis  5 70   60     l       l Eisenbahnbrücken hS = 4  bis  4      60      50 Bild 5.4.2-11   Bogenquerscheiben und Lagerung der Stützen auf dem Bogen

scheiben richtet sich nach der Stützenbreite und der Verschwenkung der Stützenebene gegenüber der Bogenebene, Bild 5.4.2‑11. Soll das Kasteninnere begehbar sein, können bei entsprechend großen Querschnitten die Querscheiben Durchstiegöffnungen erhalten (man benötigt dann nicht in jedem Teilbereich eine eigene Einstiegöffnung). Die Fahrbahntragwerke im Bogenbereich sollten unbedingt als Durchlaufträger ausgebildet werden, wodurch keine Fahrbahnübergänge im Tragwerk notwendig werden und Last-Biegemomente infolge von längsgerichteten Kräften (Anfahren, Bremsen, Reibung) in den Stützen vermieden werden. Eine allfällige Anordnung von Fahr­ bahnübergängen über den Kämpferscheiben ist sorgfältig zu überlegen und nur bei ­Brücken mit sehr langen Vorlandbrücken sinnvoll.

Für eine genauere Festlegung der Konstruktionshöhe ist das durch die Schlankheit λ ausgedrückte Stabilitätsverhalten in der Bogenebene auch dann bestens geeignet, wenn die statischen Nachweise nach Theorie II. Ordnung geführt werden und λ daher nicht explizit vorkommt. Die Knicksicherheit γk errechnet sich mit λ = β ∙ l/i      5 zu: und i = √I/A π2 ∙ E (σ) ∙ I γk = 09 , H ∙ (β ∙ l)2 wobei E (σ) = ρ ∙ E0 , H = maximaler Horizontalschub unter Gebrauchslasten, sowie nach Bild 5.4.2-12. Es sollte sein: γk ≥ 3,0 oder, strenger: γk ≥ 3,0 + λ/100. Für Bogen mit veränderlichem Querschnitt sind die Querschnittswerte I bzw. A so zu wählen, dass das Trägheitsmoment I auf mindestens 60% der ab­ gewickelten Bogenlänge überschritten wird. Wanddicken: siehe Bild 5.4.2‑13. Wird der Bogen mit Kastenquerschnitt ausgebildet, so werden für die Bodenplatte

384

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.4.2-12   Hilfswerte für die Abschätzung der Bogenstabilität

Bild 5.4.2-13   Wanddicken im Kämpferbereich

und Deckplatte 25–30 cm benötigt (im Kämpferbereich eingespannter Bogen 40– 50 cm), bei sehr großen Stegabständen entsprechend mehr. Die Stegdicken sind entsprechend den aufzunehmenden Schubkräften zu wählen und ergeben sich im Allgemeinen zu 30–40 (50) cm. Stützen­abmessungen: siehe Bild 5.4.2‑14. Bei durchlaufendem Fahrbahntragwerk ­entstehen in den Stützen praktisch nur ­Momente aus Zwang: kφ ∙ Beff  ∙ φ  kψ ∙ Beff  ∙ ψ Mφ = 09   bzw.  Mψ = 09 l l mit k = Faktor, Beff = Biegesteifigkeit der Stütze, ϕ = Endknotenverdrehung, ψ = Stab­ sehnenverdrehung, l = Stützenlänge. Um diese Momente klein zu halten, sollten die Stützen daher möglichst schlank ausgebildet werden. Brauchbare Werte liegen im Bereich λ = 70 bis 100. Sinnvolle Abstufungen der Stützendicken siehe Bild 5.4.2‑14. Bei hohen Stützen sind Hohlquerschnitte günstiger als Vollquerschnitte.

Bild 5.4.2-14   Stützenschlankheiten

5.4.3  Stahlbrücken

Günter Ramberger und Francesco Aigner Bogenbrücken werden eingeteilt in echte Bogenbrücken, bei denen der Bogen das tragende Element und die Fahrbahn nur angehängt oder aufgeständert wird, und Stabbogenbrücken, bei denen der Bogen als Verstärkung des Versteifungsträgers dient (Bild 5.4.3-1).

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

385

Bild 5.4.3-1   Echte Bogenbrücke und Stabbogenbrücke

Bogenbrücken haben den Vorteil, dass sie im Endzustand ausnehmend wirtschaftliche Tragwerke darstellen, da die Bogenform nahe der zur Last gehörigen Stützlinie liegt und somit die Abtragung der Lasten zu den Kämpfern bzw. Auflagern über­wie­gend über Normalkraft erfolgt. Sie haben aber den Nachteil, dass diese Kraftabtragung erst funktioniert, wenn der Bogen geschlossen ist. Bogen brauchen daher im Montagezustand Unterstützungen. Diese können als Stützen oder als schräge Aufhängungen gestaltet werden, benötigen aber immer zusätzliche Konstruktionen für die Montage. Obwohl stählerne Bogenbrücken von der Frühzeit des Stahlbaus an gebaut wurden und bis heute mit Stützweiten bis über 500 m (Fayetteville-Brücke USA mit 518 m Stütz­weite) gebaut werden, nimmt ihre Bedeutung gegenüber den Schrägkabel­ brücken ab. Stabbogenbrücken mit abgehängter Fahrbahn, die auf einem Vor­ montageplatz zusammengebaut und als Ganzes eingebaut (z. B. eingeschwommen) werden, sind gerade heute sehr wirtschaftliche Tragwerke im Stützweitenbereich von ca. 50 m bis 150 m. Des­wegen wird im Folgenden auf Stabbogenbrücken besonders einge­gangen.

Stabbogenbrücken, nach dem öster­ reichischen Inge­nieur Josef Langer auch Langer’sche Balken genannt, der sie 1861 erstmals untersuchte und der 1881 die Ferdinandbrücke über die Mur in Graz nach diesem System errichtete, bestehen aus einem Versteifungsträger, einem Bogen, der mit dem Versteifungsträger meist biegesteif, zumindest aber gelenkig verbunden ist, und den Hängern (Bild 5.4.3-2). Der Bogenstich liegt zwischen L/9 bis L/6 (L ist die Stütz­weite des Tragwerks). Der Bogen wird mit parabelförmiger Achse ausgeführt. Auf die Stützweite werden 6 bis 14 Hänger angeordnet, meist in einer geraden Anzahl, damit aus ästhetischen Gründen kein ­Hänger in der Brückenmitte liegt. Der auf Druck beanspruchte Bogen weist einen nach beiden Richtungen biegesteifen Querschnitt in Hut- oder Kastenform auf. Die Hänger werden aus Rund- oder Flach­ stählen gefertigt. Der Versteifungsträger wird meist als Kammquerschnitt mit zwei Hauptträgern und oben liegender ortho­ troper Platte gebildet. Bei Eisenbahnbrücken kann die Stahlleichtfahrbahn auch zwischen den Hauptträgern angeordnet werden. Der Anschluss der Hänger an den Bogen erfolgt mittels

386

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.4.3-2   Ansicht und Draufsicht einer Stabbogenbrücke, eingleisige Eisenbahnbrücke [DB – Richtzeichnungen]

Querschotten an den Versteifungsträgern in der Ebene der Stegbleche der Hauptträger, in seltenen Fällen auch an den Querträgern (Bilder 5.4.3-3 und 5.4.3–4). Besonderes konstruktives Augenmerk ist der Einbindung des Bogens in dem Versteifungsträger zu widmen, da der Bogen meist zweistegig, der Versteifungsträger aber meist einstegig ausgebildet wird (Bild 5.4.3-5). Hier ist sicherzustellen, dass die Vertikalkomponente der Bogennormalkraft in das Lager und die Horizontalkomponente in den Versteifungsträger eingeleitet wird. Oftmals wird der Endquerträger der Fahrbahn mit der Bogeneinleitung und dem Anfang der Hauptträger querorientiert ausgeführt. Bogen können freistehend ausgeführt oder durch Rahmen und/oder Verbände verbunden werden (Bilder 5.4.3-6 und 5.4.3-7). Freistehende Bogen brauchen zur Verhinderung der Knickung quer zur Bo­ genebene wesentlich breitere Querschnitte als Bogen mit Verbänden. Die Endquer­ riegel werden meist so hoch wie der Bogen ausgeführt. Sie bilden mit den Bogen im un-

teren Bereich einen schräg liegenden Rahmen zur Abtragung der Windkräfte auf dem Bogen und zur Stabilisierung des Bogens. Üblicherweise stehen die Bogenwände lotrecht, aber auch nach innen geneigte Bogenwände wurden ausgeführt, so dass die Bogen in Brückenmitte zusammentreffen (Bild 5.4.3-8). Auch Mittelträgerbogenbrücken mit torsionssteifen Versteifungsträgern wurden gebaut (Bild 5.4.3-9). Ein sehr interessantes Beispiel einer Fachwerkbalkenbrücke mit Stabbogenverstärkung im großen Feld stellt die Eisenbahnbrücke über den Rhein in DüsseldorfHamm dar. Die Brücke mit den Stütz­ weiten 250,00m – 135,50m (Bild 5.4.3-10) überführt vier Eisenbahngleise im Schotterbett, wobei zwei Gleise zwischen den nach innen geneigten Fachwerkwänden und ein Gleis auf jeder Seite außerhalb der Fachwerkwand liegt. Die Brücke wurde ­parallel zu einer bestehenden zweigleisigen Brücke gebaut, die vor den Kriegseinwirkungen des zweiten Weltkriegs aus zwei parallelen Brücken mit Parabelfachwerken bestand und somit vier Gleise überführte.

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

387

Querschnitt Portal

6500

2200 Gleisachse Tragwerkachse

50±0

700

2200

750

h

750

2%

2%

Endquerträger Schnitt A−A ≥2200

Gleisachse Tragwerkachse

≥750

50±0

700

B

2%

B

Pressenansatzpunkt

r≥

A

0

Schnitt B−B

15

A

Bild 5.4.3-3   Querschnitt und Endquerträger einer Stabbogenbrücke, eingleisige Eisenbahnbrücke, Flachstahlhänger [DB – Richtzeichnungen]

388

5  Haupttragwerke der Überbauten Hängeranschluss geschraubt A

B

B

Schnitt A−A

A

Schnitt B−B

Schnitt C−C C

C Alternative: Hängeranschluss geschweißt Alternative: Hängeranschluss geschweißt A A

3,5

3,5

B B

14

14

A A ∅55

14

200 300

Schnitt B−B Schnitt B−B 14 „X”

C C

Schnitt C−C Schnitt C−C

2,5%

„X” Außen

C C

200

300

Schnitt A−A Schnitt A−A

Kontrollmaß

B B

2 4

8

50°

50°

V

T

Bild 5.4.3-4   Anschluss der Hänger [DB – Richtzeichnungen] und [Flentge, 1985]

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

389

Bild 5.4.3-5   Fußpunktausbildung für Eisenbahnbrücken, günstig für Ermüdungsfestigkeit unter Berücksichtigung der Schweißnahtprüfung [DB – Richtzeichnungen]

390

5  Haupttragwerke der Überbauten

M. 1 : 2 „I”

Keramikplättchen

„V”

30

„II”

55

M. 1 : 2

55

30

M1:2

„III”

„IV”

Bild 5.4.3-5   (Fortsetzung)

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

391 A

Schnitt unter Bogendeckblech

B

B r≥

E

C

A

15

0

C

D

Ansicht E D

Schnitt D−D

Schnitt B−B coupierte Profile Schnitt A−A Ansicht E I

„I” M. = 1 : 2

Schnitt D–D

Schnitt C–C

Schnitt C–C Variante: HE-Profile

Bild 5.4.3-6   Diagonal­verband und Portalriegel [DB – Richtzeichnungen]

392

5  Haupttragwerke der Überbauten Draufsicht

Schnitt A–A B

r≥

0

D

B r≥

15

15

0

D

A A

Schnitt D–D

Übersicht

Schnitt B–B

Elemente

Bild 5.4.3-7   Vierendeelverband und Portalriegel [DB – Richtzeichnungen]

Aus den Resten der zerstörten Tragwerke wurde 1947 eine Brücke wiederhergestellt. Die neue Brücke wurde unter Verwendung der noch bestehenden alten Pfeiler gebaut, die nach der Montage der neuen Brücke abgetragen wurden. Ebenso wurde nach Inbetriebnahme der neuen Brücke die alte Brücke samt den Unterbauten abgebaut. Die Bogenebenen der neuen Brücke sind parallel zu den Fachwerkebenen ange­ ordnet. Die Bogen lagern auf Widerlager und Mittelpfeiler und sind über Quer­ träger mit dem Versteifungsträger verbunden, ­so dass die Horizontalkräfte nicht in die Unterbauten eingeleitet, sondern über den Versteifungsträger kurzgeschlossen werden. Die Hänger liegen in der Ansicht in lotrechten Ebenen, im Querschnitt ­jedoch unterschiedlich schräg zwischen

Bogen- und Fachwerkobergurt (Bild­ 5.4.3-11). Als Montageverfahren wurde der ortsfeste Zusammenbau und der abschnittsweise Längsverschub des Tragwerks unter Mitverwendung eines alten, nach der Zerstörung unbenutzten Pfeilers gewählt. Zum Einbau der Bogen wurde im unteren Bereich je ein Hilfsgelenk angebracht und die restlichen Bogenteile auf der Fahrbahn abgelegt. Danach wurden die Bogenteile angehoben, die Stöße im Scheitel und an den Hilfsgelenken geschlossen und die Hänger montiert (Bild 5.4.3-12).

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

393

2% RADWEG

GEHWEG

2% 25%

RADWEG

GEHWEG GAS

ENTWÄSSERUNG

25%

GAS

Bild 5.4.3-8   Entwurf einer Brücke über die Donau mit nach innen geneigten Bogenwänden, ENTWÄSSERUNG Bogenquerschnitt in Dreiecksform

15000

1640

1570

12500

±0

3000

750

12500

6 + 16 cm

–3700

Bild 5.4.3-9   Mittelträger-Stabbogenbrücke über die Salzach [Beer et al, 1970]

394

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.4.3-10   Ansicht der Hammer Eisenbahnbrücke, [Volke, 2001]

Bild 5.4.3-11   Querschnitt der Hammer Eisenbahnbrücke, [Volke, 2001]

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

395 Verschubrichtung

Portalkrane Düsseldorf

Neuss Ohne Fahrbahn

135,00 m

140,00 m Strompfeiler neu

Verschublager u. Absenkvorrichtung

110,00 m Strompfeiler Süd alt

Widerlager Düsseldorf neu

Verschublager und Absenkvorrichtung

Montage der Bogenschüsse und Riegel Montagehilfsgelenk

Hilfspfeiler Hubstütze Anheben der beiden Bogenhälften

Schließen der Bogenstöße an den Hilfsgelenken und im Scheitel

Montagefolge der Hänger

8

7 6

3 1 2 5 5 1 2 3 6 4 2

Bild 5.4.3-12   Montagevorgang oben: Längseinschubverfahren für den Fachwerkträger unten: Bogenmontage und Hängereinbau

7

8

396

5  Haupttragwerke der Überbauten

5.4.4  Verbund- und Mischkonstruktionen

Ulrike Kuhlmann und Annette Detzel 5.4.4.1  Stabbogenbrücken (a) Grundsätzliches Die Idee von Bogensystemen besteht darin, den größten Teil der äußeren Belastung über Normalkräfte und nicht über Biegemomente abzutragen. Dadurch können mit schlanken minimalen Querschnitten vergleichsweise hohe Tragfähigkeiten erzielt werden. Optimiert wird dieses System,  wenn wie beim Stabbogensystem üblich, die Bogendruckkraft durch ein Zugband in der Fahrbahnachse ins Gleich­gewicht gesetzt wird, so dass nur Vertikallasten und keine horizontale Querlasten in den Untergrund abgetragen werden. Typisch ist außer­ dem für dieses System, dass der Stab­bogen im Vergleich zu den Versteifungs­trägern in der Fahrbahnachse eine geringe eigene Biegesteifigkeit hat, so dass das Gesamtmoment sich überwiegend in ein Kräfte­paar Bogendruckkraft/Versteifungsträgerzugkraft und in Einzelbiegemomente der Versteifungsträger aufteilt. Diese Stabbogensysteme als Stahlkonstruktion mit orthotroper Stahlfahrbahn oder mit Stahlbetonverbundplatte haben sich in den letzten Jahren besonders für Straßenbrücken sehr stark durchgesetzt, weil sie eine Reihe von heute besonders wichtigen Vorteilen bieten: • Die niedrige Bauhöhe unter der Fahrbahn ermöglicht die Überbrückung vergleichsweise großer Spannweiten – üblich sind 60 bis 100 m – bei Freihaltung einer größtmöglichen lichten Durchfahrtshöhe, wie es zum Beispiel für die Überführung von Wasserstraßen oder Autobahnen notwendig ist. • Indem die eigentliche Bogenkonstruk­ tion über der Fahrbahn liegt, sind ver-

Bild 5.4.4-1   Schnittgrößenaufteilung im Stabbogen

gleichsweise nur flache Anrampungen zur Anfahrt auf die Brücke erforderlich, wie es bei flachem Gelände zum Beispiel in Nord- und Mitteldeutschland günstig ist. • Die weithin sichtbare Bogenkonstruk­ tion ermöglicht optische Akzentgebung, ohne dass damit wirtschaftlich ein Zusatzaufwand verknüpft ist. Die Wirtschaftlichkeit liegt vor allem in der Kraftabtragung durch Normalkräfte statt durch Biegemomente. Allerdings gilt das nur für symmetrische Lastanteile wie zum Beispiel aus Eigenlast. Unsymmetrische Lasten, wie sie infolge Verkehr zwangsläufig auftreten, führen zu recht bedeutenden Einzelbiegemomenten in den Versteifungsträgern, die, wie auch die Darstellung in Bild 5.4.4-2 zeigt, bei Belastung durch Verkehrslasten in den Viertelspunkten maximal sind. Entsprechend treten auch die maximalen Durchbiegungen in den Viertelspunkten auf. Da bei Eisenbahnbrücken Durchbiegungen stark begrenzt sind, so verlangt der DIN FB 101 [DIN-FB 101, 2003] je nach

Bild 5.4.4-2   Momenteneinflusslinie im Versteifungsträger

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

397

Bild 5.4.4-3   Elbebrücke Dömitz, Draufsicht

Entwurfsgeschwindigkeit und Stützweite eine Beschränkung der Durchbiegung auf L/600 bis L/2650, hat sich für diese Nutzung das System der „weichen“ Stabbogenbrücken gegenüber den steiferen Fachwerkbrücken bisher nicht durchgesetzt. Für Straßenbrücken dagegen ist es gerade in den letzen Jahren zu einem der am häu­ figsten gebauten Verbundbrückensysteme geworden, vgl. auch Dokumentation des Bundesverkehrsministeriums [BMV, 1997]. Hier sind u.a. auch typische Maße und Dimensionen zu entnehmen, wie das Schlankheitsverhältnis der Versteifungsträger von etwa 40 und ein mittleres Baustahlgewicht von ca. 300 kg/m2. Einen Überblick über eine Reihe von Stabbogenverbundbrücken der 1990er Jahre gibt Tabelle 5.4.4-1. Man erkennt aus den Daten einige typische Geometrieverhältnisse wie das Verhältnis von Bogenstich zu Stützweite von etwa 1/7 bis 1/6. Gemeinsam ist diesen Systemen die Ausbildung des Stabdruckbogens aus Stahl und die Anordnung einer Stahlbetonverbundplatte im Zugbandbereich, so dass die Betonplatte nahezu zentrischem Zug unterliegt. In gewissem Sinne steht dieses Konstruktionsprinzip den Grundregeln des Ver­ bundbaus entgegen, die Druckbauteile aus Beton und die Zugbauteile aus Stahl zu fertigen. Für die Ausbildung der Fahrbahnplatte als Betonbauglied spricht neben Kostenvorteilen u. a. ein funktionelles Argument: Beim Übergang von der freien Strecke auf das Brückenbauwerk kommt es bei einer Betonfahrbahn zu einer weniger schnellen Abkühlung und damit zu einer geringeren Vereisungsgefahr als bei einer Stahlfahrbahn.

(b) Besonderheiten moderner Stabbogen­ verbundbrücken Bewehrte Betonfahrbahnplatte Bei dem Querschnitt einer typischen Stabbogenverbundbrücke wird die Betonfahrbahn von den beiden Stahlhauptträgern abgesetzt. Sie stützt sich nur auf die Stahlquerträger ab, mit denen sie Verbundquerträger bildet. Diese Trennung zwischen außenliegenden Stahlhauptträgern und Betonfahrbahn diente ursprünglich dazu, die Mitwirkung der Betonplatte im Bo­ genzugband zu minimieren. Die trotzdem entstehenden Zugspannungen in der ­Verbundplatte wurden früher durch­ hohe Spanngliedlängsvorspannung über­ drückt. Inzwischen hat sich auch für diese Verbundbogenbrücken eine veränderte Bemessungsphilosophie durchgesetzt [Kuhlmann, 1996], [Kuhlmann, 1997]: Das Reißen der Betonplatte wird zugelassen. Man verzichtet auf eine Spanngliedvorspannung. Für die Teilmitwirkung des Betons wird eine verstärkte schlaffe Bewehrung von 80 bis 90 kg/m2 eingelegt, die auch der Rissbreitenbegrenzung dient. Die Elbebrücke Dömitz [Lüesse, 1992], [Lüesse et al., 1993] war die erste Bogenbrücke mit bewehrter, nicht vorgespannter Fahrbahnplatte in Deutschland. Mit einer Spannweite von 178 m bei einer Scheitel­ höhe von 27 m und der optisch ansprechenden Querschnittsform der geneigten Hängerebenen hat sie für eine Reihe solcher Brücken geradezu eine Vorbildfunktion übernommen. Die mit 88 gon geneigten Bogen werden durch einen Rautenverband stabilisiert.

1996

1985

1997

Überführung B 281 Saalfeld

Dortmund-Ems-Kanal bei Rheine

Weserbrücke Holzminden

Stichhöhe h = 15 m; Hängerabstand 7,6 m; Querträgerabstand 7,6 m/2

Stichhöhe h = 16 m; Hängerabstand 8,7 m; Querträgerabstand 8,7 m/3

Stichhöhe h = 6 m; Hängerabstand 5,4 m; Querträgerabstand 3,5 m

Stichhöhe h = 17,1 m; Hängerabstand 6,9 m; Querträgerabstand 6,9 m/2

Stichhöhe h = 13,7 m; Hängerabstand 8,0 m; Querträgerabstand 8,0 m/2

1995

1997

Rüntherbrücke

Stichhöhe h = 17,0 m; Hängerabstand 8,6 m; Querträgerabstand 8,6 m/3

Elbe-Abstiegskanal Rothensee

1996

Saalebrücke Calbe

Stichhöhe h = 12,0 m; Hängerabstand 15,0 m; Querträgerabstand 15,0 m

Stichhöhe h = 11,3 m; Hängerabstand 7,0 m; Querträgerabstand 7,0 m/2

1996

Amperbrücke Inning; 2 Überbauten

Stichhöhe h = 23,0 m; Hängerabstand 9,3 m; Querträgerabstand 9,3 m

Ersatz Hiddingseler Brücke Amtsentwurf

1994

Landquartbrücke Au

Stichhöhe h = 5,8 m; Hängerabstand 3,6 m; Querträgerabstand 3,6 m/2

Stichhöhe h 0 12,2 m; Hängerabstand 7,2 m; keine Querträger

1993

Biersbrücke Liersberg

Stichhöhe = 27,0 m; Hängerabstand 11,3 m; Querträgerabstand 11,3 m/3

Neue Werrabrücke Münden

1992

Elbebrücke Dömitz

Fertig­ Längssystem stellung

Tabelle 5.4.4-1   Stabbogenverbundbrücken

89,0

104,77

39

92

5,9

6,5

6,5

5,4

6,7

5,5

67

76

6,6

5,9

5,8

91

100

70

5,8

7,1

41

134

6,6

178

Spann­ L/h weite L [m]

2 außenliegende Versteifungsträger

2 außenliegende Versteifungsträger

2 außenliegende Versteifungsträger

2 außenliegende Versteifungsträger

2 außenliegende Versteifungsträger

2 außenliegende Versteifungsträger

2 außenliegende Versteifungsträger

2 außenliegende Versteifungsträger

3 unter der Fahrbahn liegende Versteifungsträger

4 unter der Fahrbahn liegende Versteifungsträger

2 außenliegende Versteifungsträger

2 außenliegende Versteifungsträger

Querschnitt

17,3

32,5

17,6

23,9

14,3

20,5

10,5

längsgespannt; längs und quer schlaff; B35

längsgespannt; längs vorgespannt; nur am Rand quer vorgespannt

längsgespannt; längs schlaff; quer schlaff; B35

längsgespannt; längs schlaff; quer schlaff; B35

längsgespannt; längs schlaff; quer schlaff

quergespannt; längs schlaff; quer vorgespannt

längsgespannt; längs schlaff; quer schlaff

30,0 längsgespannt; längs schlaff; quer schlaff; bis an den Steg des VT geführt; B35

13,4 bis 20,1

20,0-38,0-20,0

quergespannt; längs schlaff; quer schlaff; B 35

15,4

32,0

27,0 am Rand 32,0

32,0

32,0

≈ 33,0

38,0-48,0-38,0

30,5 bis 36,9

30,0 am Rand 120,0

quergespannt; nur am Rand längs vorgespannt (Verkehr); quer schlaff

11,9

30,0 am Rand 50,0

32,0

Dicke der Fahrbahn [cm]

längsgespannt; nur am Rand längs vorgespannt (Verkehr); quer schlaff; bis an den Steg des VT geführt

längsgespannt; längs schlaff; quer schlaff

Betonfahrbahn

10,0

15,4

Breite (mit Kappe) [m]

398 5  Haupttragwerke der Überbauten

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

399

Bild 5.4.4-5   Empfohlene Ausführung des Hän­ ger­anschlusses, a) Geometrie, b) Abmessungen nach [Günther et al., 2000]

Bild 5.4.4-4   Elbebrücke Dömitz, Querschnitt

Hängerschwingungen Die Elbebrücke Dömitz ist in der Fachwelt noch aus einem anderen Grund bekannt geworden: An den Anschlussstellen der Hänger aus 120 bzw. 130 mm dickem Rundstahl an die Versteifungsträger wurden zum ersten Mal Ermüdungsanrisse infolge Regen-Wind induzierten Schwingungen beobachtet [Lüesse et al., 1996], [Günther et al., 2000]. Starke Schwingungen der Hänger bis zu 300 mm wurden durch die Veränderung des Hängerquerschnitts infolge der Lage des Regenrinnsals entlang des Hängers ausgelöst und führten an den ermüdungskritischen Schweißnahtanschlussdetails zu Rissen. Es folgten umfangreiche Untersuchungen einschließlich der Entwicklung eines speziellen Dämpfers. Da das Phänomen selber kaum zuverlässig bere-

chenbar ist, beziehen sich die inzwischen entwickelten Empfehlungen vor allem auf eine ermüdungsgerechte Ausbildung des Hängeranschlusses, der ja üblicherweise nicht wirklich gelenkig ist, sondern am Versteifungsträger in der Bogenebene und am Bogen senkrecht zur Bogenebene „eingespannt“ konstruiert wird. Bild 5.4.4-5 zeigt die geometrischen Empfehlungen nach [Günther et al., 2000], die gleichzeitig auch noch einen Ermüdungsnachweis für Verkehrslasten fordern. Weitere konstruktive Empfehlungen werden in [BAW, 2003] und [Leitfaden, 2007] gegeben. Der aktuelle Stand der Technik ist in [Schütz et al., 2008] dargestellt. Anschluss Betonfahrbahn/Versteifungsträger Da nach dem neuen Bemessungskonzept die Mitwirkung des gerissenen Betonquerschnitts statisch berücksichtigt werden kann, gibt es eigentlich keinen Grund, Stahl­versteifungsträger und Betonplatte voneinander zu trennen. Verschiedene Stabbogenentwürfe, aber auch -ausführungen führen daher die Betonplatte bis an die außen­liegenden Stahlversteifungsträger heran [Kuhlmann, 1996]. Wenn man an die schwie­rige Unterhaltung des Korrosionsschutzes und die Verschmutzungsmöglichkeit denkt, ist der Spalt zwischen Stahlversteifungsträger und Kappenkonstruktion im Hinblick auf die Dauerhaftigkeit der Konstruktion ohnehin etwas problematisch. Durch eine unmittelbare schubfeste

400

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.4.4-6   Brücke über den Elbe-Abstiegskanal bei Rothensee, Querschnitt

Verbindung von Betonfahrbahn und Stahlhauptträger wird der Spalt vermieden, siehe auch den Querschnitt der Brücke über den Elbe-Abstiegskanal bei Rothensee nach [BMV, 1997], vgl. Bild 5.4.4-6. Hierbei erfolgt die eigentliche Schubkrafteinleitung über eine horizontale Leiste mit Kopfbolzendübeln, die sich zum

Bogenfußpunkt hin zu einem Dübel­blech aufweitet, siehe Bild 5.4.4-7. Konstruktiv werden Betonfahrbahn und Stahlträger aber auch mit horizontalen Dübeln an dem inneren Steg verbunden, der zusammen mit dem Steg des Versteifungsträgers ­einen luftdicht geschlossenen Kasten ­bildet.

Bild 5.4.4-7   Verdübelungsdetail Fußpunkt (Quelle Bundesverkehrsministerium, StB 25)

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

401

Bild 5.4.4-8    Amperbrücke

Bei horizontalen Dübeln in dünnen Platten müssen sich die eingeleiteten Kräfte über die Plattendicke aufteilen. Dabei entsteht eine Spaltzugbeanspruchung, der in der dünnen Platte nur geringer Widerstand entgegengesetzt wird. Horizontale Spaltzug­risse sind die Folge. Hier spielt also für das Versagen der Dübelverbindung die Rissbildung im Beton eine wichtige Rolle. Untersuchungen von horizontalen Dübelverbindungen unter Längsschub haben zu ersten Bemessungs- und Konstruktionsregeln geführt, so dass in Zukunft diese Verbindung auch planmäßig eingesetzt werden kann, siehe [Breuninger/Kuhl­ mann, 2001]. Quergespannte Fahrbahn Eine Weiterentwicklung zur direkten Verbindung zwischen Versteifungsträger und Verbundplatte stellt die Amperbrücke In­ ning für die Autobahn A96 südlich von München [Hagedorn et al., 1997] dar. Die Idee dieses neuen Systems besteht darin, die Stahlhauptträger nicht mehr neben der Betonplatte anzuordnen sondern unter ihr. Die Stahlhauptträger wirken damit zusammen mit der Betonplatte als Verbundträger in Brückenlängsrichtung. Die Fahrbahnplatte spannt sich nicht mehr wie bei den

gewöhnlichen Verbundbogenbrücken zwischen die Querträger sondern zwischen diese Längsträger. Dieses System mit quergespannter Verbundplatte entspricht quasi dem sehr wirtschaftlichen System der typischen Verbunddeckbrücken, das hier nur wegen der größeren Spannweite von über 70 m durch zwei Bogen überspannt wird, siehe Bild 5.4.4-8. Bogen und Fahrbahn sind über vier sehr kräftige Querträger und Hänger miteinander verbunden. Wirtschaftlich wird das System vor allem durch die Reduzierung der Anzahl der einzelnen Bauglieder und Anschlüsse. Statt 16 bis 20 Querträger im Abstand von 3,5 bis 4 m, gibt es bei dem System der Amper­ brücke mit quergespannter Verbundplatte nur noch diese 4 starken Querträger. Gerade die Kreuzungspunkte zwischen Hauptträger und Querträger und die Hängeranschlusspunkte verursachen einen nicht unerheblichen Schweißaufwand, so dass ihre Anzahl maßgeblich in die Kostenkal­ kula­tion eingeht. Durch die starke Reduktion der Hängerzahl tritt allerdings für die Bogenbemessung ein Lastfall in den Vordergrund, der sonst eher eine untergeordnete Rolle spielt: der Lastfall „Ausfall eines Hängers“. Bei

402

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.4.4-9    Amperbrücke Horizontalverband

Ausfall eines Hängers wirkt die Hängerkraft als Einzellast auf den Bogen und bewirkt einen nicht unerheblichen Biegemomentenanteil, der trotz der Behandlung als „Katastrophenlastfall“ mit reduzierten Sicher­heiten im Fall der Amperbrücke bemessungsrelevant wurde. Am Brückenende wird der Kraftschluss zwischen den Bogenfußpunkten und der Fahrbahn durch ein kräftiges Verbandsys­ tem hergestellt, siehe Bild 5.4.4-9. Die Verbandstäbe sind wie die drei Hauptträger über Kopfbolzendübel mit der Fahrbahn schubsteif verbunden. Die Verbundplatte ist nicht vorgespannt, sondern nur mit Betonstahl bewehrt. Bogenstabilität Typisch für eine Vielzahl von Stabbogenverbundbrücken wird auch bei der Amper­ brücke auf einen oberen Stabilisierungsverband zwischen den Bogen verzichtet. Dadurch werden nicht nur, wirtschaftlich günstig, zusätzliche Bauglieder eingespart, sondern es entfällt auch die schwierige Unterhaltung des Verbands oberhalb der Fahrbahn. Die Folge ist, dass der Bogen aus seiner Ebene nur durch die Einspannung am Bogenfußpunkt stabilisiert wird. Typischerweise erhalten diese Bogenformen

also einen rechteckigen Hohlquerschnitt, der wie bei der Amperbrücke mit 1,2 m Breite und 90 cm Höhe senkrecht zur Bo­ genebene über die höhere Biegesteifigkeit verfügt. Besonders sorgfältig muss deshalb die Bogenfußeinspannung konstruiert werden. Senkrecht zur Bogenebene erfolgt sie durch den Endquerträger, der u. a. auch zur Verformungsbegrenzung des Fahrbahnübergangs nicht nur bei der Amperbrücke ein drittes Lager in der Mitte erhält. In der Bogenebene wird die Bogeneinspannung üblicherweise bei außenliegenden Versteifungsträgern durch die Versteifungsträger realisiert. Im System der Amperbrücke müssen die kräftigen diagonalen Verbands­stäbe, die zu den Bogenfußpunkten führen, zum Teil diese Aufgabe übernehmen. Die Tor­ sionssteifigkeit des Endquerträgers insbesondere bei Ausbildung des Endquerträgers mit Kastenquerschnitt, wie man sie bei anderen Brücken findet, wirkt ebenfalls in diesem Sinne mit. Während im Endzustand die horizontale Einspannung durch die bis an den Bogen herangeführte Fahrbahnplatte gewährleistet ist, stellt im Bauzustand ohne Fahrbahnplatte die Abtragung der am Bogenfußpunkt immer auch sich einstellenden horizontalen Biegemomente um die

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

403

Bild 5.4.4-10   Bogenbrücke über den Britzer Verbindungskanal [Foto und Computersimulation www.short-cuts.de]

vertikale Lagerachse besonders für die entscheidenden Betonierlastfälle eine Schwierigkeit dar. Hier kann bei Systemen wie der Amperbrücke nur das horizontale Vierendeelsystem aus biegesteifen Stahllängs- und querträgern unter Berücksichtigung auch der horizontalen Biegesteifigkeit der Verbandsstäbe wirken. Trotz dieser konstruktiv und statisch nicht ganz einfachen Ausbildung der Bogeneinspannung wird man eine horizontale Verstrebung zwischen den Bogen als Rahmen- oder Verbandssystem nur anordnen, wenn zu den horizontalen Lasten aus Wind und Bogenstabilität noch weitere Abtriebskräfte abzutragen sind: zum Beispiel aus der Neigung der Bogenebenen wie bei der Elbebrücke Dömitz oder wegen eines Bogenknicks, wie es bei der Aufweitung der Fahrbahn bei der Bogenbrücke bei Calbe über die Saale [Fiedler/Ziemann, 1997] erforderlich war. (c) Sonderformen Bogenanzahl Ähnlich wie bei den Deckbrücken der zweistegige Plattenbalken stellt auch bei den

Stabbogensystemen die Lösung mit zwei Bogen jeweils links und rechts der Fahrbahn eine Art optimale Standardlösung dar. Beide Bogen werden etwa gleichmäßig ausgenutzt, einseitige Beanspruchungen im Querschnitt verteilen sich nach dem Hebelgesetz auf beide Bogen. Trotzdem gibt es in Einzelfällen davon abweichende Systeme. So wurde bei der Bogenbrücke über den Britzer Verbindungskanal eine Drei – Bogenlösung ausgeführt, vgl. Bild 5.4.4-10, [Svensson et al., 2000]. Eine Zwei – Bogen Lösung hätte bei der großen erforderlichen Fahrbahnbreite von 2 × 15,25 m zu einer großen Querträgerbauhöhe geführt, die bei dem einzuhaltenden Lichtraumprofil über dem Kanal nicht möglich war. Zwei getrennte Überbauten mit insgesamt vier Bogen wurden wegen des zusätzlich dafür erforderlichen Flächenbedarfs nicht gewählt. Die Ausführung des über 112 m führenden Stabbogensystems entspricht darüber hinaus den üblichen Systemen mit außen liegenden Versteifungsträgern und einer an die Versteifungsträger herangeführten bewehrten nicht vorgespannten Stahlbetonplatte, die in Längsrichtung zwischen den Querträgern spannt. Obere Streben wur-

404

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.4.4-11   Bogenbrücke über den Britzer Verbindungskanal, Querschnitt

den zwischen den Bogen angeordnet, um u. a. die Abtriebskräfte aus den um 10° geneigten äußeren Bogenebenen aufzunehmen. Der Mittelbogen erhält etwa die dreifache Belastung der Außenbogen, ein deutliches Zeichen dafür, dass wie bei allen Mehrträgersystemen gegenüber der Ausführung mit nur zwei Tragebenen durch die Durchlaufwirkung in der Quertragrichtung eine Überdimensionierung erfolgt.

Im Unterschied dazu handelt es sich bei der Donaubrücke Fischerdorf um einen ­einzigen Mittelträger – Stabbogen, siehe [Nather, 1994]. Nach dem Sonderentwurf der Fa. Thyssen Engineering GmbH, Werk Klönne wurde das Stabbogensystem aus Stahl mit zwei Versteifungsträgerkästen aus Verbund mit schlaff bewehrter Stahlbetonfahrbahnplatte ausgeführt. Die Kästen der Versteifungsträger, siehe Bild 5.4.4-12,

Bild 5.4.4-12   Donaubrücke Fischerdorf, Querschnitt

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

405

Bild 5.4.4-13   Mainbrücke an der NATO-Rampe, Ansicht

und der mehr als 3,4 m breiten End­ querträger bilden einen waagerecht lie­ genden geschlossenen Rahmen. Versteifungsträger und Bogenträger sind über je acht Koppelquerträger und Hänger verbunden. Die Ausbildung mit zwei getrennten Kästen als Versteifungsträger gewährleistet auch eine ausreichende Steifigkeit bei einseitiger Belastung, wie es insbesondere erforderlich ist für die im Hinblick auf eine spätere Sanierung berücksichtigten Last­ fälle • Entfernung des Belags und der Abdichtung auf der einen Richtungsfahrbahn bei voller Verkehrslast auf der anderen Seite • Teilausbau einer der beiden Fahrbahnplatten auf 20 m Die Planung der Donaubrücke Fischerdorf ist auch ein Beispiel dafür, welchen hohen Stellenwert die Dauerhaftigkeit der Konstruktion bei den Bauherren heute hat. So wurden nicht nur eventuelle Sanierungsmaßnahmen der Betonfahrbahn sorgfältig im voraus geplant, sondern vom Aufsteller wurde – für eine Straßenbrücke in Deutschland seinerzeit sehr ungewöhnlich – ein Betriebsfestigkeitsnachweis gefordert. In Zukunft werden nach den Regeln des europäischen Normenwerkes Ermüdungsnachweise grundsätzlich auch für Straßenbrücken zu führen sein, es sei denn, man kann durch konstruktive Maßnahmen wie bei orthotropen Stahlfahrbahnen eine ermüdungsgerechte konstruktive Ausbildung nachweisen.

Ausfachung Üblicherweise werden Stabbogenbrücken mit senkrechten Hängern ausgestattet. Deren Aufgabe ist es, die Lasten aus der Fahrbahn in den Bogen „hochzuhängen“, bzw. als „Schubhaut“ zwischen Bogendruckkraft und Versteifungsträgerzugkraft zu wirken. Sie beteiligen sich also auch nur an der Abtragung der symmetrischen Lastanteile, während die antimetrischen Lasten z. B. aus Verkehr allein durch die Versteifungsträgerbiegung aufgenommen werden, vgl. Bild 5.4.4-1 und -2. Im Unterschied dazu wurde die Mainbrücke an der NATO-Rampe zwischen Sulzbach und Niedernberg [Schömig, 2000] mit einer Stützweite von ca. 150 m mit einem Diagonalfachwerk anstelle der Hänger geplant, um so den Bogen und seine Ausfachung auch an der Abtragung unsymmetrischer Lasten zu beteiligen. Durch das Gewicht der Betonfahrbahn werden die sehr schlanken Diagonalen quasi auf Zug vorgespannt, so dass die Druckkräfte aus der Fachwerkwirkung in erster Linie nur die Zugkräfte aus ständigen Lasten in den Diagonalen abbauen. Durch die Diagonalausfachung können die Versteifungsträger mit einer niedrigeren Bauhöhe ausgebildet werden. Trotz der beschriebenen Vorteile gibt es nur wenige Stabbogenbrücken, bei denen eine solche Ausfachung gewählt wurde. Hier spielt zum einen sicher die nicht ganz einfach zu erreichende optimale ästhetische Fachwerkaufteilung eine Rolle. Zum anderen ist die Vorspannung in den Diagonalen erst im Endzustand in voller Höhe vorhanden, so dass unter Umständen für Zwi-

406

schenzustände und wenig belastete Diagonalen doch eine aufwendige Vorspannung erfolgen muss. Die Abwägung zwischen wirtschaftlichen und technischen Möglichkeiten und den Ansprüchen an die ästhetische Gestaltung spielt zunehmend bei der Planung von Brücken eine entscheidende Rolle. Wie die Stabbogenentwürfe über den Mittellandkanal [Beuke, 1998] zeigen, werden zum Teil auch aus rein architektonischen Gründen sehr ungewöhnliche ­B ogenfor­men und -ausfachungen gewählt. 5.4.4.2  Bogenbrücken Echte Bogenbrücke Wie bereits für die Stabbogenbrücke geschildert, tragen Bogentragwerke ihre Lasten bevorzugt über Normalkräfte ab, d. h. der Bogen wird auf Druck beansprucht. Im Gegensatz zur Stabbogenbrücke werden ­jedoch bei der echten Bogenbrücke die ­Horizontallasten aus der Bogenwirkung am Widerlager in den Baugrund abgegeben. Es treten also keine Zugkräfte im Fahrbahnträger auf. Diese Art der Lastabtragung setzt jedoch eine entsprechend steife Gründung voraus, die die Horizontalverschiebungen am Bogenfußpunkt verhindert. Im folgenden Beispiel sind diese Voraussetzungen gegeben. Die Talbrücke über die Wilde Gera im Thüringer Wald ist eine Bogenbrücke mit obenliegender Fahrbahn, die über einen tiefen Talgrund führt (Längsschnitt Bild 5.4.4-14), siehe [Denzer et al., 2000], ­[Wölfel, R. 1999]. Der nahe unter der ­Geländeoberkante anstehende tragfähige Fels ermöglicht eine Flachgründung der Bogenfußpunkte. Der ursprüngliche Ver­ wal­tungs­entwurf sah eine Balkenbrücke mit bis zu 110 m hohen Pfeilern vor und Stützweiten zwischen 60 und 114 m. Durch den Sonderentwurf mit einem weitspannenden Bogen konnte eine erforderliche

5  Haupttragwerke der Überbauten

Deponieverlagerung am Fuße eines der Pfeiler vermieden werden. Ebenso war es möglich, den Überbau, der über Pfeiler und Bogenstützen nur noch maximal über 42 m spannt, wesentlich schlanker zu gestalten. Der Bogen besteht aus einem zwei­ zelligen Stahlbetonkasten, der von beiden Talseiten aus im Freivorbau gefertigt ­wurde. Der Verbundüberbau ist ein Stahlkasten mit aufliegender Betonfahrbahn, die durch zusätzliche äußere Diagonalen gestützt wird, siehe Bild 4.2.3-8, Abschnitt 4.2.3.3. Die Diagonalen sind über ein mit der ­Fahrbahnplatte im Verbund liegendes ­Zugband kurzgeschlossen. Dieser querverlaufende Verbundträger wirkt nicht nur im Querrahmensystem des Kastens mit, sondern stellt gleichzeitig eine örtliche Stützung für die Platte dar. Die kombinierte Wirkung aus Querzug, Biegung und ört­ licher Lastabtragung erfordert bei diesem ungewöhnlichen Verbundträger, den man auch als bewehrten Betonbalken mit außen liegender Stahlbewehrung ansehen könnte, einige besondere Überlegungen hinsichtlich Bemessung und Konstruktion [Denzer et al., 2000]. Eine grundsätzliche Besonderheit der Brücke ist der einteilige Überbau der Brücke. Beim einteiligen Überbau muss die Möglichkeit der Erneuerung einer Richtungsfahrbahn bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des Verkehrs auf der anderen Richtungsfahrbahn gegeben sein. Dies führt zu erheblichen Zusatzbelastungen im Überbau, die bei der Bemessung und der konstruktiven Durchbildung berücksichtigt werden müssen. Problematisch ist, dass der torsionssteife Kastenquerschnitt über einen gewissen Bereich geöffnet wird und Torsionsmomente nur noch über Wölbkraftbeanspruchung abgetragen werden können. Auch verschieben sich Schubmittelpunkt und Querschnittshauptachsen in diesem Bereich. Die Untersuchungen für

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

407

Bild 5.4.4-14   Talbrücke Wilde Gera, Längsschnitt

die Talbrücke Wilde Gera haben gezeigt, dass der Zustand „Austausch der Fahrbahn einer Brückenhälfte über eine Länge von 12 bis 15 m“ zum bemessungsrelevanten Lastfall für den Querrahmen wird. Zudem müssen beim Austausch der Fahrbahn in den Endfeldern zusätzliche Maßnahmen zur Abhebesicherung am Widerlager berücksichtigt werden. Im Hinblick auf den Trennschnitt in Plattenmitte beim Austausch einer Fahrbahnhälfte ist es erforderlich, dass in Brückenmitte ein zusätzlicher Längsträger zur Unterstützung der Fahrbahnplatte angeordnet wird, der im Fall der Talbrücke Wilde Gera als Stahlbetonbalken ausgeführt wurde.

Ein vergleichbares Haupttragwerk wie die Brücke „Wilde Gera“, jedoch mit anderem Materialeinsatz, hat die Brücke Pùnt la Resgia bei Innerferrera in der Schweiz [Gerold, 2001]. Die Spannweite zwischen den Kämpfern beträgt 45,7 m. Auch hier handelt es sich um eine echte Bogenbrücke mit aufgeständerter Fahrbahn (Bild 5.4.4-15). Bogen, Stützen und Fahrbahnträger bestehen jedoch aus BSHolz. Die Betonfahrbahnplatte bildet mit den Längsträgern einen Verbundquerschnitt. Die Verdübelung erfolgt über in die Holzträger eingeleimte Bewehrungsstäbe (siehe Bild 5.4.4-16). Für die Längsträger und den mittleren Bereich des Bogens wirkt

Bild 5.4.4-15   Bogenbrücke Pùnt la Resgia (Quelle M. Gerold)

408

Bild 5.4.4-16   Detail Holz-Beton-Verbund

die auskragende Betonplatte als konstruk­ tiver Holzschutz. Außerdem wurden die Holzbauteile durch Spritzen bzw. Tauchen zusätzlich imprägniert. Hybridbogenkonstruktion Ganz anders als die Talbrücke Wilde Gera ist die Saalebrücke Beesedau nicht auf tragfähigem Fels gegründet, sondern auf relativ weichem Untergrund. Da eine starre Grün-

Bild 5.4.4-17   Saalebrücke Beesedau, Ansicht

Bild 5.4.4-18   Saalebrücke Beesedau, Querschnitt

5  Haupttragwerke der Überbauten

dung zur Aufnahme der großen Horizontalkräfte unverhältnismäßig aufwendig und teuer geworden wäre, hat man sich für eine modifizierte Bogenbrücke entschieden. Die beiden leicht gegeneinander geneigten Stahl­bogen, von denen die Verbundfahrbahn abgehängt ist, wird an den Kämpfern über Schrägstreben aus Stahl gegen das Fahrbahndeck abgestützt. Damit wird ein Teil der Bogenschubkraft in die Verbundträger zurückgeführt und dort als Zugkraft im Fahrbahndeck kurzgeschlossen. Die Belastung auf den Baugrund wird so erheblich reduziert, vgl. [Schmackpfeffer et al.,1999], [Gebert/Schmackpfeffer, 2000], [Heiland et al., 2000]. Bei dem modifizierten Bogensystem handelt es sich um ein Hybridsystem zwischen dem Stabbogen, der die vollständige Zugkraft über die Fahrbahn leitet und dem echten Bogen, der­ den gesamten Bogenschub in die Gründung abträgt.

5.4  Bogen- und Stabbogenbrücken

409

Bild 5.4.4-19   Elbebrücke Pirna, Längsschnitt

Der Überbauquerschnitt besteht aus zwei getrennten Verbundkästen, die nur im Abstand von 13,20 m über die Hängerquerträger aus Stahl und die Bogen- und Schrägstrebenquerträger gekoppelt sind. Diese Längstrennung der Fahrbahnplatte dient dazu, ein späteres halbseitiges Auswechseln der Fahrbahnplatte zu ermöglichen. Ähnlich wie bei der Talbrücke Wilde Gera hat man hierfür erhebliche zusätzliche Aufwendungen in Kauf genommen. Insbesondere konnten die Querträger nicht als Verbundträger sondern nur als Stahlträger ausgeführt werden und mussten für den Ausgleich bei einseitiger Belastung be­messen werden [Gebert/Schmackpfeffer, 2000]. Die Saalebrücke Beesedau steht auch ­deshalb als Mischsystem dem Stabbogen nahe, weil sie im Unterschied zu den meisten echten Bogenbrücken keine aufgeständerte Fahrbahn hat, wie z.  B. auch die Talbrücke Wilde Gera, sondern eine unten liegende Fahrbahnkonstruktion, die über Rundstahlhänger an den Bogen angehängt ist. In sich verankerte Bogenbrücke Das dritte Beispiel, die Elbebrücke Pirna [Eilzer et al., 1999], entspricht als Bogen mit oben liegender Fahrbahn wieder eher dem typischen Bild einer Bogenbrücke. Allerdings wird die Druckkraft des über 134 m spannenden Stahlbetonbogens über der Elbe vollständig im Verlauf der über 90 m gestützten Seitenfelder über Bogenteilstücke in die Stahlverbundkonstruktion des Überbaus zurückgeführt, siehe Bild 5.4.4-19.

Diese Konstruktionsform ist in jüngster Zeit bei einer Reihe von Verbundbrücken realisiert worden. Beispiele sind u. a. die Isarbrücke Grünwald [Fink, 1999] und als attraktive Rohrkonstruktion die Humboldt­ hafenbrücke in Berlin [Schlaich/Schober, 1999b]. In diesen beiden Fällen handelt es sich um Stahlbogen, die einen Verbund­ überbau bzw. einen Spannbetonüberbau tragen und wegen des geringeren Gewichts und der Möglichkeit der Vorfertigung vergleichsweise einfach vorgebaut und an die Überbaukonstruktion angehängt werden können. Im Gegensatz dazu verursacht die Erstellung der Stahlbetonhalbbogen bei der Elbebrücke Pirna im Freivorbau mit Hilfspylon und Abspannung einen erheblichen Aufwand. Aufwendig ist auch die Kopplung zwischen Betonbogen und Stahlkasten des Verbundüberbaus, siehe Bild 5.4.4-20. Der Überbau wird in diesem Bereich als Doppelverbundquerschnitt mit unterer Betonplatte geführt. Mit Dübel gespickte Stahlschwerter ragen in den Bogenquerschnitt hinein und schließen die Bogendruckkraft mit der im Überbau vorhandenen Zugkraft kurz. Die Übertragung von konzentrierten hohen Normalkräften unmittelbar über die Verbundfuge zwischen Stahl und Beton stellt eine besondere Problematik dar. Man kann sie vermeiden, wie bei der Saalebrücke Beesedau, bei der die Kraftübertragung zwischen Stahlbogen und Verbundüberbau nur über die Stahlkonstruktion erfolgt. Die genannten Beispiele der in sich verankerten Bogenbrücken zeigen die beson-

410

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.4.4-20   Elbebrücke Pirna, Anschlusskonstruktion Bogen-Überbau

dere Vielfalt der Lösungen, die im Verbundbrückenbau möglich ist. Optimale Ent­würfe erhält man bei konsequenter Mischkonstruktion, die günstige Herstellung mit ästhetischem filigranen Aussehen und Flexibilität bei späterem Fahrbahnaustausch erlaubt. Warum soll man zum Beispiel im Betonbogen nicht einen innen liegenden Stahlträger als Hilfsträger für die Schalung im Bauzustand und als Koppel­ element in der Verbundfuge im Endzustand anordnen? Die Entwicklung wird im Bereich dieser hybriden Konstruktionen sicher noch weitergehen.

5.5  Schrägkabelbrücken Gerhard Girmscheid

(außer Abschnitte 5.5.5.1.3 und 5.5.6) 5.5.1  Konstruktionsgrundsätze Im internationalen Bereich haben sich in den letzten Jahrzehnten Schrägkabelbrücken für große Spannweiten als äußerst wirtschaftlich erwiesen. Schrägkabelbrücken bestehen aus folgenden Traggliedern: Streckträger, Kabel,

Pylon(e). Der Streckträger wird so mit den Kabeln verbunden, dass er quasi elastisch gelagert ist. Die Kabel sind am Pylon befestigt und geben dort ihre Kräfte ab. Man unterscheidet drei Grundsysteme (Tabelle 5.5‑1): 1. Bündelsystem 2. Harfensystem 3. Fächersystem Beim Bündelsystem schneiden sich alle ­Kabelachsen in einem Punkt der Pylonachse und werden in einer Verankerungskonstruktion verankert. Bei vielen Kabeln kann dies am Pylonkopf jedoch zu Platzproblemen führen. Der Pylon wird nur durch Normalkräfte und somit günstig beansprucht. Bei perspektivischer Ansicht führen die Kabel­ überschneidungen meist zu einem ästhetisch wenig befriedigenden Erscheinungsbild. Das Harfensystem hat ein besonders schönes, ästhetisches Aussehen. Die Kabel werden im Pylon in quasi äquidistanten Abständen verankert. Sie erhalten aufgrund ihrer gleichen Neigung gleich hohe Zugkräfte [Leonhardt/Zellner, 1972]. Der Pylon wird nicht nur durch Normalkräfte, sondern auch durch Biegemomente beansprucht.

5.5  Schrägkabelbrücken

411

Tabelle 5.5‑1   Grundsysteme von Schrägkabelbrücken Systeme

1

2

3

Das Fächersystem verbindet zum großen Teil die Vorteile der beiden oben genannten Systeme. Die Kabel werden gleichmäßig ausgenutzt. Die Verankerung in den Pylonen ist genügend weit auseinander gezogen. Aufgrund der vielen Kabel bildet sich ein Schleier aus relativ dünnen Kabeln aus. Dadurch wird ein ästhetisch befriedigendes Erscheinungsbild geprägt. Der Entwicklungstrend bei Schrägkabelbrücken geht von Systemen mit wenigen großen Kabeln zu den kleinen Multikabelsystemen [Leonhardt et al., 1974], bei wel-

chen die Kabel in quasi äquidistanten Abständen am Streckträger angeordnet sind (Bild 5.5‑1). Schrägkabelbrücken mit wenigen großen Kabeln benötigen: 1. besondere Baubehelfe, um die großen Bereiche zwischen den Aufhängungen zu überbrücken, 2. besondere lokale Versteifungen im Streckträger, 3. besondere Maßnahmen zur Verankerung der Kabel im Querträger.

Bild 5.5‑1   Entwicklungstendenz vom Mono- zum Multikabelsystem

412

5  Haupttragwerke der Überbauten

Tabelle 5.5‑2  Gegenüberstellung von Systemen mit einer Kabelebene und zwei Kabelebenen Eine Kabelebene

Zwei Kabelebenen

Torsionssteifer Querschnitt erforderlich (Hohlquerschnitt)

Kein torsionssteifer Querschnitt erforderlich (z. B. U-förmiger Querschnitt ausreichend), somit leichter Streckträger

2

Gegenüber zwei Kabelebenen: Größere Kabel bei gleichem Abstand oder gleiche Kabel bei geringerem Abstand

Gegenüber einer Kabelebene: Durch geringere Kabeldurchmesser einfachere Verankerung

3

–

Höhere räumliche Systemsteifigkeit

Beispiele:

Beispiele:

1

4

Zudem sind die großen Kabel oft nicht mehr vorkonfektioniert und müssen daher auf der Baustelle hergestellt werden. Die Multikabelsysteme ermöglichen erst eine ökonomische, rationelle Lösung. Den Kabelabstand wählt man so eng, dass: 1. konfektionierte Kabel eingesetzt werden können, 2. beim Freivorbau keine besonderen Hilfseinrichtungen erforderlich sind und somit ein kostengünstiger und schneller Bauablauf gewährleistet ist, 3. das Auswechseln von einzelnen Kabeln unter Verkehr möglich ist. Bei Multikabelsystemen werden die Biegemomente und die Querkräfte im Streckträger klein, und die Brücke wird gleichmäßig beansprucht. Daraus folgt eine geringe Bauhöhe, die nur vom Kabelabstand und damit, bei Einhaltung der Stabilitätskrite­ rien, von der Gesamtlänge der Brücke unabhängig ist [Girmscheid, 1987-1]. Die Wirtschaftlichkeit der Konstruktion lässt

sich weiter steigern, wenn man zwei Kabelebenen verwendet (Tabelle 5.5‑2). Durch eine enge Seilaufhängung ist­ der Streckträger elastisch gebettet, weshalb nur kleine Querkräfte und Biegemomente entstehen [Girmscheid, 1987-2]. Der ­Vergleich mit den Biegemomenten eines gleich weit gespannten Balkens zeigt­ die Größenordnung der Unterschiede ­(Tabelle 5.5‑3). Wie aus dem prinzipiellen Schnittkraftverlauf zu ersehen ist (Tabelle 5.5‑3, Schrägkabelsystem), ist die in Längsrichtung wirkende Normalkraft, die durch die Horizontalkomponente der Schrägkabel hervorgerufen wird, die für die Beanspruchung meist dominierende Schnittkraft im Streckträger [Girmscheid, 1987-2]. Bei einer globalen Traganalyse einer Schrägkabelbrücke gelangt man zu der Feststellung, dass der gesamte Streckträger in Analogie zum elastisch gebetteten Balken betrachtet werden kann. Dadurch ergeben sich folgende dominierende Schnittgrößen:

5.5  Schrägkabelbrücken

413

Tabelle 5.5‑3  Biegemomentenvergleich von Balken- und Schrägkabelbrücke Balkensystem

Schrägkabelsystem

1

2

3

1. Streckträger: große Normalkräfte; kleine, zwischen den Seilaufhängungen kontinuierlich verlaufende Biegemomente 2. Platte: meist durch die Normalkräfte im Streckträger im gesamten Bereich unter Druckspannungen 3. Seile: Zug 4. Pylon: große Normalkräfte (gesamte Eigen­last + Verkehrslast), möglichst geringe Momente aus exzentrischem Verkehr etc. Eine wirtschaftliche Lösung ergibt sich immer, wenn man die spezifischen Eigenschaften von Beton und Stahl konsequent nutzt. Man sollte daher Tragglieder, die hauptsächlich unter Druckspannungen stehen, aus dem verhältnismäßig billigen Stahlbeton herstellen, und Tragglieder, die stark durch Zugspannungen beansprucht werden, aus Stahlprofilen. Wenn man diese Kriterien unter dem Aspekt der Gesamtoptimierung des Bauwerks zusammenfasst,

gelangt man zu dem Konzept, den Streckträger möglichst leicht zu bauen, um geringe Kabelquerschnitte zu bekommen. Dies hat weiter zur Folge, dass sich die Massen nicht nur beim Streckträger und bei den Kabeln reduzieren, sondern auch bei den Pylonen und der Gründung. Allerdings ist noch darauf hinzuweisen, dass Kabel sowohl auf statische Zugbeanspruchung als auch auf Ermüdungsbeanspruchung bemessen werden müssen. Wird der Streckträger sehr leicht, z. B. bei einer reinen Stahlversion, kann die Eigenlast bis auf die Größenordnung der Verkehrslast sinken [Roik et al., 1986]. Bei diesen im Vergleich zur statischen Beanspruchung hohen Spannungsschwingweiten kann die sta­ tische Zugfestigkeit des Kabels nicht aus­ genutzt werden. Daher ist die reine Stahlversion mit ihrer aufwendigen orthotropen Platte trotz ihres geringen Gesamtgewichtes nur bei sehr großen Stützweiten oder bei extrem hohen Schlankheiten ökonomisch. Stattdessen verwendet man bei ­kleineren und mittleren Stützweiten leichte

414

und kostengünstige Streckträger aus Stahlbeton oder Verbundkonstruktion. Ökonomische Lösungen erhält man für diese Stützweiten, wenn man folgende Trag­ glieder auswählt: • Stahlbeton- oder Stahlhauptträger • Stahlbetonplatte statt orthotroper Stahlplatte • Stahl- oder Spannbetonquerträger • Stahlbetonpylon mit Vorspannung im Verankerungsbereich

5.5.2  Konstruktionselemente 5.5.2.1  Schrägkabel Die Schrägkabel sind die markanten Trag­ elemente der Schrägkabelbrücke. Sie tragen wesentlich zur Systemsteifigkeit und Systemdämpfung bei. Heute verwendet man meist fabrikmäßig vorgefertigte Kabel, die aus dem Seil und den Verankerungsköpfen bestehen und mit einem endgültigen oder temporären Korrosionsschutz versehen sind. Die Geschlagenen Seile sowie die Paralleldrahtseile bestehen im Regelfall aus Einzeldrähten mit 5–7 mm Durchmesser [Merkblatt: Ebene Seiltragwerke, 1980]. Diese Stahldrähte haben einen höheren Kohlenstoffanteil als Baustahl und dementsprechend eine höhere Festigkeit, die durch eine Kaltverformung (Drahtziehen) noch wesentlich erhöht wird. Die höhere Festigkeit wird jedoch erkauft durch eine wesentlich geringere Duktilität, die sich aus der Bruchdehnung ablesen lässt. Für Schrägkabelbrücken verwendet man meist folgende Seilarten: 1. Parallelseile mit Litzen oder Drähten [Andrä/Zellner, 1969] 2. Vollverschlossene Seile [Havemann, 1962] 3. Spannstabstahlbündel oder Einzelstäbe [Finsterwalder et al., 1985], [Technische Unterlagen: Einzelspannglieder, 1986]

5  Haupttragwerke der Überbauten

Das Kabel besteht aus der Verankerung, dem Seil und dem Korrosionsschutz; neben der statischen Festigkeit muss es vor allem eine ausreichende (dynamische) Ermüdungsfestigkeit haben, denn die Kabelkräfte weisen oft eine große Schwingweite zwischen Ober- und Unterspannung auf. In Tabelle 5.5‑4 sind einige Charakteristiken der Kabel zusammengestellt [DIN 18809, 1987], [DIN 18800, 1990], [prEN 1993-111, 2001]. Die Vollverschlossenen Seile sind sehr aufwendig in der Herstellung. Dagegen werden die Paralleldrahtseile und Spannstäbe nur in sorgfältig gekämmten paral­ lelen Lagen gebündelt und dann mit einer Litze in großer Ganghöhe umschnürt, was wesentlich geringere Her­ stellungskosten verursacht. Es ist nicht verständlich, dass bei Wettbewerben am Markt kaum eine preisliche Differenz zwischen den Seilarten festzustellen ist. Daher ist es erforderlich, beim Entwurf alle Optionen offen zu halten, um das günstigste Angebot im Hinblick auf die Gesamtoptimierung der Konstruktion auszuwählen. Die günstigen, die Ermüdungsfestigkeit steigernden Einflüsse bei Parallel­ seilen kommen bei Beton-Schrägkabelbrücken nicht voll zur Wirkung. Damit sind auch vollverschlossene Seile trotz­ des geringeren E-Moduls eine gute ­Lösung. Die Steifigkeit der Schrägkabelbrücken hängt größtenteils von der Steifigkeit­ EA der Schrägkabel ab. Diese Steifigkeit wird jedoch nicht nur durch den E-­ Modul, der von der Seilart abhängt, be­ einflusst, sondern auch durch den ­Durchhang f der Seile [Ernst, 1965], der unabhängig von der Seilart ist (Bild 5.5‑2). Um in der Statik [Girmscheid, 1987-2] mit einem idealisierten geraden Seil ohne Durchhang arbeiten zu können, muss der Sekantenmodul errechnet werden, der den

5.5  Schrägkabelbrücken

415

− Mechanischer Schutz durch verzinkte Z-Drähte − Innere Drähte in Zinkstaub/Alumi­ niumpulver − Äußere Drähte mit Anstrich

− Haupttragseile

− Verzinken − Anstrich

− Hilfsseile für die Montage

− Temporär: Drähte gefettet, gewachst − Permanent: HDPE-Hüllrohr ausgepresst mit plastischer Masse auf Wachsbasis

− Haupttragseile

− Permanent Litzen gefettet, gewachst in eng-extrudierter HDPE-Ummantelung lose in HDPE-Hüllrohr eingezogen

16

− In Hüllrohr aus PE oder Stahl mit Zement injiziert 20

15000

26-32 250

Stabbündel Einzel­ aus Einzel- stäbe stäben

Stabspannstahl

− Anstrich

*) Größere Durchmesser möglich **) Ungefähre Größenordnung

Anwendung

E-Modul [104 N/mm2]

Korrosionsschutz

− Hilfsabspannung − Zugseile für die Montage

15

− Verzinken − Anstrich − HDPE eng-extrudiert

9 – 12 20 19

Bruchlast **) [kN] 9700 25500 1800 25000 30000

Richtgrößen Max – ∅ *) [mm] 110 167 50 160 160

Skizze Rundlitzen- Vollverschlossene Offene Spiralseile seile Spiralseile Parallellitzenseile

Parallelseile

Paralleldrahtseile

Geschlagene Seile (Spiralseile)

Kabelart

Tabelle 5.5‑4  Seilarten für Schrägkabelbrücken

− Haupttragseile

416

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.5‑2   Steifigkeitsänderung des Seils in Abhängigkeit vom Durchhang

Durchhang berücksichtigt. Die elastische Beziehung lautet: Esek 1 6 = 005 E 1 + K · a2 · 10–6

(Gl. 5.5‑1)

γ s2 · (σu + σo) · E · 106 K = 0004 24 · σ o2 · σ u2

(Gl. 5.5‑2)

Die folgenden durchschnittlichen Kabel­ abstände haben sich als sinnvoll erwiesen (Tabelle 5.5‑5): Tabelle 5.5‑5  Kabelabstände in Abhängigkeit von der Streckträgerkonstruktion Streckträger

Kabelabstand

Stahlbeton

  5 – 10 m

Verbundkonstruktion

10 – 15 m

Stahl

15 – 25 m

Die Schwankungsbreite des Kabel­ abstands hängt von der Fahrbahnbreite und Verkehrslast ab. Den Abstand er­ mittelt man aus der maximalen Seilkraft für fabrikmäßig noch herstellbare Seil­ größen. Das Einzelseil ist durch die geringe Biegesteifigkeit, den kleinen Querschnitt und die hohe Spannung schwingungsempfindlich wie eine Saite. Diese Schwingungen

werden manchmal durch Ablösung der v. Kármánschen Windwirbel, meist aber durch so genannte Regen-Wind-induzierte Schwingungen angeregt. Als Lösung von [Szabo, 1972]: ∂2 w  ∂2 w m7 = S 7  ∂t2   ∂x2

(Gl. 5.5‑3)

ergeben sich die Eigenfrequenzen eines geraden Seils (Bild 5.5-3):   k · π       4 S fk = 9 · 3  k = 1, 2, 3, … l    m (Gl. 5.5‑4)

�

Das ungedämpfte Seil kann dabei bedenklich große Amplituden (Resonanzbereich!) erreichen. Um diese klein zu halten, muss

Bild 5.5‑3   Eigenschwingungen des Einzelseils

5.5  Schrägkabelbrücken

417

man bei v. Kármán-Schwingungen für eine ausreichende Dämpfung und bei RegenWind-induzierten Schwingungen für eine raue Oberfläche und für das Abstreifen des Wasserstrahls sorgen. Die Gleichung für das gedämpfte Seil lautet [Szabo, 1972]: ∂2 w   ∂2 w   ∂w m7 = S – p + β   5 7 2 2  ∂t    ∂x ∂t

(Gl. 5.5‑5)

S = Seilkraft p = Erregerkraft Wind pro Längeneinheit m = Seilmasse pro Längeneinheit β = Geschwindigkeitsproportionale Dämpfung Die Dämpfung kann erfolgen durch: 1. Injizieren der PE-Hüllrohre mit Zementmörtel, 2. Anbringen von Neoprene-Ringen am Ende der Stahlankerrohre (diese verhindern auch Biegespannungen im Kabel am Ankerkopf), 3. Einbau von Stoßdämpfern im Kabelverankerungsbereich des Streckträgers, 4. Anbringen von negativ geneigten Stabilisierungsseilen.

5.5.2.2  Streckträger Die Aufgabe des Streckträgers besteht darin: 1. die lokalen Lasten zu den Verankerungen der Kabel zu übertragen, 2. dem Gesamtsystem bei der globalen Lastverteilung die nötige Steifigkeit zu geben, 3. konzentrierte Lasten auf Nachbarkabel zu verteilen. Die betrachteten Schrägkabelsysteme sind in sich verankerte Systeme, bei denen die Horizontalkomponenten der Kabelkräfte in den Streckträger eingeleitet werden und nicht auf die Widerlager einwirken. Das führt dazu, dass die Horizontalkomponenten der Kabel den von ihnen eingeschlossenen Bereich unter Druckspannung setzen [Girmscheid, 10/1987]. Somit erhält der Streckträger durch die Kabel Drucknormalkräfte. Nur ein kleiner Bereich in der Mitte zwischen den ersten beiden Kabeln der Kabelebenen ist nicht unter Vorspannung. Dieser Bereich wird bei Balken aus Beton durch Längsspannglieder vorgespannt, die meist bis in die nächsten zwei Kabelfelder gezogen werden. Die Normal-

Tabelle 5.5‑6  Querschnitte für die Aufhängung der Streckträger Aufhängung

Direkt

Indirekt

Beurteilung

Vorteile: 1.  Direkter Kraftverlauf 2.  Kontinuierlicher Bauablauf

Nachteile: 1.  Kräfteumlenkungen 2.  Zusätzliche Zwängung 3.  Schwere Querträger

418

5  Haupttragwerke der Überbauten

kräfte im Streckträger sind für die Dimensionierung von entscheidender Bedeutung, da die Biegemomente aus der Eigenlast relativ klein und die Biegemomente aus Verkehr nur etwas größer sind. Die große Normalkraft wirkt für Beton sehr günstig, da die Zugspannungen überdrückt werden. Dies lässt relativ einfache und leichte Querschnitte zu, da alle Lasten von den Kabeln als elastische Auflager abgetragen werden. Die Aufhängung des Streckträgers sollte so erfolgen, dass die Lasten direkt aus den Hauptträgern des Streckträgers ohne zusätzliche Umlenkung über die Querträger in die Kabel eingeleitet werden können (Tabelle 5.5‑6). Bei Streckträgern, die als Trägerrost- und Hauptträger-Plattensystem ausgebildet sind, werden die Kabel in zwei Ebenen angeordnet und direkt in den Hauptträgern des Streckträgers verankert. Bei Kastenquerschnitten müssen im Regelfall zusätzliche Querträger angeordnet wer-

den, um die Lasten in die Kabelebene(n) einzuleiten (Tabelle 5.5‑6). 5.5.2.3 Pylone Die Pylone sind Tragelemente mit überwiegender Normalkraftbeanspruchung [Girmscheid, 1987-2] aus den Kabeln. Biegemomente werden vorwiegend durch Bremskräfte, Temperatur, Wind und Erdbeben hervorgerufen. Für die Verankerung der Multikabelsysteme mit den beiden Kabeleb­ enen bieten die Pylontypen der Tabelle 5.5‑7 eine mögliche Lösung. Freikragende Pylontürme bilden in Querrichtung keinen Rahmen und sind deshalb verformungsweicher und daher anfällig für Torsionsschwingungen (Tabelle 5.5‑8). Die Gestalt der A-Pylone ergibt sich aus der Optimierung der Kosten des Gesamtbauwerks. Der A-Pylon verleiht dem Sys-

Tabelle 5.5‑7  Pylontypen für zwei Kabelebenen Bezeichnung 1.

Freitragende Pylontürme

2.

A-Pylone

Pylonformen

*)

*) A–Pylon mit Verankerungsstiel 3.

H-Pylone und Portalpylone

5.5  Schrägkabelbrücken

419

Tabelle 5.5‑8  Einfluss der Pylone auf das Verformungsverhalten des Streckträgers Freikragender Pylon

A-Pylon

S·1 S δ1 = 2 6 · l = 2 5 · l  EA  EA

l S S δ1 = 5 S + 2 3 = 1,5 5 · l EA 4    EA

δ2 = 0

l  S  S δ2 = 5 3 = 0,5 5 · l EA  2      EA

System

Verformung

tem hohe Torsionssteifigkeit; dadurch ist ein leichter, offener Streckträger möglich (Tabelle 5.5‑8). Die statische Form eines „Zweischlags“ erzeugt nur geringe Biegung aufgrund der Eigenlast und während des Bauzustands. Die Pylonspitze verformt­ sich beim reinen A-Pylon, außer beim APylon mit aufgesetztem Verankerungsstiel, seitlich nicht. Dadurch entstehen aufgrund der hohen Kabelkräfte, im Gegensatz zu den Portal- und H-Pylonen, keine zusätzlichen Biegemomente. A-Pylone sind nur dann angezeigt, wenn das Höhen-BreitenVerhältnis im Bereich von 0,3 ≤ b/h ≤ 0,7 bleibt. Je größer das Verhältnis b/h wird, umso stärker wird die Spreizung und die dazu gehörige Horizontalschubkraft im Fundament. Zudem ist eine zu stark geneigte Pylonsäule aus Beton schwierig herstellbar. Nicht nur die damit verbundene Kostensteigerung, sondern auch das ästhetische Aussehen verlangt eine Modifizierung der Form. Will man die positiven Einflüsse der APylone auf die Torsionssteifigkeit und die damit verbundene aerodynamische Stabilität beibehalten, so führt man einen Querbalken (Zug) unterhalb der Fahrbahn ein und neigt die Pylonbeine nach innen. Die-

�

�

� �

ses System ist jedoch relativ verformungsweich in der Querrichtung. Man kann die seitliche Verformung des Systems dadurch verkleinern, dass man die nach innen gestellten Beine kurz hält (Tabelle 5.5‑7). Wird aufgrund der Maßverhältnisse der modifizierte A-Pylon zu weich, bildet man ein steifes Fachwerk unterhalb der Fahrbahn aus, welches nur Normalkräfte erhält und somit vernachlässigbare Knotenverschiebungen aufweist. Diese Fachwerk­ aussteifung erhöht die Quersteifigkeit sehr, die besonders bei Erdbebeneinwirkung erforderlich ist. Die Herstellung dieser Pylonform ist in Beton jedoch sehr aufwendig. Bei H-Pylonen muss die unterschiedliche Horizontalkraft aus den beiden Kabelebenen infolge einseitiger Verkehrslast durch die Biegesteifigkeit der Querriegel am Pylonkopf und die Torsionsfestigkeit der Pylonbeine aufgenommen werden. Da die Verankerung der Kabel am Pylonkopf des A-Pylons durch die räumliche Neigung der Seile sehr kompliziert ist, geht man heute wieder stärker zu den nicht ganz so optimalen H-Pylonen und Portal-Pylonen über. Die H- und Portal-Pylontypen haben bei der Herstellung und Montage folgende Vorteile:

420

1. Die Verankerungen an den Pylonen und am Streckträger werden einfacher, weil die Seile nur noch in einer Ebene geneigt sind. 2. Die Kabelebenen sind auf die beiden Pylonstiele verteilt, somit ergeben sich keine Platzprobleme für die Spannpresse. 3. Die Herstellung vereinfacht sich.

5  Haupttragwerke der Überbauten

Als Nachteile kann man anführen, dass: 1. zwei Kabelmontageeinrichtungen in den Pylonstielen notwendig sind, 2. mehr Massen erforderlich sind, 3. der H-Pylon in Querrichtung ein Rahmen ist, der, weil weicher als ein reiner A-Pylon, mehr Biegesteifigkeit verlangt.

Tabelle 5.5‑9  Auswirkung der Lagerung auf die Zustandsgröße 1. System mit Seiten- und Hauptöffnung

Beurteilung Vorteile: Momente und Querkräfte bleiben klein und gleichmäßig verteilt über die gesamte Brückenlänge. Damit ist ein Streckträger mit geringer, konstanter Höhe möglich. Nachteile: Abhebende Kräfte durch Verkehrslast und evtl. Eigenlast entstehen am festen bzw. beweglichen Lager durch die Rückhängekabel. Relativ gro­ ßer Endtangentenwinkel ϕE verschlechtert das fahrdynamische Verhalten.

2. System mit Außen-, Seiten- und Hauptöffnung

Beurteilung Vorteile: Die Außenfelder erzwingen einen kleinen Endtangentenwinkel ϕE sowie kleinere Verformungen v in der Haupt­ öffnung (Eisenbahnverkehr). Nachteile: Diese positiven Aspekte werden durch relativ große Schnittgrößen am Übergang von der Außen- zur Seiten­ öffnung erkauft. Damit ist ein größerer Querschnitt der Hauptträger in den Außenfeldern und am Übergang ins Seitenfeld erforderlich. Dies erschwert und verteuert die Bauausführung.

5.5  Schrägkabelbrücken

421

5.5.3  Lagerbedingungen Die Lagerung des Gesamtsystems – bestehend aus den Hauptkonstruktionselementen Streckträger, Kabel und Pylon – in Längsrichtung hat ganz entscheidenden Einfluss auf die Schnittgrößenverteilung [Girmscheid, 1987-2]. Das Ziel ist, eine gleichmäßige Querkraft- und Momentenverteilung infolge Eigenlast zu erhalten, möglichst ohne lokale Sprünge. Durch ­diese gleichmäßige Beanspruchung kann man den Streckträger über die gesamte Brückenlänge in geringer, konstanter Bauhöhe ausführen. Diese gleichmäßigen, relativ kleinen Schnittgrößen erhält man nur bei einem völlig elastisch gebetteten Balken, der nur am Rand feste Lager hat. Jede zusätzliche Zwängung infolge eines festen Lagers ruft in einem lokalen Bereich wesentlich höhere Schnittgrößen hervor. Die Vor- und Nachteile zweier möglicher Grundsysteme können aus Tabelle 5.5‑9 entnommen werden. Der Überbau muss in der Regel wegen der großen Rückhaltekräfte der letzten Kabel am Seitenfeldpfeiler verankert werden (Tabelle 5.5‑10). Bei Systemen mit Außenfeld kann man diese abhebenden Kräfte durch das Gewicht (Auflagerreaktion) des Außenfelds reduzieren (Tabelle 5.5‑9, Sys-

tem 2). Eine weitere Möglichkeit, den Endtangentenwinkel zu verkleinern, besteht darin, das System über die Seitenpfeiler als Kragarm zu verlängern und die Vorlandbrücke dort gelenkig aufzulagern. Die Lagerung des Längssystems hat ganz entscheidenden Einfluss auf das Verhalten der Pylone [Girmscheid, 1987-2]. Die Längs­systeme können freibeweglich an den Seitenlagern geführt oder an einem oder allen Endpfeilern fest gelagert werden (Tabelle 5.5‑11). Der Streckträger und der Pylonkopf des Systems 1 (Tabelle 5.5‑11) können sich um den gleichen Betrag verschieben, ohne dass es zu Rückstellwirkungen im Pylonkopf kommt. Dadurch bleibt die vertikale Last auch als Vertikallast im Pylon vertikal. Die daraus resultierende große Knicklänge erfordert eine beachtliche Biegesteifigkeit der Pylone in Längsrichtung der Brücke. Beim System 2 (Tabelle 5.5‑11) wird das Ausweichen des Pylonkopfs auf das elastische Maß des Systems beschränkt. Durch das feste Lager am Endpfeiler werden beim Ausweichen des Pylonkopfs Rückstellkräfte aktiviert. Diese bilden mit der Vertikalkraft am Pylonkopf die Resultierende, die durch die Einspannstelle am Fußpunkt geht. Die Schnittgrößenermittlung erfolgt nach Theorie II. Ordnung [Girmscheid, 10/1987].

Tabelle 5.5‑10  Rückverankerungsmöglichkeiten Statisches System

Lösung Zugpendel

Lösung Stahlklemme

422

5  Haupttragwerke der Überbauten

Tabelle 5.5‑11  Auswirkung der Längssystemlagerung auf die Pylone Lagerung der Pfeiler

Frei beweglich

Fest

Nr.

1

2

VR = Vertikalresultierende der Seilkräfte G = Gewichtskräfte δki = Verschiebung der Pylone nach Theorie II. Ordnung

VR = Vertikalresultierende der Seilkräfte SII = Seilkräfte RII = Rückstellkräfte der Seile vel = elastische Längenänderung der Seile nach Theorie II: Ordnung G = Gewichtskräfte δki = Verschiebung der Pylone nach Theorie II. Ordnung

Knicklänge

sk ≅ 2h

sk ≅ 0,7h

Vorteile

1. Temperatur- und K+S-Ver­formungen symmetrisch 2. Fahrbahnübergänge gleich

1. Längskräfte ins feste Lager ohne Biegung 2. Günstige Wirkung auf Knicken

Nachteile

1. Längskräfte über Pylonen­biegung

System

Verformung

Theorie II. Ordnung

Zur Ableitung der Windkräfte, die auf die Kabel und den Streckträger wirken, muss das System an den Endpfeilern bzw. an den Pfeilern und Pylonen seitlich gelagert werden. Zumindest die seitliche Lagerung

des Streckträgers an den Pylonbeinen sollte dabei als Gleitlager ausgebildet werden, ­welche durch Federn vorgespannt werden können, um eine ausreichende und sichere seitliche Unterstützung zu gewährleisten.

5.5  Schrägkabelbrücken

5.5.4  Aerodynamisches Verhalten Große Brückensysteme werden durch dynamisch wirkende Kräfte in Schwingung versetzt [Klöppel/Thiele, 1967], verursacht durch Auftriebs- und Drehmomentenkräfte des Winds, welche auf den Streckträger einwirken und zu so genannten Flatterschwingungen sowie v. Kármánschen Windwirbeln führen. Die Wirkung dieser Kräfte kann man reduzieren durch 1. aerodynamische Gestaltung des Streckträgerquerschnitts (Reduzierung der Ursachen) [Falster-Farø-Brücke, 1984], 2. Erhöhung der Biege- und Torsionssteifigkeit des Streckträgers [Saul et al., 1984], 3. Erhöhung der Systemdämpfung der Gesamtbrücke [Gimsing, 1983]. Durch diese Maßnahmen, getrennt oder gekoppelt, verringert man die Auswirkungen. Im ersten Fall werden die winderzeugten Kräfte niedrig gehalten. Im zweiten Fall wird der Streckträger so steif gemacht, dass es bei den in der Natur auftretenden Windgeschwindigkeiten zu keinen sich aufschaukelnden Schwingungen kommt. Bei der dritten Maßnahme ist die Systemdämpfung so groß, dass die dem System zugeführte Windenergie dissipiert wird und die Auswirkungen klein bleiben. Der Streckträgerquerschnitt wird entscheidend aus dem aerodynamischen Verhalten des Gesamtsystems geprägt. Um die Vorteile der engen Kabelaufhängung in zwei Kabelebenen voll zu nutzen, ist das aerodynamische Verhalten des Gesamtsystems zu untersuchen. Durch eine windschnittige aerodynamische Gestaltung des Streckträgers mit Windnase zur Zerteilung der Windströmung lassen sich die Wind­ widerstände auf ct = 0,4 herabsetzen [Thiele, 1976]. Je windschnittiger der Streckträger ist, umso geringer werden diese Windwiderstandsbeiwerte, besonders in dem Bereich mit kleinem Anblaswinkel. Kleine Anblaswinkel stellen sich bei laminaren

423

Windströmungen, wie sie bei hohen Brücken vorherrschen, ein [Leonhardt et al., 1974]. Diese Windströmungen werden durch mittlere Windgeschwindigkeiten, die sehr energiereich sind, hervorgerufen. Hat das System nicht genug innere Dämpfung, können gefährliche Resonanzschwingungen auftreten, die durch windschnittige, geschlossene bzw. teilweise geschlossene Streckträgerquerschnitte mit Windnase verringert werden können. Große Brücken, die starken, aber nur kurzzeitig wirkenden Böen ausgesetzt sind, geraten nicht in gefährliche Resonanzschwingungen, da die zugeführte Energie meist nicht ausreicht. Nach dem Einsturz der Tacoma-Hängebrücke (USA) bildete man die Streckträger sehr steif aus. Dies setzte sich in der Folge auch bei den Schrägkabelbrücken fort, indem man den Streckträger als Kastenträger oder Fachwerkröhre mit großer Torsionssteifigkeit konzipierte, was jedoch bei Schrägkabelbrücken nicht nötig ist, da diese, bei zwei Kabelebenen mit enger Aufhängung, eine größere Systemtorsionssteifigkeit haben. Die enge Schrägkabelaufhängung mit zwei Kabelebenen verhindert das Aufbauen einer einfachen Schwingungsform. Der erste Grund liegt darin, dass jedes Schrägkabel eine andere Eigenfrequenz aufweist und jede kleine Amplitude einer einfachen Schwingungsform durch Interferenz von Schwingungen anderer Frequenzen gestört wird. Diese Systeme haben eine hohe Systemdämp­ fung und sind somit schwingungsunan­fällig [Girmscheid, 1987-2]. Die Systemdämpfung ist viel wirksamer als die reine Mater­ial­ dämpfung, welche das Schwingungs­verhalten von Balkenbrücken beeinflusst. Der zweite Grund liegt in der Nichtlinearität des Dehnungsverhaltens der langen Schrägkabel [Magnus, 1976]. Der abgebogene Resonanzschlauch zeigt, dass keine unendlich großen Amplituden auftreten können (Vorsicht bei kurzen Seilen). Wie aus dem Vergleich in Tabelle 5.5‑12 hervor-

424

5  Haupttragwerke der Überbauten

Tabelle 5.5‑12  Systemverhalten bei antimetrischen Torsionsschwingungen Schrägkabelbrücke mit freikragendem Pylon

Schrägkabelbrücke mit A-Pylon

geht [Leonhardt/Zellner, 1970], weisen Schrägkabelbrücken mit zwei außen liegenden Kabelebenen eine große Torsionssteifigkeit gegen die gefährlichen Torsionsschwingungen auf. Dies kann man noch erhöhen, wenn man die beiden Kabelebenen in Querrichtung zueinander neigt und in einem A-Pylon vereinigt. Die gegensei­ tige Verschiebung der freikragenden Pylonköpfe wird beim A-Pylon, im Gegensatz zu den H-Pylonen, verhindert. A-Pylone sind dadurch prädestiniert für große Spannweiten oder große Verkehrslasten, die nur kleine Krümmungen im Streckträger zulassen. Stahlbeton- bzw. Verbundstreckträger bei Schrägkabelbrücken mit zwei Kabelebenen (systemimmanente Dämpfung) und enger Kabelaufhängung können daher, aufgrund ihrer hohen System-Steifigkeit, in der Regel als offene U-Querschnitte ohne windschnittige Form ausgebildet werden. Dadurch kann man meist auf teure, aero­dynamisch geschlossene Querschnitte verzichten.

5.5.5  Konstruktive Gestaltung der Konstruktions­e lemente 5.5.5.1  Streckträger Ob der Streckträger als Stahl-, Verbundoder Betonbalken hergestellt wird, hängt von der Stützweite und den Anlageverhältnissen ab. Durch die enge Kabelaufhängung und die daraus resultierenden relativ kleinen Biegemomente und sehr großen Normalkräfte bietet sich als Baustoff Beton an [Girmscheid, 1987-1 und -2]. Stahlstreckträger sind wesentlich leichter und daher für sehr große Stützweiten, Verbundstreckträger für mittlere und große Stützweiten, Stahlbetonstreckträger als UQuerschnitt für mittlere Stützweiten und als Platte für kleine Stützweiten geeignet (Tabelle 5.5‑13). Auch Kombinationen von biegesteif gekoppelten Hauptträgern aus verschiedenen Baustoffen wurden mehrmals ausgeführt. Insbesondere dann, wenn

Tabelle 5.5‑13  Entwicklung der Spannweitenbereiche bei zwei Kabelebenen Streckträgerkonstruktionen 1. 2. 3.

Stahlbetonquerschnitt    Platte    U-Querschnitt Verbundkonstruktionen    U-Querschnitt Stahlkonstruktionen mit orthotroper Platte

Hauptspannweiten  100 m 250–300 m 300–500 m  ≥ 500 m

5.5  Schrägkabelbrücken

die Seitenöffnungen gegenüber der Hauptöffnung klein sind, ist es vorteil­haft, die Längsträger der Seitenöffnungen aus Beton und diejenigen der Hauptöffnung als Verbund- oder Stahlbalken zu fertigen. Den Vorteilen der Stahlbauweise – Leichtigkeit, rasche Bergemöglichkeit im Katastrophenfall und dass auch bei breiten Brücken meist zwei Hauptträger ausreichen – stehen die Nachteile gegenüber, dass orthotrope Stahlfahrbahnen komplizierter und teurer sind als Stahlbeton- oder Spannbetonplatten. Die statische Beanspruchbarkeit der Kabel kann zudem bei der Stahlbauweise manchmal nicht ausgenutzt werden, da die Ermüdungsfestigkeit das maßgebende Bemessungskriterium wird. Die Verkehrslast kommt bei leichten Streckträgern nahe an die Eigenlast. Es ist technisch möglich, Schrägkabelbrücken mit Stahlstreckträgern als Kastenquerschnitte mit einer Seilebene auszubilden. Durch die eine Kabelebene

425

werden jedoch nicht alle günstigen, sys­ temimmanenten Steifigkeiten einer Schrägkabelbrücke mit zwei Kabelebenen mobilisiert. Die Entwicklung der Streckträgerquerschnitte geht bei Beton- bzw. Verbundstreckträgern von den geschlossenen bzw. halbgeschlossenen Querschnitten zu den offenen, einfachen Querschnitten über, die als Trägerrost mit Haupt- und Querträgern sowie Fahrbahnplatte oder als HauptträgerPlattensystem ohne Querträger ausgebildet werden. Dies ist eine konsequente Folgerung aus den Überlegungen zur Systemsteifigkeit und Systemdämpfung, die sich aus einem System mit zwei Kabelebenen und dem entsprechenden aerodynamischen Verhalten ergibt. Bei Beton- und Verbundstreckträgern ist die Spannungsschwingweite relativ klein, so dass die Kabel in der Regel höher ausgenutzt werden können.

Tabelle 5.5‑14  Gegenüberstellung von Fertigteil- und Ortbetonstreckträger Fertigteillösung

Ortbetonlösung

Vorteile

− Herstellung unter optimalen Umweltbedingungen, ohne Wetterbeeinflussung − Verkürzung der Bauzeit: a) Durch kontinuierliche Vorproduktion während der Gründungs- und Pylonherstellung b) Schnelle Montage z. B. durch Lift-Slab-Verfahren

− Monolithische Konstruktion ohne zusätzliche Montagespannglieder − Kein besonderer Lagerplatz für Fertigteile erforderlich

Nachteile

− Zusätzliche Längsspannglieder sind zur Montage erforderlich, um aus dem Vielgelenksystem, bestehend aus Fertigteilsegmenten und Kabeln, ein kontinuierliches System zu machen, bzw. um genügend Druck für den Epox-Kleber an den Fugen zu bekommen.

− Fertigung nur während befriedigen­ den klimatischen Bedingungen − Qualität des Betons möglicher­ weise nicht so konstant wie bei Fer­tigteilen, aber ausreichend (Aus­landsbaustellen)

426

5.5.5.1.1  Streckträger aus Beton Den Streckträger kann man aus Fertigteilelementen oder monolithisch aus Ortbeton herstellen. In der Anfangsphase der Entwicklung benutzte man Fertigteilsegmente nicht nur aus produktionstechnischen Erfordernissen, sondern auch, um die Kriechund Schwindverkürzungen, die Veränderungen in den Seilkräften hervorrufen würden, klein zu halten. Der Bauvorgang für die Herstellung des Streckträgers dauert oft bis zu einem Jahr. In dieser Zeit wächst die Spannung im Streckträger langsam und kontinuierlich, weshalb am Ende der Bauzeit das Schwinden und Kriechen schon sehr stark abgeklungen ist. Zudem enthält der Streckträger in Längsrichtung große Mengen an Betonstahl, was die Schwind- und Kriechverkürzung zusätzlich vermindert. Nach der Fertigstellung des Streckträgers können die Kabel nochmals auf die Seilkräfte eines Durchlaufträgers unter Eigenlast ein­ gestellt werden. Aus materialtechnischen und konstruktiven Gründen besteht daher keine zwingende Veranlassung, die Konstruktion aus Fertigteilen herzustellen, wenn dies nicht vom Bauablauf günstiger ist, da die monolithische Ortbetonlösung die in Tabelle 5.5‑14 dargestellten wirtschaftlichen Vorteile hat. Durch die Herstellung des Streckträgers aus Fertigteilen lässt sich jedoch die Bauzeit wesentlich verkürzen, da die Fertigteile bereits während der Pylonherstellung gefertigt werden können. Durch die Vorfabrikation lässt sich auch in Schlechtwetterphasen eine gleichmäßig hohe Betonqualität sicher­ stellen. Für den offenen Querschnitt des Streckträgers hat man drei Möglichkeiten (Tabelle 5.5‑15): 1. das Trägerrostsystem, 2. das Hauptträger-Plattensystem, 3. das reine Plattensystem.

5  Haupttragwerke der Überbauten

Das Trägerrostsystem besteht aus zwei außen liegenden Hauptträgern und lastverteilenden Querträgern, die in äquidistanten Abständen angeordnet sind. Aus statischen Gründen wählt man den Streckträger in U-Form (aus Hauptträgern und Platte). Die offene U-Form hat den Schwerpunkt nahe der Platte. Dadurch kann man neben dem Hauptträger auch die Platte im Bereich der mitwirkenden Breite zum Abtragen der großen Normalkräfte heranziehen. Den Abstand der Querträger wählt man so, dass eine Plattendicke von d = 0,25 – 0,35 m ausreicht. Die Platte spannt sich hauptsächlich einachsig in Längsrichtung, nur am Rand zum Hauptträger ist sie dreiachsig gelagert. Die Normalkräfte bewirken, dass die Platte eine Vorspannung erhält, welche die Biegezugspannungen überdrückt. Die Aufhängung der Seile an einen A-Pylon ergibt sogar eine leichte Vorspannung in Querrichtung der Platte. Das Hauptträger-Plattensystem stellt eine weitere Vereinfachung für die Baumethode dar. Das System besteht aus zwei außen liegenden Hauptträgern und einem kontinuierlichen, quasi unendlich langen Plattenstreifen. Die Platte spannt sich einachsig zwischen den Hauptträgern. Entsprechend dem Biegemomentenverlauf nimmt die Dicke in Querrichtung, vom Rand zur Plattenmitte, linear zu. Die Platte wird in Querrichtung im Abstand von 0,80 – 1,00 m mit leichten Spanngliedern vorgespannt. Die reine Plattenlösung ist bei nicht sehr breiten Brücken (zweispurig mit Fuß­ wegen) sehr wirtschaftlich. Sie besitzt aufgrund ihrer Querschnittform ein aus­ gezeichnetes aerodynamisches Verhalten und ist einfach herstellbar. Die Platte ist­­ an den Seilverankerungen elastisch punktgelagert.

5.5  Schrägkabelbrücken

5.5.5.1.2  Streckträger in Verbundkonstruktion Für eine Verbundkonstruktion bieten sich zwei Varianten an (Tabelle 5.5‑16): 1. Stahlhaupt- und Stahlquerträgerrost mit Betonplatte 2. Stahlbetonhauptträger und -platte mit Stahlquerträgern

427

Für die Trägerrostsysteme ist die U-Form, wie schon beschrieben, der statisch günstigste Querschnitt. Besonderer Beachtung bedarf bei der ersten Variante (Tabelle 5.5‑16) das Kriechen des Betons, welches, wie auch das Schwinden, durch vorgefertigte Platten und durch einen kleinen WasserZement-Faktor klein gehalten werden

Höhe [m]

Querträger

Kabelabstand [m] Abstand [m]

Hauptöffnung [m]

Jahr

Literaturhinweis

Bauwerk

Querschnitt des Streckträgers

Betonplattendicke [m]

Tabelle 5.5‑15  Beton-Streckträgersysteme

0,23

1,75

2,50

7,50

230

1985

B + B-Entwurf

Xiang Jia Tang Bridge (China)

1.  Trägerrostsystem

286,7

6,00

–

–

0,3–0,6

97,00

6,00

–

–

0,35-0,55

1985

Quade & Douglas

New Ohio River Bridge (USA)

2.  Hauptträger – Plattensystem

1984

Bänziger+Köppel, R. Walther (CH)

Rheinbrücke Diepoldsau (CH)

3.  Plattensystem

428

5  Haupttragwerke der Überbauten

Höhe [m]

Querträger Abstand [m]

Kabelabstand [m]

Hauptöffnung [m]

Jahr

Literaturhinweis

Bauwerk

Querschnitt des Streckträgers

Betonplattendicke [m]

Tabelle 5.5‑16  Verbund-Streckträgersysteme

286,5

14,33

3,59

1,25

0,25

230

7,50 oder (11,25)

3,75

1,25

0,25

1985

B+B – Entwurf

New Ohio River Bridge (USA)

1.  Stahlhaupt- und -querträger – Stahlbetonplatte

1985

B+B – Entwurf

Xian Jia Tang Bridge (China)

2.  Stahlbetonhauptträger – Stahlquerträger – Stahlbetonplatte

kann. Dies ist deshalb sehr wichtig, weil die Stahlbetonplatte hauptsächlich die großen Normalkräfte nicht nur zum Zeitpunkt t = 0, sondern auch zum Zeitpunkt t → ∞ abtragen soll. Kann die Platte noch aus­ reichend schwinden und kriechen, werden diese Kräfte auf den Stahlhauptträger umgelagert. Ein Parameter ist das Verhältnis der E-Moduln von Stahl und Beton nach Kriechen und Schwinden des Betons. Gegen­über einer Fertigteilplatte, bei der das Schwinden durch Lagerung weitgehend ­abgeschlossen ist, übernimmt eine Ort­

betonplatte langfristig infolge Kriechen und Schwinden nur die Hälfte der Normalkräfte, weshalb die Stahlhauptträger stärker dimensioniert werden müssen. Die Fertigteilplatten werden über den Querträgern durch gestoßene Be­wehrung oder durch die PPCS-Methode [Takenaka et al., 1986], [Girmscheid, 1986] miteinander und über Kopfbolzendübel mit den Haupt- und Querträgern ver­bunden. Die zweite Variante (Tabelle 5.5‑16) bietet eine weitere Möglichkeit, eine leichte und ökonomische Konstruktion zu erhal-

5.5  Schrägkabelbrücken

ten. Die Hauptträger, die dominierend durch Normalkräfte beansprucht werden, werden aus Stahlbeton hergestellt, die Querträger, die durch die Platteneigenlast und den Verkehr auf Biegung beansprucht werden, aus Stahl. Die Fahrbahnplatte wird durch den hoch liegenden Schwerpunkt des Querschnitts überdrückt und daher aus Stahlbeton hergestellt. Bei den genannten Kabelabständen sind die Hauptträgerhöhen bei Straßenbrücken h = 1,5 bis 2,5 m und bei Eisenbahnbrücken h = 3,0 bis 5,0 m. Die Spannweitenbereiche können aus Tabelle 5.5‑13 entnommen werden. 5.5.5.1.3  Streckträger aus Stahl

Francesco Aigner und Thomas Petraschek Bei Schrägkabelbrücken für Straßen- oder Bahnverkehr sind Streckträger aus Stahl vorwiegend bei größeren Öffnungen wirtschaftlich (Richtwerte: Straße ab 200–250 m, Bahn ab 100–150 m). Bei Brücken mit großen Hauptöffnungen und erheblich kleineren Seitenöffnungen ist für den Streckträger meist eine Kombination von Stahl (Hauptöffnungen) und Verbund oder Spannbeton (Seitenöffnungen) zweckmäßiger als die reine Stahllösung. Wegen der möglichen großen Schlankheiten h/l und den praktisch unerschöpflichen Gestaltungsmöglichkeiten werden Fußgängerbrücken gerne als Schrägkabelbrücken gebaut und erhalten stählerne Streckträger (vielfältige Möglichkeiten der Farbgebung!). Dabei sind auch gekrümmte Tragwerke möglich. Allgemein sind Streckträger so auszubilden, dass unter den maßgebenden Einwirkungen die Forderungen an die Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Ermüdungsfestigkeit erfüllt werden. Für das Verhältnis von Stützweite zu Balkenhöhe gibt [Stahlbau, 1985] als groben Anhaltswert 60 … 120 und für das Stahlgewicht des Streckträgers

429

(Straßenbrücke) den Wert 4,1 kN/m² an. Für Bahnbrücken gelten ca. 35 kN/m pro Gleis. Die Schnittkräfte werden entscheidend von der Führung der Abspannungen in Längs- und Querrichtung beeinflusst, siehe Abschnitt 5.5.1. Sind die Abspannungen in großen Abständen angeordnet, so treten an dem diskret elastisch gestützten Balken größere Biegemomente M und Querkräfte V auf und bedingen für den Streckträger Querschnitte mit hinreichend großem ­Widerstandsmoment W. Sind dagegen die Abspannungen in kleinen Abständen angeordnet, so bleiben M und V an dem quasikontinuierlich elastisch gebetteten Balken klein und es sind Streckträgerquerschnitte mit kleinem Widerstandsmoment möglich. In allen Fällen entstehen aus den Horizontalkomponenten der Kabelkräfte im Streckträger Druckkräfte, die bei positiven Momenten die Nulllinie nach unten, bei negativen Momenten nach oben verschieben. Die Normalkräfte müssen beim Nachweis der Systemtragfähigkeit (Stabilität!) und der Querschnittstragfähigkeit berücksichtigt werden. Üblicherweise ist der Einfluss der Durchbiegungen auf die Biegemomente (Theorie II. Ordnung) nicht sehr groß und liegt im Bereich zwischen 3 und 15%. ­Wegen der Stabilisierung des Streckträgers durch die Seilgeometrie siehe [Volke, 1973]. Durch die Vorgabe einer zweckmäßigen, das Momentenbild des Streckträgers vereinheitlichenden Vorspannung des statisch unbestimmten Systems lässt sich der Streckträger sparsam dimensionieren, siehe Abschnitt 8.3.2.2 Außer dem Endzustand ist beim Entwurf des Streckträgers die durch Herstellung im Freivorbau relativ einfach zu bewerkstelligende Montage zu berücksichtigen, siehe Kapitel 9. Die Konstruktion bzw. Form des Streck­ trägers hängt außer vom Längsabstand­ der Verankerungspunkte ursächlich von der Führung der Abspannung in Quer­ richtung ab. Liegt eine Mittelträgerbrücke

430

vor (Brücke mit einer oder zwei eng nebeneinander liegenden Kabelebenen in Querschnittsmitte), so müssen gegenüber der Kabel­ebene exzentrisch angreifende Las­ ten durch Torsionsmomente im Streck­ träger abgetragen werden. Hier ist die Ausführung als torsionssteifer Querschnitt unbedingt erforderlich. Mittelträger­ brücken kommen ausschließlich bei getrennten Verkehrsflä­chen, z. B. Autobahnquerschnitten, in Frage. Ebenso erhalten Fußgängerbrücken mit gekrümmtem Tragwerk und einer (oft an einer der beiden Brückenseiten angeordneten) „Kabelfläche“ einen torsionssteifen Querschnitt. Liegen hingegen zwei außen liegende ­Kabelebenen vor, so kommen offene Querschnitte in Frage. Die angreifenden Lasten teilen sich durch Querbiegung auf die Trägerstege auf (bei zwei Trägerstegen näherungsweise nach dem Hebelgesetz; genauere Ergebnisse erhält man nach der Theorie der Wölbkrafttorsion). Ein Kastenquerschnitt ist selbstverständlich auch in diesem Fall möglich. Er verbessert die Querverteilung exzentrischer Lasten, wodurch insbesondere die Vertikalverformungen

Bild 5.5‑4   Donaustadtbrücke, Montagezustand

5  Haupttragwerke der Überbauten

und Querschnittsverdrehungen reduziert werden. Ein architektonisch überaus ansprechendes Beispiel einer modernen Schrägkabelbrücke mit zwei Abspann­ ebenen und einem (aus gestalterischen Gründen geknickten) unteren Rohrverband zeigen die Bilder 5.5-4 und 5.5-5. In diesen Bildern erkennt man auch­ die auffällig gestalteten Konsolen zur Einleitung der Kabelkräfte, und im zweiten Bild zusätzlich die Zugpendel zur Begrenzung der Endtangentenneigung bei der künftigen Verwendung als Bahnbrücke. In [Roik et al., 1986] sind verschiedenste Querschnitte von Streckträgern von Schrägkabelbrücken mit Öffnungen zwischen ca. 60 und 460 m und Querschnittsbreiten zwischen ca. 7,0 und bis ca. 40 m für ­Straßenbrücken sowie einige Eisenbahnbrücken aus den Jahren 1955 bis 1986 ­gezeigt. Obwohl heute weitaus größere Stützweiten bewältigt werden, lässt sich anhand der angegebenen Beispiele doch die Entwicklung der typischen Balkenquerschnitte studieren: Die ersten Ausführungen entsprachen ziemlich genau der seinerzeit üblichen Querschnitte für Ein-

5.5  Schrägkabelbrücken

431

Bild 5.5-5   Donaustadtbrücke, Unteransicht [Pauser/Foller, 1997]

feld- und Durchlaufträgerbrücken. Später ging man – auch mit Rücksicht auf die immer größer werdenden Stützweiten – zu aerodynamisch günstigeren Querschnitten über (Gefahr von winderregten Schwingungen bei weit gespannten Brücken im Montage- und Endzustand!), wie sie auch bei Hängebrücken verwendet werden. Bei der Beurteilung der aerodynamischen Stabilität ist zu beachten, dass bei offenen Profilen die erste Biege- und Torsionseigenfrequenz praktisch zusammenfallen, die sich

bei ­geschlossenen Profilen dagegen aber deutlich unterscheiden können. Üblich sind heute zweistegige Vollwandquerschnitte. Einen Spezialfall stellt der Querschnitt der Öresund-Brücke (2001) dar, die für Eisenbahn- und Autobahnverkehr vorgesehen ist. Bild 5.5-6 zeigt einen Montage­ ­zu­stand. Um der Brücke trotz des vergleichsweise hohen Streckträgers (12,2 m bei 490,0 m Abstand zwischen den Pylonen) ein leichtes Aussehen zu geben, wurde der Streck-

Bild 5.5-6   Öresundbrücke, Bauzustand [Krumbach/Hamm, 2000]

432

träger als pfostenloses Strebenfachwerk ausgebildet. Die beiden Gleise sind auf Höhe der Untergurte angeordnet, die Straßenfläche über den Obergurten. In Japan findet man zuweilen Pfosten-DiagonalenFachwerke als GV-geschraubte Konstruktionen und mit fachwerkartig aufgelösten Querscheiben. Bei Mittelträgerbrücken, Brücken mit zwei Kabelebenen verhältnismäßig ge­ ringer Spreizung oder bei Brücken mit gekrümmtem Tragwerk wird dieses stets torsionssteif ausgeführt (Kasten mit ­Bodenblech oder unterem Verband). Da die Biegemomente bei ausreichend enger Abspannung klein bleiben, genügt eine schmale Bodenplatte. Bei vertikalen ­Stegen werden weit aus­kragende Kon­solen durch schräge Druckstreben in ­engen Abständen,

5  Haupttragwerke der Überbauten

z. B. durch Rundrohre, unterstützt oder es werden die Stege ­geneigt. Kombinationen (geneigte Stege mit Unterstützung der ­Konsolen) sind ­bei sehr breiten Tragwerken (Autobahnquerschnitte) zweckmäßig. Bei Straßenbrücken werden üblicherweise im ­Bereich der Fahrbahnränder Längsträger („Saumträger“) angeordnet, welche die großen Lasten an den Fahrbahnrändern (LKW-Spuren, Schwerfahrzeug am Fahrbahnrand) verteilen, ­damit die Querträger ­entlasten und die Anzahl der erforder­lichen Abstützungen für die Konsolen ­reduzieren. Bild 5.5-7 zeigt die Regelquerschnitte der Haupt­öffnung der 2001 ­fertiggestellten Rheinbrücke Ilverich (Mittelträgerbrücke mit 287,5 m Hauptöffnung). Bild 5.5-8 zeigt den originellen Querschnitt der Arnobrücke Florenz, 1978.

Bild 5.5-7   Rheinbrücke Ilverich Regelquerschnitte [Saul et al., 2002]

Bild 5.5-8   Arnobrücke Florenz, Regelquerschnitt

5.5  Schrägkabelbrücken

433

Bild 5.5-9   Brücke über den Hauptbahnhof Ludwigshafen, Regelquerschnitt [Freudenberg, 1970]

Bild 5.5-9 zeigt den offenen, zweistegigen Querschnitt der an zwei Kabelebenen außerhalb der Brücke aufgehängten Schrägkabelbrücke über den Hauptbahnhof Ludwigshafen/Rhein. Bild 5.5-10 zeigt den Querschnitt der an zwei Kabelebenen außerhalb der Brücke aufgehängten Schrägkabelbrücke mit tor­ sionssteifem Kastenquerschnitt (Donau­ stadtbrücke Wien, 1997). Um die Brücke zu einer Bahnbrücke mit Schotterbett umzubauen, ist die Reduktion der Biegemomente erforderlich. Dies erfolgt durch Einziehen weiterer Kabel an bereits dafür vorgesehenen Konsolen. Konstruktiv von Bedeutung sind die Verankerungspunkte, an denen die Streckträger an den Kabeln aufgehängt sind (Kabelkonsolen). Die Verankerung von Vielkabelsystemen mit entsprechend kleinen Kabelkräften ist naturgemäß einfacher als jene von Systemen mit wenigen Kabeln mit sehr großen Zugkräften. Sind die Abspannebenen an den Außenseiten des Streckträgers geführt, können die Verankerungspunkte bewusst hervorgehoben werden, siehe Bild 5.5-5. Bei Mittelträgerbrücken müssen die über die Kabel eingeleiteten großen Einzelkräfte durch (in der Regel vollwandige) Querscheiben auf die Hauptträger über­ tragen werden. Sind bei größeren Kabelabständen zur Erhaltung der Profilform weitere Querträger angeordnet, so kommen für diese auch Fachwerkscheiben in Frage, siehe Bild 5.5-7.

Ebenfalls für die Gestaltung des Streckträgers ist dessen Verbindung mit den Pylonen von Bedeutung. Stehen der Pylon oder die Pylonenstiele innerhalb des Brücken­querschnitts, so kann der Pylon (gelenkig oder eingespannt) mit dem Streckträger verbunden oder aber durch Öffnungen im Streckträger geführt und von diesem auf dem Pfeiler gelagert sein. Bild 5.5.5-11 zeigt eine biegesteife Verbindung zwischen Streckträger und Pylon bei der vor allem auch hinsichtlich der Montage, siehe Abschnitt 9, überaus interessanten Rheinbrücke Oberkassel. Konstruktiv einfacher und heute üb­ licher ist der Fall, dass die Pylonenbeine außerhalb des Brückenquerschnitts stehen (beispielsweise Λ‑Pylon). Der Streckträger kann dann ­entweder nur an den Kabeln aufgehängt oder über Querträger mit den Pylonen verbunden sein. 5.5.5.2 Pylone Die Pylonstiele werden meist als Stahlbetonhohlquerschnitt mit großen Wand­ dicken ausgebildet. Der Querschnitt wird hauptsächlich durch Druckkräfte beansprucht. Stahlpylone werden nur dann verwendet, wenn extrem schlanke Konstruktionen gefordert sind. Die Pylone sind bei Betonkonstruktionen mit einer schlaffen Bewehrung versehen; eine Vorspannung ist nur im Bereich der Kabelverankerung und

GLEISSCHOTTERTROG 6.80

9.86

9.86

Bild 5.5-10   Donaustadtbrücke, Querschnitt für Straßen- und Bahnverkehr [Pauser/ Foller, 1997]

5.55

5.55

1.0

REVISIONSWAGEN

3.25

REVISIONSWAGEN

1.40

FAHRBAHN 8.50

3.25

1.40

1.0

DETAIL

434 5  Haupttragwerke der Überbauten

5.5  Schrägkabelbrücken

Längsschnitt in Kabelachse

435

Längsschnitt in Querachse

Bild 5.5-11   Rheinbrücke Oberkassel, biegesteife Verbindung Streckträger-Pylon [Beyer et al., 1977]

in den evtl. vorhandenen Querbalken erforderlich. Während der Bauphase sind die Pylonbeine Kragarme mit relativ geringen Normalkräften aus Eigenlast, die auf ­Biegung beansprucht werden. Je nach Baumethode und Pylonform (z. B. A-Pylon) ist bei Pylonen aus Beton eine temporäre Vorspannung während der Bauphase notwendig. Es ist noch anzumerken, dass Schrägkabelbrücken mit harfenförmiger Kabelanordnung wesentlich steifere Pylone verlangen als mit fächerförmiger [Stahlbau Handbuch, 2. Band, 1985], oder es müssen Rückspannungen an zusätzlichen Pfeilern in den Seitenfeldern ­angeordnet werden. Dies liegt an der starken Verformbarkeit des Gesamtsystems, bedingt durch die geringe vertikale Federsteifigkeit der gleich stark geneigten Kabel.

Lösung mit Gabelseilkopf bzw. Augenstab und Bolzen verwendet, wird der Anker durch ein kurzes Stahlrohr mit Dämpfungsring geführt (Tabelle 5.5‑17). Dieses Stahlrohr hat die Aufgabe, die Kräfte, die am Flansch vom Ankerkopf eingeleitet werden, durch Schub auf den Beton zu übertragen, dem Beton im Einleitungsbereich eine zusätzliche Membranverstärkung zu geben und durch einen eingepressten NeopreneDämpfungsring das Kabel am Ende gerade zu führen, um Biegung im Bereich des Ankerkopfs zu verhindern. Zum Montieren und Befestigen der Kabel bestehen die in Tabelle 5.5‑18 aufgeführten Möglichkeiten zur Gestaltung der Ankerköpfe [EN 1993-1-11, 2007]. Die Kräfte sollen auf direktem Weg abgeleitet werden; dies ist ein Grundprinzip für eine optimale Konstruktion. Daher sollte man die Hauptträger des Streckträgers direkt an 5.5.5.3  Kabelverankerung die Kabel hängen (Tabelle 5.5‑6). Die Krafteinleitungsbereiche erfordern Die Verankerung der Kabel im Pylon und vom Ingenieur bzw. der Ingenieurin immer im Streckträger ist eine sehr wichtige De­ zusätzliche Anstrengungen, um in diesen tailaufgabe. Bei den relativ großen geschla- Bereichen eine realistische Berechnung genen Seilen bzw. Paralleldrahtseilen ist­ durchzuführen. Ein sehr gutes Bild wird es wegen der Dauerfestigkeitsprobleme man immer mit einer Finite-Element­wichtig, die Kabelbiegung am Eingang ­zum Rechnung erreichen können, indem man ­Ankerkopf zu verhindern [Girmscheid, einen Ausschnitt aus dem Einleitungsbe1987-2]. Wird nicht die stahlbaumäßige reich wählt. Diese genauere Untersuchung

436

5  Haupttragwerke der Überbauten

Tabelle 5.5‑17  Konstruktive Möglichkeiten zur Verminderung des Biegewinkels am Ankerkopf Streckträger

Pylon

Stahl­ beton

Verbund

wird man im Ausführungsfall anstellen, zumindest zur Kontrolle. Die Vorberechnung kann man mit der Fachwerkanalogie durchführen (Tabelle 5.5‑19). Zur Verankerung der Kabel am Pylon gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten: 1. Das kontinuierlich durchgehende Seil wird über einen Kabelsattel geführt und nur in den Hauptträgern des Streckträgers verankert. 2. Das unterbrochene Kabel wird am Pylon und am Streckträger verankert. Die erste Methode ist nur für geschlagene Seile möglich, die eine Krümmung mit Querdruck vertragen. Da die Tendenz bei Schrägkabelbrücken ganz eindeutig zu den Multikabelsystemen mit dichten Aufhängungen geht, ist der Kabelsattel wegen des Platzbedarfs und der dadurch erforderlichen Pylonhöhe meist nicht praktikabel. Zudem werden hauptsächlich Paralleldrahtseile und Parallelstabbündel verwen-

det, die nicht über einen Kabelsattel gebogen werden können. Heute verankert man die Kabel im Pylon. Dabei werden die Ankerköpfe im Mindestabstand platziert, so dass neben der Montage auch die nachträgliche Kontrolle sowie der Unterhalt möglich ist, womit man zum Fächersystem gelangt. Die Verankerungsmöglichkeiten sind in Tabelle 5.5‑19 zusammengefasst.

5.5.5.4  Korrosionsschutz Der Korrosionsschutz ist von entscheiden­ der Bedeutung für die Sicherheit und Dauerhaftigkeit von Schrägkabelbrücken. Die zu treffenden Maßnahmen hängen von der Seilart ab (Tabelle 5.5‑4 und Tabelle 5.5‑20). Der Korrosionsschutz der Kabel sollte aber seilunabhängig mehrschichtig aufgebaut werden und besteht grundsätzlich aus mindestens drei Stufen:

5.5  Schrägkabelbrücken

437

Tabelle 5.5‑18  Mögliche Ankerkopfausbildung Bild

Bez.

Beschreibung

Anspannen

1

FEA

Einfacher Ankerkopf, der als Festendankerkopf dient, an dem nicht angespannt wird

–

2

SPA

Durch Unterlegen von zweigeteilten Stahlplatten (Shims)

3

SPA

Modifizierter Festendanker, der eine verlängerte Ankerhülse mit Innen­gewinde hat, in welches der Pressenstempel eingeschraubt wird

4

SPA

In den modifizierten Grundanker wird ein Augenstab in das Innengewinde des Ankers eingeschraubt

Durch Einhängen des Augenstabs in einen Bolzen zwischen zwei verankerten Stahlplatten

5

FEA

Modifizierte Form von Nr. 4. Der ganze Ankerkopf ist aus einem Guss mit Augenstab

Durch Drehen der Überwurfmutter

SPA = Spannanker FEA = Festanker

• Korrosionsschutz jedes einzelnen Drahtes, • Korrosionsschutz des Seilinneren, um den Feuchtigkeitseintrag zu verhindern, • Korrosionsschutz der Seiloberfläche. Im Weiteren ist die Verankerungskonstruktion entsprechend zu konzipieren, so dass bei den Endverankerungen und Umlenklagern kein Wasser (Schnee, Regen, Nebel, allg. Feuchtigkeit) eindringen kann, d. h. dass keine Schwachstellen im Korrosionsschutz auftreten. Sämtliche Übergänge und Verbindungen sind deshalb durch ein dauerhaft elastisches, nicht versprödendes Material zu versiegeln (z. B. Neoprene-Konus im Bild 5.5‑14). Zusätzlich ist bei der unte-

ren Verankerung unter Umständen eine Wasserdrainageöffnung vorzusehen, um das im äußeren Hüllrohr anfallende Kondenswasser abzuleiten. Die Drähte, Litzen, Seile und Verankerungsköpfe müssen in allen Phasen gegen Korrosion und Beschädigung geschützt sein. Das betrifft: • die Bauphase mit Herstellung, Transport, Lagerung und Montage, und • die Nutzungs- und Betriebsphase. Zusätzlich müssen unter Umständen Maßnahmen zum Schutz vor mechanischer Beanspruchung getroffen werden.

438

5  Haupttragwerke der Überbauten

Tabelle 5.5‑19  Seilverankerung im Pylonkopf

Stahlbaumäßige Verankerung

Koppelanker – Gekreuzte Verankerung Verankerung (Vollpylon)

Versetzt gekreuzte Ver­ ankerung (Vollpylon)

Hohler Pylon

Bez.

System

Vor- und Nachteile Vorteile: − Montage und Inspektion im Innenraum − Wettergeschützt − Einfache Verankerung der senkrechten Kabel − Montage von einer Plattform Nachteile: − Statisch ungünstig: hohe Spaltzugkräfte, hoch beanspruchte Druckstreben Vorteile: − Statisch: Seilkräfte überdrücken sich gegenseitig Nachteile: − Verankerung der senkrechten Seile − Montage von zwei Bühnen

Vorteile: − Einfache Schalarbeit − Statisch: Krafteinleitung Nachteile: − Spezielle Koppelanker Vorteile: − Kein großer Schalungsaufwand − Statisch klare Kraftführung Nachteile: − Spezielle Ankerköpfe

Stat. Nachweis – Fachwerkmodell

5.5  Schrägkabelbrücken

439

Tabelle 5.5‑20  Seilarten für Haupttragelemente von Schrägkabelbrücken Vollverschlossenes Spiralseil (1 Lage Z-Drähte)

Paralleldrahtkabel

5.5.5.4.1  Korrosionsschutz der Vollverschlossenen Seile Vollverschlossene Seile bestehen aus einem Runddrahtkern und einer bis mehreren Lagen spiralförmig geschlagener Z-Drähte. Herstellungsbedingt weisen die Vollverschlossenen Seile zwischen den einzelnen Drähten nur sehr kleine Hohlräume auf. Durch die geschlossene Oberfläche bieten Vollverschlossene Seile grundsätzlich einen hohen Korrosionsschutz. Der Korrosionsschutz der einzelnen Drähte erfolgt durch Galvanisierung (100% Zink) oder durch eine Galfan-Beschichtung (95% Zink, 5% Aluminium). Die Zinkbeschichtung beträgt je nach Drahtdurchmesser zwischen 180 und 340 g/m2, die Zink-Alubeschichtung der Rund- und Z-Drähte kann bis etwa 300 g/m2 betragen. Zu beachten ist, dass der Galvanisierungsprozess die Materialeigenschaften des Stahls (Zugfestigkeit, Ermüdungsverhalten) im negativen Sinne verändern kann. Durch den Galfan-Prozess beschichtete Drähte weisen zudem einen viel besseren Schutz gegen atmosphärische Einflüsse auf als rein verzinkte, die Beständigkeit liegt im Vergleich zu normal feuerverzinkten Drähten drei- bis vierfach höher, weshalb bei deren Verwendung in der Regel auf einen zusätzlichen Korrosionsschutz der Seile

Parallellitzenkabel

verzichtet wird. Allerdings ist der GalfanProzess ein neues Verfahren und somit das Langzeitverhalten noch weitgehend unbekannt, weshalb das Verfahren für Haupttrag­ elemente bis anhin noch nicht angewendet wurde. Werden die einzelnen Drähte verzinkt, werden die Hohlräume zwischen den Drähten beim Schlagen der Seile mit einem Seilverfüllmittel (Zinkstaubfarbe auf Polyölbasis oder Seilverfüllmittel mit Aluminiumpulver) verfüllt [Technische Unterlagen: Vollverschlossene Seile, 2002]. Auch bei verzinkten Seilen wird nach der Montage in der Regel ein zusätzlicher Korrosionsschutz durch mehrfache Beschichtung aufgebracht, da Beschädigungen durch Transport und Montage nicht auszuschließen sind. Bei den vollverschlossenen Seilen erfolgt die Verankerung des Seils ausschließlich in konischen oder zylindrischen Verankerungshülsen (Tabelle 5.5‑18), welche metallisch ausgegossen werden. Als Verguss kommen gemäß [ON EN 13411-4, 2009] nur Legierungen auf Blei- oder Zinkbasis oder Zink- bzw. Kunstharzvergusssysteme auf Ployesterbasis mit anorganischem Füllstoff und geeignetem Aushärtemittel infrage. Die Drahtenden müssen mindestens 5 mm mit Vergussmaterial überdeckt werden, um den vollen Korrosionsschutz sicher zu stellen. Die Verankerung wird mit einer

440

5  Haupttragwerke der Überbauten

Schutzkappe abgedeckt. Analog den Seilen erhält die Verankerungskonstruktion eine mehrschichtige Korrosionsschutzbeschichtung. 5.5.5.4.2  Korrosionsschutz der Paralleldrahtkabel Paralleldrahtkabel bestehen aus einer bestimmten Anzahl blanker oder verzinkter Drähte mit einem Durchmesser von 7 mm, welche zu einem Bündel von parallelen Drähten zusammengefasst werden. In der Regel wird das Drahtbündel in ein Polyäthylenrohr eingezogen, und die Hohlräume werden mit einer Korrosionsschutzmasse ausgepresst. Die Korrosionsschutzmasse bietet aber nur dann einen zusätzlichen Schutz, wenn sie nicht durch Wasser, Hitze oder Vibrationen verdrängt oder ausgepresst wird. Die Wahl der Verfüllmasse hängt sowohl von der Oberflächenbehandlung der Drähte, da sich z. B. Zink und Zementinjektionen nicht vertragen (Tabelle 5.5‑21), als auch von den dynamischen Anforderungen bezüglich der Dämpfung der Kabel ab. Zementinjektionen sind insofern problematisch, da das Injektionsgut durch die Seilschwingungen ermüdet und mit der

Zeit Risse aufweisen kann. Im gerissenen Zustand werden die Seile nicht mehr von einem lückenlos geschlossenen, basischen Milieu umgeben. Dies kann in der Folge durch den Eintrag von Feuchtigkeit (Kondenswasser) und Sauerstoff zu Korrosion führen. Bei den heute verwendeten Kabelsystemen kommen die folgenden aktiven und passiven Füllstoffe zur Anwendung: • Aktive: Suspension von Zink in einem Polyurethanöl, • Passive: dauerelastisch-plastisches Wachs. Die Verankerung der einzelnen Drähte erfolgt je nach Drahtanzahl in einer Ankerhülse mit Innenkonus (bis ca. 200 Drähte) oder im Grundkörper (bis ca. 400 Drähte). • Im Konus wird das Drahtbündel aufgefächert, und die einzelnen Drähte werden mit Stauchköpfen in einer Lochplatte verankert. Der Konus wird mit einer Vergussmasse aus Epoxydharz, Stahlkügelchen und Zinkstaub vergossen. Das Polyäthylenrohr wird im Anschlussrohr dicht eingegossen (Bild 5.5‑12). • Im Grundkörper erfolgt die Verankerung ebenfalls mit Stauchköpfen. Das

Ankerplatte Anschlussrohr

Ankerhülse

HPDE-Hüllrohr

Schutzhaube

Paralleldrahtbündel

Verguss Mutter

Trompete

Korrosionsschutzmasse

Bild 5.5‑12   Konusverankerung HiAm (bewegliche Verankerung) [Technische Unterlagen Schrägkabel, 2002]

5.5  Schrägkabelbrücken

441

Ankerplatte Anschlussrohr Grundkörper

Teleskoprohr

Schutzhaube

HPDE-Hüllrohr

Drahtführung

Zughülse Mutter

Trompete

Korrosionsschutzmasse

Bild 5.5‑13  Grundkörperverankerung DINA (bewegliche Verankerung) [Technische Unter­la­gen Schrägkabel, 2002]

Vergießen der Bohrungen im Grundkörper mit Epoxydharz verhindert den Zutritt von Sauerstoff und Feuchtigkeit und verhindert Reibkorrosion. Die Drähte werden im Teleskoprohr zu einem dichten Bündel zusammengefasst, die Hohlräume mit einer Korrosionsschutzmasse ausgepresst und das Teleskoprohr im Anschlussrohr dicht eingegossen (Bild 5.5‑13). Paralleldrahtkabel werden einschließlich der Verankerung vorkonfektioniert geliefert, vor Ort eingezogen und verspannt. Am Ende der Verankerungstrompete wird das Paralleldrahtkabel in einem Neoprene-Ring gelagert und der Übergang Trompete-Kabel mit einem Neoprene-Konus abgedichtet. Die Verankerungskonstruktion wird mit einer Schutzhaube abgedeckt, welche ebenfalls ausinjiziert wird. In der Tabelle 5.5‑21 sind mögliche Kombinationen von Korrosionsschutzmassnahmen für Paralleldrahtkabel zusammengestellt. Werden blanke Drähte verwendet, müssen sie mit einem Korrosionsschutzmittel behandelt werden (z. B. Fett oder Wachs). Dieser temporäre Korrosionsschutz ist ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen in

der Bauphase jedoch problematisch, da bis zur Ausinjektion des Hüllrohrs mehrere Monate, sogar ein bis zwei Jahre vergehen können. Für Schrägkabel werden in der Regel dickwandige HDPE-Rohre verwendet. Die Rohrwanddicke richtet sich dabei nach der Handhabung der Kabel während Fabrika­ tion, Aufwicklung und Montage und nach dem Druck der Korrosionsschutzmasse bei den Verpressarbeiten. Es ist zu beachten, dass Stahlhüllrohre nur bei nicht werkgefertigten Kabeln verwendet werden können. Aufgrund ihrer Länge müssen Stahlhüllrohre verschweißt werden, wobei Schweißnähte generell Schwachstellen sind und bei nicht fachgerechter Ausführung (überstehende Brauen im Hüllrohrinnern) zur Beschädigung der Drähte führen können. Stahlhüllrohre werden deshalb kaum mehr verwendet. 5.5.5.4.3  Korrosionsschutz der Parallellitzenkabel Parallellitzenkabel bestehen aus einzelnen Seillitzen, welche nacheinander in ein Hüllrohr eingezogen werden. Die Seillitzen haben einen Durchmesser von 0,6˝, nach

442

5  Haupttragwerke der Überbauten

Tabelle 5.5‑21  Kombinationen von Korrosionsschutzmassnahmen Komponenten

Kombinationsmöglichkeiten I

II

III

X

X

Drähte    blank    verzinkt

X

Korrosionsschutzmasse    dauerplastisch

X

X

   Zementinjektion

X

Hüllrohr    HDPE-Rohr

X

X

X

   Stahlrohre

(X)

(X)

(X)

ASTM 15.2 mm (Nominalquerschnitt­ 140 mm2, primär in USA und Asien verwendet) bzw. nach Euronorm 15.7 mm (Nominalquer­schnitt 150 mm2, primär in Europa verwendet). Eine Litze besteht aus 7 gewachsten oder gefetteten Einzeldrähten mit Durch­messern von 5.1 – 5.2 mm pro Draht, wobei die 6 äußeren Drähte um den etwas dickeren Zentrumsdraht gewickelt werden. Die Lücken zwischen den Drähten werden mit Wachs (z. B. System Mono­ strand minimal 120g/m [Technische Unterlagen: Stay Cab­les, 2001]) oder Fett verfüllt. Anschließend wird die Litze mit einer eng-extrudierten HDPE-Ummantelung (im Tauchverfahren aufgebracht und durch Schrumpfen beim Abkühlen unverschieblich mit den Stahldrähten verbunden) umhüllt. Die eng-extrudierte HDPE-Um­ mantelung garantiert, dass der Stahl auch unter voller Dehnung immer vor äußeren Einflüssen geschützt ist. Diese Seillitzen werden werkseitig unter hoher Qualitätsanforderung als Endloslitzen gefertigt und auf Bobinen aufgewickelt zur Baustelle geliefert. Bauseitig werden die Seillitzen auf das erforderliche Maß ab­gelängt und zur

Montage vorbereitet (u. a. Entfernen der HDPE-Ummantelung im Verankerungs­ bereich). Die Litzen werden anschließend einzeln nacheinander in ein HDPE-Schutzrohr eingezogen und angespannt. Die ­Seillitzen verbleiben in der Regel lose in der Ummantelung, so dass jederzeit einzelne Litzen ersetzt werden können. Die Verankerung der Parallellitzenbündel erfolgt an einem Kabelende fest und am anderen nachstellbar, wobei die einzelnen Litzen bei beiden Verankerungstypen mit Keilen fixiert werden (Bild 5.5‑14). Das Spannen der Kabel kann beidseitig erfolgen. Wesentlichstes Element des bauseitigen Korrosionsschutzes bei der Montage ist das Ausinjizieren der Hohlräume um die Litzen im Auffächerungsbereich der Verankerungskonstruktion mit einer Korrosionsschutzmasse, welche das Eindringen von Feuchtigkeit langfristig verhindert [Technische Unterlagen: Schrägkabel, 2002], [Technische Unterlagen: Stay Cables, 2002], [Technische Unterlagen: Prestressing Systems, 2002]. Die Korrosionsschutzmasse darf nicht durch Wasser, Hitze oder Vibrationen verdrängt oder ausgepresst werden.

5.5  Schrägkabelbrücken

443

Ankerplatte

Litzen

Anschlussrohr

Ankerkopf mit Keilverankerung

Neoprene-Konus HPDE-Hüllrohr

Schutzhaube

Ankerhülse

Dämpfungsring

Mutter

Spannungsring

Korrosionsschutzmasse

Bild 5.5‑14   Verankerungssystem (nachspannbar)

Am Ende der Verankerungstrompete wird das Parallellitzenkabel in einem Dämpfungsring gelagert und der Übergang Trompete-Kabel mit einem Neoprene- Konus abgedichtet. Die Verankerungskonstruktion wird mit einer Schutzhaube abgedeckt, welche ausinjiziert wird. 5.5.6  Ergänzungen zu Verbundund Mischkonstruktionen

Ulrike Kuhlmann und Annette Detzel 5.5.6.1  Kriterien zur Baustoffwahl des Streckträgers Schrägkabelbrücken stellen eines der zukunftsträchtigsten Brückensysteme dar, ­deren Entwicklungsmöglichkeiten bei weitem noch nicht ausgeschöpft sind, da sie entscheidende wirtschaftliche Vorteile mit vielfältigen ästhetischen Gestaltungsmöglichkeiten verbinden. Wirtschaftlich günstig wirkt sich gerade im Vergleich zu Bogenbrücken bzw. zum anderen seilüberspannten System der Hängebrücken aus, dass durch den, ausgehend von den Pylonen, sukzessiven Freivorbau das statische

Trompete

Endsystem sich aus den Systemen des Bauzustands entwickelt. Durch das Vorspannen der Seile lässt sich gezielt ein günstiger Momentenverlauf im Streckträger einstellen. Grundsätzlich gilt das für alle Schrägkabelbrücken, unabhängig von der Ausbildung des Streckträgers. Die Gestaltung von Schrägkabelbrücken in Verbundbauweise unterscheidet sich also prinzipiell nicht von der von reinen Stahl- oder Betonsystemen. Die Gestalt der Pylone, die Anzahl der Kabelebenen und die Anordnung der Kabel werden nach den gleichen Kriterien entworfen und führen zu den vielfältigsten Varianten. Die unterschiedliche Ausbildung der Fahrbahnebene richtet sich neben historischen und regionalen Bevorzugungen – so wurde in Europa, Nordamerika, Japan und Australien vorwiegend in Stahl gebaut, in Südamerika und China dagegen überwiegend mit dem Baustoff Beton – hauptsächlich nach wirtschaftlichen Aspekten. Bedingt durch das Tragsystem der Schrägkabelbrücke erhält ein Streckträger aus Beton die für seine Wirkungsweise so günstige Druckvorspannung ohne teure Spannglieder mitgeliefert. Gegenüber dem Werkstoff Stahl hat ein Betonträger jedoch den Nachteil der höheren Eigenlast. Reine

444

5  Haupttragwerke der Überbauten

8000

7000

Kosten

Betonfahrbahn Orthotrope Platte Verbundfahrbahn Hybrid Beton/Stahl Hybrid Beton/Verbund 4000

3000

2000 200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Hauptspannweite [m]

Bild 5.5-15   Kostenvergleich für verschiedene Streckträgermaterialien (Quelle  Leonhardt, Andrä und Partner)

Stahlkonstruktionen führen dagegen wegen des geringeren Gewichts zwar zu einer Reduktion der erforderlichen Kabelquerschnitte, aber erst bei sehr großen Spannweiten wiegt dieser Vorteil die hohen Fer­ tigungskosten der orthotropen Fahrbahn auf, vgl. die Zusammenstellung der Herstellkosten von Schrägkabelbrücken in Abhängigkeit von der Spannweite und des Streckträgermaterials in Bild 5.5-15. Logische Konsequenz hieraus ist die Einführung der Verbundbauweise für den Streckträger von Schrägkabelbrücken. Die Materialien Beton und Stahl werden ihren Eigenschaften entsprechend vorwiegend auf Druck bzw. Zug belastet. Auch die Montage gestaltet sich einfacher. Die Stahlträger können in großen, relativ leichten, vorgefertigten Einheiten auf die Baustelle transportiert und montiert werden und dienen dann als Schalungsträger für die Herstellung der Betonplatte. Im Einzelnen können die folgenden Vorteile der Verbundbauweise für Schrägkabelbrücken formuliert werden:

• Die Normalkräfte aus dem Hauptsystem erzeugen eine Druckvorspannung in der Betonfahrbahn. Die Zugspannungen, die aus der Plattenbiegung in­ folge örtlicher Lasteinleitung in der ­Betonplatte auftreten werden durch die Vorspannung zum großen Teil überdrückt. • Die Stahlträger sind leicht und schnell montierbar und dienen als Gerüst für die Schalung der Betonfahrbahn. • Bei Herstellung der Ortbetonplatte in direktem Nachlauf zur Stahlkonstruk­ tion entsteht ein Eigengewichtsverbund, der zu Materialeinsparungen führt. • Die Eigenlast der Verbundkonstruktion ist geringer als die einer reinen Betonkonstruktion, so dass geringere Kräfte in den Kabeln, Pylonen und Fundamenten entstehen. Gegenüber der reinen Stahlkonstruktion ist die Verbundkonstruk­ tion zwar schwerer. Die guten Dämpfungseigenschaften wiegen diesen Nachteil jedoch wieder auf.

5.5  Schrägkabelbrücken

445

Bild 5.5-16   Normandiebrücke – Ansicht

a

b Bild 5.5-17   a) Spannbetonquerschnitt, b) Stahlquerschnitt

Ebenfalls als günstig erweisen sich, siehe auch Bild 5.5-15, sogenannte hybride Konstruktionen oder Mischkonstruktionen: die Streckträger werden in Feldmitte als Stahl- oder Verbundträger hergestellt, so dass die ohnehin am stärksten be­ anspruchten Seile mit geringer Neigung weniger Eigenlast aus dem Streckträger

a­ bzutragen haben. In Pylonnähe, wo die Drucknormalkräfte im Streckträger am größten sind, wird Beton ein­gesetzt. Aufgrund der kleineren Kabellängen und der größeren Neigung der Kabel können die höheren Lasten aus dem Betongewicht wirtschaftlich abgetragen werden, siehe auch [Engelsmann et al., 1993]. Außerdem

446

erhalten in den Seitenfeldern die Rück­ verankerungen der Kabel höhere Auf­ lasten, so dass an den Lagerpunkten eher auf eine Zugverankerung verzichtet werden kann. Ein bekanntes Beispiel für eine solche Mischkonstruktion ist die Normandiebrücke über die Seine bei Le Havre (Bild 5.5-16). Mit ­einer Hauptspannweite von 856 m war sie die erste Schrägkabelbrücke, die in den ­Bereich der sehr großen Spannweiten ­vordrang, der bisher nur durch Hängeseilbrücken realisiert wurden. Im mittleren Teil ist der Streckträger auf 624 m ein Stahlkastenquerschnitt, während der Querschnitt in den Seitenfeldern und jeweils 116 m über die Pylone ins Hauptfeld auskragend in Spannbetonweise ausgeführt ist, siehe Bild 5.5-17. Bemessungs­ relevant ­waren hier die hohen Windlasten, die nicht nur zur Ausbildung eines ­windschlüpfrigen Kastenquerschnitts mit beidseitigen Abspannungen zu den sehr steifen Y-förmigen Pylonen führten, sondern auch die Einspannung der Betonfahrbahn in die Pylone nutzten [Virlogeux, 1990].

5  Haupttragwerke der Überbauten

5.5.6.2  Querschnittsgestaltung und Ausbildung der Verbundfuge Die wahrscheinlich erste Schrägkabelbrücke, die nach dem Konzept der Verbundbauweise gebaut wurde, ist die Hooghly River-Brücke in Kalkutta, Indien [Schlaich/Bergermann, 1996]. Da recht schlechte Gründungsverhältnisse vorlagen, wurde für die Hauptträger eine relative leichte Verbundkonstruk­ tion gewählt. Forderung des Bauherrn war es, indische Materialien und Fertigungstechniken zu benutzen. Konstruktionen und Montage richteten sich daher im wesentlichen nach den Möglichkeiten des ortsansässigen Stahlbaus. Das Know-how für Schweißverbindungen auf der Baustelle bzw. für die Anwendung hochfester Schrauben in vorgespannten Verbindungen lag nicht vor. So wurden alle Stahlstöße als genietete Verbindungen ausgeführt. Da Arbeitskräfte vor Ort zur Verfügung standen, wurde die Betonfahrbahn nicht mit Hilfe von Fertigteilen oder fertigen Schalelementen, sondern mit vor Ort gezimmerter Schalung hergestellt. Als Verbundmittel wurden auf die Obergurte der Längs- und Querträger Blockdübel mit Schlaufen geschweißt. Bild 5.5-18 zeigt den Querschnitt der Hooghly River-Brücke.

Bild 5.5-18   Hooghly River-Brücke in Kalkutta, Querschnitt (nach [Schlaich/Bergermann, 1996])

5.5  Schrägkabelbrücken

447

Ansicht

Längsschnitt in Brückenachse

Ansicht A – A

Bild 5.5-19   Sunshine-Skyway-Brücke, Ansicht

Bild 5.5-20   Sunshine-Skyway-Brücke, Querschnitt

Ähnlich wie bei der Hooghly-Brücke in Kalkutta handelt es sich auch bei dem zweiten Beispiel, der Sunshine-Skyway-Brücke in Florida, [Saul et al., 1984] um einen offenen Streckträgerquerschnitt, bei dem die beiden Seilebenen an die außenliegen­ den Hauptträger geführt werden. Die Bilder 5.5-19 und 5.5-20 zeigen Ansicht und Querschnitt der Brücke. Die außen liegenden asymmetrischen Hauptträger haben in Richtung der Kabelebene geneigte Stege, an denen die Schrägkabel verankert sind. Die Betonfahrbahnplatte spannt in Brückenlängsrichtung zwischen den Querträgern. Sie wurde im Unterschied zur HooghlyBrücke aus Fertigteilen hergestellt, die durch Ortbetonfugen miteinander verbunden sind. Die Längsfugen, in denen sich aus der Querträgerwirkung Druck ergibt, lau-

fen über die Brückenlänge durch. Die Querfugen, in denen nahe der Brückenmitte auch Zug entstehen kann, sind gegeneinander versetzt. Als Verbundmittel wurden auf den Querträgern in den Dübelaussparungen Kopfbolzendübel angeordnet, die dann mit Ortbeton vergossen wurden. Die Fugen waren ausreichend breit, dass die Bewehrung durch Übergreifung gestoßen werden konnte, die Plattenränder waren profiliert, um die Schubverzahnung zu verbessern. Die Zwillings-Verbundschrägkabelbrücke über den Houston Ship Channel bei Baytown, Texas [5.46] ähnelt der oben beschriebenen Sunshine-Skyway-Brücke. Wegen der großen Breite der Fahrbahn wurden jedoch zwei unabhängige Überbauten mit jeweils 24 m Breite ausgebildet,

448

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.5-21   Brücke über den Houston Ship Channel, Querschnitt

mit auf Streckträgerhöhe gekoppelten Pylonen (siehe Bild 5.5-21). Auch hier haben die Hauptträger geneigte Stege und liegen am Rand der Brückenfahrbahn um ein direktes Verankern der Kabel zu ermöglichen. Der ursprüngliche Entwurf sah vor, zur Erzielung eines Eigengewichtsverbundes die Betonfahrbahn vor der Verbundrostmontage an Land zu betonieren. Um die hohen Hebegewichte zu vermeiden, wurden bei der Ausführung jedoch stattdessen ebenfalls Fertigteilplatten mit Ortbetonfugen angeordnet. Die Querfugen lagen jeweils über den Obergurten der Querträger, so dass die

Gurte gleichzeitig auch als „Schalbleche“ dienten. Die Beispiele zeigen, dass die Querschnittsgestaltung des Streckträgers durchaus durch das Haupttragsystem der Schrägkabelbrücke mitbestimmt wird. • Die Hauptlängsträger liegen sowohl bei Kastenträgern als auch bei offenen Plattenbalken bevorzugt außen, um die Kabel direkt verankern zu können. • Die Betonfahrbahn spannt in Längsrichtung zwischen den Querträgern. Die Längsdruckkräfte aus der Haupttrag­

5.5  Schrägkabelbrücken

wirkung überdrücken weitgehend die Längszugspannungen aus örtlicher ­Last­einleitung. • Um eine Umlagerung der Längsdruckkräfte aus der Betonfahrbahn in den Stahl gering zu halten, werden häufig Betonfertigteile eingebaut. Die Fugen zwischen den Fertigteilen werden zur Risseverteilung mit überlappender Bewehrung versehen. • Offene Querschnitte werden häufig mit A-Pylonen kombiniert. Die außen am Balken verankerten Kabel laufen an der Pylonspitze zusammen und bilden so ein steifes, räumliches Fachwerk, das den torsionsweichen Balken stabilisiert. 5.5.6.3  Sonderlösung Doppelverbund­ querschnitt Der Querschnitt der Kap-Shui-Mun-Brücke in Hong-Kong [Saul/Hopf, 1997a], [Saul/Hopf, 1997b] wurde durch die Anforderung bestimmt, dass der Verkehr in zwei Ebenen anzuordnen war, einer oberen Ebene für die Autobahn mit zwei Richtungsfahrbahnen mit je drei Fahrspuren und

Bild 5.5-22   Kap-Shui-Mun-Brücke, Querschnitt

449

e­ iner Standspur und einer zweiten unteren Ebene für eine zweigleisige S-Bahn und zwei Notspuren. Da sowohl der Obergurt als auch der Untergurt des Kastens als Fahrbahnplatte wirkt, wurde eine Doppelverbundkonstruktion ausgeführt. Bemerkenswert ist, dass es sich bei der zweistöckigen Straßen- und S-Bahnbrücke darüber hinaus nicht nur im Querschnitt, sondern auch in Brückenlängsrichtung um eine Mischkonstruktion handelt. Der dreizellige Kastenquerschnitt besteht nur im mittleren Bereich der Hauptöffnung mit einer Länge von 387 m aus einem Verbundüberbau. Die Seitenfelder und Randbereiche der Mittelöffnung sind aus vorgespanntem Stahl­beton ausgeführt. Die beiden Kabelebenen greifen links und rechts der äußeren Kästen an und sind in einem H-förmigen Pylon fächerförmig verankert. Die Queraussteifung der Kästen erfolgt über die als VierendeelTräger ausgebildeten Querrahmen, da der Schienen- und Straßenverkehr im Inneren des Kastens keine Diagonalaussteifung zulässt (Bild 5.5-22). Längsverbände in der Ebene der inneren Pfosten verteilen die konzentrierten Verkehrslasten auf mehrere Querrahmen. Um die Diagonalen von Be-

450

anspruchungen aus dem Haupttragwerk möglichst freizuhalten, wurden sie erst nach Aufbringen aller ständigen Lasten verschraubt. Die Verbindung zwischen Spannbetonüberbau und Verbundüberbau erfolgt über ein Übergangselement, das während der Montage auch als Vorbauschnabel des mit Taktschieben erstellten Spannbetonüberbaus diente. Die in Längsrichtung vorgespannten Stahlbetonverbundplatten haben im Bereich der S-Bahn große Öffnungen (siehe Querschnitt in Bild 5.5-22), um auch im Falle eines Feuers einen guten Luftabzug zu gewährleisten. Die beschriebenen Beispiele zeigen, dass Verbund-Schrägkabelbrücken nach einem Zusammenspiel von Kriterien der Wirtschaftlichkeit, der Montierbarkeit und Herstellung und der Funktionsanforderungen entworfen werden. Die konsequente Verfolgung dieser Grundsätze führt häufig dann auch zu Brückensystemen, die darüber hinaus durch ihren ästhetischen Ausdruck faszinieren. Für vertiefende Fragen zu Schrägkabelbrücken wird folgende weiterführende Literatur besonders empfohlen: [Andrä/Saul, 1974], [Bacchetta/Rüst, 1985], [Birkenmaier/Narayanan, 1982], [Graf/Bremer, 1941], [Klingenberg/Plum, 1955], [Köppel/Bacchetta, 1984], [Koger, 1983], [Leonhardt et  al., 1979], [Leonhardt et al., 1980], [Maschwitz et al., 1985], [Menn, 1987], [Modemann/Thönnissen, 1979], [Roberts, 1966], [Rose­meiner, 1986], [Schambeck/Kroppen, 1982], [Schlaich/ Bergermann, 1984], [Stein, 1986], [Tang, 1972], [Thul, 1972], [Tschemmernegg/Obholzer, 1981], [Völkel et al., 1977] und [Weitz, 1983].

5  Haupttragwerke der Überbauten

5.6  Hängebrücken Günter Ramberger und Francesco Aigner Für sehr große Stützweiten, heute bis 2000 m, werden Hängebrücken verwendet. Die Hängebrücke mit der größten Mittelspannweite ist derzeit (2009) die Akashi Kaiyko Brücke zwischen Kobe und den AwachiInseln in Japan (Bild 1.4-37) mit einer Gesamtlänge von 3911 m und einer mittleren Öffnung von 1991 m, deren Pylone rund 300 m hoch sind. Für große Stützweiten werden erdverankerte Hängebrücken verwendet. Diese bestehen (in der Reihenfolge der Herstellung) aus den Ankerblöcken, den Pylonen, den Tragkabeln, den Hängern und dem Brückenbalken (siehe Bild 5.6-1). Im oberen Bild sind die Ankerblöcke, Pylone und Tragkabel dargestellt, im mittleren Bild ist die Montage der Hänger und des Versteifungsträgers dargestellt und im unteren Bild wird der Endzustand gezeigt. Unechte oder in sich verankerte Hängebrücken werden heute kaum mehr gebaut, da zunächst der Brückenbalken fertiggestellt werden muss, bevor die Kabelüberspannung angeordnet werden kann und deswegen der Brückenbalken nur für die Montage zusätzliche Unterstützungen im Feld benötigt, die üblicherweise ein Verkehrshindernis für den Bereich unter der Brücke darstellen. Die unechte Hänge­ brücke wird heute durch die Schrägkabelbrücke ersetzt, die ebenfalls bezüglich ­Horizontalkraft in sich verankert ist, die jedoch die Montage ohne zusätzliche­ untere Stützen gestattet. Tragelemente der Hängebrücke sind die Tragkabel. Ein Tragkabel wird entweder aus parallel liegenden, hochfesten Drähten an Ort und Stelle, im so genannten Luftspinnverfahren („spinnen“ = Verdrehen ist ­eigentlich der falsche Ausdruck, da die ­einzelnen Drähte parallel gelegt werden)

5.6  Hängebrücken

Bild 5.6-1   Bau der Akashi Kaikyo Brücke

451

452

hergestellt. Dazu wird zunächst ein Kabelhilfssteg (Catwalk) montiert, auf dem die Drahtbündel verlegt werden (siehe Bild 5.6-2). Den Vorgang des Luftspinnens hat Roebling erstmals bei der Brooklyn-Bridge in New York 1883 angewandt. Das obere Bild zeigt die schematische Darstellung des Kabelspinnens. Unten links ist die Kabelverankerung, unten mitte der Ankersattel an der Kabelverankerung und unten rechts der Hilfssteg (Catwalk) dargestellt. Anstelle luftgesponnener Paralleldrahtbündel können auch vorgefertigte Litzenbündel (siehe Bild 5.6-3) oder bei kleine­ ren Schrägseilbrücken auch vorgefertigte vollverschlossene Seile verwendet werden. Auch bei vorgefertigten Zugelementen ist ein Kabelhilfssteg erforderlich. Auf den

5  Haupttragwerke der Überbauten

Pylonenspitzen werden die Tragkabel umgelenkt. Der Umlenkradius richtet sich nach der Art und dem Durchmesser der verwendeten Elemente für das Kabel. An den beiden, jeweils an den Brückenenden angeordneten Ankerblöcken werden die Kabel verankert, wobei bei luftgesponnen Kabeln mehrere Drähte um einen Anker geführt werden, der rückverspannt ist und bei vorgefertigten Litzen und Seilen die Endstücke in einer käfigartigen Stahlkon­ struktion verankert werden. Das Gewicht des Ankerblocks muss so hoch sein, dass sowohl die Horizontal- als auch die Ver­ tikalkomponenten der Kabelkräfte aufgenommen werden können (Bild 5.6-4). Die Höhe der Pylone richtet sich nach dem Stich der Tragkabel, der mit L/12 bis L/8

Bild 5.6-2   Luftspinnen beim Bau der Hängebrücke über den Firth of Forth [Kollmeier, 1964]

5.6  Hängebrücken

453

Bild 5.6-3   Akashi Kaikyo Brücke, Tragkabel bestehend aus Litzenbündeln

Bild 5.6-4   Resultierende Kräfte im Ankerblock

(L = Stützweite des Mittelfeldes) fest­gelegt wird. Die Pylone sind meist zwei­stielige biege­steife Rahmen mit Kastenquerschnitten mit einem oberen Riegel und einem Riegel zur Auflagerung des Brückenbalkens (Bild 5.6-5). Sie können in das Fundament eingespannt oder auf dem Fundament gelenkig gelagert werden. Für die Montage müssen sie zumindest in Längsrich­tung (provisorisch) eingespannt werden. Im Allgemeinen werden zwei Tragkabel und somit zwei Tragebenen verwendet. Es gibt auch Monokabel-Hängebrücken, bei denen das Kabel in der Mitte jedoch nur bis zum Lichtraumprofil reichen darf. Die Pylone von Monokabel-Brücken erhalten überlicherweise A-Form [Leonhardt, 1982].

Die Kabelsattellager werden direkt über den Stielen angeordnet. Heute werden meist geschweißte Kabelsattellager verwendet, die über den ungünstigsten Ablösepunkt des Kabels reichen müssen, um ein Abknicken des Kabels zu vermeiden. Nach dem Ende der Montage werden die Querschnitte der Tragkabel in Rundform gepresst und mit Weicheisendraht Lage für Lage dicht an dicht umwickelt (gebändselt). Da die Tragkabel nicht ausgetauscht werden können, ist der Korrosionsschutz der aus kerbempfindlichen (Rostkerben) Drähten mit geringem Volumen und großer Oberfläche zusammengesetzten Kabel von entscheidender Bedeutung. Üblicherweise werden alle verwendeten Drähte feuerver-

454

5  Haupttragwerke der Überbauten

Durchlaufträgern entstehen an den Pylonenpfeilern relativ hohe negative Biege­ momente. Die Versteifungsträger in den Seiten­öffnungen können bei kurzen ­Zwischenstützweiten ohne Zwischen­ auflager, bei großen Stützweiten an das Tragkabel aufgehängt oder mit Stützen­ von unten ausgebildet werden. Die Hän­ ger können entweder lotrecht oder fachwerkartig schräg auf und ab angeordnet werden. Schräge Hänger vergrößern etwas die Systemsteifigkeit. Die Hänger führen von zweiteiligen Schellen, die auf die Tragkabel aufgeklemmt werden, zu den Anschlussvorrichtungen am Balken. Hänger werden aus vollverschlossenen Seilen oder aus Litzenbündeln gefertigt. Ein Austausch der Hänger ist relativ einfach zu bewerkstelligen und sollte bei der Bemessung­ als planmäßiger Lastfall berücksichtigt werden. Bild 5.6-5   Pylonenformen [Weitz, 1975] Ein Problem, das gerade bei Hängebrücken großer Stützweite beachtet werden muss, ist die aerodynamische Stabilität des zinkt. Die Umwicklung erhält einen mehr- Bauwerks. Der anströmende Wind kann schichtigen Beschichtungsaufbau, auf des- Hängebrücken zu gekoppelten Biege-Tor­ sen Erhaltung unbedingt Augenmerk gelegt sionsschwingungen, sogenannten Flatterwerden muss. Bei modernen Hängebrü- schwingungen, anregen. Ein weltbekanntes cken wird der Korrosionsschutz durch be- Beispiel ist die Tacoma-Bridge, die 1940 sondere Maßnahmen wie z. B. Umhüllen ­infolge durch Wind angeregte Flattermit Folie und Einpressen getrockneter­ schwingungen einstürzte. Heute ist es mögLuft erreicht. lich, sowohl experimentell im Windkanal Der Versteifungsträger dient dazu, die als auch rechnerisch nachzuweisen, dass auf der Fahrbahn wirkenden Lasten auf die Bauwerke bis zu den am Ort des Bauwerks Hängeseile zu verteilen. Er wird auf Bie- in der Natur anzutreffenden Windgegung beansprucht. Versteifungsträger wer- schwindigkeiten aerodynamisch stabil sind. den als Vollwand- oder als Fachwerkträger Vollwandträger werden heute im Allgemeihergestellt (Bild 5.6-6). nen mit windschnittigen Querschnitten Der Verkehr auf Fachwerkträgern kann ausgeführt (siehe Bild 5.6-6). Eventuell auch auf zwei Ebenen geführt werden können auch aktive Maßnahmen wie z. B. z. B. Untergurtebene: Eisenbahnverkehr, die Verstellbarkeit der Neigung des RandObergurtebene: Straßenverkehr. Der Ver- bereichs die Gefahr der Flatterschwin­ steifungsträger kann über die Pylonenpfei- gungen bannen. Eine weitere Maßnahme ler biegesteif durchgeführt oder an den zur Erhöhung der aerodynamischen StabiPylonenpfeilern unterbrochen und ge­ lität ist die Teilung des Balkens in mehrere lenkig aufgelagert werden (Bild 5.6-7). Bei Streifen mit längslaufenden Zwischenräu-

5.6  Hängebrücken

750 750

34300/2=17150 38700/2=19350 15000 2%

700 1700 1200 1765 906

34300/2=17150 38700/2=19350 15000 2%

3000

1200 1700 700

455

4500

27300/2=13650

27300/2=13650

4500

Bild 5.6-6   Fachwerk-Kastenquerschnitt [Wiechert, 1984] und Vollwandquerschnitt [Li et al, 2001]

Bild 5.6-7   Unterschiedliche Systeme der Versteifungsträger [Stahlbau, 1985]

456

5  Haupttragwerke der Überbauten

Bild 5.6-8   Querschnitt, vorgeschlagen für die Messina Brücke [Gimsing, 1998]

men, durch die der Wind durchströmen kann (Bild 5.6-8). Dabei muss beachtet werden, dass auch die statischen Windkräfte in horizontaler Richtung vom Balken aufgenommen werden müssen und dieser daher auch eine entsprechende Biegesteifigkeit um die vertikale Achse benötigt. Bei Zerlegung des Balkens in Streifen und Zwischenräume sollten die Streifen so schubfest verbunden werden, dass sie statisch in einem Querschnitt zusammenwirken. Die Bemessung der Tragkabel wird im Allgemeinen aus wirtschaftlichen Gründen nach Theorie II. Ordnung durchgeführt, da die Kabelkräfte bei Vergrößerung des Stichs verringert werden. Die Bemessung der Pylone muss aus Gründen der Tragsicherheit nach Theorie II. Ordnung (mit Berücksichtigung von Imperfektionen) erfolgen.

5.7  Spannbandbrücken Jürgen Stritzke 5.7.1  Einleitung Seit Ulrich Finsterwalder den ersten ausführungsreifen Entwurf einer Spannbandbrücke vorlegte, sind eine Reihe derartiger Brücken gebaut worden. Der Begriff Spannbandbrücke kennzeichnet ein Tragsystem, bei dem von Widerlager zu Widerlager

durchgehende, mehr oder weniger durchhängende Spannglieder in einem im Verhältnis zur Spannweite relativ dünnen Betonband eingebettet sind. Dieses Spannband bildet die Fahrbahn oder wird bei größerem Durchhang mit einer aufgeständerten Fahrbahn ausgebildet. Die Vorteile dieses Tragsystems sind vor allem in der vorwiegenden Längskraftbeanspruchung, der einfachen Herstellung ohne Lehrgerüst und dem geringen Betonverbrauch zu sehen. In dem Bestreben, breite Hindernisse mit Brücken großer Stützweite wirtschaftlich zu überwinden, entstand 1958 der erste ausführungsreife Entwurf einer dreifeldrigen Spannbandbrücke mit maximaler Stützweite von 408 m zur Überbrückung des Bosporus [Nehse, 1973]. Finsterwalder konzipierte diesen Brückentyp, bei dem ein extrem flach gespanntes Betonband von Straßenfahrzeugen direkt befahren werden kann. Die Zeit war damals für die Verwirklichung dieses kühnen Projektes jedoch noch nicht reif. Der Grundgedanke ist Jahrtausende alt, nur waren seinerzeit derartige Hängekonstruktionen aus Holz (z. B. Holzsteg über den Yarkhunfluss in Chitral zwischen Himalaja und Pamir). Erstmals kam ein Spannband beim Bau der 216 m langen Transportbandbrücke der Zementfabrik Holderbank-Wildeeg [Walther, 1969] zur Anwendung. Für den öffentlichen Verkehr wurde das Prinzip des Spannbands bei der Fußgängerbrücke Bir-

5.7  Spannbandbrücken

457

Bild 5.7-1   Längsschnitt der Spannbandbrücke über die Sázava bei Hvězdonice

cherweid [Scartazzini, 1969] über die Na­ tionalstraße N 3 bei Pfäffikon (CH) verwirklicht. Eine 8,5 m breite Spannbandbrücke mit aufgeständerter Fahrbahn wurde 1973 über das 100 m tiefe Tal des Rio Colorado [Lin/Kulka, 1973] gebaut. Zu erwähnen sind vor allem einige interessante Fußgängerbrücken in der Tschechischen Republik. So wurde 1977 bei Hvězdonice die zweifeldrige Spannbandbrücke über die Sázava [Kobca/Brejcha, 1978] mit einer maximalen Spannweite von 78 m gebaut (Bild 5.7-1). Das 250 mm dicke Spannband wurde auf einer aufgehängten Schalung betoniert und nach­ träglich vorgespannt. Zwei weitere ein­ feldrige Spannbandbrücken überspannen die Svratka in Brünn-Bystrc und BrünnKomin [Stráský, 1981] mit rd. 63 m bzw.

rd. 78 m Spannbandlänge. Ein dreifeld­ riges Spannband überbrückt mit 85,5 m : 96 m : 76 m die Moldau in Prag-Troja (Bild 5.7-2). Heute existiert eine ganze Reihe von ausgeführten Spannbandbrücken (Tabelle 5.7-1). 5.7.2  Tragwirkung Im Gegensatz zu Hängebrücken sind hier die Tragseile, die Versteifungsträger und die Fahrbahn in einem Element, dem Spannband, zusammengefasst. Das Spannband besteht aus einem relativ dünnen Betonquerschnitt mit von Widerlager zu Widerlager durchgehenden Spanngliedern. Das Tragsystem stellt ein flach gespanntes Seil dar. Der Durchhang, der die Brückengradiente bestimmt, wird von der maximal zu-

Bild 5.7-2    Spannbandbrücke über die Moldau in Prag-Troja

1

CH

CH

J

D

CH

GB

CR

CZ

CZ

CZ

CZ

D

CZ

CZ

CZ

CZ

CZ

CZ

Transportbr. Holderbank

Bircherweid

Osaka

Freiburg i. B.

Rhône Genf-Lignon

Peak Park

Rio Colorado

Hvezdonice

Brno-Bystrc

Prag-Troja

Brno-Komin

Pforzheim

Nymburk

Komeritz

Radonice

Prerov

Zatec

Velke Brezno

4

2

2

1

1

3

1

1

3

1

2

5

1

1

3

1

1

Zahl der Felder

Bezeichnung/Land

79,5–114–144–55,5

  36,5–75,5

  67,5–28,5

  63,0

  63,0

  46,5–102–70,5

  50

  72

  96

  57

  73

108

  34

136

  34,5

  19

  40

216

m

max. freie Band­länge L

Tabelle 5.7‑7  Auswahl ausgeführte Spannbandbrücken

3,00

3,80

3,80

3,80

2,70

8,50

1,80

3,10

4,40

5,40

2,80

3,16

0,18

0,30

0,30

0,30

0,25

0,16

0,40/ 0,08

0,25

0,10

0,18

300,86

420

300

870

450

400

Band­ Banddicke Bandradius breite bei Eigenlast und mittlerer Temperatur m m m

17900

13850

16000

18000

  7000

11600

kN

max. Zugkraft bzw. Vorspannung

  6,26

  7,6

  7,6

11,1

17,5

14

  2,8

19,5

%

max. Tangentenneigung

1983

1984

1983

1985

1991

1985

1984

1979

1977

1973

1971

1969/70

1968

1967

1963/64

Ausführung

458 5  Haupttragwerke der Überbauten

5.7  Spannbandbrücken

mutbaren Längsneigung der Fahrbahn begrenzt. Die nahezu ausschließlich auftretenden Zugkräfte werden von den Spanngliedern aufgenommen. Im Gegensatz zu den üblichen Überbaukonstruktionen hat der Beton hier keine primäre Tragfunktion. Er bildet die Fahrbahn sowie den Versteifungsträger, gewährleistet den Korrosionsschutz, erhöht die Dehnsteifigkeit des Sys­ tems und verringert damit unter wechselnden Lasten und Temperaturen die auftretenden Verformungen. Bei durchlaufenden Systemen werden die Innenstützen in Brückenlängsrichtung als Pendelstützen ausgebildet, damit auch bei feldweise unterschiedlicher Belastung keine Horizontalkräfte an den Innenstützen auftreten können. Wechselnde Verkehrslasten und Temperaturänderungen führen zu geometrischen und elastischen Längenänderungen des Spannbands. Zur Gewährleistung der daraus resultierenden Durchhangänderungen und der Abminderung einer damit verbundenen Biegebeanspruchung des Bands an den Widerlagern und über Zwischenstützen werden dort sogenannte Abrollstrecken angeordnet. Durch den Einbau von stählernen Abwälzlagern, Folien oder Elastomerlagern zwischen Spannband und Widerlagerschnabel sowie Umlenktisch wird ein Abheben des Spannbands auf der Abrollstrecke von den Unterbauten ermöglicht, wenn sich das Spannband verkürzt. Die Weiterentwicklung von Spannbandbrücken führte zur Aufständerung der Fahrbahn. Das tragende Spannband wird dann mit einem wesentlich größeren Durchhang ausgebildet als beim direkt befahrbaren Spannband. Die Aufständerung übernimmt lediglich die Funktion der Fahrbahn und kann daher außerordentlich leicht ausgebildet werden. Zur Übertragung der sehr großen Horizontalkräfte in den Baugrund müssen besondere konstruktive Maßnahmen getroffen werden. Steht Fels an, ermöglichen Felsanker eine zweckmäßige und wirtschaftliche Verankerung. Anderenfalls

459

ist die Verwendung entsprechend langer vorgespannter Verpressanker als Daueranker für die Einleitung der großen Zugkräfte wirtschaftlicher als die Ausbildung von Schwergewichtswiderlagern. Der Einfluss der hohen Aufwendungen für die Endverankerungen kann durch eine zunehmende Anzahl von Öffnungen gesenkt werden. 5.7.3  Bauverfahren Bild 5.7-3 zeigt verschiedene Querschnittsausbildungen. Bei der Brücke Bircherweid beträgt die Banddicke 120 bis 180 mm. Mit d/L = 180/40 000 = 1/222 ist diese Spannbandbrücke 10mal schlanker als eine vergleichbare Brücke herkömmlicher Bauart. Zu den Auflagern hin nimmt die Banddicke bis auf 360 mm zu. Die Spannbandbrücken in Brünn wurden ebenso wie die Brücke in Prag-Troja aus Einzelsegmenten montiert, die an den Spannkabeln aufgehängt und nachträglich zusammengespannt wurden. Normalerweise wird man kein Lehrgerüst zur Herstellung eines monolithischen Betonbands aufstellen, sondern die Schalung an die zuvor montierten Spannglieder anhängen. Beim Betoniervorgang ändert sich mit zunehmender Frischbetonlast der Durchhang des Bands und damit die Horizontalkraft. Das ist vor allem bei über mehrere Felder durchlaufenden Spannbandkonstruktionen zu beachten. Das gleiche gilt für Spannbandbrücken aus Fertigteilen. Die Widerlagerverschiebungen infolge der großen Bandzugkräfte sind wirklichkeitsnah zu erfassen, da der Durchhang des Spannbands dadurch stark beeinflusst wird. In der Regel lässt man in dem Betonband zunächst eine Lücke, bis die Eigenlast wirksam geworden ist und die daraus resultierenden Widerlagerverschiebungen abgeklungen sind. Danach kann der Durchhang des Spannbands durch Nachspannen oder Nachlassen korrigiert und anschließend die belassene Lücke geschlossen werden.

460

5  Haupttragwerke der Überbauten

a

b Bild 5.7-3   Querschnittsausbildung a) Spannbandbrücke Bircherweid; b) Fertigteilbrücken Brünn

5.7.4  Beanspruchungen Der Einfluss der Formänderungen derartig flachgespannter Seile, wie sie Spannbandbrücken darstellen, auf deren Schnitt­größen ist so groß, dass letztere stets nach Theorie II. Ordnung zu berechnen sind. Da Spannbandbrücken nicht ohne Biegesteifigkeit hergestellt werden können, treten neben größeren Längskräften auch Biegemomente in Längs- und Querrichtung auf. Die auftretenden Biegemomente der Längstragwirkung haben nur einen unwesentlichen Einfluss auf die Normalkräfte. Somit ist eine Lösung in zwei Stufen möglich. Die Normalkräfte werden am biegeweichen Seil ermittelt, und danach erfolgt die Berechnung der Biegemomente der Längstragwirkung. Die Momente infolge gleichmäßig verteilter Last sind in der Regel von untergeordneter Bedeutung, während die Biegemomente infolge Einzellasten und im Endbereich des Spannbands für die Bemessung von ausschlaggebender Bedeutung werden können. Durch die Vorspannung und die sich damit einstellende Spannbandverkürzung verringert sich auch der Durchhang des

Bands, zur Einhaltung des Gleichgewichts vergrößert sich entsprechend die Horizontalkraft H. Infolge Schwinden und Kriechen des Betons fällt die ursprünglich eingetragene Betondruckspannung wesentlich stärker ab als bei anderen vorgespannten Systemen. Meist sind die Spannbandbrücken so breit, dass auch in Querrichtung Biegemomente infolge in Längsrichtung gleichmäßig verteilter Belastungsstreifen und Einzellasten entstehen. Halbseitige Belastung der Spannbandbrücke hat unterschiedliche Durchhangänderungen der beiden Band­ ränder zur Folge. Der antimetrische Anteil der halbseitigen Last führt zu einer Verdrehung des Bands und damit sowohl zu einer Veränderung der Bandzugkräfte als auch zur Entstehung von Torsionsmomenten. Der an beiden Spannbandrändern unterschiedliche Horizontalzug erzeugt in den Umlenktischen mehrfeldriger Systeme Momente um die senkrechten Achsen, die bei steifen Unterbauten eine erhebliche Torsionsbeanspruchung bewirken. Bei torsionsweichen Stützen verdrehen sich die Umlenktische infolge halbseitiger Verkehrslast eines Felds und führen zu Durchhangänderungen der Nachbarfelder in gegenläufigem

5.7  Spannbandbrücken

461

Sinne. Angaben zur Berechnung von Spannbandbrücken findet man in [Eibl et al. -1, 1973]. Untersuchungen zum Schwingungsverhalten und zur aerodynamischen Stabilität von Spannbandbrücken sind auf jeden Fall durchzuführen, da es sich hier um außerordentlich schlanke Tragwerke mit niedriger Eigenfrequenz handelt. [Scartazzini, 1969] und [Batsch/Nehse, 1972] berichten über durchgeführte Schwingungsuntersuchungen. Weitere Darstellungen von Spannbandbrücken findet man bei [Mach/Trčka, 1985], [Stráský/Pirner, 1986], [Stráský, 1987], [Bock, 1992], [Schlaich/Bergermann, 1994], [Bögle et al., 2003], [Stráský, 2005] und [Schlaich et al., 2005].

des Bands, die maximale Spannstahlspannung und das Verhältnis von Gesamtlast zur Eigenlast der Spannglieder bestimmt. Die Anwendung des flach gespannten Seils in der Form von Spannbandbrücken, bestehend aus einem relativ dünnen Betonquerschnitt mit von Widerlager zu Widerlager durchgehenden Spanngliedern, führt aufgrund der vorwiegenden Längskraftbeanspruchung zu außerordentlich schlanken und wirtschaftlichen Konstruktionen. Der Anwendungsbereich erstreckt sich sowohl auf Fußgänger- als auch auf Straßenbrücken. Zahlreiche Vorteile zeichnen das Sys­ tem der Spannbandbrücke aus.

5.7.5  Wirtschaftlichkeit

Der Einsatz von Kohlenstofffaserlamellen (CFK-Lamellen) beim Neubau von Tragwerken birgt ein bisher wenig genutztes, wirtschaftliches und konstruktives Potenzial in sich. Die Verwendung von Kohlenstofffaserlamellen anstelle von Spann­ gliedern bzw. Stahlbändern ermöglicht eine Weiterentwicklung dieser Brückentragsysteme, da im Vergleich zu gewöhnlichen Baustählen mit diesem Werkstoff wegen seiner rd. zehnmal größeren Zug­ festigkeit bei einem Fünftel der Eigenlast größere Spannweiten und schlankere Querschnitte realisiert werden können. In [Schlaich/Bleicher, 2007] wird über ein 13  m weit gespanntes Versuchsbauwerk mit CFK-Lamellen berichtet. Für eine praxis­reife Anwendung sind jedoch noch eine Reihe weiterer Untersuchungen notwendig, da CFK-Lamellen sehr empfindlich auf mechanische und Brandein­ wirkungen reagieren, der Einfluss der Umlenkradien auf die Querpressung, Ab­ nutzung und Reibung der Lamellen noch nicht ausreichend bekannt ist und Möglichkeiten einer intelligenten Dämpfung dieser außerordentlich leichten Konstruktionen gefunden werden müssen.

Wesentliche Kostenfaktoren sind zum einen der vergleichsweise hohe Spannstahlverbrauch für das Spannband und der u. U. beträchtliche Aufwand für die Verankerung der Spannglieder an den Widerlagern. Wie die dargestellten Querschnitte (Bild 5.7-3) zeigen, weisen Spannbandbrücken eine außerordentlich geringe Bauhöhe auf. Der Betonverbrauch wird sehr gering, da alle Sekundärtragglieder entfallen. Die relativ geringe Eigenlast und der bei einem konstanten Verhältnis der Stützweite l zum Spannbanddurchhang f nur linear mit der Stützweite l zunehmende Horizontalzug erlauben wesentlich größere Stützweiten als übliche Spannbetonüberbauten. Die Kosten der Widerlager sind unabhängig von der Anzahl der Brückenfelder. So sind Spannbandbrücken um so wirtschaftlicher, je größer die Anzahl der Felder ist, je tragfähiger der anstehende Baugrund ist und je kleiner der Bandradius unter Beachtung verkehrstechnischer Notwendigkeiten gewählt wird. Die Anwendungsgrenzen von Spannbandbrücken werden durch die größte zulässige Endtangentenneigung

5.7.6  Ausblick

6  Lagerung

Ursula Freundt

In das Kapitel 6 sind Ausarbeitungen von Günter Ramberger zur Lagerung von Brü­ cken eingeflossen.

6.1  Überblick Bisher wurde die Vielfalt der Tragsysteme des Brückenbaus vorgestellt. Die Lagerung beschreibt die Art der Stützung der Sys­ teme. Stützungen kommen bei den Trag­ systemen in unterschiedlichen Ebenen vor. Die Stützungen zwischen Baugrund und Bauwerk sind in der Regel Flächenstützun­ gen. Die Ermittlung der Verteilung von Stützkräften über Flächen ist Aufgabe der Elastizitätstheorie und der Bodenmecha­ nik und wird hier nicht behandelt, ebenso nicht die Linienstützung, die je nach der Idealisierung der elastischen Eigenschaften der Unterlage starr oder elastisch sein kann. In diesem Kapitel wird unter dem Begriff Lagerung die Stützung auf Lagern beschrieben, welche die Festlegung der Anzahl der Freiheitsgrade gestatten und den Wirkungsort der Stützkräfte innerhalb möglichst enger Grenzen halten. Diese Stützungen sind meist in der Ebene ­zwischen Überbau und Unterbau ange­ ordnet, und es werden alle Stützstellen ­dieser Ebene darunter verstanden. Deshalb umfassen die nachfolgenden Beschreibun­ gen sowohl die Kombination von Lagern, welche für die Bewegung und die Über­ tragung der Kräfte in einem Bauwerk zu­ sammenwirken (Lagerungssystem), als auch alle erforderlichen Maßnahmen, ­welche die Übertragung der Kräfte und die

Bewegungen ermöglichen. In diesem ­Kapitel werden die Aufgaben und Anfor­ derungen an die Lagerung beschrieben. Die Aufgabe der Übertragung von Kräften zwischen den Bauteilen bei gleichzeitiger Verdrehung und Verschiebung über­ nehmen die Lager, die im Abschnitt 10.2 ausführlicher behandelt werden. Alle Lager sind räumliche Lager mit 6 Freiheitsgraden und demzufolge auch mit 6 unabhängigen Stützkraftkomponenten beim starr gestützten Körper. Die einzel­ nen Bauformen sind dadurch gekennzeich­ net, dass bestimmte Bewegungsmöglich­ keiten der Stützung zugelassen bleiben, während die restlichen Bewegungsmög­ lichkeiten verhindert werden und als ­unabhängige Stützkräfte wirken. Einen Überblick über die gebräuchlichen Lager mit Angabe der möglichen Freiheitsgrade und Stützkraftkomponenten gibt Tabelle 6.1-1. Die Angaben der möglichen Be­ wegungen sind dabei nur qualitativ zu in­ terpretieren. Bei elastischen Stützungen sind die Kräfte und Bewegungen gekoppelt. Des­ halb sind bei den Elastomerlagern in ­Tabelle 6.1-1 formal 9 Freiheitsgrade ab­ zählbar. Kraft und Bewegung teilen sich entsprechend der vorhandenen Steifig­ keiten im Tragsystem auf, weshalb diese Lager als Systemkomponenten berück­ sichtigt werden sollten. Die ebenso formal fehlenden Stützkraftkomponenten bei­ den Linienlagern der Tabelle sind Mo­ mente in die Richtung der verhinderten Verdrehungen, die nicht angegeben wur­ den.

464 Tabelle 6.1-1  Überblick über gebräuchliche Lager

6  Lagerung

6.1  Überblick

465

Durch die Lagerung werden auch die dy­ namischen Eigenschaften des Tragwerks beeinflusst. In erdbebengefährdeten Gebie­ ten kann dieser Sachverhalt durch die „Erd­ bebenisolation“ gezielt eingesetzt werden. Als Erdbebenisolation von Brücken wird ein Entwurfskonzept bezeichnet, bei dem durch Einfügen eines Isolationssystems in der Lagerebene zwischen Unter- und Über­ bauten die dynamische Antwort der Brücke auf Erdbebeneinwirkungen gezielt modifi­ ziert wird. Ein Isolationssystem in diesem Zusammenhang ist eine horizontal „wei­ che“ Lagerung, d. h. eine Lagerung mit ei­ ner geringen effektiven horizontalen Stei­ figkeit. Die effektive Steifigkeit des Isola­ tionssystems ist dabei als Summe der Hori­ zontalsteifigkeiten aller Elemente der Lage­ rung definiert. Für diese Aufgabe gibt es neben den in Tabelle 6.1-1 dokumentierten gebräuchlichen Lagern einige Sonderele­ mente. Einen Überblick gibt Tabelle 6.1-2.

Diese Lagerung hat die Kräfte und Be­ wegungen entsprechend der System­ berechnung des Normalfalls, also ohne ­Erd­b ebenbeanspruchung, in gleichem Maße zu realisieren. Der kurze Überblick verdeutlicht, dass für die Lagerung sowohl die Regelwerke für die Tragwerksberech­ nung als auch die für Lager und Erdbeben­ vorrichtungen zu beachten sind. Es ist ­vorgesehen, eine Zusammenfassung der einzelnen Sach­verhalte aus den unter­ schiedlichen Regelwerken, die für die ­Lagerung zwingend zu beachten sind, als Anhang an die Grundlagen der Tragwerks­ planung zu etablieren. Einen Überblick über die für die Lage­ rung relevanten Regelwerke gibt Tabelle 6.1-3.

Tabelle 6.1-2  Erdbebenvorrichtungen (ASD) ASD (Klasse)

Wirkung

Beispiele

Isolatoren

Elemente, die die Vertikallasten tragen und gleichzeitig die horizontale Isola­ tion bewirken, d.h. eine geringe Hori­ zontalsteifigkeit besitzen

horizontal verschiebliche oder verformbare Lager, z. B. bewehrter Elastomer­lager

Federn

Elemente, die verschiebungsabhängige Horizontalkräfte erzeugen, d. h. eine definierte horizontale Steifigkeit ha­ ben, aber nicht zur Vertikallastabtra­ gung verwendet werden

horizontal wirkende Federn z.B. aus Stahl oder Elastomer

Dämpfer

Elemente zur Dissipation von Energie. Die Wirkung kann auf Viskosität, Hysterese, Reibung und anderen Prin­ zipien beruhen

viskose Dämpfer, hysteretische Elemente und Reibelemente

Verbindungen

Elemente, die im Erdbebenfall Kraft­ über­tragung ermöglichen oder aus­ schließen, d.h. Elemente, welche im Erdbebenfall einen Systemwechsel herbeiführen

Shock-Transmitter Fuses (Sicherungen)

466

6  Lagerung

Tabelle 6.1-3  Regelwerke Norm

Ausgabe

Titel

Tragwerksplanung, Einwirkungen, Schnittgrößenermittlung und Nachweisführung – Europäische Normung DIN EN 1990

2002-10

Grundlagen der Tragwerksplanung

DIN EN 1990/A1

2006-04

Grundlagen der Tragwerksplanung (Änderung)

DIN EN 1991-1-x

2002-2008 Allgemeine Einwirkungen auf Tragwerke

DIN EN 1991-2

2004-05

Verkehrslasten auf Brücken

DIN EN 1992-2

2007-02

Betonbrücken – Bemessungs- und Konstruktionsregeln

Tragwerksplanung, Einwirkungen, Schnittgrößenermittlung und Nachweisführung – Deutsche Normung DIN FB 101

2009-03

Einwirkungen auf Brücken

DIN FB 102

2009-03

Betonbrücken

DIN FB 103

2009-03

Stahlbrücken

DIN FB 104

2009-03

Verbundbrücken

Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben – Europäische Normung DIN EN 1998-1

2006-04

Grundlagen, Erdbebeneinwirkungen und Regeln für Hoch­ bauten

DIN EN 1998-2

2006-06

Brücken

DIN EN 1998-2/ A1

2008-09

Brücken (Änderung)

DIN prEN 15129

2007-07

Erdbebenvorrichtungen

Lager im Bauwesen – Europäische Normung DIN EN 1337-1

2001-02

Allgemeine Regelungen

DIN EN 1337-2

2004-07

Gleitteile

DIN EN 1337-3

2005-07

Elastomerlager

DIN EN 1337-4

2004-08

Rollenlager

DIN EN 1337-4 Berichtigung 1

2007-05

Rollenlager (Berichtigung)

DIN EN 1337-5

2005-07

Topflager

DIN EN 1337-6

2004-08

Kipplager

DIN EN 1337-7

2004-08

Kalotten- und Zylinderlager mit PTFE

DIN EN 1337-8

2008-01

Führungslager und Festhaltekonstruktionen

DIN EN 1337-9

1998-04

Schutz

DIN EN 1337-10

2003-11

Inspektion und Instandhaltung

DIN EN 1337-11

1998-04

Transport, Zwischen­lagerung und Einbau

Lager im Bauwesen – Deutsche Normung DIN V 4141-13

2008-11

Führungslager und Festhaltekonstruktionen – Bemessung und Herstellung

6.2  Aufgaben und Beurteilung ­der Lagerung

6.2 Aufgaben und Beurteilung ­ der Lagerung Die grundlegenden Anforderungen an die Lagerung sind eine dauer­haft sichere Über­ tragung der Stützkräfte sowohl vertikal als auch in der Lagerungs­ebene und eine ­dauerhaft zwängungsarmer Realisierung der Bewegungen. Das bedeutet, die eingesetzten Lager ­sollen die Bewegungen im Idealfall ohne nennenswerte Widerstandskräfte und ohne Beeinflussung der Wirkungslinie der Ver­ tikalkraft (ohne Exzentrizität) ermöglichen. Die Vertikalkräfte sind dabei mit geringen Bewegungen in der Kraftrichtung zu über­ tragen. Die Lagertechnik basiert auf den mecha­ nischen, meist kom­binierten Grundlagen Rollen, Gleiten und Verformen. Damit sind auch Widerstandsgrößen verbunden. Diese basieren auf der Roll- oder Gleitreibung oder auf dem Verformungswiderstand. Im verschobenen Zustand erhält auch die Ver­ tikallast eine Exzentrizität. Den Idealfall gibt es nicht. Die Beurteilung der Lagerung ist prinzi­ piell nur im Gesamtsystem des Tragwerks einschließlich der Gründung möglich. Die Lager sind auf den Widerlagern, den ­Stützen oder Pfeilern angeordnet und sie erhalten somit auch die Verformungen dieser, ein­ schließlich der ihrer Gründungen. Lager gestatten aber auch in vielen Fäl­ len das statische Modell für den Überbau von den statischen Modellen der Unter­ bauten zu trennen. Auch dann sollen im statischen System die Lager dort angeord­ net werden, wo die Bewegung stattfindet, damit üblicherweise exzentrisch zur Achse der gestützten Träger. Zur Falleinschätzung einer konkreten Situation sind folgende Kriterien geeignet: • Haben die Setzungen und Verfor­ mungen der Unterbauten keinen ent­ scheidenden Einfluss auf die Schnitt­ größen und Verformungen des Über­

467

baus, so ist eine Trennung der Systeme möglich • Haben die Widerstandsgrößen der ­Lager keinen Einfluss auf die Schnittgrößen und Verformungen von Über- und / oder Unterbau, sind diese nicht systemrele­ vant. Für die Berechnung können ge­ trennte Tragsysteme für Überbau und Unterbau verwendet werden. Die Ver­ formungen der Einzelbauteile können überlagert werden. In allen anderen Fällen ist eine Trennung der Systeme nicht empfehlenswert. Diese Kriterien sind bei balken- und platten­artigen, quersteifen Überbauten auf starren, nicht setzungsgefährdeten Unter­ bauten meist erfüllt. Dagegen ist bei Über­ bauten mit mangelnder Quersteifigkeit und/oder Überbauten auf hohen schlanken Pfeilern die Untersuchung am Gesamt­ system unter Beachtung der Widerstands­ größen und Exzentrizitäten erforderlich. Bei großen Brücken mit schiefem oder ge­ krümmtem Grundriss ist dies unerlässlich. Auswirkungen von Wechselwirkungen Überbau – Lagerung – Unterbau – Bau­ grund ent­stehen in diesen Fällen sowohl­ für die Beanspruchungen als auch für die Bewegungen. Der Einfluss der Lagerung von Brücken mit hohen schlanken Pfeilern und der Einfluss des konkreten Lagers­ auf das Gesamtsystem und damit auf das Stabilitätsverhalten der Pfeiler ist in der ­Literatur mehrfach aufgezeigt. Als Beispiel werden die Siegtalbrücke [Luchner, 1967] mit einer maximalen Pfeilerhöhe von 102,55 m, die Analyse des Einflusses unter­ schiedlicher Lager [Rieckmann, 1970] und die Aus­führungen von [Eggert, 1996] ge­ nannt. Werden in diesen Fällen die Trag­ systeme von Überbau und Unterbau ­getrennt und das Lagerverhalten nicht ­berücksichtigt, dann werden die Relativ­ bewegungen zwischen Über- und Unterbau überschätzt, die Pfeilerauslastung wird ­unterschätzt. Bei mehreren gelagerten Pfei­

468

6  Lagerung

lern im gleichen Tragwerk überlagern sich die Fehler und das Ergebnis ist nicht mehr einschätzbar. In erdbebengefährdeten Gebieten kann die Lagerung als „Erdbebenisolation“ aus­ gebildet werden, wie in 6.1 beschrieben. Die Anforderungen an die Lagerung in ­diesem Fall entsprechen für den Nichterd­ bebenfall den oben beschriebenen. Für den Erdbebenfall sind zwei weitere Anfor­ derungen definiert: • Dem Grenzzustand der Tragfähigkeit im Erdbebenfall ist ein schweres Be­ messungs­beben mit geringer Eintretens­ wahrscheinlichkeit zugeordnet. In die­ sem Fall können nach dem Beben die antiseismischen Funktionen der Lage­ rung beschädigt sein, die Tragfunk­ tion der Lagerung für die nichtseis­ mischen Einwirkungen muss aber er­ halten bleiben. • Dem Grenzzustand der Gebrauchstaug­ lichkeit ist ein leichteres Beben mit ­e iner hohen Eintretenswahrschein­ lichkeit während der Nutzungsdauer

zugeordnet. Nach diesem Beben soll­ die Lagerung einschließlich der anti­ seismischen Funktionen nicht beein­ trächtigt sein. Bei Anwendung des Konzepts der Erd­ bebenisolation wird die Lagerung des Überbaus als Isolationsebene mit einer ­geringen horizontalen Steifigkeit ausge­ bildet, der Überbau wird somit von den Unterbauten, und dadurch von der Erd­ bebenanregung, ­dynamisch entkoppelt. Diese Entkopplung bewirkt, dass der Überbau als separates, schwingfähiges System eine relativ lange Eigenschwingzeit (T ) bekommt. Dies führt zu einer Reduk­ tion der spektralen Antwortbeschleuni­ gungen Se (T) als Maß für die Beanspru­ chung des Bauwerks im Erdbebenfall, wie Bild 6.2-1 verdeutlicht. Die Verlängerung der Grundschwing­ zeit führt allerdings zur Vergrößerung der relativen (spektralen) Verschiebungen ­zwischen Überbau und Unterbau Sde  (T ). Dies kann durch den Einsatz von Erdbe­ benvorrichtungen, z. B. von Schwing­ungs­­

Horizontal-Elastisches Antwortspektrum (EC8) Bodenklassen A, Spektrum Typ 1 Schwingzeitverlängerung (Erdbebenisolation)

3,5 3,0

Se(T)/ag

2,5

System 1: Se(T = 0.3s) = 2.99 ag

Beanspruchungsverringerung durch Schwingzeitverlängerung bei gleicher Dämpfung

2,0 1,5

Beanspruchungsverringerung durch Erhöhung der Dämpfung bei gleicher Grundschwingzeit

1,0 0,5 0,0

System 2: Se(T = 0.9s) = 0.91 ag 0

0,5

1

schwach gedämpften Systems (D = 2%)

1,5

2

2,5 3 Grundschwingzeit T [s] mittel gedämpften Systems (D = 10%)

Bild 6.2-1   Beschleunigungsantwort eines Systems bei Variation von Steifigkeit und Dämpfung der Lagerung

6.2  Aufgaben und Beurteilung ­der Lagerung

469

Elastisches Antwortspektrum der Verschiebung (EC8) Elastisches Antwortspektrum der Verschiebung Bodenklassen A, Spektrum Typ 1 (EC8) Bodenklassen A, Spektrum Typ 1 70 70 60 60

Schwingzeitverlängerung Schwingzeitverlängerung (Erdbebenisolation) (Erdbebenisolation)

SSee(T)/a (T)/agg

50 50

Beanspruchungsvergrößerung 40 Beanspruchungsvergrößerung 40 durchSchwingzeitverlängerung Schwingzeitverlängerung durch beigleicher gleicherDämpfung Dämpfung bei 30 30

Beanspruchungsverringerung Beanspruchungsverringerung durch Erhöhung der Dämpfung durch Erhöhung der Dämpfung gleicher Grundschwingzeit bei bei gleicher Grundschwingzeit

20 20 10 10 00 0,0 0,0

System = 0.9s) = 18.6 System 2: 2: SdeS(T = 0.9s) = 18.6 mmmm / ag/ ag de(T System (T(T == 0.3s) = 6,8 mm / ag/ ag System1:1:Sde Sde 0.3s) = 6,8 mm 0,5 0,5

1,01,0

schwach (D(D = 2%) schwachgedämpften gedämpftenSystems Systems = 2%)

1,51,5

2,0 2,0

2,5 2,5 3,0 3,0 Grundschwingzeit T [s] T [s] Grundschwingzeit

mittel gedämpften Systems (D = (D 10%) mittel gedämpften Systems = 10%)

Bild 6.2-2   Verschiebungsantwort eines Systems bei Variation von Steifigkeit und Dämpfung der Lagerung

dämpfern, teilweise wieder kompensiert werden. Das prinzipielle Ergebnis wird im Bild 6.2-2 dargestellt. Die Beurteilung der Lagerung hat für Brücken in seismisch gefährdeten Gebieten eine besondere Bedeutung. Sie muss alle Anforderungen der Tragfähigkeit und ­Ge­brauchs­tauglichkeit erfüllen und zusätz­ lich die Anforderungen aus den Grenzzu­ ständen für Erdbeben. Im einfachsten Fall kann eine Erdbebenisola­tion durch den Einsatz von gezielt ausge­legten Verfor­ mungslagern bestehen. In der Regel besteht diese aber aus der Lagerung mit zusätz­ lichen Erdbebenvorrichtungen ­(siehe Ta­ belle 6.1-2). Die Ermittlung von Kräften und Bewegungen für den Erd­bebenfall muss am Gesamtsystem erfolgen und er­ gänzt die Ermittlung für die sta­tischen ­Einwirkungen. Es ist erforderlich, bei der Planung von Brücken und deren ­La­gerung in erdbebengefährdeten Ge­bieten die bei­ den Anforderungen (Erd­beben und nichtseismische Einwirkungen) als Gesamt­ konzept zu bearbeiten. Nur so können die

Eigenschaften der einzelnen Elemente ge­ zielt eingesetzt und abgestimmt werden. Die Realisierung der oben angeführten Anforderungen der Lagerung, dauerhaft sichere Übertragung der Stützkräfte sowohl vertikal als auch in der Lagerungs­ebene bei dauerhafter zwängungsarmer Realisierung der Bewegungen, erfordert für Tragwerk und Lager bei statischen und ­dynamischen Beanspruchungen konstruktive Maßnah­ men. Diese dienen: • der Übertragung der Vertikallasten zwi­ schen den Bauteilen Überbau – Lager – Unterbau innerhalb möglichst enger Wirkungsgrenzen, • der schubsicheren Verbindung der Lager mit den Bauwerksteilen. Die Kraftübertragung führt zur Eintragung von konzentrierten Lasten in die Kontakt­ bereiche von Über- und Unterbau und so­ mit zu lokalen Beanspruchungen. Sie nimmt damit Einfluss auf die Grundriss­ geometrie der Lager. Die rechnerische und konstruktive Lösung für massive Bauteile

470

wird im Kapitel 7 und im Abschnitt 8.6 be­ handelt. Bei Stahl- oder Verbundüberbau­ ten ist eine entsprechende Aussteifung im Auflager­bereich erforderlich. Die schubsichere Verbindung der Lager mit den Bauwerksteilen kann bei hinrei­ chender Auflast und vorwiegend statischer Beanspruchung durch Reibung oder im an­ deren Fall durch Verbindungsmittel, z. B. Kopfbolzen erwirkt werden. Die Lagerung wird durch Lager und­ Erdbebenvorrichtungen realisiert. Diese sind hochwertige Bau­produkte, die wäh­ rend einer Nutzungsdauer stark bean­ sprucht werden. So können z. B. an Gleit­ teilen infolge Temperatur und Verkehr durchaus aufsummierte Gleitwege von 400 m pro Jahr auftreten. Das ist nicht ohne Verschleißerscheinungen möglich. Des­ halb wird für Lager und Erdbebenvorrich­ tungen Auswechselbarkeit gefordert. Die dafür erforderlichen Vorkehrungen, Pres­ sen­aufstands­flächen und austausch­bare Verbindungen, sind bei der Planung zu ­berücksichtigen. Bei der Darstellung der Anforderungen werden bei den Kräften der Lagerung stets Druckkräfte vorausgesetzt. Alle gebräuch­ lichen Lager sind Lager zur Übertragung von Druckkräften. In der Regel sollten Zugkräfte bei gelagerten Brücken vermie­ den werden. Objektive Randbedingungen können aber zu Lösungen zwingen, die auch zu Zugkräften führen. In diesen­ Fällen kommen Sonderkonstruk­tionen zum Einsatz.

6  Lagerung

6.3  Wahl der Lagerung und Anordnung der Lager Es sind prinzipiell zwei Lagerungsarten möglich: • die elastische Lagerung, wobei Verfor­ mungslager die Verschiebungen und Ver­ drehungen durch die Verformbarkeit realisieren und durch den Verformungs­ widerstand gleichzeitig Kräfte in der Ebene aufnehmen • die Lagerung mit Festpunkten. In diesen Fällen werden die Kräfte in der Ebene am Festpunkt aufgenommen. Die Einsatzgrenzen der elastischen Lagerung sind eindeutig mit der Aufnahme­kapazität der Kräfte in der Ebene abgesteckt. Für die Wahl der Lagerung sind ent­ sprechend ihrer Aufgabe einige Grundsätze zu beachten. Das Lagerungssystem ist so zu entwerfen, dass die Bewegungen mit ge­ ringen Widerstandskräften möglich sind, dass Zugkräfte vermieden werden und dass die einzelnen Lager gewartet und ausge­ tauscht werden können. Die Bewegungs­ richtung beweglicher Lager sollte zum Bei­ spiel stets in waagerechter Richtung sein (Bild 6.3-1), denn dabei entstehen unter vertikalen Lasten (Eigenlast und Verkehrs­ lasten) keine horizontalen Zusatzwirkun­ gen auf die anderen Lager. Viele Lageranordnungen, die für gleich­ mäßige Temperaturänderung zwängungs­ frei sind, ergeben unter exzentrischen Ver­ tikallasten und unter horizontalen Lasten Zwängungen, die oftmals durch die immer exzentrisch zur Schwerachse des Balkens angeordneten Lager erst hervorgerufen oder verstärkt werden (Bild 6.3-2) Einfeldbrücken Gelagerte Einfeldbrücken sind Tragwerke, die sich auf steife Widerlager stützen und somit in der Regel die Lager eine Trennung des statischen Systems zwischen Überbau

6.3  Wahl der Lagerung und Anordnung der Lager

471

c

verschobene Brücke

Bild 6.3-1   Lagerverschiebung horizontal [Ramberger, 2002]

und Unterbau gestatten. Deshalb kann die Wahl der Lagerung aus den Stützkräften und Bewegungen des Überbaus abgeleitet werden. Die klassische Lagerung einer ­einfeldrigen Brücke erfolgt auf vier Ver­ tikalkraftlagern und damit für vertikale Kräfte einfach statisch unbestimmt. Die Bewegungsrichtungen sind dabei so zu wählen, dass die Bewegungen des Über­ baus weitgehend zwängungsfrei stattfinden können, sowohl bei gleichmäßiger Tem­ peraturänderung als auch bei Horizontal­ kräften quer zur Achse. Die beiden prinzi­ piellen Lagerungsarten zeigen die Bilder 6.3-3 und 6.3-4. Bei seismischer Beanspruchung erhalten Festpunkte auf Widerlagern der Brücke

sehr große Kräfte in der Ebene [Klöker 1997, Bachmann, 1990], welche kaum reali­ täts­nah ermittelbar sind. Die elastische Lagerung, welche die Grundlage der Erdbe­ benisolation ist, findet deshalb insbesonde­ re für massive Einfeldbrücken in seismisch gefährdeten Gebieten ein sinnvolles Ein­ satzgebiet, es können allerdings zusätzliche Maßnahmen zur Verschiebungsbegren­ zung für den Gebrauchs- und Erdbeben­fall erforderlich werden, z. B. der Einsatz von Erdbebenvorrichtungen. Lageranordnung Die Anordnung der Lager hängt von der Querschnittsausbildung und den vorhan­ de­nen Platzverhältnissen ab.

Bild 6.3-2   Lagerzwängungen bei einer Einfeldbrücke mit außermittiger Verkehrslast [Ramberger, 2002]

472

6  Lagerung

H1

H(HL) HL

H2

Bild 6.3-3   Für Horizontalkräfte quer zur ­Achse zwängungsfreie Lagerung einer einfeld­ rigen Brücke, exzentrische Längskraftaufnahme [Ramberger, 2002]

Bei gegliederten Querschnitten in Be­ ton-, Stahl- oder Verbundbauweise werden die Vertikalkräfte am einfachsten dort übertragen, wo sie am Widerlager an­ kommen – an den Schnittpunkten der Haupt­trägerachsen mit den Auflagerach­ sen der Widerlager. In diesen Fällen wer­ den die ­Lager nur in Ausnahmefällen an anderen Stellen unter einem Auflager­ querträger angeordnet. Auf Widerlagern wird die Verdrehung des Bauwerks um die Längsachse verhindert, deshalb sind dort

Bild 6.3-5   Lagerung einer Stahlbrücke auf dem Widerlager [Ramberger, 2002]

H3 HL

H4

Bild 6.3-4   Elastische Lagerung einer einfeld­ rigen Brücke

mindestens zwei Vertikallager erforderlich, Bild 6.3-5. Die erforderlichen Ansatzpunkte für hydraulische Pressen zum Wechseln der Lager sind in der Konstruktion vorzusehen, im Beton oben und unten mit entspre­ chender Spaltzugbewehrung auszustatten, im Stahl mit entsprechenden Steifen auszu­ steifen (Bild 6.3-6) Bei massiven Plattenquerschnitten hängt die Größe der Stützkräfte wesentlich von der Lagerart und der Anordnung ab. Hier sind die Lastausbreitungen zu ­beachten und es ist Platz für die An­ordnung von Pressen zum Lagertausch vorzusehen. Im Kapitel 7 ist im Bild ­7.2-11 eine Auflager­ bank mit Anordnung der Lager und Pressenaufstand­flächen dargestellt. Bei schiefen oder gekrümmten Brücken sollte man darauf achten, dass die Lager, die Horizontalkräfte aufnehmen, die grö­ ßeren Vertikalkräfte erhalten (stumpfe Ecke, Bogenaußenseite, Bilder 6.3-7 und 6.3-8). Dadurch wird die ­Neigung der ­Resultierenden verkleinert (Bild 6.3-9).

Steifen

Spaltzugbewehrung

Bild 6.3-6   Pressen und Ansatzpunkte für den Lagertausch [Ramberger, 2002]

6.3  Wahl der Lagerung und Anordnung der Lager

Bild 6.3-7   Lagerung einer schiefen, einfeldri­ gen Brücke [Ramberger, 2002]

Bild 6.3-8   Lagerung einer gekrümmten, ein­ feldrigen Brücke [Ramberger, 2002]

R V V H

R H

Bild 6.3-9   Neigung der Resultierenden bei ver­ schiedenen Vertikalkräften [Ramberger, 2002]

Bei schiefwinkligen, massiven Platten­ brücken mit Kreuzungswinkeln kleiner 50gon sind die Auflagerkräfte an den spit­ zen Ecken auf Abheben zu prüfen. Durch die Lageranordnung (Lager vom spitzen Rand einrücken) und durch die Berück­ sichti­gung der vorhandenen Vertikalstei­ figkeit der Lager wird eine realistische Auflager­kraft­beurteilung erreicht und in vielen Fällen tritt kein Abheben auf. Bei schiefwinkligen und/oder gekrümm­ ten Brücken in seismisch gefährdeten Ge­ bieten ist ein weiterer Aspekt bei der Lager­ anordnung zu beachten – die Überein­ stimmung des Massenschwerpunkts des Überbaus mit dem Steifigkeits­zentrum der Lagerung. Fallen der Schwerpunkt des

473

Überbaus und das horizontale Steifigkeits­ zentrum (in der Projektion auf die Lage­ rungsebene) nicht zusammen, dann entste­ hen unsymmetrische und gekoppelte Schwingformen des Überbaus, welche zu zusätzlichen Verschiebungen im Erdbeben­ fall führen. Lässt sich das Steifigkeitszen­ trum nicht mit den für den Gebrauch erfor­ derlichen Lagern einstellen, dann kann durch Einsatz von Erdbebenvorrichtungen, vorrangig Federn (vgl. Tab. 6.1-2), die Lage des Steifigkeitszentrums verändert werden. Durchlaufträger Durchlaufträger über zwei oder mehrere Felder stützen sich an den Brückenenden ebenfalls auf steife Widerlager, die Zwi­ schenstützungen sind Stützen oder Pfeiler, die je nach der zu überbrückenden Situa­ tion auch in einer Brücke unterschiedlich hoch sein können. Die Grundrissgeometrie und die Höhe der Stützen und Pfeiler be­ stimmt deren Steifigkeit in der Ebene. Bei der Wahl der Lagerung muss dies beachtet werden. Auch bei Durchlaufträgern sind die zwei Lagerungsarten (elastisch; Fest­ punktlagerung) üblich. Ebenso werden Mischlagerungen, wo ein oder mehrere schlanke Mittelpfeiler in den Überbau ein­ gespannt werden und die verbleibenden Pfeiler gelagert sind, ausgeführt. Zur Wahl der Lagerung muss die Stabilität des Ge­ samtsystems untersucht werden. Analog der Einfeldbrücken erhalten Durchlaufträger an den Widerlagern je­ weils mindestens zwei Vertikalkraftlager (Bild 6.3-10). Ist die Torsionssteifigkeit ausreichend, genügt jeweils ein Lager auf einem Pfeiler.

Bild 6.3-10   Prinziplagerung einer Zweifeld­ brücke [Ramberger, 2002]

474

6  Lagerung

Bild 6.3-11   Zweifeldbrücke mit längsver­ schieblichem Vertikalkraftlager auf Pfeiler [Ramberger, 2002]

Bild 6.3-12   Zweifeldbrücke mit allseitig ver­ schieblichem Vertikalkraftlager auf Pfeiler [Ram­ berger, 2002]

Für die Aufnahme der Horizontalkräfte quer zur Brückenachse können alle Wider­lager oder Pfeiler herangezogen werden, indem jeweils ein Lager in Querrichtung unver­ schieblich angeordnet wird (Bild 6.3-11). Hat das Tragwerk ausreichende Steifig­ keit um die vertikale Achse, genügt in vie­ len Fällen die Aufnahme der Horizontal­ kräfte nur auf den Widerlagern und damit in statisch bestimmter Weise (Bild 6.3-12). Die allseitig beweglichen Lager auf den Pfeilern geben dann allerdings ihre Verti­ kalkraft exzentrisch ab, wobei die Lagerart und die Anordnung auf dem Pfeiler (Gleit­ teil zum Überbau oder zum Pfeiler) die Wirkung der Exzentrizität beeinflussen. Bei langen Brücken oder bei Brücken mit hohen Pfeilern kann eine feste Lage­ rung des Überbaus in Brückenlängsrich­ tung auf einem oder mehreren mittig zur Längs­richtung gelegenen Pfeilern sinnvoll sein. Bei verschieblichen Lagern an den Widerlagern werden die Horizontalkräfte auf die festgehaltenen Pfeiler aufgeteilt, bei festen Lagern an den Widerlagern werden die Pfeilerköpfe über den Überbau festge­ halten und damit die Knicklängen der Pfei­ ler wesentlich verringert.

Wenn die Stützkräfte und Bewegungen es erlauben, sollte bei Durchlaufträgern­ die elastische Lagerung mit Verformungs­ lagern verwendet werden. Bei horizontal gekrümmten Durchlaufträgern ist es ­wegen der Fahrbahnübergänge bzw. Schienen­ auszüge günstig, die Bewegungsrichtung der Lager an den Widerlagern in Richtung der Fahrbahnachse auszurichten. Um eine für gleichmäßige Temperatur­änderung zwängungs­freie Lagerung zu erreichen, müssen alle anderen Verschiebungs­ richtungen von einseitig festen Lagern­ denselben Winkel mit dem ­Polstrahl zum festen Lager einschließen (Bilder 6.3-13, 6.3-14). Lager an den Widerlagern sind immer so anzuordnen, dass die Verschieblichkeit der Lager mit der Verschieblichkeit der Fahr­ bahnübergänge (siehe Abschnitt 10.3) zu­ sammen­fällt. Bei Fingerübergängen, Gleit­ plattenübergängen und bei Schienen­aus­ zugs­vorrichtungen muss die Verschieblich­ keit der Lager an den Widerlagern in die Richtung der Brückenachse fallen. Zur Lagerung von Durchlaufträgern in seismisch gefährdeten Gebieten sind beide Grundlagerungsarten geeignet, die Lage­

Bild 6.3-13   Gekrümmte mehrfeldrige Brücke mit Polstrahllagerung, Verschiebung am Brücken­ ende nicht in Richtung der Brückenachse [Ramberger, 2002]

6.3  Wahl der Lagerung und Anordnung der Lager

475

Bild 6.3-14   Gekrümmte mehrfeldrige Brücke mit zwängungsfreier Lagerung für gleichmäßige Temperaturänderung, Verschiebung am Brückenende in Richtung der Brückenachse [Ramberger, 2002]

rung mit Festpunkten sowie die elastische Lagerung (Erdbebenisolation). Die Anordnung der Lager ist, wie bei Einfeldträgern beschrieben, vom Baustoff und der Querschnittsausbildung des Über­ baus abhängig. Bei Einzelpfeilern reicht der rechnerisch notwendige Querschnitt oft nicht zur Aufnahme von Lager und Pres­ senansatzpunkt aus. Lösungsmöglichkeiten sind im Kapitel 7 behandelt. Bild 7.3-4 zeigt ein Beispiel. Die Anordnung von Festpunkten bei Erdbebenlagerungen sollte in der Regel auf einem oder mehreren Pfeilern erfolgen,­ da Festpunkte auf den Widerlagern sehr ­große Kräfte in der Ebene im Erdbebenfall erfahren, wie bereits erläutert wurde. Die Anordnung von Erdbebenvorrichtungen sollte an dem Ort erfolgen, an dem die ein­ gesetzten Elemente ihre maximale (dyna­ mische) Wirkung erzielen können. Ver­ allgemeinerun­gen sind mit Bezug auf den Einsatz von Erdbebenvorrichtungen nicht sinnvoll anzugeben, eine Abstimmung der Lagerung und der Erdbebenvorrichtungen auf die gegebene Situation ist immer erfor­ derlich. Bei der elastischen Lagerung (Erd­ bebenisolation) sind dieselben Anforde­ rungen wie bei der Lagerung von Einfeld­ brücken zu erfüllen, insbesondere die Sym­ metrie von Steifigkeits- und Massenvertei­ lung ist zu beachten. Nachdem die prinzipielle Wahl der Lage­ rung dargestellt wurde, die Anordnung der Lager aus dem Tragverhalten und Geomet­ rieparametern des Überbauquerschnitts

und die resultierende Grundgeometrie des Unterbaus abgeleitet wurde, fehlt nun die Wahl der Lager. Für die Auswahl der Lager und Erdbeben­ vorrichtungen sind erforderlich: • die zu übertragenden Kräfte und Bewe­ gungen, • die Leistungsparameter der gebräuch­ lichen Lager und Erdbebenvorrichtun­ gen, • die Lagerwiderstände, • die Lageranforderungen aus den Bauzu­ ständen. Zur Ermittlung der Kräfte und Bewegungen werden im Abschnitt 6.4 Hinweise gegeben. Für die Ermittlung der Bewegungskapazi­ täten im Isolationsfall sind zusätzlich die Hinweise im Abschnitt 8.7.3 zu beachten. In der [DIN EN 1337-1, 2001] ist ein Überblick über die gebräuchlichen Lagerarten ge­ geben, eine komprimierte Darstellung ­zeigt Abschnitt 6.1, Tabelle 6.1-1. Eine ­de­tail­lierte Darstellung des Aufbaus ein­­zelner Lager­ arten befindet sich im Abschnitt 10.2. Da Verformungslager hinsichtlich Ein­ bau, Wartung und Lebensdauer robuste La­ ger sind, wird deren möglicher Einsatz stets zuerst geprüft. Sind die Platzverhältnisse eingeschränkt oder sind die Verschiebungen oder Verdrehungen mit Verformungslagern nicht sinnvoll realisierbar, dann wird der Einsatz von anderen Lager­arten geprüft. Alle Lager sind mit Gleitteilen kombinierbar, so dass die Verschiebungsgröße alleine kein Entscheidungskriterium ist.

476

6.4  Ermittlung der Kräfte und Bewegungen 6.4.1  Allgemeines Die Ermittlung der Kräfte und Bewegungen der Lagerung ist wie alle Nachweise im Bauwesen ein iterativer Prozess. Ist das Tragsystem ausgewählt, werden die Kräfte und Bewegungen an den Lagerungspunk­ ten entsprechend der zu erwartenden Ein­ wirkungen ermittelt. Die Größe der ermit­ telten Werte gestattet die Vorauswahl der Lagerart. Damit können die Konstruk­ tions­ab­sichten (Geometrie) auf Verträg­ lichkeit geprüft und dann die Lagerart fest­ gelegt werden. Nun sind die Widerstands­ kräfte, die im Abschnitt 6.5 zusammen­ fassend behandelt werden, bekannt und die Kräfte und Bewegungen der Lagerung können berechnet werden. Unabhängig von den zu erwartenden außergewöhn­ lichen und Erdbebeneinwirkungen sind diese vorerst für die Einwirkungen der Re­ gelfälle zu ermitteln. Die Ergebnisse dienen dem Lagerhersteller für die Erstellung der Lagerstatik und dem Tagwerksplaner zur weiteren Verfolgung im Bauwerk. Es ist deshalb erforderlich, sie auch zwischen den Beteilig­ten abzugleichen. Für die Tragwerksberechnung und in der Regel auch für die Lager sind Nach­ weise für die Kombinationen der beiden Grenzzustände erforderlich. Entsprechend ist die Ermittlung der Kräfte und Bewegun­ gen auch für die Einwirkungskombina­ tionen der beiden Grenzzustände erforder­ lich. Da die Lager die Rand- oder Zwischen­ bedingungen des Tragsystems rea­lisieren, gelten die Ein­wirkungs­kombinationen des Tragwerks. Die Teilsicherheitsbeiwerte der Einwir­ kungen für den Grenzzustand der Tragfä­ higkeit sind aus Betrachtungen der Quer­ schnittsebene abgeleitet. Die damit meist physikalisch linear ermittelten Schnitt­ größen dienen dem Nachweis auf der

6  Lagerung

­ uerschnittsebene. Die zugehörigen Ver­ Q formungen (z. B. Durchbiegungen) steigen durch das nichtlineare Materialverhalten in ihrer Größe überproportional zu den Schnitt­größen, weshalb die lineare Berech­ nung nicht zutrifft. Eine nichtlineare Ver­ formungsberechnung zur Ermittlung der Bewegungen von Lagern ist in der Regel aus Aufwandsgründen nicht gerechtfertigt. Deshalb wurden im [DIN-FB 101, 2009] in einem Anhang O Regeln zur Ermittlung der Kräfte und Bewegungen an Lagern und Übergangskonstruktionen zusammenge­ fasst. Der genannte Anhang O enthält zu­ sätzlich ergänzende Regeln zur Bemessung der Lager. Die Regeln zur Ermittlung der Bewegungen nach Anhang O basieren auf empirischer Grundlage und dienen einer Ermittlung mittels linearer Berechnung. Dabei wurde folgende Vorgehensweise ge­ wählt: • Ermittlung der Kräfte und Bewegungen mit der charakteristischen Einwirkungs­ kombination. Zur Ermittlung der Be­ messungswerte der Kräfte und Bewe­ gungen im Grenzzustand der Tragfähig­ keit ist zu beachten: • Die Bemessungswerte der Kräfte und Bewegungen ergeben sich durch Vergrö­ ßerung der aus jeder einzelnen Einwir­ kung resultierenden Kraft und Bewe­ gung mit dem jeweils zugehörigen Teil­ sicherheitsfaktor. • Die Bemessungswerte der Bewegungen aus Kriechen und Schwinden ergeben sich durch Vergrößerung der mittleren Kriech- und Schwindbeiwerte nach [DIN-FB 102, 2009] mit dem Faktor 1,35 und die Bemessungswerte der Bewe­ gungen aus Vorspannung durch Ansatz des Mittelwerts der Vorspannung. • Die Bewegungen und Kräfte, die nach dem Einbau der Lager entstehen, sind bei Pfeilern, die nach Theorie II. Ord­ nung zu behandeln sind, mit der charak­ teristischen Einwirkungskombination zu ermitteln und es ist dabei der halbe

6.4  Ermittlung der Kräfte und Bewegungen

Wert der geometrischen Ersatzimper­ fektion zu berücksichtigen. Die Ermittlung der Kräfte und Bewegungen für Brücken mit Erdbebenisolation erfolgt in den im Abschnitt 6.2 beschrie­benen Grenzzuständen für Erdbeben. Die Berech­ nung der Kräfte und Bewegungen seismisch isolierter Brücken ist nur am ­Gesamtsystem unter Berücksichtigung der dynamischen Eigenschaften der Lagerung (Abschnitt 6.2) möglich. Mögliche Berechnungsverfahren, aus denen dann die Kräfte und Bewegungen der Lager abgeleitet ­werden können, sind im Abschnitt 8.7.3 beschrieben. Kräfte und Bewegungen aus dem Bauablauf Bei der Ermittlung der Bemessungswerte der Bewegungen aus der Schwankung des konstanten Temperaturanteils (gleich­ mäßige Temperaturänderung) muss eine Aufstelltemperatur (mittlere Bauwerks­ temperatur zum Zeitpunkt der Verbindung von Lager und Bauwerk) angenommen werden. Diese hängt vom Bauablauf und dem Herstellungsverfahren ab. Da es in der Regel schwierig ist, die Bedingungen zur Zeit des Einbaus vorherzusagen, sind auf der sicheren Seite liegende Annahmen­ zu treffen. Dies bedeutet die Annahme ei­ ner zusätzlichen (zusätzlich zum Bemes­ sungswert) gleichmäßigen Temperaturän­ derung. Der zitierte Anhang O gibt dafür eine Erhöhung des Bemessungswerts des negativen und des positiven Temperaturan­ teils der Temperaturschwankung um je­ weils 10 K vor. Wird die mittlere Bauwerks­ temperatur zum Zeitpunkt der Verbindung von Lager und Bauwerk durch Temperatur­ messungen bestimmt, dann sind keine Er­ höhungen der Temperaturanteile der Tem­ peraturschwankung erforderlich. Auch wenn während des Bauvorgangs der Festpunkt geändert wird, sind Vergrö­ ßerungen der gleichmäßigen Temperatur­ änderung zu berücksichtigen. Bei Bewe­ gungslagern können durch Lagervorein­

477

stellungen einsinnige Extremwerte der Be­ wegungen ausgeglichen werden. 6.4.2  Beispiel zur Ermittlung der Kräfte und Bewegungen und der Nachweisführung für bewehrte Elastomerlager Grundlagen: Lager: Einwirkungen:

[DIN EN 1337-3, 2005] [DIN-FB 101, 2009]

Die Ermittlung der Kräfte und Bewegungen für Lager sind im Anhang O des o. g. DINFachberichts und die Nachweise für be­ wehrte Elastomerlager in [DIN EN 1337-3, 2005] geregelt. Nachweis der Summe der Elastomerverzerrungen nach [DIN EN 1337-3, 2005], Abschnitt 5.3.3 Summarische Elastomerverzerrung: εt,d = KL ∙ (εc,d + εq,d + εα,d) ≤ 7,0 Die Anteile der Gesamtverzerrung werden wie folgt berechnet, wobei für die Schub­ verzerrung zusätzliche Grenzwerte einzu­ halten sind: Elastomerverzerrung aus Vertikalbelas­ tung: ,  ċ Fz,d εc,d = G ċ Ar ċ S mit dem Bemessungswert der Vertikalkraft Fz,d Elastomerverzerrung aus Verschiebung: vxy,d εq,d = � ,  Tq mit dem Bemessungswert der Verschie­ bung vxy,d Elastomerverzerrung aus Lagerverdre­ hung: �a� ċ αa,d + b � ċ αb,d � ċ ti ε α ,d = ε αx,d =  ċ � (ti ) mit dem Bemessungswert der Verdrehung α

478

Der Nachweis der summarischen Elasto­ merverzerrung ist im Grenzzustand der Tragfähigkeit zu führen und erfordert die Bemessungswerte der Kräfte und Bewe­ gungen aus diesem Grenzzustand. Die Kräfte und Bewegungen Fzd, vxy,d und αab,d sind dafür nach [DIN-FB 101, 2009], Anhang O zu ermitteln. Grundlage bildet die charakteristische Einwirkungs­ kombination. Die Bemessungswerte erge­ ben sich durch die Ermittlung der Kräfte und Bewegungen aus den einzelnen Ein­ wirkungen der charakteristischen Einwir­ kungskombination mit anschließender Vergrößerung der einzelnen Ergebnisse mit den entsprechenden Teilsicherheitsbei­ werten. Neben der Ermittlung der Kräfte und Bewegungen für die Lager wird im Beispiel überprüft, welche Auswirkungen eine Nachweisführung unter Berücksichtigung zugehöriger Bemessungswerte oder eine Nachweisführung mit Maximalwerten er­ gibt. Dabei werden unter „zugehörigen“

6  Lagerung

Werten die Ergebnisse einer spezifischen Laststellung verstanden. Beispiel: 3-Feld-Brücke mit zwei verschiedenen Querschnittsausbildungen Für dieses Beispiel wurden die Auflager­ kräfte, Verschiebungen und Verdrehungen für die Einwirkungen berechnet. Die cha­ rakteristischen Werte der einzelnen Ergeb­ nisse sind in den Tabellen 6.4.2-1 und -2 angegeben. Annahmen und Vereinfachungen für die Schnittgrößenberechnung: • Untersuchung am Balkensystem, die Querrichtung ϑb und vy werden ver­ nachlässigt • Effekte aus der Herstellungstechnologie, Einlagerungszeitpunkt und Überhö­ hung des Überbaus werden nicht be­ rücksichtigt. Die Lagerverformungen infolge Eigenlast und Vorspannung wer­ den voll angesetzt.

Bild 6.4.2-1   Querschnittsvariante 1, Betonvariante

Bild 6.4.2-2   Querschnittsvariante 2, Verbundvariante

6.4  Ermittlung der Kräfte und Bewegungen

479

Bild 6.4.2-3   Längsschnitt

Bild 6.4.2-4   Lagerungsplan Tabelle 6.4.2-1  Zusammenstellung der Ergebnisse der Kräfte und Bewegungen aus den einzelnen Einwirkungen (charakteristische Werte) für die Querschnittsvariante 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Beschreibung

AV [kN]

BV [kN]

ϑA [10-3]

ϑB [10-3]

Eigenlast Ausbaulast Vorspannung K+S UDL in Feld 1+3 UDL in Feld 2 UDL in Feld 1+2 TS in Feld 1 TS in Feld 2 TS auf A TS auf B Bremslast Anfahrlast Gleichmäßige Abkühlung Gleichmäßige Erwärmung Temperatur Oberseite höher Temperatur Unterseite höher

1490,46 354,00 67,30 -5,33 462,00 -54,70 394,00 293,00 -37,70 534,00 -0,35 0,00 0,00

3752,09 969,00 -67,30 5,33 504,00 577,00 1147,00 279,00 304,00 -0,66 534,00 0,00 0,00

-2,37 -0,63 4,18 0,90 -0,92 0,28 -0,57 -0,75 0,20 0,00 0,00 0,00 0,00

0,39 0,10 -0,80 -0,30 0,71 -0,62 -0,05 0,40 -0,44 0,00 0,00 0,00 0,00

0,00 0,00 7,86 30,45 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 -0,25 0,25

0,00 0,00 4,11 21,90 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 -0,25 0,25

0,00

0,00

0,00

0,00

19,93

10,56

0,00

0,00

0,00

0,00

-13,70

-7,26

88,50

-88,50

0,80

-0,25

0,00

0,00

-57,33

57,33

-0,52

0,17

0,00

0,00

vA [mm]

vB [mm]

(Der Index an den Verschiebungen/Verdrehungen kennzeichnet das Lager, nicht die Achse der Verschiebung/ Verdrehung!)

480

6  Lagerung

Tabelle 6.4.2-2  Zusammenstellung der Ergebnisse der Kräfte und Bewegungen aus den einzelnen Einwirkungen (charakteristische Werte) für die Querschnittsvariante 2 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Beschreibung AV [kN] Eigenlast 721,92 Ausbaulast 350,06 -123,75 K+S UDL in Feld 1+3 453,95 -57,33 UDL in Feld 2 UDL in Feld 1+2 382,42 TS in Feld 1 282,87 -41,59 TS in Feld 2 TS auf A 524,02 TS auf B 3,87 -1,10 Bremslast Anfahrlast 1,10 Gleichmäßige 38,46 Abkühlung Gleichmäßige -28,57 Erwärmung Temperatur 66,32 Oberseite höher Temperatur Unterseite höher

-79,63

BV [kN] 1977,52 972,71 123,75 501,42 574,13 1146,15 285,55 304,45 3,61 516,62 -6,35 6,35

ϑA [10-3] -0,20 -1,07 -1,32 -1,58 0,48 -0,98 -1,29 0,35 0,00 0,00 0,00 0,00

ϑB [10-3] 0,05 0,18 0,60 1,20 -1,03 0,07 0,68 -0,74 0,00 0,00 -0,01 0,01

vA [mm] -0,96 -0,47 9,78 -0,32 -0,19 -0,86 -0,62 -0,12 0,02 -0,01 -0,21 0,21

vB [mm] 0,39 0,20 5,94 1,19 -1,01 -0,37 0,46 -0,72 0,00 0,00 -0,20 0,20

-38,46

0,57

-0,19

23,19

11,97

28,57

-0,39

0,14

-17,23

-8,89

-66,32

0,94

-0,32

-3,07

-2,16

79,63

-1,13

0,39

3,68

2,59

(Der Index an den Verschiebungen/Verdrehungen kennzeichnet das Lager, nicht die Achse der Verschiebung/ Verdrehung!)

6.4  Ermittlung der Kräfte und Bewegungen

Bemessungswerte der Kräfte und Bewegungen für den Nachweis der Elastomerverzerrungen nach [DIN EN 1337, 2005], Abschnitt 5.3.3 Nach Anhang O des [DIN-FB 101, 2009] sind die Bemessungswerte der Bewegungen aus Kriechen und Schwinden unter Ver­

481

größerung der mittleren Kriech- und Schwindbeiwerte nach [DIN-FB 102, 2009] bzw. [DIN-FB 104, 2009] mit dem Faktor 1,35 zu ermitteln. Dieser Faktor ist kein Teilsicherheitsbeiwert, sondern führt zu Fraktilwerten der Kriech- und Schwind­ beiwerte.

Tabelle 6.4.2-3  Bemessungswerte der Kräfte und Bewegungen für die Lager der Quers­chnitts­ variante 1 AV [kN] Maximale Auflagerkraft Lager A und zug ϑ 1,35(1+2)+1,0*3+1,0*4+1,5*(5+10) max A +1,35*0,8*16 1,35(1+2)+1,0*3+1,35*4+1,5*(5+10) zug. ϑ +1,35*0,8*16 Maximale Auflagerkraft Lager B und zug ϑ 1,35(1+2)+1,0*3+1,0*4+1,5*(7+11) max B +1,35*0,8*17 1,35(1+2)+1,0*3+1,35*4+1,5*(7+11) zug. ϑ +1,35*0,8*17 Maximale Verdrehung Lager A und zug. Av zug. A 1,35*(1+2)+1,0*3+1,0*4+1,5*(5+8) (EK1) +1,35*0,8*17 max ϑ 1,35*(1+2)+3+1,35*4+1,5*(5+8) (EK 1) +1,35*0,8*17 zug. A 1,0*(1+2)+1,0*3+1,0*4+1,5*(6+9) (EK 2) +1,35*0,8*16 max ϑ 1,0*(1+2)+3+1,35*4+1,5*(6+9) (EK 2) +1,35*0,8*16 Maximale Verdrehung Lager B und zug. Bv zug B 1,35(1+2)+1,0*3+1,0*4+1,5*(5+8) (EK 1) +1,35*0,8*17 max ϑ 1,35*(1+2)+3+1,35*4+1,5*(5+8) (EK 1) +1,35*0,8*17 zug B 1,0*(1+2)+1,0*3+1,0*4+1,5*(6+9) (EK 2) +0,8*1,35*16 max ϑ 1,0*(1+2)+3+1,35*4+1,5*(6+9) (EK 2) +1,35*0,8*16 Horizontale Verschiebung für Lager A und B max v 1.0(3)+1.35*(4)+1.5*(14)

BV [kN]

ϑB vA ϑA vB [10-3] [10-3] [mm] [mm]

4141,6 Lager A 0,83

8894,9 Lager B -0,65

3622,6 -1,72 Lager A 1863,4 3,97

7547,9 1,30 Lager B 5885,0 -2,58 Lager A und B

75,9

47,9

482

6  Lagerung

Tabelle 6.4.2-4  Bemessungswerte für die Kräfte und Bewegungen der Lager der Quer­schnitts­ variante 2 AV [kN] Maximale Auflagerkraft Lager A und zug ϑ 1,35(1+2)+1,0*4+1,5*(5+10) max A +1,35*0,8*(14+0,75*16) 1,35(1+2)+1,35*4+1,5*(5+10) zug. ϑ +1,35*0,8*(14+0,75*16) Maximale Auflagerkraft Lager B und zug ϑ 1,35(1+2)+1,o*4+1,5*(7+11) max B +1,5*0,8*(0,35*15+17) 1,35(1+2)+1,35*4+1,5*(7+11) zug. ϑ +1,35*0,8*(0,35*15+17) Maximale Verdrehung Lager A und zug. Av zug. A 1,35*(1+2)+1,0*4+1,5*(5+8) (EK1) +1,35*0,8*(0,35*15+17) max ϑ 1,35*(1+2)+1,35*4+1,5*(5+8) (EK 1) +0,8*1,35*(0,35*15+17) zug. A 1,35*(1+2)+1,0*4+0*(6+9) (EK 2) +1,35*(14+0,75*16) max ϑ 1,35*(1+2)+1,35*4+0*(6+9) (EK 2) +1,35*(14+0,75*16) Maximale Verdrehung Lager B und zug. Bv zug B 1,35(1+2)+1,0*4+1,5*(5+8) (EK 1) +1,35*0,8*(0,35*15+17) max ϑ 1,35(1+2)+1,35*4+1,5*(6+9) (EK 1) +1,35*0,8*(0,35*15+17) zug B 1,35(1+2)+1,0*4+1,5*(5+8) (EK 2) +1,35*0,8*(0,35*15+17) max ϑ 1,0(1+2)+1,35*4+1,5*(6+9) (EK 2) +1,35*0,8*(14+0,75*16) Horizontale Verschiebung für Lager A und B 1.35(1+2)+1.35*(4) max v +1.35*(18+0.75*17)

Bemessung der Lager unter Querschnitt 1 (Massiv) Es wurden unverankerte Lager nach [DIN EN 1337-3, 2005] mit den untenstehenden Geometrien gewählt und der summarische Elastomerverzerrungsnachweis geführt.

BV [kN]

ϑA [10-3]

ϑB vA vB [10-3] [mm] [mm]

2885,6 Lager A -4,48

6697,5 Lager B 1,70

2428,7 -9,16 Lager A 1442,5 -2,11

5383,8 4,41 Lager B 5424,4 -2,08

Lager A und B

46,3

27,6

Bemessung der Lager unter Querschnitt 2 (Verbund) Es wurden unverankerte Lager nach [DIN EN 1337-3, 2005] mit den untenstehenden Geometrien gewählt und die summarische Elastomerverzerrung ermittelt.

6.4  Ermittlung der Kräfte und Bewegungen

483

Tabelle 6.4.2-5   Summarische Elastomerverzerrung für die Lager der Querschnittsvariante 1 Lagerbemessung – QS 1, Lager A Fz,d – ϑ Quer­ schnitt 1 max max zug Lager A – max – zug – max a [mm] 400 400 400 b [mm] 500 500 500 aʹ [mm] 392 392 392 bʹ [mm] 492 492 492 n 9 9 9 t [mm] 11 11 11 s [mm] 4 4 4 [kN] 4141,6 4141,6 1863,4 Fz [mm] 75,9 75,9 75,9 vx [rad] 3,97E-03 8,30E-04 3,97E-03 ϑa A [mm²] 200000 200000 200000 Aʹ [mm²] 192864 192864 192864 [mm²] 155521 155521 155521 Ar S 9,92 9,92 9,92 [N/ Gd 0,8 0,8 0,8 mm²] 5,035 5,035 2,265 εc,d 0,767 0,767 0,767 εq,d 0,292 0,061 0,292 εαx,d Σε 6,093 5,863 3,324

Fz,d – ϑ max max zug – max – zug – max [mm] 500 500 500 [mm] 600 600 600 [mm] 492 492 492 [mm] 592 592 592 6 6 6 [mm] 11 11 11 [mm] 4 4 4 [kN] 8894,9 8894,9 5885 [mm] 47,5 47,5 47,5 [rad] 2,58E-03 6,50E-04 2,58E-03 [mm²] 300000 300000 300000 [mm²] 291264 291264 291264 [mm²] 263144 263144 263144 12,21 12,21 12,21 [N/ 0,8 0,8 0,8 mm²] 5,189 5,189 3,433 0,720 0,720 0,720 0,444 0,112 0,444 6,353 6,021 4,597

Querschnitt 1 Lager B a b aʹ bʹ n t s Fz vx ϑb A Aʹ Ar S Gd εc,d εq,d εαx,d Σε

Bild 6.4.2-5   Anteile bei zugehörigen/maximalen Rechenwerten für die Querschnittsvariante 1

484

6  Lagerung

Tabelle 6.4.2-6  Summarische Elastomerverzerrung für die Lager der Querschnittsvariante 2 Lagerbemessung – QS 2, Lager A Nsd - ϑ Quer­ schnitt 2 max max zug Lager A – max – zug – max a [mm] 350 350 350 b [mm] 450 450 450 aʹ [mm] 342 342 342 bʹ [mm] 442 442 442 n 6 6 6 t [mm] 11 11 11 s [mm] 4 4 4 [kN] 2885,6 2885,6 2428,7 Fz [mm] 46,3 46,3 46,3 vx ϑa

[rad]

A Aʹ Ar S

[mm²] [mm²] [mm²]

Gd εc,d εq,d εαx,d Σε

[N/ mm²]

9,16E-03 4,48E-03 9,16E-03

a b aʹ bʹ n t s Fz vx

[mm] [mm] [kN] [mm]

Nsd – ϑ max max zug – – max – zug max 450 450 450 550 550 550 442 442 442 542 542 542 4 4 4 11 11 11 4 4 4 6697,5 6697,5 5383,8 27,6 27,6 27,6

ϑb

[rad]

4,41E-03 1,70E-03

[mm²] [mm²] [mm²]

Quer­ schnitt 2 Lager B

157500 151164 130699 8,76

157500 151164 130699 8,76

157500 151164 130699 8,76

A Aʹ Ar S

0,8

0,8

0,8

Gd

4,723 0,702 0,773 6,198

4,723 0,702 0,378 5,803

3,976 0,702 0,773 5,450

εc,d εq,d εαx,d Σε

[mm] [mm] [mm] [mm]

[N/ mm²]

4,41E-03

247500 239564 224605 11,07

247500 239564 224605 11,07

247500 239564 224605 11,07

0,8

0,8

0,8

5,052 0,627 0,923 6,602

5,052 0,627 0,356 6,035

4,061 0,627 0,923 5,611

Bild 6.4.2-6   Anteile bei zugehörigen/maximalen Rechenwerten für die Querschnittsvariante 2

6.4  Ermittlung der Kräfte und Bewegungen

Zusammenfassung der Ergebnisse dieser Beispiele für den Nachweis der summarischen Elastomerverzerrung In den Beispielen wurden die Bildungsre­ geln für die Ermittlung der Kräfte und Be­ wegungen aufgezeigt und untersucht, ob die Verwendung zugehöriger Werte bei der Bildung der Einwirkungskombinationen für die Lagerbemessung eine Optimierung der erforderlichen Lagergröße ermöglicht. Es wurden mögliche Variationen zwi­ schen den Rechenwerten der Auflagerkraft und der Verdrehung untersucht. Auf die Berücksichtigung zugehöriger Werte bei den Lagerverschiebungen wurde nicht ein­ gegangen, da die maßgeblichen Einwir­ kungen, welche Verschiebungen hervorru­ fen, entweder ständiger Natur sind (Vor­ spannung, Kriechen und Schwinden) oder keine Interaktion mit der Vertikallast und Verdrehung aufzeigen (gleichmäßige Ab­ kühlung/Erwärmung). In den ermittelten Summen der Elasto­ merverzerrung dominiert die Summe der Verzerrungen aus Vertikallast und Ver­ schiebung die Gesamtsumme bei Weitem. Aus diesem Grund zeigt die Verwendung zugehöriger Werte kein signifikantes Er­ gebnis, die ermittelten Summen verringern sich nur geringfügig. Auch wenn diese Aussagen keine Allgemeingültigkeit haben, da sie nur an diesen

485

zwei Beispielen verifiziert wurden, verdeutlichen sie die Empfehlung, die Berechnung mit den Maximalwerten zu führen. Nachweis der Verdrehungsgrenzbedingung oder „Klaffen in der Lagerfuge“ Für den Nachweis der Verdrehungsgrenz­ bedingung oder „Klaffen der Lagerfuge“ (Abs. 5.3.3.6 von [DIN EN 1337-3:2005]) werden die Verformungen vz,d, ϑa,d und ϑb,d benötigt, wobei sich die Verformung vz,d als Lagerstauchung aus Fz,d berechnet. Nachweis: �

 ntFz,d a� θ a,d + b � θ b,d  + � � Gd S  Eb A� 

Dieser Nachweis ist im Grenzzustand der Tragfähigkeit zu führen. Der linke Term der Gleichung ergibt vz,d und der rechte Term wird im Folgenden mit vα,d bezeichnet. Die ungünstige Konstellation für diesen Nachweis besteht in einer geringen verti­ kalen Einsenkung (geringe Auflast) und einer großen Verdrehung. Es stellt sich da­ bei wiederum die Frage, ob Maximalwerte oder zugehörige Werte verwendet werden können. Diese Fragestellung wird ebenfalls am o. g. Beispiel untersucht.

Tabelle 6.4.2-7  Bemessungswerte der minimalen Auflagerkraft und der zugehörigen Verdrehung, Querschnittsvariante 1 Minimale Auflast Av und zug. Verdrehung min A 0,95*(1+2)+1,0*3+1,0*4+1,5(6+9)+1,35*0,8*17 1611,8 Lager A zug ϑ 0,95*(1+2)+3+1,35*4+1,5*(6+9)+1,35*0,8*17 2,71 Minimale Auflast Bv und zug. Verdrehung min B 0,95*(1+2)+1,0*4+1,0*3+0*(6+9)+1,35*16 4303,6 Lager B zug ϑ 0,95*(1+2)+3+1,35*4+1,5*16 -1,13

486

6  Lagerung

Tabelle 6.4.2-8  Nachweis „Klaffen der Lagerfuge“, Querschnittsvariante 1 Quer­ schnitt 1 Lager A a b aʹ bʹ n t s Fz ϑa vz,d vα,d

[mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [kN] [rad] [mm] [mm]

Nsd – ϑ min min zug – – max – zug max 400 400 400 500 500 500 392 392 392 492 492 492 9 9 9 11 11 11 4 4 4 1611,8 1611,8 1863,4 3,97E-03 2,71E-03 3,97E-03 2,52 2,52 2,91 0,52 0,35 0,52

Quer­ schnitt 1 Lager B a b aʹ bʹ n t s Fz ϑb vz,d vα,d

[mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [kN] [rad] [mm] [mm]

Nsd – ϑ min min zug – max – zug – max 500 500 500 600 600 600 492 492 492 592 592 592 6 6 6 11 11 11 4 4 4 4303,6 4303,6 5885,0 2,58E-03 1,13E-03 2,58E-03 2,12 2,12 2,90 0,42 0,19 0,42

Tabelle 6.4.2-9  Bemessungswerte der minimalen Auflagerkraft und der zugehörigen Verdrehung, Querschnittsvariante 2 Minimale Auflast Av und zug. Verdrehung 0,95*(1+2)+4+1,5*(6+9)+1,35*0,8 min A *(0,35*15+17) 0,95*(1+2)+1,35*4+1,5*(6+9) zug ϑ +1,35*0,8*(0,35*15+17) Minimale Auflast Bv und zug. Verdrehung min B 0,95*(1+2)+4+1,35*(14+0,75*16) zug ϑ 0,95*(1+2)+1,35*4+1,35*(14+0,75*16)

649,5 Lager A -3,11 2807,4 0,45

Lager B

Tabelle 6.4.2-10  Nachweis „Klaffen der Lagerfuge“, Querschnittsvariante 2 Quer­ schnitt 2 Lager A a b aʹ bʹ n t s Fz ϑa vz,d vα,d

[mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [kN] [rad] [mm] [mm]

Nsd – ϑ min min zug – max – zug – max 350 350 350 450 450 450 342 342 342 442 442 442 6 6 6 11 11 11 4 4 4 649,5 649,5 2428,7 9,16E-03 3,11E-03 9,16E-03 1,06 1,06 3,98 1,04 0,35 1,04

Quer­ schnitt 2 Lager B a b aʹ bʹ n t s Fz ϑa vz,d vα,d

[mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [kN] [rad] [mm] [mm]

Nsd – ϑ min min zug – max – zug – max 450 450 450 550 550 550 442 442 442 542 542 542 4 4 4 11 11 11 4 4 4 2807,4 2807,4 5383,8 4,41E-03 4,50E-04 4,41E-03 1,31 1,31 2,51 0,65 0,07 0,65

6.6  Planungsunterlagen

Zusammenfassung der Ergebnisse für den Nachweis „Klaffen der Lagerfuge“ Der Nachweis des Klaffens der Lagerfuge ließ sich im untersuchten Beispiel nicht im­ mer mit den Maximalwerten erfüllen. Der Abstand zwischen Lagerstauchung aus Normalkraft und Lagerstauchung aus Ver­ drehung vergrößert sich bei Verwendung der zugehörigen Werte erheblich, sodass die Verwendung zugehöriger Werte zur Er­ füllung der Nachweisbedingung sinnvoll ist. Da dieser Nachweis bei kleinen Aufla­ sten, die durch Verkehrslaststellungen mit entlastender Wirkung auch bei Tragwerken kleiner Stützweite entstehen können, oft nicht erfüllbar ist, wurde für verankerte La­ ger ein Mindestwert für Fz/A ' von 3 N/mm² festgelegt. Im vorliegenden Beispiel würde für die Variante Minimalwert/Maximal­ wert auch dann der Nachweis nicht erfüllt, da eine Pressung von 3,6 N/mm² vorhan­ den ist.

6.5  Lagerwiderstände Lager erzeugen entweder Rückstellkräfte (Verformungslager), die proportional zu den Verschiebungen sind, oder Reibungs­ kräfte (Gleitlager, Rollen­lager), die propor­ tional zu den Vertikalkräften sind. Diese Lagerwiderstände wirken über den Über­ bau auf die unverschieblichen Lager ein und sind bei deren Auflager­reaktionen zu berücksichtigen. Alle verdrehbaren ­Lager weisen Rückstell­momente bzw. Rei­ bungsmomente auf, deren Wirkungen auf Über- und Unterbauten ebenfalls be­ rücksichtigt werden müssen, oft aber auch vernachlässigt werden können. Die von der Bauart und dem Material beziehungs­ weise Mat­er­ ialpaarungen abhängigen Wi­ derstände sind in den Normen der je­ weiligen Lager (vgl. Tab. 6.1-3) angegeben. Da die Bewegungs- und Verformungs­ widerstände von einer Vielzahl von Fak­

487

toren abhängig sind, wird der Geltungs­ bereich der in den entsprechenden Teilen der Europäischen Norm angegebenen Werte eingeschränkt. Die Verwendung der angegebenen Widerstände setzt voraus, dass die Lager nicht folgenden Einflüssen ausgesetzt sind: • Temperaturen außerhalb der definierten Grenzen, • Geschwindigkeiten der Verschiebungen und Verdrehungen, die nicht vom Ver­ kehr herrühren (also nicht für Erd­ beben), • Verschmutzung in den Kontaktflächen. Bei Lagerungen mit Festpunkten ist die am Festpunkt angreifende horizontale Stütz­ kraft aus dem Widerstand des gesamten Lagerungssystems zu bestimmen. Dabei ist zu beachten, dass die Kräfte die aus den ­Widerständen resultieren, teils günstig und teils ungünstig wirken. Bei der Berechnung sind deshalb die günstig und ungünstig wirkenden Bemessungswerte der ständigen Lasten für die Ermittlung der horizontal angreifenden Stützkraft infolge Reibung­ bei Bewegungslagern zu berücksichtigen. Bei Verwendung von bewehrten Elas­ tomerlagern aus unterschiedlicher Herstel­ lung trifft dies für die unterschiedlichen Schubmoduli zu. Die Widerstände der Lager und Erd­ bebenvorrichtungen bei Erd­beben­be­an­ spruchungen hängen von der Stärke des Bebens und der konkreten Verformungs­ charakteristik ab. Diese ­sind nur durch Ver­ suche ermittelbar ­und ­müssen vom Lager­ hersteller erfragt werden.

6.6  Planungsunterlagen Die Wahl der Lagerung und die Auswahl und Anordnung der Lager für eine Brücke erfordern eine Zusammenarbeit zwischen Bauherrn, Planer, Bauausführenden und

488

Lagerhersteller. Dieser Sachverhalt findet auch während der Planung der Brücke ­seinen Niederschlag. Dokumentiert wird dies durch den Lagerungsplan, den Lager­ versetzplan und die Lagerliste. Nach [DIN EN 1337-1] sollte der Lagerungsplan fol­ gende Angaben enthalten: a) Brücke im Grundriss mit Darstellung der Lager (Symbole) b) Details in den Lagerungspunkten c) Art der Lager an jeder Stelle d) Eine Tabelle, in der die Anforderungen für jedes Lager aufgelistet sind e) Details zum Lager und zum Einbau und Ausbau In der gegenwärtigen Praxis beinhaltet der Lagerungsplan im Entwurfs- und Bau­ werksplan die Angaben a) und d). Während der Ausführungsplanung wird dieser vor­ liegende Plan konkretisiert. Das im Detail konkrete Lager und der Lagerhersteller sind bekannt. In dieser Phase wird der

6  Lagerung

­ agerversetzplan angefertigt, der auch die L Angabe b) erfüllt. Für die Anfertigung der Lagerstatik durch den Lagerhersteller ist eine Lagerliste erforderlich. Die Erstellung der genannten Unterlagen ist Aufgabe des Tragwerkspla­ ners. Der Lagerhersteller entwirft die de­ taillierten Lagerpläne nach Anfertigen der Lagerstatik, welche die Anforderungen e) erfüllen. Die Lagerliste muss alle erforderlichen Bemessungswerte der Kräfte und Be­ wegungen für die maßgebenden Kombina­ tionen der beiden Grenzzustände für die Nachweisführung der Lager beinhalten. In der Regel können die Lager für die Maxima von Kraft und Bewegung ausgelegt werden. Wird die Wirtschaftlichkeit dabei beeinträchtigt, dann sind auch zugehörige Werte erforderlich. Letzteres ist vor allem bei torsionsweichen Überbauquerschnitten zu beachten. Am Beispiel der Einfluss­ flächen von offenen und geschlossenen Querschnitten bei Durchlaufträgern wird

Bild 6.6-1   Einflussfläche für die Auflagerkraft einer Dreifeldbrücke mit offenem (torsionswei­ chem) Querschnitt [Ramberger, 2002]

Bild 6.6-2   Einflussfläche für die Auflagerkraft einer Dreifeldbrücke mit geschlossenem (torsions­ steifen) Querschnitt [Ramberger, 2002]

6.7  Messungen von Kräften und Bewegungen an Lagern

in den Bildern 6.6-1 und 6.6-2 der Unter­ schied verdeutlicht. Da die Nachweisführung der Lager alle Verbindungen im Lager und alle Ausrüs­ tungselemente umfasst, sind auch die cha­ rakteristischen Werte der Lagerkräfte und Bewegungen aus jeder Einzeleinwirkung in die Lagerliste aufzunehmen. Für die ge­ nannten Elemente können andere Kombi­ nationen maßgebend werden.

6.7  Messungen von Kräften und Bewegungen an Lagern Lager sind Bauteile, deren Funktionsfähig­ keit nur bei sorgsamer Behandlung gewähr­ leistet ist. Zur Absicherung der Trag- und Funktionsfähigkeit werden vor den Über­ einstimmungserklärungen oder Zulassun­ gen die Bauteile Lager geprüft und während der Produktion laufend überwacht. Die Prüfungen werden unter definierten Rand­ bedingungen ausgeführt. Verhaltensstu­ dien zur Wirkungsweise unter realen Be­ dingungen und Einwirkungen können nur durch Messungen an Lagern im Bauwerk mit begleitenden Messungen am Bauwerk geführt werden. Dabei sind die Kräfte und Bewegungen von Interesse. Messungen von Kräften oder Pressun­ gen an den Lagerpunkten sind nur wenige bekannt. Obwohl sensorbestückte (mei­ stens Topf-) Lager zur Auflagerkraftmes­ sung angeboten und auch verschiedentlich eingebaut wurden, sind Messergebnisse nicht zugänglich. Da bei Stahlbrücken mit tor­sionsweichen Querschnitten mehrfach Schäden zum Beispiel an den Endquerträ­ gern festgestellt wurden, wird dem Problem der Herstellung der planmäßigen Lage­ rungsbedingungen, also einer auflagerkraft­ gesteuerten Einlagerung bei diesen oder auch bei Brücken mit geometrisch kompli­ zierten Grundrissen mehr Aufmerksamkeit gewidmet. Eine Auswertung der dabei ge­ messenen Auflagerkräfte ohne Korrektur,

489

die durch die IFF Engineering & Consul­ ting GmbH, Leipzig, zur Verfügung gestellt wurden [IFF, 1992-97], ergab bei den ge­ nannten Tragwerksarten trotz sorgfältig geodätischer Ausrichtung der Lagerpunkte Abweichungen von den gerechneten Auf­ lagerkräften von 50 bis 200%. Zurzeit wer­ den von Bergmeister [Bergmeister, 2001] umfangreiche Messungen, einschließlich Kraftmessungen, an Brücken der Brenner­ autobahn vorgenommen. Messungen von Verschiebungen und Verdrehungen an Lagern im Bauwerk wur­ den meist zur Validierung der Bedingun­ gen der Zulassungsversuche und zur Er­ mittlung von aufsummierten Gleitwegen zur Abschätzung der Lebensdauer durch­ geführt. Angaben dazu sind in [Ibac F 195, 1984, Ibac F 192, 1990, Hakenjos, 1985 und IBL Nr. 804, 1977] zu finden. Summarisch wurde dabei festgestellt, • dass die Aufsummierung der kurzzeiti­ gen, aus Verkehrsbelastung resultieren­ den Bewegungen gegenüber den Tempe­ raturbewegungen den größeren Anteil am aufsummierten Gleitweg haben. • dass die Reibungsbeiwerte unter den re­ alen Temperatur- und Lasteinwirkungen eine starke Streubreite haben, deren Auswirkung auf die Lebensdauer der ­Lager noch nicht hinreichend bekannt ist. In [Weitsch, 2002] werden Messungen von Verschiebungen und Verdrehun­gen an ­Lagern während der Überfahrt eines LkW’s mit bekannter Konfiguration, Last und ­Geschwindigkeit ausgewertet und analogen Rechenergebnissen gegenübergestellt. ­Weitere Verformungsmessungen an Lagern unter Verkehr sind aus der Literatur nicht bekannt, so dass die Messungen von Weitsch gegenwärtig nur als Trend gewertet werden können. Gemessen wurde an den Lagern der Talbrücke über die Schwarza, einer neunfeldrigen einteiligen Stahlverbund­ brücke mit einer maximalen Höhe über

490

6  Lagerung

Bild 6.7-1   Lage der Messstellen im Lagerungsplan. Die ausgefüllten Lager wurden gemessen.

Erfurt 55 m

75 m

80 m

85 m

85 m

L1131

Schwarza

675 m

85 m

Schweinfurt 80 m

70 m

60 m

Bild 6.7-2   Längsansicht der Talbrücke über die Schwarza

Gelände von 65 m. Der Lagerungsplan mit der Angabe der gemessenen Lager ist im Bild 6.7-1 dargestellt. Alle Lager der Brücke sind Kalottenlager. Die Längsansicht der Brücke ist im Bild 6.7-2 dargestellt. Zum Zeitpunkt der Messungen standen die Brückenbauarbeiten kurz vor dem ­Abschluss. Fahrbahnübergangskonstruk­ tionen, Kappen und die endgültige Fahr­ bahn­decke waren noch nicht fertig gestellt. Die Messungen wurden bei unterschiedli­ chen Geschwindigkeiten des Testfahr­zeugs geführt. Es wurde bei Schrittgeschwindig­ keit, 10 km/h, 30 km/h und 50 km/h gemes­ sen. Zusätzlich wurden Langsamfahrten mit einem jeweiligen 15 s Halt in den ­einzelnen Feldmitten durchgeführt. Der Messzeitpunkt war im Mai bei einer mitt­ leren Außentemperatur von 26 °C mit ­starker Sonneneinstrahlung. Bei den Rota­ tionen sind folgende Ergebnisse erzielt worden: • Der Verdrehungsverlauf an den einzel­ nen Lagerpunkten ist von der Fahrzeug­ geschwindigkeit (10 bis 50 km/h) unab­

hängig. Auch ein Halt in den Feldmitten und ein 15-sekundiges Einwirken der Last zeigt keine Veränderungen. Ledig­ lich die dynamischen Anteile sind ge­ schwindigkeitsabhängig. • Zwischen Rechnung und Messung wer­ den gute Übereinstimmungen erzielt. Die Rechnung wurde im Gesamttrag­ werksmodell allerdings ohne Lager­ widerstände geführt. Im Bild 6.7-3 ­werden die Ergebnisse für die Lager­ achse 50 dargestellt. Die Brückenlängs­ achse ist als x-Achse definiert. Die Messungen der Verschiebungen in Achsrichtung konzentrieren sich auf die Lager am Widerlager Achse 0. Da im Mess­ zeitraum die Bauwerkstemperaturen stie­ gen, sind die Verschie­bungen Überlage­ rungen aus Temperatur und Verkehr. Dabei sind folgende Ergebnisse von Interesse: • Die Verschiebungen zeigen eine starke Abhängigkeit vom Fahrverhalten. So­ wohl die unterschiedlichen Geschwin­ digkeiten als auch Zwischenhalte führen zu unterschiedlichen Ergebnissen.

6.7  Messungen von Kräften und Bewegungen an Lagern

491

Bild 6.7-3   Gemessene und gerechnete Lagerverdrehungen bei Achse 50 um die y-Achse

• Der Einfluss des Fahrverhaltens ist ge­ genwärtig rechnerisch nicht realistisch ermittelbar. Im Bild 6.7-4 wird ein Messergebnis bei Überfahrt in Schrittgeschwindigkeit dar­ge­ stellt, wobei an den markierten Stellen die ungeplante Überfahrt eines unbeladenen Baustellenfahrzeugs die Verschiebungen beeinflusst. Die auftretende Treppenlinie wurde bei derartigen Ereignissen stets be­

obachtet. Aus diesen Darstellungen ist deutlich zu erken­nen, dass die Verkehrs­ einflüsse die Längsverschiebun­gen infolge Tempe­ratur stören. In der Regel kommt es zum kurzzeitigen Stillstand der Längsver­ schiebungen. Im Bild 6.7-5 wird die gemessene Ver­ schiebung bei einer Überfahrt des Testfahr­ zeugs mit 30 km/h dargestellt. Diese Mess­ ergebnisse zeigen einen relativ kontinuier­ lichen Verschiebungsverlauf.

Bild 6.7-4   Horizontalverschiebung Achse 0 bei Schrittgeschwindigkeit und Störung durch ein Baustellenfahrzeug

492

6  Lagerung

Bild 6.7-5   Horizontalverschiebung Achse 0 bei einer Überfahrt mit 30 km/h

Alle dargestellten Messergebnisse sind Einflusslinien der Verformungen der an­ gegebenen Lager.

6.8  Inspektion und Instandhaltung der Lager und Lagerungen Lager und Lagerungen sind so zu entwer­ fen, dass die Lager inspiziert, gewartet und wenn erforderlich ausgewechselt werden können. Dieser Grundsatz, in EN 1337, Teil 1 formuliert, ist seit mehr als 30 Jahren in Deutschland Praxis. Die Inspektion der Lager und Lagerung erfolgt, sofern kein ­besonderer Anlass vorliegt, im Rahmen der Überwachung und Prüfung der Brücken, für die es seit 1930 in Deutschland die DIN 1076 gibt. Mehrfach aktualisiert und durch Richtlinien begleitet, stellt diese Norm eine wesentliche Grundlage im Er­ haltungssystem der Brücken dar. Dem speziellen Problemkreis der In­ spektion und Instandhaltung der Lager ist zusätzlich die EN 1337, Teil 10 gewidmet. Dort werden allgemeine Anforderungen und spezielle Kontrollen für einzelne

­Lagerarten und deren messtechnischen Er­ fassung sowie ein Vorschlag zur Dokumen­ tation als Muster gegeben. Die grundlegenden Anforderungen an die Lagerung sind entsprechend Abschnitt 6.2 eine dauerhaft sichere Übertragung der Stützkräfte sowohl vertikal als auch in der Lagerungsebene und eine dauerhaft zwän­ gungsarme Realisierung der Bewegungen. Die Inspektion der Lagerung kann in der Regel nur die Bewegungen in der Lage­ rungsebene umfassen. Die Prüfung der Stützkräfte erfordert eine entsprechende Ausrüstung. Die Verschiebungen in der Lagerungs­ ebene werden bei gelagerten Tragsystemen dominant von der Bauwerksmitteltempera­ tur infolge klimatischer Einwirkungen und bei Betonbrücken zusätzlich vom zeitab­ hängigen Kriech- und Schwindverhalten verursacht. Die Aufnahme des Ist-Zustan­ des der Lagerverschiebungen erfordert des­ halb zwingend die gleichzeitige möglichst kontinuierliche Aufnahme der Schatten­­ außenlufttemperatur. Die Bauwerksmitteltemperatur wird von geometrischen, baustoffspezifischen und

6.8  Inspektion und Instandhaltung der Lager und Lagerungen

klimatischen Parametern beeinflusst und ist deshalb nicht direkt über die Schatten­ außenlufttemperatur ermittelbar. Die Methode der Verschiebungs­messung ist abhängig von der Lagerart und der Aus­ rüstung des Lagers. Der „Ist-Zustand“ der Verschiebungen bei der vorhandenen ­Bauwerksmitteltemperatur ist mit dem Sollzustand bei gleicher Bauwerksmittel­ temperatur zu vergleichen. Die Ermittlung des Sollzustands setzt die Kenntnis eines definierten Anfangszustands voraus. Zu diesem Zweck wird in DIN EN 1337, Teil 11 für die einzelnen Lager die Nullmessung zum Zeitpunkt des Funktionsbeginns mit der jeweiligen aktuellen Luft und/oder ­Bauwerkstemperatur und deren Doku­ mentation gefordert. Ein sachgerechter Einbau der Lager ist für die dauerhafte Funktion der Lagerung über die erwartete Lebensdauer von aus­ schlaggebender Bedeutung. Die Dokumen­ tation des Nullzustands beim Einbau hat für die Inspektion allerdings eine vergleich­ bare Bedeutung. Im Abschnitt 10.2.8 wer­ den hinsichtlich des Einbaus von Lagern weitere Aspekte beleuchtet. Treten beim Vergleich des Ist- und Soll­ zustands der Verschiebungen Unregel­ mäßigkeiten an einem oder mehreren La­ gern auf, dann ist in der Regel die Ursache im Verformungsverhalten des Tragwerks zu suchen. Derartige Ursachen können sein: • Bei der Ermittlung der Lagerbewe­ gungen wurden die Wirkungen des Ge­ samtsystems nicht beachtet. • Es sind Bewegungen an Widerlagern oder Stützen/Pfeilern durch unplan­ mäßige Setzungen im Baugrund aufge­ treten. • Bei der Ermittlung der Bewegungen wurde die Steifigkeit der Unterbauten nicht berücksichtigt. Während in den beiden ersten Fällen meist eine Lagerinstandsetzung erforderlich

493

wird, führt der letztgenannte Fall in der Regel ­lediglich zur Überbemessung des ­Lagers. Die Verdrehungen der Lager in der ­Lagerebene werden durch die direkten Überbaulasten und dem linearen Tempera­ turgradienten im Überbau bestimmt. Ein „Nullzustand“ der Verdrehung ist kaum ­definierbar. Je nach Material und Herstel­ lungsart wurde der Überbau aus ästhe­ tischen Gründen vorgekrümmt eingelagert. Die Lager werden aber gerade eingebaut. Die Kontrolle der Verdrehungen reduziert sich somit auf die Messung der aktuellen Verdrehungen des Lagers. Die Messung der Verdrehung ist wieder von der Lagerart ab­ hängig, in DIN EN 1337, Teil 10 sind dafür einige Hinweise gegeben. Die Stütz- oder Auflagerkräfte sind bei den Hauptprüfungen nur messbar, wenn die Brücke mit Kraftmesslagern ausgerüstet wurde. Diese Lager sind meist als Topflager im Angebot, werden jedoch nur in be­ sonderen Fällen eingesetzt. Bei diesen ­Lagern wird über einen Drucksensor im Elastomer auf die Kraft geschlossen. In der Regel beschränkt sich aber die Inspektion stützkraftseitig auf die visuelle Kontrolle der Lager. Eine funktionsfähige Lagerung setzt funktionsfähige Lager voraus. Die Inspek­ tion der Lager erfordert deshalb zusätzliche prinzipielle und lagerartspezifische Kon­ trollen, wie zum Beispiel: Allgemeine Aspekte • Ausreichende verbleibende Bewegungs­ fähigkeit, in Abhängigkeit von der La­ gerart und der aktuellen Bauwerkstem­ peratur • Sichtbare Mängel am Lager • Sichtbare Mängel an den angrenzenden Bauteilen • Korrosionsschutz • Lagerbettung und -verankerung • Zustand der Gleit- und Rollflächen

494

6  Lagerung

Bild 6.8-1  Pressenansatz auf Hilfsgerüst, Trag­ werk abgelassen

Bild 6.8-2  Pressenansatz auf Pfeiler, Tragwerk ausgehoben

• Zustand und Funktionsfähigkeit der Festhaltungen.

Der überwiegende Teil der genannten ­ aßnahmen kann nur im entlasteten oder M ausgehobenen Zustand des Tragwerks aus­ geführt werden. Der Aushub kann zwar zu Verkehrseinschränkungen, jedoch sollte er nicht zu Verkehrssperrungen führen. Das Anheben des gelagerten Bauteils zum Aus­ wechseln von Lagern ist im Rahmen der Regelungen für die Einwirkungen auf ­Brücken [DIN-FB 101, 2009] als typische Einwirkung definiert. Das Anhebemaß, die Bemessungssituation und die zu berück­ sichtigenden Verkehrslasten sind geregelt. Weitere mögliche Einwirkungen können Bewegungen oder Horizontal­kräfte infolge des aktuellen Verformungszustands des Tragwerks sein. Dafür sind Hinweise in EN 1337, Teil 10 gegeben. Die Pressen zum Aushub sind in der ­Regel auf den Pfeilern und Widerlagern a­nzuordnen. Demzufolge ist dies bei der Geometriewahl des Entwurfs zu berück­ sichtigen. In exponierten Fällen kann der Pressenansatz auf den Pfeilerfundamenten vorgesehen werden, was dann ein boden­ ständiges Gerüst zum Aushub erforderlich macht. Die Instandsetzung von Lagern bedarf in jedem Fall besonderer Fachkunde und ist meist mit erheblichem manuellem Auf­ wand verbunden. Langlebige, nutzungsund verschleißarme Lagerkonstruktionen sind deshalb immer vorzuziehen.

Lagerartabhängige Aspekte • bei Gleitteilen mit PTFE Elementen die Messung der Spalthöhe zwischen der Gleitplatte und der Trägerplatte • bei Elastomerlagern die visuelle Kon­ trolle der Gleichmäßigkeit der Verfor­ mungen und eventueller Risse • bei Topflagern die Messung der in Ver­ drehrichtung gegenüberliegenden Ab­ stände zwischen Topf und Deckel • bei Rollen und Kalottenlagern die Mes­ sung der Verdrehwinkel • bei Führungen die Messung des größten Spiels der Gleitfuge Sind bei der Prüfung der Lagerung und der Lager Mängel aufgetreten, so müssen diese beseitigt werden. Die Instandsetzung von Lagern kann bein­ halten: • Eine Lagekorrektur der Lager • Die Auswechslung des gesamten Lagers oder einzelner Teile • Erneuerung oder Ergänzung des Korro­ sionsschutzes • Unterstopfarbeiten • Risssanierung bei oberflächigen Elasto­ merrissen

7  Unterbauten

Ursula Freundt

7.1  Überblick Unterbauten von Brücken umfassen die Widerlager, Stützen und Pfeiler sowie deren Gründungen. Bei kleinen und mittleren Brücken beträgt der Aufwand für die Unterbauten bis zu 60% des Gesamtaufwands. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit einer gründlichen rechnerischen und konstruktiven Durcharbeitung. Die wesentliche Funktion der Unterbauten ist die Lagerung des Überbaus und die Weiterleitung der Kräfte an die Gründung. Die Lagerung umfasst die stützenden Elemente eines Bauwerks und die Art und Weise, wie diese Elemente wirken. Je nach Lagerungsart werden zwischen Überbau und Unterbau Verschiebungen und Verdrehungen freigegeben oder verhindert. Alle Einwirkungen auf den Überbau, sowohl die vertikalen und horizontalen Lasten als auch die Reaktionen der Verformun­gen, müssen in die Gründung abgeleitet werden. Dafür stehen viele Ausbildungsformen zur Verfügung. Dies betrifft die feste Verbindung des Überbaus mit den Widerlagerwänden oder Stützen und Pfeilern, die gelenkige Verbindung oder der Einsatz von Bauteilen, den Lagern, die Verdrehungen zwischen zwei Bauteilen ermöglichen, Lasten übertragen und Verschiebungen ermöglichen oder verhindern. Zu den Unterbauten einer Brücke gehören demzufolge auch die Bogen, die den Überbau stützen. Darauf wird im Abschnitt 5.4 Bogenbrücken eingegangen. Die Lager als Bauteile werden im Kapitel 10, Abschnitt 10.2 beschrieben. Mit dem Entwurf der

Brücke und der Wahl des statischen Systems wird auch die konkrete konstruktive Form der Unterbauten entschieden. Sie sind wesentliche Elemente der Gestaltung. Die Lagerungsebene ist in der Regel zwischen Über- und Unterbau angeordnet. Allerdings kann diese, zum Beispiel bei Bogen- oder Rahmenbrücken, auch zwischen Unterbau und Gründung liegen.

7.2  Widerlager 7.2.1  Definition, Aufgaben und Konstruktionsprinzip Der Fachterminus Widerlager geht auf die Zeit der Wölbtragwerke zurück. „Zwischen feste Widerlager werden elastische, gegen unzulässige Verformungen widerstandsfähige Gewölbe gespannt“ [Melan, 1948]. Die Aufgabe der Widerlager war damit deutlich beschrieben und sie hat auch heute für Bogenbrücken Bestand. Die Widerlager von Bogenbrücken haben die Aufgabe, die Käm­p­ ferkraft aufzunehmen und weiter­zuleiten. Sie sind somit die Fortsetzung des Bogens und ihre Form wird vordergründig durch die Gründungsverhältnisse bestimmt. Heute steht der Begriff Wider­lager für das Abschlussbauwerk an Brücken­enden, unabhängig von Tragwerksart und Gestaltung. Die Widerlager bilden die Endauflagerung von Brücken und den Beginn des weiterführenden Verkehrsdamms. Diese Doppelfunktion charakterisiert ihre Aufgabe, ihre Beanspruchung und ihre kons­ truktive Ausbildung.

496

Bild 7.2-1   Kastenförmiges Widerlager – Prinzipdarstellung

Als Endauflagerung der Brücken übernimmt das Widerlager die vertikalen und horizontalen Lasten aus dem Überbau. Dafür eignen sich wandartige Elemente, das Bauteil wird deshalb auch Widerlagerwand genannt. Die Widerlagerwand ist gleichzeitig Stützbauwerk für den im Geländesprung beginnenden Verkehrsdamm und übernimmt den Erddruck. Im Böschungsbereich sind weitere Bauteile erforderlich, die den zur Verkehrsführung erforderlichen Erdkörper abschließen. Sie werden Flügel genannt, und da ihre

7  Unterbauten

Aufgabe die Übernahme des Erddrucks aus dem Damm ist, eignen sich auch dafür wandartige Elemente. Die Lastabtragung der einzelnen Bauteile des Widerlagers ­erfolgt über die Gründung in den Baugrund. Die in der Gesamtheit entstehende räumlich gegliederte Kons­truktion bildet das Widerlager. Bild 7.2-1 veranschaulicht das erläuterte Prinzip anhand eines kasten­ förmigen Widerlagers. Am fertigen Bauwerk dominieren die Böschungsgestaltung und die Gesamtansicht der Brücke. Die Bauteile des Wider­ lagers sind nur bedingt sichtbar. Bild 7.2-2 zeigt ein Widerlager im Endzustand mit entsprechender Ausstattung (Böschungstreppe, Entwässerungsmulde) Als Baustoff kommt praktisch nur noch Stahlbeton zur Anwendung. Zur Verbesserung der optischen Wirkung im Rahmen der Bauwerksgestaltung werden häufig Verblendungen aus Natursteinen oder künst­ lichen Steinen (Klinker) ausgeführt. Kons­ truktionen aus unbewehrtem Beton, Naturstein oder Klinker werden nur noch selten und für kleinere Durchlassbauwerke ausgeführt.

Bild 7.2-2   Widerlager einer Balkenbrücke im Endzustand

7.2  Widerlager

497

7.2.2  Anordnung von Widerlagerwand und Flügeln – Widerlagerarten Die Vielfalt der bestehenden konstruktiven Formen der Widerlager hängt von der Trassenführung des Verkehrswegs (schiefe oder gekrümmte Führung), der Art des unterführten Verkehrswegs bzw. des über­führten Verkehrswegs (Schiene, Straße bzw. Ge­ wässer oder Tal), der Tragwerksart und­ der Bauhöhe der Brücke, der Höhe des ­Erddamms und der Tragfähigkeit des Baugrunds ab. Widerlager sind auch Gestaltungselemente der Brücke und somit Teil ihrer Formensprache. Die Anordnung der Flügelwände bestimmt die Grundform des Widerlagers. Im Bild 7.2-3 sind die prinzipiellen Flügelstellungen im Bezug zur Brückenlängsachse dargestellt. Danach unterscheidet man ­Parallelflügel, Schrägflügel und Bösch­ ungsflügel (senkrecht zur Längsachse). Es gibt natürlich die Möglichkeit, unterschiedliche Flügelanordnungen zu kom­ binieren. Im Bild 7.2-4 ist ein kleineres Durchlassbauwerk mit Schrägflügeln dargestellt. Für den Übergang zum Straßendamm sind zusätzliche Parallelflügel er­ forderlich. Bild 7.2-5 zeigt das gleiche

Bild 7.2-3   Flügelformen und Böschungsformen

­ auwerk im teilweise eingeschütteten B ­Zustand. Für das Widerlager mit Parallelflügeln bestimmt die Länge der Flügelwand die Art des Widerlagers. Steht die Widerlagerwand am Böschungsfuss, werden die Flügel meist so lang, dass sie eine Gründung benötigen und es entsteht ein Kastenwider­lager nach Bild 7.2-2. Wird das Widerlager nahe der Dammkrone angeordnet, sind die Flügelwände kurz und können als Krag­flügel an die Widerlagerwand angehängt werden. Die so entstehende Form wird einfaches Widerlager genannt. Bild 7.2-6 zeigt prinzipiell die Möglichkeiten.

Bild 7.2-4   Durchlassbauwerk mit Schrägflügeln und Parallelflügeln für den Übergang zum Straßendamm

498

7  Unterbauten

Bild 7.2-5   Bauwerk hinterfüllt vor dem Einbau der Straßenbefestigung

Die Anordnung der Widerlager hat e­inen dominanten Einfluss auf die Ge­ staltung des Gesamttragwerks und die Eingliederung in das Landschaftsbild. Große Flügelwände führen zu einer Torwirkung der Brücke. Kleine Flügelwände fügen die Brücke in die Landschaft ein. Mit der ­größeren Stützweite sind jedoch auch ­höhere Baukosten verknüpft. Schräg- oder Böschungsflügel bilden den Abschluss für die Böschung unmittelbar am Widerlager. Die Ausbildung eines Böschungskegels wie bei Widerlagern mit Parallelflügeln entfällt. Sie kommen häufig bei kleineren ­rahmenartigen Tragwerken zur Anwendung. Die Flügelwände werden

meist als eigenständige Bauteile ausgeführt und durch eine Raumfuge von der Widerlagerwand getrennt. Die Querschnittsform und die Geome­ trie im Grundriss von Widerlagern sind von den dargestellten funktionellen Parametern abhängig. Die Breite des Wider­lagers wird durch die Konstruktion des Überbaus bestimmt. Die Länge der Flügel ist von der Böschungsneigung und der Anordnung der Widerlagerwand abhängig. Wirtschaftlichkeitsüberlegungen und die zunehmende Technisierung führen zu Weiterentwicklung und Sonderformen auch im Bereich der Widerlager. Stellvertretend seien hier das Spundwandwider­ lager sowie die Bohrpfahlwand genannt. In beiden Fällen wird das eigentliche Gründungsbauteil so ausgebildet, das es die Funktion der Dammsicherung und Lastab-

Bild 7.2-6   Anordnung von Widerlagern im Böschungsbereich

Bild 7.2-7   Prinzip der Schneidenlagerung auf Spundbohlen (HOESCH-Bauweise)

7.2  Widerlager

499

tragung aus dem Überbau übernimmt. Am Kopf der Bohrpfahl- oder Spundwand wird ein Betonbalken ausgeführt, der die Funktion der Auflagerbank übernimmt. Bild 7.2-7 zeigt das Prinzip der so genannten Schneidenlagerung auf Stahlspundbohlen. Die Bohrpfahlwand kann als offene bzw. geschlossenen Wand ausgebildet werden. Im ersten Fall sind zusätzliche Wandelemente (Vorsatzschale o. ä.) erforderlich, um das Erdreich der Hinterfüllung zu sichern, (Bild 7.2-8). Widerlager sind Gestaltungselemente der Brücke und somit Teil ihrer Formenspra­che. Zu diesem Zweck bieten auch Beton­ober­ flächen und Schalungsstruktur, sowie Verblendungen mit künstlichen oder natür­ lichen Steinen umfangreiche Möglichkei­ten. Die Gestaltung wird mit dem Entwurf der

Bild 7.2-8   Bohrpfahlwiderlager einer Rahmenbrücke mit Kolkschürze

Brücke, vielfach aber auch nach einem Gestaltungskonzept für alle Brücken eines Tras­ senabschnittes entschieden. Bild 7.2-9 zeigt aus [DEGES, 1996] beispielhaft eine Flügelverblendung mit Natursteinmauerwerk.

konische Schalung

vertikale Schalung

horizontale, gehobelte Brett- oder Betonplanschalung 1.00

1.00 Geländerendfeld senkrechte, sägerauhe Brettschalung

horizontale, sägerauhe Brettschalung 45º sägerauhe Brettschalung

regelmäßiges Schichtenmauerwerk mit unregelmäßigen Schichtenhöhen 20–35 cm

Ansicht Flügelwand

Bild 7.2-9   Gestaltungskonzeption Widerlager für eine Balkenbrücke [DEGES, 1996]

500

7.2.3  Konstruktion der Bauteile 7.2.3.1  Widerlagerwand Die Widerlagerwand besteht aus der aufgehenden Wand und bei gelagerten Konstruktionen einer Auflagerbank und einer erdseitigen hinter dem Überbauende angeordneten Kammerwand (Bild 7.2-10). Die Tiefe der Auflagerbank in der Lagerebene wird durch die Konstruktion des Überbaus und seinem notwendigen Bewegungsspielraum bestimmt. Die Querschnittsform und Bauweise (Stahl, Spannbeton) des Überbaus bestimmen die erforderliche Längenentwicklung über die Auflagerlinie hinaus. Dabei entstehen Widerlagertiefen, die als Wandquerschnitt für die Abtragung der Lasten nicht erforderlich sind. Es erfolgt eine rückseitige Verjüngung der Wand. Bei großen Talbrücken mit hohen Überbauquerschnitten und entsprechen-

7  Unterbauten

der Ausladung hinter der Auflagerlinie ist die Ausbildung einer massiven Wandkonstruktion unwirtschaftlich und sie wird deshalb aufgelöst. Der so entstandene Hohlraum bietet Platz für den Zugang zur Lagerebene. Den oberen Teil der Widerlagerwand bildet die Auflagerbank, welche die Auflagerkräfte aus dem Überbau in die Wider­ lagerwand einleitet. Die lokale Lastaufnahme und Verteilung führt zu Beanspruchungen, für die sowohl die Betonqualität als auch die Bewehrungsanordnung ausgelegt sein muss. Dies wird bei der Berechnung der Unterbauten im Abschnitt 8.6. näher erläutert. Konstruktiv sind die Anordnung und Geometrie der Lager sowie der erforderlichen Pressenaufstandsflächen zum späteren Auswechseln der Lager zu beachten. Der Platzbedarf ist vor allem bei schiefwinkligen Grundrissen nicht zu unterschätzen (Bild 7.2-11).

Bild 7.2-10   Widerlagerwand bei gelagerten Überbauten

Bild 7.2-11   Auflagerbank mit Lagersockel und Pressenaufstandsflächen

7.2  Widerlager

501

Bild 7.2-12   Kammerwand und Überbauabschluss

Der Schutz des Überbaus vor der Hin­ terfüllung des Widerlagers erfolgt durch die Anordnung einer so genannten Kammerwand. Die Funktion und die konstruktive Ausbildung der Kammerwand hängt von den Verschiebungen und Verdrehungen des Überbauendes ab. Bei kleinen Stützweiten bis etwa 15 m und der Anordnung eines längsfesten Lagers sind als Relativbewegungen zwischen Überbau und Unterbau nur die Verdrehungen des Überbauendes zu realisieren, z. B mit einer Fugenausbildung entsprechend Bild 7.2-12. Bei größeren Stützweiten und damit größeren Überbauhöhen und bei der Anordnung eines längsbeweglichen Lagers werden die Bewegungen so groß, dass spezielle Fahrbahnübergangskonstruktionen erforderlich werden, die in der Kammerwand verankert sind. Bei Übergangskon­ struktionen mit Dehnlängen über 80 mm ist eine Wartung dieser Bauteile aus der unteren Ebene sinnvoll. Die Kammerwand wird in diesem Fall so angeordnet, dass ein begehbarer Wartungs- und Kontrollgang gebildet wird. Bei Überbaukonstruktionen aus vorgespanntem Beton befinden sich an den Überbauenden die Verankerungen der Spannglieder. Das bedeutet, dass die Kammerwand erst nach dem Aufbringen der Vorspannung betoniert werden kann. Dies birgt einige technologische und ­bewehrungstechnische Probleme, die bei der Planung zu beachten sind. Bei einer monolithischen Verbindung von Wider­

lagerwand und Überbau, wie bei Rahmenbrücken, oder bei der Ausbildung eines Betongelenks bei kleinen Stützweiten ­entfällt die Kons­truktion der Kammerwand, da die Schutzfunktion nicht er­ forderlich ist. Die aufgehende Widerlagerwand zeigt keine konstruktiven Besonderheiten. Die Breite richtet sich nach dem Querschnitt der Brücke. Bei großen Widerlagerbreiten ist die Ausbildung von Fugen erforderlich, um Zwangsbeanspruchungen kontrolliert abzubauen. Bei getrennten Überbauten erfolgt meist auch eine klare Trennung der Unterbauten durch eine Raumfuge. Die Anordnung und konstruktive Ausbildung der Fuge sollte mit großer Sorgfalt erfolgen, da sie immer eine Schwachstelle in der Konstruktion hinsichtlich Dauerhaftigkeit bildet. Obwohl die Widerlagerwand in ihrer konstruktiven Ausbildung prinzipiell dargestellt werden kann, ist ein Widerlager wie auch eine Brücke immer eine „Einzelanfertigung“. Ein Planer wird einige Details übernehmen können, das komplette Widerlager nie. In gleicher Weise gibt es auch Sonderlösungen, die wegen ihrer Vielfalt hier nicht dargestellt werden können. Unter 7.2.2 wurden stellvertretend das Spundwand­ widerlager und die Bohrpfahlwand erwähnt. Eine weitere Lösung der Herstellung von Widerlagerwänden bietet die Bauweise aus bewehrter Erde. Dabei werden im Dammbaumaterial zusätzliche stabilisie-

502

rende Bauelemente, z. B. Geogitter, als Bewehrung angeordnet. Über dieses Stützbauwerk können bei entsprechender Dimensionierung die Lasten aus dem Überbau abgetragen werden. In [bau-zeitung, 1994] werden Widerlager aus bewehrter Erde als wirtschaftliche Konstruktion für eine Eisenbahnbrücke beschrieben. Grund der Anwendung war ein setzungsempfindlicher Baugrund. Gestaltungsfragen stehen bei diesen Kons­truktionen den Tragsicherheitsfragen nach. 7.2.3.2  Flügel Aufgaben und Flügelformen wurden bereits beschrieben. Flügel werden in der Regel in die Widerlagerwand eingespannt. Dadurch wird eine statisch günstige Beanspruchung erreicht, die wirtschaftliche Konstruktionen erlaubt. Bei großen Flügellängen und vor allem bei Anordnung von Schräg- oder Böschungsflügeln ist dies allerdings nicht mehr gegeben. Die Flügel

7  Unterbauten

sollten dann von der Widerlagerwand durch eine Raumfuge getrennt werden. Es entstehen eigenständige Flügelbauwerke als Stützmauern. Durch Anordnung einer Schubverbindung, wie Querkraftbolzen oder einer verzahnten Raumfuge, Bild 7.2-13, werden unterschiedliche Wandbewegungen senkrecht zur Wandebene zwischen den einzelnen Bauteilen vermieden. Das bei Parallelflügeln in den Damm geführte Flügelende wird dem Böschungsverlauf entsprechend schräg ausgeführt. Um eine ordnungsgemäße Verdichtung der später einzubauenden Hinterfüllung zu gewährleisten, wird diese Schräge unter einem Winkel von ≥ 60° ausgebildet. Bei Winkeln 125 t/m2

0,5   0,45 0,4 Geradlinig einzuschalten 0,4   0,35 0,3

t/m2

0,5   0,45 0,4

IV

8.1  Einwirkungen auf Brücken

Fahrzeug für die höchste Brückenklasse eingeführt. Zur Be­rücksichtigung der weiteren Zunahme der Fahrzeuglasten und des Verkehrsaufkommens wurden in der Neu­ fassung der DIN 1072 im Jahr 1985 die Lastbilder grundsätzlich beibehal­ten, für die höchste Brückenklasse 60/30 war jedoch neben dem SLW 60 in der Hauptspur zusätzlich ein SLW 30 in der Nebenspur zu berücksichtigen, s. Bild 8.1-2. Statistische Untersuchungen, die im Auftrag des Bundesverkehrsministeriums vom Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit, dem Institut für Stahlbau der RWTH Aachen [Sedlacek/Jacquemond, 1984] und dem In­stitut für Massivbau der TH Darmstadt [König/Gerhardt, 1985] durchgeführt wurden, zeigten, dass die Zu­nahme des Schwerlastverkehrs zu Veränderungen in

523

Bild 8.1‑1   Lastmodelle nach DIN 1072, Ausgabe April 1941

Bild 8.1‑2   Lastmodelle nach DIN 1072, Ausgabe 1985

524

8  Berechnung

Tabelle 8.1-2   Übersicht über nationale Normen mit Angaben zu Einwirkungen Norm

Bezeichnung

Geltungsbereich

DIN 1072

Verkehrslasten für Straßen­brücken

Deutschland bis 30.04.2003

DS 804

Eisenbahnbrücken

Deutschland bis 30.04.2003

DIN Fachbericht 101

Einwirkungen auf Brücken

Deutschland ab 01.05.2003

ÖNORM B 4002 RVS 15.114

Straßenbrücken

Österreich ab 1970 ab 1999

SIA 160

Einwirkungen auf Tragwerke

Schweiz

ab 1989

BS 5400-2 und BD 57

Specification of Loads; Loads for Highway Bridges

England

ab 1978 ab 1988

AASMTO

Bridge Design Specification

USA

ab 1994

den Fahrzeugkollektiven führte. Darüber hinaus war die Problematik der Ermüdung, die insbesondere bei Stahl- und Stahl­ver­ bundbrü­cken nicht vernachlässigt werden kann, bis dato ebenso wenig im Vorschriftenwerk berück­sichtigt worden wie wirklichkeitsnahe Ansätze zur Berücksichtigung der Fahrbahnuneben­heiten bei der Berechnung der Schwingbeiwerte. Mit der absehbaren weiteren Erhöhung der zulässigen Achslasten bei Lkws und der signifikanten Zunahme der genehmigungspflichtigen Schwertransporte wurde der Anstoß zu einer Fortschreibung der Lastnorm für Straßenbrücken gegeben. Anders

als bei Bahnbrücken, für die bereits eine europäische Lastnorm in den achtziger Jahren vorlag, wurde 1992 für Straßenbrü­cken erstmals im ersten Entwurf des EUROCODE 1, Teil 3: Verkehrslasten auf Brücken [EC-1, 1991] eine einheitliche europäische Lastnorm vorgestellt. Dem darin enthaltenen Lastkonzept, das auf statistischen Untersuchungen zur Definition der Lastmodelle basiert, wurde der Verkehr bei Au­xerre auf der Autobahn Paris – Lyon zugrunde gelegt [Nather, 1993]. Zur Auswertung der Daten und zur Simulation der dynamischen Effekte wurden mittels numerischer Simulationsprogram-

Tabelle 8.1-3   Charakteristische Merkmale des Auxerre – Verkehrs [Nather, 1993] Fahrspur 1

Fahrspur 2

24 Std.

8158

1664

Schwerverkehrsfluss 24 Std.

2650

153

Fahrzeugfluss

Verteilung der Lkw-Typen im Schwerverkehrsfluss: Zweiachser

22,7 %

27,6 %

Dreiachser

  1,3 %

  3,5 %

Sattelschlepper

65,2 %

58,4 %

Lkw mit Anhänger

10,8 %

10,5 %

8.1  Einwirkungen auf Brücken

me für Zeitschritt-Berechnungsverfahren folgende Punkte untersucht: • dynamisches Verhalten unterschiedlicher Brücken, • dynamische Charakteristiken der Fahrzeuge, • Einfluss von Fahrbahnunebenheiten, • Einfluss von unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Ziel der Untersuchungen war die Defini­ tion äquivalenter Lastmodelle und Regellasten, mit denen der reale Verkehr umfassend abgebildet werden kann. Im Jahr 1991 wurde CEN mit der Erarbeitung der EUROCODES beauftragt mit dem Ziel, ein in sich schlüssiges Gesamt­werk von Lastnormen EC-1 und Bemessungsnormen EC-2 Stahl- und Spannbeton, EC-3 Stahl und EC-4 Verbund zu entwickeln. Der erste Entwurf wurde Anfang 1992 vorgestellt. Im Gegensatz zu den früheren Normenwerken ist in den Fahrzeuglasten des DINFachberichts 101 [DIN-FB 101, 2003] und der europäischen Lastnorm [EC-1, 1991], sowohl in den Ein­zel- als auch in den Flächenlasten, die dynami­sche Wirkung bereits enthalten. Lediglich für die Ermüdungsnachweise ist der Einfluss der Stoßwirkung im Bereich der Fahrbahnübergänge zusätzlich zu berücksichtigen. Bei den Lasten aus Eisenbahnverkehr wird hingegen ein dynamischer Lasterhöhungsfaktor beibehalten.

8.1.2  Grundlagen In der Praxis ist es nicht möglich, die Bauwerke mit den realen Belastungen aus der Bauwerksnutzung zu berechnen. Es sind deshalb Regellastbilder zu definieren, die der Bemessung der Bauwerke zugrunde zu legen sind. [Rackwitz, 1996] erläutert die Grundlagen zur Ermittlung von Regellastbildern, worauf hier verwiesen wird. Er weist darauf hin, dass die Regellasten nicht

525

die Lasten infolge außergewöhnlicher Schwertransporte abdecken. Solche Sondertransporte, die die nach der Straßenverkehrsordnung zulässigen Lasten überschreiten, sind genehmigungspflichtig. In der Genehmigung sind die auf der Brücke für den Sondertransport zulässige Geschwindigkeit mit zu regeln. Außerdem ist festzulegen, ob die Fahrt über die Brücke nur im Alleingang erfolgen darf und welche Fahrzeugabstände einzuhalten sind. Mit dem [DIN-FB 101, 2003] wurde im Mai 2003 in Deutschland erstmals eine Lastnorm für Brücken eingeführt, die alle Arten von Straßen-, Eisenbahn- und Gehund Radweg­brücken umfasst. Der DINFachbericht 101 stellt die Umsetzung des europäischen Normenkonzepts [EC-1, 1991] in das nationale für Deutschland gültige Normenwerk dar. Die Unterschiede zu den zukünftigen Lastnormen in ande­ren europäischen Ländern beschränken sich auf die „boxed values“ (gerahmte Werte), z. B. die α-Faktoren, mit denen die charakteristischen Werte der Lasten modifiziert werden, weshalb auf die Darstellung weiterer Lastnormen hier verzichtet wird. Grundlage der Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit und im Grenz­ zustand der Gebrauchstauglichkeit ist das semiprobabilistische Sicherheitskonzept [DIN 1055–100, 2001], das auch die Basis für die Bemessungsnormen in den DINFachberichten 102, 103 und 104 bildet. Eine detaillierte Darstellung der Grund­ lagen hierzu ist z. B. in [Rackwitz, 1996], [Spaethe, 1992], [ Schueller, 1996], [Mehlhorn, 1998] enthalten. Damit ist ein in sich schlüssiges Si­cherheits- und Nachweiskonzept gegeben. Maßgebend für die Definition der Lasten aus der Nutzung einer Brücke durch Straßen-, Eisenbahn- oder Geh- und Radverkehr sind die charakteristischen Werte. Sie werden in der Regel auf statistischer Grund­lage, d. h. aufgrund einer begrenzten Überschreitungswahrscheinlichkeit für

526

eine Brücke wäh­rend ihrer üblichen Nutzungszeit als Fraktilwerte definiert. Hiervon abgeleitet werden nicht häufige Werte, mit einer Wiederkehrperiode von einem Jahr, häufige Werte, mit einer Wiederkehrperiode von einer Woche sowie quasiständige Werte, mit deren Auftreten jeder­ zeit zu rechnen ist. Diese Werte werden durch Multiplikation der charakteristischen Wer­te mit α-Faktoren berechnet, vgl. [DIN-FB 101, 2009]. Die Bemessungswerte erge­ben sich durch Multiplikation der charakteristischen Werte mit den je­ weili­gen Teil­sicher­heitsbeiwerten, die in Tabelle 8.1-4 angegeben sind. Für die Ermittlung der maßgebenden Bemessungsschnittgrößen sind maßgebende Bemessungssituationen und kritische Last-

8  Berechnung

fälle zu definieren. Für die Überlagerung der Schnittgrö­ßen aus den einzelnen Lastfällen werden für die zu führenden Nachweise Kombinationsregeln definiert. Beispiele hierfür sind die Überlagerung von veränderlichen vertikalen und horizon­talen Lasten durch die Festlegung von Verkehrslastgruppen, vgl. [DIN-FB 101, 2009], dort Tabelle 4, oder die Regelungen zur Über­lagerung mehrerer veränderlicher Einwirkungen aus Straßen- und Eisen­bahn­ver­kehr. Für die Beschreibung der in der Realität hochkomplexen Temperatureinwirkungen wird in [DIN-FB 101, 2009] ein gegenüber den früheren Vorschriften erweiterter Ansatz gewählt. Die Grundlagen hierzu werden im Abschnitt 8.7.1 erläutert. Bei der Überlagerung der Lastfälle in den Bemes-

Tabelle 8.1-4  Teilsicherheitsbeiwerte für Einwirkungen: Grenzzustände der Tragfähigkeit für Straßenbrücken nach [DIN-FB 101, 2009] Einwirkungen

Bezeichnung

Bemessungssitua­tion S/V

A

Dauernde Einwirkungen: Eigenlasten der tragenden und nichttragenden Bauteile, dauernde Einwirkungen des Baugrundes, Grundwasser und Wasser Ungünstig günstig

γGsup γGinf

1,35 1,00

1,00 1,00

Horizontaler Erddruck aus Boden und Auflast

γGsup

1,50

–

Vorspannung

γP

1,00

1,00

Setzungen

γGset

1,00

–

Verkehr Ungünstig günstig

γQ

1,50 0

1,00 0

Andere variable Einwirkungen Ungünstig günstig

γQ

1,50 0

1,00 0

Außergewöhnliche Einwirkungen

γA

–

1,00

S: Ständige Bemessungssituation V: Vorübergehende Bemessungssituation A: Außergewöhnliche Bemessungssituation

8.1  Einwirkungen auf Brücken

527

Tabelle 8.1-5   Bemessungswerte für Einwirkungen zur Anwendung bei Einwirkungskombina­ tionen Bemessungs­ situation

Ständige Einwirkungen Gd

Unabhängige veränderliche Außergewöhnliche Einwirkungen Qd Einwirkungen und Einwirkung infolge Erdbeben

Ständig und vorübergehend

γG · Gk ; (γP · Pk)

Vorherr­ schende

Andere

γQ1 · Qk1

γQi · φ0i · Qki

Außer­­­­ gewöhnlich

γGA · Gk  ; (γPA · Pk)

φ11 · Qk1

φ2i · Qki

γA · Ak oder Ad

Erdbeben

Gk

φ21 · Qk1

φ2i · Qki

γ1 · AEd

sungssituationen sind die Kombinationsregeln zu beachten. 8.1.3  Einwirkungen aus dem Bauwerk • Eigenlast • Vorspannung • Kriechen und Schwinden Bei den Einwirkungen aus dem Bauwerk handelt es sich um ständige Einwirkungen, d. h. Einwirkungen mit sehr niedriger Belastungsgeschwindigkeit. Die Eigenlast der Konstruktion wird aus dem Volumen der Bauteile, multipliziert mit ihrer Wichte ermittelt. Die hierbei anzusetzenden cha­ rakteristischen Werte können z. B. [DIN 1055-1, 2002] entnommen werden: Die Vorspannung mittels hochfester Spannglieder aus Stahl oder in Sonderfällen aus Glas- oder Kohlefasermaterial wird im Wesentlichen im Betonbrückenbau eingeTabelle 8.1.6   Rechenwerte der Wichten zur Ermittlung der Eigenlasten Stahlbeton

γ = 25 kN/m3

Holz

γ = 4 – 8 kN/m3

Stahl

γ = 78,5 kN/m3

setzt, um einen den übrigen Einwirkungen entgegengesetzten Beanspruchungszustand zu erzeugen und so die geringe Betonzugfestigkeit zu kompensieren. Die Berechnung vorgespannter Konstruktionen ist ausführlich in [Mehlhorn, 1998] dargestellt, im Abschnitt 8.5 wird in diesem Buch darauf eingegangen, siehe auch Abschnitte 5.1 und 5.2.1. Deshalb werden hier nur die Unterschiede in den Einwir­kun­gen für die verschiedenen Arten der Vorspannung kurz dargestellt. Durch die Vorspan­nung werden Kräfte senkrecht und gegebenenfalls auch parallel zur Achse des Spannglieds an den Stellen hervorgerufen, an denen Beton und Spannglied miteinander in Kontakt sind, s. Bild 8.1-3. Technische Angaben zu den einzelnen Spannverfahren wie Reibungsbeiwerte, ungewollte Umlenkwinkel etc. sind den jeweiligen allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen zu entnehmen. Bei Betonbrücken treten in vielen Fäl­ len  Beanspruchungen aus Kriechen und Schwinden des Betons auf (s. Abschnitte 8.5.4 und 8.5.5). Hierdurch werden folgende Einwirkungen hervorgerufen: • Spannkraftverluste • Schnittgrößenumlagerung bei Änderung des statischen Systems von statisch unbestimm­ten Konstruktionen

528

8  Berechnung

Bild 8.1‑3   Kontaktwirkungen zwischen Beton und Spannglied; Kraftübertragung aus Vorspannung vom Spannglied auf den Beton

• Schnittgrößenumlagerung bei Setzungen oder Lagerbewegungen von statisch unbestimmten Konstruktionen Detaillierte Angaben zu dieser Thematik sind in [Mehlhorn, 1998] enthalten. Auch bei Holzbrücken haben die Einflüsse von Kriechen und Schwinden ganz erhebliche Auswirkungen auf die Schnitt­größen und Verformungen, vgl. hierzu [Neuhaus, 1994] und [Reyer/Benning, 1998], und dürfen nicht vernachlässigt werden.

8.1.4  Einwirkungen aus der Bauwerks­ nutzung Bei den Einwirkungen aus der Bauwerksnutzung wird unterschieden zwischen • ständigen Einwirkungen • veränderlichen Einwirkungen • außergewöhnlichen Einwirkungen Unter ständigen Einwirkungen sind die Lasten aus festen Einbauten wie Kappen, Dichtung, Fahrbahnbelag, Lampen, Gelän-

8.1  Einwirkungen auf Brücken

529

Bild 8.1‑4   Ständige Einwirkungen aus der Nutzung einer Straßenbrücke

dern, Energieversorgungs- und Signalan­ lagen etc. zusammengefasst. Veränderliche Einwirkungen beschreiben die Lasten aus der Nutzung unter normalen An­wendungs­ bedingungen aus Kraftfahrzeug-, Bahnoder Personenverkehr oder einer anderen Nutzung. Außergewöhnliche Einwirkungen beinhalten die Lasten aus Anprall von Fahrzeu­gen an tragende Bauteile, außergewöhnliches Auftreten und außergewöhnliche Stellung von Fahrzeuglasten. Nachfolgend sind für unterschiedlichste Nutzungen von Brücken die wesentlichen Einwirkungen aus der Nutzung zusammengestellt, detaillierte Informationen hierzu sind dem [DIN-FB 101, 2009] zu entnehmen. Auf weitere nationale Lastnormen wird nicht eingegangen, da absehbar ist, dass das Konzept der EUROCODES auch in den übrigen europäischen Ländern eingeführt werden wird. 8.1.4.1  Einwirkungen aus Straßenverkehr Die Einwirkungen aus Straßenverkehr sind im [DIN-FB 101, 2009], dort Kap. 4, definiert. Ständige Einwirkungen aus der Nutzung einer Straßenbrücke sind die Eigenlast des Fahr­bahnbelags, wobei nach­

[DIN-FB 101, 2009] für die Herstellung einer Ausgleichsgradiente 0,50 kN/m2 zusätzlich anzusetzen sind, die Eigenlast der Dichtung, der Kappen, der Leiteinrichtun­ gen und der übrigen vorgenannten festen Einbauten. Veränderliche Vertikallasten aus Fahrzeugverkehr sind in 3 Lastmodellen beschrieben. Die charakteristischen Werte der Lasten, s. Tabelle 8.1-7 und Bilder 8.1-5 bis -7, ergeben sich aus den Grundwerten des EC–1 durch Multiplika­tion mit Faktoren α, die der nationalen Regelung unterliegen. Lastmodell 1 Hauptlastmodell für die Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit Lastmodell 2 Lastmodell für die Bemessung von Einzelbauteilen Lastmodell 3 Lastmodell für Ermüdungsnachweise Lasten aus Militärfahrzeugen sind nach [STANAG, 1969] anzusetzen. Als veränderliche Horizontallasten sind zu berücksichtigen: • Brems- und Anfahrlasten • Zentrifugallasten

530

8  Berechnung

Tabelle 8.1-7   Grundwerte und angepasste Grundwerte der Verkehrslasten für Lastmodell 1 und 2 nach [DIN-FB 101, 2009] Stellung

Doppelachse Grundwert

αQi

Achslast Qik in kN

angepasster Grundwert

Gleichmäßig verteilte Last

Achslast αQi ⋅ Qik in kN

qik (oder qrk) in kN/m2

Fahrstreifen 1

300

0,8

240

9,0

Fahrstreifen 2

200

0,8

160

2,5

Fahrstreifen 3

   0

–

   0

2,5

Andere Fahrstrei­fen

   0

–

   0

2,5

Restfläche (qrk)

   0

–

   0

2,5

Bild 8.1‑5   Lastmodell 1 (Haupt-Lastmodell) nach [DIN-FB 101, 2009]

• Erddruck auf Widerlager und Fundamente infolge Verkehrslasten Zur Überlagerung von veränderlichen Vertikal- und Horizontallasten werden Verkehrslastgruppen definiert, s. [DIN-FB 101, 2009]. Als außergewöhnliche Einwirkungen sind folgende Horizontallasten • Anpralllasten an Pfeiler und andere stützende Bauteile

• • • •

Anpralllasten an Überbauten Anpralllasten auf Schrammborde Anpralllasten auf Schutzeinrichtungen Anpralllasten an tragende Bauteile

und zur Erfassung abirrender Fahrzeuge folgende Vertikallasten • Fahrzeuge auf Geh- und Radwegen zu berücksichtigen. Weitere typische Einwirkungen für Straßenbrücken sind:

8.1  Einwirkungen auf Brücken

531

Für die Bemessung von Einzelbauteilen ist eine Einzelllast Qfwk = 10 kN mit einer Aufstandsfläche von 10 cm × 10 cm anzuset­ zen. Sofern dies planmäßig vom Bauherrn vorgesehen ist, sind Dienstfahrzeuge zu berück­sichtigen. Als veränderliche Horizontallasten sind nach [DIN-FB 101, 2009] zu berücksichtigen: Bild 8.1‑6   Lastmodell 2 (Einzelachse) nach [DIN-FB 101, 2009]

• Einwirkungen auf Geländer • Lasten aus Ver- und Entsorgungsleitungen • Einwirkungen aus dem Anheben des Überbaus zum Auswechseln von Lagern 8.1.4.2  Einwirkungen aus Fußgängerund Radverkehr Ständige Einwirkungen sind wie bei einer Straßenbrücke die Eigenlast des Belags, die Eigenlasten der Kappen, der Geländer und der übrigen festen Einbauten. Veränderliche Vertikallasten sind in 2 Lastmodellen definiert. Das Hauptlastmodell sieht eine gleichmäßig verteilte Last qfk = 5,0 kN/m2 vor, die bei Geh- und Radwegbrücken mit Stützweiten von mehr als 10 m wie folgt abgemindert werden darf: 2,5 ≤ qk = 2,0 +

120 ≤ 5,0 in [kN/m2 ] Lsj + 30

• 10 Prozent der sich aus der gleichmäßig verteilten Vertikallast ergebende Gesamt­ last, • 60 Prozent des Gewichts des Dienstfahrzeugs. Außergewöhnliche Einwirkungen für Geh- und Radwegbrücken • Lasten aus Fahrzeuganprall an stützende Bauteile • Lasten aus Fahrzeuganprall an den Überbau • Unplanmäßige Anwesenheit von Fahrzeugen auf der Brücke. Das Lastmodell und die Lasten sind im Bild 8.1-8 definiert Dem dynamischen Verhalten von Gehund Radwegbrücken ist besondere Aufmerksamkeit zu schenken, da häufig Konstruktionen zum Einsatz kommen, die durch die Benutzer zu Schwingungen angeregt werden können. Dies wird im Abschnitt 8.7.2 behandelt.

mit qk = Verkehrslast Lsj = betrachtete Einzelstützweite

Bild 8.1‑7   Lastmodell 3 (Ermüdungslastmodell) nach [DIN-FB 101, 2009]

532

8  Berechnung

Bild 8.1‑8   Lasten für unplanmäßige Anwesenheit eines Fahrzeugs als außergewöhnliche Belastung einer Geh- und Radwegbrücke

8.1.4.3  Einwirkungen aus Eisenbahnverkehr Im Gegensatz zu den Straßenbrücken werden in [DIN-FB 101, 2009] die Verkehrslasten für Eisenbahnbrü­cken aus der [DS 804, 2000] nahezu unverändert aus dem bisherigen Vorschriftenwerk [DS 804, 2000] übernommen, da sie im Rahmen der

UIC bereits seit lan­gem in Europa harmonisiert sind. Für Straßenbahnen, Schmalspurbahnen, Zahnrad- und Standseilbahnen wird auf spezielle Regelungen verwiesen. Wie bei Straßenbrücken sind auch für Eisenbahnbrücken gesonderte Regelungen für die Ermittlung von Verkehrslastengruppen definiert.

Bild 8.1‑9   Ständige Einwirkungen aus der Nutzung einer Eisenbahnbrücke

8.1  Einwirkungen auf Brücken

Ständige Einwirkungen aus der Nutzung einer Eisenbahnbrücke resultieren wie bei Straßen­brücken aus den Kappen, der Fahrbahn (Schotter, feste Fahrbahn), Lärmschutzwänden und Fangvorrichtungen. Zusätzlich sind die eisenbahnspezifischen Einbauten wie Fahrleitung, Signale, Kabelkanäle und Kabel zu berücksichtigen. Die veränderlichen Vertikallasten werden in [DIN-FB 101, 2009] in den Lastmodellen UIC 71 für den Per­sonenverkehr und SW für den Schwerlastverkehr beschrieben. Für die Lastverteilung durch die Schiene sowie Schwellen und Schotter werden in [DIN-FB 101, 2009] Re­gelungen definiert. Die dynamische Wirkung des Eisenbahnverkehrs wird zum einen durch Multiplikation der charakteristischen Vertikallasten mit einem dynamischen Beiwert ϕ berück­ sichtigt. a) für sorgfältig unterhaltene Gleise

φ2 =

2,16 + 0,82 mit 1,00 ≤ Φ 2 ≤ 1,67 LΦ − 0,2

533

b) für Gleise mit normaler Unterhaltung

φ3 =

2,16 + 0,73 mit 1,00 ≤ Φ 3 ≤ 2,00 LΦ − 0,2

mit LΦ = maßgebende Länge in m gem. [DIN-FB 101, 2009], dort Tabelle 6.2 Darüber hinaus ist bei Eisenbahnbrücken die Gefahr von Resonanz und übermäßigen Schwingungen zu untersu­chen, vgl. [DIN-FB 101, 2009], dort Kap. IV und Anhänge E-H. Auf die Grundlagen des Schwingungsverhaltens von Brücken wird im Abschnitt 8.7.2 eingegangen. Als veränderliche Horizontallasten sind zu berücksichtigen: • Zentrifugallasten (Fliehkräfte) • Seitenstoß (Schlingerkraft) • Einwirkungen von Anfahren und Bremsen • Druck- und Sogwirkung aus Zugverkehr (aerodynamische Einflüsse) • Erddruck aus Verkehrslasten auf Widerlager und Fundamente Außergewöhnliche Einwirkungen aus Eisenbahnverkehr sind in zwei Bemessungs-

Bild 8.1‑10   Lastmodell 71 und charakteristische Werte der Vertikallasten für ein Gleis

Bild 8.1‑11   Lastmodell SW und charakteristische Werte der Vertikallasten der Lastmodelle SW für ein Gleis

534

situationen zur Berücksichtigung eventueller Entgleisungen anzusetzen:

8  Berechnung

stoß parallel zur Bauteil­oberfläche anzusetzen. In der Regel wird bei der Bemessung von Brü­ckenpfeilern eine stati­sche Ersatz• Bemessungssituation I: Entgleisungen last aus Schiffsstoß angesetzt. Zur Berückvon Eisenbahnfahrzeugen, bei denen die sichtigung der dynamischen Einflüsse werent­gleis­ten Fahrzeuge im Gleisbereich den die statischen Ersatzlasten durch Multi­ der Brücke bleiben plikation der dynami­schen Ersatzlasten mit • Bemessungssituation II. Entgleisung­ einem dynamischen Lastfaktor DLF, dessen ­von Eisenbahnfahrzeugen, bei denen die Wert zwischen 1,3 und 1,7 liegt, multiplientgleisten Fahrzeuge im Gleisbereich ziert. Tabelle 8.1-8 enthält die dynamischen auf ihrer Kante lie­gen bleiben und nicht Stoßlasten nach [DIN-FB 101, 2009]. von der Brücke fallen In Kraftwerken, im Tage- und Bergbau, Für die Bemessungssituation I und II in Industriebetrieben, Hafenanlagen etc. werden in [DIN-FB 101, 2009] bzw. [DIN  werden Band­brücken zum Transport von 1055-9, 2003] vertikale Ersatzlasten defi- Massengütern verwendet. Die anzusetniert. Als Horizontallasten sind anzuset- zenden Vertikal- und Hori­zontallasten aus zen: den Transportbändern einschließlich der damit beförderten Güter ist vom Hersteller, • Anpralllasten aus entgleisten Eisenbahnin der Regel ein Spezialmaschinenbauunfahrzeugen unter Tragwerken ternehmen im Einvernehmen mit dem • Anpralllasten aus Straßenfahrzeugen Bauherrn und dem Tragwerksplaner festunter der Brücke zulegen. • Fahrleitungsbruch Viele Brücken, insbesondere in innerWeitere Angaben zu außergewöhnlichen städtischen Bereichen, werden zur ÜberEinwirkungen sind in [Rackwitz, 1996] führung von Rohrleitungen genutzt, spe­ enthalten. zielle Rohrleitungsbrücken dienen aus­ schließ­lich diesem Zweck. Als Einwirkungen aus Rohrleitungen treten im Wesentlichen Vertikallasten aus der Eigen­last des 8.1.4.4  Sonstige Einwirkungen Rohrs und dessen Füllung auf. Daneben aus der Bauwerksnutzung können Horizontallasten aus Zwang infolge Bei Kanalbrücken und bei Brücken, die von Temperaturdifferenzen auftreten. Wasserstraßen mit Schiffsverkehr überqueren, sind Anpralllasten aus Schif­fen auf die Flusspfeiler und den Überbau zu berück- 8.1.5  Einwirkungen aus der Bauwerks­ sichtigen. Da die Größe der anzusetzen­den umgebung Einwirkungen von einer Vielzahl von Faktoren abhängt, ist hierüber mit der ver­ Unabhängig von der Konstruktion und ihantwortli­chen Wasser- und Schifffahrtsver- rer Nutzung als Verkehrsbauwerk sind Brüwaltung eine Festlegung zu treffen. Grund- cken Einwirkungen aus der Bauwerksumlagen hierzu sind in [Rackwitz, 1996], dort gebung ausgesetzt. Abschnitt 11, enthalten. Beim Schiffsstoß Temperatureinwirkungen werden in wird zwischen dem Frontalstoß in Fahrt­ [DIN-FB 101, 2009], dort Kapitel V, defirichtung und dem Flankenstoß recht­ niert. Hierauf wird im Abschnitt 8.7.1 dewinklig zur Fahrtrichtung und normal tailliert eingegangen. zur Bau­teilober­fläche unterschieden. Beim Setzungen von Fundamenten und das Flankenstoß ist gleichzeitig der Reibungs- Lageranheben zum Austausch von Brü-

8.1  Einwirkungen auf Brücken

535

Tabelle 8.1-8   Nennwerte für dynamische Stoßlasten Fdyn nach [DIN 1055-9, 2003] Wasserstraßen – Klasse a)

a

Dynamische Stoßlasten Frontal – Stoßlast FFdyn MN

Flanken – Stoßlast FLdyn MN

I

  2,0

  1,0

II

  3,0

  1,5

III

  4,0

  2,0

IV

  5,0

  2,5

Va

  8,0

  3,5

Vb/Via

10,0

  4,0

Vib

14,0

  5,0

Vic

17,0

  8,0

VII

20,0

10,0

Schiffs-Charakteristiken nach Wasserstraßen-Klassifikation (nach Europäische Kommission für Europa ECE, Hauptarbeitsgruppe Binnenschifffahrt Resolution Nr. 30.12 November 1992)

ckenlagern verursachen bei statisch unbestimmten Konstruktionen Schnittkräfte. Für das Anheben der Lager ist mindestens eine vertikale Verschiebung der Auflagerachse von 1 cm anzusetzen, sofern nicht konstruktionsbedingt ein höherer Wert erforderlich wird. Die prognostizierten Setzungen sind dem Bodengutachten zu entnehmen. Bei Stahl- und Stahlverbundbrücken kann das Absenken bzw. Anheben von Auflagerachsen zur Einbringung eines Zwangsmo­ments genutzt werden, das als Vorspannung wirkt. Windlasten sind im [DIN-FB 101, 2009], dort Anhang N, definiert. Schneelasten können bei Brücken in der Regel vernachlässigt werden. Sie sind bei über­dachten Brü­cken, Klappbrücken oder bei Nachweisen für Bauzustände zu berücksichtigen. Die charakte­ristischen Werte können [DIN 1055-5, 2007] entnommen werden. Erdbebenlasten sind in erdbebengefährdeten Gebieten zu berücksichtigen.

Hierauf wird im Abschnitt 8.7.3 gesondert eingegangen. 8.1.6  Bauzustände Im Bauzustand werden Brücken spezifischen Einwirkungen aus dem Bauverfahren und Bauablauf unterworfen, bei abschnittsweisem Bauen sind darüber hinaus verschiedene statische Systeme entsprechend den jeweiligen Bauzuständen zu unter­suchen. Die Einwirkungen in den Bauzuständen sind in jedem Einzelfall projektspezifisch zu definieren. Die Vertikallas­ ten resul­tieren insbesondere aus folgenden Ursachen: • Lagerung von Baumaterial, Rüstungen etc. auf dem Überbau • Betoniervorgänge • angehängte Gerüste (Freivorbau, Vorschubgerüst) • Lasten aus Schwerlastfahrzeugen

536

• Lasten aus Hebezeugen (Krane, Derricks, etc.) Die Horizontallasten resultieren insbesondere aus folgenden Ursachen: • • • • •

Windlasten Abspannungen Verankerungen Bremskräfte Stabilisierungskräfte

Bei abschnittsweise hergestellten Stahlbeton- und Spannbetonkonstruktionen sind bei der Berechnung der Schnittgrößen und Verformungen die Umlagerungen der Schnittgrößen aus ständigen Einwirkungen infolge des Kriechens des Betons zu beachten.

8.2  Systeme, Tragverhalten, Schnittgrößen Manfred Keuser 8.2.1  Grundlagen Den Bau einer Brücke geht heute in aller Regel eine sehr detaillierte Planung voraus, die als wesentlichen Bestandteil die Berechnung der zu erwartenden Beanspruchungen der Konstruktion enthält. Die Möglichkeit zur Erstellung der statischen Berechnung als Grundlage für die Planung und den Bau einer Brücke hat im Vergleich zur gesamten Geschichte des Brückenbaus zwar nur eine relativ kurze Tradition, stellt jedoch eine der unverzichtbaren Voraussetzungen für den

Bild 8.2‑1   Innovationsbereiche im Brückenbau

8  Berechnung

modernen Brückenbau dar. So bestimmte die Erforschung der theoretischen Grundlagen und die Entwicklung effizienter Methoden zur Berechnung des Tragverhaltens von Baukonstruktionen, neben der Entwicklung von Baustoffen und Bauverfahren, ganz maß­ gebend die Entwicklung des Brückenbaus. Nicht nur die Römer bauten ihre Steinbogenbrücken nach empirisch gewonnenen Erkenntnissen, die von Baumeister zu Baumeister überliefert wurden, auch bis ins Mittelalter wurden Brücken, wie z. B. die Steinerne Brücke über die Donau in Regensburg 1140, ohne Kenntnis der theoretischen Grundlagen des Tragverhaltens realisiert. In keinem der in Bild 8.2.1 aufgezeigten Felder für Innovationen gab es nennenswerte Fortschritte, teilweise ging sogar Wissen verloren. Erste Neuerungen zeigten sich in der Renaissance, als es italienischen Baumeistern als Ersten gelang, mit Hilfe geometrischer Methoden durch Veränderung der Radien der Brückenunterseite deutlich schlankere steinerne Bogenbrücken zu errichten. So zeigten sich nach 1500 Jahren erstmals grundlegende Neuentwicklungen im Steinbrückenbau. Erste Ansätze, über die Geometrie hi­naus, die Mechanik der Baukonstruktionen zu entwickeln, stammen von Leonardo da Vinci (1452–1519), s. Bild 8.2-2, und Galileo Galilei (1564–1642), s. Bild 8.2-3 [Galilei, 1993]. Allerdings waren die von Galilei aufgestellten Proportionalitätsbeziehungen wegen fehlender Erkenntnisse zum Materialverhalten nicht geeignet, das Tragverhalten auch einfacher Konstruktionen zutreffend zu beschreiben. Erst mit der Entwicklung der Grundlagen der Mechanik in der Zeit der Aufklärung, die mit Namen wie Navier (1785–1836), Hooke (1635–1703), Johann Bernoulli (1667–1748) und Jacob Bernoulli (1654–1705) eng verknüpft ist, wurde die Basis für heutige Berechnungsmethoden im Brückenbau gelegt. Da zur gleichen Zeit, initiiert durch die gesteigerten Anforderungen aus dem Verkehrsauf-

8.2  Systeme, Tragverhalten, Schnittgrößen

537

Bild 8.2‑2   Zusammensetzung der Kräfte nach Leonardo da Vinci [Straub, 1964]

kommen, insbesondere durch die Erfindung der Eisenbahn, mit der Entwicklung von Baustählen und leistungsfähigen dampfgetriebenen Hebezeugen auch in den beiden übrigen Feldern für Innovation grundlegende Neuerungen zur Anwendung gebracht wurden, vollzog sich im 19. Jahrhundert innerhalb kurzer Zeit eine rasante Entwicklung im Brückenbau. Filigrane Stahlbrücken mit Spannweiten von über 200 m konnten berechnet, konstruiert und gebaut werden, wo in den Jahrhunderten zuvor die maximalen Spannweiten von Steinbrücken auf wenig mehr als 30 m begrenzt waren. Die Konstruktion der Stahlbrücken war stark von den im Vergleich zu heute noch deutlich eingeschränkten Berechnungsmöglichkeiten geprägt. Graphische Verfahren, wie z. B. die Berechnung der Kräfte in Fachwerk-Konstruktionen nach Ritter (1826–1908) dominierten. Im 20. Jahrhundert wurden die graphischen Verfahren durch analytische Methoden zur Berechnung von Schnittgrößen und Verformungen abgelöst. Mit dem Bau zunehmend schlankerer Konstruktionen wurde die theoretische Erforschung der Stabilität, stellvertretend ist hier Euler (1707–1783) zu nennen, erforderlich und

es erfolgten Untersuchungen zum dynamischen Verhalten der Baukonstruktionen z. B. durch Wöhler (1819–1914). Während zunächst die Entwicklung von Differentialgleichungen für einzelne Bauteile wie Stab, Seil, Balken, Platte, Scheibe und deren Auflösung für spezielle Randbedingungen im Vordergrund stand, wurde in den vergangenen zwei Jahrzehnten darauf aufbauend die Entwicklung numerischer Methoden, mit denen komplexe Strukturen berechnet werden können, voran getrieben. So ist es kein Zufall, dass die erste elektronische Datenverarbeitungsanlage 1940 von Konrad Zuse, einem Bauingenieur in Berlin, entwickelt wurde [Zuse, 1993], um die in statischen Berechnungen vorkommenden Gleichungssysteme automatisiert lösen zu können. Auch wenn die heute in der Praxis eingesetzten Finite-Element-Rechenprogramme die Berechnung auch sehr komplexer Strukturen erlauben, so setzt ihre Anwendung gerade wegen dieser vielfältigen Möglichkeiten ein hohes Maß an Kenntnis über die Grundlagen der Modellbildung und der Berechnungsmethoden bei dem anwendenden Ingenieur voraus. Bei den traditionellen wie auch bei den modernen numerischen Berechnungsver-

538

8  Berechnung

Bild 8.2‑3   Berechnungsmodell des eingespannten Balkens nach [Galilei, 1993]

fahren kann die Modellbildung in vier Bereiche gegliedert werden, vgl. Bild 8.2-4. Die umfassende Kenntnis der Grundlagen in allen Bereichen der Modellbildung ist unabdingbare Voraussetzung, um aussagekräftige Ergebnisse der Berechnungen zu erzielen. Dabei ist stets zu beachten, dass es sich um Modelle handelt, die die Realität nur innerhalb ihrer Anwendungsgrenzen abbilden können. In der Regel erfolgt die Modellbildung im Brückenbau auf der Makroebene, vgl. [Keuser/Purainer, 2003], für Detailbereiche jedoch, wie z. B. die Verankerungen von Spanngliedern oder die Anschlüsse der Hänger bei Stabbogenbrücken, ist eine detailliertere Modellierung auf der Mesoebene erforderlich. Die Grundlagen für die Lastmodelle werden detailliert im Abschnitt 8.1 behan-

delt. Bei der Anwendung von Normen ist dabei zu prüfen, in wie weit diese für den jeweiligen Einzelfall die Einwirkungen in ausreichendem Umfang beschreiben. Bei der quantitativen Bestimmung der Einwirkun­ gen ist zu berücksichtigen, welchem Ziel die jeweilige Schnittgrößenberechnung dient: • Nachweis der Standsicherheit (Kippen, Gleiten) • Nachweis im Grenzzustand der Tragfähigkeit • Nachweis im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit Nachfolgend wird insbesondere auf die Modellierung der Geometrie, der Lasten, des mechanischen Verhaltens und des Materials bei Tragwerken des Brückenbaus eingegangen. Hinsichtlich der theoreti-

8.2  Systeme, Tragverhalten, Schnittgrößen

539

mechanisches Modell

geometrisches Modell

Materialmodell

Lastmodell

a) Teilmodelle

Mikrobereich: Detailpunkte Rippe eines Bewehrungsstabs

Mesobereich: Bauteile

Z

Z Dehnkörper mit Bewehrungsstab

Makrobereich: Bauwerke Plattenbalkenbrücke

b) Modellebenen

Bild 8.2‑4   Modellbildung für statische Berechnungen

schen Grundlagen wird auf [Ramm/Hoffmann, 1995] verwiesen. Der heutige Stand der Technik erlaubt die detaillierte Berechnung einer breiten Vielfalt von Brückentragwerken, vgl. Bilder 8.2-5 und 8.2-6. Die Wahl eines geeigneten statischen Modells ist dabei naturgemäß von dem jeweiligen Tragwerkstyp abhängig. Daher wird in diesem Abschnitt neben der Darstellung der Grundlagen der Modellbildung und Berechnung diese an einzelnen ausgewählten Beispielen erläutert. Eine besondere Betrachtung der Modellbildung und der Berechnung der Schnittgrößen und Verformungen ist im Brückenbau deshalb notwendig, da hier in aller

Regel wesentlich höhere Lasten und deutlich größere Abmessungen in Längs- und Querrichtung auftreten als im üblichen Hochbau. Eine technisch-wirtschaftliche Optimierung und eine sichere Bemessung erfordern daher eine möglichst weitgehende Berücksichtigung aller Tragmechanismen. Dabei werden die wesentlichen Einzelbauteile einer Brücke, die zumeist durch Lager miteinander verbunden sind, • Überbau • Widerlager • Pfeiler für die Nachweise in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit und der Gebrauchstaug-

540

8  Berechnung

Bild 8.2‑5   Beispiele für Primär-Tragwerke, Brückenlängsrichtung

Bild 8.2‑6   Beispiele für Sekundär-Tragwerke, Brückenquerrichtung

lichkeit getrennt berechnet. Für die Gesamtstabilität und für die Abtragung der Horizontallasten ist jedoch wie bei Rahmen-, Schrägkabel- und Hängebrücken eine Berechnung des Gesamttragwerks erforderlich. Hinsichtlich der Berechnung von Schrägkabelbrücken wird auf [Walther, 1994], bezüglich Spannbandbrücken auf [Eibl et  al., 1973-1] verwiesen. 8.2.2  Überbauten Die dominierenden Einwirkungen auf die Überbauten sind die Vertikallasten und die zugehörigen Zwangseinwirkungen (Temperatur, Setzungen, Vorspannung).

Sie erzeugen einerseits lokale Beanspruchungen in den unmittelbar belasteten Bau­ teilen und andererseits Beanspruchungen im Haupttragsystem einer Brücke. Daneben sind die Horizontallasten in Längs- und Querrichtung der Brücke abzutragen. Die traditionelle Vorgehensweise bei der Berechnung von Brückentragwerken sieht für die Berechnung der Schnittgrößen die Aufteilung der Gesamtstruktur in Teilstrukturen vor, die auf der Grundlage der bekannten theoretischen Grundlagen und der verfügbaren Rechenhilfsmittel einer statischen und gegebenenfalls einer dynamischen Berechnung zugänglich sind. So hat sich mit den Fortschritten in der Mechanik, in der Baustatik in den numerischen Me-

8.2  Systeme, Tragverhalten, Schnittgrößen

thoden und in den vergangenen Jahrzehnten zunehmend mit der Entwicklung immer preiswerterer und leistungsfähigerer Rechenprogramme und Computer ein grundlegender Wandel in der Vorgehensweise bei der Modellierung und Berechnung von Tragwerken im Brückenbau hin zur Untersuchung komplexerer Systeme vollzogen. 8.2.2.1  Eindimensionale Systeme Da jedoch auch heute die traditionelle Vorgehensweise eine breite Anwendung findet und sie außerdem hinsichtlich des Verständnisses der Lastabtragung von Vorteil ist, wird die Modellbildung in diesem Kapitel exemplarisch am Beispiel einer Zweifeldträgerbrücke mit zweistegigem Plattenbalkenquerschnitt in Massivbauweise vorgestellt. Hinsichtlich der Besonderheiten anderer Brückentypen wird auf die ent­ sprechenden Kapitel dieses Buches sowie z. B. auf [Leonhardt, 1979], [Menn, 1990], [Schleicher, 2003] und [Holst/Holst, 2004] hingewiesen. Voraussetzung für die nachstehend beschriebene Vorgehensweise ist die umfassende Kenntnis der theoretischen Grund­ lagen und der Lastabtragungsmechanismen der jeweils zu berechnenden Brückenkonstruktion. In der Wahl des mechanischen Modells wird zunächst zwischen Längsund Quertragsystem bzw. Primär- und

Bild 8.2‑7   Zweifeldträger, Balkenmodell

541

Sekundärtragwirkung unterschieden. Das Längssystem wird durch ebene oder räumliche Balkentragwerke auf der Grundlage der Technischen Biegelehre abgebildet. Beim Kastenträger kann so der Gesamtquerschnitt, beim Plattenbalken ein Steg mit dem zugehörigen Teil der Fahrbahnplatte beschrieben werden. Bei dieser Vorgehensweise wird im mechanischen Modell ausschließlich die Haupttragwirkung abgebildet, und nur die in diesem Modell abgebildeten Schnittgrößen können somit berechnet werden. Alle übrigen Beanspruchungen, die nicht im Modell abgebildet werden, müssen gesondert untersucht und die Ergebnisse überlagert werden. Das Quersystem, das beim Plattenbalken durch die Fahrbahnplatte gebildet wird, kann ersatzweise durch Balkensysteme abgebildet werden, s. Bild 8.2-6, falls keine Berechnung als Plattentragwerk erfolgt, vgl. 8.2.2.2. Die Lagerungsbedingungen für die Fahrbahnplatte werden durch die Biege- und Torsionssteifigkeit der Längsträger und, sofern vorhanden, der Querträger sowie deren Durchbiegungen und Verdrehungen bestimmt. Da diese in Brückenlängsrichtung nicht konstant sind, werden in der Regel Bereiche in Feldmitte und in der Nähe der End- und Zwischenauflager untersucht. Die Schnittgrößen können, wie in Bild 8.2-6 gezeigt, in zwei Teilsystemen berechnet und anschließend überlagert werden. Die detaillierte Darstellung dieser

542

Berechnungsmethode kann [Holst/Holst, 2004] entnommen werden. Die Einspannung der Fahrbahnplatte in Längsrichtung in die Querträger ist für eine Berechnung mit Balkenmodellen wegen der zweiachsigen Lastabtragung ungeeignet, so dass hier zweiaxiale Modelle anzuwenden sind. Zur Aufstellung des statischen Systems sind neben der Wahl der geeigneten Differentialgleichung, für das Beispiel in Bild  8.2-7 die Differentialgleichung des ebenen Balkens nach der technischen Biegelehre, die Auflagerbedingungen so festzulegen, dass sie die zu berechnende Konstruktion angemessen beschreiben. Entscheidend ist dabei die Steifigkeit der stützenden Bauteile. Nur wenn sie im Vergleich zur Steifigkeit des gestützten Bauteils deutlich höher ist (Faktor ca. 100:1) kann von einer unverschieblichen Lagerung oder von einer starren Einspannung ausgegangen werden: Ist dies nicht der Fall, kann die Lagerung durch Federn abgebildet werden. Falls die Berechnung der Federsteifigkeiten nicht mit ausreichender Sicherheit möglich ist, z. B. bei Einspannungen im Pfeiler oder Widerlager, ist die Untersuchung eines oberen und unteren Grenzwerts der Steifigkeit der Einspannung sinnvoll. Darüber hinaus ist die Auswirkung der Auflagerverschiebungen und –verdrehungen zu untersuchen.

8  Berechnung

Weist das Bauwerk eine schiefwinklige Lagerung auf, d. h. die Auflagerachsen sind nicht senkrecht zur Brückenlängsachse angeordnet, so empfiehlt sich eine Abbildung der Konstruktion in einem zweiaxialen Modell, vgl. 8.2.2.2, um die Einflüsse der Steifigkeiten von Längs- und Quertraggliedern angemessen berücksichtigen zu können. Gleiches gilt auch für im Grundriss gekrümmte Brücken. Das geometrische Modell wird durch die Brückengeometrie und durch die Anforderungen des mechanischen Modells definiert. Für einen Durchlaufträger nach der Technischen Biegelehre sind neben den Stützweiten die Querschnittswerte zu bestimmen: ebener Balken räumlicher Balken Torsion

A, Iy A, Iy  , Iz IT , Iω

Da es sich um große Abmessungen handelt, kann in Brückenquerrichtung in der Regel nicht von konstanten Verzerrungs- und Spannungszuständen ausgegangen werden, so dass die mitwirkenden Breiten zu ermitteln sind. Mit dieser Thematik haben sich zahlreiche Forscher beschäftigt und Näherungslösungen auf der Grundlage geeigneter mechanischer Modelle zur Berechnung der Querschnittswerte unter Berücksichti-

Bild 8.2‑8   Mitwirkende Plattenbreite, Spannungsverteilung in Druckgurten

8.2  Systeme, Tragverhalten, Schnittgrößen

gung der Scheiben- und Plattensteifigkeit der Fahrbahnplatte sowie der Biege- und Dehnsteifigkeit der Stege entwickelt. Dabei wird die tatsächliche Breite der Fahrbahnplatte bzw. des Anteils, der auf den jeweiligen Steg entfällt, auf die mitwirkende Breite reduziert, für die die tatsächlich über dem Steg auftretende größte Normalspannung konstant über die mitwirkende Plattenbreite wirkend angenommen wird und zur gleichen resultierenden Kraft in der Druckzone führt, vgl. Bild 8.2-8. [Brendel, 1960], [Stritzke, 1977] und [Schleeh, 1973] haben für Massivbrücken Hilfsmittel zur Berechnung der mitwirkenden Plattenbreite unter Berücksichtigung unterschiedlicher Belastungsarten (Flächen-, Streifen-, Einzellast), der Steifigkeit der Platte im Verhältnis zur Steifigkeit der Stege entwickelt. [DIN 1075, 1981] regelt als Norm die Berechnung der mit­ wirkenden Plattenbreite in Deutschland. Mit der gleichen Thematik zur Tragwirkung von Stahlkonstruktionen beschäftigen sich die Arbeiten von [Schmidt/Peil, 1976], [Schmack­pfeffer, 1970] und [Alb­ recht, 1976]. Bei der Festlegung des geometrischen Modells ist neben der Abbildung der Bauwerksgeometrie die Lage der Bemessungspunkte zu definieren. Im Längssystem werden bei parallelgurtigen Trägern die einzelnen Felder üblicherweise in 10 Teilabschnitte gleicher Länge unterteilt, an denen jeweils die Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit geführt werden. Veränderliche Querschnittsabmessungen wie Vouten oder Stegverstärkungen sind bei der Festlegung der Bemessungspunkte zu berücksichtigen. Im Quersystem wird die Bemessung in der Regel an den Stellen der Extremwerte der Schnittgrößen durchgeführt. Das Werkstoffmodell sieht als Regelfall die Verwendung linear-elastischen Materialverhaltens vor. Nichtlinearitäten wie das Plastifizieren im Stahlbau oder Rissbil-

543

dungen im Betonbau werden nur in Ausnahmefällen in statischen Berechnungen von Überbauten explizit berücksichtigt. Hinsichtlich der Auswirkungen des nichtlinearen Materialverhaltens bei Betonbrücken wird auf [Ernst, 1976 und Mehlhorn/ Ernst, 1976] verwiesen. Eine näherungsweise Berücksichtigung der Auswirkungen nichtlinearen Materialverhaltens erfolgt in der Regel durch Modifikation der Steifigkeiten. Die Auswirkungen auf Schnittgrößen und Verformungen können in der statischen Berechnung z. B. durch die Abminderung des Elastizitätsmoduls oder besser durch die Verwendung nichtlinearer Momenten-Verkrümmungs-Beziehungen erfasst werden, vgl. 8.2.3.2. Das Lastmodell ist wie das geometrische Modell stark durch das mechanische Modell vorbestimmt. Die Einwirkungen aus Lasten und Zwang müssen so aufbereitet werden, dass sie äquivalent zur tatsächlichen Beanspruchung auf das statische System des ebenen oder räumlichen Balkens aufgebracht werden können. Das bedeutet, dass die Lasten in Brückenquerrichtung zu einer Resultierenden zusammengefasst werden müssen, die in der Systemlinie des Balkens angreift. Die Exzentrizität der Resultierenden ergibt sich als das zugehörige Torsionsmoment. Die Berechnung der Lastresultierenden erfolgt mittels Quereinflusslinien, bei deren Ermittlung die Steifigkeiten der einzelnen Bauteile des Überbaus (Fahrbahnplatte, Längsträger, Querträger) und gegebenenfalls der stützenden Bauteile zu berücksichtigen sind. Über die theo­ retischen Grundlagen hinaus haben sich [Beck, 1953], [Trost, 1961], [Bieger, 1962], [Nötzold, 1969] und [Holst/Holst, 2004] mit dieser Thematik beschäftigt und praktisch anwendbare Verfahren entwickelt. Während Trost in seiner Arbeit Stütz- und gegebenenfalls Feldquerträger zwingend voraussetzt, hat [Nötzold, 1969] erstmals eine Methode entwickelt, bei der auf Querträger verzichtet werden kann. Da querträ-

544

8  Berechnung

1)

2)

1) 2)

3)

3)

0,75 1,00 0,85

1) 2) 3)

starre Lagerung der Fahrbahnplatte auf den Längsträgern Plattenbalken mit üblichen Abmessungen Kastenträger mit normalem Seitenverhältnis (1:1 bis 1:2) und Plattenbalken mit breiten Stegen

Bild 8.2‑9   Quereinflusslinien für zweistegige Plattenbalken mit unterschiedlichen Steifigkeits­ verhältnissen Platte/Steg nach [Holst/Holst, 2004]

gerlose zweistegige Plattenbalken in Querrichtung deutlich weicher sind, wird in dem Berechnungsverfahren nach [Nötzold, 1969] die Berücksichtigung der Lagerung in Brückenquerrichtung sowie der Steifigkeiten der Unterbauten berücksichtigt. Bild 8.2-9 zeigt die qualitativen Verläufe von Quereinflusslinien für unterschiedli­ che Steifigkeiten der Längsträger für 2-stegige Plattenbalken. Für übliche Quer­ schnittsabmessungen kann im Rahmen einer Vorbemessung überschlägig eine Querverteilung von 0,85/0,15, bei Plattenbalken mit breiten Stegen von 0,75/0,25 angenommen werden. Mit den so aufbereiteten Einwirkungen werden die Schnittgrößen für die Einzellastfälle berechnet. Für die ständigen Einwirkungen werden die Lasten in der jeweils örtlich auftretenden Größe auf das System aufgebracht. Bei der Berechnung der Schnittgrößen aus den veränderlichen Einwirkungen gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten, die ungünstigste Laststellung zu bestimmen. Die erste Möglichkeit, die Auswertung von Einflusslinien, wird überwiegend für Vorberechnungen angewandt.

In der ganz überwiegenden Zahl der Rechenprogramme wird die andere Möglichkeit gewählt. Dabei wird die Last jeweils in kurzen Abschnitten, in der Regel in den Zehntelpunkten über ihre zugehörige Einflusslänge aufgebracht und es werden die aus diesem Anteil der Belastung sich ergebenden Schnittgrößen berechnet. Anschließend wird in den einzelnen Zehntelpunkten überprüft, ob eine Schnittgröße einen positiven oder negativen Wert aufweist und dieser dann zum Schnittgrößen-Maximum

Bild 8.2‑10   Einflusslinie für das Moment M1, Zweifeldträger

Bild 8.2‑11   Momentengrenzlinie aus veränderlichen Einwirkungen, Dreifeldträger

8.2  Systeme, Tragverhalten, Schnittgrößen

oder Minimum aufaddiert. Zusätzlich werden die übrigen, zu diesem Teil-Lastfall gehörigen Schnittgrößen entsprechend aufaddiert. Als Ergebnis erhält man Verläufe für die maximalen und minimalen Schnittgrößen mit den entsprechenden zugehörigen übrigen Schnittgrößen, z. B. für einen ebenen Balken: Bemessungs- schnittgröße

zugehörige Schnittgrößen

max/min M max/min V max/min MT

zug. V, zug. MT zug. M, zug. MT zug. M, zug. V

Bei dieser Vorgehensweise ist nicht mehr nachvollziehbar, aus welcher Laststellung die Schnittgrößen an den einzelnen Bemessungspunkten berechnet wurden. Die Berechnung der Schnittgrößenextreme infolge veränderlicher Einwirkungen kann mit dieser Methode praktisch nur mittels ge­ eigneter Rechenprogramme durchgeführt werden, da sie einen hohen numerischen Aufwand erfordert. In der praktischen Anwendung stellt diese Methode heute das Standardverfahren in der Schnittgrößenermittlung dar. Wie beim Plattenbalken können auch beim Kastenträger die Einflüsse aus der Trag­wirkung in Querrichtung über gesonderte Modelle erfasst und in die Berechnung der Schnittgrößen und Verformungen am Hauttragsystem eingebracht werden. Einen Überblick über die Berechnung

545

von Beton-Kastenträgerbrücken geben [Schlaich/Scheef, 1982]. Zur Berechnung der Zusatzbeanspruchungen, die daraus resultieren, dass die Querschnittsform nicht erhalten bleibt, haben u.a. [Steinle, 1970], [Glahn, 1980] und [Lindlar, 1984] Verfahren entwickelt, bei denen die Profilver­ formung und die daraus resultierenden Schnittgrößen auf der Grundlage einer Analogie zum elastisch gebetteten Balken berechnet werden. Bei diesem Verfahren wird die Torsionsbeanspruchung in einen Anteil, der eine Profilverdrehung und einen zweiten Anteil, der eine Profilverformung hervorruft, aufgeteilt. Den eine Profilverdrehung erzeugenden Anteil beschreibt die Theorie der St. Venant’schen Torsion unter Ansatz eines in Umfangrichtung konstanten Schubflusses. Der sich aus den Gleichgewichtsbedingungen unter der Berücksichtigung der Faltwerkwirkung in den Ecken des Kastenquerschnitts ergebende Anteil, der eine Profilverformung hervorruft, wird durch die Wölbkrafttorsion erfasst. Hierfür können Lösungen auf der Grundlage einer Analogie zur Theorie des elastisch gebetteten Balkens aufgestellt werden, da beide mit den gleichen Differentialgleichungen beschrieben werden. Dabei wird die Steifigkeit des Kastenquerschnitts in Querrichtung durch die Bettungsziffer CB und in Längsrichtung durch das Trägheitsmoment Iers eines Ersatzbalkens beschrieben, z. B. nach [Menn, 1990].

Bild 8.2‑12   Torsionsbeanspruchung von Kastenträgern

546

8  Berechnung

nach [DIN 1075, 1981] la/h ≥ 18;    la/b ≥ 4 la: Abstand der Querträger b: mittlere Kastenbreite h: mittlere Kastenhöhe Bild 8.2‑13   Beanspruchungen aus Profilverformung

Die Profilverformung erzeugt neben Querbiegemomenten auch zusätzliche Längs­normalspannungen. Die Querbiegemomente können bei gebräuchlichen Querschnittsabmessungen nach [Leonhardt, 1979] mit ca. 20 % des größten Einspannmoments am Anschnitt der Fahrbahnplatte zum Steg abgeschätzt werden. Die zusätzlichen Längsnormalspannungen sind nur dann zu berücksichtigen, wenn die folgenden Grenzwerte überschritten werden:

nach [Menn, 1990] lo ≥ 2 ⋅ (b + h) lo: Einfeldträger: Spannweite Durchlaufträger: Abstand der Momentennullpunkte Kragträger: doppelte Spannweite 8.2.2.2  Zweidimensionale Systeme Bei Haupttragwerken, z. B. bei Plattenbrücken die sich nicht durch eindimensionale Systeme beschreiben lassen sowie zur Berechnung der Fahrbahnplatten wird eine Berechnung als ebenes Flächentragwerk erforderlich. Bei der direkten Berechnung

Bild 8.2‑14   Randbedingungen für den elastisch gebetteten Balken als Ersatzsystem zur Er­fassung der Profilverformung

8.2  Systeme, Tragverhalten, Schnittgrößen

der Schnittgrößen mittels der Plattendifferentialgleichung stellen die zutreffende Berücksichtigung der Geometrie und der Randbedingungen gravierende Probleme dar. Da die stützenden Bauteile, wie z. B. die Längsträger, keine starre Lagerung und in Längsrichtung veränderliche Steifigkeiten der Auflagerbedingungen darstellen, scheitert, abgesehen von sehr einfachen Plattentragwerken, eine geschlossene Lösung. Darüber hinaus ist die Abbildung verschiedener Laststellungen der Belastungsfahrzeuge sehr aufwendig. Für die praktische Anwendung wurden daher insbesondere für die Berechnung von Fahrbahnplatten Tabellenbzw. Tafelwerke aufgestellt, mit denen praxisrelevante Plattentragwerke berechnet werden können. Neben Literatur für allgemeine Plattentragwerke wie z. B. [Pucher, 1968] oder [Stiglat/Wippel, 1983], hat [Rüsch, 1981] spezielle Berechnungshilfen

547

für Fahrbahntafeln von Brücken entwickelt. Die Einflüsse aus unterschiedlichen Auflagersteifigkeiten werden bei der Berechnung der Schnittgrößen mittels Tabellenwerken über Zusatzbetrachtungen an Balkentragwerken abgeschätzt. Der Umfang der Ergebnisse von Berechnungen mittels Tabellenwerken ist in aller Regel stark eingeschränkt, da hier zumeist nur Schnittgrößen an ausgewählten Punkten sowie Maxima und Minima angegeben werden. Daher hat sich ab 1950 für die Abbildung von Platten im mechanischen Modell die näherungsweise Berechnung mit Hilfe von Trägerrosten zum gebräuchlichen Verfahren herauskristallisiert. Hierbei wird die Platte in Streifen in Längs- und Querrichtung aufgeteilt, die an den Kreuzungspunkten biege- und torsionssteif miteinander verbunden sind. Eine detaillierte Beschreibung dieses Rechenverfahrens geben

Bild 8.2‑15   Statisches System einer Fahrbahnplatte mit Einspannung in Längs- und Querträger

548

8  Berechnung

Bild 8.2‑16   Zweistegiger Plattenbalken, ebene Modelle

[Homberg/Trenks, 1962]. Bei Plattenbalken werden die Stege durch exzentrisch angeschlossene räumliche Balkenelemente abgebildet. In [Menn, 1990] wird ein Verfahren zur Berechnung derartiger Systeme beschrieben. Dabei ist insbesondere auf eine zutreffende Modellierung der Steifigkeiten unter Berücksichtigung der Exzentrizitäten der einzelnen Träger zu achten. Auf eine zutreffende Beschreibung der Steifigkeit der Stege durch Querschnittswerte unter Berücksichtung der mitwirkenden Plattenstreifen ist zu achten. Bei dieser Methode gibt es mehrere Probleme. Dies ist

zum einen die Ermittlung adäquater Biegeund Torsionssteifigkeiten der einzelnen Längs- und Querträger, insbesondere unter Berücksichtigung nichtlinearen Materialverhaltens. Zum anderen ist die Rückrechnung der Schnittgrößen des Trägerrosts auf Plattenschnittgrößen schwierig, da sich die DGL des Balkens nicht als Grenzfall der Platten-DGL ergibt. Die numerische Berechnung wurde erst durch den Einsatz elektronischer Datenverarbeitungsanlagen praktisch handhabbar, da nur so die auftretenden Gleichungssysteme einer praktisch umsetzbaren Lösung zugänglich wurden.

8.2  Systeme, Tragverhalten, Schnittgrößen

Mit der rasanten Entwicklung der numerischen Rechenmethoden wird die Verwendung von Trägerrostmodellen zunehmend durch Plattensysteme auf der Grundlage der Finite-Element-Methode abgelöst. Dabei wird im mechanischen Modell das Plattentragverhalten im Rahmen der ­Approximation durch ein numerisches ­Näherungsverfahren beschrieben, vgl. [Wunderlich/Redanz, 1995]. Das geometrische Modell bildet das Tragwerk im Grundriss mit hoher Genauigkeit ab, die Dickenrichtung wird durch die Integration der Spannungen über die Plattendicke erfasst. Hinsichtlich des Materialmodells und des Last­modells gelten die Aussagen von 8.2.2.1. Bei schiefwinklig gelagerten Brücken, d. h. bei Brücken deren Auflagerachsen nicht senkrecht zur Längsachse des Überbaus angeordnet sind, wird sowohl bei Platten- als auch bei Balkenbrücken eine Berücksichtigung der Schiefe dann erforderlich, wenn diese weniger als 80° beträgt. Für Plattenbrücken empfiehlt sich eine

549

numerische Berechnung nach der FiniteElement-Methode, da hierbei sowohl im mechanischen als auch im geometrischen Modell die Abbildung sehr viel wirklichkeitsnäher erfolgen kann als in einer Trägerrostberech­nung. Durch die schiefwinklige Auflagerung erfährt der Überbau eine Einspannung in die Querträger. Die Einspannmomente der Längsträger in die Endquerträger, bei den Innenstützen die Differenzen der Biegemomente zwischen den beiden Auflagerrändern, erzeugen Torsionsmomente in den Querträgern, die Biegemomente in den Querträgern Torsionsmomente in den Längsträgern. Durch die schiefwinklige Lagerung weisen die Längsträger in senkrecht zur Längsachse angeordneten Schnitten unterschiedliche Durchbiegungen auf, was zu einer Torsionsbeanspruchung in den Längsträgern führt. Die Größe der Einspann- und Torsionsmomente hängt von der Schiefe sowie von den Steifigkeiten der einzelnen Bauteile ab. Ein geeignetes Instrument zur Überprüfung der Ergebnisse

Bild 8.2‑17   Brückendraufsicht mit wichtigen geometrischen Größen

Bild 8.2‑18   System einer schiefwinklig gelagerten Dreifeldbrücke

550

8  Berechnung

Bild 8.2‑19   Systeme für horizontal gekrümmte Brücken

der EDV-Berechnung stellen daher Handrechnungen mit Grenzwertbetrachtungen – gelenkige Lagerung/starre Einspannung – dar. Bei Massivbrücken ist die Reduzierung der Steifigkeiten infolge von Rissbildung zu berücksichtigen. Bei im Grundriss gekrümmten Brücken werden, von Fertigteilbrücken abgesehen, in der Regel die Längsträger gekrümmt ausgeführt. Hierdurch ergibt sich eine kontinuierliche Kopplung von Biege- und Torsionsmomenten in den Längsträgern. Die entsprechende Formulierung der Differentialgleichung des horizontal gekrümmten Trägers ist nachfolgend kurz dargestellt. Aus Gleichgewichtsbetrachtungen am Trägerelement ergeben sich die Differentialgleichungen des horizontal gekrümmten Trägers zu:

dT M = −  + eq + t  = − mT ds  r 

 (8.2-1) d2 M 1 dT   = − q −   ds 2 r ds    Die Torsionsbelastung des horizontal gekrümmten Trägers setzt sich aus drei Bestandteilen zusammen: • exzentrisch angreifende vertikale Belastung, z. B. aus Verkehr • Torsionsmomenten-Belastung, z. B. aus Wind • Umlenkung der Biegemomente infolge der horizontalen Krümmung

Bild 8.2‑20   Element eines horizontal gekrümmten Trägers

8.2  Systeme, Tragverhalten, Schnittgrößen

8.2.2.3  Dreidimensionale Modelle Während die Berechnung von Plattenbrücken mittels ebener FE-Modelle sich inzwischen zum Regelfall entwickelt hat, werden komplexere Strukturen wie Plattenbalken oder Kastenträger, bei denen zwischen Längs- und Quertragwirkung eindeutig unterschieden werden kann, im Massivbrückenbau in der Regel auch heute zumeist mittels eindimensionaler Systeme berechnet. Dies ist nicht zuletzt dadurch bedingt, dass das gesamte Vorschriftenwerk im Massivbau auf einer stabwerksorientierten Modellierung des mechanischen Verhaltens und die Bemessung auf Schnittgrößen basiert, die in einer räumlichen FEBerechnung eine aufwendige Rückrechnung erfordern. In Ausnahmefällen werden auch bei Massivbrücken Plattenbalken und Kastenträger als räumliche Tragwerke mittels Faltwerksmodellen auf der Grundlage der FEM abgebildet. Im Stahl- und Stahlverbundbrückenbau setzt sich die Abbildung mittels dreidimensionaler Faltwerksmodelle nach der FEM in der Praxis deutlich stärker durch als im Massivbrückenbau. [Schleicher, 2003] gibt einen detaillierten Überblick über die Abbildung derartiger Tragstrukturen im mechanischen und geometrischen Modell. Die spannungsorientierten Nachweise im Stahlbau erlauben hier eine Aufbereitung der Rechenergebnisse ohne aufwendige Ermittlung resultierender Schnittgrößen. Diese Form der Abbildung erfordert im mechanischen Modell die Wahl geeigneter Elementansätze. Hierzu können Faltwerkselemente verwendet werden, die durch die Überlagerung eines Scheibenelements mit einem Plattenelement entstehen, wobei in der Steifigkeitsmatrix keine Kopplung der beiden Tragwirkungen enthalten ist, wie dies bei Schalenelementen, die ebenfalls für derartige Berechnungen geeignet sind, der Fall ist. Bei der Wahl des Elementtyps sollten Viereckselemente den Vorzug vor

551

Dreieckselementen erhalten, da hiermit bei den zumeist in kommerziellen FE-Programmen verwendeten Elementen mit Verformungsansätzen die Platten- und Scheiben-Differentialgleichungen besser angenähert werden können. Im geometrischen Modell wird die Konstruktion in den Schwerlinien der einzelnen Bauteile abgebildet. Bei Massivbrücken ergibt sich damit bei Verwendung von Schalen- oder Faltwerkselementen die Problematik, dass die Bauteildicken in die Steifigkeit eingehen, jedoch im geometrischen Modell nur unzureichend beschrieben werden. Dies wirkt sich insbesondere in den Bereichen der Konstruktion aus, in denen Bauteile monolithisch miteinander verbunden sind, z. B. im Anschluss Längsträger/ Querträger und Fahrbahnplatte/Längsträger. Dies führt dazu, dass die Spannweiten und damit die Schnittgrößen überschätzt werden. Durch Kopplung der Freiheitsgrade der Elemente im Bereich der Dicke des einspannenden Bauteils kann dieser Effekt hinsichtlich der globalen Schnittgrößenverläufe abgemindert werden. Andererseits wird die Qualität der Ergebnisse für die lokalen Schnittgrößen mit dieser Vorgehensweise deutlich verschlechtert. Bei Stahlbauteilen stellt sich diese Problematik wegen der geringen Materialdicken nicht in dem Umfang wie bei massiven Konstruktionen. Hierbei haben Viereckselemente im Vergleich zu Dreieckselementen dann Nachteile in den Möglichkeiten einer guten Abbildung, wenn sie keinen isoparametrischen Elementansatz aufweisen, sondern an eine starre Form, z. B. das Rechteck, gebunden sind. Die theoretischen Grundlagen werden in [Wunderlich/ Redanz, 1995] detailliert beschrieben. Zur Wahl einer geeigneten Elementdichte sind in der Regel mehrere Berechnungen mit charakteristischen Lasten durchzuführen, um ein Optimum zwischen dem erforderlichen Aufwand in Abbildung und Berechnung und der Qualität und Aussagekraft der Ergebnisse zu erreichen. Moderne Rechen-

552

8  Berechnung

Bild 8.2‑21   Zweifeldbrücke, FE-Faltwerk-Modell

begrenzte Bereiche der Konstruktion zusätzliche Betrachtungen erforderlich werden. Dies sind z. B.:

programme bie­ten hierzu teilweise die Möglichkeit, mittels automatischer Netzadaption die Elementdichte den Beanspruchungsverläufen anzupassen.

• Auflagerpunkte, Pressenansatzpunkte • Verankerungs- und Umlenkbereiche von Spanngliedern • Querträger • Steifen • Knotenpunkte wie z. B. Anschlüsse von Hängern

8.2.2.4  Detailbereiche Für die Berechnung der Hauptbeanspruchungen von Brückentragwerken erfolgt die Modellierung im Makrobereich. Dabei werden lokale Beanspruchungen nicht in den Modellen erfasst oder nur unzureichend genau abgebildet, so dass für örtlich

Die Abbildung von Teilen der Konstruktion erfolgt in der Regel auf der Meso-Ebene, vgl. [Keuser/Purainer, 2003], mit Hilfe der

σ = p · a/h h/4 P

a/

a/2 a/2

D

α

Z

h/4 h/4

a/4

h/4 h/4

h/2

h/4

b)

Bild 8.2‑22   Beispiele für Berechnungsmodelle von Detailbereichen. a Spannungen aus einer FEBerechnung des Hängeranschlusses einer Stabbogenbrücke [Schleicher, 2003]; b Stabwerksmodell für den Verankerungsbereich eines Spannglieds

8.2  Systeme, Tragverhalten, Schnittgrößen

Finite-Element-Methode. Für ebene Beanspruchungen werden die in 8.2.2.3 genannten Faltwerks- und Schalenelemente verwendet. Für dreidimensionale Aufgabenstellungen sind diese nur bedingt geeignet, so dass hier räumliche Elemente mit dreidimensionalen Verschiebungsansätzen zum Einsatz kommen. Im Werkstoffmodell ist eine deutliche differenziertere Beschreibung als auf der Makroebene erforderlich, um lokale Spannungskonzentrationen, Plastifizierungen und Rissbildungen wirklichkeitsnah beschreiben zu können. Im Betonbau hat neben den numerischen Berechnungsmethoden nach wie vor der Einsatz von Stabwerksmodellen zur Beschreibung des Tragverhaltens im Zustand II eine große Bedeutung. Zwei Beispiele für die Berechnung von Brückendetails sind im Bild 8.2-22 dargestellt. 8.2.2.5  Bauzustände Bei Brücken handelt es sich um Tragstrukturen mit großen Abmessungen, die in der Regel in mehreren Bauabschnitten hergestellt werden. Dabei müssen die Berechnungsmodelle für die einzelnen Bauzustände die im Zuge der Herstellung auftretenden Veränderungen berücksichtigen. Insbesondere können folgende Änderungen auftreten, die für die Modellierung von Bedeutung sind:

553

• • • •

Änderung der Geometrie Änderung der statischen Systeme Änderung der Einwirkungen Änderung der Lagerung

Entsprechend dem verwendeten Bauverfahren und den Baustoffen ergeben sich Modelländerungen bei folgenden Bauverfahren: • Herstellung auf Lehrgerüst oder Vorschubrüstung • Taktschieben • Freivorbau • Mischbauweise (Fertigteile mit Ortbe­ ton­ergänzung) • Herstellung mit Hilfsstützen • Herstellung der Fahrbahnplatte im Pil­ gerschrittverfahren oder kontinuier­ lich • Abschnittsweise Herstellung der Fahrbahnplatte in Querrichtung Bei Betonkonstruktionen ist dabei zusätzlich zu beachten, dass sich infolge des Kriechens und Schwindens des zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingebauten Betons zusätzliche Beanspruchungen ergeben und dass die Schnittgrößenverläufe zeitabhängige Anteile aufweisen. Neben der Beschreibung der Auswirkungen von Kriechen und Schwinden im Lastmodell muss im mechanischen Modell die Erfassung die Beschreibung dieser Phänomene möglich sein.

Bild 8.2‑23   Änderung des statischen Systems: Taktschieben

554

8  Berechnung

Bild 8.2‑24   Änderung des statischen Systems: Mischbauweise

Im Werkstoffmodell ist das zeitabhängige Materialverhalten in geeigneten Formulierungen zu berücksichtigen. Hier wird auf [Mehlhorn, 1998] verwiesen. Für die Berechnung abschnittsweise hergestellter Spannbetonbrücken in Mischbauweise unter Verwendung von Fertigteilen beschreibt [Neurath, 1983] ein Berechnungsverfahren, bei dem das nichtlineare Materialverhalten unter Berücksichtigung der zeit­ abhängigen Kriech- und Schwindprozesse näherungsweise berücksichtigt wird. 8.2.3  Unterbauten Zusätzlich zu den in 8.2.2 beschriebenen Aspekten der Modellbildung wird bei den Unterbauten im Bereich der Gründungen die Modellierung der Baugrund-Bauwerks-

Wechselwirkung erforderlich. Eine ausführliche Darstellung der Berechnung der Unterbauten ist im Abschnitt 8.6 enthalten, so dass hier im wesentlichen auf die Modellbildung und die statischen Systeme eingegangen wird. 8.2.3.1  Widerlager Wie bei den Überbauten werden auch bei den Widerlagern traditionell einzelne Teilsysteme berechnet und die Ergebnisse anschließend überlagert. Dabei ist zu beachten, dass Widerlager in aller Regel Faltwerkskonstruktionen sind, die sowohl durch Biegung als auch durch Membrankräfte beansprucht werden. Die Berechnung kann mittels ebener Schnitte erfolgen, die horizontal und vertikal so angeordnet

Bild 8.2‑25   Abbildung der Baugrund-Bauwerks-Wechselwirkung

8.2  Systeme, Tragverhalten, Schnittgrößen

werden dass die wesentlichen Tragwirkun­ gen erfasst werden können, vgl. Bilder 8.2-26, -27 und -29. Die Plattentragwirkung wird in diesem Fall durch Zusatzbetrachtungen erfasst. Eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Lastansätze ­geben [Holst/Holst, 2004]. Eine bessere Berücksichtigung der Plattentragwirkungen erlaubt die Berechnung nach [Eibl et al., 1979]. Es werden zunächst die Schnittgrößen in den einzelnen Plat­ten der Teilsysteme getrennt berechnet, anschließend wird an den gemeinsamen ­Verbindungskanten jeweils zweier Platten ein Momentenausgleich durchgeführt. Die Scheibenkräfte ergeben sich aus den Auflagerreaktionen bzw. Querkräften am Plattenrand der jeweils anschließenden Platte.

Bild 8.2‑26   Kastenwiderlager, Berechnungsschnitte

555

Für die Einleitung der Auflagerkräfte wird an Stelle einer Scheibenberechnung in der Regel ein Stabwerksmodell als Ersatzsystem untersucht, vgl. Bild 8.2-28. Dabei wird die Normalkraftbeanspruchung der Widerlagerwand mittels Gleichgewichtsbetrachtungen unter Vernachlässigung der Verträglichkeit abgeschätzt. Im unmittelbaren Bereich der Auflagersockel sind zusätzlich die Spaltzugkräfte zu berechnen. Eine gegebenenfalls erforderliche Tiefgründung mittels Pfählen oder Brunnen wird bei dieser Vorgehensweise ebenfalls getrennt von den übrigen Bauteilen berechnet, vgl. Bild 8.2-30. Dabei wird die Bodenplatte des Widerlagers, die gleichzeitig als Pfahlkopfplatte dient, als starr angesehen. Die Pfähle werden als horizontal elastisch gebettete Stäbe betrachtet und sind in die Pfahlkopfplatte eingespannt. Binden die Pfähle in eine steife tragfähige Schicht, z. B. einen Felshorizont ein, wird an Unterkante Pfahl ein starres vertikales Lager angeordnet. Bei Einbindung in weiche Schichten wird eine vertikale Bettung entsprechend den Angaben des Bodengutachtens zur Berücksichtigung der Mantelreibung gewählt. Bei sehr weichen Schichten ist die Möglichkeit des Auftretens negativer Mantelreibung, d. h. der Einleitung von Eigenlasten aus dem Baugrund in die Pfahlgründung zu beachten. Die resultierenden Einwirkungen aus dem aufgehenden Widerlager einschließlich der Eigenlast der Pfahlkopfplat-

Bild 8.2‑27   Kastenwiderlager, statische Teilsysteme

556

8  Berechnung

Bild 8.2‑28   Beispiel für Systeme zur Berechnung von Kastenwiderlagern nach [Eibl et al., 1988]

te wird im Schwerpunkt der Platte angesetzt und auf der Grundlage des Weggrößenverfahrens auf die einzelnen Pfähle als Horizontal- und Vertikalkräfte sowie Pfahlkopfmomente verteilt. Die Schnittgrößen in den einzelnen Pfählen werden ausschließlich an elastisch gebetteten Balken ermittelt. In den vergangenen Jahren hat sich in der Praxis mehr noch als bei den Überbauten die numerische Berechnung von Widerlagern als räumliche Faltwerkssysteme mit Hilfe der Finite-Element-Methode durchgesetzt. Der Grund ist in der im Ver-

gleich zu den Überbauten in aller Regel größerer Komplexität der Lastabtragung zu sehen, die eine Aufteilung des Gesamtsys­ tems in einfacher zu berechnende Teilsys­ teme schwierig macht. Darüber hinaus hat die Berechnung von Widerlagern mit FEProgrammen in der Regel für den Aufsteller der Statischen Berechnung wirtschaftliche Vorteile, nicht zuletzt da Geometrie und Einwirkungen zumindest qualitativ oft durch Modifikation der Daten früherer Berechnungen generiert werden können. Ein Beispiel für ein geometrisch anspruchsvolles Widerlager, das mittels FEM berechnet wurde zeigt Bild 8.2-31. 8.2.3.2  Pfeiler

Bild 8.2‑29   Stabwerksmodell für eine Widerlagerwand

Brückenpfeiler, insbesondere bei hohen Talbrücken mit großen Stützweiten, werden in der Regel als stabförmige Bauteile mit Massiv- oder Hohlquerschnitt ausgeführt. Bei Brücken, die in geringer Höhe über Gelände verlaufen und bei Flussbrücken werden die Pfeiler zumeist als massive Stahlbetonscheiben ausgebildet, deren Berechnung grundsätzlich analog zu der einer Widerlagerwand ohne eingespannte Flügel erfolgt, so dass hier nicht nochmals darauf

8.2  Systeme, Tragverhalten, Schnittgrößen

557

Bild 8.2‑32   Statisches System eines Brückenpfeilers

Bild 8.2‑30   Pfahl- bzw. Pfahl-Platten Gründung

Bild 8.2‑31   FE-System eines Widerlagers mit Pfahlgründung

eingegangen wird. Pfeiler sind durch hohe Normalkräfte aus den vertikalen Auflagerkräften des Überbaus sowie durch Biegemomente und Querkräfte aus den horizontalen und vertikalen Auflagerkräften und den Windlasten in Längs- und Querrichtung der Brücke belastet. Bei der Beschreibung des Pfeilers als in die Gründung eingespannten Kragarm wird als mechanisches Modell der Balken nach der Technischen Biegelehre verwendet. Wegen der hohen Normalkraftbeanspruchung ist dabei neben der Regelbemessung ein Nachweis unter Berücksichtigung der Zusatzschnittgrößen aus den Verformungen nach Theorie II. Ordnung zu führen. Da diese in hohem Maße von den Steifigkeiten abhängen, sind im Werkstoffmodell die Abnahme der Biegesteifigkeit infolge Rissbildung und der Einfluss des Kriechens infolge der Dauerlasten zu berücksichtigen. Für die wirklichkeitsnahe Berechnung der Verformungen und Schnittgrößen unter Berücksichtigung der Steifigkeiten im Zustand II hat sich die Verwendung von M-N-κ-Beziehungen als sinnvoll erwiesen. Für die praktische Anwendung wird für einen definierten Querschnitt und eine konstante Normalkraft an ausgezeich-

558

8  Berechnung

M

κ = Verkrümmung der Biegelinie

N = const.

M4 M3 M2

3

2

R = Verkrümmungsradius

4

1 Beginn der Rissbildung 2 Bewehrung auf der Zugseite

M1

1

κ=

1 M = R EI

3 Bewehrung auf der Druckseite

1

κ  m

4 Querschnitt versagt auf Zug oder Druck

Bild 8.2‑33   Vereinfachte Momenten-Verkrümmungs-Beziehung

neten Punkten der Zusammenhang zwischen dem Biegemoment, der Biegesteifigkeit und der Verkrümmung der Biegelinie ermittelt. Falls die Querschnittsabmessungen oder die Normalkraft über die Trägerhöhe nicht konstant ist, wird der Pfeiler in Abschnitte unterteilt, für die näherungsweise die jeweiligen Mittelwerte der Querschnittswerte und der Schnittgrößen als konstant angesetzt und so der kontinuierliche Verlauf treppenförmig angenähert wird. Dies gilt beispielsweise für die Pfeiler hoher Talbrücken, die in der Regel zum Pfeilerkopf hin schlankere Abmessungen haben und durch die Eigenlast des Pfeilers auch eine veränderliche Normalkraft aufweisen. Mit dem gem. Bild 8.2-33 erstellten Zusammenhang zwischen Biegemoment und Querschnittssteifigkeit lassen sich nun die Verformungen und daraus die SchnittgröV x

M

M

w (x)

Mo

ßen unter Berücksichtigung der Theorie II. Ordnung und des wirklichkeitsnahen Materialverhaltens nach dem Prinzip der virtuellen Kräfte berechnen. x M M ⋅ dx x 1 w( x ) = ∫ = ∫ κ (x ) M1 (x ) dx EI o o (8.2–5)

Da es sich in der Regel um nichtlineare Momenten- und Steifigkeitsverläufe handelt, kann die Integration nicht geschlossen durchgeführt werden. Daher kommen numerische Integrationsverfahren, z. B. nach Simpson zur Anwendung, bei denen die gekrümmten Verläufe abschnittsweise para­belförmig erfasst werden. Die so ermittelte Kopfverschiebung ist infolge der Zusatzmomente größer als der Wert, der in die Ermittlung von Mo eingegangen ist. Daher erfolgt die Berechnung der endgültigen Verformung w (x) inkrementell.

κo

1 linearelastischer Anteil H

ΔMII

Stat. System

M1 Biegemomente M

κ1

Verkrümmung κ

H Virtuelles Moment H

Bild 8.2‑34   Berechnung einer Kragstütze nach Theorie II. Ordnung

8.2  Systeme, Tragverhalten, Schnittgrößen

559

n

Sonderfällen, (8.2−6) wie z. B. zur Berechnung der Schienenspannungen bei Eisenbahnbrüi =1 mit wi (x ) = wi (x ) − wi −1 (x ) cken und bei hohen Talbrücken mit BegrenVerVerformung formung nachnach Theorie zung der Horizontalverformungen, wird die wo (wxo) (x) Berechnung Verformungszuwachs nach Theorie II. Ordnungder Haupttragwirkungen an ∆ w ( x ) i I. Ordnung einem Gesamtsystem erforderlich, bei dem i m Re chenschritt i ∆wi (x) Verformungszuwachs nach Über- und Unterbauten miteinander ver Theorie II. Ordnung im bunden sind, vgl. Bild 8.2-35. Bei Brücken Rechenschritt i mit geringer Steifigkeit der Unterbauten Die Berechnung kann abgebrochen werden, werden zur Berechnung der Schnittgrößen wenn der Verformungszuwachs ∆wi (x) ei- nach Theorie II. Ordnung Berechnungen nen Toleranzwert, z. B. 5% der Verformung am Gesamtsystem erforderlich, da die stütnach Theorie I. Ordnung, unterschreitet. zende Wirkung des Überbaus auf die Pfeiler nur so wirklichkeitsnah erfasst werden kann. Dieser Fall kann bei großen Pfeilerhö8.2.4  Gesamtsysteme hen und bei Gründungen mit geringer Steifigkeit auftreten. Die Abbildung erfolgt im Bei Rahmen-, Schrägkabel- und Hängebrü- mechanischen Modell in der Regel mittels cken, bei Balkenbrücken in einer Reihe von räumlicher Stabwerkselemente, die im geow ( x ) = w o ( x ) + ∑ ∆ wi ( x )



(8.2–6)

Bild 8.2‑35   Berechnung der Schnittgrößen aus Horizontallasten in Längs- und Querrichtung am Gesamtsystem

560

metrischen Modell in den Schwerlinien der einzelnen Bauteile angeordnet sind. Falls die Lagerwege durch konstruktive Maßnahmen begrenzt sind, ist dies durch die Berücksichtigung von Systemen mit veränderlicher Gliederung, zum Beispiel durch die Einführung verformungsabhängiger Auflagerbedingungen, zu berücksichtigen. Alternativ hierzu kann eine Modellierung mittels Faltwerks- oder Schalenelementen erfolgen, vgl. Abschnitt 8.2.2.3. Im Werkstoffmodell ist insbesondere bei den Pfeilern das nichtlineare Materialverhalten zu berücksichtigen, vgl. 8.2.3.2, z. B. durch wirklichkeitsnahe M-N-κ-Beziehungen. Die Beschreibung der Einwirkungen im Lastmodell entspricht der in 8.2.2.1 erläuterten Vorgehensweise. Dabei ist zu beachten, dass bei Verwendung nichtlinearer Materialgleichungen die Überlagerung von Einzellastfällen nicht zulässig ist. Daher sind hier die ungünstigsten horizontalen Lasten sowie Zwang gemeinsam auf das System aufzubringen.

8.3  Berechnung von Stahlbrücken Günter Ramberger, Francesco Aigner und Thomas Petraschek 8.3.1  Grundlagen Unabhängig vom Baustoff und der Bauweise werden in den Europäischen Normen (EN) Nachweise der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit der Tragwerke gefordert, bei dynamisch beanspruchten Konstruktionen bzw. Konstruktionsteilen außerdem der Nachweis der Ermüdungsfestigkeit. Die Grundlagen für die Nachweise sind in der [EN 1990] niedergeschrieben. Die Nachweise beziehen sich auf Grenzzustände, die als jene Zustände definiert sind, bei deren Überschreitung die geforderten Eigenschaften nicht mehr erfüllt sind.

8  Berechnung

1. Grenzzustand der Tragfähigkeit: Unter den Einwirkungen, die bei der Errichtung, während der Nutzung einschließlich Instandsetzungsarbeiten und während der geforderten Reststandzeit auftreten, darf das Tragwerk nicht einstürzen. Grenzzustände der Tragfähigkeit sind: – Verlust des statischen Gleichgewichts (Umstürzen oder Gleiten des als starren Körper gedachten Tragwerks oder einzelner Teile: Lagesicherheitsnachweis); – Bruch oder dem Bruch gleichgestellte Verformungen von Tragwerksteilen durch Erreichen der Fließgrenze; – Verlust der Stabilität des Bauwerks oder einzelner Teile; – Entstehung eines Mechanismus des Gesamttragwerks oder von Tragwerksteilen (kinematische Kette). Diese Versagensart ist im Brückenbau allenfalls bei außergewöhnlichen Einwirkungen (Erdbeben, Anprall) von Bedeutung. 2. Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit: Um seine Funktion erfüllen zu können, muss das Tragwerk bei der geplanten Nutzung die geforderten Gebrauchs­ eigenschaften besitzen. Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit sind unter anderem: – Verformungen, die die Nutzung oder das Erscheinungsbild beeinträchtigen; – Schwingungen, die die Nutzung beeinträchtigen; – Abheben an Lagern (ohne Umsturzgefahr). 3. Grenzzustand der Ermüdungsfestigkeit: – Bruch in einem Querschnitt infolge von Materialermüdung. Die anstelle von Großversuchen geführten rechnerischen Nachweise erfolgen unter Einbeziehung folgender mathematischer Modelle:

8.3  Berechnung von Stahlbrücken

1. Einwirkungsmodell: Die für den Nachweis maßgebenden Einwirkungen (Lasten, Verschiebungen, Temperatureinwirkungen) werden aufgrund von Beobachtungen und Messungen bzw. aufgrund des vorgesehenen Betriebs festgelegt­ und sind in den Belastungsnormen [EN 1991] niedergeschrieben. Die Norm unterscheidet ständige Einwirkungen G, veränderliche Einwirkungen Q und außergewöhnliche Einwirkungen A. Bei Brückennachrechnungen kommen zuweilen anstelle der Normen‑Lastmodelle reale Betriebslastenzüge in Frage, wobei spezifische Betriebsbeschränkungen berücksichtigt werden können. 2. Widerstandsmodell: Der Widerstand eines Tragwerks ist von geometrischen Größen a und von Werkstoffeigenschaften X abhängig. Im Gegensatz zu den Einwirkungen und der sicherheitstheoretischen Beurteilung sind die Tragwerks- bzw. Bauteilwiderstände vom verwendeten Baustoff abhängig. Die Regeln zur Ermittlung der Widerstände sind in den baustoffspezifischen Normen niedergeschrieben (Stahlbau: EN 1993). 3. Sicherheitsmodell: Grundlagen und normenmäßige Aufbereitung des zugrunde liegenden semiprobabilistischen Sicherheitskonzepts sind in [EN 1990] angegeben. Das Si­cherheitsmodell verknüpft das Einwirkungsmodell mit dem Widerstandsmodell. Es erfasst die Streuungen bei den Einwirkungen und Widerständen und Idealisierungen bei der Modellbildung und regelt das Sicherheitsniveau. Einwirkungen und Widerstände sind keine genau angebbaren Größen, sondern hängen von streuenden Größen ab (Einwirkun­gen, Materialwerte, Bauteilgeometrie). Daher lässt sich eine Sicherheit gegen das Erreichen der o.g. Grenzzustände durch eine Gegenüberstellung von Erwartungswerten nicht zahlenmäßig angeben. Sind die Ausgangsgrößen durch Dichtefunktionen gegeben, lassen

561

sich mit Hilfe statistischer Methoden Wahrscheinlichkeiten angeben, mit denen die Grenzzustände erreicht werden (Versagenswahrscheinlichkeiten). Um die praktische Berechnung nicht mit den Dichtefunktionen durchführen zu müssen (probabilistisches Sicherheitskonzept), sondern diese mit festgelegten Größen durchführen zu können und damit wesentlich zu vereinfachen, werden die Einwirkungen und Widerstände von einander entkoppelt und es werden aus den charakteristischen Größen (95%‑Fraktilwerte bei Einwirkungen, 5%‑Fraktilwerte bei Widerständen) durch Berücksichtigung von Teilsicherheitsfak­toren γSd ≥ 1 (für Einwirkungen) bzw. γRd ≥ 1 (für Widerstände) Bemessungswerte der Einwirkungen Gd, Qd und Widerstände Rd gewonnen. Die statischen Nachweise werden mit diesen Bemessungswerten geführt (semiprobabilistisches Sicherheitskonzept). Teilsicherheitsbeiwerte γSd > 1 sind für den Tragsicherheitsnachweis zu verwenden, wenn dadurch der Nachweis ungünstiger wird, anderenfalls ist γSd = 1 zu setzen. Beim Nachweis der Gebrauchs­ tauglichkeit ist γSd = γRd = 1. Bei der Ermittlung von Gd, Qd wird durch Einführung von Kombinationsbeiwerten ψi ≤ 1 dem Umstand Rechnung getragen, dass bei Überlagerung sämtlicher relevanter Einzeleinwirkungen das Zusammenwirken statistisch unabhängiger Einwirkungen in voller Größe, d.h. mit den Einzelwerten Qki , unwahrscheinlich ist. Mit den Kombinationsbeiwerten können alle veränderlichen Einzeleinwirkungen (begleitende Einwirkungen: i ≥ 2) bis auf eine (führende Einwirkung: i = 1) abgemindert werden. Es ist nachzuweisen, dass unter den maßgebenden Einwirkungen die betrachteten Grenzzustände im Sinne der geforderten Versagenswahrscheinlichkeiten nicht erreicht bzw. überschritten werden. In der

562

8  Berechnung

EN 1990 sind die Versagenswahrscheinlichkeiten mit 10−6 pro Jahr für Grenzzustände der Tragfähigkeit und mit 10−3 pro Jahr für Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit festgelegt. Nachweisformat für den Tragfähigkeitsnachweis (Grenzzustand: Verlust des Gleich­gewichts): Ed, dst ≤ Ed, stb wobei: Ed, dst Ungünstige (destabilisierende) Auswirkung der Einwirkungen Ed, stb Günstige (stabilisierende) Auswirkungen der Einwirkungen Der Widerstand des Tragwerks oder von Tragwerksteilen gegenüber den Einwirkungen kann über den Widerstand gegenüber den Einwirkungen, über den Querschnittswiderstand oder über den Widerstand in der Querschnittsfaser ausgedrückt werden. Nachweisformate für den Tragfähigkeitsnachweis (Grenzzustand: Fließen): 

QSd ≤

QRk = QRd γM

(Einwirkungsniveau) SSd ≤ SSd (QSd ) ≤

QRk = QRd γM

(Querschnittsbeanspruchung)

(Faserbeanspruchung) wobei: Q Einwirkungen S Querschnitts beanspruchung σv v. Mises-Vergleichsspannung fy Fließgrenze γM Teilsicherheitsbeiwert Index „Sd“ Einwirkungsseite Index „Rd“ Widerstandsseite

Bei der Ermittlung des Querschnittswiderstands muss örtliches Beulen dünnwandiger Querschnittsteile infolge von Druckspannungen berücksichtigt werden. Abhängig von den Breiten‑Dicken‑Verhältnissen b/t, dem Spannungsverlauf und den Randbedingungen der betrachteten Einzelbleche sind vier Querschnittsklassen definiert: Klasse 1 – plastische Querschnitte: Die Querschnitte können voll plastizieren (Fließgelenkbildung) und besitzen im durchplastizierten Zustand eine aus­ reichende Rotationskapazität, so dass eine Momentenumlagerung möglich ist; Klasse 2 – kompakte Querschnitte: Die Querschnitte können voll plastizieren (Fließgelenkbildung), besitzen jedoch im durchplastizierten Zustand keine Rotationskapazität, so dass eine Momenten­ umlagerung nicht möglich ist; Klasse 3 – halbkompakte Querschnitte: Die Querschnitte können nicht plastizieren, am höchstbeanspruchten Querschnittsrand kann jedoch die Streckgrenze fy ausgenützt werden; Klasse 4 – elastische Querschnitte: Ohne Aussteifungen kann am höchstbeanspruchten Querschnittsrand die Streckgrenze fy nicht ausgenützt werden. Je nach Ausnutzung von plastischen Reserven und der damit verbundenen Fähigkeit der Momentenumlagerung kennt die [EN 1993] drei Berechnungsarten für den Tragfähigkeitsnachweis: Verfahren P‑P: Fließgelenktheorie (oder Fließzonentheorie), siehe [Rubin et al., 1982]. Erfordernis: Plastische Querschnitte an den Stellen, wo sich Fließgelenke bilden bzw. kompakter Querschnitt beim letzten Fließgelenk; Verfahren E‑P: Elastische Schnittgrößenberechnung, Querschnittsnachweise unter Berücksichtigung der Plastizier-

8.3  Berechnung von Stahlbrücken

barkeit. Erfordernis: Kompakter Querschnitt beim Fließgelenk; Verfahren E‑E: Elastische Schnittgrößenberechnung, Nachweis der elastischen Grenzlast. Bei Vollwandkonstruktionen des Brückenbaus sind hohe, aus Blechen zusammengeschweißte Querschnitte mit dünnen Stegen und gegebenenfalls dünnen Gurtungen charakteristisch. Um die elastische Grenzlast solcher Querschnitte ausnützen zu können (Fließen in der Randfaser), müssen die dünnen gedrückten Bleche ausgesteift werden. Nach [EN 1993‑2, 2007] sind für den Tragfähigkeitsnachweis im Stahlbrückenbau die Verfahren E‑E und E‑P zugelassen, eine plastische Schnittkraftberechnung (Rechenverfahren P‑P) nur bei außergewöhnlichen Einwirkungen. Neben der Spannungsbegrenzung ist bei elastischer Schnittkraftberechnung (Berechnungsverfahren E‑E und E‑P) die Gültigkeit des Superpositionsgesetzes von besonderer Bedeutung. Dadurch können Schnittkräfte infolge von veränderlichen Lasten (Verkehrslasten) durch Auswertung von Einflusslinien oder Einflussflächen ermittelt werden. Im Brückenbau kommen häufig Sys­ teme vor, die aus ineinander geschachtelten Einzelsystemen bestehen. So kommen beispielsweise dem Fahrbahnblech einer orthotropen Platte mit Längs- und Querträgern folgende Funktionen zu: • Örtliche Lastübertragung der auf das Fahrbahnblech wirkenden Lasten auf die Längsträger (Biegespannungen) • Obergurt der Längsträger (Membran­ spannungen) • Obergurt der Querträger (Membran­ spannungen) • Gurtung des Hauptträgers (Membran­ spannungen) Ähnlich zu behandeln sind Spannungszustände, die aus globalen Anteilen und aus örtlichen Lasteintragungen bestehen. In

563

solchen Fällen müssen die aus den einzelnen Tragsystemen resultierenden gleichartigen Spannungen (σx, σy  , τxy) addiert werden. Der Tragsicherheitsnachweis kann nur in den Querschnittsfasern geführt werden: s v = s v (QSd ) ≤ f Rd =

fy gM

.

Das Gleiche gilt beim Nachweis der Ermüdungsfestigkeit. Bei Tragfähigkeitsnachweisen sind die Wirkungen von Imperfektionen zu berücksichtigen. Es gibt geometrische Imperfek­ tionen (z. B. ungewollte Vorkrümmungen, Schiefstellungen, Anschlussexzentrizitäten) und strukturelle Imperfektionen (Eigenspannungen aus dem Walz- oder Schweißprozess, Inhomogenitäten, Anisotropien usw.). Für die praktische Berechnung werden strukturelle Imperfektionen zunächst durch geometrische Imperfektionen ausgedrückt und diese in der Regel durch Ersatzlasten in der statischen Berechnung berücksichtigt. Die Größen der zu berücksichtigenden Imperfektionen sind in den baustoffspezifischen Normen (z. B. [EN 1993‑1‑1 oder 1993‑2, 2007]) angegeben. Die Imperfektionen sind in der Weise zu berücksichtigen, dass die Bemessungssituation dadurch ungünstiger wird. Eng mit dem Problem der Größe der Imperfektionen sind die Ausführungs- und Toleranznormen verknüpft. Bei einfachen Stabilitätsnachweisen (Knicknachweis) sind die Imperfektionen in Tabellen bereits eingearbeitet und werden beim Nachweis nicht direkt berücksichtigt. Nachweisformat für den Gebrauchstauglichkeitsnachweis (Grenzzustand: Verformungen): Ed ≤ Cd wobei: Ed Cd

Auswirkung der maßgebenden Lastkombination (z. B. Durchbiegung) Grenzwert der Auswirkung (z. B. Grenzwert der Durchbiegung)

564

Beim Gebrauchstauglichkeitsnachweis wer­ den nur die Formänderungen infolge der Nutzlasten (Verkehrslasten) berücksichtigt. Formänderungen infolge ständiger Einwirkungen werden durch Überhöhung ausgeglichen und sind daher für den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit ohne Bedeutung. 8.3.2  Ausgewählte Probleme In den folgenden Abschnitten werden exemplarisch einige im Stahlbrückenbau typische statische Probleme herausgegriffen: 1. Sollform und Festlegung der Werkstattform 2. Systemvorspannung bei statisch unbestimmten Systemen 3. Berechnung von Montagezuständen 4. Ermüdungsfestigkeit 5. Nebenspannungen in Fachwerken 6. Theorie II. Ordnung bei Hängebrücken 7. Beulen ebener Bleche 8.3.2.1  Sollform und Werkstattform Ausgangspunkt für die Formgebung eines Tragwerks ist die Sollform. Darunter versteht man jene Geometrie, die das Tragwerk unter der Wirkung der Eigenlast g1 (Stahlkonstruktion) und der ständigen ­ Lasten g2 (z. B. Schotterbett, Randbalken, Gleiskörper) aufweisen soll. Die Sollform ist durch die Angaben der Streckenplanung hinsichtlich der Fahrweggeometrie (Schienenoberkante oder Fahrbahnoberkante) vorgegeben. Durch den Fahrbahnaufbau und die Tragwerksquerschnitte ist damit die Tragwerksachse festgelegt. Anders als bei Tragwerken in Ortbetonbauweise, bei denen die Sollform durch geeignete Formgebung der Unterstützungen beim Einbringen des weichen Betons erfolgt (Lehrge-

8  Berechnung

rüstgeometrie), wird bei der Fertigteilbauweise des Stahlbaus die Sollform durch entsprechende Formgebung des einzubauenden Tragwerks bzw. der einzubauenden Tragwerksteile (Bauteile) erzielt. Die in der Werkstatt hergestellte Form des Trag­ werks, die nach dem Zusammenbau (g1) und nach Aufbringung aller ständigen Einwirkungen (g2) unter der Wirkung der Schwerkraft die Sollform ergibt, wird Werkstattform genannt. Sie entspricht der Tragwerksform im spannungslosen Zustand. Die Werkstattform wird aus der Sollform erhalten, indem von dieser die Verformungen infolge von g = g1 + g2 in negativer Richtung aufgetragen werden (Über­ höhung). Bezugstemperatur ist die Jahresmitteltemperatur T0 = +10 °C, auf die alle Bauwerks- und Bauteilabmessungen be­ zogen werden. Dies ist vor allem bei Sys­ temen von Bedeutung, die unter Temperatureinwirkungen ihre Form verändern, z. B. bei Bogen- und Rahmenbrücken. Verwendet man beim Zuschnitt der Einzelposi­ tionen Stahlmaßbänder, d. h. Maßbänder mit dem gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten αT wie die abzumessenden Teile, braucht keine Anpassung der Längen infolge des Temperatureinflusses berücksichtigt zu werden. Es wird dann zwar „absolut falsch“, jedoch „relativ richtig“ gemessen. Anders verhält es sich, wenn Seile auf einer ortsfesten, in ihren Messmarken von der Temperatur praktisch unabhängigen Ablängbank abgelängt werden. In diesem Fall ist beim Ablängen der Seile der Temperaturunterschied zwischen der o. g. Bezugstemperatur der Konstruktion (+10 °C) und der Temperatur der Ablängbank zu berücksichtigen. Bild 8.3-1 zeigt die Werkstattform einer kleinen Schrägkabelbrücke, deren Fahrbahn­oberkante in einer Kuppe mit dem Radius r = 10000 m liegt.

8.3  Berechnung von Stahlbrücken

565

Bild 8.3‑1   Werkstattform einer Schrägkabelbrücke

8.3.2.2  Systemvorspannung bei statisch unbestimmten Systemen Bei einem n‑fach statisch unbestimmten System können unter der Wirkung eines bestimmten Lastbildes n von einander unabhängige statische Größen (Schnittgrößen X*i bzw. Verformungen δ*i) frei gewählt werden und man erhält damit den Schnittkraftzustand S* . Bezeichnet man die entsprechenden Größen, die sich aus einer konventionellen statisch unbestimmten Berechnung ergeben, mit Xi bzw. δi und den daraus resultierenden Schnittkraftzustand mit S und ist Xi ≠ X*i bzw. δi ≠ δ*i , so ist auch Si ≠ S*i . Damit existiert bereits am

unbelasteten System ein von Null verschiedener Schnittkraftzustand. Die Differenz zwischen den für das gleiche Lastbild zu ermittelnden Schnittkraftzuständen S und S* entspricht einer Systemvorspannung. Die Systemvorspannung ist ein Eigenspannungszustand (Summe der Auflagerkräfte = 0). Besteht zwischen Spannungen und Dehnungen ein umkehrbar eindeutiger Zusammenhang (Elastizitätstheorie), so ist einem bestimmten Schnittkraftzustand S genau ein Verschiebungszustand δ zugeordnet und umgekehrt. Daher kann man den Schnittkraftzustand S* durch entsprechende Formgebung der werkstattmäßig gefertigten Bauteile erzeugen. Somit sind

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bei statisch unbestimmten Systemen die Schnittkräfte unmittelbar von der Geometrie abhängig und die Schnittkraftberechnung ist mit der Werkstattform untrennbar verknüpft, die Festlegung der Werkstattform ist ein äußerst wichtiger Teil jeder statischen Berechnung. Die einfache Möglichkeit einer Systemvorspannung durch die Formgebung ist insofern von besonderer wirtschaftlicher Bedeutung, als mit einem in der Regel erträglichen Mehraufwand an Material in einigen Tragwerksteilen ein Eigenspannungszustand in das Gesamttragwerk eingebracht werden kann, durch den sich für den Endzustand die Schnittkräfte optimal einstellen lassen. Bezieht man sich dabei insbesondere auf die ständig wirkende Belastung g = g1 + g2  , so braucht man bei der ohnehin notwendigen Festlegung der Werkstattform nur zusätzlich den der gewünschten Systemvorspannung zugeordneten Verformungszustand zu berücksichtigen. Der Zustand g1 + g2 + P = g + P „ständig wirkende Belastung + Systemvorspannung“ wird zu dem Zustand „ständige Last“ zusammengefasst und weiterhin mit –g bezeichnet. Die Werkstattform solcherart vorgespannter, statisch unbestimmter Systeme wird grundsätzlich genauso ermittelt wie jene nicht vorgespannter Systeme, indem das Verformungsbild des Zustandes „ständige Last“ (ohne Vorspannung: g; mit Vorspannung: –g ) ermittelt und von der Sollform in negativer Richtung aufgetragen wird. Betrachtet man z. B. die in Bild 8.3-1 dargestellte Schräg­ kabelbrücke, so lassen sich durch Vorspannmaßnahmen, d. h. durch Festlegung einer geeigneten, von der Werkstattform für ständig wirkende Belastungen abweichenden Werkstattform für das teuere Fahrbahndeck wesentliche Einsparungen in den Massen erzielen. Außerdem wird die werkstattmäßige Fertigung des Pylonen einfacher. Bei dem dreifach statisch unbestimmten System kann man drei voneinander unabhängige statische Größen wählen. Im vorliegenden Fall wurde gewählt:

8  Berechnung

1. M F1,g + max. M F1,q = MSt1,g + min. MSt1,q 2. M F3,g + max. M F3,q = MSt 2,g + min. MSt 2,q 3. M1 = 0 (Pylon momentenfrei) Die ersten beiden Bedingungen zielen auf eine möglichst gleichmäßige Ausnützung und damit günstige Dimensionierung des Streckträgers, die dritte Bedingung auf eine einfache Formgebung des Pylonen. Bild 8.3-2 zeigt die Momentenlinien Mg , Mq , Mp , M– g , Mg  +   q  , M– g   +  q (alle auf Gebrauchslast-Niveau) sowie die zugehörige Werkstattform, die sich aus der Sollform durch Abziehen der Biegelinie w– g ergibt. Ein Vergleich mit Bild 8.3-1 zeigt, wie durch die Änderung der Werkstattform eine völlig andere Schnittkraftverteilung erzielt werden kann. Bei Bauteilen mit Normalkraft (Pylon, Streckträger, Seile) sind bei der Festlegung der Werkstattform selbstverständlich auch die entsprechenden Längenänderungen zu berücksichtigen. Seile erhalten die Kraft, die sich aus der statischen Berechnung ergibt, durch entsprechende Ablängung. Im gezeigten Fall ist der Streckträger um 6 mm länger und der Pylon um 3 mm länger zu fertigen, als es dem Nullzustand entspricht. Um die vorgesehenen Seilkräfte zu erhalten, sind die Seile um 108 bzw. 107 mm kürzer einzubauen, als es dem spannungslosen Zustand entspricht. Aus dem Bild erkennt man, dass durch die gewählte Systemvorspannung wesentlich geringere max./min. Schnittkräfte im Streckträger entstehen und dieser daher besser ausgenützt wird. Die Seilkräfte und Normalkräfte im Pylon werden dafür deutlich größer: Die Seilkräfte infolge g + q betragen 2630 bzw. 2490 kN, jene infolge g– + q 5230 bzw. 5120 kN. Im Pylon beträgt die Normalkraft infolge g + q −2400 kN und infolge g– + q −4700 kN. Die Mehrkosten für diese Elemente, die bei einer Schrägkabelbrücke üblicher Bauart ca. 10–20% der Gesamtmasse des Tragwerks ausmachen, stehen in keinem Verhältnis zu

8.3  Berechnung von Stahlbrücken

Bild 8.3‑2   Systemvorspannung bei einer Schrägkabelbrücke

567

568

den überaus bedeutenden Ersparnissen beim konstruktiv aufwendigen Streckträger (Kastenquerschnitt mit orthotroper Fahrbahnplatte). Beispielsweise betragen bei der Rheinbrücke Oberkassel (Montage siehe Kapitel 9.2.5) die Massen von Streckträger, Pylonen und Seilen ca. 7000 t, 600 t und 500 t; ohne Systemvorspannung hätten sich ca. 11000 t, 450 t und 300 t ergeben. Außerdem verursachen bei Seilen das Ablängen, die Aufbringung der Seilköpfe und der Einbau den Hauptteil der Kosten, kaum jedoch das Seilmaterial selbst. Im gegenständlichen Fall werden durch die Systemvorspannung auch die maximalen Auflagerkräfte am linken und mittleren Auflager betragsmäßig größer. Bei Instandsetzungsarbeiten, Umbauarbeiten und schließlich bei Abbruch ist die Wirkung einer Systemvorspannung auf jeden Fall zu berücksichtigen. Wegen des Eigenspannungszustandes besteht keine Proportionalität zwischen äußeren Einwirkungen und den Bauteil- bzw. Querschnittsbeanspruchungen, d.h. es können durch das Entfernen von Lasten maßgebende Lastsituationen entstehen, für die alle Tragfähigkeitsnachweise (Querschnittsnachweise, Bauteilnachweise) erfüllt sein müssen. 8.3.2.3  Berechnung von Montagezuständen Montageberechnungen dienen der statischen Beurteilung von Systemen vor dem Endzustand, der Festlegung von Pressenwegen, Stapelkräften, Vorspannkräften in Seilen u. a. m. Die statische Untersuchung der Zwischenzustände bei der Fertigteilbauweise des Stahlbaus entspricht in ihrer Bedeutung der statischen Untersuchung der Lehrgerüste von Ortbetonbrücken. Der Umstand, dass sich die weitaus größte Anzahl an Unfällen im Bauwesen bei der Herstellung und Montage der Bauwerke ereignet [Scheer, 2000], zeigt die überragende Bedeutung der Montageberechnungen. Alle maßgebenden Zwischenzustände sind

8  Berechnung

statisch nachzuweisen, wobei es sehr zweckmäßig ist, den Montageablauf zunächst schematisch (zeichnerisch) darzustellen. Nach Beendigung der Montage und nach dem Aufbringen aller ständig wirkenden Belastungen und allfälliger Auflager­ bewegungen ist der Schnittkraftzustand „ständige Last“ vorhanden. Dieser Schnittkraftzustand setzt sich aus den ständig wirkenden Belastungen g = g1 + g2 und der bei statisch unbestimmten Systemen eventuell vorhandenen Systemvorspannung P zusammen und charakterisiert vollständig das fertig montierte Tragwerk unter dem genannten Lastbild g bzw. g– = g + P. Da nach Beendigung der Montage und Aufbringung der Ausbaulasten g2 im Tragwerk die vorausberechneten Schnittkraft- und Verformungszustände infolge g bzw. g– vorhanden sind („Endzustand“), lassen sich grundsätzlich beliebige Montagezustände durch Rückrechnung aus dem Endzustand statisch nachweisen. Für die praktische Berechnung von Tragwerken, die nach den beiden im Stahlgroßbrückenbau am häufigsten angewendeten Montageverfahren – Freivorbau und Lancieren (Montage von Stahlbrücken siehe Kapitel 9.2) – errichtet werden, ist es jedoch einfacher und daher zweckmäßig, diese beiden Herstellungsmethoden unterschiedlich zu behandeln. Bei Tragwerken, die im Freivorbau hergestellt werden, sowie bei Tragwerken, bei denen die Tragelemente vorher montiert werden (z. B. Hängebrücken), sind die Montagezustände hinsichtlich der Lagerungsbedingungen Teile des Endsystems, d.h. in diesem enthalten. Daher ist in diesen Fällen der oben beschriebene Lösungsweg besonders zweckmäßig. Ausgangszustand ist der durch die ständige Last g bzw. g– und die Sollform beschriebene Endzustand. Aus dem Endzustand werden die betrachteten Montagesysteme als Teilsysteme mittels Schnittführung herausgezogen. An Stelle des noch nicht vorhandenen Teils der Konstruktion (Restsystem) sind an den Teilsys-

8.3  Berechnung von Stahlbrücken

temen die Schnittkräfte aus ständiger Last mit entgegengesetztem Vorzeichen anzusetzen, da zwar für das Teilsystem dessen endgültige Schnittkräfte angesetzt werden, das Restsystem jedoch noch nicht vorhanden ist, dieses jedoch schließlich das Teil­ system mit den Schnittkräften belasten wird. Die äußeren Einwirkungen sind im zugrundegelegten Schnittkraftzustand „ständige Last“ bereits enthalten und daher nicht eigens anzusetzen. Die Ausbaulasten g2 (Fahrbahnbelag, Schotterbett, Randbalken, Lärmschutzwände usw.) werden zu einem späteren Zeitpunkt aufgebracht, daher sind diese Lasten, die im Schnittkraftzustand „ständige Last“ vorhanden sind, tatsächlich jedoch noch nicht wirken, entgegen ihrer Wirkungsrichtung auf das Teilsystem aufzubringen. Dasselbe gilt auch für allfällige, noch nicht aufgebrachte Widerlagerverschiebungen, die im Zustand „ständige Last“ enthalten sind. Montagelasten (z. B. Hebezeuge), die im Zustand „ständige Last“ nicht enthalten sind, tatsächlich jedoch auf das Teilsystem wirken, sind für die Berechnung der Teilsysteme zusätzlich zu berücksichtigen. Somit ergeben sich die Schnittkräfte bzw. Verformungen für einen untersuchten Montagezustand M durch Überlagerung der Schnittkräfte bzw. der Verformungen folgender Systeme: 1. Endsystem unter ständigen Lasten g bzw. g– 2. M1: Montagesystem, an dessen Schnittstellen zum Restsystem die Schnittkräfte des Endzustandes mit gegengleichem Vorzeichen angreifen: –S– g. Schnittkräfte: SM1 3. M2: Montagesystem, an dem die im Endzustand enthaltenen, jedoch noch nicht aufgebrachten Lasten entgegen ihrer endgültigen Wirkungsrichtung angreifen: −g2 . Schnittkräfte: SM2 4. M3: Montagesystem, an dem die im Endzustand nicht enthaltenen, jedoch im

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betrachteten Montagezustand wirkenden Lasten angreifen: gM  , GM . Schnittkräfte: SM3 Zur Erläuterung der beschriebenen Vorgangsweise wird ein Durchlaufträger über vier Felder betrachtet, der von einer Seite aus im Freivorbau montiert wird. Bild­ 8.3-3 zeigt das bis zum Punkt E montierte Teilsystem mit dem Hebegerät K. Gesucht sind: 1. Stapelhöhe im Punkt 2, so dass im Punkt 3 das Lager erreicht wird 2. Schnittkräfte des Montagesystems Ausgegangen wird vom Tragwerk im Endzu­ stand. Dieser Zustand ist charakterisiert durch die Schnittkräfte infolge g– = g1 + g2 + P = g + P. Durch Vorgabe von drei Schnittgrößen, z. B. der Stützenmomente M– g , 1, M– g , 2, M– g  , 3, kann man das dreifach statisch unbestimmte System vorspannen, siehe Abschnitt 8.3.2.2. Das Teilbild a zeigt das Ausgangs­ system, das Teilbild b die Schnittkräfte M–g  und V– g des Endzustandes. Das Teilbild c zeigt das bis zum Punkt E montierte Tragwerk mit dem Vorbaugerät K. Gegenüber dem Endzustand fehlen hier die Ausbaulasten g2 bzw. es wirken zusätzlich das Gewicht des Vorbaugerätes GK, das Gewicht des zu montierenden Schusses ∆GE‑3 sowie Montagenutzlasten qM. Das Teilbild d zeigt das Teilsystem mit den am Schnittufer mit verkehrten Vorzeichen eingetragenen Schnittgrößen des Endzustandes und die entsprechenden Schnittkräfte, das Teilbild e zeigt das Teilsystem mit den noch nicht vorhandenen und daher abzuziehenden Ausbaulasten g2 und die entsprechenden Schnittkräfte. Die Teilbilder f und g zeigen das Teilsystem mit den Gewichten GK (Hubgerät) und GE‑3 (Schuss E-3) und den stetig verteilten Montagelasten qM , wiederum die Schnittkräfte sowie die Biegelinie. Damit der letzte Bauteil unter den genannten Lasten gerade auf das Lager im Punkt 4 passt, muss der Punkt 2 um das Maß ∆h2

570

8  Berechnung

Bild 8.3‑3   Montageberechnung durch Rückrechnung aus dem Endzustand

angehoben werden, wobei die Bedingung ∆h2 · (wE, ∆h2 = 1 + w'E, ∆h2 = 1 · ∆l ) + w3M = 0 erfüllt sein muss. Das Teilbild h zeigt die Schnittkräfte und die Biegelinie des untersuchten Teilsystems. Für die Schnittkräfte gilt allgemein: S = S– g + SM 1 + SM 2 + SM 3 . Als zweites Beispiel zeigt Bild 8.3-4 ­schematisch einen Bauzustand einer im Freivorbau errichteten, symmetrischen

Schrägkabelbrücke. Das Endsystem ist aus dem Teilbild a ersichtlich. Im Endsystem wirken die Schnittkräfte M– g , V– g , N– g  . Das Teilbild b zeigt den betrachteten Bauzustand mit dem Hebezeug, das Teilbild a die Schnittführung. Das Teilbild c zeigt das Montagesystem mit den negativ angesetzten Schnittkräften des Endzustandes S–g  (Schnittkräfte: SM 1), das Teilbild d zeigt das

8.3  Berechnung von Stahlbrücken

571

Bild 8.3‑4   Montageberechnung durch Rückrechnung aus dem Endzustand

Montagesystem mit den negativ angesetzten Ausbaulasten g2 (Schnittkräfte: SM 2) und das Teilbild e das Montagesystem mit den Montagelasten (Schnittkräfte: SM 1). Die Schnittkräfte dieses Montagezustandes betragen wiederum S = S–g  + SM 1 + SM 2 + SM 3 . Bei Tragwerken, die durch Einschieben (Lancieren) hergestellt werden, ändern sich die Lagerungsbedingungen laufend. Unabhängig von der Endlage wird jeder Trägerquerschnitt zum Feld- bzw. Stützquerschnitt. Gerade die im Endzustand gering beanspruchten Tragwerksteile (Bereiche der Momentennullpunkte) müssen oft mit Rücksicht auf die Montage stärker dimensioniert werden als es der Endzustand erfordert. Da die Montagesysteme im Endsystem nicht enthalten sind, ist es bei der Montageberechnung im Allgemeinen zweckmäßiger, nicht – wie beim Freivorbau – vom End­ zustand zurückzurechnen, sondern von der bereits bestehenden Bauteilgeometrie (Werk­stattform) auszugehen und die Bauzustände direkt nachzuweisen. Ausgangszustand ist die Werkstattform, in die durch eine entsprechende Formgebung eine Systemvorspannung eingebracht werden kann. Das vorgeschobene System wird im betrachteten, vorgeschobenen Zustand auf alle zur Verfügung stehenden Lager in richtiger Hö-

henlage aufgesetzt. Auf das so gelagerte System werden alle Lasten aufgebracht (Gewicht gSt der montierten Konstruktion, Montagelasten qM ) und daraus die Schnittkräfte für den Bauzustand ermittelt. Damit ergeben sich die Schnittkräfte bzw. Verformungen für einen untersuchten Montagezustand M durch Überlagerung der Schnittkräfte bzw. der Verformungen folgender Systeme: 1. Zwängungen infolge statisch unbestimmter Lagerung des gewichtslosen Systems aufgrund statisch unbestimmter Lagerung 2. Eigenlast gSt der Konstruktion des betrachteten Montagesystems 3. Montagelasten qM , QM Durch die ab drei Lagerpunkten vorhandene statisch unbestimmte Lagerung entstehen Zwängungskräfte in den Lagern und Zwängungsschnittgrößen im System, die sich mit jeder Lage des Lancierfortschrittes ändern und die bei den statischen Nachweisen unbedingt zu berücksichtigen sind, da die Nachweise nach dem Verfahren E‑E zu führen sind und bei den dünnwandigen Querschnitten der Klasse 4 der Stabilität (Beulen) eine überragende Bedeutung zukommt. Zur Erläuterung der beschriebenen Vorgangsweise wird nochmals der im Bild­

572

8  Berechnung

Bild 8.3‑5   Montageberechnung durch direkte Berechnung des Bauzustands

8.3-3 behandelte Durchlaufträger über vier Felder betrachtet, der von einer Seite aus lanciert wird. Bild 8.3-5 zeigt schema­ tisch die Schritte für die Montageberechnung. Das Teilbild a zeigt das fertige Bauwerk und die Werkstattform, das Teilbild b den untersuchten Bauzustand. Im Teilbild c sieht man den in den Punkten A und 2 gelagerten Balken. Tatsächlich liegt der Balken auch in den Punkten 0 und 1 auf den Lagern auf. Die entsprechenden Wege sind als eingeprägte Verschiebungen ∆h0 , ∆h1 zu behandeln. Das Teilbild d zeigt schließlich das Montagesystem mit den Lasten gSt (Gewicht des Stahlträgers) und qM (Mon­ tagelasten). 8.3.2.4  Ermüdungsfestigkeit Häufige Lastwechsel führen bei vorwiegend nicht ruhend belasteten Bauwerken bzw. Bauteilen, z. B. bei Eisenbahn- oder Straßenbrücken, infolge Materialermüdung zu Bruchversagen bei Spannungszuständen, die unterhalb der Bruchfestigkeit bzw. Streckgrenze des Materials liegen. Daher ist bei solchen Konstruktionen neben den übrigen statischen Nachweisen auch der

Nachweis der Ermüdungsfestigkeit zu führen. Vor allem bei Brücken mit kürzerer Stützweite sowie bei hochdynamisch beanspruchten Bauteilen, z. B. Fahrbahnträgern, ist der Ermüdungsnachweis vielfach maßgebend. Es gibt bis heute keine Theorie zur zahlenmäßigen Berechnung der Zeitfestigkeit oder der Ermüdungsfestigkeit aufgrund der Kerbgeometrie, d. h. es können keine Wöhlerlinien (siehe unten) aufgrund der Charakteristik eines Kerbdetails berechnet werden. Daher muss gerade beim Ermüdungsnachweis weitgehend auf Versuche zurückgegriffen werden. Grundlagen und Berechnungsverfahren im Sinne der heutigen Normung siehe [Haibach, 1989]. Der aktuelle Stand der Technik, auch im Zusammenhang mit [EN 1993-1-9, 2007], ist in [Good Design Practice, 2000] zusammengestellt. Für Konstruktionen des Stahlbaus sind geschweißte Details mit entsprechend hohen Schrumpfeigenspannungen charakteristisch und es sind folgende Einflüsse für das Ermüdungsverhalten von besonderer Bedeutung: • Lastspielzahl N • Spannungsdifferenzen ∆σ = σo – σu • Konstruktive Ausbildung (Kerbwirkung)

8.3  Berechnung von Stahlbrücken

Vergleichsweise gering ist dagegen der Einfluss des mittleren Spannungsniveaus  σo + σu σm = 02 und der Materialfestigkeit, 2 außer bei reiner Druckschwellbeanspruchung nicht geschweißter Konstruktionsdetails. Anders als im Maschinenbau, wo die Festigkeitsuntersuchungen (einschließlich Ermüdung) an 1:1‑Modellen (Proto­ typen) durchgeführt werden, werden im Bauwesen (und im Großmaschinenbau) die Nachweise an mathematischen Modellen geführt. Besonders im Fall des Ermüdungsnachweises müssen dabei Versuchsergebnisse aus Kleinteil- und Bauteilversuchen herangezogen werden. Das Ergebnis eines Wöhlerversuches ist der Zusammenhang zwischen der Lastspielzahl N und der bei festgehaltener Unterspannung σu ertragbaren Oberspannung σo bei periodischer Beanspruchung, siehe Bild 8.3-6. Bild 8.3-7 zeigt das Ergebnis eines Wöh­ lerversuches in Form einer Wöhlerlinie in einfachlogarithmischer Darstellung. Man erkennt, dass sich die ertragbare Spannung mit steigender Lastspielzahl einem Grenzwert σD nähert. Als sogenannte Dauerfestigkeit σD gilt jene Spannung, die „unendlich oft“ ertragen wird (früher gene-

573

rell 2 · 106 mal, heute 5 · 106 mal, bei Schubbeanspruchung 108 mal). Spannungen oberhalb der Dauerfestigkeit ∆σR < ∆σD werden als Zeitfestigkeit bezeichnet. Typisch für alle Ermüdungsversuche sind selbst bei sorgfältigster Versuchsdurchführung große Streuungen. Um dennoch eine plausible Aussage über das Ermüdungsverhalten eines Bauteils machen zu können, muss eine hinreichend große Anzahl möglichst identischer Versuche durchgeführt werden und es müssen aus den Einzelergebnissen mittels statistischer Methoden Fraktilwerte (5%, 50%, 95%) abgeleitet werden. In doppeltlogarithmischer Darstellung und unter Berücksichtigung von Lastspielzahlen N  ≥  104 (geringere Lastspielzahlen entsprechen einem „lowcycle“-Versagen und fallen nicht unter „Ermüdung“) erhält man näherungsweise eine Gerade mit dem Anstieg 1/m, siehe Bild 8.3‑8, wodurch die analytische Behandlung besonders einfach wird. Mit dem Schnittpunkt a der Wöhler­ linie mit der Abszisse log a = log ND + m · log ∆σD   erhält man für Lastspiele N < ND die Zeitfestigkeit ∆σR in Abhängigkeit von

��

1

  a ––  m– der Lastspielzahl N zu ∆σR = 3 bzw. die   N zu der Zeitfestigkeit ∆σR gehörende ertrag   a bare Lastspielzahl zu N = 6 . Mit Hin  ∆σR

Bild 8.3‑6   Periodische Belastung

Bild 8.3‑7   Wöhlerlinie in einfachlogarithmischer Darstellung

Bild 8.3‑8   Normierte Wöhlerlinie in doppelt­ logarithmischer Darstellung

574

Bild 8.3‑9   Nichtperiodische Beanspruchung

Bild 8.3‑10   Reservoir-Methode

blick auf den „Betriebsfestigkeitsnachweis“ wird die Wöhlerlinie für Spannungsdifferenzen ∆σ < ∆σD weitergeführt. Das ursprüngliche, in den älteren Vorschriften verankerte und aus dem Maschinenbau kommende Konzept sah vor, sich gegen die „Dauerfestigkeit“ abzusichern, was einer „unendlich langen“ Standzeit des Bauwerkes entspricht. Tatsächlich ist die Beanspruchung realer Bauteile im Bauwesen keineswegs periodisch, siehe Bild 8.3-9. Auch werden nicht mehr „dauerschwingfeste“ Konstruktionen verlangt, d.h. Konstruktionen, die „unendlich lange“ halten, sondern Konstruktionen, die für die vorgesehene Lebensdauer (z. B. 120 Jahre) ausreichend bemessen sind. Der entsprechende Nachweis wird als „Betriebsfestigkeitsnachweis“ bezeichnet. Um die Zahl der Versuchsparameter nicht übermäßig anwachsen zu lassen, sind praktisch nur Ermüdungsversuche für periodische Belastung möglich. Die Übertragung der realen Beanspruchungen, z. B. des Querträgers einer Straßenbrücke auf den Sonderfall einer periodischen Beanspruchung, erfolgt

8  Berechnung

mittels Schadensakkumulationshypothesen, von denen jene nach Palmgren-Miner („Miner-Regel“) am häufigsten verwendet wird. Zunächst werden die durch Berechnung ermittelten oder durch Dehnungsmessungen am Bauwerk festgestellten Spannungen an der untersuchten Stelle nach einem Zählalgorithmus geordnet und in Spannungsspiele ∆σ = ∆ε · E umgerechnet. Bei den Zählalgorithmen bleibt in der Regel die Reihenfolge des Auftretens der Spannungsspiele ∆σi unberücksichtigt. Die wichtigsten Zählalgorithmen sind die in [EN 1993-1-9] beschriebene Rainflow-Methode und die Reservoir-Methode (Bild 8.3‑10). Bei korrekter Anwendung liefern beide Methoden identische Ergebnisse. Treten verschiedene Beanspruchungen ∆σi , die nach Ni Lastspielen zum Ermüdungsbruch führen (periodische Belastung), ni-mal auf, so entspricht einem Lastspiel die Teilschädigung 1/Ni und ni Lastspielen die Teilschädigung ni  /Ni. Bedingung für das Ermün dungsversagen ist ∑ i = 1 . VoraussetNi zung ist, dass das Material keine Kaltverfestigung erfahren hat und dass die Mittelspannung σm annähernd konstant ist. Bei der Miner-Regel handelt es sich um eine Näherung, im Versuch ergeben sich für n ∑ i Werte, die von 1,0 nach beiden SeiNi ten deutlich abweichen können. Ermüdungsversuche mit nichtperiodischer Belastung haben gezeigt, dass einzelne Spannungsspiele ∆σR > ∆σD ein Abfallen der Dauerfestigkeit bewirken. Daher sind beim Nachweis auch Spannungsdifferenzen σcr .

582

8  Berechnung

Bild 8.3‑17   Spannungsumlagerung im überkritischen Bereich

Unausgesteifte und ausgesteifte Rechteck­ schei­ben unter Längsspannungen σx . Plattenartiges und knickstabähnliches Versagen Die bei ausgesteiften Blechfeldern üblichen Bezeichnungen sind aus Bild 8.3-18 er­ sichtlich. Die Berechnung unausgesteifter und aus­gesteifter Scheiben unter längs­gerich­ teten Normalspannungen σx ist in [EN 1993‑1‑5] behandelt. Die prinzipielle Vorgehensweise ist dem Fluss­diagramm, Bild 8.3-19, zu entnehmen. Unausgesteifte Scheiben und Einzelfelder ausgesteifter Scheiben Zunächst werden mit den Beulwerten kσ der Einzelfelder die bezogenen Plattenschlank-

heiten

λp =

fy

σ cr

b 1 = ⋅ t 28,4 ⋅ ε ⋅ kσ

ermittelt. Mit diesen Werten werden aus der modifizierten Winter‑Formel [Winter, 1947] ρρ ==

λp − 0,055 ⋅ (3 + ψ ) 2

λp

Abminderungsfaktoren ρp bestimmt. Die Winter-Formel berücksichtigt geometrische und strukturelle Imperfektionen sowie überkritische Tragreserven. Sie ist an Versuchen geeicht. Für reinen Druck erhält man die auch für das Stabknicken zutreffende originale Winterkurve. Bild 8.3-20 zeigt die modifizierten Winter-Kurven für beidseitig gelagerte Bleche.

Bild 8.3‑18   Bezeichnungen bei ausgesteiften Blechfeldern

8.3  Berechnung von Stahlbrücken

Bild 8.3‑19   Beulen unter Längsspannungen σx [Johansson et al., 1999]

583

584

8  Berechnung

der mit den jeweiligen Einzelfaktoren ρ (αp   , ψp) abgeminderten Einzelbleche und des – Gesamtquerschnitts. Mit λp wird aus der originalen Winter‑Formel wiederum ein Abminderungsfaktor ρ bestimmt, aus dem unter Berücksichtigung des knickstabähnlichen Verhaltens der endgültige Abminderungsfaktor ρc bestimmt wird.

Bild 8.3‑20   Modifizierte Winterkurven

Das Ausbeulen infolge von Normalspannungen (Druckspannungen) wird in der [EN 1993‑1‑5, 2007] durch die Einführung – effektiver Breiten beff = ρ · b in der Druck­ zone des ausgesteiften Blechs berücksichtigt. Die effektiven Breiten sind so festgelegt, dass der nunmehr nach Querschnittsklasse 3 (d. h. ohne Beulerscheinungen) berechnete Restquerschnitt unter der vorgegebenen M‑N‑Kombination den gleichen Widerstand aufweist wie der Originalquerschnitt unter Berücksichtigung der Beul­ erscheinungen. Die Verwendung und Berechnung der Faktoren ρ ist in der Norm geregelt. Wirkt außer dem Biegemoment M auch eine Normalkraft N, so ist das Zusatzmoment infolge der Verschiebung der Schwerlinie des effektiven Querschnitts gegenüber dem Originalquerschnitt zu berücksichtigen, siehe Bild 8.3-21. Ausgesteifte Scheiben Bei ausgesteiften Scheiben ist außer den Einzelfeldern auch das Gesamtfeld rechnerisch nachzuweisen. Mit dem Beulwert kσ des Gesamtfelds wird die bezogene Plattenschlankheit

λp = β A,c⋅

fy

σ cr , p ermittelt. Der Abminderungsbeiwert β A,c =

Ac, eff, loc ergibt sich aus der Summe Ac

Plattenartiges und knickstabähnliches Verhalten Scheiben mit kleinem Seitenverhältnis­ α < 1,0 sowie längsausgesteifte Scheiben weisen im Gegensatz zu den bisher betrachteten Scheiben beim Ausbeulen ein mehr oder weniger knickstabähnliches Verhalten auf. Dieses ist dadurch gekennzeichnet, dass sich im ausgebeulten Zustand in einem größeren Bereich an Stelle einer doppelt ­gekrümmten Fläche eine nahezu einfach gekrümmte ­Fläche ausbildet, wodurch die erwähnte Spannungsumlagerung sowie die Querzugspannungen geringer ausfallen bzw. praktisch ganz verschwinden (Bild 8.3-22). Das knickstabähnliche Verhalten wird durch die bezogene Schlankheit

λc = β A ,c⋅

fy

σ cr ,c charakterisiert. Daraus wird unter Ansatz eines Imperfektionsbeiwerts αe der Abminderungsfaktor χc ermittelt. Für die Fläche gilt der gleiche Faktor βA,c wie für das plattenartige Stabilitätsversagen. σcr, c ist die Eulersche Knickspannung der an den Längsrändern ungelagerten Scheibe (Knick­ stab) mit ihrem vollen Querschnitt. Aus den beiden Faktoren ρ und χc , die das plattenartige bzw. das knickstabähnliche Verhalten des Gesamtfeldes charakterisieren, wird mittels Interpolation der Faktor ρc gewonnen, der das Gesamtverhalten des Bauteils erfasst und entsprechend den Angaben der Norm auf das Gesamtfeld angewendet wird. Damit erhält man ebenso wie beim Einzelfeld einen effektiven Gesamtquerschnitt mit den Querschnitts-

8.3  Berechnung von Stahlbrücken

werten Aeff, Ieff und Weff . Mit diesen wird der Querschnitt für die elastische Grenzlast nachgewiesen. Durch diese Vorgehensweise können bei Zugrundelegung plastischer Querschnittswiderstände auch Hybrid­ träger (verschiedene Fließgrenzen in den Flanschen und im Steg) wirtschaftlich nachgewiesen werden. Unausgesteifte und ausgesteifte Rechteckscheiben unter Schubspannungen τxy Dieser Fall ist im Abschnitt 5 der [EN 1993‑1‑5] behandelt. Die prinzipielle Vorgehensweise ist dem Flussdiagramm in Bild 8.3-23 zu entnehmen. Das Beulen unausgesteifter Scheiben unter reiner Schubbeanspruchung wird nach der modifizierten Spannungsfeld­ theorie behandelt, die in einem großen Be-

585

reich von Seitenverhältnissen α gute Ergebnisse liefert [Johansson et al., 1999]. Die kritische Beulspannung τcr beträgt analog zum Blech unter Normalspannungen τcr = kτ · σE   . Der Beulwert kτ der unausgesteiften Scheibe ist vom Seitenverhältnis α = a/b anhängig. Um die Biegefläche hinreichend genau zu beschreiben, muss ein FourierAnsatz mit verhältnismäßig vielen Halbwellen gewählt werden. Der Beulwert kτ setzt sich aus dem Anteil kp der Platte und dem Anteil kτsl der Steifen zusammen. Zur besseren Anpassung an Versuchswerte wird der Anteil kτsl gegenüber dem theoretischen Wert auf 1/3 abgemindert. kτ wird für die Berechnung der bezogenen Plattenschlankheit λw =

f yw τ cr

benötigt. Der

Bild 8.3‑21   Kastenträger mit effektiven Breiten beff

Bild 8.3‑22   Plattenartiges und knickstabähnliches Verhalten

586

Bild 8.3‑23   Beulen unter Schubspannungen τxy [Johansson et al., 1999]

8  Berechnung

8.3  Berechnung von Stahlbrücken

Nachweis des schubbeanspruchten Blechs erfolgt schließlich mit dem Abminderungsbeiwert χw, der auf den vollplastischen Schubwiderstand angewendet wird: t ⋅ h w ⋅ f yw .  V = bw, Rd 3 ⋅ γ M1 Der Anteil χw gibt den Beitrag des Steges wieder. Zusätzlich ist die Berücksichtigung der Flansche, die das Blech zusätzlich aussteifen, möglich. Dieser Beitrag ist aber wenig bedeutend und wird deshalb zuweilen vernachlässigt. Von Bedeutung ist auch der Beitrag starrer oder verformbarer Endquersteifen. Bild 8.3-24 zeigt die Abminderungsfaktoren χw in Abhängigkeit der bezogenen – Schlankheit λp , bei deren Ermittlung je nach Ausbildung der Endquersteifen verschiedene Formeln gelten. Unausgesteifte und ausgesteifte Recht­ eckscheiben unter örtlichen Normalspannungen σy Dieser Fall ist im Abschnitt 6 der [EN 1993‑1‑5, 2007] behandelt. Die prinzipielle Vorgehensweise ist dem Flussdiagramm in Bild 8.3-25 zu entnehmen. Der Widerstand eines unausgesteiften oder ausgesteiften Blechs gegenüber der Beanspruchung durch örtliche Druckspannungen wurde aufgrund theoretischer Überlegungen und FE‑Berechnungen abgeleitet, die an Versuchen geeicht wurden.

587

Je nach Randbedingungen unterscheidet die Norm drei Fälle (siehe Bild 8.3-25), für die verschiedene Werte kF gelten. Durch die Einführung theoretischer Lasteinleitungs­ breiten ly wird eine vollplastische Kraft Fy = fyw · tw · ly berechnet. Daraus wird nach der allgemeinen Definition der bezogenen Schlankheit mit Fcr nach Bild 8.3‑25 die bezogene Schlankheit λ F =

Fy Fcr

ermittelt

und daraus der Abminderungsbeiwert – χF (λ p), mit dem sich die effektiven Last­ einleitungsbreiten Leff = χF · ly ergeben. Damit erhält man schließlich für den Widerstand der quer beanspruchten Scheibe: fyw ⋅ t w ⋅ l eff FRd = γ M1 Unausgesteifte und ausgesteifte Recht­ eckscheiben unter kombinierten Beanspruchungen σx , τxy und σy Der gesamte Berechnungsablauf für kombi­ nierte Beanspruchungen ist im Abschnitt 7 der [EN 1993‑1‑5] behandelt. Die prinzipielle Vorgehensweise zeigt das Bild 8.3-26. Aus den äußeren Einwirkungen und den jeweiligen Widerständen werden die Verhältniswerte η1 , η2 und η3 ermittelt. Für die Interaktion der Spannungen σx und σy ist ein lineares, für die Interaktion der Spannungen σx und τxy ein parabolisches Gesetz angegeben.

Bild 8.3‑24   Beitrag des Stegs an der Schubtragfähigkeit

588

Bild 8.3‑25   Beulen unter örtlichen Normalspannungen [Johansson et al., 1999]

8  Berechnung

8.3  Berechnung von Stahlbrücken

589

Bild 8.3‑26   Gesamtablauf der Berechnung für Querschnitte der Klasse 4 [Johansson et al., 1999]

590

8  Berechnung

Steifigkeitsanforderungen und statischer Nachweis der Quer- und Längssteifen Angaben über Quer- und Längssteifen finden sich im Abschnitt 9 der [EN 1993‑1‑5]. Die angegebenen, vereinfachten Berechnungsregeln gehen davon aus, dass die Quersteifen so steif sind, dass sie für die Längssteifen eine starre Lagerung darstellen (Mindeststeifigkeit). Für die Ermittlung der erforderlichen Biegesteifigkeit findet sich eine Formel, in die auch der Tragfähigkeitsnachweis (Spannungsnachweis) eingearbeitet ist. Längssteifen sind als Knickstäbe mit dem Quersteifenabstand als Knicklänge nachzuweisen. Um das Biegedrillknicken offener Steifenquerschnitte (z. B. Winkelquerschnitte oder Flacheisen) zu vermeiden, ist zur Erzielung der notwendigen Torsionssteifigkeit für die Steifen eine Steifigkeitsbedingung angegeben. Beulnachweis durch die Einführung reduzierter Spannungen Im Abschnitt 10 der [EN 1993‑1‑5, 2007] sind Formeln für den Beulnachweis unausgesteifter und ausgesteifter Bleche auf der Grundlage einer Spannungsreduzierung angegeben. Im Gegensatz zu der Vorgehensweise nach den Abschnitten 4‑7 wird für die Bestimmung der bezogenen Platten– schlankheit λ p der gesamte Spannungszustand, bestehend aus den Spannungen σx, Ed   , σz, Ed und τxz, Ed , herangezogen. Mit den Faktoren αult, k (Abstand der v. MisesVergleichsspannung gegenüber der Fließgrenze) und αcr (Laststeigerungsfaktor gegenüber der Verzweigungslast, in der Regel nur mittels EDV berechenbar) erhält man den globalen Wert λp =

α ult ,k und mit α cr

diesem wie oben gezeigt die Abminderungsfaktoren ρx , ρz und χw    . Damit erhält man schließlich die Nachweisformel

(

)( 2

)

2

σ x,Ed σ z,Ed σ x,Ed + − ρx ⋅ f y / γ M1 ρz ⋅ f y / γ M1 ρx ⋅ f y / γ M1

(

) ( 2

τ Ed σ z,Ed + 3⋅ ρz ⋅ f y / γ M1 χw⋅ f y / γ M1

)

2

die in ihrem Aufbau einer Vergleichsspannung entspricht.

8.4  Ausgewählte Nachweise bei einer Verbundbrücke Ulrike Kuhlmann und Annette Detzel 8.4.1  Allgemeines In diesem Bemessungsbeispiel wird eine Stabbogenbrücke untersucht. Es soll aus Platzgründen nur auf die Verbundtragwirkung zwischen der Betonfahrbahnplatte und der Stahlkonstruktion eingegangen werden. Exemplarisch wird in diesem Beispiel der Endquerträger berechnet. Die gezeigten Nachweise umfassen die Querschnittsnachweise für den Verbundträger, sowie die Nachweise der Verbund­ fuge im Grenzzustand der Tragfähigkeit. Für weitere Nachweise, die erforderlich sind, z. B. Gebrauchstauglichkeit, Ermüdung, wird auf weiterführende Literatur verwiesen. Außerdem wird gezeigt, wie die Steifigkeit der Fahrbahn für die Haupttragwirkung unter Berücksichtigung der Rissbildung ermittelt werden kann. Die Bemessung der Verbundkonstruktion erfolgt nach [DIN-FB 104, 2003] unter Einbeziehung der [DIN-FB 101, 2003], [DIN-FB 102, 2003] und [DIN-FB 103, 2003]. Der Nachweis erfolgt mit dem Bemessungsverfahren: elastisch–elastisch.

8.4  Ausgewählte Nachweise bei einer Verbundbrücke

591

Bild 8.4‑1   Haupttragsystem: Stabbogenbrücke

Bild 8.4‑2   Querschnitt: Außenliegende Versteifungsträger, Betonfahrbahn längsorientiert

8.4.2  Steifigkeit der Fahrbahnplatte Die Fahrbahnplatte ist am Fußpunkt der Bogen mit den Hauptträgern kraftschlüssig verbunden und wirkt somit für die Aufnahme der Zugkraft im Zugband mit. Der Anteil der Normalkraft, der von der Betonfahrbahn aufgenommen wird, hängt von der Steifigkeit der Platte ab. Die Steifigkeit der Betonplatte wiederum wird durch das Maß der Rissbildung im Beton bestimmt. Die auftretende Normalzugkraft (die zu Rissbildung führt) und die Steifigkeit der Betonfahrbahn sind also voneinander abhängig und müssen iterativ bestimmt werden.

1) Man wählt eine Dehnsteifigkeit (EA)c der Platte. Addiert zur Dehnsteifigkeit des Stahlprofils des Versteifungsträgers erhält man die Dehnsteifigkeit des gesamten Zugbands (EA)V = (EA)c + Ea · Aa und errechnet hiermit die Schnittgrößen im statischen System (geeigneter Start wert: (EA)c =

Ecm ⋅ 1/2 ⋅ Ac n0

) .

2) Die ermittelte Normalkraft im Zugband wird entsprechend der Steifigkeitsverhältnisse (EA)c/EaAa auf Beton- und Stahlquerschnitt verteilt. Die Normalkraft im Beton gibt Auskunft darüber, ob die Rissnormalkraft unterschritten (Zu-

592

8  Berechnung

stand I) oder überschritten wird und ob bereits ein abgeschlossenes Rissbild vorliegt (Zustand III) oder nicht (Zustand II). In Abhängigkeit vom vorliegenden Zustand kann eine zugehörige Steifigkeit der Betonfahrbahn ermittelt werden. Diese wird in der Regel vom gewählten Startwert abweichen. 3) Iterativ wird nun solange mit einer angepassten Steifigkeit die Normalkraft im Beton ermittelt, bis die Eingangssteifigkeit mit der resultierenden Steifigkeit aus der Rissbildung hinreichend genau übereinstimmt. Dieses offensichtlich aufwendige Verfahren kann durch eine näherungsweise Berechnung der effektiven Steifigkeit der Betonfahrbahn nach [DIN-FB 104, 2003]-II4.7.1(3) umgangen werden. Bei diesem Verfahren wird eine vom Beanspruchungszustand unabhängige konstante Dehnsteifigkeit (EA)c,eff ermittelt. (EA)c,eff =

(Es ⋅ As ) (1 − 0,35) / (1 + ρs ⋅ no )

mit Es E-Modul des Betonstahls (nach [DINFB 104, 2003]-II-3.2(2) darf vereinfachend für Es = Ea = 210 000 N/mm² angenommen werden) As Querschnittsfläche der Längsbewehrung in der Betonfahrbahn  As ρs Bewehrungsgrad ρs = 5  Ac n0 Reduktionszahl Ea/Ecm (Hinweis: Dieser Faktor wird im Betonbau Verhältniszahl genannt) Im vorliegenden Beispiel beträgt die effektive Dehnsteifigkeit der Betonfahrbahn (je Hauptträger) nach dieser Näherung (EA)c,eff = 8,541 · 109 N Die fiktive Stahlfläche, die dieser Steifigkeit entspricht, beträgt

Ai, eff = (EA)c,eff   /Ea = 8,541 · 109 N/210 000 N/mm2 = 406,72 cm2 Die Querschnittsfläche des Hauptträgers im vorliegenden Beispiel beträgt 604,1 cm2. Durch die Berücksichtigung der Lastabtragung über die Betonplatte erhöht sich die Steifigkeit des Zugbandes also um ca. 67%. Die mit diesem Näherungsverfahren ermittelte Steifigkeit ist in der Regel niedriger, als die Steifigkeit, die mit dem iterativen Verfahren ermittelt wird. Der Anteil der Stahlträgermitwirkung wird also zu hoch abgeschätzt, dies führt zu einer konservativen Bemessung des Stahlquerschnitts. Um die Normalkraft in der Betonplatte aus­ reichend konservativ abzuschätzen, muss sowohl im Grenzzustand der Tragfähig­ keit als auch im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit eine Mindestnormalkraft im Betonquerschnitt angesetzt werden, die von der Normalkraft aus der Schnittgrößenermittlung unabhängig ist. min N s = 1,15 ⋅ Ac ⋅ f ct,eff ⋅ (1 + ρs ⋅ n0 ) min N Sd = 1,45 ⋅ Ac ⋅ f ct,eff ⋅ (1 + ρ s ⋅ n0 ) mit f ct,eff = 0,7 ⋅ f ctm Die hier betrachtete Brücke wurde aus Beton C30/37 hergestellt. Die mittlere Zugfestigkeit für diesen Beton beträgt 2,9 N/mm2. Somit ergibt sich für f = 0,7 · 2,9 N/mm2 = 2,03 N/mm2 ct,eff min Ns = 1,15 · 32,8 cm · 4,65 m    · 2,03 N/mm2 · (1 + 0,0157 · 6,58)     = 3928,4 kN min NSd = 1,45 · 32,8 cm · 4,65 m    · 2,03 N/mm2 · (1 + 0,0157 · 6,58)     = 4953,2 kN Im vorliegenden Beispiel beträgt die Normalkraft in der Betonfahrbahnplatte infolge ständiger Lasten und Verkehr (Grenzzustand der Tragfähigkeit) nur 4138 kN. Die

8.4  Ausgewählte Nachweise bei einer Verbundbrücke

für die Bemessung der erforderlichen Bewehrung relevante Kraft ist also fast 20% größer.

593

Für den Stützbereich gilt näherungsweise bei = Le/8 mit Le = Abstand der Momentennullpunkte bei = 0,25 · 2 · 5,225 m/8 = 0,327 m

8.4.3  Verbundtragwirkung Im Folgenden wird anhand der Bemessung des Endquerträgers gezeigt, wie für die Lastfälle Eigenlast, Schwinden, Kriechen und Verkehr die elastische Tragfähigkeit des Verbundquerschnitts berechnet wird. Außerdem wird die erforderliche Dübelanzahl und Dübelanordnung in der Verbundfuge ermittelt. Mittragende Breite des Betonobergurts nach [DIN-FB 104, 2003]-II-4.2.2.2

beff = 0,160 m + 2 · 0,327 m = 0,813 m Die Ermittlung der Gesamtquerschnittswerte erfolgt hier exemplarisch für den Feldquerschnitt. Die Querschnittswerte des Stützquerschnitts sind entsprechend mit der zugehörigen mittragenden Breite zu ermitteln. Im Stützbereich wird die Mitwirkung des Betons zwischen den Rissen vernachlässigt. Der Gesamtquerschnitt besteht nur aus den Anteilen des Bau- und des Betonstahls.

beff = bo + 2 · bei bo = Abstand der äußersten Dübel auf dem Stahlobergurt (siehe Skizze). bei = mittragende Breite des Betongurts auf beiden Seiten des Stegs. Für den Feldbereich gilt näherungsweise bei = Le/8 mit Le = Abstand der Momentennullpunkte bei = 0,85 · 5,225 m/8 = 0,555 m beff = 0,160 m + 2 · 0,555 m = 1,27 m

Bild 8.4‑3   Statisches System des Querträgers

Bild 8.4‑4   Abmessungen Betongurt

594

8  Berechnung

Betonquerschnitt: Material C30/37 beff = 1,27 m hc = 32,8 cm Ac = 4165,6 cm2     beff · hc3  Ic = 02 = 373 459,9 cm4 12    N Ecm = 31 900 92  mm

Bild 8.4‑5   Abmessungen Stahlprofil

Die Betonfläche und das Trägheitsmoment werden in äquivalente Stahlquerschnittswerte umgerechnet:     N Ea = 210 000 92 mm   Ea n0 = 7 = 6,583 Ecm    A Ac0 = 5c = 632,77 cm4 n0

Bild 8.4‑6   Abmessungen Gesamtstahlquerschnitt

Ic = 56 730,3 cm 4 n0

nom c = 4,5 cm (= Betondeckung nach [DIN-FB 102, 2003]-II-4.1.3.3(114)P) Stabdurchmesser ds = 1,2 cm

I c0 =

Stahlquerschnitt: Material S235 Aa = 338,14 cm2 za = 45,23 cm2 Ia = 377 119

cm4

Betonstahl: ∅ 12/12,5 jeweils oben und unten    cm2 as = 2 · 9,05 7 m As = as · beff = 22,99 cm2 Gesamtstahl: ASt = Aa + As = 36113 , cm2 zsa = za + zSt =

hc = 61,63 cm 2

zsa ⋅ Aa ASt

= 57,71 cm



zs1 =

hc d − nom c − s = 11,3 cm 2 2

zs2 = – zs1 = – 11,3 cm

Das Gesamtträgheitsmoment des Stahlquerschnitts beträgt ISt = 461 807,12 cm4 Gesamtverbundquerschnitt: Zeitpunkt t = 0, keine Schwind- und Kriech­ einflüsse Ai0 = ASt + Ac0 = 993,90 cm2 aSt = zSt = Abstand Schwerlinie Betonquerschnitt – Gesamtstahlquerschnitt zi0 =

ASt ⋅ aSt Ai 0

= 20,97 cm

Si0 = Ac0 · zi0 = 13 267,66 cm3 Ii0 = Ic0 + ISt + Si0 · aSt = 1 284 174,77 cm4

8.4  Ausgewählte Nachweise bei einer Verbundbrücke

Einfluss aus Schwinden und Kriechen a) Schwinddehnung εcs  ∞ = εcas  ∞ + εcds  ∞ nach [DIN-FB 102, 2003]-II-3.1.5.5(8) Zur Berechnung der Schwinddehnung wird die tatsächliche Betonfläche berücksichtigt und nicht die mitwirkende Betonbreite des Endquerträgers. Der Achsabstand zwischen den Querträgern beträgt 4,05 m. Die Betonplatte hat am Ende einen Überstand von 1,0 m. Effektive Dicke des Querschnitts: b=

4,05 m 2

+ 1,0 m = 302,5 cm

u = 2 · (b + hc) = 670,6 cm Ac,   vorh = b · hc = 9922 cm3 h0 =

2 ⋅ Ac,vorh u

= 29,59 cm

Schrumpfdehnung εcas∞ = –0,065 [DINFB 102, 2003]-II-3.1.5.5 Bild 3.120 Trocknungsschwinddehnung εcds∞ = –0,311 [DIN-FB 102, 2003]-II-3.1.5.5 Bild 3.121 Schwinddehnung εcs  ∞ = –0,376‰ b) Endkriechzahl φ nach [DIN-FB 102, 2003]-II-3.1.5.5 Bild 3.119 Feuchte Umgebungsbedingung (außen: relative Luftfeuchte = 80%) Belastungsbeginn: t0 = 1d φ1d = 3,28 Ausschalen und Ausbaulasten: Belastungsbeginn t = 50 d φ50d = 1,67 Kriechbeiwert für ständige Lasten nach [DIN-FB 104, 2003]-II-4.2.3(4) ΨB = 1,10 nB = n0 · (1 + ΨB · φ50d)  = 6,583 · (1 + 1,1 · 1,67) = 18,676 Kriechbeiwert für Schwinden nach [DIN-FB 104, 2003]-II-4.2.3(4)

595

ΨS = 0,55 nS = n0 · (1 + ΨS · φ1d)  = 6,583 · (1 + 0,55 · 3,28) = 18,459 Die Reduktion für Kriechen wirkt auf den Betonquerschnitt: Zeitlich konstante Beanspruchung: AcB = I cB =

Ac = 223,04 cm2 nB

Ic = 19 996,6 cm 4 nB

Schwinden: A AcS = c = 225,67 cm2 nS I cS =

Ic = 20 231,93 cm 4 nS

Gesamtquerschnittswerte für t → ∞ Lastfall ständige Lasten AiB = AcB + ASt = 584,17 cm2 ziB =

ASt ⋅ aSt AiB

= 35,67 cm

SiB = AcB · ziB = 7956,8 cm3 IiB = IcB + ISt + SiB · aSt = 940 967,3 cm4 Lastfall Schwinden AiS = AcS + ASt = 586,80 cm2 ziS =

ASt ⋅ aSt AiS

= 35,51 cm

SiS = AcS · ziS = 8014,4 cm3 IiS = IcS + ISt + SSB · aSt = 944 528,3 cm4 8.4.4  Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit Im Grenzzustand der Tragfähigkeit müssen für den Verbundträger unter anderem die folgenden Nachweise geführt werden:

596

• Nachweis der Tragfähigkeit des Querschnitts für die Elemente Baustahl, Bewehrungsstahl und Beton (im vorliegenden Fall wird eine Bemessung nach dem Verfahren elastisch-elastisch durchgeführt). Nachweise der Betonplatte (z. B. Rissbildung, Mindestbewehrung, ört­ liche Lastabtragung, werden hier nicht durchgeführt) • Stabilitätsnachweise (Montagezustand) (wird hier nicht durchgeführt) • Nachweis der Verbundfuge: Anzahl und Verteilung der Dübel unter Traglast An­­schluss des Betongurts Die folgenden vereinfachten Lasten auf den Endquerträger basieren auf dem Lastmodell 1 nach [DIN-FB 101, 2003]. Die Teil­ sicherheitsbeiwerte für ständige Lasten (γf = 1,35) und Verkehr (γf = 1,5) sind berücksichtigt. Im vorliegenden Beispiel sind keine Temperatur-, Wind- oder sonstigen Lasten nach [DIN-FB 101, 2003] berücksichtigt. Die Schnittgrößen werden mit dem Prinzip der virtuellen Kräfte ermittelt. Die Steifigkeitsunterschiede zwischen ungerissenem Feldquerschnitt und gerissenem Stützquerschnitt werden über spezielle Koppeltafeln berücksichtigt. Die Tafeln und Beispiele für die Anwendung können der Literatur entnommen werden, z. B. [Kuhlmann et al., 1999].

Bild 8.4‑7   Laststellung SLW

8  Berechnung

Schnittgrößen Zum Zeitpunkt t = 0: 1) Aus Eigenlast: a) Last auf Stahlträger Stahleigenlast, Beton + Schalung gd = 43,6 kN/m b) zeitlich konstante Lasten aus Entschalen und Ausbau ĝd = g (Ausbau) – g (Entschalen) = 11,9 kN/m 2) aus Verkehrslasten a) Gleichstreckenlast auf Hauptspur und Nebenspur qd = 18,3 kN/m b) Gleichstreckenlast p nur im linken Feld qd = 18,3 kN/m c) SLW – Last: Laststellung Es handelt sich bei der Brücke um die Überführung eines Wirtschaftsweges. Darum wird nur 1 SLW auf Fahrstreifen 1 angesetzt, kein SLW auf Fahrstreifen 2. Vereinfachend wird für das minimale Stützenmoment und das maximale Feldmoment die gleiche Laststellung angenommen: Zum Zeitpunkt t → ∞: 1) Aus konstanten Lasten: a) Last auf Stahlträger wie zum Zeitpunkt t = 0 b) zeitlich konstante Lasten aus Entschalen und Ausbau

8.4  Ausgewählte Nachweise bei einer Verbundbrücke

597

Der Einfluss des Kriechens unter ns = 18,46 kons­tanten Lasten wird durch reduEa = 210 000 N/mm2 zierte Widerstandswerte berücksichεcs,∞ = –0,376‰ = –0,000376 tigt. kN 21000 2) aus Verkehrslasten 2 Ea cm wie zum Zeitpunkt t = 0 N Sch = ε cs,∞ ⋅ ⋅Ac = −0,000376 ⋅ ⋅ 416 ns 18,46 3) Schwinden Durch das Schwinden der FahrbahnplatkN 21000 te entsteht eine Zugnormalkraft 2 Ea im Becm N Sch = ε cs,∞ ⋅ ⋅Acmuss = −0,000376 ⋅ ⋅ 4165,6 cm2 = 1781,9 kN ton. Aus Gleichgewichtsgründen ns 18,46 diese Schwindnormalkraft auf den Verbundquerschnitt als Druckkraft wirken. MSch = NSch · ziS = 1781,9 kN · 35,51 cm Aus dem Versatz zur Schwerlinie resul = 632,8 kNm tiert das Schwindmoment MSch

Momentenverläufe [kNm] Querkraftverläufe [kN] am halben System Stahlträger: Ma

Stahlträger: Va

Ständige Lasten: t = 0

Ständige Lasten: t = 0

Ständige Lasten: t → ∞

Ständige Lasten: t → ∞

Verkehr: qSt

Verkehr: qSt

Bild 8.4‑8   Schnittgrößen am halben System

598

8  Berechnung

Verkehr: qF

Verkehr: qF

Verkehr: QSLW

Verkehr: QSLW

Schwinden:

Schwinden:

Schwinden: Normalkraft [ kN ] Bild 8.4‑8  (Fortsetzung)

müssen vom Gesamtstahlquerschnitt aufgenommen werden. Die Betonierlast wirkt auf den reinen Baustahlquerschnitt.

Querschnittsnachweise für den Grenzzustand der Tragfähigkeit: Stützquerschnitt: t = 0 Es wird ein komplett gerissener Betonquerschnitt angenommen. Die Schnittkräfte

σ a ,u 

ha = 817 m + 2 · 22 mm = 86,1 cm za = 45,23 cm

M = a ⋅ (ha − za ) + ( M g ,St + M p,St + M P,St ) ⋅ Ia = −235

ha +

hc − zSt N 2 = −34,9 > f yd ,a I St mm2 m

N mm2

σ s = ( M g ,St + M p,St + M P,F ) ⋅

zSt + zs1 I St

= 30,41

N N < f yd ,s = 435 2 mm mm2

8.4  Ausgewählte Nachweise bei einer Verbundbrücke

599

Feldquerschnitt: t = 0 M σ a ,u = a ⋅ (ha − za ) + ( M g ,F + M p,F + M P,F ) ⋅ Ia

σ c,o = (M g ,F + M p,F

ha +

hc − zi0 N N 2 = 32,4 < f yd ,a = 235 mm2 mm2 Ii0

hc 2 = − 1,63 N > f = 0,85 ⋅ f ck = −17,0 N + M P,F ) ⋅ cd mm2 mm2 γc I i 0 ⋅ n0 zi0 +

Stützquerschnitt: t → ∞ M σ a ,u = a ⋅ (ha − za ) + ( M B,St + M p,St + M P,St + MS,St ) ⋅ Ia N = − 235 mm2

σ s = (M B,St + M p,St + M P,St + MS,St ) ⋅

zSt + zs1 I St

= 107,3 ,

ha +

hc − zSt N 2 = − 82,4 > f yd ,a mm2 I St

N N < f yd ,s = 435 2 mm mm2

Feldquerschnitt: t → ∞

σ a ,u

M = a ⋅ (ha − za ) + M B,F ⋅ Ia + M S,F ⋅

ha +

ha +

hc h − ziB ha + c − zi 0 2 2 + ( M p,F + M P, F ) ⋅ I iB Ii0

hc − ziS N N N 2 − S = 30,4 < f yd , a = 235 mm2 mm2 I iS AiS

hc hc hc + z iB + zi0 + z iS NS N 2 2 + ( M p,F + M P,F ) ⋅ + MS,F ⋅ 2 − + S σ c,o = M B,F ⋅ I iB ⋅ nB I i 0 ⋅ n0 I iS ⋅ nS AiS ⋅ nS Ac = − 0,14

f N N > f cd = 0,85 ⋅ ck = −17,0 2 mm mm2 γc

Verbundfuge: a) Widerstandskraft der Dübel Die Betonplatte wird über Kopfbolzen­ dübel ∅ 7/8″ mit dem Stahlprofil schubfest verbunden. Die Bemessung der Kopfbolzendübel erfolgt nach [DIN-FB 104, 2003]II-6. Teilsicherheitsbeiwert im Grenzzustand der Tragfähigkeit: γv = 1,25

Abmessungen: d = 22,2 mm Schaftdurchmesser des Dübels h = 12,5 cm Gesamthöhe des Bolzens dKopf = 35 mm Durchmesser des Dübelkopfs h/d = 5,6 ⇒ α = 1,0 für h/d > 4 fu = 360 N/mm²

600

8  Berechnung

fck = 30 N/mm² Ecm = 31 900 N/mm² Die Grenzscherkraft eines Kopfbolzendübels ergibt sich aus dem jeweils kleineren Wert der nachfolgenden Gleichungen [DIN-FB 104, 2003]-II-6.3.2.1(1)):   0,8 ⋅ f u ⋅ π ⋅ d 2 a) PRd = = 89,2 kN 4 ⋅γv   

1 b) PRd = 0,25 ⋅ α ⋅ d 2 ⋅ f ck ⋅ Ecm ⋅   γv = 96,4 kN ⇒ min PRd = 89,2 kN Nachweis für t = 0 V(x) für t = 0 Aufzunehmender Schubfluss in der Verbundfuge S S T ( x ) = V ( x ) ⋅ =V ( x ) ⋅ i 0 I I i 0 T1 = 194,4 kN/m T2 = 154,9 kN/m T3 = 119,23 kN/m T4 = –99,3 kN/m T5 = –122,1 kN/m T6 = –161,7 kN/m T7 = –374,7 kN/m T8 = –399,2 kN/m Anzahl der Dübel: nerf =

Tdi ⋅ li PRd

Bild 8.4‑9   Verlauf der max. Querkräfte

Feld 1 l1 = 1,27 m nerf =

kN ⋅ 1,271 m m = 2,77 ⇒ 33DDübel bel 89,2 kN

194,4

Feld 2 l2 = 1,17 m nerf =

kN ⋅ 117 , m m = 2,03 ⇒ 3 D bel Dübel 89,2 kN

154,9

Feld 3 l3 = 0,73 m nerf =

kN ⋅ 0,73 m m = 1,0 ⇒ 11 Dübel bel 89,2 kN

−122,1

Feld 4 l4 = 1,27 m nerf =

kN ⋅ 1,27 m m = 2,3 ⇒ 33 Dübel bel 89,2 kN

161,7

Feld 5 l5 = 0,784 m nerf =

kN ⋅ 0,784 m m = 3,5 ⇒ 4 Dübel bel 89,2 kN

−399,2

Nachweis für t → ∞ Die Schubkraft aus Schwinden wirkt der Schubkraft aus Verkehr und ständigen Lasten teilweise entgegen. Der Einfluss der Entlastung aus ständigen Lasten wird vernachlässigt. Anteil der ungünstig wirkenden Querkraft aus ständigen Lasten und Verkehr:

Bild 8.4‑10   Verlauf der bemessungsrelevanten Querkräfte

8.4  Ausgewählte Nachweise bei einer Verbundbrücke

T5 = –122,1 kN/m T8 = –399,2 kN/m Nach [DIN-FB 104, 2003]-II-6.2.4(2) darf bei Kopfbolzendübeln der Schubfluss aus Schwinden über die Lasteinleitungslänge beff (mitwirkende Breite der Betonfahrbahn) konstant angenommen werden. TN =

kN − N S −1781,9 kN , = = −14031 1,27 m m beff

601

Feld 3 l3 = 0,73 m (Vereinfachend wird hier für die ständige Last mit den Werten von t = 0 gerechnet. Die Abweichung zum Zeitpunkt t → ∞ beträgt weniger als 1%) nerf =

kN ⋅ 0,73m m = 2,5 ⇒ 3 89,2 kN

−122,1 − 76,2

bel

⇒ 3 Dübel Feld 4: l3 = 1,27 m nerf =

kN ⋅ 1,27 m m = 18,9 ⇒19 89,2 kN

(14031 , − 76,2)

be

⇒ 19 Dübel Feld 5: l3 = 0,784 m (Vereinfachend wird hier für die ständige Last mit den Werten von t = 0 gerechnet. Die Abweichung zum Zeitpunkt t → ∞ beträgt weniger als 1%) Bild 8.4‑11   Schubfluss am halben System

nerf =

Aus Querkraft VS:

kN ⋅ 0,784 m m = 3,5⇒4 89,2 kN

−399,2 − 76,2 ⇒ 4 Dübel

Bild 8.4‑12   Vs am halben System

Anordnung der Dübel: Maximaler Längsabstand: e≤

kN S TS = VS iS = −76,2 m I iS Anzahl der Dübel: Feld 1 l1 = 1,27 m nerf =

cm { 6 ∙ h =80196,8 cm c

⇒ 80 cm wird maßgebend Minimaler Längsabstand: e ≥ 5 d = 11,1 cm Dübel im Feld 1 und 4 in 2 Reihen à 11 Stück Abstand e = 1,27 m/11 = 11,5 cm > 11,1 cm Gewählter Abstand im Feld 2 + 3:

kN ⋅ 1,271 m e = 0,73/3 = 0,24 m m = 211 , ⇒ 22 bel Gewählter Abstand im Feld 5: 89,2 kN

−14031 , − 76,2

⇒ 22 Dübel Feld 2 l2 = 1,17 m Bemessungsrelevant ist der Zeitpunkt t = 0

e = 0,784/4 = 0,20 m Abstände in Querrichtung: Minimaler Randabstand eRand = 2 cm

bel

602

Bild 8.4‑13   Anzahl der Dübel je Feld

8  Berechnung

Schnitt B-B wird maßgebend, da sowohl die überzuleitende Kraft größer als auch die Dübelumrissfläche kleiner als die Gurtanschnittsfläche ist und weniger Bewehrung diese kreuzt. Überzuleitende Kraft: Tmax = (14031 , + 76,2) vsd = Tmax ⋅

kN kN = 1479,3 m m

Ac − Ab−b kN = 1392,9 m Ac

Tragfähigkeit nach [DIN-FB 104, 2003]-II6.5.1 und [DIN-FB 102, 2003]-II-4.3.2.4.4

Bild 8.4‑14   Querbewehrung und Dübelflächen

vRd

( As1 ⋅ f yd , s ) ⋅ 2 ⋅ cot θ  = min  Ac v ⋅ 0,75 ⋅ f cd  tan θ + cot θ  mit Druckstrebenwinkel θ = 45°

Minimaler Dübelabstand emin = 2,5 · d = 2,5 · 22,2 cm = 5,55 cm gewählt: 8 cm Randabstand + 16 cm Dübel­ abstand + 8 cm Randabstand ⇒ b = 32 cm Nachweis der Querbewehrung: Obere Stahllage ∅ 16/10 ⇒ as = 20,11 cm2/m Untere Stahllage ∅ 20/10 ⇒ as = 31,42 cm2/m Ac,eff = 4165,6 cm2 Gurtanschnittsfläche AA–A = hc · (eDübel + dKopf ) · 1 m = 639,6 cm2 Dübelumrissfläche AB–B = hDübel · (eDübel + dKopf ) · 1 m = 243,8 cm2 Anrechenbare Betonfläche 2 AA–A cv = 2 · hc/1 m = 6560 cm /m

AB–B cv = (eDübel + dKopf + 2 · hDübel)/1 m = 4450 cm2/m

vRd

2 2  31,42 mm /m ⋅ 435 N/mm ⋅ 2 = 2733,5 kN   = min 4450 cm2 /m ⋅ 1,0 ⋅ 0,75 ⋅ 17 N/mm2   = 2836,9 kN/m2 

vRd = 2733,5 kN/m > vsd = 1392,9 kN/m 8.4.5  Ermüdungsnachweis Nach bisheriger in Deutschland gültiger Normung musste für Straßenbrücken kein Ermüdungsnachweis geführt werden. Dies hat sich mit Einführung der DIN-Fachberichte geändert. Folgende Nachweise müssen geführt werden: 1. Für Bau-, Beton- und Spannstahl: Nachweis der Ermüdung mit schädigungsäquivalenten Spannungsschwingbreiten [DIN-FB 104, 2003]-II-4.9.6) 2. Für druckbeanspruchte Betonquerschnitte: Nachweise nach [DIN-FB 102, 2003]-II-4.3.7. 3. Für Kopfbolzendübel: Nachweis der Ermüdung, basierend auf Spannungs-

8.4  Ausgewählte Nachweise bei einer Verbundbrücke

schwingbreiten [DIN-FB 104, 2003]-II6.1.5). Zu 1.:

γ Ff ⋅ ∆σ E ≤

∆σ Rk (N *)

γ Mf

mit γFf

Teilsicherheitsbeiwert für Er­mü­ dungslasten Teilsicherheitsbeiwert für die γMf Be­anspruchbarkeit unter Ermüdung ∆σE schadensäquivalente Spannungsschwingbreite ∆σRk   (N*) charakteristischer Wert der Ermüdungsfestigkeit für die maßgebende Ermüdungsfestigkeitskurve und die Lastwechselzahl N* Zu 3:

γ Ff ⋅ ∆τ E2 ≤

∆τ c γ Mf , v

γFf Teilsicherheitsbeiwert für Ermüdungslasten γMf,v =1,25, Teilsicherheitsbeiwert für die Beanspruchbarkeit der Verbundmittel unter Ermüdung ∆τE schädigungsäquivalente Schubspannungsschwingbreite

603

∆τc = 90 N/mm2, der Bezugswert der Ermüdungsfestigkeit für ∆τR bei Nc = 2 × 106 Lastspielen Treten unter der nicht-häufigen Lastkombination im Betongurt Zugspannungen auf, muss auch die nachfolgende Bedingung überprüft werden:

γ Ff ⋅ ∆σ E ≤ 1,0 , und ∆σ c γ Mf, a γ Ff ⋅ ∆σ E γ Ff ⋅ ∆τ 2E + ≤ 1,3 ∆σ c ∆τ c γ Mf, a γ Mf , v mit γMf, a = γMf , Teilsicherheitsbeiwert für die Beanspruchbarkeit unter Ermüdung ∆σc Bezugswert der Ermüdungsfestigkeit ∆σR für die maßgebende Kerbfallklasse für Nc = 2 × 106 Lastwechsel Exemplarisch wird im Folgenden der Ermüdungsnachweis für die Kopfbolzendübel durchgeführt. Die Schnittgrößen müssen mit dem Ermüdungslastmodell 3 (ELM3) nach [DINFB 101, 2003] ermittelt werden.

Bild 8.4‑15   Laststellung des ELM3 nach DIN-FB 101

604

8  Berechnung

Es muss die Spannungsdifferenz aus der ungünstigsten und günstigsten Laststellung von 4 Achslasten in Höhe von 120 kN ermittelt werden. Der Teilsicherheitsbeiwert für Ermüdungslasten muss nach [DINFB 103, 2003]-II-9.3 zu 1,0 gewählt werden. Die ungünstigste Laststellung wird aus der Berechnung im Grenzzustand der Tragfähigkeit übernommen. Die SLW-Lasten können nicht außerhalb des durch die Schrammborde begrenzten Fahrbahnbereichs auftreten. Die Laststellung mittig über der Mittelstütze bringt eine geringere Schubflussdifferenz als die Laststellung mittig im zweiten Feld. Die Schubflussdifferenz ist der Unterschied zwischen dem Höchstwert aus der max. Laststellung und 0. Die Schnittgrößen können somit über das Verhältnis der anzusetzenden Lasten ermittelt werden: Last aus dem Grenzzustand der Tragfähigkeit: Pk, SLW = 240 kN Q1,ELM3 = 118,7 kN ⋅

120 = 39,6 kN 1,5 ⋅ 240

Q2,ELM3 = −87,7 kN ⋅

120 = −29,2 kN 1,5 ⋅ 240

Q3,ELM3 = −293,9 kN ⋅

120 = −98,0 kN 1,5 ⋅ 240

Hieraus folgt die max. Schubflussdifferenz und die Spannungsschwingbreite im Feld 2:   Si0 Dv1 = 39,6 kN · 5 = 40,1 kN/m Ii0   Dv1       Dτp1 = 99    nDüb · ADüb

   kN 40,1 5         m = 90006 4,1(Düb/m) · π · (0,0222 m)2/4 N = 25,3 9 mm2

und im Feld 5:   Si0 Dv3 = –98,0 kN · 5 = – 101,3 kN/m   Ii0   Dv3       Dτp3 = 99   nDüb · ADüb    kN –101,3 5         m = 90008 5,01(Düb/m) · π · (0,0222 m)2/4



  

  MN = –52,2 7   m Die anderen Bereiche sind nicht bemessungsrelevant. Die schädigungs­äqui­valente Schub­span­ nungs­schwing­breite Δτ2E ergibt sich nach [DIN-FB 104, 2003]-II-6.1.5(4) (4) zu Dτ2E = λv · Ф · Dτp mit Ф = Ф2 = 1,0 für Straßenbrücken, nach [DIN-FB 103, 2003]-II-9.4.1(5) λv = λv1 · λv2 · λv3 · λv4 ≤ λmax λv1 berücksichtigt die Spannweite, λv2 die Verkehrsstärke, λv3 die geplante Nutzungszeit und λv4 die Begegnungshäufigkeit bei Schwerverkehr auf beiden Fahrstreifen. λv1 = 1,55 nach [DIN-FB 104, 2003]-II6.1.5(3) für Straßenbrücken bis 100 m Spannweite 1

 N 8 Q λv 2 = m1 ⋅  obs  Q0  N 0 



mit Q0 = 480 kN und N0 = 0,5 · 106 als Bezugswerte [DIN-FB 103, 2003]-II-9.5.2(4), Exponent nach [DIN-FB 104, 2003]-II6.1.5(3) • Qm1 ist das durchschnittliche Gesamt­ gewicht der Schwerlastwagen. Für den vorliegenden Wirtschaftsweg wird das Durchschnittsgewicht zu Qm1 = 200 kN angenommen.

8.4  Ausgewählte Nachweise bei einer Verbundbrücke

• Für örtliche Straßen mit geringem LKWAnteil ist Nobs = 0,05 · 106. 1

200 kN  0,05 ⋅ 106  8 ⋅ λv 2 =  = 0,312 480 kN  0,5 ⋅ 106  λv3 = 1,0

nach [DIN-FB 103, 2003]II-9.5.2(5) für eine geplante Nutzungsdauer von 100 Jah­ren. λv4 = 1,0 Dieser Beiwert berücksichtigt die gegenseitige Beeinflussung mehrerer Schwerlastspuren. Der vorliegende Wirtschaftsweg wird nur einspurig befahren. λmax = 2,5/1,8 für den Feldbereich/Stütz­ bereich, nach [DIN-FB 103, 2003]-II-9.5.2(6) λv = 1,5 · 0,312 · 1,0 · 1,0 = 0,484 Die schädigungsäquivalente Schubspannungsschwingbreite im Feld 2 und 5 wird hiermit zu N N = 12,2 ∆τ 2E2 = 0,484 ⋅ 1,0 ⋅ 25,3 2 mm mm2 und N N = 25,3 ∆τ 2E5 = 0,484 ⋅ 1,0 ⋅ 52,2 mm2 mm2 Der Bereich 5 ist maßgebend. Der Nachweis lautet:

γ Ff ⋅ ∆τ 2E ≤ 1,0 ⋅ 25,3 ≤

∆τ c γ Mf , v

90,0 = 72,0 1,25

mit ∆τc = 90,0 N/mm2 nach [DIN-FB 104, 2003]-II-6.1.5(4).

605

8.4.6  Nachweis im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit Im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit müssen unter anderem die folgenden Nachweise geführt werden: 1. Rissbreitenbegrenzung im Beton 2. Spannungsbegrenzung in den Elementen Baustahl, Betonstahl und Beton 3. Begrenzung der Verformung unter Gebrauchslast (für Straßenbrücken sind geeignete Grenzwerte mit dem Bauherrn zu vereinbaren). 4. Nachweis der Verbundfuge: Anzahl und Verteilung der Dübel unter Gebrauchslast Zu 1.: Der Nachweis der Rissbreitenbegrenzung erfolgt analog zum Nachweis für Betonbrücken nach [DINFB 102, 2003]. Diese Problematik wird in diesem Buch in den Abschnitten 8.5.6 und 8.5.7 behandelt. Zu 2.: Der Nachweis der Spannungsbegrenzung und der Verformungsnachweis erfolgen über eine elastische Berechnung unter Gebrauchslast. Die Vorgehensweise entspricht der Berechnung im Traglastfall. Auf eine Ausführung wird hier darum verzichtet. Zu 3.: Nachweis der Verbundfuge: Im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit beträgt der Bemessungswert der Längsschubkrafttragfähigkeit 60% der charakteristischen Grenzscherkraft PRk des Verbundmittels. 0,6 · PRk = 0,6 · PRd · γv = 0,6 · 89,2 kN · 1,25  = 66,9 kN Der Nachweis wird analog zum Nachweis im Grenzzustand der Tragfähigkeit geführt. Offensichtlich wird für die Anzahl der Dübel der Nachweis im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit maßgebend, da der Lastanteil aus Schwinden mit γFser = γFult = 1,0 gleich bleibt.

606

8.5  Betonbrücken Gerhard Mehlhorn und Thomas Jahn 8.5.1  Vorspannung von Betonbrücken Betonbrücken mit größeren Stützweiten werden heute in der Regel vorgespannt. Der Grundgedanke der Vorspannung ist, den aus Lasten entstehenden Spannungen einen gewollten, entgegenwirkenden Spannungszustand zu überlagern. Beton weist nur eine verhältnismäßig geringe Zugfestigkeit auf. Sie beträgt etwa 1/20 bis 1/10 seiner Druckfestigkeit und ist zum Tragen von Lasten meist nicht verfügbar, weil sie durch unvermeidbare innere Spannungen (infolge ungleichmäßigen Austrocknens und/oder Temperaturunterschieden) teilweise oder ganz aufgebraucht wird. Daher lag es mit der Entwicklung des Stahlbetons nahe, die Idee der Vorspannung auf diesen Werkstoff anzuwenden. Durch das Vorspannen soll der Spannungszustand im Tragwerk aus Beton im Gebrauchszustand so beeinflusst werden, dass im Beton keine Risse oder nur solche mit sehr geringen Rissbreiten auftreten. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass vorgedehnte und dadurch vorgespannte Stähle sich gegen den Beton abstützen und damit auf den Beton Druckkräfte ausüben. Da die Vorspannung einer Platte oder eines Trägers nicht ohne Verformung erfolgen kann, treten am statisch unbestimmt gelagerten Tragwerk wegen der Verformungsbehinderung zusätzlich Zwangschnittgrößen auf. Diese sind bei den Schnittgrößen­ ermittlungen und bei den Nachweisen in den Grenzzuständen zu berücksichtigen. Die infolge äußerer Last und Zwang im Tragwerk entstehenden Zugspannungen werden durch die Vorspannung überdrückt. Die Vorspannung kann verschiedenartig aufgebracht werden. In den meisten Fällen

8  Berechnung

wird sie erzeugt, indem Spannglieder aus Stahl oder aus Faserverbundwerkstoffen vorgedehnt und im gespannten Zustand mit dem Beton verbunden werden. Man kann die Vorspannung aber auch durch eine zweckmäßige Wahl des Bauvorgangs erzielen, z. B. durch Vorbelastung, durch planmäßige Auflagersenkung bei durchlaufenden Trägern oder durch Pressen, die von Widerlagern aus Druckkräfte auf das vorzuspannende Bauteil ausüben. Eine weitere Möglichkeit stellt die elektrothermische Vordehnung von Spanngliedern aus Stahl dar. Hier soll ausschließlich die Erzeugung der Vorspannung mittels Spanngliedern aus hochfestem Stahl (Spannstahl) betrachtet werden. Spannverfahren unterscheiden sich hinsichtlich der Anordnung der Spannglieder, des Zeitpunkts der Erzeugung der Vorspannung und der Art des Verbunds. 1. In Abhängigkeit von der Verbundwirkung: 1.1 Vorspannung ohne Verbund: externe Vorspannung: Die Spannglieder liegen außerhalb des Betonquerschnitts und tragen an den Umlenk- und Verankerungsstellen die Vorspannkräfte in das Bau­teil ein. interne Vorspannung: Die Spannglieder liegen innerhalb des Betonquerschnitts. Drähte, Stäbe oder Litzen werden in einer Korrosionsschutzumhüllung geführt (der Spannstahl kann sich in der Längsrichtung frei bewegen und ist nur an den Verankerungsstellen fest mit dem Tragwerk verbunden). 1.2 Vorspannung mit sofortigem Verbund: Die Spannglieder werden nach dem Vor­spannen so in den Beton eingebettet, dass gleichzeitig mit dem Erhärten des Betons Verbund zwischen beiden Materialien entsteht (glatte

8.5  Betonbrücken

Einzeldrähte sind dafür ungeeignet und deshalb nicht zulässig). 1.3 Vorspannung mit nachträglichem Verbund: Der Beton wird zunächst ohne Verbundwirkung zwischen Spanngliedern und Beton vorgespannt, später wird die Verbundwirkung hergestellt. 2. In Abhängigkeit von der Art der Verankerung: 2.1 Endverankerungen mit besonderen Ankerkörpern, 2.2 Endverankerungen durch den Verbund zwischen Spannstahl und Beton (Verankerung durch Haftungs-, Reibungs- und Scherverbund). 3. In Abhängigkeit vom Zeitpunkt des Vorspannens der Spannglieder: 3.1 Spannen vor dem Erhärten des Betons, 3.2 Spannen nach dem Erhärten des Betons.

607

Beim Vorspannen vor dem Erhärten des Betons, der sogenannten Spannbettvorspannung, Bild 8.5-1, der Vorspannung mit sofortigem Verbund, wird der Spannstahl im „Spannbett“ vor dem Betonieren vorgespannt. Der vorgespannte Spannstahl wird an den Enden in ortsfesten Blöcken verankert. Mit dem Erhärten des in die Schalung eingebrachten Betons wird der Verbund zwischen Spannstahl und Beton wirksam. Nach ausreichender Erhärtung des Betons wird die Verankerung des Spannstahls an den Enden gelöst. Wegen der Verbundwirkung kann sich der Spannstahl nicht auf seine ursprüngliche Länge, die er vor dem Spannen hatte, verkürzen. Bei idealem (perfektem) Verbund zwischen Spannstahl und Beton müssen der Spannstahl und der Beton sich um das gleiche Maß verkürzen. Die verbleibende Zugkraft im Spannstahl und die Druckkraft im Beton sind gleich groß. Dieses Verfahren wird ausschließlich bei

Bild 8.5‑1   Prinzip der Vorspannung mit sofortigem Verbund

608

8  Berechnung

der Produktion von Betonbauteilen in Fertigteilwerken angewendet. Durch bereichsweises Umwickeln der Spannglieder mit Kunststoff-Umhüllungen (abisolieren) wird in diesen Bereichen der Verbund verhindert, wodurch bei Vorspannung im Spannbett die eingetragene Vorspannkraft über die Bauteillänge variiert werden kann. Bei Spannverfahren mit nachträglichem Verbund werden Spannstähle in Hüllrohren (Hüllrohre aus Kunststoff oder Stahl), ungespannt, innerhalb der Schalung verlegt (Bild 8.5-2a). Die Spannstähle, die aus Drähten, Stäben oder Litzen bestehen, bleiben innerhalb der Hüllrohre in Längsrichtung beweglich und werden nach dem Betonieren gegen den erhärteten Beton unter Verwendung besonderer Spanneinrichtungen gespannt und verankert (Bild 8.52b). Anschließend wird zu Erzeugung der Verbundwirkung und zum Schutz des Spannstahls vor Korrosion der noch vorhandene Luftraum in den Hüllrohren mit

Einpressmörtel ausgefüllt (Bild 8.5-2c). Ein wesentliches Merkmal der Spannverfahren mit nachträglichem Verbund ist, dass die Spannglieder weitgehend beliebige Spanngliedführungen erlauben. Lediglich durch die einzuhaltenden Krümmungsradien wird der Spanngliedverlauf beschränkt. Es ist auch möglich, die Spannglieder an beliebigen Stellen innerhalb des Tragwerks enden zu lassen. Dadurch können, für beliebige Stellen Größe, Lage und Richtung der erforderlichen Vorspannkräfte sowie der Zeitpunkt ihrer Aufbringung den Erfordernissen angepasst werden. Die Anspannstellen müssen jedoch für den Spannvorgang zugänglich sein. Bei der externen Vorspannung, Bild  8.5-3, werden die Spannglieder außerhalb des Betonquerschnitts angeordnet. Die Vorspannung erfolgt gegen das Betonbauteil, wobei die Vorspannkräfte an den Verankerungs- und Umlenkstellen in das Bauteil eingetragen werden. Diese Vorspannart

a) Spannglied ungespannt im Hüllrohr

b) Vorspannen P

c) Vorgespanntes Spannglied verankert und mit Einpressmörtel verfülltes Hüllrohr -P

Bild 8.5‑2   Prinzip der Vorspannung mit nachträglichem Verbund

-P

8.5  Betonbrücken

wird ohne Verbund ausgeführt, mit den Vorteilen der Nachspannbarkeit und der Austauschbarkeit der Spannstähle. Die Verwendung externer und interner Spannglieder führt zur sogenannten Mischbauweise, die in der Regel wirtschaftlicher als die rein-externe Vorspannung ist. Vor allem bei im Freivorbauverfahren errichteten Brücken und bei im Grundriss stark gekrümmten Brücken kann bei der Verwendung externer Spannglieder auf die Mischbauweise kaum verzichtet werden. Auch bei im Taktschiebeverfahren hergestellten Brücken und bei sehr schlanken Brücken kann die Verwendung der rein­ externen Vorspannung zu konstruktiven Schwierigkeiten führen. Bei der Mischbauweise ist zu unterscheiden, ob es sich bei den internen Spanngliedern um solche mit oder ohne Verbund handelt. Die internen Spann­glieder ohne Verbund, die wegen der Austauschbarkeit eine zweifache Umhüllung (inneres und äußeres Hüllrohr) haben müssen, sind wie die externen Spannglieder kontrollier-, austausch- und nachspannbar. Austauschbar sein muss dabei der Spannstahl zusammen mit dem inneren Hüllrohr und dem Korrosions­schutzfett. Es ist selbstverständlich, dass bei den rechnerischen Nach­ weisen mit Nettoquerschnittswerten zu rechnen ist, s. Abschnitt 8.5.2.1. Handelt es sich bei der Mischbauweise für die Längsvorspannung der Brücke um die Kombination von externen Spanngliedern mit Spanngliedern im Verbund, muss nach [DIN-FB 102, 2009]-III, Abschnitt 3.2 der Anteil der mit externer Vorspannung

Bild 8.5‑3   Prinzip der externen Vorspannung

609

aufgebrachten Vorspannkraft mindestens 20% der gesamten erforderlichen Vorspannkraft betragen. Außerdem sind erhöhte Anforderungen für Nachrüstungsmaßnahmen zur Instandhaltung und zur eventuellen späteren Verstärkung zu beachten [DINFB 102, 2009]-III, Abschnitt 3.4 (1) P. 8.5.2  Schnittgrößen infolge Vorspannung Die Schnittgrößen (Spannungen, Kräfte und Verformungen) werden an Balken in rechtwinklig zur Balkenachse liegenden Schnitten ermittelt. Bei gegen die Balkenachse gekrümmt oder schräg verlaufenden Spanngliedern kann man wegen der sehr geringen Neigung α der Spanngliedachse (bei i. d. R. schlanken vorgespannten Platten und Balken, gilt nicht für Querträgerscheiben) die vertikale Komponente der Vorspannkraft P · sin (α) vernachlässigen. Für die gesamte Tragwerkslänge kann mit guter Näherung PH ≈ P gesetzt werden. 8.5.2.1  Querschnittswerte Bei Berechnungen an vorgespannten Tragwerken dürfen keine Querschnittsanteile vernachlässigt werden, da sonst unzutreffende Schnittgrößenverläufe ermittelt werden. Bei Druckplatten von Plattenbalkenund Kastenquerschnitten ist die tatsächlich mitwirkende Plattenbreite, z. B. nach [Brendel, 1959], zu berücksichtigen. Für die statische Berechnung von Bauteilen, die vor dem Erhärten des Betons

610

vorgespannt werden, benötigt man ideelle Querschnittswerte, weil bereits vor dem Absetzen der Vorspannkraft Verbund zwischen Spannstahl und Beton besteht. Auch zur Ermittlung von Beanspruchungen an Bauteilen, die mit nachträglichem Verbund vorgespannt werden, sind für die nach der Herstellung des Verbunds aufgebrachten Belastungen die ideellen Querschnittswerte maßgebend. An Querschnitten, die nach dem Erhärten des Betons vorgespannt werden, kann für die Bestimmung der vor der Herstellung des Verbunds entstehenden Beanspruchungen, also auch für Beanspruchungen infolge der Vorspannung, bei in der Regel im Verhältnis zum Betonquerschnitt der Zugzone geringem Spann- und Betonstahlquerschnitt, mit Beton-Brutto-Querschnittswerten gerechnet werden. Bei großem Spannstahlbewehrungsgrad oder bei genaueren, materialsparenden Berechnungen benötigt man neben den ideellen Querschnittswerten noch die Querschnittswerte des Betonquerschnitts, bei dem die Querschnittsflächen der Hüllrohre der Spannglieder abgezogen werden (Beton-Netto-Querschnittswerte). Der Stahlquerschnitt bleibt hierbei unberücksichtigt. Diese Querschnittswerte sind für die Ermittlung der Beanspruchungen aus den Eigenlasten und den Vorspannkräften maßgebend. Der Ansatz von Beton-NettoQuerschnittswerten sollte insbesondere für Nachweise an Querschnitten mit Spanngliedkopplungen (Berücksichtigung aller vor dem Verpressen vorhandener Hohlräume) erfolgen. Bei der Ermittlung der ideellen Querschnittswerte am Verbundquerschnitt sind zu den Beton-Brutto-Querschnittswerten nur die (αp – 1)-fachen Querschnittsflächen des Stahls (αp  = Ep /Ec) anzusetzen, da die mit Verpressmörtel ausgefüllten Hohlräume in den Hüllrohren näherungsweise als Betonquerschnitte behandelt werden, siehe z. B. Gl. (8.5-25). Ideelle Quer­schnittswerte gelten für alle Lasten, die zeitlich nach Herstellung des Verbundquerschnitts aufgebracht werden.

8  Berechnung

Bei vorgespannten Bauteilen mit internen Spanngliedern ohne Verbund wirken die Vorspannkräfte auf den Beton-NettoQuerschnitt. Wegen des fehlenden Verbunds dürfen ideelle Querschnittswerte nicht verwendet werden. Das Spannglied wird als reibungslos im Hüllrohr liegendes Zugband betrachtet, dessen Spannungsänderungen unter Last sich aus der Gesamtverzerrung der Betonfaser in Höhe der Spanngliedachse ergibt. Im Folgenden werden Gleichungen zur Ermittlung von Querschnittswerten des Betonquerschnitts, des Spannstahlquerschnitts sowie des Verbundquerschnitts angegeben. a) Spannstahl – Querschnittswerte (Index p): Die Gesamtquerschnittsfläche der Spann­ stähle wird aus der Summe der Einzelflächen der Spannstähle ermittelt: m

Ap = ∑ Ap, j j =1



(8.5-1)

Ap,j … Fläche des einzelnen Spannglieds m … Anzahl der Spannglieder

Bild 8.5‑4   Vorgespannter Betonquerschnitt, Bezeichnungen

8.5  Betonbrücken

611

Die Abstände y–p und z–p der geometrischen Schwerachsen des Gesamt-Spannstahlquerschnitts bezogen auf das globale y–-z–Koordinatensystem ergeben sich zu: yp =

1 ⋅ ∑ y p, j ⋅ Ap, j Ap j =1

zp =

1 ⋅ ∑ z p, j ⋅ Ap, j Ap j =1

m

(8.5-2)

m

(8.5-3)

y–p, j Abstand des Schwerpunkts des Spannglieds von der z–-Achse – z p, j Abstand des Schwerpunkts des Spannglieds von der y–-Achse Für die Trägheitsmomente der GesamtSpannstahlfläche bezüglich des Schwer­ achsenkoordinatensystems folgt: m

I yp = ∑ I yp, j + Ap, j ⋅ (z p − z p, j j =1 m

)2

I zp = ∑ I zp, j + Ap, j ⋅ ( y p − y p, j j =1

Iyp, j , Izp, j

)2

(8.5-4) (8.5-5)

Eigenträgheitsmomente des j-ten Spannglieds

Die Eigenträgheitsmomente der Spann­ glieder werden in den Gln. (8.5-4) und (8.5-5) i. d. R. vernachlässigt, weil sie um Größenordnungen kleiner sind als die Stei­ ner’schen Anteile. Die angegebenen Gleichungen gelten auch für Betonstahlquerschnitte (Index s) und für die Querschnittsflächen von Hüllrohren (Index h). b) Beton – Brutto – Querschnittswerte (Index cb): Für den in Bild 8.5-4 dargestellten Querschnitt lässt sich die Beton-Bruttoquerschnittsfläche aus der Summe der Teilquerschnittsflächen bestimmen. m

Acb = ∑ Acb, j j =1



(8.5-6)

Acb, j Teilquerschnittsfläche m Anzahl der Teilquerschnittsflächen

Die Abstände der Schwerachsen des Brutto-Querschnitts von der globalen y–- bzw. z–-Achse betragen: yb =

1 m ⋅ ∑ y j ⋅ Acb, j Acb j =1

(8.5-7)

zb =

1 m ⋅ ∑ z j ⋅ Acb, j Acb j =1

(8.5-8)

y–j y–-Koordinate des Schwerpunkts des Teilquerschnitts z–j z–-Koordinate des Schwerpunkts des Teilquerschnitts Für die Flächenmomente 2. Grades (Trägheitsmomente) bzgl. der globalen Achsen gilt: m

I ycb = ∑ I ycb, j + z j2 ⋅ Acb

(8.5-9)



j =1 m

I zcb = ∑ I zcb, j + y 2j ⋅ Acb j =1

Iycb, j Izcb, j



(8.5-10)

Flächenmoment 2. Grades j-ten Teilquerschnitts bzgl. y-Schwer­achse Flächenmoment 2. Grades j-ten Teilquerschnitts bzgl. z-Schwerachse

des der des der

Die Flächenmomente 2. Grades bzgl. der Schwerachsen des Bruttoquerschnitts sind: I ycb = I ycb − z b2 ⋅ Ab



(8.5-11)

I zcb = I zcb − y b2 ⋅ Ab



(8.5-12)

Nach [Fleßner, 1962] lassen sich die BruttoQuerschnittswerte polygonal berandeter Querschnitte, wie sie vor allem bei Brückenüberbauten anzutreffen sind, einfach mit Hilfe der Eckpunkt-Koordinaten des Rands bestimmen (siehe Bild 8.5-5) und Gln. (8.5-13 bis -19). Für die vorgegebenen Richtungen der Koordinatenachsen ist der Rand des Querschnitts so zu umfahren, dass die Querschnittsfläche immer rechts des Rands liegt. Damit der Polygonzug ge-

612

8  Berechnung

I ycb =

1 k ⋅ ∑ ( y j ⋅ z j+1 − y j+1 ⋅ z j ) 12 j =1 ⋅ (z j2 + zj ⋅ zj+1 + z 2j+1)

(8.5-18)

k I zcb = 1 ⋅ ∑ ( y j ⋅ z j+1 − y j+1 ⋅ z j ) 12 j =1

⋅ ( y 2j + y j ⋅ y j+1 + y 2j+1)



Iy–cb   , I–z cb

Bild 8.5‑5   Knotennummerierung und Richtungssinn der Koordinatenachsen

schlossen ist, entspricht der letzte Eckpunkt dem ersten. Dieses Verfahren eignet sich besonders gut für die rechnergestützte Be rechnung von Querschnittswerten.

(8.5-19)

Flächenmomente 2. Grades des Querschnitts bezogen auf die globalen Achsen

Die Trägheitsmomente bezüglich des Schwerpunkt-Koordinatensystems lassen sich nach den Gln. (8.5-11) und (8.5-12) bestimmen. [Käuffler, 1989] gibt Gleichungen an, mit denen Querschnittswerte polygonal berandeter Querschnitte mit kreisförmigen Randabschnitten bestimmt werden können.

c) Beton – Netto – Querschnittswerte (Index cn): Die in den Gln. (8.5-20) bis (8.5-24) enthaltenen Werte Ap, y–p und y–p können bei Be1 k Acb = ⋅ ∑ y j ⋅ z j+1 − y j+1 ⋅ z j (8.5-13) rechnungen an Beton-Querschnitten mit 2 j =1 unverpressten Hüllrohren durch den Hüll y–j, z–j globale Koordinaten der Eck- rohrquerschnitt Ah bzw. die globalen Koordinaten y–h und z–h ersetzt werden. punkte, j = 1, 2, … , k k Anzahl der Eckpunkte + 1 (8.5-20) Acn = Acb − Ap  k 1 Sycb = ⋅ ∑ ( y j ⋅ z j+1 − y j+1 ⋅ z j ) ⋅ (z j + z j+1) 1 yn = ⋅ ( Acb ⋅ y b − Ap ⋅ y p )  (8.5-21) 6 j =1 A cn  (8.5-14) 1 k S zcb = ⋅ ∑ ( y j ⋅ z j+1 − y j+1 ⋅ z j ) ⋅ ( y j + y j+1) 6 j=1  (8.5-15)

zn =

Sy–cb  , S–z cb

I ycn = I ycb + Acb ⋅ (z b −z n )2  − (I yp + Ap ⋅ (z p − z n)2 ) (8.5-23)

y b = S zcb

statische Momente des Querschnitts bezogen auf die globalen Achsen (8.5-16) Acb

z b = Sycb Acb y–b, z–b



(8.5-17)

globale Koordinaten Schwer­­­­punkts

des

1 ⋅ ( Acb ⋅ z b − Ap ⋅ z p )  Acn

(8.5-22)

I zcn = I zcb + Acb ⋅ ( y b − yn)2  − (I yp + Ap ⋅ ( y p − yn)2 ) (8.5-24) d) Ideelle Querschnittswerte (Index ci): Die ideellen Querschnittswerte gelten am Verbundquerschnitt. Unter Ansatz der Bie-

8.5  Betonbrücken

613

ge- und Dehnsteifigkeiten werden aus den Spannstahlflächenkennwerten äquivalente Betonflächenkennwerte ermittelt und zu den Querschnittswerten der tatsächlichen Betonfläche addiert. Die angegebenen Gleichungen treffen nur unter der Annahme des linear elastischen Materialverhaltens im Bereich der untersuchten Schnittgrößen zu.  Aci = Acb + (α p − 1) ⋅ Ap (8.5-25)  mit: αp = Ep/Ec Die anderen Querschnittswerte werden analog berechnet. Für die globalen Koordinaten des ideellen Schwerpunkts folgt: 1 ( Acb ⋅ y b + (α p − 1) ⋅ Ap ⋅ y p ) Aci  (8.5-26) 1 zi = ( Acb ⋅ z b + (α p − 1) ⋅ Ap ⋅ z p ) Aci  (8.5-27) yi =

Die Trägheitsmomente bzgl. der ideellen Schwerachsen ergeben sich aus: I yci = I ycb + Acb ⋅ (zi − z b )2 + (α p −1) ⋅ (I yp + Ap ⋅ (zi − z p )2 ) 

ε p(0,p) =

ε(0) p,  p

(8.5-28) lp

(8.5-29)

σ(0) p,  p P(0)

8.5.2.2  Schnittgrößen am statisch bestimmt gelagerten Tragwerk

δ p(0,p) lp

=

σ p(0,p) Ep

=

P (0) Ep ⋅ Ap

 (8.5-30)

In Gl. (8.5-30) bedeuten:

δ(0) p,  p



I zci = I zcb + Acb ⋅ ( yi − y b )2 + (α p − 1) ⋅ (I zp + Ap ⋅ ( yi − y p )2 ) 

zur Überlagerung von Biegezugspannungen eingesetzt wird, werden die maßgebenden Gleichungen zur Bestimmung der Schnittgrößen infolge Vorspannung am Biegebalken angegeben. Ausführliche Herleitungen der Bestimmungsgleichungen für Schnittgrößen an mit sofortigem Verbund vorgespannten Querschnitten sind in [Mehlhorn, 1998] und [Mehlhorn et al., 2002] enthalten. Gleichungen für die Schnittgrößen an zentrisch vorgespannten Querschnitten erhält man, indem der Abstand der Spanngliedlage zur Schwerachse zcp zu null gesetzt wird. Nach dem Aufbringen der SpannbettVorspannkraft P(0) ergibt sich die Größe der Dehnung des Spannstahls ε(0) p,  p (Vordeh­ nung im Spannbett) zu:

Spannbettdehnung des Spannstahls, Verlängerung des Spannstahls infolge der im Spannbett auf den Stahl aufgebrachten Vorspannkraft P(0), Länge des Spannstahls im unbelasteten Zustand, Spannbettspannung im Spannstahl, über die Spannpresse in den Spannstahl im Spannbett eingetragene Vorspannkraft, Elastizitätsmodul des Spannstahls, Querschnittsfläche des Spannstahls.

8.5.2.2.1  Spannen vor dem Erhärten des Betons

Ep Ap

Das Spannen des Spannstahls erfolgt im Spannbett. Sofort nach dem Einbringen des Betons tritt mit der Erhärtung des Betons der Verbund zwischen Beton und vorgespanntem Stahl ein. Da im BetonBrückenbau die Vorspannung vor allem

Nach dem Lösen der Spannbettverankerung, siehe Bild 8.5.1 c), wirkt die Vorspannkraft an der Stelle des Spannglieds auf das Bauteil. Der Balken verkürzt sich, und wegen der exzentrischen Spanngliedlage erfährt er zudem eine Verkrümmung. Die verbleibenden

614

8  Berechnung

Schnittgrößen des Betons und des Spannstahls werden mit einem Querstrich versehen. Die Eigenlast, die durch das Abheben des Balkens von der Schalung infolge Verkrümmung wirksam wird, bleibt bei den Gleichungen zur Bestimmung der nach dem Absetzen der Vorspannung verbleibenden Vorspannkraft zunächst unberücksichtigt. Es liegt somit aus Vorspannung ein reiner Eigenspannungszustand vor. Zur Ermittlung der tatsächlichen Schnittgrößen muss die Eigenlast auf den Verbundquerschnitt wirkend angesetzt werden. Vor und nach dem Lösen der Spannbettverankerung wirken im Element mit der infinitesimalen Länge dx = 1 des Verbundquerschnitts die im Bild 8.5-6 angegebenen Schnittgrößen. Unter der Voraussetzung perfekten Verbunds zwischen Beton und Stahl gilt die Verträglichkeitsbedingung: –ε = ∆ε– cp, p

p, p

–ε cp, p

durch Lösen der Verankerung des Spannstahls verursachte Betonstauchung in Höhe der Spannstahlfaser, ∆ε–p,  p Änderung der Spannstahldehnung infolge Lösen der Verankerung.

Die verbleibende Stahldehnung nach dem Lösen der Verankerung ergibt sich zu:

ε p,p = ε p(0,p) + ε cp,p = ε p(0,p) + ∆ε p,p .

(8.5-31)

Diesen Verzerrungen entsprechen die Spannungen:

σ p,p = σ p(0,p) + α p ⋅ σ cp,p .

(8.5-32)

σ–p,  p

nach dem Lösen der Verankerung verbleibende Spannung im Spannstahl, σ(0) Spannbett-Spannung im Spannp,  p stahl, σ–cp,   p Spannung im Beton nach Lösen der Verankerung. Die im Spannstahl verbleibende Vorspannkraft ist: – P = A · σ– . p

p,  p

Im Beton wirken: – – – – N c,  p = –P und M c,  p = –P · zcp . Zwischen den Kräften im Spannstahl vor und nach dem Lösen der Spannbettverankerung bestehen die Beziehungen:  Ep ⋅ Ap P (0) = P ⋅ 1 +  Ec ⋅ Ac

 A 2  ⋅ 1 + c ⋅ z cp  Ic   



(8.5-33)

 Spannbettkraft aufgebracht

P(

( ) εp,p 0

0)

P(

0)

dx = 1

Lösen der Spannbettverankerung Mc,p Nc,p

Mc,p P

P

Nc,p

−εcp,p εp,p −∆εp,p

Bild 8.5‑6   Infinitesimales Element mit der Länge dx = 1; Schnittgrößen und Verzerrungen aus Vorspannung bei Aufbringung der Spannbettvorspannkraft P(0) und nach dem Lösen der Spannbettverankerung

8.5  Betonbrücken

615

−1 a) Spannbeton ohne Verbund:  Ep ⋅ Ap  Ac 2  P = P (0) ⋅ 1 + ⋅ 1 + ⋅ z cp  Die Spannglieder liegen hierbei ent­ Ic  Ec ⋅ Ac   weder außerhalb des Betons (externe Vorspannung) oder sie werden längs(8.5-34)  verschieblich in mit Fett gefüllten Ac, Ic und zcp stellen Netto-Beton-QuerKunststoffummantelungen innerhalb schnittswerte entsprechend den Gln. (8.5des Betons geführt. 20), (8.5-22) und (8.5-23) dar. b) Spannbeton mit nachträglichem VerBei Spannbetonbauteilen, bei denen die bund: Spannglieder vor dem Erhärten des Betons Die Spannglieder werden in Hüllroh­ vorgespannt werden, wirken alle äußeren ren geführt. Nach dem Vorspannen Lasten - auch die beim Aufbringen der Vorerfolgt das Auspressen der Hüllrohre spannkraft gleichzeitig wirksam werdende mit Zementmörtel. Eigenlast - auf den Verbundquerschnitt. Zur Ermittlung der SpannungsverteiIn den vorgenannten Fällen erfolgt das lung im Querschnitt werden perfekter VerSpannen erst, wenn der Beton genügend bund zwischen Beton und Stahl sowie die erhärtet ist und zwar gegen den erhärteten Bernoullische Hypothese vom Ebenbleiben Beton. der Querschnitte vorausgesetzt. Beim Spannen nach dem Erhärten des Die Annahme des perfekten Verbunds Betons wird in der Regel gleichzeitig mit bedingt, dass die aus äußeren Lasten dem Aufbringen der Vorspannung die Be(G + Q) herrührenden Verzerrungen in anspruchung aus Eigenlast wirksam. Höhe der Stahlfaser im Beton und im Stahl Das Aufbringen der Vorspannung ergleich sind. folgt i. d. R. mit Spannpressen, die sich geεp,  g +  q = εcp,  g  +  q gen das vorzuspannende Bauteil abstützen. Die Spannungsverteilung im Balken aus Die eingetragene Vorspannkraft wird am äußeren Lasten kann somit nach den für Manometer der Presse abgelesen. Zur Konnicht vorgespannten und vorgespannten trolle werden zusätzlich die Spannwege gebewehrten Beton allgemeingültigen Bezie- messen. Hierbei ist zu beachten, dass sohungen für den Zustand I ermittelt werden. wohl am Manometer als auch bei der Die Spannungen im Verbundquerschnitt Spannwegmessung stets nur die Werte aus infolge äußerer Lasten Ng +q und Mg + q erge- Vorspannung und der gleichzeitig wirkenden Eigenlast zusammen abgelesen ben sich zu: werden können. Aus diesem Grund wird Ng + q M g + q für die folgenden Betrachtungen die Vor+ ⋅ z ci σ c ,g + q = Aci I ci (8.5-35) spannkraft P als die Kraft definiert, die am  Ende des Spannvorgangs am Manometer  N g +q M g +q  der Spannpresse abgelesen wird und die + ⋅ zip  . σ p,g +q = α p ⋅   sich an einer beliebigen Stelle des SpannI ci  Aci  glieds mit Hilfe des Reibungsgesetzes aus der an der Anspannstelle aufgebrachten Vorspannkraft bestimmen lässt. Schnitt8.5.2.2.2 Spannen nach dem Erhärten größen, die während des Spannvorgangs des Betons wirksam werden, sind auf den reinen BeBeim Spannen nach dem Erhärten des Be- tonquerschnitt zu beziehen, d. h. auf das tons werden nach der Art des Verbunds statisch bestimmte Hauptsystem des aus zwei Verfahren unterschieden: dem Betontragwerk und dem Zugband be-

616

8  Berechnung

stehenden innerlich statisch unbestimmten Systems. Bei Spannbeton mit nachträglichem Verbund werden nach dem Vorspannen die Hüllrohre verpresst. Die nachträglich auf das Bauteil aufgebrachten Lasten (Ausbaulasten, Verkehrslasten) wirken auf den Verbundquerschnitt; entsprechend sind bei der Berechnung dieser Schnittgrößen ideelle Querschnittwerte anzusetzen. Somit kann für die Spannungen im Beton infolge P und der gleichzeitig mit dem Anspannen wirksam werdenden Eigenlast angeschrieben werden:

σ c,g1+ p = 

M g1 Ic

⋅ zc −

P P ⋅ z cp − ⋅ zc . Ac Ic (8.5-36)

Die Spannung im Spannstahl ergibt sich zu:

σ p,g1+ p =

P .  Ap

(8.5-37)

Ac  , Ic und zc sind Netto-Beton- Querschnitts­ werte. Anmerkung: Bei Vorbemessungen werden Beton-Brutto-Querschnittswerte verwendet, da der Spannstahlquerschnitt erst ermittelt werden muss. Für die Ermittlung der Spannungen infolge Belastungen, die bei Vorspannung mit nachträglichem Verbund nach dem Herstellen des Verbunds aufgebracht werden, gelten die Gl. (8.5-35). Die Betonspannungen infolge Vorspannung besitzen dann eine sinnvolle Größenordnung, wenn ihre Beträge etwa der Größe der Spannungen infolge äußerer Lasten entsprechen. Deshalb ist es besonders wichtig, die während des Spannvorgangs aufgebrachten Vorspannkräfte sorgfältig zu kontrollieren. Hierzu stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung: 1. Ablesen der Spannkraft P0 an der Anspannstelle (Manometer), 2. Kontrolle der berechneten Spannwege. Beide Kontrollmöglichkeiten zusammen ergeben einen Beurteilungsmaßstab für die

Höhe der aufgebrachten Spannkraft P0 und die Verteilung von P (x) über die Spanngliedlänge l. Für die nachträgliche Kontrolle der im Spannbett vorhandenen Kraft, besteht bei Vorspannung ohne Verbund die Möglichkeit das Spannglied innerhalb einer definierten Länge in Querrichtung auszulenken und aus der für eine bestimmte Auslenkung erforderlichen Kraft auf die vorhandene Spannkraft zu schließen. Bei sehr langen im Beton liegenden Spanngliedern kann die Spannstahldehnung bzw. der Spannweg an Zwischenstellen (Fenstern) kontrolliert werden. Es wird hier vorausgesetzt, dass die Verteilung der Spannkraft P (x) (Spannkraft an der Anspannstelle P0 = P (x = 0) und der Reibungseinfluss (vgl. Abschnitt 8.5.2.2.3)) sowie die beim Spannen wirkenden Schnittgrößen Nc,p (x), Mc,p (x) und Mc,g1 (x) berechnet wurden. Im Bild 8.5-7 sind die Verläufe der Schnittgrößen qualitativ für den vorgespannten Einfeld­träger mit einem Spannglied angegeben. Der Spannweg δSp an der Anspannstelle des Spannglieds setzt sich im wesentlichen aus zwei Anteilen zusammen (Schlupf vernachlässigt): δp, p Anteil aus Spannstahldehnung, δcp, p + g1 Anteil aus Betonstauchung in Höhe des Spannglieds. Für die einsträngige Vorspannung ergibt sich der Spannweg zu: δSp = δp, p – δcp, p  + g1 .

(8.5-38)

Die „Schlupfwerte“ (missverständliche Bezeichnung), die in den einzelnen allgemein bauaufsichtlichen Zulassungen der Spannverfahren angegeben sind, setzen sich in der Regel aus zwei Anteilen zusammen. Der eine Anteil ergibt sich beim Vorspannen aus der Eindrückung der Verankerung unter der Pressenkraft in den Beton. Der zweite Anteil ist als ein für das jeweilige Spannverfahren spezifischer Nachlassweg

8.5  Betonbrücken

617

Bild 8.5‑7   Schnittgrößenverlauf aus Vorspannung im von einer Seite vorgespannten Träger

zu betrachten und berücksichtigt z. B. bei Keilverankerungen den Keilschlupf (bei Gewindeverankerungen entsprechend die Verschiebung aus dem Gewindespiel) und die Verformungen der Verankerungsteile beim Umsetzen der Vorspannkraft von der Presse auf die Verankerung. Zur Berechnung der Auswirkungen des Schlupfs auf den Verlauf der Vorspannkraft siehe z. B. [Mehlhorn et al., 2002]. Die beiden Spannweg-Anteile nach der Gl. (8.5-38) ergeben sich zu:

 dx  0 0 Ep ⋅ Ap   l l  P(x ) δ cp,p+g1 = ∫ ε cp,p+g1 (x ) dx = − ∫ dx   E A ⋅ c c 0 0  l −P (x ) ⋅ z cp (x ) + M g1 (x )  +∫ ⋅ z cp (x ) dx  Ec ⋅ I c 0

δ p,p

l

= ∫ ε p,p (x ) dx



l

=∫

P(x )

(8.5-39)

Damit wird: l

δ Sp = ∫ 0

 

l

P (x ) P(x ) dx + ∫ dx Ep ⋅ Ap E 0 c ⋅ Ac l

P ( x ) ⋅ z cp ( x ) − M g1 ( x )

0

Ec ⋅ I c

+∫

⋅ z cp (x ) dx . (8.5-40)

Es sei hier darauf hingewiesen, dass bei den meisten in der Baupraxis vorkommenden Anwendungen das letzte Integral in Gln. (8.5-39,40) im Verhältnis zu den übrigen Integralen vernachlässigbar klein ist, weil der Minuend und der Subtrahend im Zähler des Integrals die gleiche Größenordnung haben. Näherungslösungen der Integrale Gln. (8.5-39, 40) zur Berechnung der Verformun­ gen erhält man z. B. mit der Simp­son’schen Regel. Dazu wird die Fläche unter der zu integrierenden Funktion in eine gerade Anzahl n gleich breiter Streifen parallel zur y-Achse unterteilt (siehe Bild 8.5-8).

618

8  Berechnung

Bild 8.5‑8   Unterteilung der gesuchten Fläche unter der zu integrierenden Funktion

Das bestimmte Integral ergibt sich näherungsweise zu: A≈

∆ ⋅ ( y0 + 4 ⋅ y1 + 2 ⋅ y2 + 4 ⋅ y3 3 + … + 2 ⋅ yn−2 + 4 ⋅ yn−1 + yn ) . (8.5-41)

Bei mehrsträngiger Vorspannung werden die Vorspannkräfte auf die einzelnen Spannglieder nacheinander aufgebracht. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die anfängliche Vorspannkraft (Initialkraft P(i)) der vorher gespannten Spannglieder infolge Betonverkürzung beim Vorspannen der nachfolgenden Spannglieder abnimmt. Allgemein gilt für den Spannweg bzw. die beim Vorspannen aufzubringende Initialkraft des j-ten Spannglieds von insgesamt n Spanngliedern: n−1

δ Spj = δ pj,pj − δ cpj,pj − ∑ δ cpj,p ( j+1) , j =1

Ep ⋅ Apj n−1 P0(ij),p = P0 j,pj − ⋅ ∑ δ cpj,p ( j+1) . l j =1  (8.5-42) 8.5.2.2.3  Einfluss des Reibungswiderstands beim Vorspannen Bei allen Arten des Vorspannens nach dem Erhärten des Betons treten beim Vorspannen infolge Reibung Behinderungen der

Spannbewegung auf, welche die an der Anspannstelle eingetragene Vorspannkraft verringern. Selbst bei planmäßig gerade geführten Spanngliedern entstehen wegen der unvermeidlichen Abweichung der Spannglieder von der Soll-Lage (Abweichung von der theoretisch vorausgesetzten Geraden) Reibungsbehinderungen beim Vorspannen. Die Ermittlung der infolge Reibung eintretenden Größe der Vorspannkraft P (x) an jeder beliebigen Stelle x in Bezug auf die an der Anspannstelle aufgebrachte Kraft P0 ergibt sich nach Gl. (8.5-43): P (x ) = P0 ⋅ e − µ ⋅ϑ (x) .

(8.5-43)

mit: ϑ (x) = Θges + k · x   Gesamtumlenkwinkel, Umlenkwinkel im Bogenmaß [rad], Θges planmäßiger Gesamt-Umlenkwinkel, k · x unplanmäßiger Umlenkwinkel. Die planmäßigen Umlenkwinkel sind bei Spanngliedführungen mit Gegenkrümmungen jeweils zwischen benachbarten Wendepunkten sukzessive zu bestimmen und die Absolutbeträge der Winkel sind bis zur betrachteten Stelle zu addieren. In manchen Büchern wird angegeben, dass bei der Ermittlung des Umlenkwinkels ϑ nur der größere der beiden Anteile, entweder Θ

8.5  Betonbrücken

oder k·x berücksichtigt zu werden braucht. Diese Aussage ist nach Auffassung der ­Autoren falsch. Es liegt auf der Hand, dass der planmäßige geometrische Umlenk­ winkel Θ immer zu berücksichtigen ist. Der unplanmäßige Umlenkwinkel soll unvermeidbare Umlenkungen (z. B. horizontale Abweichungen eines in vertikaler Ebene gekrümmten Spannglieds, Durchhänge zwischen den Spanngliedunterstützungen) erfassen. Üblicherweise wird angenommen, dass der Reibungsbeiwert μ längs des Spannglieds konstant bleibt. Diese Voraussetzung gilt aber nur näherungsweise. Der Reibungsbeiwert ist vielmehr durch die örtlichen Gegebenheiten verschieden. Dies ist durch die lokal unterschiedlichen Beschaffenheiten der aufeinandergleitenden Materialien bedingt. Bei der Kontrolle der Spannwege treten mitunter Abweichungen zwischen den Soll- und den Ist-Werten auf, die auch auf die vorausgesetzte Näherungsannahme zurückzuführen sind. Treten unerklärlich große Abweichungen auf, sind die Ursachen unbedingt festzustellen. Bei in zwei Ebenen gekrümmten Spanngliedern, sind die maßgebenden Umlenkwinkel vektoriell zu bestimmen. Werte für μ und k sind den Zulassungsbescheiden des jeweiligen Spannverfahrens zu entnehmen. Zum Ausgleich der Reibungsverluste beim Vorspannen können die Vorspannkräfte vorübergehend beim Anspannen erhöht aufgebracht werden (Abschnitt 8.7.2 (2) der [DIN 1045-1, 2008]). Anschließend erfolgt vor der Verankerung der Spannglieder ein Nachlassen der Anspannkraft. Für die Berechnung des Verlaufs der nach Abschluss des Spannvorgangs verbleibenden Spannkraft wird auf [Mehlhorn et al., 2002] verwiesen. 8.5.2.3  Schnittgrößen an statisch unbestimmt gelagerten Balkentragwerken Wie bei der Vorspannung statisch bestimmt gelagerter Balkentragwerke bereits festge-

619

stellt wurde, verformen die Vorspannkräfte das Tragwerk. Bei statisch bestimmter Lagerung sind diese Verformungen frei möglich; sie werden also durch die Lagerung nicht behindert und verändern die Auflagerkräfte nicht. An Tragwerken mit statisch unbestimmter Lagerung können sich die Verformungen nicht unbehindert einstellen. Dem Tragwerk werden durch die Festhaltungen Zwänge auferlegt, die wiederum Zwangskräfte und Auflagerreaktionen hervorrufen. Zur Berechnung der Zwangskräfte stehen verschiedene Methoden zur Verfügung. Im Folgenden sollen dazu das aus der Statik bekannte Kraftgrößenverfahren und das Verfahren unter Ansatz der Umlenkkräfte bei gekrümmt geführten Spanngliedern erläutert werden. a)  Das Kraftgrößenverfahren Beim r-fach statisch unbestimmten System werden r Zwangskräfte Xr geweckt. Es gilt: P* = P 

(8.5-44)

r

N c*,p = N0c,p + ∑ Xi ,p ⋅ N ci



(8.5-45)

M c*,p = M c0,p + ∑ Xi ,p ⋅ M ci 

(8.5-46)

i =1 r

i =1

r

Qc*,p = Qc0,p + ∑ Xi ,p ⋅ Qci  i =1

(8.5-47)

Xi,p sind die statisch Überzähligen. Die Vorspannkraft P unter Beachtung des Reibungsgesetzes nach Gleichung (8.5-43) 0 , M 0 , Q0 – also die ist bekannt, und N c,p  c,p c,p  Schnittgrößen des Eigenspannungszustands am statisch bestimmten Hauptsystem – lassen sich daraus in einfacher Weise errechnen. Die Größen Nci , Mci und Qci sind die Schnittgrößen am statisch bestimmten Hauptsystem infolge der statisch Überzähligen Xi = 1. Die Zwangskräfte Xi,p folgen aus den Kontinuitätsforderungen zur Schließung der im statisch bestimmten Hauptsystem auftretenden Klaffungen als Folge des Lastfalls Vorspannung (Bild 8.5-9).

620

8  Berechnung

Bild 8.5‑9   Vorgehensweise bei der Bestimmung der Zwangsschnittgröße infolge Vorspannung

b) Ansatz der Umlenkkräfte Die meisten vorgespannten Konstruktionen sind schlanke, auf Biegung beanspruchte Balken, z. B. Durchlaufträger oder Platten. Hier bietet sich eine wesentliche Vereinfachung zur rechnerischen Behandlung des Lastfalls Vorspannung am statisch unbestimmten System an, indem man die vom Spannglied auf den Beton wirkenden Umlenkkräfte näherungsweise lotrecht wirkend annimmt. Die Umlenkkräfte u, können näherungsweise ermittelt werden zu: ′′ (x ) u ≈ P (x ) ⋅ z cp



Bei parabelförmigem Spanngliedverlauf ergibt sich die gleichmäßig verteilte Umlenkkraft näherungsweise zu: u≈P⋅ mit: f l

8⋅f l2



(8.5-49)

Parabelstich Abstand der Wendepunkte.

Bei der Ermittlung des Verlaufs der Spanngliedlage und damit des Biegemoments M*c, p am statisch unbestimmten System aus den Umlenkkräften kann man nun Einflusslinien benutzen, die man im Allgemeinen für die Ermittlung der Biegemomente aus den anderen Lastfällen sowieso braucht. Wenn die Endverankerungen des Spann-

glieds in der Schwerachse liegen, erhält man auf diese Weise sofort M*c,p insgesamt. Wenn die Endverankerungen nicht in der Balkenschwerachse liegen, müssen die daraus resultierenden Endmomente gesondert berücksichtigt werden. Im Bild 8.5-10 sind ein über mehrere Felder durchlaufender Balken mit Kragarm und die zur Ermittlung des Verlaufs des Vorspannmoments M*c,p anzusetzenden Um­lenkkräfte und Endmomente dargestellt. Die Berechnung des Systems kann nach den bekannten Methoden der Stabstatik erfolgen. Hier soll nicht näher darauf eingegangen werden. Bei den normalerweise in der Baupraxis vorkommenden Spanngliedführungen werden die Spannglieder nicht einer mathe­ matischen Form gehorchend verlegt. Die Integrale zur Berechnung von Verformungen am statisch bestimmten Haupt­ system können deshalb in der Regel nicht mit Hilfe von Integraltafeln gelöst werden, sondern es muss ein Näherungsverfahren angewendet werden. Dafür empfiehlt sich beson­ders das Simpson‘sche Verfahren (s. Seiten 547/548) zur numerischen Inte­ gration. Das Vorspannen der Träger hat den Sinn, den Beton so zu überdrücken, dass unter den gesamten Einwirkungen keine oder nur geringere Zugspannungen auftreten. Hieraus ergibt sich bei einer oberfläch-

8.5  Betonbrücken

621

Bild 8.5‑10   Ansatz der Umlenk- und Verankerungskräfte zur Bestimmung der Schnittkräfte infolge Vorspannung am Durchlaufträger

lichen Betrachtung scheinbar eine einfache und selbstverständliche Lösung für die Spanngliedführung: 1. Die Spannglieder sind auf der aus äußerer Belastung herrührenden Biegezugseite anzuordnen. 2. Die Spannglieder sind so zu führen, dass die Umlenkkräfte aus Vorspannung der äußeren Querbelastung entgegenwirken, damit die Querkraft aus Vorspannung der Querkraft aus äußerer Belastung entgegenwirkt. 3. Die Höhe der Vorspannkraft wird nach oben und unten so begrenzt, dass insgesamt keine zu hohen Zug- und Druckspannungen auftreten. Aus der Erfüllung der drei Forderungen ergibt sich für den Balken auf zwei Stützen die im Bild 8.5-2 skizzierte Spanngliedführung. Bei statisch unbestimmter Lagerung sind wegen der zusätzlich auftretenden Zwangsbeanspruchungen die Verhältnis­se aber nicht so einfach. Um ein Gefühl für die aus Vorspannung herrührenden Zwangsmomente zu bekommen, werden einige Spanngliedführungen beim einseitig eingespannten, auf der anderen Seite gelenkig gelagerten Balken betrachtet. Zur Vereinfachung dieser grundsätzlichen Betrachtungen wird der Einfluss der Reibung vernachlässigt.

z1 = 0 z

A

l

B

z

Bild 8.5‑11   An einem Ende gelenkig gelagerter, am anderen Ende eingespannter Träger mit gerader Spannliedführung und exzentrischer Lage des Spannglieds am eingespannten Ende.

Fall 1: gerades Spannglied mit einer Ex­ zentrizität an der Einspannstelle (Bild 8.5-11) Es ergibt sich: 1 Ec ⋅ I c ⋅ δ10 = − ⋅ P ⋅ z 2 ⋅ l ⋅ 1 , zB < 0 3 1 Ec ⋅ I c ⋅ δ11 = ⋅ l ⋅ 12 3 Xp = 1

M 0c,p (x)

−P ⋅ z2

M c,1 (x)

Xp = 1

622

8  Berechnung

Die Vorzeichen der Exzentrizitäten z werden entsprechend der Richtung der Koordinatenachse angesetzt.

z2 1

Zwangsmoment:

A

Xp = –δ10/δ11 = P · z2 M c*,p (x ) = M c0,p (x ) + Mc,1 (x ) ⋅ X p = 0 Der Wert des Moments infolge Vorspannung ist Null. Es ergibt sich also für den ganzen Träger eine zentrische Vorspannung.

z

Bild 8.5‑12   An einem Ende gelenkig gelagerter, am anderen Ende eingespannter Träger mit gerader Spanngliedführung und exzentrischer Lage des Spannglieds am gelenkigen Auflager

Fall 2: gerades Spannglied mit einer Ex­­ zentrizität am gelenkigen Lager (Bild 8.5-12) 1 Ec ⋅ I c ⋅ δ10 = − ⋅ P ⋅ z 1 ⋅ l ⋅ 1 , z1 > 0 6

f2 A u2 1

l1

l2 l

1 Xp = ⋅ P ⋅ z1 2

z

3 x M c*,p (x ) = − P ⋅ z 1 ⋅ 1 − ⋅   2 l

A1

M B*,p = P ⋅ z 1 2

M 0c,p (x)

−P ⋅ z1

M c,1 (x)

Xp = 1

Fall 3: gekrümmter Spanngliedverlauf (Bild 8.5-13) M c*,p (x = l ) = u1 ⋅ A1 − u2 ⋅ A2 M c*,p (x = l ) > 0, wenn A1 ⋅ u1 > A2 ⋅ u2 wenn

A2

Einflusslinie für MB,p der Einspannstelle

Einflusslinie für MB,p* an der Einspannstelle

Xp = 1

M c*,p (x = l ) < 0,

B

f1

1 Ec ⋅ I c ⋅ δ11 = ⋅ l ⋅ 12 3

M A* ,p = −P ⋅ z 1

B l

A1 ⋅ u1 < A2 ⋅ u2

Andere Spanngliedführungen lassen sich auf die Fälle 1–3 zurückführen.

Bild 8.5‑13   An einem Ende gelenkig gelagerter, am anderen Ende eingespannter Träger mit gekrümmter Spanngliedführung

Man erkennt, dass eine Vergrößerung des positiven Vorspannmoments bei B erzielt wird, wenn die Exzentrizität bei A vergrößert bzw. wenn der Bereich 2 verkleinert und der Bereich 1 vergrößert wird. Die Vergrößerung der Exzentrizität bei B hat dagegen keinen direkten Einfluss auf das Vorspannmoment M*c, p (indirekt jedoch durch entsprechende Krümmungsveränderungen). Abschließend sind noch zwei polygonale Spanngliedlagen, wie sie z. B. bei Vorspannung mit externen Spanngliedern üblich sind, und die zugehörigen Momente am statisch bestimmten Hauptsystem, die Momente infolge der Einheitslast sowie die Größe der statisch Überzähligen angegeben.

*

8.5  Betonbrücken

623

A

1 2 ⋅ l2 ⋅ z 1 ⋅ l12 + z1 ⋅ l ⋅ ( l + l1) + z3 ⋅ l2 ⋅ (2 ⋅ l + l1) + 3 ⋅ (z3 + z 4 ) ⋅ l ⋅ l3 + (z3 + 2 ⋅ z 4 ) ⋅ l 32  =P⋅

z2

l1

B

l2 l

z

Bild 8.5‑14.1   An einem Ende gelenkig gelagerter, am anderen Ende eingespannter Träger mit polygonaler Spanngliedführung und exzentrischer Lage des Spannglieds am gelenkigen Auflager und an der Einspannstelle

1 Xp = P ⋅ 2 2⋅l  2 ⋅(z 2 + z 3 )⋅l 1 ⋅l 2

2

1 2 ⋅ l2 ⋅ z 1 ⋅l12 + z2 ⋅ l ⋅ (l + l1) + z3 ⋅ l2 ⋅ (2 ⋅ l + l1) =P⋅

M A0 ,p = −P ⋅ z 1 M10,p = −P ⋅ z2 M B0 ,p = −P ⋅ z 3

M A0 ,p = −P ⋅ z 1 M10,p = −P ⋅ z2 M20,p = −P ⋅ z3 M B0 ,p = −P ⋅ z 4

MA ,1 = 0 M1,1 = 1 l ⋅ l1 M2,1 = 1 l ⋅ (l1 + l2 ) MB ,1 = 1

Jede kontinuierlich verlaufende Spanngliedlage kann beliebig genau durch Polygonzüge approximiert werden, siehe Bild 8.5-15. Analog zu den vorangegangenen Spanngliedverläufen kann die statisch Überzählige für einen Träger mit polygonaler Spanngliedlage mit beliebig vielen Eckpunkten und den im Bild 8.5.15 skizzierten Auflagerbedingungen wie folgt bestimmt werden:

MA ,1 = 0  n− M1,1 = 1 l ⋅ l1 Xp = −δ �δ = P ċ ċ � �( ċ zi+ + zi ) ċ li +  ċ  i=  ċ l MB ,1 = 1 i−  n−  �( ċ z + z ) ċ l +  ċ (z + z ) ċ l ċ Xp = −δ �δ = P ċ ċ � � ċlj � . i+ i i i+ i i  ċ l  i= j= z2

z3

A

B

l1

l2

l3

Die Abstände l1, l2, … , ln zwischen den Ordinaten brauchen nicht äquidistant sein. Die Gleichung lässt sich z. B. mit Excel einfach auswerten.

l

Bild 8.5‑14.2   An einem Ende gelenkig gelagerter, am anderen Ende eingespannter Träger mit polygonaler Spanngliedführung und exzentrischer Lage des Spannglieds am gelenkigen Auflager und an der Einspannstelle

z2

·

zi+1

zn-1 B

l2

li

l3

li+1

ln-1

l

1 2 ⋅ l2

(z1 + 2·z2 ) · l12 (z2 + 2· z3 ) · l22 (z3 + 2· z4 ) · l32

zi

A l1

Xp = P ⋅

z3

z

+ + 3 ·(z2 + z3 )· l1 · l2 + + 3 ·(z3 + z4 )· (l1 + l2 ) · l3

xi

Bild 8.5‑15   An einem Ende gelenkig gelagerter, am anderen Ende eingespannter Träger mit beliebiger polygonaler Spanngliedführung

624

Für das Moment infolge der Vorspannung P am statisch bestimmten Hauptsystem gilt an der Stelle xi: M 0 i,1(xi) = –P · zi und für die Größe des Moments infolge der Einheitslast an der Stelle xi kann geschrieben werden: Mi,1(xi) = 1/l · xi Es sei noch darauf hingewiesen, dass in der Regel bei der Vorspannung statisch unbestimmter Systeme neben den Zwangsmomenten und Auflagerkräften auch, aus dem Zwangsmoment herrührend, neben den statisch bestimmten Anteilen, die sich aus der Spanngliedführung (Neigung und Krümmung der Spanngliedführung) ergeben, zusätzliche Anteile für die Querkräfte entstehen. 8.5.3  Einleitung konzentrierter Kräfte 8.5.3.1  Allgemeine Betrachtungen An Stellen der Eintragung konzentrierter Kräfte bzw. Lasten in Tragwerke, z. B. Eintragung und Übertragung von Auflagerkräften A, B oder Einzellasten F (siehe Bild 8.5-16), entstehen in den Eintragungsbereichen hohe örtliche Beanspruchungen. Zu diesen Bereichen zählen in ganz besonderem Maße auch die Stellen der Eintragung von Vorspannkräften P. Die Schnittkräfte an den Stellen der konzentrierten Lasteintragung können nicht auf Grundlage der vereinfachten Tech-

8  Berechnung

nischen Biegetheorie bestimmt werden, da es sich in der Regel um dreidimensionale Spannungszustände handelt. Die Beanspruchungen sind nach der Elastizitätstheorie zu ermitteln. Selbst unter der vereinfachten Annahme, dass ideal-elastisches Materialverhalten (Hooke‘scher Werkstoff) vorausgesetzt wird, ist die Erfassung des Spannungszustandes für allgemeine Fälle schwierig und erst durch die Entwicklung geeigneter numerischer Verfahren (Finite Element Methode und Methode der Rand­ elemente) ermöglicht worden. Die sich aus den anzustellenden Betrachtungen ermittelten Zugkräfte sind durch Bewehrung aufzunehmen, die so auszubilden ist, dass eine ausreichende Rissverteilung mit entsprechend kleinen Rissbreiten entsteht. Es ist deshalb zweckmäßig in diesen Bereichen eine gleichmäßig verteilte Bewehrung mit guten Verbundeigenschaften anzuordnen. Es wird empfohlen, bei der Dimensionierung die sonst üblichen Stahlspannungen bei Betonstählen nicht auszunutzen. Weiterhin sei angemerkt, dass die Ausbreitung der konzentriert angreifenden Ankerkraft im sogenannten St. Venant’schen Störbereich erfolgt, dessen Länge bei Einzelverankerungen etwa der Balkenhöhe bzw. -breite und bei mehreren Verankerungen zwischen diesen auch etwa den Entfernungen der Achsabstände benachbarter Ankerkräfte entspricht. In den folgenden Kapiteln werden einige Erkenntnisse aus der Scheibentheorie für die Eintragung konzentrierter Kräfte [Girkmann, 1963], [Mang, 1995], [Mehlhorn, 1998] angegeben. 8.5.3.2  Einleitung von Ankerkräften am Trägerrand

Bild 8.5‑16   Beispiele zur Eintragung konzentrierter Kräfte

Bei der Ermittlung der Beanspruchungen von konzentrierten Lasten, z. B. Vorspannkräften, an den Stirnseiten von Trägerenden

8.5  Betonbrücken

625

Bild 8.5‑18   σz-Verlauf aus Teilstreckenlast im Schnitt z = 0

Bild 8.5‑17   Durch a) eine Einzellast bzw. b) eine Teilstreckenlast belasteter Bauteilrand (in der Ansicht)

hat man es in der Regel mit Bauteilen zu tun, die hinsichtlich der Lasteintragungsstelle dreiseitig berandet sind. Der der Lasteintragungsstelle gegenüberliegende Rand kann in den meisten Fällen als unendlich weit entfernt betrachtet werden. Für den Angriff einer mittigen Einzellast bzw. einer Teilstreckenlast gegenüber dem unendlich weit entfernten Rand (Bild 8.5-17), interessieren vor allem die zur Lastwirkungslinie normal gerichteten Spannungen σz  . Parallel zur Angriffsrichtung der Last geführte Schnitte geben einen deutlichen Einblick in die Verteilung der Druck- und Zugspannungen im jeweiligen Schnitt. Im Bild 8.5-18 ist als Beispiel der qualitative Verlauf der σz-Spannungen im Schnitt z = 0 infolge einer Teilstreckenlast gezeigt. Die resultierende Druck- bzw. Zugkraft erhält man durch bereichsweise Integration über diese Kurve. Die quer zur Lastrichtung wirkende Zugkraft wird als Querzugkraft oder Spaltzugkraft bezeichnet. Anhand des Bilds  8.5-18 ist zu erkennen, dass die Spaltzugspannungen im Ab-

stand h vom belasteten Rand nahezu verschwinden. In den Bildern 8.5-19 a) und b) sind die für mittigen Lastangriff von [Guyon, 1960] und [Iyengar, 1960] angegebenen Ergebnisse für die resultierende Spaltzugkraft Z, der Verlauf der Querzugspannungen σz  , die Lagen der sich für z = 0 ergebenden Punkte, in denen die Spannungen max σz und σz = 0 auftreten, dargestellt. σ0 sind die Normalspannungen infolge P. Auf Grundlage rechnerisch und experimentell ermittelter Hauptspannungen, für die mittig bzw. am Rand angreifenden Streckenlasten, lassen sich sehr ein­fache Ersatzmodelle (Bilder 8.5-20 und 8.5-21) entwickeln, mit denen die resultierende Spaltzugkraft auf einfache Weise bestimmt werden kann. Für eine mittig am Trägerende eingetragene Streckenlast ergibt sich aus Bild 5.5-20: Z=

P  a ⋅ 1 −  4  h



(8.5-50)

626

8  Berechnung

Bild 8.5‑19   a) Verlauf der Querzugspannun­gen σz  , b) resultierende Spaltzugkraft Z und Lagen für max σz und σz = 0

Bild 8.5‑20   a) Ersatzmodell für mittige Teilstreckenlast am Trägerende, b) Bewehrungsanordnung bei zentrischer Lasteintragung

Ober- und unterhalb der Ankerplatte treten am belasteten Rand ebenfalls Zugspannungen auf [Mehlhorn et al., 2002], die durch Bewehrung abzudecken sind. Die Bewehrung ist deshalb wie in Bild 8.5-20 dargestellt auszubilden. Für die exzentrisch am Trägerrand eingetragene Einzellast ist der Verlauf der Normalspannungen am Ende der Störzone linear. Aus der äußeren Belastung ergibt sich das Moment auf die Mittellinie bezogen zu:

σ xo = −

P  a  ⋅ 1 + 3 ⋅ 1 −  h ⋅b   h 

σ xu = −

P  a  ⋅ 1 − 3 ⋅ 1 −  h ⋅b   h 

h a z o = ⋅ 1 −  6  h Das maximale Biegemoment im von [Mehmel, 1957] vorgeschlagenen Ersatzbalken ergibt sich zu:

M = P ⋅ (h − a) 2 Damit ergeben sich die Randspannungen und die Lage der Spannungsnulllinie zu:



max M = −

P ⋅h  a 3 a 2 ⋅  2 − 3 ⋅  1 −  54  h  h

8.5  Betonbrücken

Für die Scheibe kann der Hebelarm der inneren Kräfte mit h/2 angenommen werden. Damit ergibt sich die Spaltzugkraft zu: Z=−

P  a 3 a 2 ⋅  2 − 3 ⋅  1 −   (8.5-51) 27  h  h

Unter Beachtung des Verlaufs der Spannungen empfiehlt sich die im Bild 8.5-21 dargestellte Bewehrung. Bei der Ermittlung der erforderlichen Bewehrung zur Aufnahme der Spaltzugkräfte infolge zentrischer oder exzentrischer Eintragung der Vorspannkräfte sollte zur Begrenzung der Rissbreiten die Stahldeh-

627

nung auf εs ≤ 1 ‰ begrenzt werden. Auf eine gute Verankerung der Bewehrung ist zu achten! Diese Empfehlungen gelten auch für die nachfolgend betrachteten Verankerungsfälle. Wird die Einzellast exzentrisch eingetragen, d. h. sie liegt zwischen den beiden eben besprochenen Extremlagen, kann man die auftretenden Spaltzugkräfte in Abhängigkeit von e/h entsprechend den folgenden von [Guyon, 1960] vorgeschlagenen Modellvorstellungen (Bild 8.5-22) ermitteln. Statt des Verhältnisses a/h ist in diesem Fall a/h' in der Gl. (8.5-50) zu setzen.

Bild 8.5‑21   a) Ersatzmodell für ein exzentrisch am Rand belastetes Trägerende nach [Mehmel, 1957]; b) Bewehrungsanordnung bei exzentrischer Randlast

Bild 8.5‑22   Ersatzmodelle nach Guyon für a) e/h < 0,3, b) e/h > 0,3

628

Bei gegen die Trägerachse geneigt geführten Spanngliedern werden die Verankerungen ebenfalls entsprechend geneigt angeordnet. Untersuchungen zur Spannungsverteilung zur Abschätzung der erforderlichen Bewehrung sind in [Sargious, 1960] angeführt. Werden am Trägerende mehrere Spannglieder verankert, können die für auf zwei oder mehr Stützen gelagerte Scheiben bekannten Lösungen zur Abschätzung der Zugkraftresultierenden verwendet werden. Es sei hier auf die dies­bezüglichen Veröffentlichungen von [Bay, 1960], [Theimer, 1958] und [Thon, 1958] hingewiesen. 8.5.3.3  Einleitung von Kräften im Inneren eines Bauteils Zur besseren Anpassung der Momentenverläufe aus der Vorspannung an die aus der äußeren Einwirkung und zur Einsparung von Spannstahl werden Spannglieder häufig im Inneren eines Bauteils verankert. Beispiele dafür sind Spannglieder für die Quervorspannung von Platten in Plattenbalken (Bild 8.5-23) und nicht durchgehende Spannglieder der Längsvorspannung bei Durchlaufträgern (Bild 8.5-24) genannt. Zunächst werden die sich nach der Elastizitätstheorie ergebenden Spannungen σx eines im Inneren verankerten Spannglieds betrachtet, wie sie von [Haberland, 1968] für den Scheibenstreifen ermittelt wurden.

8  Berechnung

Bild 8.5‑23   Quervorspannung mit interner Spanngliedverankerung

Bild 8.5‑24   Längsvorspannung mit interner Spanngliedverankerung

Im Bild 8.5-25 ist der Spannungsverlauf in Abhängigkeit von x/h angegeben, wobei der linke Plattenrand gestützt (entspricht der Anspannstelle) und der rechte frei ist. Die im Bauteilinneren eingetragene konzentrierte Kraft hat sich im Abstand h von der Einleitungsstelle gleichmäßig verteilt. Für den Fall der Reaktion zu P in x → –∞ der dem Problem der Verankerung eines Spanngliedes im Inneren entspricht, sind außerdem die Hauptspannungen im Bild 8.5-26 angegeben. Aus dem Spannungsverlauf wird ersichtlich, dass bei uneingeschränkter Gültigkeit der Elastizitätstheorie, im Krafteinleitungsbereich zunächst die halbe Ankerkraft als

Bild 8.5‑25   Spannungen σx infolge einer Last P im Punkt x = 0, y = 0 mit der Reaktion bei x → –∞ nach [Haberland, 1968]

8.5  Betonbrücken

629

Bild 8.5‑26   Hauptspannungen bei Innenverankerung mit Reaktion P bei x → –∞

Zugkraft nach hinten zu verankern ist. Dieser Kraftanteil klingt jedoch sehr schnell ab. Im Bild 8.5-26 sieht man sehr gut den Kraftverlauf. Die zweckmäßige Ausbildung der Bewehrung ist somit leicht möglich. Werden Spannbetonbauteile in einzeln hintereinander liegenden Bauabschnitten hergestellt, erfolgt das Vorspannen des jeweils fertiggestellten Abschnittes an der Bauabschnittsgrenze. Anschließend werden die vorgespannten Spannglieder mittels Kopplungselementen verlängert und nach Fertigstellung des nächsten Bauabschnitts am anderen Spanngliedende vorgespannt. Die ursprünglich in der vorherigen Arbeitsfuge („Koppelfuge“) angeordneten Verankerungen werden dabei weitgehend ent­ lastet; die Spanngliedkraft wird über das Koppelungselement übertragen. Erläuterungen zur Verteilung der Spannungen in der Koppelfuge werden im Abschnitt 5.2 gegeben. Auf weiterführende Literatur zur Problematik der Kopplung einzelner Bauabschnitte durch Vorspannen [Baur/Göhler, 1972], [Hoshino, 1974], [Kordina, 1979], [Mehlhorn/Hoshino, 1974], [Mehlhorn et al., 1983], und [Pfohl, 1973] wird verwiesen.

8.5.4  Vorspannkraftverluste infolge des Kriechens und Schwindens des Betons und der Relaxation des Spannstahls Infolge des Kriechens und Schwindens des Betons entsteht bekanntlich unter langzeitig wirkender Beanspruchung zusätzlich zum elastischen auch ein plastischer, beanspruchungsabhängiger Verformungsanteil, dessen Größe u. a. vom Zeitpunkt der Lastaufbringung und von der Dauer der Lasteinwirkung abhängt und sich erst nach langer Zeit einem Endwert annähert. Gleichzeitig, aber unabhängig von den Last­ einwirkungen, schwindet der Beton. Beide zeitabhängigen Betonverkürzungen haben eine Verkürzung des Spannstahls und damit eine Verringerung der Größe der Vorspannkraft zur Folge. Auf diese Zusammenhänge wird ausführlich u. a. in [Kupfer, 1984], [Mehlhorn, 1998], [Mehlhorn et al., 2002], [Rüsch/Jungwirth, 1976], [Trost, 1967], [Wolff/Mainz, 1972] und [Zerna/ Stangenberg, 1987] eingegangen.

630

8  Berechnung

8.5.4.1  Vorgespannte äußerlich statisch bestimmte Tragwerke ohne Verbund Bei Vorspannung ohne Verbund, z. B. bei externen Spanngliedern, bei der verbundfreien Quervorspannung von Fahrbahnplatten und bei Tragwerken mit nachträglichem Verbund mit noch nicht verpressten Spanngliedern, muss beim Nachweis im Grenzzustand der Tragfähigkeit der vergleichsweise zum Endzustand kleinere Querschnittswiderstand beachtet werden. Da­rauf ist ganz besonders bei auf Vorschub­ rüstungen herzustellenden Brücken, bei Freivorbaubrücken und beim Taktschiebeverfahren zu achten. Der wesentliche Unterschied zwischen der Vorspannung mit und ohne Verbund besteht darin, dass sich bei der Vorspannung mit Verbund die Spannungsänderung im Spannstahl im betrachteten Querschnitt aus der Änderung des Verzerrungszustands ergibt, während bei Vorspannung ohne Verbund sich die Spannungsänderung im Spannstahl, die bei Vernachlässigung der Reibung über die Länge annähernd konstant verläuft, aus den Längenänderungen der Betonfasern jeweils in der Höhe des Spannglieds über die ganze Länge des Spannglieds zwischen den Verankerungen ergibt. Bei der konstruktiven Durchbildung von vorgespannten Tragwerken ohne Verbund sollten die Spannglieder deshalb stets so angeordnet werden, dass schon bei kleinen Balkenverformungen ein

nennenswerter Spannungszuwachs im Spannglied entsteht. Es ist nicht sinnvoll, externe Spannglieder kontinuierlich über mehrere Felder durchlaufen zu lassen. Bei Brücken mit externer Vorspannung ist, wie bereits gesagt, der Spannkraftverlauf auf der ganzen Spanngliedlänge zwischen den Verankerungen nahezu konstant, wenn die Reibung an den Umlenkstellen vernachlässigt wird. Für den im Bild 8.5-27 dargestellten innerlich einfach statisch unbestimmten Einfeldbalken mit einem Strang externer Spannglieder (das statisch bestimmte Hauptsystem ergibt sich, wie dargestellt, durch Aufschneiden des Spannglieds) werden beispielhaft die Spanngliedkräfte aus den Einwirkungen aus äußeren Lasten, Vorspannung und aus Kriechen und Schwinden des Betons sowie der Relaxation des Spannstahls angegeben. Als äußere Einwirkungen sind hier nur die kriecherzeugenden dauernd wirkenden Lasten g und die zum Zeitpunkt t = t0 aufgebrachte anfängliche Vorspannkraft Pm0 zu betrachten. Diese Kraft ist bei Vernachlässigung der Reibung über die ganze Länge des Spannstrangs konstant. Die Schnittgrößen im Betontragwerk betragen: N c,P0 (t = t 0 ) ≈ −Pm 0



(8.5-53)

M c,P0 (x,t = t 0 ) ≈ −Pm0 ⋅ z cp (x ) .  (8.5-54) Die sich aus den Einwirkungen aus äußeren Lasten ergebenden Schnittgrößen erhält

zA

zB x

Schwerachse

z cp ( x )

X1

A

l

z

Bild 8.5‑27   System des unterspannten Trägers, dargestellt als offenes System

B

8.5  Betonbrücken

631

man aus einer statisch unbestimmten Rechnung nach dem Kraftgrößenverfahren, wobei ein linear elastisches Verhalten des Tragwerks vorausgesetzt wird. Die Schnittgrößen am statisch bestimmten Hauptsystem erhalten den Kopfzeiger 0. Die Verschiebungsgrößen für dauernd wirkende Lasten g aus dem Schwinden des Betons εs (beachten: εs < 0, weshalb auch Ps < 0) ergeben sich zu: 1 ⋅ l  δ p1,1 ≈ (8.5-55) Ep ⋅ Ap l z 2 (x ) l cp +∫ dx  (8.5-56) Ecm ⋅ Ac 0 Ecm ⋅ I c

δ c1,1 ≈



δ11 ≈

l l l z 2cp (x ) dx + +∫ Ep ⋅ Ap Ecm ⋅ Ac 0 Ecm ⋅ I c



(8. 5-57)

l

N c0,g

0

Ecm ⋅ Ac

δ c1,g ≈ − ∫

l

M c0,g (x ) ⋅ z cp (x )

0

Ecm ⋅ I c

dx − ∫

(8.5-58)



δ c1,s = − ε s ⋅ l

dx

(8.5-59)



Die Verschiebungsgrößen aus der Verkehrslast ergeben sich analog, wenn in der Gleichung (8.5-58) der Fußzeiger g durch q ersetzt wird, worauf hier nicht weiter eingegangen wird. Es wird noch der Steifigkeitsbeiwert α eingeführt:

α=

δ c1,1 δ p1,1 + δ c1,1

=

δ c1,1 δ1,1



(8.5-60)

Der Steifigkeitsbeiwert α gibt an, mit welchem Anteil sich das Spannglied an der Gesamttragwirkung des unterspannten

∆σ p,c+s +r (t , t 0) ≈



Trägers beteiligt, er ist stets kleiner als 1. In der Regel liegt der Wert α unter 0,1. Die Belastung aus äußeren Einwirkungen wird also bei normal bemessenen Tragwerken zu mehr als 90% vom Betonbalken getragen, und das Spannglied beteiligt sich durch die Hängewirkung nur in einer Größenordnung um 10% an der Abtragung der Lasten aus den äußeren Einwirkungen. Der Zuwachs der Kraft im Spannglied aus der andauernd wirkenden Belastung g ergibt sich zum Zeitpunkt t = t0 zu: Pg = −

δ c1,g

δ11 

(8.5-61)

Mit den Schnittgrößen aus den Einwirkungen aus der dauernd wirkenden Belastung und der Spanngliedkraft können die Spannungen und Verzerrungen im Betontragwerk und im Spannglied zum Zeit punkt der Lastaufbringung t = t0 nach den üblichen Berechnungsmethoden bestimmt werden. Die zeitabhängigen Spannkraftverluste im Spannglied ergeben sich dann unter Berücksichtigung der Mittelwerte der Betonverzerrungen und der Betonspannungen über die Länge des Spannglieds nach der Gleichung (8.5-62): In der Gleichung (8.5-62) bedeuten: ∆σp,   c +   s   +   r (t, t0) Spannungsänderung im Spannglied aus Kriechen und Schwinden des Betons und aus der Relaxation des Spannstahls zum Zeitpunkt t αp = Ep/Ecm Verhältnis der Elastizitätsmoduln des Spannstahls Ep und des Betons Ecm

1 l  1 l α p ⋅ ϕ (t,t 0) ⋅  ⋅ ∫ σ c,g (x,z cp ) dx + ⋅ ∫ σ c,Pm0 (x, z cp ) dx  + ε c,s (t,t 0 ) ⋅ Ep + ∆σ p,r l l 0  0  1 + αp⋅

Ap  Ac l 2  ⋅ 1 + ⋅ ∫ z cp (x ) dx  ⋅ 1 + χ ⋅ ϕ (t,t 0 ) Ac  Ic 0 

(8.5-62)



632

Ecm

Mittelwert als Sekantenmodul der Betonspannungsfunktion vom Koordinatenursprung zur Betonspannung σc = 0,4 · fc 1 1 2 · ∫  σc, g (x, zcp) dx Mittelwert der Bel 0 tonspannungen aus den ständigen Einwirkungen in Höhe des Spannglieds. Der Mittelwert ist aus den Werten über die gesamte Länge des Spannglieds zu bestimmen. 1 1 · ∫   σ (x, z 2 c, p0 cp) dx  Mittelwert der Bel 0 tonspannungen aus dem Anfangswert der Vorspannkraft in Höhe des Spannglieds. Der Mittelwert ist aus den Werten über die gesamte Länge des Spannglieds zu bestimmen. εs (t, t0) geschätztes Schwindmaß des Betons zum Zeitpunkt t seit Belastungsbeginn t0 Spannungsänderung im Spann∆σp, r glied aus der Relaxation des Spannstahls, abhängig von der Spannstahlspannung Ap , Ac Querschnittsflächen des Spannglieds und des Betons Ic Flächenmoment 2. Grades des Betonquerschnitts Abstand der Schwerpunkte des zcp (x) Betonquerschnitts und des Spann­­glieds im Querschnitt an der Stelle x χ Relaxationskennwert (darf im allgemeinen 0,8 gesetzt werden) Weil ∆Pr = Ap · ∆σp, r von der Größe der endgültigen Vorspannung abhängig ist, muss zunächst für ∆Pr ein Anfangswert geschätzt werden, der durch eine Iterationsrechnung zu verbessern ist bis die Gl. (8.5-62) mit dem sich für die endgültige Vorspannung ergebenden Wert für den Relaxationsverlust erfüllt ist. Die Spannungsänderung ∆σp, r ist in Abhängigkeit von der Größe der Spannstahlspannung

8  Berechnung

σp0 infolge dauernd wirkenden Lasten und Vorspannung dem allgemein bauaufsichtlichen Zulassungsbescheid des Spannstahls zu entnehmen. Anhaltswerte sind im Bild 8.5-28 angegeben. Nach [DIN-FB 102, 2009] Abschnitt 4.2.3.5.5 (8) darf für die Ermittlung von ∆σp, r als Ausgangsspannung σp0 für das Verhältnis der Ausgangsspannung zur charakteristischen Zug­fes­ tig­keit angenommen werden: σp0 ≈ σp, g0 – 0,3 · �∆σp,   c +   s   +   r  �, wobei σp, g0 die anfängliche Spannung in den Spanngliedern aus dauernd wirkenden, äußeren ständigen Einwirkungen g und Vorspannung ist. Für den zeitlichen Verlauf der Kriechverformungen des Betons wird nach Eurocode 2, T. 1-1 ein Produktansatz aus dem Produkt des Grundwerts φ0 und der Zeitfunktion βc (t – t0) gewählt:

ϕ (t,t 0 ) = ϕ0 ⋅ β c (t − t 0 )



(8.5-63)

Die Schwindverformung εcs (t – ts) eines Betons bei einem Alter t, der ab einem Alter ts austrocknen konnte, ergibt sich bei Anwendung des Produktansatzes nach dem Eurocode 2, T. 1-1 aus dem Produkt des Grundwerts des Schwindens εcs0 und der Zeitfunktion βs (t – ts):

ε cs (t − t s ) = ε cs 0 ⋅ βs (t − t s ) 

(8.5-64)

Die Grundwerte φ0 , εcs0 und die Zeit­ funktionen βc (t – t0) und βs (t – ts) für das Kriechen und Schwinden des Betons sind im Eurocode 2, T. 1-1 [DIN V ENV 19922], in der [[DIN 1045-1, 2008] und im [DIN-FB 102, 2009] angegeben und mit den für ihre Ermittlung maßgebenden Einflüssen erläutert, worauf hier verwiesen wird. Nach [DIN-FB 102, 2009] dürfen für Normalbetone die Endkriechzahlen φ∞ = φ (∞, t0) und die Schwinddehnungen εcs∞ vereinfachend nach den Bildern 8.5-29 bis 8.5-31 ermittelt werden. Die angege-

8.5  Betonbrücken

633

Bild 8.5‑28   Schätzwerte für den Relaxationsverlust in Abhängigkeit vom Vorspanngrad

Bild 8.5‑29   Endkriechzahl φ (∞, t0) für Normalbeton und hochfesten Beton bei trockenen Umgebungsbedingungen (relative Luftfeuchte RH = 50%), nach [DIN-Fachbericht 102, 2009]

634

8  Berechnung

Bild 8.5‑30   Endkriechzahl φ (∞, t0) für Normalbeton und Hochleistungsbeton bei feuchten Umgebungsbedingungen (relative Luftfeuchte RH = 80%, für Brücken in der Regel maßgebend), nach [DIN-FB 102, 2009]

Bild 8.5‑31   Schrumpfverzerrung εcas   ∞ zur Zeit t → ∞ für Normalbeton, nach [DIN-FB 102, 2009]

benen Werte gelten für kriecherzeugende Betondruckspannungen von nicht mehr als 45% der vorhanden charakteristischen Zylinderdruckfestigkeit zum Zeitpunkt des Aufbringens der kriecherzeugenden Spannung und für Bauteile, die den üblichen

Umgebungsbedingungen mit einer mittleren relativen Luftfeuchte zwischen 40% und 100% und mittleren Temperaturen zwischen 10°C und 30°C ausgesetzt sind. Die Kriechverzerrung des Betons εc, c (∞, t0) zum Zeitpunkt t → ∞ darf dann, bei zeit-

8.5  Betonbrücken

lich konstanter kriecherzeugender Spannung, nach Gleichung (8.5-65) berechnet werden. σ (8.5-65) ε c,c (∞ ,t 0 ) = ϕ (∞, t 0 ) ⋅ c  Ec 0 In Gleichung (8.5-65) bedeuten: φ (∞, t0)   Endkriechzahl für mittlere rela­ tive Luftfeuchten von 80% nach Bild 8.5-30 oder zwischen 50% und 80% durch lineare Extrapolation unter Verwendung der Bilder  8.5-29 und 8.5-30. Die Anwendung der Betonfestigkeitsklassen C55/67 bis C100/115 ist nach dem [DINFB 102, 2009] zur Zeit in Deutschland nicht vorgesehen. Die Anwendung dieser Festigkeitsklassen in Deutschland bedarf deshalb einer Zustimmung im Einzelfall. Ec0 Elastizitätsmodul des Betons als Anstieg der Tangente im Ursprung

635

σc t0

der Spannungs-Stauchungs-Linie nach 28 Tagen über die betrachtete Zeit konstan­ te kriecherzeugende Betonspannung Betonalter bei Belastungsbeginn in Tagen

Die Schwindverzerrung des Betons εcs∞ zum Zeitpunkt t → ∞ geht nach dem in [DIN 1045-1, 2008] gewählten Ansatz aus einer Addition der Anteile Schrumpfverzerrung und Trocknungsschwindverzerrung hervor: ε cs∞ = ε cas∞ + ε cds∞

 In Gleichung (8.5-66) bedeuten: εcas∞ εcas∞

(8.5-66)

Schrumpfverzerrung zum Zeitpunkt t → ∞ nach Bild 8.5-31 Trocknungsschwindverzerrung zum Zeitpunkt t → ∞  nach Bild 8.5-32

Bild 8.5‑32   Trocknungsschwindverzerrung εcds∞ zur Zeit t → ∞ für Normalbeton, nach [DIN-FB 102, 2009]

636

8  Berechnung

8.5.4.2  Ermittlung der Spannkraftverluste bei Vorspannung mit Verbund Bei Vorspannung mit Verbund werden die Spannungsverluste aus Kriechen und Schwinden des Betons und der Relaxation des Spannstahls grundsätzlich ebenfalls wie vor ermittelt. Der Unterschied besteht aber darin, dass querschnittsweise vorgegangen wird und die jeweiligen Spannungs- und Verzerrungszustände für die Ermittlung maßgebend sind. Die Berechnung erfolgt nach der Gleichung (8.5-67): ∆σ p,c+s +r (t,t 0 ) ≈

entstehen und deshalb bereits während ihres Entstehens durch das Kriechen des Betons teilweise abgebaut werden. Diese Erscheinung wird „Schwindkriechen“ genannt. Hier werden nur die Schnittgrößenumlagerungen bei Systemänderungen infolge der Behinderung der Kriechverformungen des Betons betrachtet. Wird das Schwinden des Betons vernachlässigt und der Elastizitätsmodul als konstant (nicht zeitabhängig) vorausgesetzt, vereinfacht sich die auf [Dischinger, 1939] zurückzuführende Diffe-

α p ⋅ ϕ (t,t 0) ⋅ (σ c,g + σ c,pm0 ) + ε c,s (t,t 0 ) ⋅ Ep + ∆σ p,r 1 + αp⋅

Ap  Ac 2  ⋅ 1 + ⋅ z cp  ⋅ 1 + χ ⋅ ϕ (t,t 0 ) Ac  Ic 

8.5.5  Schnittgrößenum­l agerungen bei Systemänderungen und abschnittsweisem Bauen Es ist bekannt, dass durch das Schwin­ den des Betons beim innerlich oder äußerlich statisch unbestimmten System infolge Behinderung der Verformungen Zwangsschnittgrößen entstehen. Wird die Behinderung der Schwindverformungen durch die Bewehrung vernachlässigt, so werden die Schnittgrößen von vorgespannten Durchlaufträgern infolge des Schwindens des Betons nicht geändert, sofern ordnungs­ gemäß bewegliche Lager eingebaut sind und deren Reaktionen auf die Schwind­ verkürzung infolge Lagerreibung als vernachlässigbar angesehen werden können. Bei Rahmen, Bogen und anderen Tragwerken mit unverschieblichen Auflagern entstehen infolge Behinderung der Schwindverformungen des Betons Zwangsschnittgrößen, die analog zu denjenigen aus Temperaturänderung berechnet werden können und deshalb auf deren Ermittlung hier nicht eingegangen wird. Allerdings sei hier darauf hingewiesen, dass diese Schnittgrößen im Laufe der Zeit



(8.5-67)

rentialgleichung für das Kriechen und Schwinden des Betons: dε c dϕ

=

1 Ec

dσ c (ϕ )  ⋅ + σ c (ϕ )  (8.5-68)  dϕ 

Von dieser Gleichung, einer zeitabhängigen σc-εc-Beziehung infolge Kriechen des Betons, wird bei den folgenden Betrachtungen ausgegangen und dabei auch in allen Fällen näherungsweise der geringe Einfluss der Behinderung der Verformung durch die Stahleinlagen vernachlässigt. Es ist festzuhalten: Ohne Änderung der Belastung oder des Systems entstehen keine zusätzlichen Kräfte infolge Kriechens des Betons. Da jedoch die Vorspannkraft P durch Kriechen und Schwinden des Betons abnimmt (Änderung der Belastung) ändern sich sämtliche aus der Vorspannung resultierenden Schnittgrößen (z. B. Mc, p , Vc, p , Tc, p). Da diese Abnahme von P in jedem Schnitt verschieden ist und die statisch Überzähligen durch P beeinflusst werden, ist eine genaue Ermittlung der Änderung von Mc, p und Vc, p langwierig und nur auf iterativem Wege möglich.

8.5  Betonbrücken

In der Praxis ermittelt man den Spannkraftverlust infolge Kriechens und Schwindens des Betons für die maßgebenden Schnitte und verändert alle aus der Vorspannung resultierenden Schnittgrößen proportional dem Spannkraftverlust aus Kriechen und Schwinden in dem jeweils betrachteten Schnitt. Schnittgrößenumlagerung infolge Behinderung der Kriechverzerrungen bei Zusammenfügen zweier gleichalter Fertigteilträger zu einem Zweifeldträger Im Brückenbau werden häufig Fertigteilträger zu Durchlaufträgern zusammengespannt. Dies erfolgt z. B., um Fugen zu vermeiden, um die Lasten am statisch unbestimmten System abzutragen, was gegenüber statisch bestimmt gelagerten Trägern eine wirtschaftlichere Dimensionierung ermöglicht, um Wartungskosten zu senken oder um vor allem eine kontinuierliche Biegelinie ohne Knickpunkte zu erreichen. Im Bild 8.5-33 sind zwei Ein-

637

feldträger und ihre Verformungen dargestellt. Wenn die beiden Träger an der Stützung B nicht verbunden sind, können sich beide Träger unabhängig voneinander verformen; d. h., die zum Zeitpunkt t = 0 vorhandenen Verformungen würden sich infolge Kriechens des Betons vergrößern. Diese Kriechverformungen könnten nahezu unbehindert erfolgen, weil die Behinderung der Kriechverformungen durch die Bewehrung innerhalb der beiden Einzelsysteme und durch die Lagerreibung vernachlässigbar gering ist. Es läge also voraussetzungsgemäß unbehindertes Kriechen des Betons vor. Über der Stütze entstünde eine Zunahme der Klaffung, die erst nach einem längeren Zeitraum einem Endwert zustreben würde. Stellt man über der Stütze B die Kontinuität durch Anordnung einer Kontinuitätsbewehrung im Zugbereich und Ortbetonverguss, der auch die Übertragung der Druckkräfte gewährleistet, her, so werden die Kriechverformungen des Betons be-

Bild 8.5‑33   Nicht miteinander verbundene Einfeldträger (unverformt und verformt)

Bild 8.5‑34   Zeitliche Änderung des Verlaufs der Biegemomente My (x, t)

638

8  Berechnung

hindert. Es muss sich also ein Stützenmoment X1 über der Stützung aufbauen (Bild 8.5-34), das am Träger oben Zug und unten Druck erzeugt. Die Biegemomente zum Zeitpunkt t ergeben sich zu: M y (x,t ) = M y ,0 (x ) + M y ,1 (x ) ⋅ X1 (t )  (8.5-69) Es bedeuten: My, 0 (x)

My, 1 (x) X1 (t)

Biegemoment zum Zeitpunkt t=0, d. h. unmittelbar nach ­Herstellen des kontinuierlichen Systems (wenn kein Zwangsmoment aus Vorspannung bei Erzeugen der Kontinuität entsteht, ist My, 0 (x) identisch mit dem Zustand vor der Herstellung der Kontinuität) Biegemoment infolge der statisch Überzähligen X1 = 1 Zeitabhängige Zwangsschnittgröße

Die zeitabhängige Zwangsschnittgröße X1 (t) ist zu bestimmen. Für die Herleitung wird auf [Mehlhorn, 1998 und Mehlhorn et al., 2002] verwiesen. Mit

δ10 =

1 ⋅ ∫ M1 ⋅ M0 dx , Ecm ⋅ I c x

δ11 =

1 ⋅ ∫ M12 dx Ecm ⋅ I c x

δ X1 = − 10 δ11

und

ergibt sich die Lösung: X1 = X1 ⋅ (1 − e −ϕ ) 

(8.5-70)

– X1 ist die ideelle Schnittgröße, die entstanden wäre, hätte man das System sofort als Durchlaufträger hergestellt. Die Gleichung (8.5-70) stellt die Lösung des Problems nach der Theorie von Dischinger dar.

Es wird nun die Lösung nach der Theorie von Trost angegeben. Hierzu wird der Zweifeldträger in zwei Einfeldträger getrennt und das Stützenmoment als statisch Überzählige eingeführt. Im statisch bestimmten Grundsystem entsteht aus Kriechen des Betons die gegenseitige Klaffung der beiden Schnittufer: * = δ10 · φ δ10 Sie muss durch das allmählich entstehende Stützenmoment rückgängig gemacht werden (Voraussetzung ist, dass das Stützenmoment im Zustand I aufgenommen werden kann). * = δ11 · (1 + χ · φ) δ11 Es ergibt sich somit für das Stützenmoment: δ* X1 = − 10 * δ11 X1 = X1 ⋅

ϕ 1 + χ ⋅ ϕ 

(8.5-71)

Die beiden Lösungen (8.5-70) und (8.5-71) des Problems werden in der Tabelle 8.5-1 zahlenmäßig miteinander verglichen. Dabei werden die Kriechbeiwerte für den Zeitpunk t → ∞ von φ∞ = 0 bis φ∞ = 3,0 variiert. Der Relaxationskennwert wird vereinfacht, wie allgemein üblich zu χ = 0,8 angenommen. Man erkennt, dass sich für die Kräfteumlagerungen nach der Theorie von Dischinger stets etwas größere Werte als nach der wirklichkeitsnäheren Lösung von Trost ergeben. Schnittgrößenumlagerungen bei abschnittsweisem Bauen Bei Brücken mit großem Betonbedarf ist es oft betontechnologisch oder aus arbeitstechnischen oder wirtschaftlichen Gründen nicht möglich, die Brücke in einem Arbeitsgang zu betonieren. Man baut deshalb in diesen Fällen in Bauabschnitten.

8.5  Betonbrücken

639

Tabelle 8.5-1   Vergleich der Entwicklung des Stützenmoments infolge des Kriechens des Betons nach den Theorien von Dischinger und Trost. Verlauf von e–φ 1 – e–φ∞

φ∞ 98 1 + χ . φ∞

e–φ∞

Gl. (8.5-70) Dischinger

Gl. (8.5-71) Trost

Gl. (8.5-75)

0,0

0,000

0,000

1,000

0,5

0,393

0,357

0,607

1,0

0,632

0,556

0,368

1,5

0,777

0,682

0,223

2,0

0,865

0,769

0,135

2,5

0,918

0,833

0,082

3,0

0,950

0,882

0,050

φ∞

Natürlich legt man die Bauabschnittsgrenzen nicht über die Unterstützungen, sondern betoniert in das anschließende Feld einen Kragarm mit einer Länge, die etwa 1/5 bis 1/4 der Feldweite entspricht. Dadurch wird erreicht, dass bereits im Bauzustand über der Stütze ein Biegemoment entsteht, dessen Größenordnung möglichst nahe demjenigen des Endmoments ist und die Betonierfuge in der Gegend des Momentennullpunkts des endgültigen Systems liegt. Es werden die Verhältnisse für einen abschnittsweise hergestellten Zweifeldträger gemäß Bild 8.5-35 betrachtet. Die Differentialgleichung und ihre Lösung lauten: dX1 + X1 = X1 dϕ



(8.5-72)

X1 = X1 + C ⋅ e −ϕ . 

(8.5-73)

Bild 8.5‑35   Biegemomente zu den Zeiten t = 0 und t → ∞ bei der Herstellung eines Zweifeld­ trägers in zwei Abschnitten

640

8  Berechnung

Mit der Randbedingung φ = 0 ergibt sich: X1 = X1 + C ⋅ 1 = X1B → C = X1B − X1 und daraus folgt: X1 = X1 − ( X1 − X1B ) ⋅ e −ϕ



(8.5-74)

Entsprechend ergibt sich: M = M L − ( M L − M B ) ⋅ e −ϕ 

(8.5-75)

Die Differenzen zwischen dem „Lehrge­ rüstzustand“ ML (Biegemoment, das entstanden wäre, hätte man das Bauwerk sofort in einem Betoniervorgang auf einem Lehrgerüst hergestellt und wäre das Lehrgerüst gleichmäßig abgesenkt worden) und dem Bauzustand MB werden im Laufe der Zeit abgebaut, d. h. die Schnittgrößen des in Abschnitten hergestellten Bauwerks nähern sich denen, die entstanden wären, wenn man das Bauwerk sofort in „einem Guss“ errichtet hätte. Es ist deshalb sinnvoll, die Bauabschnittsgrenzen von vornherein so zu wählen, dass die Umlagerung der Schnittgrößen möglichst gering wird. Die Werte  e–φ sind mit in der Tabelle 8.5-1 angegeben. Es ist meistens vertretbar, wenn man das in Abschnitten hergestellte Bauwerk nach den beiden Grenzzuständen: „Lehrgerüstzustand“ und Bauzustand bemisst. 8.5.6  Bemessungsgrundlagen Für die Bemessung, also die Festlegung der Querschnittsabmessungen, den Bedarf an Spann- und Betonstahl, deren Lage, Verteilung und Festigkeitsklassen sind vor allem die Untersuchungen in den Grenzzuständen der Gebrauchstauglichkeit maßgebend. Danach sind selbstverständlich noch die Nachweise in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit zu führen. Auf die Einwirkungen auf Brücken wird im Abschnitt 8.1 eingegangen. Auf Temperaturbeanspruchungen, Schwingungspro-

bleme und Erdbebenbeanspruchungen wird im Abschnitt 8.7 ergänzend einge­ gangen. Für die Grenzzustände der Tragfähig­ keit sind die Nachweise zu führen, die die Standsicherheit betreffen. Dazu gehören, dass das Tragwerk oder Teile davon nicht durch Bruch, kritische Verformungen oder Ermüdung versagt. Auch die Nachweise, dass das Versagen ohne Vorankündigung und der Verlust der Lagesicherheit ausgeschlossen sind, gehören dazu. Die Bemessungsregeln für die Tragfähigkeitsnach­ weise nach dem [DIN-FB 102, 2009] sind praktisch identisch mit den entsprechenden Nachweisen nach [DIN 1045-1, 2008], weshalb hier nicht näher darauf einge­gangen wird. Dazu wird auf [Mehlhorn et al., 2002] verwiesen. Für die Bemessung und die konstruktive Ausbildung der Brücken ist die Gebrauchstauglichkeit von besonderer Bedeutung, weshalb hier darauf besonders eingegangen wird und dabei einige wesentliche Bemessungsbedingungen genannt werden. Um mit hinreichender Zuverlässigkeit ein für den vorgesehenen Nutzungszweck dauerhaftes, gebrauchstaugliches Verhalten des Bauwerks erwarten zu lassen, sind die Betondruckspannungen, die Betonstahl- und Spannstahlspannungen, die Rissbreiten und die Tragwerksverformungen durch die Nachweise in den Grenzzuständen der Gebrauchstauglichkeit zu begrenzen. Bei vorgespannten Brücken und deren Bauteilen ist auch die Einhaltung des Grenzzustands der Dekompression nachzuweisen. Die sich aus den Umweltbedingungen ergebenden Anforderungen an die konstruktive Durchbildung sind bereits beim Entwurf zu berücksichtigen, um die für die Dauerhaftigkeit erforderlichen Vorkehrungen zum Schutz der Baustoffe, z. B. vor Korrosion, rechtzeitig treffen zu können. In Abhängigkeit von den Umweltein­ wirkungen, denen ein Bauwerk ausgesetzt ist, die nicht von der mechanischen Bean-

8.5  Betonbrücken

641

Tabelle 8.5-2   Expositionsklassen für Bewehrungskorrosion und Betonangriff sowie Mindestanforderungen an die Betonfestigkeitsklassen nach [DIN-FB 100, 2005], Tabellen 1, F2.1 und F2.2  a Klasse

Beschreibung der Umgebung

Beispiele für die Zuordnung von Expositionsklassen

Mindestanforderun­ gen an die Beton­ festigkeitsklassen und den Wasser­ zementwert w/z

1. Bewehrungskorrosion, ausgelöst durch Karbonatisierungb XC1 und XC2

– Trocken oder ständig nass – Nass und selten trocken

– Beton, der ständig unter Wasser ist – Erdberührte Gründungsbauteile, die nicht in der Nähe der Geländeoberfläche liegen

C16/20 w/z ≤ 0,75

XC3

Mäßige Feuchte

Durchlüftete Innenbereiche von Bauteilen mit Hohlquerschnitten, z. B. von Kastenträgern

C20/25 w/z ≤ 0,65

XC4

Wechselnd nass und trocken

– Luftberührte Außenbauteile (Beregnung ausgesetzt), z. B. Brückenüberbauten und Pfeiler – Erdberührte Gründungsbauteile in der Nähe der Erdober­ fläche (bis 50 cm unter der Geländeoberfläche)

C25/30 w/z ≤ 0,60

2. Bewehrungskorrosion, ausgelöst durch Chloride aus Taumitteln XD1

Mäßige Feuchte

Bauteile im Sprühnebelbereich, z. B. bei Überbauten

C30/37 w/z ≤ 0,55

XD2

Nass und selten trocken

Vertikale Flächen im Spritzwasserbereich, bei denen das Spritzwasser abgeleitet wird, z. B. Widerlager und Pfeiler

C35/45 w/z ≤ 0,50

XD3

Wechselnd nass und trocken

Horizontale Flächen im Spritzwasserbereich taumittelbehandelter Verkehrsflächen, z. B. Fahrbahndecken, Kappen

C35/45 w/z ≤ 0,45

3. Bewehrungskorrosion, ausgelöst durch Chloride aus Meerwasser XS1

Salzhaltige Luft

Alle Bauteile in Küstennähe

C30/37 w/z ≤ 0,55

XS2

Unter Wasser

Bauteile, die ständig unter Meerwasser liegen

C35/45 w/z ≤ 0,50

642

8  Berechnung

Tabelle 8.5-2   (Fortsetzung) Klasse

Beschreibung der Umgebung

Beispiele für die Zuordnung von Expositionsklassen

Mindestanforderun­ gen an die Beton­ festigkeitsklassen und den Wasser­ zementwert w/z

3. Bewehrungskorrosion, ausgelöst durch Chloride aus Meerwasser XS3

Im Spritzwasserund Sprühnebelbereich

Bauteile im aus Sturm herrührendem Sprühnebel- und Spritzwasserbereich

C35/45 w/z ≤ 0,45

4. Betonangriff durch Frost mit und ohne Taumitteln XF1

– Mäßige Wasser­ sättigung ohne Taumittel

Außenbetonteile

C25/30 w/z ≤ 0,60

XF2

– Mäßige Wasser­ sättigung mit Taumittel

– Bauteile im Sprühnebel- oder Spritzwasserbereich von taumittelbehandelten Verkehrs­ flächen – Bauteile im Sprühnebelbereich von Meerwasser

C35/45 w/z ≤ 0,50

XF3

– Hohe Wassersättigung ohne Taumittel

– Vertikale Flächen im Spritzwasserbereich, bei denen das Spritzwasser abgeleitet wird, z. B. bei Widerlagern und Pfeilern – Bauteile in der Wasserwechselzone von Süßwasser

C35/45 w/z ≤ 0,50

XF4

Hohe Wassersättigung mit Taumittel

– Mit Taumitteln behandelte horizontale Flächen, z. B. Kappen, – Bauteile in der Wasserwechselzone von Meerwasser

C30/37 LP-Beton a w/z ≤ 0,50

5. Betonangriff von Gründungen durch chemische Bestandteile

a

XA1

Chemisch schwach angreifend c

Unterbauten in betonangreifenden Böden

C25/30 w/z ≤ 0,60

XA2 und XA3

Chemisch mäßig oder stark angreifend c

– Unterbauten in betonangreifenden Böden – Mit Meerwasser in Berührung kommende Unterbauten

C35/45 w/z ≤ 0,45

Nach [DIN-FB 100, 2005] ist nur die Verwendung von Normalbeton vorgesehen. Mindestluftgehalt bei einem Größtkorn von 32 mm und einer Konsistenz C1 c Grenzwerte für den Angriff zur Einstufung in die Expositionsklassen XA sind der Tabelle 8.5-3 zu entnehmen. b 4%

8.5  Betonbrücken

643

spruchung (also durch Schnittgrößen), sondern durch physikalische und chemische Angriffe verursacht werden, werden nach [DIN 1045-1 und -2, 2008] und [DINFB 100, 2005] die in der Tabelle 8.5-2 angegebenen Expositionsklassen unterschieden. Für die Herstellung des Betons sind in [DIN 1045-1, 2008] und [DIN-FB 100, 2005] Mindestbetonfestigkeitsklassen abhängig von den Expositionsklassen festgelegt (s. Tabellen 8.5-2 und -3). Auf die in [DIN EN 206-1, 2001] und [DIN 1045-2, 2008] zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit gestellten Anforderungen an die Betonzusammensetzung, insbesondere die Grenzwerte hinsichtlich des minimalen Zementgehalts, des höchstzulässigen Wasser-Zementwertes w/z, sowie gegebenenfalls des Mindestluftgehalts und andere Anforderungen, wird hingewiesen. Die Festlegung der Expositionsklassen dient auch der Festlegung der Mindestanforderungen an die Betondeckung hinsichtlich des Schutzes vor Korrosion. Die Mindestbetondeckung hat darüber hinaus die

Aufgabe, eine sichere Übertragung von Verbundkräften zu gewährleisten. Eine eventuell angeordnete konstruktive Bewehrung, in ansonsten als unbewehrt anzusehenden Bauteilen, muss auch dann den Anforderungen nach den Tabellen 8.5-4 genügen, wenn diese Bewehrung nicht bei Nachweisen in den Grenzzuständen der Trag­fähigkeit oder der Gebrauchstauglichkeit berücksichtigt wird. Die Betondeckung c (c: cover → bedecken, schützen) ist der ­Abstand zwischen der äußeren Oberfläche der Bewehrung und der nächstgelegenen Betonoberfläche. Eine Mindestbeton­ deckung muss zur Sicherstellung der Verbundkraftübertragung, der Verhinderung des Abplatzens der Betonoberfläche, des Korrosionsschutzes und des angemessenen Brandschutzes vorhanden sein. Der Schutz der Bewehrung vor Korro­ sion erfolgt durch das im Beton vorhandene alkalische Milieu, das im Bereich der Bewehrung nur durch ausreichende Betondeckung dauerhaft aufrecht erhalten werden kann. Außerdem ist eine ausreichende Nachbehandlung des Betons, der eine hohe

Tabelle 8.5-3   Grenzwerte der chemischen Bestandteile im Boden und Wasser für den Betonangriff zur Einstufung in die Expositionsklassen XA nach [DIN-FB 100, 2005], Tabelle 2

a

Betonangriff durch

Expositionsklasse XA1

Expositionsklassen XA2 und XA3

SO42– in mg/l im Wasser

≥ 200 und ≤ 600

> 600 und ≤ 6000

SO42– in mg/kg im Bodena

≥ 2000 und ≤ 3000 b

> 3000 b und ≤ 24000

pH-Wert

≥ 5,5 und ≤ 6,5

≥ 4,0 und  40

NH+4 in mg/l im Wasser

≥ 15 und ≤ 30

> 30 und ≤ 100

Mg2+ in mg/l im Wasser

≥ 300 und ≤ 1000

> 1000

Tonböden mit einer Durchlässigkeit unter 10-5 m/s dürfen in eine niedrigere Klasse eingestuft werden. b Wenn durch wechselndes Trocknen und Durchfeuchten oder durch kapillares Saugen die Gefahr der Anhäufung von Sulfationen im Beton besteht, ist der obere Grenzwert von 3000 mg/kg auf 2000 mg/kg herabzusetzen.

644

8  Berechnung

Qualität und Dichtigkeit haben muss, notwendig. Die erforderliche Betondeckung ist von den Umweltbedingungen und der Betonfestigkeit abhängig. Da es nicht möglich ist, ideal ohne Abweichungen von den Sollwerten zu bauen, sind zur Gewährleistung der vorgeschriebenen Mindestbetondeckungen der Bewehrung bei der konstruktiven Planung diese unvermeidlichen Abweichungen durch Vorhaltemaße zu berücksichtigen. Die Vorhaltemaße hängen von der Art des Bauteils, der Bauausführung, der baulichen Durchbildung (Bewehrungsführung) und dem Qualitätsmanagement ab. Die Werte nach [DIN 1045-1, 2008] für Vorhaltemaße sind in den Tabellen 8.5-4 angegeben. Das Nennmaß der Betondeckung cv setzt sich aus dem Min­ destmaß cmin und einem zusätzlichen Vor­ haltemaß ∆c zusammen: cnom = cmin + ∆c Aus der Anforderung, dass für jedes einzelne Bewehrungselement das notwendige Nennmaß der Betondeckung einzuhalten ist, ergibt sich das Verlegemaß cv der Bewehrung. bei Platten: � c + ∆c � � min cv � � ds + ∆c � � � u − ds �

bei Balken: cmin + ∆c � � � dSW + ∆c cv � � ds + ∆c − dSW � � � u − ds � − dSW

mit: cmin Δc u …

Mindestmaß der Betondeckung, Vorhaltemaß, Abstand der hitzebeanspruchten Betonoberfläche von der Schwer-

ds1… dSW

achse der äußersten Biegezugbewehrung, nach DIN 4102, Durchmesser der Längsbewehrung (Biegezugbewehrung), Durchmesser der Querbewehrung (Bügel).

Die Werte cv sind der Bemessung der Bauteile bei der Festlegung der statischen Nutzhöhe zugrunde zu legen und in den Bewehrungszeichnungen anzugeben. Die Mindestbetondeckung cmin darf in Abhängigkeit von der maßgebenden Expositionsklasse nach der Tabelle 8.5-2 nicht kleiner als der entsprechende Wert nach den Tabellen 8.5-4 sein. Die Werte cmin müssen bei der Bauausführung auch noch nach dem Betonieren gewährleistet sein. Die Werte für das Vorhaltemaß dürfen um 5 mm abgemindert werden, wenn dies durch eine entsprechende Qualitätskontrolle bei Planung, Entwurf, Herstellung und Bauausführung gerechtfertigt ist. Die aufnehmbaren Verbundkräfte zwischen Stahl und Beton sind neben der Betonfestigkeit und der Stahlfestigkeit auch vom Bewehrungsdurchmesser abhängig. Um ausreichende Verbundkräfte sicher zu übertragen und eine gute Betonverdichtung zu gewährleisten, soll die Mindestbeton­ deckung der Bewehrungsstäbe daher nicht kleiner sein als: • der Stabdurchmesser ds der Betonstahlbewehrung oder der Vergleichsdurchmesser eines Stabbündels dsV , (der Vergleichsdurchmesser ergibt sich zu: dsV = ds · √3 ns, mit ns : Anzahl der Bewehrungsstäbe eines Stabbündels), • der 2,5-fache Nenndurchmesser dp einer Litze oder der 3-fache Nenndurchmesser dp eines gerippten Drahts in Spannbetonbauteilen mit sofortigem Verbund, • der äußere Hüllrohrdurchmesser eines Spannglieds mit nachträglichem Verbund.

8.5  Betonbrücken

645

Für Spannbetonbauteile mit internen Spanngliedern ohne Verbund gelten für die Mindestbetondeckung in den Verankerungsbereichen und im Bereich der freien Länge des ummantelten Spannglieds die Angaben in den allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen. Oberflächenbewehrungen und Bewehrungen in ansonsten als unbewehrt anzusehenden Bauteilen müssen den Anforderungen an die Betondeckung genügen, auch wenn die Bewehrung für die Nachweise in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit nicht in Anspruch genommen wird. Weitere Regelungen zur Betondeckung hinsichtlich von Bauteilen aus Leichtbeton und verschleißbeanspruchten Bauteilen sind der [DIN 1045-1, 2008], Abschnitt 6.3 zu entnehmen.

Im [DIN-FB 102, 2009] sind Anforderungen hinsichtlich der Begrenzungen der Spannungen und der Rissbreite sowie der Dekompression festgelegt. Die Bauwerke und Bau­teile müssen einer Expositionsklasse nach [DIN-FB 100,  2005] (Tabelle 8.5-2) zugeordnet werden. Im [ARS 11/2003] sind für Betonüberbauten Anforderungsklassen festgelegt, Tabelle 8.5-5. In [DIN 1045-1,  2008] sind die in der Tabelle 8.5-6 ange­gebenen Mindestanforderungsklassen in Abhängigkeit von der Expositionsklasse zusammen gestellt. Nach dem [DIN-FB 102, 2009] ist vom Auftraggeber festzu­ legen, in welche Anforderungsklasse die Einstufung für den Entwurf und die Bauausführung der Brücke zu erfolgen hat. Dies kann als erfüllt gelten, wenn die Einstufung nach den Tabellen 8.5-6 und –7 erfolgt. Für den Bau- und Endzustand gilt

Tabelle 8.5-4 a   Mindestwerte für die Betondeckung nach Tabelle 4 aus [DIN 1045-1, 2008] Expositionsklasse

a

Mindestbetondeckung cmin [mm]

Vorhaltemaß ∆c [mm]

Betonstahl

Spannglieder im so­ fortigen und im nach­ träglichen Verbund c

XC1

10

20

10

XC2 und XC3 a, b

20

30

15

XC4 a, b

25

35

XD1 bis XD3 a, b, d XS1 bis XS3 a, b

40

50

Die Werte dürfen für Bauteile aus Normalbeton, deren Betonfestigkeit um 2 Festigkeitsklassen höher liegt, als nach Tab. 8.5-2 mindestens erforderlich ist, um 5 mm vermindert werden. Für Bauteile der Expositionsklasse XC1 ist diese Abminderung nicht zulässig. b Wird Ortbeton kraftschlüssig mit einem Fertigteil verbunden, dürfen die Werte an den der Fuge zugewandten Rändern auf 5 mm im Fertigteil und auf 10 mm im Ortbeton verringert werden. Die Bedingungen zur Sicherstellung des Verbunds müssen jedoch eingehalten werden, sofern die Bewehrung im Bauzustand ausgenutzt wird. Auf das Vorhaltemaß darf auf beiden Seiten der Verbundfuge verzichtet werden. c Die Mindestbetondeckung bezieht sich bei Spanngliedern mit nachträglichem Verbund auf die Oberfläche des Hüllrohrs. d Im Einzelfall können bei XD3 besondere Maßnahmen zum Korrosionsschutz der Bewehrung nötig sein.

646

8  Berechnung

Tabelle 8.5-4 b   Mindestwerte für die Betondeckung nach Abschnitt 4.1.3.3 und Tabelle 4.101 des [DIN-FB 102, 2009]-II Bauteil

Überbau aus vorgespanntem Stahlbeton mit sofortigem Verbund

Mindestbetondeckung cmin [mm] Betonstahl

Spannstahl

40

n.∅ ∅: Nenndurchmesser des

Spanndrahts n = 2: bei Litzen n = 3: bei gerippten Drähten Liegen Spannglieder unter der Oberfläche der Fahrbahnplatte oder der Deckplatte von Fußgängerbrücken, muss cmin ≥ 100 mm bei Längsspanngliedern und cmin ≥ 80 mm bei Querspanngliedern sein

∅A und ≥ 50 mm ∅A: Außendurchmesser des

Überbau aus vorgespanntem Stahlbeton mit nachträglichem Verbund

Hüllrohrs Liegen Spannglieder unter der Oberfläche der Fahrbahnplatte oder der Deckplatte von Fußgängerbrücken, muss cmin ≥ 100 mm bei Längsspanngliedern und cmin ≥ 80 mm bei Querspanngliedern betragen.

Kappen und dgl. und an nicht betonberührten Flächen bei Straßen­ brücken

40

–

Kappen und dgl. und an nicht betonberührten Flächen bei Eisenbahnbrücken

30

–

Kappen und dgl. und an betonberührten Flächen bei Straßen- und Eisenbahnbrücken

20

–

An nicht erdberührten Flächen von Unterbauten

40

–

An erdberührten Flächen von Unterbauten

50

–

Vorhaltemaß ∆c [mm] 5 a

8.5  Betonbrücken

647

Tabelle 8.5-4 b   (Fortsetzung) Bauteil

Mindestbetondeckung cmin [mm] Betonstahl

Spannstahl

Gegen Strukturschalung oder auf vorbereiteten Untergrund gegen un­ ebene Oberflächen geschütteter Beton

40

–

Direkt gegen die Erde geschütteter Beton

75

–

Vorhaltemaß ∆c [mm] 5a

Ist die Betonoberfläche aggressiven Wirkungen durch chemische Einflüsse, z. B. Taumitteln im Spritz- oder Sprühbereich, oder Meerwasser ausgesetzt, muss die Mindestbetondeckung cmin = 50 mm betragen [DIN-FB 102, 2009]-II, Abschnitt 4.1.3.3 (114) P. Bei chemisch stark angreifender Umgebung sind zusätzliche Schutzmaßnahmen vorzusehen, um einen direkten Kontakt mit chemisch angreifenden Stoffen zu verhindern. Zur Sicherstellung des Verbunds und der erforderlichen Verdichtung des Betons darf die Betondeckung nicht kleiner sein als: – der Stabdurchmesser des Betonstahls, der Vergleichsdurchmesser eines Stabbündels (Stabbündel dürfen nur mit Zustimmung des Bauherrn verwendet werden) – der Nennwert des Größtkorndurchmessers des Zuschlags – der um 5 mm erhöhte Wert des Stabdurchmessers des Betonstahls, des Vergleichsdurchmessers eines Stabbündels oder des Außendurchmessers des Hüllrohrs des Spannglieds, wenn der Größtkorndurchmessers des Zuschlags mehr als 32 mm beträgt a

Das nach [DIN 1045-1, 2008] erforderliche Vorhaltemaß von ∆c = 15 mm ist nach [DIN-FB 102, 2009] nicht gefordert. Es ist deshalb unbedingt auf eine besonders sorgfältige Qualitätskontrolle bei Entwurf und Bauausführung zu achten! Andernfalls, und dies wird von den Autoren empfohlen, sollte das größere Vorhaltemaß nach der [DIN 1045-1, 2008] für die unten liegende Bewehrung in Brücken-Überbauten eingehalten werden.

dieselbe Anforderungsklasse. In Sonderfällen kann eine Einzelfallentscheidung sinnvoll sein, die zwischen dem Tragwerksplaner und dem Bauherrn abzustimmen ist. Für Gründungen und Unterbauten aus bewehrtem Beton gilt die Mindestanforderungsklasse D. Die Anforderungsklasse E hat im Brückenbau keine Bedeutung. In der Tabelle 8.5-7 sind die im [DINFB 102, 2009] einzuhaltenden Nachweisbedingungen für den Grenzzustand der Dekompression und die Begrenzung der Rissbreiten angegeben. Die Anforderungen entsprechen etwa den bisher als Vorspann-

grad (voll, beschränkt, teilweise und nicht vorgespannter Beton) bezeichneten Einteilungen. Der Dekompressionsnachweis ist für vorgespannte Brücken von vorrangiger Bedeutung. Durch diesen Nachweis wird die Auftretenswahrscheinlichkeit von Rissen minimiert, vereinzelte Risse können aber nicht verhindert werden. Auch bei sehr hoch vorgespannten Konstruktionen können singuläre Risse nicht mit Sicherheit verhindert werden. Es ist deshalb sinnvoll, nicht zu hoch vorzuspannen, sondern zur Begrenzung der Rissbreiten genügend Betonstahl anzuordnen [Leonhardt, 1979], [Menn, 1986].

648

8  Berechnung

Tabelle 8.5-5   Mindestanforderungsklassen für Betonüberbauten nach [ARS 11/2003] Längssystem, Art der Vorspannung

Anforderungsklassen Für die Längs­ richtung

Für die Querrich­ tung, wenn in der Querrichtung nicht vorgespannt wird

Für die Querrich­ tung, wenn in der Querrichtung vorgespannt wird a

Stahlbetonüberbau: in Längsrichtung nicht vorgespannt

D

D

D b

Spannbetonüberbau mit Spanngliedern im Verbund oder Mischbauweise

C c

D

B

Kastenträger mit ausschließlich externen Spanngliedern

C d

D

D b

a

Für die Quervorspannung von Fahrbahnplatten dürfen nach [DIN-FB 102, 2009]-III, 3.3 (1) P nur austauschbare, interne Spannglieder ohne Verbund angewendet werden. Die Ankerkörper der Querspannglieder sind an den Plattenrändern so anzuordnen, dass ein beidseitiges späteres Nachspannen möglich ist. Teile der Verankerungen dürfen nicht in den Kappenbeton einbinden [ZTV-ING-3, 2003], 2.3.2 (5). b Die in der Tabelle 8.5-10 angegebene Begrenzung der Betonrandzugspannungen in der Brückenquerrichtung sind einzuhalten. Zusätzlich ist der Nachweis der Rissbreitenbegrenzung in Brückenquerrichtung unter den gleichen Bedingungen wie in der Brückenlängsrichtung zu führen. c Für statisch bestimmte Längstragsysteme ist bei vorgespanntem Stahlbeton mit Spanngliedern im Verbund oder bei der Mischbauweise die Anforderungsklasse B anstatt C zu wählen. d Die Mindestanforderungsklasse D darf für Spannbeton-Kastenbrücken gewählt werden, wenn für die Festlegung der Vorspannung der Nachweis der Dekompression für die Einwirkungskombination mit dem Beiwert ψ2 = 0,3 für alle Einwirkungen aus Verkehr geführt wird. Die Einwirkungen aus Temperatur und Bauwerkssetzungen brauchen dabei nicht berücksichtigt zu werden. Tabelle 8.5-6   Mindestanforderungsklassen in Abhängigkeit von der Expositionsklasse gemäß Tabelle 19 der [DIN 1045-1, 2008] Expositionsklasse

a

Mindestanforderungsklassen für die Vorspannarten

Stahlbetonbau­ teile

Vorspannung mit nachträgli­ chem Verbund

Vorspannung mit sofortigem Verbund

Vorspannung ohne Verbund

XC1

D

D

F

F

XC2-XC4

C a

C

E

E

XD1, XD2, XD3 b, XS1-3

C a

B

E

E

Wird der Korrosionsschutz anderweitig sichergestellt, darf Anforderungsklasse D verwendet werden (s. Allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen der Spannverfahren). b Im Einzelfall können zusätzlich besondere Maßnahmen für den Korrosionsschutz notwendig sein.

8.5  Betonbrücken

649

Tabelle 8.5-7    Anforderungen in den Grenzzuständen der Gebrauchstauglichkeit an die Begrenzung der Rissbreiten und die Dekompression nach der Tabelle 4.118 des [DIN-FB 102, 2009]-II Anforderungs­ klasse

Einwirkungskombination für den Nachweis der Dekompression

Rissbreitenbegrenzung

Rechenwert der charakteristischen Rissbreite wk [mm]

A

nicht häufig

selten

0,2 

B

häufig

nicht häufig

C 

quasi ständig

häufig

D

–

häufig

E

–

quasi ständig

Rissbildungen sind in Betontragwerken unter Zugbeanspruchung, Biegung, Querkraft, Torsion und Zwang wegen der verhältnismäßig geringen Zugfestigkeit des Betons praktisch unvermeidbar und sind deshalb kein Mangel, wenn die Rissbreiten und -tiefen so begrenzt sind, dass die Nutzung, die Dauerhaftigkeit und das Erscheinungsbild des Tragwerks nicht als Folge der Rissbildungen unangemessen beeinträchtigt werden. Dazu ist es erforderlich, dass der Verbund zwischen Beton und Stahl ­gewährleistet und der Korrosionsschutz ­sicher gestellt ist. An Stelle weniger breiter und tiefer Risse mit großen Rissabständen sollen sich viele Risse mit kleinen Rissabständen und geringen Rissbreiten und ­-tiefen ausbilden. Für den Grenz­ zustand der Dekompression dürfen bei den Anforderungsklassen A bis C unter der maßgebenden Einwirkungskombination keine Betonzugspannungen an dem dem Spannglied am nächsten liegenden Rand auftreten. Die Anforderungen an die Dauerhaftigkeit und das Erscheinungsbild eines Bauteils gelten als erfüllt, wenn die in den Tabellen 8.5.6 bis 8.5-12 angege­ benen Anforderungen eingehalten werden. Die Begrenzung der Betonspannungen nach [DIN-FB 102, 2009] ist in den Tabellen 8.5-8 bis 8.5-10 und die der Beton- und Spannstahlspannungen in den

0,3

Tabellen 8.5-11 und 8.5-12 kompakt zusammengestellt. In den Tabellen sind einige Erläuterungen und Begründungen enthalten. Wird eine in Längsrichtung vorgespannte Brücke in der Querrichtung nicht vorgespannt, sind die im Zustand I zu ermittelnden Betonzugspannungen am Querschnittsrand in der Brückenquerrichtung unter der seltenen Einwirkungskombination auf die in der Tabelle 8.5-10 angegebenen Werte zu begrenzen. Diese Begrenzung der Zugspannungen dient nicht der notwendigen Begrenzung der Riss­ breiten. Der Nachweis der Rissbreiten­ begrenzung in Brückenquerrichtung ist vielmehr unter den gleichen Nachweisbedingungen wie in der Brückenlängsrichtung zu führen. Die mechanischen Grundlagen des Zusammenwirkens von Beton und Stahl vor und nach der Rissbildung im Beton und die Herleitung der Gleichungen zur Berechnung der Rissbreiten und -abstände sind in entsprechenden Lehrbüchern, z. B. [Mehlhorn et al., 2002], dargestellt. Danach ergeben sich die unter Berücksichtigung lang andauernder Einwirkung sowohl für den Einzelriss als auch für die abgeschlossene Rissbildung in [DIN 1045-1, 2008] und im [DIN-FB 102, 2009]-II, Abschnitt 4.4.2.4 angegebenen Gleichungen zur Ermittlung

650

8  Berechnung

Tabelle 8.5-8   Begrenzung der Betondruckspannungen für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit nach [DIN-FB 102, 2009]-II, Abschnitt 4.4.1.2 Wenn die im ungerissenen Zustand berechneten Zugspannungen unter der seltenen Lastkombination den Wert fctm (fctm nach Tabelle 3.1 im [DIN-FB 102, 2009]-II) überschreiten, sind die Spannungen für den gerissenen Zustand zu ermitteln. Bei Zugrundelegung des gerissenen Betonquerschnitts darf angenommen werden, dass sich der Beton elastisch verhält, jedoch keine Zugspannungen aufnehmen kann. Der versteifende Einfluss aus der Mitwirkung des Betons zwischen den Rissen ist unter diesen Annahmen zur Berechnung der Spannungsbegrenzung zu vernachlässigen.

Regel

Beanspruchung

zul σc

Ausnahmen, zusätzliche Bedin­ gungen und Anmerkungen

Bei nicht-häufiger Einwirkungskombination und Mittelwert der Vorspannung.

≥ –0,6 . fck

Diese Begrenzung ist zur Vermeidung von übermäßiger Mikrorissbildungen und von Längsrissen im Beton einzuhalten. Bei mit ρ ≥ 1,0% umschnürter Druckzone dürfen die Absolutwerte der Druckspannungen um 10% überschritten werden. ρ ist die auf die Querschnittsfläche der Druckzone bezogene Menge der Umschnürungsbewehrung.

4.4.1.2, (103) P

Bei quasi-ständiger Einwirkungskombi­ nation und bei Eintragung des Mittelwerts der Vorspannung zur Zeit t.

≥ –0,6 . fc (t) a

Bei der Herstellung von Fertigteilen darf bei strengen, unabhängigen Überprüfungen der zeitlichen Entwicklungen der Betondruckfestigkeit und der Vorspannverluste während der Bauausführung der Wert –0,6 . fc (t) um 10% unterschritten (also 10% höhere zulässige Druckspannung) werden. fc (t) ist der Mittelwert der Betondruckfestigkeit zur Zeit t der Eintragung der Vorspannung.

4.4.1.2, (103) P

Bei quasi-ständiger Einwirkungskombi­ nation und bei Eintragung des Mittelwerts der Vorspannung zur Zeit t.

≥ –0,6 . fc (t) a

Übersteigt der Betrag der Betondruckspannung den Wert 0,45 . fc (t), ist die Nichtlinearität des Kriechens zu berücksichtigen. fc (t) ist der Mittelwert der Betondruckfestigkeit (Absolutwert) zum Zeitpunkt t der Eintragung der Vorspannkraft.

4.4.1.2, (102) P

8.5  Betonbrücken

651

Tabelle 8.5-8   (Fortsetzung) Wenn die im ungerissenen Zustand berechneten Zugspannungen unter der seltenen Lastkombination den Wert fctm (fctm nach Tabelle 3.1 im [DIN-FB 102, 2009]-II) überschreiten, sind die Spannungen für den gerissenen Zustand zu ermitteln. Bei Zugrundelegung des gerissenen Betonquerschnitts darf angenommen werden, dass sich der Beton linerar elastisch verhält, jedoch keine Zugspannungen aufnehmen kann. Der versteifende Einfluss aus der Mitwirkung des Betons zwischen den Rissen ist unter diesen Annahmen zur Berechnung der Spannungsbegrenzung zu vernachlässigen.

a

Regel

Beanspruchung

zul σc

Ausnahmen, zusätzliche Bedin­ gungen und Anmerkungen

Bei quasi-ständiger Einwirkungskombination und dem Mittelwert der Vorspannung, wenn die Gebrauchstauglichkeit, die Tragfähigkeit oder die Dauerhaftigkeit des Bauwerks wesentlich durch das Kriechen beeinflusst wird.

≥ –0,45 . fck

Durch diese Begrenzung sollen überproportionale Kriechverformungen vermieden werden.

4.4.1.2, (104)* P

Bei seltener Einwirkungskombination und den maßgebenden charakteristischen Werten der Vorspannung.

6,78‰ = εpd (Spannstahl fließt im GZT) ζ = 0,88 erf Ap1 =

1 8,393 ⋅ ⋅ 104 = 107,4 cm2 1323 0,88 ⋅ 0,671 < 121,5 cm2 = vorh Ap1

Auch über der Stütze und im Feld 2 wird die Zugkraft infolge des Moments im Grenzzustand der Tragfähigkeit durch den vorhandenen Spannstahlquerschnitt aufgenommen. In dem Fall, dass der Spannstahlquerschnitt nicht ausreicht, ist zusätzlich Betonstahl einzulegen. Sowohl der Spannstahl als auch der Betonstahl beteiligen sich dann am Lastabtrag. Die Ermittlung des erforderlichen Betonstahlquerschnitts ist z. B. in [Mehlhorn et al., 2002] angegeben. 8.5.7.6  Mindestbewehrung Um die Dauerhaftigkeit und das äußere Erscheinungsbild des Betonüberbaus zu gewährleisten, ist eine Mindestbewehrung anzuordnen. Mit ihr wird verhindert, dass sich infolge rechnerisch nicht berücksichtigten Zwangs, Eigenspannungen oder bei Abweichungen der Vorspannung vom angenommenen Wert breite Einzelrisse bilden [DIN-FB 102, 2009], Abschnitt 4.4.2.2. 8.5.7.6.1 konstruktive Mindestbewehrung 

�

maximaler Stababstand smax = 200 mm � as = 3,93 cm2/m Bewehrungsdurchmesser ds ≥ 10 mm im Feld 2, an der Stelle x = 26,0 m (Platten­ unterseite):

µEd ,p =

6,982 = 0,172 4,5 ⋅ 0,6752 ⋅ 19,8

∆εp1 = 11,4‰ > 6,78‰ = εpd (Spannstahl fließt im GZT) ζ = 0,90 erf Ap1 =

1 6,982 ⋅ ⋅ 104 1323 0,90 ⋅ 0,675

= 86,9 cm2 < 121,5 cm2 = vorh Ap1

(8.5-95)

8.5.7.6.2 Mindestbewehrung zur Vermeidung des Versagens ohne Vorankündigung Bei Entstehen eines Risses muss im Querschnitt mindestens so viel Betonstahl vorhanden sein (Robustheitsbewehrung), dass dieser die zuvor im Beton vorhandene Zugkraft aufnehmen kann [DIN-FB 102, 2009], Abschnitt 4.3.1.3. Damit soll ein sprödes Versagen ohne Vorankündigung bei der Erstrissbildung vermieden werden. Das Rissmoment wird unter der Annnahme, dass die Vorspannung im betrachteten

680

8  Berechnung

Tabelle 8.5-25   Mindestbewehrung zur Vermeidung des Versagens ohne Vorankündigung Wc [m3]

Mr,eq [kNm]

ds [m]

as [cm2/m]

gewählt

1,042

2292

0,72

7,9

∅ 14/15

Stütze B (x = 16,0 m)

1,222

2688

0,73

9,1

∅ 14/15

Feld 2

1,042

2292

0,72

7,9

∅ 14/15

Stelle Feld 1

(x = 5,6 m) (x = 26,0 m)

Querschnitt vollständig ausgefallen ist, durch Betonstahl unter Ausnutzung des charakteristischen Werts der Streckgrenze des Betonstahls (Sicherheit von 1,0) abgedeckt. Mr ,ep as = mit zs ≈ 0,9 · d , f ⋅ z ⋅b yk

s

Mr, ep = Wc · fctk; 0,05  as =

1,042 ⋅ 2,2 ⋅ 104 500 ⋅ 0,9 ⋅ 0,72 ⋅ 9,0

(8.5-96) = 7,9cm2 m

Entsprechend [DIN-FB 102, 2009], Abschnitt 4.3.1.3 (107) und (108), ist die Mindestbewehrung gleichmäßig über die Breite sowie anteilmäßig über die Höhe der Zugzone zu verteilen. Die im Feld erforderliche untere Mindestbewehrung muss zur Verbesserung der Duktilität unabhängig von den Regelungen zur Zugkraftdeckung zwischen den Auflagern durchlaufen. In Stützenbereichen sollte die obere Min­ destbewehrung nach Gleichung (8.5-96) in den Bereichen angeordnet werden, in denen unter der nicht-häufigen Einwirkungskombination Zugspannungen im Beton auftreten. Für diesen Nachweis sollte die statisch bestimmte Wirkung der Vorspannung nicht, die statisch unbestimmte Wirkung jedoch berücksichtigt werden.

< 1,0 N/mm2 auftreten, ist eine Mindestbewehrung nach Gleichung 8.5-81 einzulegen. Hierbei darf der Spannstahl, der in einem Bereich von höchstens 300 mm um die Bewehrung aus Betonstahl angeordnet ist, berücksichtigt werden. Auf der sicheren Seite liegend werden in diesem Berechnungsbeispiel die Spannstahlflächen nicht angesetzt. Ermittlung der Mindestbewehrung zur Rissbreitenbegrenzung: – im Feld 1 an der Stelle x = 5,60 m: Pk, inf, t → ∞ = 0,9 · (–12,814) = –11,533 MN Ac = 8,6/2 = 4,3 m2 σc = –11,533/4,3 = –2,68 N/mm2 h' = h = 0,80 m k1 = 1,5 fct, eff = fctm = 3,2 N/mm2  2,68  kc = 0,4 ⋅ 1 −  = 0,18  1,5 ⋅ 3,2  k = 0,5

8.5.7.6.3 Mindestbewehrung zur Rissbreitenbegrenzung In Bereichen, in welchen unter der seltenen Einwirkungskombination Betonzugspannungen oder Betondruckspannungen |σc|

Bild 8.5‑55   Spannungsverteilung im BetonQuerschnitt unmittelbar vor der Erstrissbildung

8.5  Betonbrücken

σ c2 =

681

Der Durchmesser der Bewehrung wird mit ds = 14 mm gewählt. Somit ergibt sich der Grenzdurchmesser zu: f ct ,0 3,0 ds* = ds ⋅ = 14 ⋅ = 131 , mm f ct ,eff 3,2

z2 ⋅ (σ c −σ c1) + σ c z1

ht = z1 ⋅

σ c1 σ c1 − σ c

= 0,432 ⋅

3,2 = 0,235 m 3,2 + 2,68

Act = 1,0 · 0,235 = 0,235 m2/m Die zulässige Spannung σsII im Betonstahl zur Sicherstellung der zulässigen Rissbreite ist abhängig vom Durchmesser der Be­ wehrung. Die Werte in der Tabelle 8.5-14 sind auf die Betonzugfestigkeit von fct, 0 = 3,0 N/mm2 bezogen. Der zulässige Durchmesser muss deshalb nach Gleichung (8.5-97) ([DIN-FB 102, 2009], Abschnitt 4.4.2.2 (6)*) angepasst werden: ds = ds*⋅

kc ⋅ k ⋅ ht

⋅

f ct ,eff

4 ⋅ (h − d ) f ct ,0

≥ ds* ⋅

f ct ,0

≥ ds* ⋅

0,235 239 � 3,0 cm2 m

as = 0,18 ⋅ 0,5 ⋅ 3,2 ⋅ = 2,8 ⋅ 10−4

Die Querschnitte der Mindestbewehrung über den Stützen (Achsen 20/30) und im (8.5-97) Feld 2 sind in der Tabelle 8.5-26 zusammengestellt.

f ct ,eff 0,18 ⋅ 0,5 ⋅ 0,235 f ct ,eff ≥ ds* ⋅ ⋅ f ct ,0 4 ⋅ (0,80 − 0,72) f ct ,0 f ct ,eff

Der Querschnitt der Mindestbewehrung zur Rissbreitenbegrenzung folgt aus Gleichung 8.5-81:

f ct ,0

ds* Grenzdurchmesser der Bewehrung nach Tabelle 8.5-14 h Bauteilhöhe d statische Nutzhöhe ht Höhe der Betonzugzone unmittelbar vor der Erstrissbildung

ds = 0,07 ⋅

σs = 239 N/mm2 .

f ct ,eff

 mit:

ds = ds* ⋅

und die zulässige Betonstahlspannung aus Tabelle 8.5-14 für den Rechenwert der Rissbreite wk = 0,2 mm zu:

f ct ,eff f ct ,0

8.5.7.7  Grenzzustände der Gebrauchs­ tauglichkeit 8.5.7.7.1 Bemessungswerte der Einwirkungen im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (Längsrichtung) Die Nachweise im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit gewährleisten, dass die festgelegten Anforderungen an die Nutzungsbedingungen eines Bauwerks rechnerisch erfüllt sind.

Tabelle 8.5-26   Mindestbewehrung zur Rissbreitenbegrenzung Pk,  inf,t  → ∞ [MN]

σc2 [MN/m2]

σc [MN/m2]

kc

hf [m]

as [cm2/m]

–11,533

–7,69

–2,68

0,18

0,235

2,8

Stütze B (x = 16,0 m)

–11,349

–9,49

–2,64

0,18

0,202

2,4

Feld 2

–10,821

–8,07

–2,52

0,19

0,242

3,1

Stelle Feld 1

(x = 5,6 m)

(x = 26,0 m)

682

8  Berechnung

Tabelle 8.5-27   Einwirkungskombinationen für die Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit nach [DIN-FB 101, 2009]-II, Abschnitt 9.5.2 (2) Einwirkungskombination

Bildungsvorschrift

charakteristische (seltene)

∑ Gkj " + " Pk " + " Qk1 " + " ∑ ψ 0,i ⋅ Qki

nicht-häufige

∑ Gkj " + " Pk " + "ψ 1′,1 ⋅ Qk1 " + " ∑ ψ 1, i ⋅ Qki

häufige

∑ Gkj " + " Pk " + "ψ 1,1 ⋅ Qk1 " + " ∑ ψ 2,i ⋅ Qki

quasi-ständige

∑ Gkj " + " Pk " + " ∑ ψ 2,i ⋅ Qki

j ≥1

i >1

j ≥1

i >1

j ≥1

j ≥1

i >1

i ≥1

" + " ∑in ψ 2Kombination mit. Anmerkung: ∑ Gkj " + " Pkbedeutet ,i ⋅ Qki j ≥1

i ≥1

Tabelle 8.5-28   ψ-Faktoren für Straßenbrücken nach [DIN-FB 101, 2009]-IV, Tabelle C.2

a

Einwirkung

Verkehrslast

Tempera­ tur

Bezeichnung

TS

UDL

Tk

ψ0

0,75

0,40

0,80 a

ψ1

0,75

0,40

0,60

ψ2

0,20

0,20

0,50

ψ1′

0,80

0,80

0,80

im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit nachweisrelevant.

Die in der Tabelle 8.5-27 angegebenen Einwirkungskombinationen werden für die Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit unterschieden. Die benötigten ψ-Faktoren sind in der Tabelle 8.5-28 angegeben.

Beispielhaft wird die Momentenbeanspruchung für die seltene Einwirkungskombination im Feld 1 (x = 5,60 m) ermittelt. Die Schnittgrößen infolge Vorspannung sind nicht mit angegeben, da für die verschiedenen Nachweise entweder deren charakteristischen Werte Pk, sup/inf = rsup/inf ∙ Pm, t (entsprechend [DIN-FB 102, 2009], Abschnitt 2.5.4.2) oder der Mittelwert Pm, t zu berücksichtigen sind. Sämtliche Spannungsnachweise für den Querschnitt über der Innenstütze werden mit dem ausgerundeten Stützenmoment (siehe Tabelle 8.5-29) durchgeführt. Von den Autoren wird empfohlen, für die Einwirkungskombination g1 + p das Stützenmoment aus der Einwirkung g1 stets auszurunden, weil aus dieser Einwirkungskombination bei zu großem Moment Mg1 (ohne Ausrundung) an der Konstruktionsunterseite scheinbar zu hohe Druckspannungen infolge g1 + p auftreten würden, die in Realität gar nicht wirken. Zumindest sollte dies stets überprüft werden.

ME, selten = Mc, gk1 = + Mc, gk2 = + Mc, qk1 = 0,593 + 1,184 = + ψ0 ∙ Mc, ∆Tk = 0,80 ∙ 0,450 = ME, selten =

1,653 MNm 0,448 MNm 1,777 MNm 0,360 MNm 992 4,238 MNm

8.5  Betonbrücken

683

Tabelle 8.5-29   Momente an den Nachweisstellen infolge der Einwirkungskombination Stelle

seltene ME [MNm]

nicht-häufige ME [MNm]

häufige ME [MNm]

quasi-ständige ME [MNm]

4,238

3,793

3,245

2,682

Stütze B (x = 16,0 m)

–6,551/–5,964   a

–6,023/–5,471

–5,588/–5,067

–4,909/–4,458

Feld 2

4,854

4,233

3,588

2,985

Feld 1

a

Einwirkungskombination

(x = 5,6 m)

(x = 26,0 m)

nicht ausgerundetes Moment/ausgerundetes Moment.

8.5.7.7.2 Nachweise in den Grenzzuständen der Gebrauchstauglichkeit in Brückenlängsrichtung 8.5.7.7.2.1  Begrenzung der Spannungen Nachweise am gerissenen oder ungerissenen Querschnitt Die Spannungen werden je nach Beanspruchung am gerissenen (Zustand II) oder ungerissenen (Zustand I) Querschnitt ermittelt [DIN-FB 102, 2009], Abschnitt 4.4.1.1. Im Allgemeinen sollte der gerissene Zustand angenommen werden, wenn die im ungerissenen Zustand berechneten Zug-

spannungen unter der seltenen Einwirkungskombination den Wert fctm überschreiten. Für den verwendeten Beton gilt: fctm = 3,2 N/mm2. Befindet sich der Querschnitt im Zustand I, werden die Spannungen infolge Eigenlast g1 und Vorspannkraft Pm, t  =  0 mittels der Netto-Querschnitte (siehe Tabelle 8.5-22) berechnet. Die Berechnung der Spannungen infolge der Einwirkungen, die nach Herstellung des Verbunds zwischen Spannstahl und Beton aufgebracht werden, erfolgt mit ideellen Querschnittswerten. Wie im Bild 8.5-56 zu erkennen ist, geht der Querschnitt in der Mitte des Felds 2

Bild 8.5‑56   Maximale Querschnitts-Randspannungen σc [N/mm2] infolge seltener Einwirkungskombination und charakteristischer Vorspannkräfte Pkt → ∞

684

8  Berechnung

Bild 8.5‑57   Minimale Querschnitts-Randspannungen σc [N/mm2] infolge nicht-häufiger sowie quasi-ständiger Einwirkungskombination und der mittleren Vorspannkraft Pm,  t  =  0  unmittelbar nach dem Umsetzen der Vorspannkraft auf das Bauteil

Bild 8.5‑58  Minimale Querschnitts-Randspannungen σc [N/mm2] infolge nicht-häufiger sowie quasi-ständiger Einwirkungskombination und der mittleren Vorspannkaft Pm, t → ∞  nach Eintreten der Spannkraftverluste

(von x = 24,8 bis 26,0 m) in den Zustand II über. Nachweis der zulässigen Betondruckspannungen Bei Spannbetonbauteilen sind die Betondruckspannungen unter der nicht-häufigen sowie unter der quasi-ständigen Einwirkungskombination und dem Mittelwert der Vorspannung Pm, t zu begrenzen.

0,6 ∙ fck = 0,6 ∙ 35 = 21 N/mm2  (8.5-98) (für nicht-häufige Einwirkungs  kombina­tion)  0,45 ∙ fck = 0,45 ∙ 35  = 15 N/mm2 (8.5-99) (für quasi-ständige Einwirkungs kombination) Die Bilder 8.5-57, 58 zeigen, dass die Beträge der Betonrandspannungen bei Ansatz

8.5  Betonbrücken

des Mittelwerts der Vorspannung zu keinem Zeitpunkt, weder unter der nicht-häufigen noch unter der quasi-ständigen Einwirkungskombination, die zulässigen Spannungen überschreiten. Nachweis der zulässigen Betonstahlspannungen Zur Verhinderung nichtelastischer Dehnungen im Betonstahl, sollten die Zugspannungen im Stahl unter der nicht-häufigen Einwirkungskombination und den cha­rak­ teristischen Werten der Vorspannung un­ter Berücksichtigung der zeitabhängigen Spannkraftverluste den Wert 0,8 ∙ fyk nicht überschreiten (Tabelle 8.5-11). σs ≤ 0,8 ∙ fyk = 0,8 ∙ 500 = 400 N/mm2  (8.5-100) Der Nachweis der Betonstahlspannungen wird im gerissenen Querschnitt geführt. Das Materialverhalten sowohl des Be­ tons als auch des Betonstahls wird linear elastisch angenommen. Weiterhin wird das Ebenbleiben des verformten Querschnitts und perfekter Verbund zwischen Spannstahl bzw. Betonstahl und Beton voraus­ gesetzt. Im Folgenden werden die im Querschnitt wirkenden Kräfte, Bild 8.5-59, sowie die Gleichungen zur Berechnung der resultierenden Stahlkräfte angegeben. Es bedeuten: σc1, σc2 Betonspannungen am gezogenen bzw. gedrückten Rand Fct , Fc resultierende Zugkraft bzw. Druck­ kraft im Beton Fs1 , Fs2 resultierende Zugkraft bzw. Druckkraft im Betonstahl Fp resultierende Zugkraft im Spann­ stahl ME Moment infolge äußerer Einwirkungen M*c, p statisch unbestimmter Anteil des Moments aus Vorspannung εc1, εc2 Verzerrungen des Betons am gezogenen bzw. gedrückten Rand

685

εs1, εs2 Verzerrungen des Betonstahls infolge äußerer Einwirkungen ∆εp Dehnung des Spannstahls infolge äußerer Einwirkungen Vordehnung des Spannstahls ε(0) p,p x Höhe der Betondruckzone h – x Höhe der Betonzugzone Resultierende Kräfte: Fs1 = εs1 ∙ Es ∙ As1 

(8.5-101)

Fs2 = –εs2 ∙ Es ∙ As2

(8.5-102)

Fp = (∆εp +

ε(0) p,p)

∙ Ep ∙ Ap 

(8.5-103)

Fc = –εc2 ∙ Ec ∙ x/2 ∙ b 

(8.5-104)

Fct = –εc1 ∙ Ec ∙ (h – x)/2 ∙ b

(8.5-105)

mit:

x = εc2 ∙ ds1/(εc2 – εs1)

(8.5-106)

εc1 = εc2 + h/ds1 ∙ (εs1 – εc2) 

(8.5-107)

εs2 = εc2 + ds2/ds1 ∙ (εs1 – εc2) (8.5-108) ∆εp = εc2 + dp/ds1 ∙ (εs1 – εc2) (8.5-109) Gleichgewichtsbedingungen:

∑ F = 0 = Fs1 + Fp + Fct – Fc – Fs2 

(8.5-110)

∑ M = 0 = Fs1 ∙ (ds1 – dp)

+ Fct ∙ ((2 ∙ h + x )/3 – dp) + Fc ∙ (dp – x/3) + Fs2 ∙ (dp – ds2) – ME – M*c, p



(8.5-111)

Je nachdem, ob die Berechnungen am un­gerissenen oder gerissenen Querschnitt erfolgen, sind die Betonzugspannungen Gl. (8.5-105) zu berücksichtigen oder nicht. Der statisch unbestimmte Anteil des Moments infolge Vorspannung lässt sich aus dem Gesamtmoment wie folgt bestimmen: M*c, p = Mc, p – zcp ∙ P

(8.5-112)  Durch Berechnung des Verzerrungspaars εs1 und εc2, bei dem die Gleichgewichtsbe-

686

8  Berechnung

Bild 8.5‑59   Betonspannungen, resultierende Kräfte und Verzerrungen am vorgespannten Querschnitt

dingungen am Querschnitt erfüllt werden, erhält man die resultierenden Kräfte. Die Betonstahlspannung folgt aus: σs1 = Fs1/As1 = εs1 ∙ Es

(8.5-113)

Im Bild 8.5-60 ist erkennbar, dass der Nachweis der Betonstahlspannungen nur in der Mitte des Felds 2 erbracht werden muss. Maximales Moment infolge nicht-häufiger Einwirkungskombination: ME = 4,233/4,5 = 0,941 MNm/m

statisch unbestimmter Anteil des Moments aus Vorspannung: 0,9 ∙ M*c, p = 0,9 ∙ 1,742/4,5 = 0,348 MNm/m Vorspannkraft: 0,9 ∙ Pm,t→ ∞ = 0,9 ∙ 12,037/4,5 = 2,407 MN/m statische Höhe Betonstahl:   ds1 = 0,720 m statische Höhe Spannstahl:   dp = 0,675 m

Bild 8.5‑60   Maximale Querschnitts-Randspannungen σcu [N/mm2] infolge nicht-häufiger Einwirkungskombination und charakteristischer Vorspannkraft 0,9 ∙ Pk, t → ∞

8.5  Betonbrücken

Querschnittsfläche Betonstahl: As1 = 10,26 ∙ 10–4 cm2/m Querschnittsfläche Spannstahl: Ap = 243,0/ 9,0 = 27,0 cm2/m Lösung des Gleichungssystems Gln. (8.5-110, 8.5-111): Betonstahldehnung:   εs1 = 0,153‰ Betonstauchung:   εc2 = –0,312‰ Gesamtdehnung des Spannstahls: εp = ε(0) p,p + ∆εp = 4,57 + 0,12 = 4,69‰ Betonrandspannung:   σc2 = –10,4 N/mm2 Betonstahlspannung: σs1 = 31 N/mm2 < 400 N/mm2 Spannstahlspannung:   σp = 916 N/mm Die Spannung im Betonstahl ist wesentlich kleiner, als der zulässige Wert. Einfacher können die Betonstahlspannungen am ungerissenen Querschnitt ermittelt werden, wenn von der Annahme ausgegangen wird, dass die Betonstahlfaser unter Belastung die gleiche Verzerrung erfährt, wie die benachbarte Betonfaser:  εcs1 = εs1 . Die Betonverzerrungen ergeben sich an einer beliebigen Stelle am Querschnitt bei Vorspannung mit nachträglichem Verbund zu:

εc =

687

ständigen Einwirkungskombination nach Abzug der Spannkraftverluste auf den Wert 0,65 ∙ fpk zu begrenzen (Tabelle 8.5-12).

σ p ≤ 0,65 ⋅ f pk = 0,65 ⋅ 1770 = 1150 N mm2  (8.5-115) Das oben angegebene Gleichungssystem, Gln. (8.5-109, -110), lässt sich auch für die Bestimmung der Spannstahlspannungen im gerissen Querschnitt verwenden. In diesem Beispiel treten rechnerisch Zugspannungen unter der maßgebenden Einwirkungskombination nur am unteren Bauteilrand unmittelbar rechts und links neben der Stützung (Achse 20 bzw. Achse 30) auf (Bild 8.5-61). Die maximale Zugspannung beträgt max σcu = 0,37 N/mm2. Das Spannglied liegt in diesem Bereich oberhalb der Schwerachse des Bauteils, also in der Druckzone. Es ist deshalb keine wesentliche Zunahme der Spannstahlspannungen zu erwarten. 8.5.7.7.2.2 Grenzzustände der Dekompression und der Rissbildung Nachweis der Dekompression Bei Brückenüberbauten dürfen unter der maßgebenden Einwirkungskombination keine Betonzugspannungen an dem Rand auftreten, der dem Spannglied am nächsten liegt (Tabelle 8.5-9).

σ c  N c , p M c , g1 + M c , p N c , E M c , g 2 + M c , q + M c , T  = + + +  Ec Ec  Acn Wcn Aci Wci 

Die Spannung im Betonstahl folgt aus der Gleichung (8.5-113). Nachweis der zulässigen Spannstahlspannungen Die Zugspannungen im Spannstahl sind in jedem Querschnitt mit dem Mittelwert der Vorspannung Pm,t→∞ unter der qua­­si-



(8.5-114)

In diesem Berechnungsbeispiel wurde die Forderung der Dekompression der Ermittlung der Spanngliedlage und der Bestimmung der Größe der erforderlichen Vorspannkraft zugrunde gelegt, siehe Abschnitt 8.5.7.3.3. Die maßgebende Einwirkungskombination für den Nachweis der

688

8  Berechnung

Bild 8.5‑61  Maximale Querschnitts-Randspan­nungen σc [N/mm2] infolge quasi-ständiger Einwirkungskombination und der mittleren Vorspannkraft Pm, t → ∞ nach Eintreten der Spannkraftverluste

Dekompression ist in diesem Fall die quasiständige. Die Vorspannkraft ist mit den charakteristischen Werten anzusetzen. Zusätzlich ist für Straßenbrücken nachzuweisen, dass unter der maßgebenden Einwirkungskombination am unteren Bauteilrand

keine Zugspannungen auftreten, die den Wert 0,85 ∙ fctk; 0,05 überschreiten (Tabelle 8.5-9). Für dieses Beispiel gilt: 

σ c ≤ 0,85 ⋅ f ck = 0,85 ⋅ 2,2 = 1,8 N mm2 (8.5-116)

Bild 8.5‑62   a) Spanngliedlage im Längsschnitt, b) maximale Querschnitts-Randspannungen σc [N/mm2] infolge quasi-ständiger Einwirkungskombination und charakteristischer Vorspannkraft Pk, t → ∞

8.5  Betonbrücken

Im Bild 8.5-62 sind die Lage des Spannglieds im Längsschnitt und die maximalen Querschnittsrandspannungen dargestellt. Es ist zu erkennen, dass Betonzugspannungen immer an dem Bauteilrand auf­ treten, der den größeren Abstand zum Spannglied aufweist. Weiterhin überschreiten die Betonzugspannungen am unteren Rand nicht den zulässigen Wert von σc = 1,8 N/mm2. Nachweis der Begrenzung der Rissbreite in Längsrichtung Die Begrenzung der Rissbreite wird beispielhaft, um den Rechengang aufzuzeigen, zusätzlich durch eine direkte Berechnung nachgewiesen. Der Rechenwert der Rissbreite wk ≤ 0,2 mm ist nachzuweisen. Berechnung der Rissbreite im Feld 1 an der Stelle x = 5,60 m:

ξ1 = ξ ⋅ ds dp dp = 1,6 ⋅ Ap1 = 1,6 ⋅ 13,5 = 5,88 cm ds = 1,4 cm ξ = 0,5

(für Litzen im nachträglichen Verbund [DIN-FB 102, 2009], Tabelle 4.115 a)

ξ1 = 0,5 ⋅ 1,4 5,88 = 0,35 Wirkungsbereich der Bewehrung:

689

Maximales Moment infolge häufiger Einwirkungskombination: ME = 3,588/4,5 = 0,797 MNm/m statisch unbestimmter Anteil des Moments aus Vorspannung: 0,9 ∙ M*c, p = 0,9 ∙ 1,742/4,5 = 0,348 MNm/m Vorspannkraft: 0,9 ∙ Pm,t → ∞ = 0,9 ∙ 12,037/4,5 = 2,407 MN/m statische Höhe Betonstahl:   ds1 = 0,720 m statische Höhe Spannstahl:   dp = 0,675 m Querschnittsfläche Betonstahl: As1 = 10,26 cm2/m Querschnittsfläche Spannstahl: Ap = 243,0/9,0 = 27,0 cm2/m Zum Vergleich werden die Schnittgrößen am Querschnitt im Zustand I und II bestimmt, siehe Tabelle 8.5-30. Ac,eff = 4,5 ⋅ 0,07 = 0,315 m2 As1 = 4,5 ⋅ 10,26 = 46,17 cm2/m Ap = 4,5 ∙ 243,0/9,0 = 121,5 cm2/m

2,5 ∙ d1 = 2,5 ∙ (5,5 + 1,4 + 1,4/2) = 19 cm � 0,19 m

eff ρ =

h−x

=

2

=

80 − 67 2

≈ 7 cm � 0,07 m < 0,19 m

Die Höhe der Betondruckzone x wird am gerissenen Querschnitt entsprechend der Anforderungsklasse C unter der häu­ figen Einwirkungskombination und mit 0,9 ∙ Pm, t → ∞ nach Eintreten der Spannkraftverluste mittels Gl. (8.5-105) berechnet.

As1 + ξ 12 ⋅ Ap Ac,eff

46,17 ⋅ 10−4 + 0,352 ⋅ 121,5 ⋅ 10−4 0,315

ρ tot = =

= 0,019

As1 + Ap Ac,eff 46,17 ⋅ 10−4 + 121,5 ⋅ 10−4 0,315

= 0,053

σ s2 = 0,0088 10,26 ⋅ 104 = 8,6 MN m2

690

8  Berechnung

Tabelle 8.5-30   Schnittgrößen am Querschnitt an der Stelle x = 26,0 m unter häufiger Einwirkungskombination und Pm, t → ∞ im Zustand I und II Schnittgrößen

Querschnitt im Zustand I

Zustand II

Betonstauchung εc2

[‰]

–0,2263

–0,2389

Dehnung am gezogenen Rand εc1

[‰]

  0,0452

  0,0741

Betonstahldehnung εs1

[‰]

  0,0180

  0,0428

Dehnung des Spannstahls εp

[‰]

  4,5752

  4,5976

Höhe der Betondruckzone x

[m]

  0,667

  0,611

resultierende Betondruckkraft Fc

[MN/m]

  2,5127

  2,4294

resultierende Betonzugkraft Fct

[MN/m]

  0,1001

 0

resultierende Kraft im Betonstahl Fs1

[MN/m]

  0,0037

  0,0088

resultierende Kraft im Spannstahl Fp

[MN/m]

  2,4089

  2,4206

 1 1  σ s = σ s2 + 0,4 ⋅ f ct ,eff ⋅  −  eff ρ ρ tot    1   1 = 8,6 + 0,4 ⋅ 3,2 ⋅  −  0 , 053 , 0 019   = 52 MN m2 αe = 195/33,3 = 5,86 εsm – εcm = (σs – 0,4 ∙ fct, eff /eff ρ ∙ (1 + αs ∙ eff ))/Es = (52 – 0,4 ∙ 3,2/0,019 ∙ (1 + 5,86 ∙ 0,019))/200 000

= –0,11 ∙ 10–3 < 0,16 ∙ 10–3



= 0,6 ∙ 52/200 000 = 0,6 ∙ σs/Es

smax =

ds 1,4 = 3,6 ⋅ eff ρ 3,6 ⋅ 0,007

= 56 cm > 6 cm =

52 ⋅ 1,4 3,6 ⋅ 3,2

=

σ s ⋅ ds 3,6 ⋅ f ct ,eff

wk = sr, max ∙ (εsm – εcm) = 60 ∙ 0,16 ∙

= 0,01 mm < 0,2 mm

10–3

Nachweis der Begrenzung der Rissbreite in Querrichtung Für die Brückenquerrichtung gilt die Anforderungsklasse D. Der Nachweis der Rissbreitenbegrenzung ist somit unter der häufigen Einwirkungskombination zu führen (Tabelle 8.5-5). Die Überlagerung der Momente my der einzelnen Lastfälle unter Berücksichtigung der entsprechenden Kombinationsfaktoren (Tabelle 8.5-28) ergibt die in Tabelle 8.5-31 angegeben maßgebenden Momente. Der Nachweis der Begrenzung der Rissbreite erfolgt mit dem maximalen Moment in der Platte über der Stütze ohne direkte Berechnung. Die aus der Einwirkungskombination resultierende Stahlspannung wird am ge­rissenen Querschnitt über das Kräfteund Momentengleichgewicht Gln. (8.5-110, 8.5-111) bestimmt. Maximales Moment infolge häufiger Einwirkungskombination: my = 0,167 MNm/m

8.5  Betonbrücken

691

Tabelle 8.5-31   maßgebende Momente infolge häufiger Einwirkungskombination Einwirkung

ψ

my [kNm/m] Felder 1/3

Stützen B/C

Feld 2

max

min

max

min

max

min

Eigenlast g1

1,00

–97,5

   6,4

–123,0

–124,3

  16,4

    9,7

Ausbaulast g2

1,00

–30,5

–30,0

  –32,3

  –38,8

–32,8

  –32,7

Vorspannkraft Pm, t → ∞

1,00

168,0

–94,0

  183,5

  176,8

–74,8

  –84,3

UDL qUDL

0,40

  –5,7

  –4,6

    4,1

    3,9

   6,0

   –2,3

TS qTS

0,75

  11,3

  –6,1

   6,0

    5,9

  52,9

    0,0

∆TM

0,50

240,2

  –52,2

265,1

–143,2

  51,9

  –41,2

166,3

–150,2

166,9

  –94,8

–23,2

–128,8

häufige EWK

statische Höhe Betonstahl:   dsq1 = 0,730 m Querschnittsfläche Betonstahl, ∅ 14/15: asq1 = 10,26 cm2/m

resultierende Betondruckkraft: Fc = –0,237 MN/m Betonrandspannung:   σc2 = –5,3 N/ mm2 Kraft im Betonstahl:   Fs1 = 0,237 MN/m

Betonstahlspannung:   σsq1 = 231 N/mm2 Lösung des Systems der Gleichungen  (8.5-110, 8.5-111): Die Rissbreite ist auf zulässige Werte beBetonstahldehnung:   εs1 = 1,155‰ grenzt, wenn der Durchmesser oder die Abstände der Bewehrungsstäbe in AbhänBetonstauchung:   εc2 = –0,160‰ gigkeit von der Spannung begrenzt werHöhe der Betondruckzone:   den. Hier wird der Durchmesser der vorhandenen Bewehrung in Querrichtung x = 0,089 m (∅ 14/15) überprüft. Zur Anwendung der Hebelarm der inneren Kräfte: Tabelle 8.5-14 wird der Grenzdurchmes­ ser d*s aus der Bedingung Gl. (8.5-80) erzs1 = 0,700 m mittelt. f ct ,eff   3,2 = ds* ⋅ = ds* ⋅ 1,07 ds* ⋅  f ct ,0 3,0   ds ≥   ⇒ ds* = 1,4 1,07 II −4 A ⋅ σ 231⋅ 10,26 ⋅1 0 s s ds* ⋅ * * = 1,3 cm = ds ⋅ = ds ⋅ 0,28  4 ⋅ (h − d ) ⋅ b ⋅ f ct ,0  4 ⋅ 0,80 − 0,73 ⋅ 1 0 ⋅ 3 0 ( ) , ,  

692

Für den ermittelten Grenzdurchmesser folgt unter Berücksichtigung des angenommenen Rechenwerts der Rissbreite wk = 0,2 mm aus Tabelle 8.5-14 die zulässige Betonstahlspannung: zul σs = 240 N/mm2 > 231 N/mm2 = vorh σsq1 Der Nachweis der Rissbreite ist erbracht. Für die anderen Werte my unter häufiger Einwirkungskombination entsprechend Tabelle 8.5-31 erübrigt sich der Nachweis.

8  Berechnung

­ abelle 8.6.1-1 zu entnehmen. Dabei wer­ T den die europäischen Regelwerke und der aktuelle Stand für den Brücken- und Grundbau in Deutschland aufgeführt. Gegenwärtig scheinen die Festlegungen der einzelnen Fachgebiete an den Schnittstellen noch nicht ganz konsistent, deshalb sind teilweise Übergangsregelungen getroffen worden. Das Nachweiskonzept des Rechnens in Grenz­ zuständen ist aber die durchgängige Basis. 8.6.2  Berechnung von Widerlagern

8.6  Berechnung von Unterbauten

8.6.2.1  Einwirkungen auf Widerlager

Ursula Freundt

Unabhängig von der Bauart der Widerlager sind die wesentlichen Einwirkungen:

8.6.1  Einführung

• ständige Einwirkungen – Eigenlasten des Widerlagers selbst – Eigenlasten des Überbaus einschließlich seiner Ausbaulasten – Lasten aus dem Erddruck • veränderliche Einwirkungen – vertikale und horizontale Verkehrslasten auf dem Überbau und den – Kappen im Flügelbereich – Erddruck aus der Verkehrsauflast auf der Hinterfüllung – aus Verformungen resultierende Kräfte in der Lagerfuge • außergewöhnliche Einwirkungen – Anpralllasten an Schramborde und Schutzeinrichtungen

Liegt der Entwurf und damit die Konstruktion der Unterbauten vor, ist der Nachweis zu erbringen, dass der Baukörper unter den äußeren Einwirkungen immer ein stabiles Gleichgewicht hat und die Festigkeiten der verwendeten Materialien nicht überschritten werden. Der Nachweis des Gleichgewichts wird über den Vergleich der stabilisierenden und der destabilisierenden Kräfte erbracht und der Festigkeitsnachweis über den Vergleich der aufnehmbaren Beanspruchungen und den Beanspruchungen infolge äußerer Einwirkungen. Für beide Nachweisgruppen müssen die äußeren Einwirkungen und die Tragfähigkeit des Baugrunds bekannt sein. Für den Festigkeitsnachweis ist die Wahl eines geeigneten Modells zur Schnittgrößenermittlung erforderlich. Die Schnittgrößenermittlung und die Nachweisführung von Unterbauten erfordert ausreichende Kenntnisse über die Grundlagen der Einwirkungen, der Tragwerksplanung, des Betonbaus und des Grundbaus. In gleicher Weise sind Konstruktionsprinzipien der genannten Fachgebiete erforderlich. Eine Zusammenstellung des gegenwärtig aktuellen Regelwerks ist

Die prinzipielle Einwirkungsanordnung für eine einfache Widerlagerwand mit angehängten Flügeln wird am Beispiel unter 8.6.2.3 gezeigt. Die Einwirkungen sind in [DIN EN 1991-2, 2004] und [DIN-FB 101, 2009] beschrieben. Bei Straßenbrücken gelten für die Verkehrslast auf der Hinterfüllung die charakteristischen Lasten der Lastmodelle des Überbaus. Vereinfachend können die Lasten der Doppelachse durch eine gleichmäßig ver-

8.6  Berechnung von Unterbauten

693

Tabelle 8.6.1-1 Überblick über aktuelle Regelwerke Europäische Normen Deutsche Normen 1. Grundlagen der Tragwerksplanung und Einwirkungen auf Tragwerke DIN EN 1990 DIN-Fachbericht 101 Einwirkungen Eurocode: Grundlagen der Tragwerksplanung auf Brücken DIN EN 1991-1 Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke – Teile 1 bis 7: Allgemeine Einwirkungen DIN EN 1991-2 Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke – Teil 2: Verkehrslasten auf Brücken 2. Material und Konstruktion DIN EN 1992 Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von DIN-Fachbericht 102 Betonbrücken Stahlbeton- und Spannbetontragwerken 3. Grundlagen und Einwirkungen aus dem Baugrund, Regelungen für Gründungen DIN EN 1997 DIN 1054 Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemes- Baugrund – Sicherheitsnachweise im Erdsung in der Geotechnik und Grundbau DIN 4017 Baugrund – Berechnung des Grundbruch­ widerstands von Flachgründungen DIN V 4019-100 Baugrund – Setzungsberechnungen – Teil 100: Berechnung nach dem Konzept mit Teilsicherheitsbeiwerten DIN 4085 Baugrund – Berechnung des Erddrucks 4. Konstruktion DIN EN 1992-2 Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von DIN-Fachbericht 102 Betonbrücken Stahlbeton- und Spannbetontragwerken – Teil 2: Betonbrücken DIN EN 1993-2 Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von DIN-Fachbericht 103 Stahlbrücken Stahlbauten – Teil 2: Stahlbrücken DIN EN 1994-2 Eurocode 4: Bemessung und Konstruktion von Verbundtragwerken aus Stahl und Beton – DIN-Fachbericht 104 Verbundbrücken Teil 2: Allgemeine Bemessungsregeln und Anwendungsregeln für Brücken DIN EN 1995-2 Eurocode 5: Bemessung und Konstruktion von Holzbauten – Teil 2: Brücken

694

teilte Belastung auf einer Belastungsfläche von 3,0 m (Querrichtung) mal 5,0 m (Längsrichtung) ersetzt werden. Die Lastausbreitung darf unter einem Winkel von 30° zur Vertikalen angenommen werden. Bei Eisenbahnbrücken dürfen die Ersatzlasten zur Berechnung der Erddrücke unter den Gleisen gleichmäßig verteilt über eine Breite von 3,00 m in einer Tiefe von 0,7 m unter Oberkante Gleis angenommen werden, wobei dynamische Wirkungen nicht berücksichtigt sind. Die Größe des Erddrucks hängt nicht nur von den Eigenschaften der Hinterfüllung, sondern auch von den Steifigkeiten des Bauwerks und des Baugrunds ab. Eine Darstellung zur Erddruckberechnung würde den Rahmen dieses Kapitels überschreiten. Im Merkblatt über den Einfluss der Hinterfüllung auf Bauwerke [Arbeitsausschuss: Einfluss der Hinterfüllung auf Bauwerke, 1994] werden Regelungen empfohlen, die mit wirtschaftlichen Überlegungen begründet werden. Danach sollte bei Bauwerken, deren Bewegung in Erddruckrichtung nicht beschränkt werden muss, bei: • nachgiebiger Gründung für den Nachweis des stabilen Gleichgewichts und für die Festigkeitsnachweise der aktive Erddruck • unnachgiebiger Gründung für den Nachweis des stabilen Gleichgewichts der aktive Erddruck und für die Festigkeitsnachweise der Erdruhedruck berücksichtigt werden.

8  Berechnung

Bei Bauteilen, bei denen eine Bewegung in Erddruckrichtung nicht möglich ist, sollte unabhängig von der Gründung, für beide Nachweisgruppen der Erdruhedruck angesetzt werden. 8.6.2.2  Schnittgrößenermittlung von Widerlagern Für die Schnittgrößenermittlung ist ein geeignetes Tragmodell erforderlich. Widerlager sind räumlich wirkende Tragwerke, die aus drei Flächentragsystemen bestehen. Die verfügbare ­Rechentechnik und Software gestattet eine Modellierung mittels Volumenelementen, der Berücksichtigung geeigneter Boden­modelle und des Ansatzes physikalisch nichtlinearer Arbeitslinien und somit eine wirklichkeitsnahe Berechnung. Für die Praxis müssen Berechnungsergebnisse und Aufwand in einem akzeptablen Verhältnis stehen. Widerlager sind nach unserem heutigen Erfahrungsbereich standsicher und haben eine geringe Schadensanfälligkeit. Das komplexe Tragverhalten wurde demnach auch bisher gut erfasst. Deshalb folgen ein kurzer Abriss zu den Berechnungs­verfahren und eine Empfehlung für die ­aktuelle Berechnung. Die Literatur zum Problemkreis der Berechnung von Widerlagern ist nicht umfänglich. 1973 wurde eine in sich geschlossene Abhandlung [Eibl et al., 1973-2] zur Berechnung von Widerlagern veröffentlicht

Bild 8.6.2‑1   Tragmodell für einfache Widerlagerwand

8.6  Berechnung von Unterbauten

und in den Auflagen von 1979 und 1988 [Eibl et al., 1988] ergänzt. Für die Widerlagerwand mit auskragenden Flügeln wird in [Eibl et al., 1988] davon ausgegangen, dass die Scheiben- und Plattenwirkungen voneinander getrennt behandelt werden können. Das entsprechende Tragmodell ist eine in der Fundamentebene eingespannte Platte, wie im Bild 8.6.2-1 gezeigt. Die Beanspruchungen der Kragflügel werden als Randbelastungsfälle der eingespannten Platte behandelt. Für die gängigen Belastungsfälle und Geometrien stehen Momententafeln bereit. Es ist die Kirchhoff ’sche Plattentheorie vorausgesetzt worden. Für das Kastenwiderlager werden die in [Eibl et al., 1988] genannten Voraussetzungen, getrennte Behandlung von Scheibenund Plattenwirkung und die Gültigkeit der Kirchhoff ’schen Plattentheorie, beibehalten. Als Tragmodell werden für den gegründeten Flügel eine zweiseitig eingespannte Platte und für die Widerlagerwand eine dreiseitig eingespannte Platte gewählt, siehe Bild 8.6.2-2. Zwischen den Einspannmomenten des Flügels und der Widerlagerwand wird ein Momentenausgleich vorgeschlagen. Die elastische Einspannung der Widerlagerwand und der Flügel im Fundament wird durch eine Abminderung der Starreinspannmomente in Abhängigkeit von der Fundament- und Bodensteifigkeit berücksichtigt. Für die Kammerwand wird als Tragmodell ein zweiseitig eingespannter unendlich langer Halbstreifen gewählt. Für die praktische Anwendung liegen ebenfalls Momententafeln vor.

Bild 8.6.2‑2   Tragmodell für Kastenwiderlager

695

Holst veröffentlichte 1990 [Holst, 1990-2] und 1993 [Holst, 1993] ebenfalls ein in sich geschlossenes Werk zur Schnittgrößenermittlung von Widerlagern. Als Tragmodell für das Kastenwiderlager wird ein Faltwerk gewählt. Faltwerke sind aus ebenen Flächen zusammengefügt, die je nach ihrer Beanspruchung als Platten- und/oder Scheiben wirken. Da die Dicke der Widerlagerwände im Verhältnis zu ihrer Länge und Breite nicht mehr als klein betrachtet werden kann, kommt die erweiterte Plattentheorie nach Mindlin/Reissner zur Anwendung. Das bedeutet die näherungsweise Berücksichtigung der Schubver­formungen der Platte. In der Fundamentebene wird eine starre Einspannung vorausgesetzt. Für die praktische Ermittlung der Momente und Scheibenkräfte infolge zentrischer und exzentrischer Belastungen sind in Abhängigkeit von der ­Geometrie von Widerlagerwand und Flügel Tafelwerte in graphischer Form bereitgestellt. Es wird linear-elas­ tisches Materialverhalten vorausgesetzt. In [Holst, 1993] und in [Holst, 1990-2] sind Berechnungs­tafeln für die Schnittgrößen von Brückenwiderlagern veröffentlicht. Somit stehen in der Literatur Hilfsmittel zur Verfügung, die eine ökonomische Berechnung erlauben. Das Tragverhalten von Kastenwiderlagern wird mit dem Tragmodell des dickwandigen Faltwerks deshalb gut erfasst, da: • die interaktive Platten- und Scheibenwirkung der einzelnen ebenen Flächen wie Flügelwand und Widerlagerwand berücksichtigt wird

696

• die äußeren Einwirkungen hinsichtlich ihres Lastangriffes differenziert sind • die Theorie dicker Platten die realen Abmessungen berücksichtigt und somit den Verformungszustand gut widerspiegelt Ein „wirklichkeitsnahes“ Modell zur Ermittlung der Schnittgrößen ist deshalb ein dickwandiges Faltwerk, das z. B. bei Flachgründungen in einen Fundamentbalken eingespannt ist, der wiederum elastisch gelagert ist. Der praktisch tätige Ingenieur modelliert das kastenförmige Widerlager in der Regel zwar als Faltwerk, allerdings auf der Basis der Kirchhoff ’schen Plattentheorie. Dies entspricht der verbreiteten kommerziellen Software. Mit der Einführung des Rechnens nach Grenzzuständen wird einerseits die Auswirkung der Berücksichtigung nichtlinearen Materialverhaltens und andererseits der Einfluss unterschiedlicher Modellannahmen zur Schnittgrößenermittlung interessant. In [Lerchner/Hartl, 2001] werden für rechtwinklige Kastenwiderlager mit vereinfachten Lastansätzen entsprechende

8  Berechnung

Vergleichsrechnungen vorgestellt. Aus den dabei berücksichtigten Annahmen lassen sich folgende wesentliche Ergebnisse ab­ leiten: Berücksichtigung der Schubverzerrung der Platten (Theorie dicker Platten) Werden die Schubverzerrungen der Platten nicht berücksichtigt, dann ist die Verformungsverträglichkeit an den gemeinsamen Kanten von Widerlagerwand und Flügeln nicht gegeben. Als Folge steigt das Einspannmoment an der Verbindungsstelle stark an. Durch die Vernachlässigung der Schubverzerrungen werden die Momente somit in der gründungsnahen Einspannecke Widerlagerwand-Flügel lokal überschätzt. Die Größenordnung ist jedoch für die Bewehrungsermittlung nicht von relevantem Einfluss. Berücksichtigung der Fundament- und Bodensteifigkeit Die starre Lagerung des Fundaments bewirkt eine große Einspannung zwischen Widerlagerwand und Fundament. Real wird nur eine mäßige Einspannung der Widerlagerwand ins Fundament erreicht.

Bild 8.6.2‑3   Berücksichtigung der Einspannverhältnisse nach [Lerchner/Hartl, 2001]

8.6  Berechnung von Unterbauten

Bild 8.6.2-3 zeigt die prinzipiellen Verhältnisse für unterschiedliche Annahmen. Schnittgrößen bei Annahme nichtlinearen Materialverhaltens In [Lerchner/Hartl, 2001] wurde ein Kas­ tenwiderlager mit Außenabmessungen der Widerlagerwand von 9 m und der Flügel von 4,5 m mit Eigenlast und einem gleichmäßigen Erddruck von 0,05 MN/m² von innen belastet und unter Annahme nichtlinearen Materialverhaltens berechnet. Als Ergebnis wird festgestellt, dass die resultierenden Druckspannungen klein bleiben und auch die Zugspannungen nicht zur Rissbildung führen. Das entspricht den eigenen Erfahrungen und dem bekannten Sachverhalt, dass Widerlager selten und meist nur bei schiefwinkliger Ausführung mehr als die Mindestbewehrung erhalten. Im Kapitel 7 wurde schon darauf aufmerksam gemacht, dass die Geometrie oft von der Bauweise des Überbaus und der Lagerung bestimmt wird. Des Weiteren wird gezeigt, dass aus der Lastbeanspruchung die Flügelverformungen allein aus Kriechen und Schwinden des Betons durch das nichtlineare Verhalten des Materials um das dreifache gegenüber linear elastischem Verhalten zunehmen ohne dass eine Rissbildung eintritt. Es findet deshalb eine geringe Schnittgrößenumlagerung vom Flügel in die Widerlagerwand statt, und die Einspannmomente ins Fundament vergrößern sich leicht. Es kann gefolgert werden, dass ein physikalisch nichtlineares Tragverhalten von Widerlagern im Grenzzustand der Tragfähigkeit für praktische Berechnungen nicht berücksichtigt werden muss. Als Tragwerksmodell liefert das Faltwerk unter Ansatz der Kirchhoff ’schen Theorie und unter Berücksichtigung von Fundament- und Bodensteifigkeit praktisch hinreichend genaue Bemessungsschnittgrößen. Die Ergebnisse der Randeinspannmomente zwischen Widerlagerwand und Flügel können auf das Einspannmoment des

697

Mittelbereichs der Widerlagerwand reduziert werden. Für Widerlager mit angehängten, nicht selbständig gegründeten Flügelwänden gelten für die Modellbildung zur Schnittgrößenermittlung die gleichen Aussagen. Da Flügel und Widerlagerwand nicht auf die gesamte Höhe verbunden sind, werden die Interaktionen geringer und somit wird der Schnittgrößenverlauf nicht so stark durch die Modellbildung beeinflusst. Die dargestellte Modellbildung ist für die Schnittgrößenermittlung des Endzustands und der Bauzustände zutreffend. Ein typischer Bauzustand ist die teilweise Hinterfüllung der Widerlager oder die Lehrgerüstabstützung für den Überbau auf dem Fundamentvorsprung. Die Modellkomponenten gestatten diese Abbildung. Beim Neubau von Brücken im Zuge neuer Verkehrstrassen wird häufig die komplette Brücke fertig gestellt und die Hinterfüllung erst im Zuge des Erdbaus der Trasse vorgenommen. Das Tragwerk ist bereits eingelagert und auch die Fahrbahnübergänge sind montiert. In diesen Fällen sind die Verformungen des Widerlagers infolge Hinterfüllung zwingend zu beachten. Ein ebenfalls zu beachtender Bauzustand ist die Betonage der Widerlagerwand auf dem bereits erhärteten Fundament. Die abklingende Hydratationswärme führt zur Verkürzung der Widerlagerwand, die durch das Fundament behindert wird. Die Folge sind aufgehende Risse in der Wand. Die dargestellte Modellbildung ist zwar prinzipiell geeignet diesen Sachverhalt zu erfassen, was aber zwingend die Modellierung des Fundaments voraussetzt. Einfacher ist ein Modell gekoppelter Scheiben. In der Regel liegen Konstruktionsregeln [ZTV-ING] zur Berücksichtigung dieses Problems vor. Damit ist nur bei abweichenden Geometrien eine Berechnung erforderlich. Die Darstellung zur Bildung der Tragwerksmodelle war bisher auf die Ermittlung der globalen Schnittgrößen orientiert.

698

8  Berechnung

zueinander orthogonalen Richtungen als ebenes Problem nach der Scheibentheorie erfolgen. Damit lassen sich die Beanspruchungen überschaubar ermitteln. Experimentell gewonnene Ergebnisse sind nach wie vor unter Beachtung der dem Versuch zugrunde liegenden Randbedingungen die beste Vergleichsbasis. Im Bild 8.6.2-4 sind gemessene und rechnerisch ermittelte Spaltzugspannungen und Spaltzugkräfte aus [Mildner, 1984] gegenüber gestellt. Die quantitativ und qualitativ gute Erfassung über die Scheibentheorie wird deutlich. 8.6.2.3  Berechnungsbeispiel – Nachweisführung für Widerlager

Bild 8.6.2‑4   Gegenüberstellung von Spaltzugspannungen/-kräften

Daneben sind lokale Wirkungen zu beachten. Das obere Ende der Widerlagerwand ist bei mit Lagern gelagerten Überbauten als Auflagerbank ausgebildet. Die über die Lagerfläche eingetragenen Auflagerlasten des Überbaus erzeugen in der Auflagerbank Querzugspannungen, auch Spaltzugspannungen genannt, die durch die sich ausbreitenden Druckspannungen verursacht werden. Wenn die Teilflächenlast im Bauteil sich gleichmäßig ausbreiten kann, entsteht ein räumlicher Spannungszustand mit Querzugspannungen in allen Richtungen. Vereinfachend kann die Ermittlung in zwei

Mit den Schnittgrößen erfolgt die Nachweisführung für das Widerlager. Die im nachfolgenden verwendeten Bezeichnungen und Symbole entsprechen [DINFB 101, 2009] und [DIN-FB 102, 2009]. Dabei sind die Nachweise für die Gründung und für den Widerlagerkörper zu führen. Die Nachweise der Gründung und damit auch der Standsicherheit des Widerlagers werden im Abschnitt 8.6.4 behandelt. In diesem Abschnitt wird die Führung der Festigkeitsnachweise der Widerlager- und Flügelwände, sowie der Kammerwand anhand des Beispiels einer einfachen Widerlagerwand mit angehängten Flügeln behandelt. 1.  Einwirkungen Zusätzlich zu berücksichtigen sind je nach Bauwerk, Herstellungsverfahren sowie Baufortschritt unterschiedliche Einwirkun-

Tabelle 8.6.2-1   Bodenkennwerte für Hinterfüllung und Gründung des Berechnungsbeispiels Bodenschicht

Wichte γ [kN/m3]

Wichte γ′ [kN/m3]

Reibungswinkel φ′

Hinterfüllung

19

9

34°

Gründung

19

9

30°

Steifemodul Esk [MN/m2] 80

8.6  Berechnung von Unterbauten

699

Bild 8.6.2‑5   Geometrie des Berechnungsbeispiels

Tabelle 8.6.2-2   Materialkennwerte für das Widerlager Beton C 25/30

fck = 25 N/mm2 Ecm = 26 700 N/mm2

Betonstahl BSt 500 S

fyk = 500 N/mm2 Es = 200 000 N/mm2

gen aus den Bauzuständen, wie Belastungen aus dem Traggerüst und der Schalung für den Überbau, Teilhinterfüllung des Widerlagers vor dem Einlagern des Überbaus und Verkehrslasten, die sich aus dem technologischen Bauablauf ergeben (Verdichtungserddruck, Baufahrzeuge, Zwischenlagerung von Baumaterialien).

700 Tabelle 8.6.2-3   Berechnungsbeispiel – Ständige Einwirkungen

8  Berechnung

8.6  Berechnung von Unterbauten Tabelle 8.6.2-3   Fortsetzung

701

702 Tabelle 8.6.2-4   Berechnungsbeispiel – Veränderliche Einwirkungen

8  Berechnung

8.6  Berechnung von Unterbauten Tabelle 8.6.2-4   Fortsetzung

703

704 Tabelle 8.6.2-4   Fortsetzung

8  Berechnung

8.6  Berechnung von Unterbauten

705

Tabelle 8.6.2-5   Berechnungsbeispiel – Außergewöhnliche Einwirkungen

Die Belastungen sind jeweils nach sorgfältiger Abstimmung mit dem Baubetrieb zu berücksichtigen. 2.  Schnittgrößenermittlung Die maßgebenden Stellen für die Ermittlung der erforderlichen Bewehrung im

Grenzzustand der Tragfähigkeit sind in Bild 8.6.2-6 dargestellt. Zusätzliche Berechnungsorte sind bei größeren Wandhöhen sinnvoll, um die Bewehrung abzustufen. Im Bereich der Flügel­ einspannung am Rand der Widerlagerwand verlaufen die Hauptmomente und -normal-

Bild 8.6.2‑6   Maßgebende Stellen für Schnittgrößenermittlung

706

8  Berechnung

kräfte nicht orthogonal zu den Rändern. Die Bemessungsschnittgrößen für die Bewehrung sind aus den Hauptschnittgrößen in die Bewehrungsrichtung umzurechnen. Die Schnittkraftermittlung für das Berechnungsbeispiel wird entsprechend der Empfehlung in Abschnitt 8.6.2.2 als Faltwerk unter Ansatz der Kirchhoff ’schen Theorie und unter Berücksichtigung von Fundament- und Bodensteifigkeit modelliert. Auf eine Darstellung der Schnittgrößen der einzelnen Einwirkungen wird an dieser Stelle verzichtet.

– EWK (Einwirkungskombination) 1:  Verkehrslast auf Hinterfüllung (Verkehrslastgruppe gr1, Tabelle 8.6.2-6) MSd, gr1 = γG1*MG1 + γG2*MG2 + γE,G* ME,G + γQ*MQgr1, H NSd, gr1 = γG1*NG1 + γG2*NG2 + γE,G* NE,G + γQ*NQgr1, H – EWK 2:  Verkehrslast auf Überbau (Verkehrslastgruppe gr2, Tabelle 8.6.2-7) MSd, gr2 = γG1*MG1 + γG2*MG2 + γE,G* ME,G + γQ*[MQlk + ψ1, TS*MQ, TS + ψ1,UDL*MQ, UDL]

3.  Nachweisführung für das Widerlager Es sind die Nachweise für den Grenzzustand der Tragfähigkeit und den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit zu führen. Nachweis für Biegung mit Längskraft Die Nachweise für Biegung mit Längskraft im Grenzzustand der Tragfähigkeit werden für die ständige und vorübergehende Bemessungssituation sowie die außergewöhnliche Bemessungssituation (Anprall auf Schrammbord) in den jeweiligen maßgebenden Bemessungsschnitten geführt. Für die Einspannstelle (Ort 2/4) der Widerlagerwand im Fundament werden folgende mögliche Einwirkungskombinationen maßgebend:

NSd,gr2 = γG1*NG1 + γG2*NG2 + γE,G* NE,G + γQ*[NQlk + ψ1,TS*NQ,TS + ψ1,UDL*NQ,UDL] Für die Flügeleinspannung (Ort 3/5) sind folgende Nachweiskombinationen zu untersuchen: – EWK 3:  Verkehrslast auf Hinterfüllung (Verkehrslastgruppe gr1, Tabelle 8.6.2-8) MSd, gr1 = γG1*MG1 + γG2*MG2 + γE,G* ME,G + γQ*MQgr1,H NSd, gr1 = γG1*NG1 + γG2*NG2 + γE,G* ME,G + γQ*NQgr1,H



Tabelle 8.6.2-6   Berechnungsbeispiel – Bemessungsschnittgrößen, EWK 1 mx [kNm/m]

my [kNm/m]

mxy [kNm/m]

nx [kNm/m]

ny [kNm/m]

nxy [kNm/m]

∑ Ort 2

51,09

291,79

  2,43

–44,71

–213,88

–0,92

∑ Ort 4

29,94

406,19

46,24

–11,81

–602,89

36,54

Tabelle 8.6.2-7   Berechnungsbeispiel – Bemessungsschnittgrößen, EWK 2 mx [kNm/m]

my [kNm/m]

mxy [kNm/m]

nx [kNm/m]

ny [kNm/m]

nxy [kNm/m]

∑ Ort 2

42,69

241,3

  24,85

–47,72

–222,39

–0,9

∑ Ort 4

11,76

185,82

–25,19

–10,14

–500,56

30,15

8.6  Berechnung von Unterbauten

707

– EWK 4:  Anprall auf Schrammbord am Flügelende (Tabelle 8.6.2-9) MSd,A = γG1*MG1 + γG2*MG2 + γE,G* ME,G + MAd NSd,A = γG1*NG1 + γG2*NG2 + γE,G* NE,G + NAd EWK 1 mit: γG1, inf = 1,0 für Eigenlast des Widerlagers γG2, inf = 1,0 für Eigenlast des Überbaus γG,E, sup = 1,35 für Erddruck aus Hinter­- füllung γQ = 1,5 für Verkehr auf Hinterfül- lung (zentrische Laststellung) EWK 2 mit: γG1, inf = 1,0 für Eigenlast des Wider­ lagers γG2, inf = 1,0 für Eigenlast des Überbaus γE,G, sup = 1,35 für Erddruck aus Hinter­ füllung γQ = 1,5 für Bremslast auf Über­bau gr2 ψ1 = 0,4 für zugehörige Vertikallast aus Verkehr für Bremslast (UDL) ψ1 = 0,75 für zugehörige Vertikallast aus Verkehr für Bremslast (TS)

EWK 3 mit: γG1 = 1,35 für Eigenlast des Widerlagers γG2 = 1,35 für Eigenlast des Überbaus γE,G = 1,35 für Erddruck aus Hinterfüllung γQ = 1,5 für Verkehr auf Hinterfüllung (exzentrische Laststellung) EWK (außergewöhnliche Kombination) 4 mit: γG1 = 1,00 für Eigenlast des Widerlagers γG2 = 1,00 für Eigenlast des Überbaus γG3 = 1,00 für Erddruck aus Hinterfüllung γQ = 1,00 für Seitenstoß auf Flügel Unter Berücksichtigung der Bemessungsschnittgrößen ergibt sich in den maßgebenden Bemessungsquerschnitten die in der Tabelle 8.6.2-10 ausgegebene statisch erforderliche Bewehrung im Grenzzustand der Tragfähigkeit. Nachweis für Querkraft VSd < VRd1 bzw. VRd, ct (BauteilohneSchubbewehrung) VSd < VRd, sy (Bauteil mit Schubbewehrung) VSd < VRd, max (Höchster Bemessungswert der Querkraft, die ohne Versagen der Druckstreben aufgenommen werden kann)

 Tabelle 8.6.2-8   Berechnungsbeispiel – Bemessungsschnittgrößen, EWK 3 mx [kNm/m]

my [kNm/m]

mxy [kNm/m]

nx [kNm/m]

ny [kNm/m]

nxy [kNm/m]

∑ Ort 3

244,28

–1,04

23,14

229,03

   9,05

–20,31

∑ Ort 5

177,03

27,57

59,34

131,34

–15,69

–14,33

Tabelle 8.6.2-9   Berechnungsbeispiel – Bemessungsschnittgrößen, EWK 4 mx [kNm/m]

my [kNm/m]

mxy [kNm/m]

nx [kNm/m]

ny [kNm/m]

nxy [kNm/m]

∑ Ort 3

226,15

–10,29

14,74

148,7

28,07

–7,96

∑ Ort 5

164,26

  28,84

56,84

154,41

16,13

  0,89

708

8  Berechnung

Tabelle 8.6.2-10   Berechnungsbeispiel – Biegebewehrung Luftseite Ort

as, x 

[cm2/m]

Erdseite as, y 

[cm2/m]

as, x  [cm2/m]

as, y  [cm2/m]

1 2

–

–

1,64 (1)

4,56 (1)

0,89 (2)

–

2,16 (1)

4,47 (1)

3 4 5

Die maßgebenden Stellen für den Nachweis der Querkraft sind der Fundamentanschluss der Widerlagerwand und der Anschluss der Flügelwände an die Widerlagerwand. Nachweis für Torsion Ein Nachweis für Torsion kann bei üblichen Widerlagerabmessungen in der Regel entfallen. Nachweis für konzentrierte Last­ einleitung Im Bereich der Auflagerbank unter den Lagern ist der Nachweis der konzentrierten Lasteinleitung zu führen. Die aufnehmbare Teilflächenbelastung kann wie folgt ermittelt werden: FRdu = Ac0 ⋅ f cd ⋅

Ac1 ≤ 3,0 f cd ⋅ Ac0 Ac0

zugbewehrung ergibt sich näherungsweise jeweils für die betrachtete Schnitt­ebene entsprechend Bild 8.6.2-8 zu:  d  ZSd = 0,25 ⋅ FSd 1 − c0   dc1  Daraus folgt die erforderliche Spaltzugbewehrung: As, Z =

ZSd f yk /γ s

Nachweis der Ermüdung Der Nachweis für Ermüdung entfällt im Allgemeinen bei Widerlagern von Straßenbrücken, die nicht biegesteif mit dem Überbau verbunden und nicht begehbar sind. Bei Eisenbahnbrücken ist der Nachweis für Ermüdung zu führen.

fck mit fcd = 0,85 ∙ 6 und Acl bzw. Ac0 nach γc Bild 8.6.2-7 Für die entsprechende Einwirkungskombination sind zu berücksichtigen: – ständige Lasten des Überbaus – veränderliche Lasten aus dem Überbau FSd = 1,35 FG + 1,5 FQgr1 Die Spaltzugkräfte in der Auflagerbank sind durch Bewehrung in Form von Wendeln bzw. Bügeln aufzunehmen. Die vorhandene Spaltzugkraft und die erforderliche Spalt-

Bild 8.6.2‑7   Flächen zur Ermittlung der aufnehmbaren Teilflächenbelastung

8.6  Berechnung von Unterbauten

709

wehrungsstähle in Abhängigkeit von der Stahlspannung oder durch eine direkte Berechnung der Rissbreite. Zur Vermeidung breiter Einzelrisse ist in den oberflächennahen Bereichen des Widerlagerquerschnitts eine Mindestbewehrung anzuordnen.

ρs =

Bild 8.6.2‑8   Spaltzugbewehrung in der Auflagerbank

Im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit sind Spannungsbegrenzungen und die Begrenzung der Rissbreiten nachzuweisen. Spannungsbegrenzungen Die Betonspannungen sind unter der nicht häufigen Kombination auf 0,6 fck zu begrenzen. Die Zugspannung in der Betonstahlbewehrung ist für die nicht-häufige Einwirkungskombination auf den Wert 0,8 fyk zu begrenzen. Nachweis der Begrenzung der Riss­breiten Die Rissbildung in den Widerlagerbauteilen ist so zu begrenzen, dass die ordnungsgemäße Nutzung und das Erscheinungsbild nicht beeinträchtigt werden. Für Stahlbetonkonstruktionen beträgt der Bemessungswert der Rissbreite 0,2 mm, soweit keine weitergehenden Forderungen bestehen. Zur Begrenzung der Rissbreite sind zwei Nachweise erforderlich: • der Nachweis einer Mindestbewehrung • der Nachweis der Begrenzung der Rissbreite entweder durch eine Durchmesser- und Abstandsbegrenzung der Be-

kc ⋅ k ⋅ f ct ,eff

σs ρs der auf den gezogenen Querschnittsteil Act des betrachteten Querschnitts As bezogene Bewehrungsgehalt 6  Act kc Beiwert zur Berücksichtigung der Spannungsverteilung im Querschnitt σS zulässige Spannung in der Betonstahlbewehrung zur Begrenzung der Riss­breite in Abhängigkeit vom Grenz­durchmesser fct, eff –  bei Rissbildung im jungen Beton, z. B. Hydratation, gleich 0,5 fctm –  bei Rissbildung nach 28 Tagen: fctm � 3 N/mm2 k abhängig von der Art des Zwangs (intern, extern) und von der Bauteil­ abmessung ist der Wert zwischen 1 und 0,5. Die Begrenzung der Rissbreite der so ermittelten Bewehrung darf dabei durch eine Begrenzung des Stabdurchmessers nachgewiesen werden. Die Herstellung des Widerlagers erfolgt durch die nacheinander folgende Betonage von Fundament, Widerlager- und Flügelwänden. Während des Abkühlungs­pro­ zesses der Wände unterliegen diese immer Zwängungen, da der Fundamentbalken schon erhärtet ist. Deshalb sind für die Unterbauten, die an bestehende Bauteile betoniert werden, eine definierte konstruktive Bewehrung [DIN-FB 102, 2009], 5.4.7.3 erforderlich. Neben den aufgeführten Schnittgrößen­ ermittlungen und Nachweisführungen für Widerlagerwände und Flügelwände ist die

710

Kammerwand zu beachten. Die Kammerwand ist in die Widerlagerwand und in die Flügelwand elastisch eingespannt. Sie erhält Einwirkungen aus Erddruck aus Hinterfüllung, aus Erddruck aus Verkehr auf der Hinterfüllung oder aus einer Bremslast in Längsrichtung bei einer gleichzeitigen vertikalen Achslast und Rückstellkräfte vom Fahrbahnübergang. 8.6.3  Berechnung von Pfeilern und Stützen 8.6.3.1  Einwirkungen auf Pfeiler und Stützen Stützen und Pfeiler erhalten Beanspruchungen infolge: • ständiger Einwirkungen – Auflagerreaktion infolge Eigenlast des Überbaus – Auflagerreaktion infolge Vorspannung – Eigenlast von Stütze/Pfeiler • veränderlicher Einwirkungen – Auflagerreaktion infolge Verkehr (vertikal, horizontal) – Auflagerreaktion infolge Wind auf den Überbau (horizontal) – Auflagerreaktion infolge linearem Temperaturunterschied im Überbau – Auflagereaktion infolge Längenänderungen des Überbaus – Wind auf Stütze/Pfeiler – linearer Temperaturunterschied im Pfeilerschaft • außergewöhnlicher Einwirkungen – Auflagerreaktion infolge Anprallsituation auf Überbau – direkter Anprall auf Stütze/Pfeiler 8.6.3.2  Schnittgrößenermittlung und Nachweise von Pfeilern und Stützen Für die Schnittgrößenermittlung ist ein geeignetes Tragsystem erforderlich. In den Kapiteln 6 (Abschnitt 6.2) und 8 (Ab-

8  Berechnung

schnitt 8.2) werden die Sachverhalte und Beurteilungs­kriterien aufgeführt, die eine Schnittgrößen­ermittlung am Gesamtsystem erfordern. Im Sinne der Berechnung werden zu diesem Zweck Tragwerke und Tragwerksteile als verschieblich oder unverschieblich (besser entsprechend [Kordina/Quast, 2003] verformungsbeeinflusst oder verformungsunbeeinflusst) eingeteilt. Allgemein gilt: Tragwerke, bei denen der Einfluss der Pfeilerkopfverschiebungen auf die Schnittgrößen vernachlässigt werden kann, gelten als unverschieblich. Stützen und Pfeiler sind zudem Bauteile, die vorwiegend auf Druck beansprucht werden und deren Tragfähigkeit (auch im getrennten System) durch ihre horizontalen Verformungen entlang der Pfeilerachse beeinflusst werden kann (Auswirkungen der Theorie II. Ordnung). Im Sinne der Berechnung werden die Einzelbauteile in verschiebliche oder unverschiebliche und in schlanke und nicht schlanke Einzelbauteile eingeteilt. Auch hier gilt: Kann der Einfluss der Verformungen auf die Schnittgrößen vernachlässigt werden, dann brauchen die Auswirkungen der Theorie II. Ordnung nicht berücksichtigt zu werden. Für die praktische Handhabung ist eine Quantifizierung von „vernachlässigbar“ und „schlank“ wünschenswert. Im [DINFB 102, 2009] wird dies geregelt. Danach müssen die Auswirkungen nach der Theorie II. Ordnung berücksichtigt werden, wenn diese die Tragfähigkeit um mehr als 10% verringern. Einzeldruckglieder gelten als schlank, wenn sie nachfolgende Grenzwerte der Schlankheit λ  λmax = 25    für |vEd| > 0,41 λmax = 16/ √|vEd|    für |vEd| < 0,41

31

8.6  Berechnung von Unterbauten

711

übersteigen und sind dann unter Berücksichtigung der Auswirkungen nach Th. II. Ordnung nachzuweisen. mit λ = l0/i l0 Ersatzlänge des lotrechten Bauteils i Flächenträgheitsradius: i = √ I/A vEd bezogene Längskraft des Bauteils NEd vEd = 92 Ac ∙ fcd NEd Bemessungswert der mittleren Längskraft des Einzeldruckglieds Ac Querschnittsfläche des Druckglieds fcd Bemessungswert der Betondruckfestigkeit

31

Die Verwendung der Ersatzlänge l0 erinnert dabei noch an das Knickproblem mit Gleichgewichtsverzweigung, obwohl die Nachweisführung im Betonbau konsequent als verformungsbeeinflusstes Traglastproblem konzipiert ist. Nahe liegender wäre es Ersatzlängen nicht nach Maßgabe gleicher Knicklasten, sondern nach Maßgabe gleicher Verformungen zu bestimmen. Entsprechende Anmerkungen sind in [Quast/ Pfeiffer, 2003] enthalten. Bei der Festlegung der Ersatzlänge l0 sind wiederum die Interaktionen zwischen Bauwerk und Baugrund und die Lagerungsbedingungen am Fuß und Kopf der Stütze zu berücksichtigen. Für die Schnittgrößenermittlung sind Unsicherheiten bezüglich der Lage und Richtung der Längskräfte durch Ansatz geometrischer Ersatzimperfektionen zu berücksichtigen. Für Einzeldruckglieder darf die geometrische Ersatzimperfektion durch eine Erhöhung der vorhandenen Lastausmitte der Längskräfte e0 um eine Zusatzausmitte ea , in ungünstiger Richtung wirkend eingeführt werden. ea =

1 l ⋅ 0 100 ⋅ l 2

mit l   Gesamthöhe des Tragwerks in m

Verformungen infolge von linearen Temperaturunterschieden über den Pfeilerquerschnitt aus thermischen Einflüssen dürfen als zusätzliche Anfangsimperfektion betrachtet werden. Unverschiebliche Tragwerke oder Einzeldruckglieder, die nicht als schlank gelten, brauchen nicht nach der Theorie II. Ordnung nachgewiesen werden. Die Nachweisführung für die Schnittgrößen nach Theorie I. Ordnung erfolgt dann z.B. nach [DIN FB102, 2009, 4.3.1]. Allgemein sind die Auswirkungen der Theorie II. Ordnung mittels physikalischer und geometrisch nichtlinearer Schnittgrößenermittlung zu ermitteln. Vereinfachte Annahmen für den versteifenden Einfluss aus der Mitwirkung des Betons auf Zug ­zwischen den Rissen und zur Momenten – Verkrümmungs – Beziehung sind im Anhang II von [DIN-FB 102, 2009] gegeben. Für die Ermittlung der Auswirkungen der Theorie II. Ordnung am Gesamtsystem sind im Abschnitt 8.2 und in [DAfStb 525, 2003] Erläuterungen zu finden. Für schlanke Stützen oder Pfeiler, die als Einzeltragsystem abgebildet werden können, dürfen die Auswirkungen nach Theorie II. Ordnung vereinfachend nach dem Modell­ stützenverfahren ermittelt werden, wenn der Querschnitt rechteckig oder rund ist und die planmäßige Lastausmitte nach Theorie I. Ordnung e0 mindestens h/10 ist. Da in der Entwurfspraxis dieser Sach­verhalt 80% der Brücken betrifft, wird an dieser Stelle das Modellstützenverfahren erläutert. Modellstützenverfahren Ausführliche Erläuterungen zu den Grundlagen des Modellstützenverfahrens sind in [Kordina/Quast, 2003] enthalten. Das im [DIN-FB 102, 2009] beschriebene Modellstützenverfahren überführt die Nachweise nach Theorie II. Ordnung in eine Querschnittsbemessung. Dabei dient die Ersatzlänge l0 nur zur Berechnung der zusätzlichen Lastausmitte aus Verformungen nach Theorie II. Ordnung.

712

8  Berechnung

Als Modellstütze wird eine am Fuß eingespannte Kragstütze definiert, die unter den äußeren Einwirkungen eine einfach gekrümmte Verformungsfigur aufweist, wobei das maximale Moment am Stützenfuß auftritt. Der reale Verkrümmungsverlauf nähert sich mehr der Rechteckform, je kleiner die H-Last und die bezogene Zusatzausmitte e2/h ist, der Dreiecksform je größer die H-Last ist und wird umso mehr parabelförmig, je größer die bezogene Zusatzausmitte ist. Für große Schlankheiten mit großer Zusatzausmitte ergibt sich ein annähernd parabelförmiger Verkrümmungsverlauf, so dass dieser Verlauf zugrunde gelegt wird. Die zweite Vereinfachung des Modellstützenverfahrens besteht darin, dass grundsätzlich mit der zum Fließzustand gehörenden Verkrümmung gerechnet wird. Diese ergibt sich näherungsweise zu: 1 2 ∙ K2 ∙ Kφ ∙ εyd 4 = — r 0,9 ∙ d nach Gl. (4.69) [DIN-FB 102, 2009] mit εyd Bemessungswert der Dehnung der Bewehrung an der Streckgrenze d Nutzhöhe des Querschnitts in Richtung Stabilitätsversagen Innerhalb der Gleichung berücksichtigt der Beiwert K2 die Verkrümmungsabnahme bei gleichzeitigem Anstieg der Längs­ kräfte. K2 =

N ud − N Ed N ud − N bal



mit Nud Bemessungswert der Grenztragfähigkeit des durch zentrischen Druck beanspruchten Querschnitts NEd Bemessungswert der aufzunehmenden Längskraft Nbal aufnehmbare Längsdruckkraft bei größter Momententragfähigkeit des Querschnitts

Wenn das Kriechen berücksichtigt werden muss, darf dies durch eine Vergrößerung der Verkrümmung mit dem Faktor Kφ erfolgen. Kφ = 1 + β ∙ φeff ≥ 1 Dabei ist φeff die effektive Kriechzahl φeff – φ(∞,t0) ∙ M1,perm/M1,Ed M1,perm = Moment im GZG infolge der quasi-ständigen EWK M1,Ed = Bemessungsmoment im GZT β = 0,35 + fck/200 – λ/150 ≥ 0 Muss das Kriechen nicht berücksichtigt werden, gilt Kφ = 1,0. Die Zusatzausmitte e2 ergibt sich in Abhän1 gigkeit von der Verkrümmung 3 des am r meisten gedehnten Querschnitts (Einspannstelle) zu: e2 = K ⋅ l 2 ⋅

1 r

In dieser Formulierung ist K der Beiwert für die Verkrümmung. Dieser beträgt für den vorausgesetzten parabelförmigen Verlauf ca. 4/10 bezogen auf l bzw. 1/10 bezogen auf l0  . Zusätzlich wird noch ein Faktor K1 eingeführt, der den Übergang zwischen der reinen Querschnittstragfähigkeit bis λ = 25 und der ab λ = 35 maßgebenden Stützentragfähigkeit regelt. Somit ergibt sich die Zusatzausmitte e2 zu: e2 ≈ K1 ⋅

4 l2 l2 1 ⋅ = K1 ⋅ 0 ⋅ 10 r 10 r



mit

λ K1 = 4 – 2,5 für 25 ≤ λ ≤ 35 10 =1 für λ > 35

Für weitere Hinweise sei auf [Kordina/ Quast, 2003] verwiesen.

8.6  Berechnung von Unterbauten

Die wesentlichen Randbedingungen des Modellstützenverfahrens bestehen im Verzicht der genauen Bestimmung der Verkrümmung und der Verformungsfigur. Die Verformungen sind somit näherungsweise unabhängig von der Art der Beanspruchung und insbesondere von der noch unbekannten Bewehrung. Es wird darauf hingewiesen, dass infolge der grundsätz­lichen Annahme der zum Fließzustand gehörenden Verkrümmung es sich bei der Zusatzausmitte e2 nicht um die im Grenzzustand der Tragfähigkeit tatsächlich auftretende Stützenverformung ­handelt. Hierzu siehe auch [Kordina/Quast, 2003]. Somit kann auch die ermittelte Stützenverformung nicht zur Beur­teilung von Lager­ wegen herangezogen werden. Das auf die Modellstütze einwirkende Gesamtmoment setzt sich aus dem Momen­ tenanteil M1 nach Theorie I. Ordnung und dem Momentenanteil M2 nach Theorie II. Ordnung zusammen. M = M1 + M2 = M1 + N ∙ etot Die Gesamtausmitte etot setzt sich aus den drei Anteilen e0 , ea und e2 zusammen: etot = e0 + ea + e2 mit e0 = Lastausmitte nach Theorie I. Ordnung ea = Zusatzausmitte infolge geometrischer Ersatzimperfektion e2 = Lastausmitte nach Th. II. Ordnung Damit ist das Gesamtbiegemoment im verformten Zustand bekannt. Die Ermittlung des Bewehrungsanteils kann dann mit Hilfe von Interaktionsdiagrammen, z. B. entsprechend [DAfStb 525, 2003], erfolgen. Die Ansätze des Modellstützenverfahrens lassen sich grundsätzlich auch auf Druckglieder mit zweiachsiger Lastausmitte übertragen, jedoch verbleiben zusätzliche Parameter, wie die Seitenverhältnisse des Querschnitts, der Verlauf der bezogenen Lastaus-

713

mitten und die Lagerungsbedingungen in beiden Hauptebenen, die es nicht gestatten, vereinfachte Verfahren anzuwenden. Mit abnehmender Lastausmitte und zunehmender Schlankheit ergeben sich größere Abweichungen des Modellstützenverfahrens zur Realität. Entsprechende Vergleichsbetrachtungen sind in [Kordina/ Quast, 2003] enthalten. Danach sind geringe Abweichungen nur bei einem ausgeprägten Abknicken der Momenten- bzw. Verkrümmungslinie im Bereich des Fließpunkts zu erwarten, d. h. bei hohen Bewehrungsgraden und randnaher Bewehrung. Verallgemeinerbare Untersuchungen hinsichtlich der Abweichungen des Modellstützenverfahrens wurden bislang nicht durchgeführt. Die Realitätsnähe der mittels Modellstützenverfahren gefundenen Lösung kann verbessert werden, in dem die Spitzenausbiegung in Abhängigkeit von den einwirkenden Lasten und unter Berücksichtigung der Pfeilereigenlast und der Gründungssteifigkeit korrigiert und somit der Momentenanteil M2 verbessert wird. Anwendung nichtlinearer Verfahren der Schnittgrößenermittlung Für Systembetrachtungen und insbesondere, wenn die zugehörigen Verformungen zur Beurteilung von Lagerwegen bekannt sein müssen, sind nichtlineare Verfahren anzuwenden. Bei der Anwendung nichtlinearer Verfahren sind die Verformungen und die daraus resultierenden Schnitt­ größen auf der Grundlage der SpannungsVerzerrungs-Linien für Beton und Betonstahl zu berechnen. Zur realitätsnahen Verformungsberechnung sind Baustoffmittelwerte zu verwenden, da die Verformung als integrale Größe nur geringfügig von lokalen Schwachstellen abhängt. Da der Nachweis der Querschnittstragfähigkeit mit Bemessungswerten erfolgt, ergibt sich somit eine iterative Vorgehensweise. Im [DIN-FB 102, 2009] ist das sogenannte „Rechenwertverfahren“ aufgenom-

714

men. Dabei werden rechnerische Mittelwerte der Baustofffestigkeiten für Beton und Stahl definiert, die anschließend die Anwendung eines einheitlichen Teilsicherheitsfaktors von γR = 1,3 ermöglichen. Rechnerische Mittelwerte der Baustofffestigkeiten: fyR = 1,1 ∙ fyk (Streckgrenze des Betonstahls) ftR = 1,08 ∙ fyR (Zugfestigkeit des Betonstahls) fcR = 0,85 ∙ α ∙ fck = 0,852 ∙ fck (Betondruckfestigkeit) Der Grenzzustand der Tragfähigkeit gilt als erreicht, wenn in einem beliebigen Querschnitt • die kritische Stahldehnung von εsu = 0,025 oder • die kritische Betonstauchung von εc1u = –0,0035 oder • am Gesamtsystem oder Teilen davon der kritische Zustand des indifferenten Gleichgewichts erreicht ist. Quast erläutert in [Quast, 2000], dass dieses Verfahren für die zutreffende Berechnung ungeeignet sei, da unnötigerweise auch der Elastizitätsmodul des Betonstahls reduziert wird und es somit zu unwirtschaftlichen Ergebnissen führen kann. So können sich unter Anwendung des „Rechen­wertverfahrens“ in besonderen Fällen Abminderungen der zulässigen Stützenlasten auf bis zu 70% gegenüber der Verwendung geteilter Teilsicherheitsbeiwerte ergeben. Der Anwender sollte sich der Abweichungen des Rechenwertverfahrens bewusst sein. Der versteifende Einfluss aus der Mitwirkung des Betons auf Zug zwischen den Rissen (tension stiffening) ist zu berücksichtigen. Er darf vernachlässigt werden, wenn dies auf der sicheren Seite liegt. Zur Berücksichtigung ist ein geeignetes Verfahren auszu-

8  Berechnung

wählen. Nach [DIN-FB 102, 2009], Anhang 2 darf der versteifende Einfluß aus der Mitwirkung des Betons auf Zug zwischen den Rissen durch Ansatz einer wirksamen mittleren Spannungs-Dehnungs-Linie für den Stahl im Verbund bei Annahme einer gerissenen Betonzugzone berücksichtigt werden. Die Berücksichtigung der Gründungssteifigkeiten, kann durch Feder – Modelle erfolgen. Angaben zu Feder-Modellen für verschiedene Gründungsvarianten und die Ermittlung der jeweiligen Federsteifigkeiten finden sich z. B. in [Klöker, 1997]. Mindestbewehrung Unabhängig von der Methode der Schnittgrößenermittlung und Nachweisführung ist eine konstruktive Mindestbewehrung vorzusehen. Für die einzulegende Mindestbewehrung sind nachfolgende ­Kriterien einzuhalten: • Die Mindestlängsbewehrung der gesamten Querschnittsfläche ergibt sich zu: As ,min =

0,15 N Ed f yd

≥ 0,003 Ac

≤ ∅ 16 mm, s = 150 mm fyk mit fyd = 8 γS • Der Bewehrungsquerschnitt darf, auch im Bereich von Bewehrungsstößen 9% der Fläche des Betonquerschnitts nicht überschreiten. Der Durchmesser der Querbewehrung muss mindestens 25% des Größtdurchmessers der Längsbewehrung und mindestens 10 mm betragen. Nachweis gegen Anprall: Stützen, die Einwirkungen aus Fahrzeuganprall ausgesetzt sind, sind entweder als auszufallende Bauteile zu betrachten oder müssen einen hinreichenden Widerstand besitzen, der die Aufnahme der kinetischen Energie ermöglicht.

8.6  Berechnung von Unterbauten

Bei einer Gefährdung durch Straßenverkehr ist der Nachweis auf Anprall in folgenden Fällen nicht erforderlich: • volle rechteckige Stahlbetonquerschnitte mit einer Länge l von mind. 1,6 m in Fahrtrichtung und einer Breite b quer zur Fahrtrichtung von b = 1,6 – 0,2 ∙ l ≥ 0,9 m • bei Stahlbetonhohlpfeilern mit einer Mindestwandddicke von 0,60 m. Wird das stützende Bauteil als ausfallendes Bauteil betrachtet, sind zur Sicherung des Lichtraumprofils die daraus resultierenden Verformungen unter der häufigen Einwirkungskombination nachzuweisen. Die Aufnahme der Anprallasten ist durch das elastische Tragvermögen der Stütze nachzuweisen, wobei der Ausfall einer Zerschellschicht in Rechnung zu stellen ist. Desweiteren ist die Schubdeckung nachzuweisen, wobei eine abgeminderte Bewehrungsmenge eingelegt werden kann, wenn die Längsbewehrung vom Anprallbereich bis zur Einspannstelle zweilagig geführt wird.

Bild 8.6.3‑1   Pfeilergeometrie

715

Konstruktive Bewehrungsvorgaben sind im [DIN-FB 102, 2009] enthalten. Für die Nachweisführung sind folgende Einwirkungskombinationen maßgebend: Sd = 1,0 ∙ Gk + 1,0 ∙ Pk + Ad + 1,0 ∙ (0,75 ∙ Ql,TS + 0,4 ∙ Ql,UDL) oder Sd = 1,0 ∙ Gk + 1,0 ∙ Pk + Ad + 1,0 ∙ 0,3 ∙ QFw oder Sd = 1,0 ∙ Gk + 1,0 ∙ Pk + Ad Nachweispflichtige anprallgefährdete Stützen und Pfeiler sind außerhalb geschlossener Ortschaften und bei untergeordneten Straßen durch besondere Maßnahmen zu sichern. Dazu gehören durchgehende Schutzeinrichtungen mit mindestens 1 m Abstand vor der zu schützenden Konstruktion oder Betonsockel mit einer Mindesthöhe von 80 cm, die über die Außenkante des zu schützenden Bauteils um mindes­ tens 2 m in Fahrtrichtung und 0,5 m quer dazu hinausragen.

716

Bild 8.6.3‑2   Pfeilerquerschnitt

Einleitung der Stützenkräfte in das Fundament Bei der Ausführung von Flachgründungen werden die Pfeiler/Stützenkräfte in der Regel ohne zusätzliche Fußverstärkung in die Fundamentsplatte eingeleitet und auf Biegung abgetragen. Regelungen zur Nachweisführung des Fundaments sind im Abschnitt 8.6.4 enthalten.

8  Berechnung

und vergleichsweise mittels einer nichtlinearen Schnittgrößenermittlung. Die Einwirkungen auf die Stütze wurden vorab unter Berücksichtigung des Systemtragverhaltens ermittelt, die Betrachtung des Pfeilers als Einzeldruckglied im Sinne der Nachweisführung ist zulässig. Baustoffkennwerte, System und Abmessungen Baustoffkennwerte: Beton:  C30/37 mit fcd = 0,85 ∙ 30 000/1,5 = 17 000 kN/m2 Stahl:  BSt 500 S mit fyd = 500 000/1,15 = 434 800 kN/m2 ftd = 525 000/1,15 = 456 500 kN/m2

8.6.3.3 Berechnungsbeispiel – Nachweisführung für schlanken Pfeiler

Stützenlänge:

Am Beispiel eines schlanken Brückenpfeilers erfolgt die Nachweisführung im Grenzzustand der Tragfähigkeit unter Berücksichtigung der Verformungen zum einen auf der Grundlage des Modellstützenverfahrens

Querschnittsabmessungen:

L = 25,0 m

b/dy /dy1 = 5,0/4,92/0,08 m h/dx/dx1 = 1,5/1,42/0,08 m

charakteristische Werte der Einwirkungen: 1 Auflagerkraft infolge ständiger Einwirkungen 2 Auflagerkraft infolge Vorspannung 3.1 Auflagerkraft infolge Verkehr (gr1) 3.2 Auflagerkraft infolge Verkehr (Achslast TS) 3.3 Auflagerkraft infolge Verkehr (Flächenlast UDL) 4 Horizontalkraft infolge Bremsen/Anfahren 5 Horizontalkraft aus Windangriff auf Brückenüberbau (ohne Verkehr) 6 Horizontalkraft aus Windangriff auf Brückenüberbau (mit Verkehr) 7 aus Windangriff auf Stütze

BV,   G = 10 595 kN BV,   P = 180 kN BV,   gr1 = 3260 kN BV,   TS = 800 kN BV,   UDL = 2460 kN BH,   lk = 514 kN BH, W1 = 296 kN BH, W2 = 541 kN w

= 1,2 kN/m

8.6  Berechnung von Unterbauten

717

Tabelle 8.6.3-1   Berechnungsbeispiel - Zusatzmomente infolge ea und e2

Annahmen: Stützenfuß starr eingespannt Stützenkopf frei verschieblich l0 = 2 * L

Kφ = 1 + β ∙ φeff ≥ 1 β = 0,35 + fck/200 – λ/150 βx = 0,35 + 30/200 – 115,5/150 = –0,27 < 0 βy = 0,35 + 30/200 – 34,6/150 = 0,27 > 0 Kφ,x = 1 Kφ,y = 1 + 0,27. φeff

ungewollte Ausmitte ea infolge Imperfektion ea =

l 1 l 25 ⋅ 0= = = 0,05 m 100 ⋅ l 2 100 100

zusätzliche Lastausmitte e2 infolge Auswirkungen nach Theorie II. Ordnung φ φ

Eine Berücksichtigung der Kriechauswirkungen braucht nur für den Nachweis um die starke Achse des Querschnitts zu erfolgen. Auf eine Verfolgung dieses Einflusses wird im Rahmen dieses Beispiels verzichtet, da die Beanspruchung in der Richtung nicht maßgebend für den Nachweis wird. Ermittlung der maßgebenden Einwirkungskombinationen: a) Beanspruchung in Längsrichtung: EWK (Einwirkungskombination) 1 – Verkehrslastgruppe gr1 als Leiteinwirkung Ed

= 1,35 ∙ G + 1,0 ∙ P + 1,5 ∙ Qgr1 = 1,35 ∙ LF1 + 1,0 ∙ LF2 + 1,5 ∙ LF3.1

NSd = –1,35 ∙ 10595 – 1,0 ∙ 180 – 1,5 ∙ 3260 = –19 373 kN

718

8  Berechnung

MSd,y = 1,35 ∙ 9541 + 1,0 ∙ 162 + 1,5 ∙ 2936 = 17 446 kNm EWK 2 – Verkehrslastgruppe gr2 als Leiteinwirkung Ed = 1,35 ∙ G + 1,0 ∙ P + 1,5 ∙ Qgr2 = 1,35 ∙ LF1 + 1,0 ∙ LF2 + 1,5 ∙ (LF4 + 0,75 ∙ LF3.2 + 0,40 ∙ LF3.3) NSd = –1,35 ∙ 10 595 – 1,0 ∙ 180 – 1,5 ∙ (0,75 ∙ 800 + 0,40 ∙ 2460) = –16 859 kN

Dimensionsloser Bemessungswert der größten Längskraft: Ac ∙ fcd = 1,5 ∙ 5,0 ∙ 0,85 ∙ 30 000/1,5 = –127500 kN νEd = –19 373/–127500 = 0,152 < 0,5 → in allen Kombinationen liegt die Beanspruchung im Zugbruchbereich, die Bemessung erfolgt deshalb vereinfacht nach [Kordina/Quast, 2003] Noc = –Ac ∙ fcd = –127500 kN

Ermittlung der erforderlichen Bewehrung: MSd,y = 1,35 ∙ 9541 + 1,0 ∙ 162 + 1,5 ∙ (12 850 + 0,75 ∙ 720 + 0,40 ∙ 2215) EWK 2 → maßgebend für Beanspruchung in Längsrichtung = 34 457,0 kNm  h N M c = N Sd ⋅ ⋅  Sd − 1 b)  Beanspruchung in Querrichtung 2  N 0c  EWK 3 – Verkehrslastgruppe gr1 als 1,5 16859  Leiteinwirkung = −16859 ⋅ ⋅  − 1 = 10972,5 2 127500   Ed = 1,35 ∙ G + 1,0 ∙ P + 1,5 ∙ Qgr1 + 1,5 ∙ 0,3 ∙ (QW2 + Qw) MSd,II − M c = 1,35 ∙ LF1 + 1,0 ∙ LF2 + 1,5 ∙ LF3.1 A s, erf = + 0,45 (LF6 + LF7) zs1 ⋅ f yd NSd = –1,35 ∙ 10595 – 1,0 ∙ 180 – 1,5 ∙ 3260 = –19 373 kN MSd,x = 1,35 ∙ 3131 + 1,0 ∙ 53 + 1,5 ∙ 963 + 0,45 ∙ (18375 + 938) = 14 415 kNm EW K 4 – Wind als Leiteinwirkung E d

= 1,0 ∙ G + 1,0 ∙ P + 1,5 ∙ QW1 = 1,0 ∙ LF1 + 1,0 ∙ LF2 + 1,5 ∙ (LF5 + LF7)

NSd = –1,0 ∙ 10595 – 1,0 ∙ 180 = –10 775 kN MSd, x = 1,0 ∙ 3131 + 1,0 ∙ 53 + 1,5 ∙ (13750 + 938) = 25 215 kNm  

=

34457,0 − 10972,5 0,67 ⋅ 43,5

= 806,2 cm2

EWK 4 → maßgebend für Beanspruchung in Querrichtung h  N Sd  − 1 M c = NhSd ⋅ N⋅ Sd  Mc = N Sd ⋅ ⋅ 2  N−01  c 2  N 0c   5,0  10775 = −107755,0,0⋅  10775 ⋅ − 1 = −10775,0 ⋅ ⋅ 2  127500 − 1  2  127500  = 2 4661 kNm = 24661 kNm As ,erf = =

MSd ,II − M c zs1 ⋅ f yd 25215,0 − 24661 2,42 ⋅ 43,5

= 5,3 cm2

Mindestbewehrung maßgebend

8.6  Berechnung von Unterbauten

Ermittlung der Mindestbewehrung As, min = 0,15 ∙ 19 373,3/43,5 = 66,8 cm2 > 0,003 ∙ 500 ∙ 150 = 225 cm2

< ∅ 16/15 : 84 ∅ 16 = 168,9 cm2

Unter Anwendung des Modellstützenverfahrens ergibt sich für den Pfeilerquerschnitt im Einspannbereich ein erforderlicher Bewehrungsquerschnitt von 806 cm², d. h. ein Bewehrungsgrad von ≈ 1,1% des Be­ tonquerschnitts. Das Bemessungsmoment an der Einspannstelle in der maßgeben­ den Nachweiskombination 2 beträgt da­bei ≈ 34500 kNm. Nachfolgend erfolgt ein ­Vergleich mit den Ergebnissen einer nichtlinearen Berechnung auf der Basis des ­Rechenwertkonzepts nach [DIN-FB 102, 2009]. Ergebnisse der nichtlinearen Berechnung Zum Vergleich mit den Ergebnissen des Modellstützenverfahrens wird die nichtlineare Berechnung zunächst ohne Berücksichtigung der Eigenlast der Stütze geführt.

719

rücksichtigung der Pfeilereigenlast erhöht sich der Bemessungswert der Normalkraft auf: NSd = –23 187 kN. Bei der Bewehrungsvariante a) erhöht sich das Bemessungsmoment MSd = 29826 kNm. Infolge der größeren Normalkraft reduziert sich die erforderliche Bewehrung auf­ 630 cm² (� 93,7%). Im Fall der Bewehrungsvariante b) steigt das Bemessungsmoment auf MSd = 31 880 kNm. Die erforderliche Bewehrung steigt auf 840,6 cm2 (� 97,1%). Mit diesem Beispiel wird gezeigt, dass die nichtlineare Berechnung gegenüber dem Modellstützenverfahren für den Fall der durchgehenden Längsbewehrung einen ­geringeren Bewehrungsgrad in der Stütze (630 cm² gegenüber 806 cm², entsprechend

a) konstante Bewehrung über die Pfeilerhöhe: Für die maßgebende Einwirkungskombination 2 ergibt sich ein erforderlicher Bewehrungsquerschnitt von 672 cm2. Das Bemessungsmoment an der Einspannstelle beträgt Msd = 28 206 kNm. b) abgestufte Bewehrung über die Pfeilerhöhe: Für die maßgebende Einwirkungskombination 2 ergibt sich ein erforderlicher Bewehrungsquerschnitt von 865 cm² an der Einspannstelle. Die erforderliche Bewehrung geht bei einer Pfeilerhöhe von ca. 15 m auf die Mindestbewehrung zurück. Das Bemessungsmoment beträgt Msd = 30 350 kNm. Bei der vorhandenen Pfeilergeometrie kann der Einfluss der Pfeilereigenlast nicht ohne weiteres vernachlässigt werden. Unter Be-

Bild 8.6.3‑3   Erforderliche Pfeilerbewehrung im Fall a) und b)

720

8  Berechnung

Tabelle 8.6.4-1   Versagensursachen und Grenzzustände bei Nachweis der Tragfähigkeit

also nur 78%) ermöglicht. Bei konsequenter Berücksichtigung der erforderlichen Bewehrung im Querschnitt mit der Mindestbewehrung als Untergrenze wird am Stützenfuß eine 4,2% höhere erforder­liche Bewehrung gegenüber dem Modellstützenverfahren ausgewiesen. Dies ist in der ­Praxis unbedeutend, da die Bewehrung ­am Stützenfuß immer über eine ­gewisse Höhe geführt wird, was in der nichtlinearen ­Berechnung unberücksichtigt blieb. 8.6.4  Berechnung von Gründungen 8.6.4.1  Einführung Grundlage der Nachweisführung für die aufgehenden Betonbauteile der Unterbauten ist die ausreichende Standsicherheit des Gründungskörpers. Im Gründungsbereich treffen sich die Sicherheits­phi­lo­so­ phien des konstruktiven Ingenieurbaus und des Grundbaus. Eine detaillierte Problem­ beschreibung für die Schnittgrößenermittlung und Nachweisführung ist auch aus den genannten Gründen nicht Gegenstand des Abschnittes 8.6.4. Dafür wird auf die umfangreiche Literatur des Grundbaus wie [Simmer, 1999], [Smoltczyk, 2001] oder [Möller, 2003] verwiesen. Im Folgenden werden deshalb die wesentlichen Probleme genannt und die Standardaufgaben aufgezeigt. Entsprechend den Versagensursachen

wird der Grenzzustand der Tragfähigkeit unterteilt. In der Regel sind folgende Nachweise zu führen: • Nachweis der Einhaltung der zulässigen Ausmittigkeit der Sohldruckresultierenden anstelle des Kippsicherheitsnachweises (GZ 1A) • Nachweis der Gleitsicherheit (GZ 1B) • Nachweis der Grundbruchsicherheit (GZ 1B) • Nachweis der zulässigen Lage der Sohldruckresultierenden (GZ 2) Als Ersatz für den Grundbruchsicherheitsnachweis darf in einfachen Fällen der Nachweis der zulässigen Sohlpressungen geführt werden. Beim Einsatz von Flachfundamenten erfolgt die Einleitung von Pfeiler-, Stützenoder Wandlasten in der Regel ohne Fußverstärkung. Die Kräfte werden anschließend über flächige Biegung in den Baugrund übertragen. Das Fundament ist im Grenzzustand der Tragfähigkeit auf Biegung und auf Durchstanzen nachzu­weisen. 8.6.4.2  Schnittgrößenermittlung Bei der Schnittgrößenermittlung von Gründungen muss der gegenseitige Einfluss von Verformungen des Bodens und des Bauwerks berücksichtigt werden.

8.6  Berechnung von Unterbauten

Flachgründungen Die Interaktion Boden – Bauwerk beschreibt die Wirkung der relativen Setzungsunterschiede infolge der einwirkenden Lasten auf die Schnittgrößen des Tragsystems und umgekehrt. Ist der Überbau sehr elastisch oder kann das Fundament bzw. der Untergrund als sehr steif angenommen werden, sind die relativen Setzungen vernachlässigbar. Die vom Überbau auf die Gründung übertra­ genen Lasten werden dabei nicht verändert. In allen weiteren Fällen ist die Interaktion durch eine iterative Berechnung zu berücksichtigen. Entsprechend [DIN EN 1992-1-1, 2005] werden bei der Schnittgrößenermittlung für die Nachweisführung folgende Genauigkeitsgrade unterschieden: Grad 0:  In dieser Stufe kann eine lineare Verteilung der Bodenpressung angenommen werden, wenn die Bodenpressung nicht die Bemessungswerte im Grenzzustand der Tragfähigkeit und im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit übersteigt. Zusätzlich dürfen Setzungen im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit nicht von Bedeutung sein, das Tragwerksystem muss im Grenzzustand der Tragfähigkeit genügend plastische Verformungsreserven aufweisen. Grad 1:  Die Bodenpressungen können bestimmt werden, indem die relative Steifigkeit des Fundaments und des Bodens und die daraus resultierenden Verformungen bewertet werden. Für die Beurteilung, ob sie in akzeptablen Grenzen liegen, müssen genügend Erfahrungswerte vorliegen, das die Gebrauchstauglichkeit nicht durch Bodenverformung beeinflusst wird und dass das Tragwerkssystem ein ausreichend duktiles Tragverhalten im Grenzzustand der Tragfähigkeit aufweist. Grad 2:  Der Einfluss der Untergrundverformung auf den Überbau wird berücksich-

721

tigt. Das Tragwerk wird dazu unter den aufgebrachten Fundamentverformungen berechnet. Grad 3:  Hierbei handelt es sich um eine komplett interaktive Vorgehensweise, in der das gesamte Tragsystem berücksichtigt wird. Die gemeinsame Modellierung von Überbau und Gründung und die programm­ gestützte iterative Berechnung der Stu­fe 3 ist inzwischen die übliche Vorgehens­ weise. Pfahlgründungen Bei der Schnittgrößenermittlung und Nachweisführung von Pfahlgründungen ist insbesondere die Interaktion der Pfähle zu berücksichtigen. Die Interaktion hängt hauptsächlich vom gegenseitigen Abstand der Pfähle, dem Verhältnis Länge zum Durchmesser der Pfähle, der Steifigkeit der Pfähle in Relation zum umgebenden Boden und der sich ändernden Bodensteifigkeit in Abhängigkeit von der Tiefe ab. Weiterführende Angaben können [Smoltczyk, 2001] entnommen werden. Zu kombinierten Pfahl – Platten Gründungen sei auf [Hanisch, 2002] oder [Baesmann/Riz­ kalla, 2000] verwiesen. 8.6.4.3  Berechnungsbeispiele für Gründungen 8.6.4.3.1  Nachweisführung für eine Flachgründung Für das Berechnungsbeispiel des Widerlagers aus 8.6.3.2 erfolgt die Nachweisführung für die Flachgründung und damit der ­Nachweis der Tragfähigkeit des Widerlagers. Geometrie und Abmessungen sind Abschnitt 8.6.2.3 zu entnehmen. Die im nachfolgenden verwendeten Bezeichnungen und Symbole entsprechen [DIN-FB 101, 2009], [DIN-FB 102, 2009] und [DIN 1054, 2005].

722

8  Berechnung

Tabelle 8.6.4-2   Fallbildung der gleichzeitig auftretenden Einwirkungen

Tabelle 8.6.4-3   Summe der Schnittgrößen in der Bodenfuge infolge der charakteristischen Einwirkungen entsprechend Tabelle 8.6.4-2

Zusammen mit den Bremslasten sind innerhalb der Lastgruppe 2 nur die häufigen Anteile der vertikalen Verkehrslasten aus dem Lastmodell 1 zu berücksichtigen. Die Nachweisführung für die Tragfähigkeit des Widerlagers beinhaltet den Nachweis der zulässigen Lage der Resultierenden und zulässigen Ausmitte der Sohldruckresultierenden, den Gleitsicherheitsnachweis und den Grundbruchsicherheitsnachweis bzw. in einfachen Fällen den Nachweis der zulässigen Bodenpressung.

Bild 8.6.4‑1   Fundamentgrundriss bei zwei­ achsiger Lastausmitte

8.6  Berechnung von Unterbauten

723

Die Nachweise der zulässigen Lage der resultierenden und der zulässigen Bodenpressungen sind unter Berücksichtigung der charakteristischen Werte unter ständiger und veränderlicher Einwirkungen für die ständige und vorübergehende Bemessungssituation zu führen.

Nachweis der Gleitsicherheit (GZ 1B) Anstelle des Erdruhedrucks wird der aktive Erddruck berücksichtigt. Es wird in der Regel kein entlastender Erddruck Eptd auf der Luftseite des Widerlagers in Ansatz gebracht.

Nachweis der zulässigen Lage der Sohldruckresultierenden Fundamentabmessungen:

Bemessungswerte der Einwirkung in Richtung des Gleitens Für den Gleitsicherheitsnachweis wird der aktive Erddruck berücksichtigt. Die Schnittgrößen aus dem Erdruhedruck werden im Verhältnis η = ka,h / k0 = 0,64 abgemindert.

a = 16,4 m;  b = 3,0 m Forderung unter Gesamtlast: Ausmitte liegt innerhalb der 2. Kernweite 2 2  x e   ye  1   +  ≤ a b 9 EWK (Fall 6) ye = 0,39;  xe = 0,20 2

EWK (Fall 1) Td = TGd = γG ∙ η ∙ Eagh = 1,35 ∙ 0,64 ∙ 1034,9 kN = 894,2 kN EWK (Fall 6)

2

1  0,39   0,20    +  = 0,017 ≤ = 0,11 3 , 0 16 , 4 9    

Td = TGd + TQd1 = 894,2 + 1,5 ∙ 0,64 ∙ (1730,9 – 1034,9) = 1562,4 kN

EWK (Fall 7)  ye = 0,19;  xe = 0,43 2

Bemessungswert des Gleit­widerstands günstig wirkende veränderliche Einwirkungen sind nicht zu berücksichtigen

2

1  0,19   0,43    +  = 0,0047 ≤ = 0,11 3 , 0 16 , 4 9    

Rtd = Rtk/γGl

EWK (Fall 9) ye = 0,33;  xe = 0,30

2

NW erfüllt

γGl = 1,1

Rtk = Nd ∙ tan δsk δsk = φk′ bei Ortbeton

2

1  0,33   0,30    +  = 0,012 ≤ = 0,11 9  3,0   16,4 

Nachweisformat: Td < Rtd + Ep, d



Nd = Nk ∙ γ

γG = 1,0 für ständige Einwirkungen

Nd = 1,0 ∙ 7278,7 kN = 7278,7 kN Rtd = Nd ∙ tan δsk/γGl Rtd = 7278,7 kN ∙ tan 34°/1,1 = 4463,2 kN Nachweis: Rtd > Td = 4463,2 kN > 1562,4 kN NW erfüllt

Bild 8.6.4‑2   Nachweis der Gleitsicherheit

724

Nachweis der zulässigen Sohldrücke (GZ 2) als Ersatz für Grundbruchnachweis Kontrolle der Anwendbarkeit für maßgebende Kombinationen Bedingung: tan δs = Fx, y /Fz ≤ 0,2

8  Berechnung

EWK (Fall 1) Fx = 1034,9 kN; tan δs = 1034,9/7278,7 Anwendung möglich

Fz = 7278,7 kN = 0,142 < 0,2

EWK (Fall 6) Fx = 1730,9 kN; tan δs = 1730,9/7573,7

Fz = 7573,7 kN = 0,229 > 0,2

Anwendung nicht möglich EWK (Fall 7) Fx = 1138,4 kN; tan δs = 1138,4/8547,7

Fz = 8547,8 kN = 0,133 < 0,2

Anwendung möglich EWK (Fall 9) Fx = 1401,9 kN; tan δs =1401,9/8093,8

Fz = 8093,8 kN = 0,173 < 0,2

Anwendung möglich Ermittlung der reduzierten Fundament­ abmessungen bx′ und by′ infolge Ausmitte b′ = b – 2 ∙ eb = 3,0 m – 2 ∙ eb a′ = a – 2 ∙ ea = 16,4 m – 2 ∙ ea σvorh = Fz/(a′ ∙ b′) Vergleich mit zulässigen Bodenpressungen EWK (Fall 1) Bild 8.6.4‑3   Rechnerische Grundfläche

σzul, Grundbruch = 700 ∙ (1 – 0,142)2 = 515 kN/m²

Tabelle 8.6.4-4   Berechnungsbeispiel – vorhandene Bodenpressungen

8.6  Berechnung von Unterbauten

725

Bild 8.6.4‑4   Grundbruchsicherheitsnachweis

Nachweisformat: Nd ≤ Rnd mit

EWK (Fall 7) 0,133)2

σzul, Grundbruch = 700 ∙ (1 – = 526 kN/m2 EWK (Fall 9)

σzul,Grundbruch = 700 ∙ (1 – 0,173)2 = 478 kN/m2 zulässige Bodenpressungen sind eingehalten → NW erfüllt Grundbruchsicherheitsnachweis (GZ 1B) Für den Fall 6 wird der Nachweis der Grundbruchsicherheit geführt, da der Anteil der Horizontalkraft mehr als 20% der wirkenden Vertikalkraft beträgt und somit der Nachweis über die zulässigen Bodenpressungen nicht anwendbar ist.

Nd Bemessungswert der rechtwinklig zur Sohlfläche gerichteten Komponente der Resultierenden Rnd = RN, k /γGr  Bemessungswert des Sohl­ druck­widerstands, ermittelt aus dem charakteristischen Grundbruchwiderstand RN, k /γ nach [DIN 4017, 2006] Nd = 1,35 ∙ 7278,7 kN + 1,5 ∙ (7573,7 – 7278,7) = 10 268,6 kN Fxd = 1,35 ∙ 1034,9 + 1,5 ∙ (1730,9 – 1034,9) = 2441,1 kN tan δd = 2441,1/10268,6 = 0,238 (Bemessungswerte) tan δ =1730,9/7573,7 = 0,229 (charakteristische Werte)

726

8  Berechnung

Rn,k = a´ ∙ b´ ∙ σn,k σn,k = (c ∙ Nc + γ1 ∙ d ∙ Nd

+ γ2 ∙ b´ ∙ Nb)

�

�

� Kohäsions­­ anteil

Durch das Einhalten der maßgebenden Nachweise ist somit die Standsicherheit des Widerlagers gewährleistet. Im nachfolgenden erfolgt die Bemessung des Fundaments.

Gründungs­ tiefenanteil

Gründungsbreitenanteil

mit γ1 Wichte des Bodens oberhalb der Gründungssohle γ2 Wichte des Bodens unterhalb der Gründungssohle d geringste Gründungstiefe unter Geländeoberfläche

Nachweis für Biegung Der Nachweise für Biegung im Grenzzustand der Tragfähigkeit wird für die ständige und vorübergehende Bemessungssituation in den jeweiligen maßgebenden Bemessungsschnitten geführt. Vorhandene Bodenpressungen für Bemessung des Fundaments

σ vorh =

Nd = Nd0 ∙ νd ∙ κd ∙ λd ∙ ξd Nb = Nb0 ∙ νb ∙ κb ∙ λb ∙ ξb

=

Nd0 = 18,0; Nb0 = 10,0 (φ′ = 30°)

Fz d M xd M yd + + A Wx Wy Fzd eb ⋅ Vd ea ⋅ Vd + + A Wx Wy

b’ 2,22 ⋅ sinϕ ’ = 1 + ⋅ sin 30° = 1,07 Fundamentwerte: a’ 16,0 A = 3,0 ∙ 16,4 b’ 2,22 Ix = 3,0 ∙ 16,43/12 v b = 1 − 0,3 ⋅ = 1 − 0,3 ⋅ = 0,958 a’ 16,0 Iy = 16,4 ∙ 3,03/12 3 kd = (1 − 0,7 ⋅ tan δ ) Wx = 134,48 m3 = (1 − 0,7 ⋅ 0,229)3 = 0,592 Wy = 24,6 m3 kb = (1 − tan δ )3 = (1 − 0,229)3 = 0,458 vd = 1 +

= 49,2 m2 = 1102,74 m4 = 36,9 m4

λd = λb = 1,0; ξd = ξb = 1,0 Der Kohäsionsanteil wird nicht berücksichtigt. σN, k = 618,4 kN/m2 RN, k = a′ ∙ b′ ∙ σN, k = 2,22 ∙ 16,0 ∙ 618,4 = 21 964,5 kN Gr



Nachweis erfüllt Auf die Ermittlung der Setzungen wird im Rahmen dieses Beispiels verzichtet.

Bild 8.6.4‑5   Fundamentgrundriss

8.6  Berechnung von Unterbauten

EWK (Fall 7) (maßgebend) Fzd = 1,35 ∙ 7279 + 1,5 ∙ (8548 – 7279) = 11 729,9 kN Mxd = 1,35 ∙ 1237,4 + 1,5 ∙ (0,19 – 0,17) ∙ (8548 – 7279) = 1708,6 kNm Myd = 1,5 ∙ 0,43 ∙ (8548 – 7279) = 818,6 kNm σd, 1 = 238,4 + 6,1 + 69,5 = 314 kN/m2 σd,  2 = 238,4 + 6,1 – 69,5 = 175 kN/m2 σd,  3 = 238,4 – 6,1 + 69,5 = 302 kN/m2 σd,  4 = 238,4 – 6,1 – 69,5 = 163 kN/m2 σd1A = 277 kN/m2

1,22 (231 − 175) ⋅ 1,22 + 2 3 = 152,9 kNm/m

mB − B = 175 ⋅



→ maßgebend qB −B = 175 ⋅ 1,2 +

(231 − 175) ⋅ 1,2



2

= 243,6 kN/m → maßgebend

fck = 25 MN/m2 f 25 f cd = α ⋅ ck = 0,85 ⋅ = 14,16 MN/m2 1,5 γc c = 5,5 cm (Betondeckung erdberührtes Bauteil)

σd2B = 231 kN/m2 Ermittlung der erforderlichen Bewehrung Bemessungsschnittgrößen für Schnitt A – A bzw. B – B aus LFK 7 0,8 2 (314 − 277) ⋅ 0,8 2 mA − A = 277,0 ⋅ + 2 3 = 96,5 kNm/m qA − A = 277,0 ⋅ 0,8 +

727

(314 − 277) ⋅ 0,8

= 236,4 kN/m

2

d = 1,2 – 0,055 – 0,05 = 1,1 m (Bewehrungsstab ∅ 10)

µsds =

96,5 = 0,00563 ≈ 0,01 , 2 ⋅ 14166 1,0 ⋅ 11



ω1 = 0,01 σSd = 457 MN/m2 As ,erf = ω1⋅

b ⋅ d ⋅ f cd

= 0,01 ⋅



σ sd

1,0 ⋅ 11 , ⋅ 14166 457000

= 3,4 cm2 /m

Die erforderliche Biegebewehrung für die Unterseite des Fundaments in Längsrichtung, sowie für die Oberseite des Fundaments ist geringfügig geringer. Mindestbewehrung nach [DIN-FB 102, 2009] Kreuzweise Bewehrung mit 0,06% von Ac , jedoch mindestens mit ∅ 10, s = 20 cm As ,min = 0,06 ⋅

(11 , + 1,2) 2

= 6,9 cm2/m

Bild 8.6.4‑6   Annahme linear verteilter Boden- Mindestbewehrung für Begrenzung der pressungen Rissbreite nach [DIN-FB 102, 2009]

728

As ,min = kc ⋅ k ⋅ f ct , eff ⋅

8  Berechnung

Act σS

mit

fct, eff = 1,3 N/mm2

fcd = 0,85 ∙ 30 000/1,5 = 17 000 kN/m2 Stahl:  BSt 500 S mit fyd = 500 000/1,15 = 434 800 kN/m2 ftd = 525 000/1,15 = 456 500 kN/m2

kc = 0,4 ;   k = 0,5 ;  Act ≈ 0,5 ∙ 1,15 = 0,58 m2 ; σS = 240 N/mm2 As ,min = 0,4 ⋅ 0,5 ⋅ 1,3 ⋅

0,58 = 9 ,4 cm2/m 161

gewählt für alle Begrenzungsflächen längs und quer: ∅ 12, s = 10,0 cm Eine Schubbewehrung ist nicht erforderlich. Der Nachweis des Durchstanzens ist nicht maßgebend und wird im Rahmen dieses Beispiels nicht geführt. 8.6.4.3.2  Nachweisführung für eine Tiefgründung Für das Berechnungsbeispiel des schlanken Pfeilers aus 8.6.3.3 erfolgt beispielhaft die Nachweisführung für die Gründung, die als Tiefgründung mittels 8 Bohrpfählen ausgeführt wird. Der Pfeiler ist über eine massive Pfahlkopfplatte mit den Bohrpfählen verbunden, die Tragfähigkeit der Pfahlkopfplatte wird bei der Gründungsbemessung nicht in Anspruch genommen. Die Modellierung des Pfeilers und der Gründung erfolgt in geeigneter Weise als Gesamtmodell. Am Gesamtmodell aus Pfeiler und Gründung erfolgt zudem die Überprüfung der Ergebnisse für den Pfeiler aus 8.6.3.3 im Grenzzustand der Tragfähigkeit unter Berücksichtigung der Verformungen, da dort vereinfachend von einer idealen Einspannung des Pfeilers ausgegangen wurde. Baustoffkennwerte, System und Abmessungen Beton:  C 25/30 mit Ecm = 26 700 N/mm2

Bohrpfahllänge: L = 14,0 m Bauteilquerschnitte: Pfeiler: Rechteckquerschnitt 5,0 m ∙ 1,50 m Pfahlkopfplatte:

d = 1,50 m

∅ = 1,20 m

Bohrpfähle:

Seitliche Bettung der Bohrpfähle – Berücksichtigung der Gruppenwirkung Ermittlung der Abminderungsfaktoren αi  : Pfahl A:   αi = αL ∙ αQA = 0,5 ∙ 0,90 = 0,45 Pfahl B:   αi = αL ∙ αQZ = 0,5 ∙ 0,75 = 0,375 Pfahl C:   αi = αQA

= 0,90

Pfahl D:   αi = αQZ

= 0,75

Elastische Länge des Einzelpfahls L=4

EPfahl ⋅ I Pfahl

I Pfahl =

r4 ⋅π 4

=

0,64 ⋅ π

ksE = 10 MN/m2

L=4



ksE ⋅ D

4

Bettungsmoduldes Einzelpfahls in Tiefe z = D

30500 ⋅ 0,10179 10 ⋅ 1,2

l 14,0 = = 3,49 L 4,01

= 0,10179

= 4,01 m



8.6  Berechnung von Unterbauten

729

beispiels unter Berücksichtigung der Pfeilereigenlast erfolgt vergleichsweise die Bemessung am Gesamtsystem aus Pfeiler und Gründung.

Bild 8.6.4‑7   Bohrpfahlanordnung

Bild 8.6.4‑8   Lage der Bohrpfähle innerhalb der Pfahlgruppe

Ermittlung des Bettungsmoduls ksi des Pfahls in der Gruppe l ≥4 L

l ≤2 L

ksi = α i1,33 ⋅ ksE ksi = α i ⋅ ksE → Zwischenwerte sind linear zu interpolieren

Grenzzustand der Tragfähigkeit unter Berücksichtigung der Verformungen Die Nachweisführung für den Pfeiler im Berechnungsbeispiel in 8.6.3.3 erfolgte vereinfachend für die Annahme einer idealen Fußeinspannung des Pfeilers. Für die maßgebende Einwirkungskombination 2 (siehe 8.6.3.3) des Berechnungs-

Ergebnisse der Bemessung für den Pfeiler a) konstante Bewehrung über die Pfeiler­ höhe Für die maßgebende Einwirkungs­ kombi­nation 2 ergibt sich ein erfor­ derlicher Bewehrungsquerschnitt von 664 cm2 (630 cm2 ; + 5%). Das Be­ messungsmoment an der Einspannstelle in die Pfahlkopfplatte beträgt Msd = 30 697 kNm (29826 kNm; + 3%). b) abgestufte Bewehrung über die Pfeilerhöhe: Für die maßgebende Einwirkungskombination 2 ergibt sich ein erforderlicher Bewehrungsquerschnitt von 1010 cm2 (840,6 cm2; +20%) an der Einspannstelle in die Pfahlkopfplatte. In einer Höhe von ca. 15 m wird die Mindestbewehrung maßgebend. Das Bemessungsmoment beträgt Msd = 29 642 kNm (31 880 kNm; –7% ). Durch die Berücksichtigung der Tiefgründung erhöht sich in beiden Fällen die erforderliche Bewehrung für den Pfeiler. Die veränderte Verkrümmungsfigur infolge­ der elastischen Einspannung führt im Fall b) zu einem etwas geringeren Bemessungsmoment. Nachweis der Tragfähigkeit der Bohrpfähle (GZ 1B) d = 1,20 m u = 3,77 m AFuß = 1,13 m² Bohrpfahllänge = 14,0 m Aus dem Baugrundgutachten liegen die in der Tabelle 8.6.4-6 enthaltenen Angaben vor.

730

8  Berechnung

Tabelle 8.6.4-5   Berechnungsbeispiel – Zusammenstellung der Bettungsmoduli Zusammenstellung der Bettungsmoduli ksx

Pfahl – Lage

[MN/m2] A

3,72

B

2,95

C

8,77

D

6,99

Bild 8.6.4‑9   Anordnung der Mindestbewehrung

Tabelle 8.6.4-6   Berechnungsbeispiel – Pfahlmantelreibung Schichttiefe h′  [m]

Schichtdicke h  [m]

Sondierwiderstand qck  [MN /m2]

Kohäsion des un­dräinierten Bodens cuk  [MN/m2]

Pfahlmantel­ reibung qsk  [MN/m2]

0

  0 –1,0

1

0

0

1,0 –1,5

0,5

0,025

0,025

1,5 – 6,0

4,5

0,1

0,04

6,0 – 6,5

0,5

6,5 – 7,0

0,5

7,0 –14,0

7

7,5

0,06 0,1

0,04

≥ 15,0

0,12

Tabelle 8.6.4-7   Berechnungsbeispiel – Pfahlwiderstand aus Pfahlmantelreibung Schicht­ dicke h  [m]

Nennwert der Pfahlmantelfläche Asi = u * h [m2]

charakt. Wert der Pfahl­ mantelreibungsspannung qsik  [MN/m2]

Pfahlwiderstand aus Pfahl­ mantelreibung in Schicht i RSki = Asi * qsik  [MN]

1,0

3,77

0,0

0,0

0,5

1,885

0,025

0,047

4,5

16,970

0,040

0,680

0,5

  1,885

0,060

0,113

0,5

  1,885

0,040

0,075

7,0

26,389

0,120

3,167

RSk = ∑ RSki

4,08

Tabelle 8.6.4-8   Berechnungsbeispiel – Pfahlwiderstand aus Pfahlspitzendruck Setzungsverhältnis s/D

charakt. Wert der Pfahlspitzen­ druckspannung qbk  [MNm2]

Pfahlwiderstand aus Pfahl­ spitzendruck Rbk = AFuß * qbk  [MN]

0,1

4

4,52

8.7  Spezielle Probleme

Charakteristischer axialer Pfahlwiderstand: Rk = Rbk + Rsk = 4,08 + 4,52 = 8,60 MN E1d = –6,04 MN Bemessungswertedes maßgebenden Pfahls (EWK 2, LF1) Rd =

Rk γP

731

8.7  Spezielle Probleme 8.7.1  Temperaturbeanspruchung

Ingbert Mangerig und Ulf Lichte 8.7.1.1  Einleitung



Der ständige Wechsel der klimatischen Einflüsse verursacht in Bauwerken instationäre, mit nichtlinear begrenzte TemperaturverteilunγP = 1,4 Teilsicherheitsbeiwert für Pfahl- gen. Affin zu diesen Temperaturentwickwiderstand auf Druck und Zug lungen entstehen thermische Dehnungen, aufgrund von Erfahrungswerten die in statisch bestimmt gelagerten Tragwerken Verformungen und bei statisch un8,60 R R1d = 1k = = 6,15 MN bestimmter Lagerung zusätzlich Zwangsbe1,4 γP anspruchungen hervorrufen. Da die Tem peraturverteilungen nichtlinear begrenzt E1d = 6,04 MN  3,4 Hz auf der sicheren Seite. In Richtung „horizontal längs“ können analoge Überlegungen angestellt und kritische Frequenzbereiche identifiziert werden, insbesondere bei etwa 1 Hz sowie möglicherweise bei 2 Hz und allenfalls auch bei 3 Hz (Bild 8.7.2-8 rechts). Häufig ist es allerdings so, dass bei in Längsrichtung rechnerisch weichen Brücken die Lagerreibung Schwingungen verhindert. Bei Rahmenbrücken jedoch ist Vorsicht geboten. Bild 8.7.2-13 zeigt die kritischen Frequenzbereiche für Fußgängerbrücken, die durch eine Frequenzabstimmung möglichst zu vermeiden sind. Die Frequenzabstimmung von Tragwerken ist eine relativ grobe und pauschale

8  Berechnung

Maßnahme, die sich aber im Allgemeinen in der Praxis bewährt hat; sie kann vor allem­ bei den häufig vorkommenden „normalen“ ­Balkenbrücken mit Spannweiten bis etwa 50 m zur Anwendung empfohlen werden. 8.7.2.3.8  Berechnung einer erzwungenen Schwingung und Begrenzung der Amplituden Die Frequenzabstimmung einer vorerst nur für statische Lasten entworfenen Fußgängerbrücke kann je nach Umständen zu einem erheblichen Mehraufwand führen. In solchen Fällen können speziellere Untersuchungen angezeigt sein. Im Vordergrund steht meist die Berechnung einer erzwungenen Schwingung und Vergleich der resultierenden Amplituden mit Anhaltswerten. Wenn nötig müssen dann Maßnahmen getroffen werden, um die Amplituden zu begrenzen. Für eine stationäre harmonische Resonanzschwingung (Zustand nach dem Einschwingvorgang) bei Einwirkung einer einzelnen Person in Feldmitte gilt: d = ds/2ζ ;   v = 2π f ds/2ζ ; a = 4π 2 f 2 ds/2ζ

(5)

d, v, a Amplituden der Durchbiegung bzw. Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung in Feldmitte

Bild 8.7.2‑13   Kritische Frequenzbereiche für Fußgängerbrücken, die durch Frequenzabstimmung vermieden werden können

8.7  Spezielle Probleme

ds  f ζ

Statische Durchbiegung infolge ΔG Eigenfrequenz der Brücke und Frequenz der maßgebenden Harmonischen mit der Amplitude ΔG Dämpfungsmaß

Die Einwirkung mehrerer Personen kann durch die Multiplikation bei regelloser Einwirkung mit dem Faktor m und bei synchroner Einwirkung mit der Anzahl der Personen n erfasst werden (s. Abschnitt 8.7.2.3.3). Anleitungen zu Berechnungen mit Berücksichtigung des Einschwingvorgangs und weiterer Einflüsse werden z. B. in [Bach­mann, 1997] und [Grund­mann et al., 1993] gegeben. Natürlich können auch übliche Computerprogramme eingesetzt werden; dabei empfiehlt sich aber immer eine Überprüfung der Resultate durch einfache Handrechnungen, die ja auch den Überblick und das Verständnis der Zusammenhänge fördern und damit helfen, grobe Fehler zu vermeiden. In jedem Fall besteht eine sehr wichtige direkte Abhängigkeit der Rechenergebnisse vom Dämpfungsmaß ζ. Dieses ist oft sehr schwierig genauer vorherzusagen und muss deshalb vorsichtig angenommen werden (Tabelle 8.7.2-2), was die Nützlichkeit einer „genauen“ Schwingungsberechnung erheblich beeinträchtigen kann. Der Vergleich der berechneten Amplituden mit Anhaltswerten zeigt, ob Maßnahmen wie Erhöhung der Steifigkeit usw. ergriffen werden müssen. Hiermit kann versucht werden, die Amplituden auf ein akzeptables Maß zu begrenzen. Erfahrungen haben gezeigt, dass bei Fußgängerbrücken mit einer vertikalen Grundfrequenz von etwa 2 Hz die Berechnung einer erzwungenen Schwingung mit Amplitudenbegrenzung meist zu ähnlichen Ergebnissen führt wie eine Frequenzabstimmung. Differenziertere Erkenntnisse sind eher bei Brücken mit höheren Eigenfrequenzen zu erwarten. Z. B. kann bei Stahl- und Verbundbrücken mit einer vertikalen Grundfrequenz im Bereich zwischen

771

etwa 3,5 und 4,5 Hz und niedriger Dämpfung mit der Berechnung einer erzwungenen Schwingung zu klären versucht werden, ob Veränderungen bei der Steifigkeit wie Vergrößerung der Querschnittsabmessungen usw. angezeigt sind. Als Sondermaßnahmen kommen vor allem unkonventionelle Versteifungen in Frage, die natürlich meistens die Eigenfrequenzen erhöhen, z. B. • nur für Nutzlasten wirksame Einspannung des Hauptträgers bei einem oder mehreren Widerlagern • Anbringen eines steiferen Geländers („Gebrauchstauglichkeits-Tragwerk“) • Seilabspannungen (vertikal, horizontal oder schräg) Eine Erhöhung der Dämpfung durch Veränderungen am Tragwerk, an Verbindungen, an Lagern usw. kann ebenfalls in Betracht gezogen werden, doch stehen dem meist erhebliche praktische Schwierigkeiten entgegen. Hingegen kann der Einsatz von Schwingungstilgern eine wirksame und kostengünstige Alternative sein. 8.7.2.3.9  Beruhigung durch Schwingungstilger Tilger sind Massen-Feder-Dämpfer, die bezüglich ihrer Eigenfrequenz und Dämpfung genau abgestimmt sein müssen auf die dynamischen Eigenschaften des zu beruhigenden Tragwerks. Tilger können verwendet werden für die • Schwingungssanierung von bestehenden Brücken • Planung und dynamische Bemessung von neuen Brücken Ein Tilger ist also ein schwingendes Zusatzsystem, das an ein schwingendes Hauptsystem angebracht wird. Er besteht aus einer Masse, einer Feder und einem Dämpfer (oder mehreren parallelen Federn und Dämpfern). Eine gute Abstimmung der Til-

772

gerfrequenz bewirkt Trägheitskräfte der Tilgermasse, die den auf das Hauptsystem einwirkenden dynamischen Kräften ent­ gegenwirken und dessen Resonanzschwingungen erheblich reduzieren können. Während also die Schwingungsamplituden des Hauptsystems wesentlich verringert werden, sind große Verschiebungsamplituden des Zusatzsystems erforderlich. Die durch die dynamische Einwirkung zugeführte Energie geht zu einem großen Teil in den stark schwingenden Tilger; sie wird vor allem im oder den Dämpfern des Tilgers dissipiert. In den allermeisten Fällen sind die Schwingungen in einer bestimmten Eigenfrequenz des Hauptsystems problematisch und müssen reduziert werden. Das Hauptsystem kann dann als äquivalenter Einmassenschwinger mit der entsprechenden modalen Masse usw. modelliert werden. Zusammen mit dem Zusatzsystem ergibt sich ein 2-Massen Schwinger gemäß Bild 8.7.2-14. Dabei bedeuten: mt    Tilgermasse ms    Modale Masse des Hauptsystems (Brücke) kt, s   Federkonstante des Tilgers bzw. Hauptsystems ct, s   Dämpfungskonstante des Tilgers bzw. Hauptsystems mit Dämpfungsmaß ζ t = ct /(2 kt /mt ) bzw.

Bild 8.7.2‑14   Dynamisches Modell des Hauptsystems (Tragwerk) mit Tilger [Bachmann, 1997]

8  Berechnung

ζ s = cs /(2 ks /ms ) xt, s Verschiebung der Tilgermasse bzw. modalen Masse des Hauptsystems Für die beiden Massen können die Bewegungs-Differentialgleichung des Gleichgewichts aufgestellt und das gekoppelte Gleichungssystem gelöst werden [Bachmann, 1997] [Bachmann/Weber, 1995]. Die Ausdrücke für die optimale Eigenfrequenz fopt und die optimale Dämpfung ζopt des Tilgers ergeben sich zu f opt =

fs 3(mt /ms ) ; ζ opt = 1 + mt /ms 8 (1 + mt /ms )3 (6)

 mit den Eigenfrequenzen f s = ks /ms /(2π )   des Hauptsystems und f t = k t /mt / (2 π ) des Tilgers. Die optimale Eigenfrequenz des Tilgers ist somit etwas kleiner als die Eigenfrequenz des Hauptsystems (≈ 95 bis 99%), und sie ist – wie auch die optimale Dämpfung – abhängig vom Massenverhältnis mt/ms , das zweckmäßigerweise etwa im Bereich von 0,01 bis 0,05 gewählt wird. Bemessungs­hilfen sind in [Bachmann/Weber, 1995] gegeben.

Bild 8.7.2‑15   Beispiel für den Einfluss des Dämpfungsmaßes eines Tilgers auf die Schwingungen des Hauptsystems [Bachmann, 1997]

8.7  Spezielle Probleme

Berechnungen von Resonanzkurven zeigen, dass die maximalen Amplituden des Hauptsystems durch einen Tilger wesentlich reduziert werden können, die Reduktion ist jedoch sehr empfindlich auf kleine Änderungen der Tilgerfrequenz ft; diese muss daher möglichst gut mit der optimalen Frequenz fopt übereinstimmen. Demgegenüber haben auch erhebliche Abweichungen der Tilgerdämpfung ζt von der optimalen Dämpfung ζopt relativ geringe Folgen, wie aus Bild 8.7.2-15 ersehen werden kann. Im dargestellten Fall liegt ζopt bei 9%. Sowohl für erheblich zu kleine (3%) als auch für zu große (15%) Dämpfung ist die Reduktion der Schwingungen des Hauptsystems durch den Tilger immer noch beträchtlich. Für die Anwendung von Tilgern zur Schwingungsberuhigung von Fußgängerbrücken können die folgenden praktischen Hinweise nützlich sein: • Ein Schwingungstilger vom oben dargestellten Typ ist nur in einem engen Frequenzband wirksam und wenn er auf eine bestimmte Eigenfrequenz des zu beruhigenden Systems abgestimmt ist. Er arbeitet nicht befriedigend, sofern das Hauptsystem mehrere Eigenfrequenzen nahe beieinander aufweist (z. B. Biegeund Torsions-Grundfrequenz), die durch die dynamische Einwirkung angeregt werden. • Ein Tilger ist umso wirksamer, je größer die Tilgermasse verglichen mit der modalen Masse des Hauptsystems und je kleiner die Dämpfung des Hauptsystems ist. Tilger sind daher besonders effizient bei Stahl- und Verbundbrücken, die im Vergleich zu Betonbrücken im Allgemeinen eine geringere Masse und eine kleinere Dämpfung haben und deshalb besonders schwingungsanfällig sein können. • Die Verschiebungsamplituden der Tilgermasse müssen durch Berechnungen

773

überprüft werden [Bachmann/Weber, 1995], und es muss dafür genügend Platz (inkl. Reserve für den Fall übermäßiger Einwirkungen) vorgesehen werden. • Die Feinabstimmung eines Tilgers (Frequenz) muss nicht nur bei dessen Herstellung in der Werkstätte sondern auch am Bauwerk – meist am besten durch Beifügen oder Wegnehmen von kleinen Teilen der Tilgermasse und weniger durch Veränderung der Tilgerfedern – vorgenommen werden können. Denn Berechnungsergebnisse zu Bauwerk und Tilger weichen oft von den wirklichen Werten ab, und insbesondere die Bauwerksfrequenzen können sich mit der Zeit verändern, z. B. durch den Einbau eines neuen Belags oder Geländers, durch Veränderung der Steifigkeit von Betonträgern durch Rissebildung usw. Tilger sollten deshalb auch stets so platziert und montiert werden, dass sie für Kontrollen und eine Neu-Abstimmung möglichst gut zugänglich sind. Beispiel: Eine Fußgänger und Radfahrerbrücke in Dietikon bei Zürich ist als Durchlaufträger aus Stahl über 4 Felder mit einer Hauptspannweite von 25 m und einer lichten Breite von 2,5 m ausgebildet [Bachmann, 1992]. Bild 8.7.2-16 zeigt eine Ansicht. Der Geh- und Fahrweg wird durch quadratische vorfabrizierte Stahlbetonplatten gebildet, die auf Neopreneplatten auf den Querträgern aufgelagert sind. Nach der Inbetriebnahme zeigten sich starke Schwingungen bereits beim Passieren von einzelnen Fußgängern und geringere aber gut spürbare Schwingungen auch bei der Überfahrt einzelner Radfahrer. Eine dynamische Untersuchung ergab eine Grundfrequenz von 2,48 Hz; diese lag also über dem nach den Regeln der Frequenzabstimmung „verbotenen“ Bereich (Abschnitt 8.7.2.3.7 und Bild 8.7.2-13). Die ausgeprägte Schwingungsanfälligkeit erklärte sich aus der extrem niedrigen Dämpfung. Das Dämpfungsmaß betrug nur 0,23% bei

774

8  Berechnung

Bild 8.7.2‑16   Fußgänger und Radfahrerbrücke aus Stahl mit niedriger Dämpfung und entsprechend starken Schwingungen [Bachmann, 1992]

Bild 8.7.2‑17   Schwingungstilger zur dynamischen Sanierung der Brücke von Bild 8.7.2-16 [Bachmann, 1992]

einer Beschleunigung von ≈ 1 m/s2 und 0,40% bei ≈ 4 m/s2; somit war fast nur ­Ma­terialdämpfung (Stahl) und nur eine geringe Systemdämpfung (Verbindungen, Lager, usw.) vorhanden. Durch eine an Ort hüpfende Person konnten Brückenschwingungen mit einer Beschleunigung in Brückenmitte von ≈ 9 m/s2 (!) erzielt werden. Das sind 90% der Erdbeschleunigung. Bei 100% (gemittelt) wäre

das Eigengewicht kompensiert gewesen, die Brücke hätte von ihren Auflagern abgehoben und einen eigentlichen Luftsprung gemacht, wie das in anderen Fällen schon vorkam. Die Dynamische Sanierung erfolgte durch 2 Schwingungstilger (Bild 8.7.2-17) von schmaler Bauart, die in der Mitte der Hauptspannweite an der Innenseite der Stahlträger angebracht und mit einer Blechverschalung

8.7  Spezielle Probleme

775

Bild 8.7.2‑18   Schwingungen der Brücke von Bild 8.7.2-16 durch Hüpfen einer Person mit blockierten und mit aktiven Tilgern [Bachmann, 1992]

versehen wurden. Die Tilger sind somit von der Gehwegplatte her für Kontrollen usw. gut zugänglich. Bild 8.7.2-18 zeigt die Brückenschwingungen beim Hüpfen einer Person, mit blockierten und mit aktiven Tilgern. Die Tilger sind in diesem Fall äußerst effizient: Sie reduzieren die Schwingungen um etwa den Faktor 20 auf einen Wert von ≈ 0,5 m/s2 (≈Anhaltswert). Die Tilgertechnik wird in Zukunft eine noch größere Bedeutung erlangen. Unter anderem dürften auch Tilgersysteme wichtig werden, bei denen auf einfache z. B. elektromagnetische Weise die Federsteifigkeit und das Dämpfungsmaß verändert und somit z. B. Eigenschwingungen des Hauptsystems mit unterschiedlichen Frequenzen durch einen einzigen Tilger gedämpft werden können. Hinweise dazu sind in [Footbridge, 2002] zu finden.

der dreieckförmigen Untersysteme aus Brückenträger, Pylon und Seil ein zumindest in vertikaler Richtung vergleichsweise steifes und entsprechend schwingungsunempfindliches System [Petersen, 2001]. Die Schrägkabel selbst hingegen sind wegen ­ihrer oft großen Länge (Schlankheit) und geringen Dämpfung als stark schwingungsanfällige Bauteile einzustufen. Als Seile (Kabel) kommen vor allem zwei verschiedene Arten zum Einsatz: • Verschlossene Spiralseile aus mehreren Lagen von Rund- und Z-Drähten ohne Hüllrohr • Parallel-Draht und -Litzen-Bündel aus Runddrähten in einem dickwandigen Kunststoff- oder Stahlrohr, verpresst mit Zementmörtel oder Epoxydharz usw. zwecks Versteifung bzw. Korrosionsschutz.

8.7.2.4  Schrägkabel

8.7.2.4.2  Dynamische Einwirkungen

8.7.2.4.1  Problemstellung

Als Schwingungsanregung der Schrägkabel kommen winddynamische Phänomene und Fußpunktanregung in Betracht. Durch Wind können infolge alternierender Wirbelablösung Querschwingungen sowohl in der Grundschwingungsform als auch in ­höheren Eigenschwingungsformen (mit mehreren Knoten) erzeugt werden. Solche Schwingungen sind eher bei dünnen

Im Großbrückenbau und bei Fußgängerbrücken werden vermehrt Konstruktionen mit Schrägkabeln – auch Schrägseile genannt – verwendet. Im Vergleich zu Hängebrücken, die vor allem durch Windeinwirkung zu Schwingungen angeregt werden können, sind Schrägkabelbrücken wegen

776

kurzen Seilen – z. B. von Fußgängerbrücken – zu erwarten [Petersen, 2001]. Bei langen schwereren und dickeren Seilen, wie sie im Großbrückenbau verwendet werden, sind die Anregungskräfte zu klein. Die kritischen Windgeschwindigkeiten nehmen mit dem Durchmesser und der Eigenfrequenz der Seile zu und können – auch wegen der höheren Eigenschwingungsformen – im ganzen Spektrum üblicher Windgeschwindigkeiten liegen. Eher seltener, weil nur bei eng benachbarten parallelen Seilen (Abstand ≤ 3- bis 4-fachem Seildurchmesser) von Bedeutung, sind die Phänomene Buffeting (Puffern infolge Nachlaufturbulenz) und bestimmte Arten von Galloping. Hingegen treten immer wieder Fälle mit durch Regen und Wind induzierten Seilschwingungen („Regen-Wind-Galloping“) auf. Diese setzen ganz bestimmte Wetterbedingungen hinsichtlich Regenintensität (nicht zu hoch) sowie Windstärke und -richtung in Bezug zum Seil voraus. Es handelt sich um komplizierte, selbst angefachte bzw. gesteuerte Vorgänge mit den am Seil ablaufenden Regenrinnsalen. Bei Wind und Regen in Richtung der vertikalen Seilebene wird ab einer gewissen Windgeschwindigkeit das Regenrinnsal zweigeteilt. Setzen horizontale Schwingungen ein, so führen die beiden Regenrinnsale eine pendelnde Bewegung auf der kreiszylindrischen Oberfläche aus, d. h.

8  Berechnung

der umströmte Querschnitt verändert sich im Rhythmus der Schwingungsfrequenz. Bei noch höherer Windgeschwindigkeit werden die Rinnsale am Seilquerschnitt weiter nach oben getrieben, und es entsteht durch die Auf- und Abtriebskräfte aus den Winddruckdifferenzen eine vertikale Seilschwingung. Bild 8.7.2-19 zeigt die Verhältnisse mit von links nach rechts zunehmender Windgeschwindigkeit. Bei Wind und Regen rechtwinklig zur Seilebene treten ähnliche Phänomene auf [Petersen, 2001]. Für die Fußpunkterregung von Schrägkabeln sind vor allem Schwingungen des Brückenträgers infolge Fahr- oder Fußgängerverkehr verantwortlich, es können aber auch solche des Brückenträgers oder des Pylons durch Windeinwirkung sein. Fällt die Frequenz des schwingenden Brückenträgers oder Pylons mit einer Eigenfrequenz des Seils zusammen, kann Resonanz auftreten. Auch die Anregung einer Seilfrequenz durch die 2. Harmonische des zeitlichen Verlaufs der Brückenbewegung ist möglich. 8.7.2.4.3  Dynamische Eigenschaften von Schrägkabeln Wegen des geringen Einflusses der Biegesteifigkeit kann ein Seil näherungsweise wie eine Saite behandelt werden. Die Eigenfrequenzen ergeben sich aus

Bild 8.7.2‑19   Phänomene bei durch Regen und Wind induzierten horizontalen bzw. vertikalen Schwingungen mit von links nach rechts zunehmender Windgeschwindigkeit [Petersen, 2001]

8.7  Spezielle Probleme

fn =

n 2l

S µ

777

(7) 

S Seilkraft μ Massenbelegung l Seillänge n = 1, 2, 3…  Nr. der Eigenform (n + 1 = Anzahl der Schwingungsknoten) Die Dämpfung bei Biegeschwingungen ist im Falle von verschlossenen Seilen sehr klein; das Dämpfungsmaß ζ (Grundschwingungsform) liegt in der Größenordnung von nur 0,1%. Bei Parallel-Draht und -Litzen -Bündeln liegt es wegen des Hüllrohrs und der Verpressung höher. 8.7.2.4.4  Schwingungsverhalten von Seilen Bei langen Seilen sind schon häufig Auslenkungen im Dezimeterbereich und seltener bis etwa 1 Meter (!) beobachtet worden. Solche – aber auch schon viel kleinere – Amplituden können eine sehr ungünstige Ermüdungsbeanspruchung bewirken. Besonders gefährdet sind die Verankerungsbereiche, wo eine Hin- und Herbiegung des Seils zu der dort ohnehin vorhandenen mehraxigen Beanspruchung hinzukommt. Dies hat schon oft zu Ermüdungsbrüchen und der Notwendigkeit einer Auswechslung der Seile geführt.

8.7.2.4.5  Maßnahmen gegen Seilschwingungen Es wurden schon zahlreiche verschiedene konstruktive Maßnahmen zur Reduktion von Seilschwingungen vorgeschlagen und realisiert. Anzustreben sind • Geometrische Begrenzung der Seilbiegung bei der Verankerung, • Energiedissipation durch Dämpfungs­ elemente. Beides kann verwirklicht werden z. B. durch das Anbringen eines Stahlrohrs mit einem ringförmigen Neoprene-Dämpfer (Bild 8.7.2-20 links). Eine andere Möglichkeit, besonders bei langen Seilen, ist deren Abstützung mit handelsüblichen Stoßdämpfern in 2 bis 4 m Entfernung von der Verankerung (Bild 8.7.2-20 rechts). Dabei ist allerdings der Platzbedarf bzw. ein all­fälliger Verlust an Brückenbreite zu beachten. Oft werden auch übereinander liegende Seile untereinander verbunden. Die Verbindungsseile können bezüglich der Schwingungen der Tragseile als „Störseile“ bezeichnet werden. Bild 8.7.2-21 zeigt unterschiedliche mögliche Anordnungen, die jeweils ihre Vor- und Nachteile aufweisen. Gemeinsam ist, dass bei Schwingungen ­eines Tragseils die Nachbarseile in die Bewegungen miteinbezogen werden. Wegen der unterschiedlichen Längen und Seil­

Bild 8.7.2‑20   Reduktion von Seilschwingungen durch a) Neoprene-Dämpfer in Stahlrohr oder b) handelsübliche Stossdämpfer [Petersen, 2001]

778

Bild 8.7.2‑21   Unterschiedliche Anordnungen von „Störseilen“ [Petersen, 2001]

kräfte sind die Eigenfrequenzen verschieden, es treten Verstimmungs- und Dämpfungseffekte auf. Weitere Ideen und Hinweise zu möglichen Maßnahmen gegen Seilschwingungen enthält das ausgezeichnete Buch [Petersen, 2001]. 8.7.3  Erdbebenbeanspruchung

Masaaki Hoshino und Ekkehard Fehling 8.7.3.1  Einleitung Der Lastfall Erdbeben darf beim Entwurf von Brücken in Gebieten mit Erdbebengefährdung keinesfalls vernachlässigt werden. Anders als Eigen- und Verkehrslasten, die in senkrechter Richtung einwirken, entstehen aus der Erdbebenbeanspruchung vordringlich Verformungen und Lasten in horizontaler Richtung, die für die Bemessung von Brückenbauteilen maßgebend werden können. In der Regel ist dies besonders für die Bemessung von Lagern, Pfeilern und Fundamenten der Fall. Im Allgemeinen wird der Überbau von Balkenbrücken in Massivbauweise durch Erdbeben nicht gefährdet. Auch der Überbau von Balkenbrücken und Fachwerkbrücken in Stahlbauweise wird normalerweise, außer in Hinsicht auf die Querverbände, durch Erdbeben nicht maßgeblich beansprucht. Sofern allerdings längsfeste Lager nur an einem Brückenwiderlager angeord-

8  Berechnung

net werden, können dort in Längsrichtung sehr große Trägheitskräfte abzutragen sein, die durch die gesamte Massenträgheit des Überbaus bestimmt werden. Dadurch kann bei Stahlbalkenbrücken Beulen der Stege beziehungsweise der Unterflansche eintreten. Bei Fachwerkbrücken kann die Gefahr des Ausknickens der dort meist sonst sehr schwach bemessenen Untergurtstäbe eintreten. In Erdbebengebieten ist in letzter Zeit allerdings die Lagerungsvariante mit längsfester Lageranordnung an einem Brückenwiderlager immer seltener angewendet worden. In Gebieten starker Seismizität ist es besonders wichtig, dass die vom Erdbeben erzwungenen Verschiebungen des Überbaus an den beweglichen Lagern aufgenommen werden können, ohne dass ein Lager versagt oder der Überbau vom Auflager herabfällt. Das dynamische Verhalten von Großbrücken, insbesondere Rahmenbrücken, aufgeständerten oder durchdringenden Bogenbrücken sowie von Schrägkabel- und Hängebrücken unterscheidet sich vom Verhalten der Balkenbrücken und ist im All­ gemeinen komplexer. Daher können hierfür kaum verallgemeinernde Aussagen gemacht werden, so dass die Erdbebensicherheit bei solchen Brücken im Einzelfall genauer zu untersuchen ist. 8.7.3.2  Charakteristik von Erdbeben Obwohl Erdbeben durch verschiedene Ursachen hervorgerufen werden können, sind Bruchvorgänge an den Rändern der sich gegeneinander bewegenden tektonischen Platten als am wichtigsten anzusehen. Nach der Lehre der Plattentektonik, deren Ursprung auf eine schon im Jahre 1912 erschienene Veröffentlichung von Alfred Wegener zurückgeht, besteht die Erdrinde aus rund zwölf Platten. Besonders starke Erdbebenaktivität ist entlang des

8.7  Spezielle Probleme

779

Rands der Pazifischen Platte zu verzeichnen, wovon Staaten wie Chile, Mexiko, USA, Japan, Taiwan, die Philippinen und Neuseeland besonders betroffen sind. Die freigesetzte Energie von dort registrierten Erdbeben soll etwa 75% der bei Erdbeben in der gesamten Welt freigesetzten Energie betragen. Die zweite wichtige Erdbebenzone verläuft von der Himalaja-Region über den Iran und die Türkei bis zum Mittelmeerbereich. Ein Erdbeben kann durch eine Reihe charakteristischer Parameter gekennzeichnet werden. Dazu gehören • die geographische Lage des Epizentrums, • die Magnitude und • die Intensität. Das Epizentrum ist als die Projektion des Orts des Anfangspunkts des Bruchs/Herds auf die Erdoberfläche definiert. Die Magnitude ist ein Maß für die Stärke eines Erdbebens. Dafür gibt es mehrere Definitionen. Ursprünglich schlug C. F. Richter folgende Gleichung vor: ML = log A – log A0



(1)

Hier bedeutet ML die in logarithmischer Skala angegebene sogenannte lokale Magnitude, A die maximale Amplitude der an einem 100 km von Epizentrum entfernten Ort mit Hilfe eines Wood-Anderson-Seismographen registrierten Bodenbewegung in Mikrometern (1 μ = 10–6 m) und log A0 einen Korrekturwert als Funktion der Entfernung für den Fall, dass sich das Instrument in anderer Entfernung als 100 km vom Epizentrum befindet. Später wurden andere Definitionen für die Magnitude vorgeschlagen, so zum Beispiel die Oberflächenwellenmagnitude Ms , die Raumwellenmagnitude Mb , die Momentenmagnitude Mw  , wobei versucht wurde, dass diese Kennwerte im Prinzip mit ML in Einklang stehen. Mit der Magnitude M steht die freiwerdende Gesamtenergie E eines Erdbe-

bens nach C. F. Richter in folgendem, empirisch ermittelten, Zusammenhang: log  E [Nm] = 4,8 + 1,5 M

 (2)

Die Kenntnis der Erdbeben-Magnitude allein genügt allerdings nicht, um das mögliche Ausmaß von Schäden an Baukonstruktionen an einem bestimmten Ort zu beurteilen. Das Schadensausmaß wird sehr stark vom Übertragungsweg der vom Erdbeben verursachten Wellen und mithin in erster Linie von der Entfernung zum Epizentrum mitbestimmt. Aus diesem Grund wurde der Begriff der Erdbebenintensität eingeführt. Er stellt ein Maß für die Bodenbewegung an beliebigen Orten dar. In der Regel ist festzustellen, dass die Intensität mit steigendem Abstand vom Epizentrum abnimmt. Jedoch gibt es davon auch Ausnahmen, wie der Fall des Mexiko-Erdbebens von 1985 zeigt, bei dem sich schwere Schäden an Hochhäusern im 400 km vom Epizentrum entfernten Mexiko-City ereigneten. Verantwortlich dafür war der von einem ausgetrockneten ehemaligen See herrührende weiche Baugrund von MexikoCity, der bestimmte Schwingungen bevorzugt auf die Erdoberfläche übertragen hat. Als Maßstab der Intensität wird häufig die Modifizierte Mercalli-Intensität (MMI) benutzt, die eine Skala von 12 Stufen (I – XII) verwendet. In Japan ist die von der Japan Meteorological Agency (JMA) eingeführte Skala mit 9 Stufen (1–7 einschließlich der geteilten Stufen 5 und 6) üblich. Mittlerweile wird, besonders in Europa, vermehrt die 12 stufige EMS-Skala (European Macroseismic Scale) verwendet, die eine Weiterentwicklung der MMI-Skala darstellt. 8.7.3.3  Antwortspektrum Die obengenannten Erdbebenkennwerte wie Magnitude und Intensität allein gestatten noch kein näheres Verständnis für das

780

dynamische Verhalten einer Konstruktion im Erdbebenfall. Dieses ist nicht nur von der am Standort des Bauwerks geltenden Intensität des Erdbebens abhängig, sondern auch davon, welche Schwingungs­fre­quen­ zen in der vom Erdbeben verursachten Bodenbewegung enthalten sind. Dazu wurden seit den Dreißiger-Jahren des vorigen Jahrhunderts Seismographen an vielen Orten der Erde angeordnet, um insbesondere Starkbeben-Ereignisse aufzeichnen zu können. Man begann damit in den USA, worauf dann Japan und Mexiko folgten. Mit den so erhaltenen Aufzeichnungen – den Seismogrammen – standen genauere Informationen über die Bodenbewegung während des jeweiligen Erdbebens zur Verfügung. Mit Hilfe der Transformation der gemessenen Zeitverläufe in Fourierspektren im Frequenzbereich ist es dann möglich, diejenigen Spektralanteile der Bodenbewegung zu erkennen, die das dynamische Antwortverhalten eines Bauwerks besonders beeinflussen. Für die Ingenieurpraxis hat sich das sogenannte Antwortspektrum als Hilfsmittel für die Bemessung durchgesetzt. Es soll nachfolgend erläutert werden. Das Antwortspektrum stellt die maximale Antwort eines Einmassenschwingers mit variierter Eigenschwingzeit T infolge der Bodenbewegung während eines Erdbebens dar. Da in der Regel das Vorzeichen

8  Berechnung

der Antwortschwingung nicht interessiert, wird für das Antwortspektrum der betragsmäßig größte Wert der Antwort verwendet, wobei es sich dabei um eine Verschiebung, eine Geschwindigkeit oder Beschleunigung handeln kann. Dementsprechend wird von einem Verschiebungs-, Geschwindigkeitsoder Beschleunigungsantwortspektrum gesprochen. Für den Einmassenschwinger (Bild 8.7.3-1) gilt folgende Differentialgleichung: mx�� + cu� + ku = 0  (3) wobei m die Masse, x die absolute Verschiebung, c den Dämpfungskoeffizienten, u die relative Verschiebung und k die Federkonstante darstellen. Weil 

x = u + ug (t )

(4)

ist, kann Gl. (3) wie folgt umgeschrieben werden: mü + cu˙  + ku = –müg (t) (5)  wobei ug (t) der Zeitverlauf der Bodenbewegung infolge des Erdbebens und deshalb u∙∙g (t) der Beschleunigungszeitverlauf ist. Durch Einführung der Eigenkreisfrequenz ω = √61 k/m und des Dämpfungsmaßes ζ = c/2mω erhält man aus der Gl. (5): �� + 2ζω u� + ω 2u = − u ��g(t ) u



(6)

Die Antwort des Schwingers infolge der Bodenbeschleunigung üg (t) kann beispielsweise mit Hilfe des Duhamel-Integrals bestimmt werden: u( t) = −

1 ω d

t

∫

0

− mu��g (τ )e −ζω( t −τ ) sin ωd (t − τ ) dτ (7)

Bild 8.7.3‑1   Einmassenschwinger

 wobei ωd die Eigenkreisfrequenz der gedämpften Schwingung ist. Wird für kleine Dämpfungsmaße näherungsweise ω = ωd angenommen, ergibt sich schließlich die Antwort des Einmassenschwingers:

8.7  Spezielle Probleme

1 ω

t

781

einem Diagramm mit ζ als Parameter abgebildet werden können. Antwortspektren 0 t sind damit nicht nur als Hilfsmittel für die 1 − mu��g (τ ) e −ζω (t −τ ) sin ω (t − τ ) dτ (8) Bemessung von Bauwerken und die Überu( t) = − ∫  ω 0 prüfung ihrer Erdbebenwiderstandsfähig−τ ) sin ωdie Entsprechend der keit von Bedeutung, wie später erläutert mu��g (τ ) e −ζω (tkönnen (t −Zeitverläufe − τ ) dτ Relativgeschwindigkeit und der Beschleu- wird, sondern sie spiegeln ganz besonders nigung sowie die entsprechenden Antwort- gut die dynamische Charakteristik eines spektren Sd für die (Relativ-)Verschiebung, Erdbebens in ihrer Auswirkung auf die Sv für die (Relativ-)Geschwindigkeit und Sa Schwingungsantwort eines Bauwerks. Ein für die Beschleunigung berechnet werden. Beispiel ist im Bild 8.7.3-2 dargestellt Dabei stehen die Indizes d für „displace- [Committee for Steel Structures, 1999]. ment“, v für „velocity“ und a für „acceleraDas Antwortspektrum darf jedoch nicht tion“. mit dem Fourier-Spektrum der SchwinSetzt man näherungsweise voraus, dass gungsantwort eines Einmassenschwingers der zur maximalen Antwort gehörende (vorgegebener Eigenfrequenz) auf ein ErdSchwingungs-Halbzyklus einer Sinushalb- beben verwechselt werden. So ist zum Beiwelle entspricht, so kann man einen ein- spiel der Wert des Beschleunigungs-Antfachen Zusammenhang zwischen den Ant- wortspektrums Sa für T = 0 nicht null, wie wortspektren für diese drei Größen herstel- es bei einem Fourier-Spektrum für ω → ∞ len. Dann lässt sich nämlich schreiben: gelten würde, was formal T → 0 entspräche. Das Antwortspektrum liefert für diesen u max = Sd (ζ , ω ) = |u(ζ ,ω , t)|max Fall die Antwort eines vollkommen starren 1 Schwingers, der als Maximalbeschleuni= Sv (ζ , ω )  (9) gung den betragsmäßigen Maximalwert ω der Bodenbeschleunigung aufweist. Das so erhaltene Verschiebungsantwortspektrum, das auch als ein Maß der Erdbebenintensität betrachtet werden kann, wird 8.7.3.4  Erdbebenbeanspruchung beim als Pseudo-Verschiebungs-Antwortspek- Entwurf von Brückenbauwerken trum bezeichnet, da es den Maximalwert des Verschiebungszeitverlaufs im Allge- Obwohl die Einwirkung von Erdbeben sehr meinfall nicht völlig exakt angibt. In analo- oft durch den Ansatz von horizontalen ger Weise lässt sich auch die Pseudobe- Kräften (Lasten) erfasst wird, stellt das Erdschleunigung Spa berechnen: beben genaugenommen nicht eine Krafteinwirkung dar, sondern eine dem Bauwerk (10) über die Gründung aufgezwungene BeweSpa = ω Sv = ω 2 Sd ≈ Sa Sa beziehungsweise Spa können als Maßstab gung des Baugrunds. Um für den erdbefür die im Schwinger entwickelte maximale bensicheren Entwurf von Brücken hieraus die auftretenden Bemessungskräfte sowie Federkraft Fs, max angesehen werden, da Verformungen bestimmen zu können, müssen dem für die Tragwerksplanung ver2 Fs ,max = kSd = ω mSd = mSa  (11) antwortlichen Ingenieur unbedingt geeigist. Jede der oben erwähnten Spektralant- nete Beschreibungen der zu erwartenden worten ist eine Funktion des Dämpfungsma­ Erdbeben zur Verfügung stehen, was in ßes ζ und der Eigenkreisfrequenz ω, so dass Form von Zeitverläufen der Bodenbesie über der Eigenschwingzeit T (= 2 π/ω) in schleunigung oder durch Antwortspektren u( t) = −

∫

782

8  Berechnung

Bild 8.7.3‑2   Beschleunigungszeitverlauf und dazugehörige Antwortspektren (Hyogo-ken Nanbu Erdbeben 1995, Kobe Marine Observatory)

geschehen kann. Dies stellt allerdings manchmal eine Schwierigkeit dar, weil es für viele Standorte an ausreichenden Daten mangelt. Insbesondere sind Messungen der Zeitverläufe von Starkbeben vielfach nicht in ausreichendem Maße verfügbar, um Erdbeben als statistisch zu erfassende Ereignisse mit genügender Aussagesicherheit zu charakterisieren. Angesichts dieser Problematik bemüht man sich, unter Einbeziehung seismologischer Erkenntnisse möglichst geeignete Erdbeben für die Berechnung einer Konstruktion für den Erdbebenfall zugrunde zu legen. So können an anderen Orten gemessene Erdbebenzeitverläufe oder ihre Spek-

tren für einen bestimmten Bauwerksstandort von Nutzen sein, auch wenn für den Bauwerksstandort bisher keine Messungen von Erdbebenereignissen vorliegen. Dennoch ist nicht auszuschließen, dass sich ein Erdbeben mit einer Charakteristik, die man sich bisher nicht vorstellen konnte, ereignen wird, wie zum Beispiel das Hyogo-ken Nanbu Erdbeben von 1995 in Japan gezeigt hat. Obwohl ein starkes Erdbeben sich auf die Bemessung von nicht wenigen Bauteilen einer Brücke auswirken kann, ist zu berücksichtigen, dass die Eintrittswahrscheinlichkeit eines solchen Ereignisses während der erwarteten Lebenszeit einer Brücke

8.7  Spezielle Probleme

sehr gering ist. Aus ökonomischer Sicht ist es daher nicht vertretbar, Brückenbauwerke so zu dimensionieren, dass sie Starkbeben ohne jegliche Schädigung ertragen können. Es ist deshalb anerkannte Praxis, zum Beispiel in USA und Japan, zwei verschiedenartige Erdbebenereignisse in der Phase des Brückenentwurfs zugrunde zu legen. So wird als ein Ereignis ein während der Nutzungsdauer der Brücke höchstwahrscheinlich zu erwartendes Erdbeben für die Überprüfung der Gebrauchstauglichkeit zugrundegelegt. Das heißt, dass beim Eintreten eines solchen Erdbebenereignisses keine oder nur geringfügige, leicht reparierbare Schäden bei einer Brücke entstehen dürfen. Das andere Bemessungserdbeben soll das stärkste, am Bauwerksstandort zu erwartende seismische Ereignis repräsentieren und dient dazu, die Standsicherheit zu überprüfen. Dabei dürfen je nach Wichtigkeit der betroffenen Brücken entsprechend den in USA und Japan geltenden Regelwerken zwar leichte oder schwere Schäden hingenommen werden, nicht jedoch das Versagen des Tragwerks. 8.7.3.5  Dynamische Analyseverfahren für Erdbebenbeanspruchung Für die Berechnung der dynamischen Beanspruchung von Brücken infolge Erdbebeneinwirkung stehen mehrere Verfahren zur Verfügung. Dies sind • das Antwortspektrumverfahren, • das Verfahren mit Leistungsdichtespektren, • das Zeitverlaufsverfahren. Hier soll zunächst das Antwortspektrumverfahren erläutert werden. Wie in Abschnitt 8.7.3.4 erwähnt, ist die linear elastische Antwort eines Einmassenschwingers durch das Duhamelintegral berechenbar. Mittels der Antwortspektren sind maxima-

783

le Werte der Verschiebung, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung bekannt. Damit lässt sich auch die auf den Schwinger einwirkende Kraft berechnen, woraus Spannungen bestimmt werden können. Dieses Vorgehen lässt sich auch für Strukturen mit mehreren Freiheitsgraden (multi-degree-of-freedom-systems, MDOF-systems) erweitern. Dabei wird die Methode der Modalanalyse verwendet. Für MDOF-Systeme mit n-Freiheitsgraden gilt folgende Differentialgleichung in Matrizenform: Mü + Cu˙ + Ku = –MIüg (t)

(12)

wobei M die Massenmatrix, C die Dämpfungsmatrix und K die Steifigkeitsmatrix sind. I ist eine aus eins oder null bestehende Matrix, v∙∙g die gegebene Bodenbeschleunigung. Die Matrix I ist nur an den Stellen mit dem Wert Eins besetzt, wo die Richtung des entsprechenden Maßfreiheitsgrads mit der Richtung der Bodenbewegung übereinstimmt. Dabei werden vernachlässigbare Massen (z. B. Drehmasse) im Allgemeinen nicht berücksichtigt, so dass in der Diagonale der Massenmatrix M teilweise auch Nullen auftreten können. In einem solchen Fall sind vorher und nachher einige Matrix­ operationen nötig. Hier wird jedoch angenommen, dass mit jedem Freiheitsgrad auch eine Masse verbunden ist. Dann erhält man aus der Gleichung  (13) Mu∙∙ + Ku = 0 n-Eigenwerte (Eigenkreisfrequenzen ωi) und n-Eigenvektoren �i . Wenn angenommen wird, dass die Dämpfungsmatrix C so beschaffen ist, dass die Bedingung der Orthogonalität erfüllt ist und somit die aus den Eigenvektoren gebildete quadratische Mo­ dalmatrix � normalisiert ist, entstehen aus Gl. (12) durch die Transformation zu normalisierten Koordinaten ξ folgende von­ einander unabhängige n-Differential­ gleichungen:

784

ξ��i + 2ζ iωiξ�i + ωi2 ξi = −�Ti MIu��g

(14)  Ausgenommen, dass das Glied auf der rechten Seite mit –�Ti MI multipliziert ist, ist diese Gleichung ihrer Form nach mit der Gl. (6) identisch. Deshalb ist der Zeitverlauf von ξi  (t) mittels des Duhamelintegrals oder durch numerische Integration ermittelbar. Durch die Transformation ui = φi ∙ ξi erhält man den der i-ten modalen Schwingung (Mode) entsprechenden Verschiebungsvektor ui  (t). Summiert man ui (t) von i = 1 bis n, erhält man u (t). Jetzt sind alle Verschiebungen des Systems bekannt, so dass die Schnittkräfte berechnet werden können. Diese hier dargestellte Vorgehensweise nennt man die Methode der Modal­ analyse. Beim oben erläuterten Verfahren wird nur die Antwort infolge eines spezifischen Erdbebens erhalten. Im Allgemeinen interessiert man sich bei der Überprüfung der Erdbebensicherheit einer Konstruktion nicht für den genauen zeitlichen Verlauf der Verschiebungen oder der Schnittkräfte, sondern nur für ihre maximalen Werte. Dafür ist das im Abschnitt 8.7.3.4. erläuterte Beschleunigungsantwortspektrum hilfreich. Aufgrund der Analogie der Gl. (14) mit der Gl. (6) kann ∙∙ man nun den maxi­ malen Wert von ξi aus einem Beschleunigungs-Antwortspektrum direkt entnehmen, das vorher als die geglättete Einhüllende (Envelope) der aus vielen Seismogrammen berechneten Antwortspektren erhalten wurde. Derartige Antwortspektren sind in vielen einschlägigen Normen enthalten. Nach Division durch ωi2 erhält man den maximalen Wert von ξi . Durch die Transformation ui, max = �i ξt, max lässt sich der dem i-ten Mode entsprechende maximale Verschiebungsvektor ui, max bestimmen. Beim Summieren der Teilverschiebungsvektoren ui, max von i = 1 bis n entsteht eine Schwierigkeit, weil die betragsmäßigen Maxima der Zeitverläufe ui, max (i = 1, n)

8  Berechnung

im All­gemeinen nicht gleichzeitig, sondern zeitlich versetzt eintreten. Deshalb könnte das Summieren der absoluten Werte von ui, max zur Überschätzung der Antwort der Totalverschiebungen führen. In der Praxis wird deshalb öfter folgende Gleichung nach der Square Root of the Sum of Squares of modal responses (SRSS) Kombinationsregel verwendet: umas = 94 ∑ui2,mas (15)  Eine ähnliche Gleichung gilt auch zwischen den aus ui, max berechneten Teilschnittkräften Fi, max und den daraus folgenden Totalschnittkräften Fmax  . Über die SRSS-Regel hinaus gibt es auch andere Superpositionsregeln wie z. B. die CQC (Complete Quadratic Combination)- Regel, bei der berücksichtigt wird, dass die Schwingungsantworten in den einzelnen „Modes“ in der Regel statistisch nicht völlig unabhängig voneinander auftreten, sondern mit einem gewissen Maß an Korrelation. Das oben erläuterte Antwortspektrumverfahren ist nur für die linear-elastischen MDOF-Systeme anwendbar. Beim Zeit­ verlaufsverfahren kann dagegen das nicht linear-elastische Verhalten der MDOF-Systeme berücksichtigt werden. Dieses Verfahren beruht ebenso auf Gl. (12) wie das Antwortspektrumverfahren, jedoch ist dabei die Modalanalyse nicht erforderlich. Stattdessen wird eine numerische, schrittweise (von Zeitpunkt zu Zeitpunkt) zu berechnende Integration der Gl. (12) durchgeführt, um unmittelbar den unbekannten Verschiebungsvektor u zu ermitteln. Geometrische oder werkstoffbezogene (physikalische) Nichtlinearität kann beim Aufbau der Steifigkeitsmatrix K berücksichtigt werden. Weil das Werkstoffverhalten der Stahl- oder Betonbauteile während der im Erbebenfall zyklisch auftretenden Beanspruchung Hysterese-Effekte aufweist, kann die Matrix K in jedem Rechenschritt veränderlich sein. Das Zeitverlaufsverfahren ist

√

8.7  Spezielle Probleme

785

für die genauere Berechnung der Antwort der MDOF Systeme am besten geeignet, bezieht sich aber stets auf ein spezifisches Erdbeben. Dies muss als ein Nachteil des Verfahrens gewertet werden, da in der Praxis wegen der Vielfältigkeit der zu erwartenden Erdbeben eine ganze Reihe aufwendiger Antwortberechnungen mit verschiedenen Seismogrammen erforderlich sind. 8.7.3.6  Erdbebensicherer Entwurf von Brückenbauten in Japan [Japan Road Association, 1996 und Unjoh, 1999] Der Nachweis der Erdbebensicherheit von Brücken wird im Allgemeinen nach den einschlägigen Vorschriften durchgeführt, die für die Berechnung der auftretenden Bauteilbeanspruchungen insbesondere in Lagern, Pfeilern und Gründungen. In den „Design Specifications for Highway Bridges 1996“ der Japan Road Asso­ ciation sind, wie in Tabelle 8.7.3-1 dargestellt, zwei Bemessungs-Erdbeben festge-

legt, nämlich eins mit hoher und eins mit kleiner Eintretenswahrscheinlichkeit. Das zuletzt genannte ist weiter in zwei Typen (Typ I und Typ II) unterteilt. Die Bodenbewegung des Typs I repräsentiert an der Plattengrenze zu erwartende Starkbeben wie das Great Kanto Erdbeben 1923. Mit Typ II sollen die im Inland eintretenden, extremen Erdbeben wie das Hyogo-ken Nanbu Erdbeben 1995 berücksichtigt werden. Nach den in Japan geltenden Vorschriften ist die anzuwendende Analysemethode von der Wichtigkeit und der Komplexität der betroffenen Brücke und der Intensität der Bodenbewegung abhängig. Folgende Analysemethoden sind angegeben (Tabelle 8.7.3-1): • statische Methoden: – Ersatzkoeffizientenmethode für Bodenbewegung mit hoher Ein­tre­ tenswahrscheinlichkeit anzuwenden – Duktilitätsüberprüfungsmethode für Bodenbewegung mit kleiner Ein­­ tretenswahrscheinlichkeit anzuwenden

Tabelle 8.7-3-1   Zu berücksichtigende Bodenbewegung, erforderliches Brückenverhalten (Perf­ ormance) und Berechnungsmethode (Specifications for Highway Bridges 1996 der Japan Road Association [Japan Road Association, 1996]) Bodenbewegung

Brücken­ verhalten (Performance)

Berechnungs­ methode

a

Bodenbewegung mit hoher Eintretenswahr­ scheinlichkeit

Bodenbewegung mit kleiner Eintretenswahrscheinlichkeit

normale Brücke (Typ A)

keine Schäden

ohne kritische Schäden

wichtige Brücke (Typ B)

keine Schäden

mit begrenzten Schäden

äquivalente statische Methode

Seismo­­­ koeffizientmethode

Duktilitätsüberprüfungsmethode

dynamische Methode a

Zeitverlaufmethode oder Antwortspektrummethode

Typ I (Erdbeben an der Plattengrenze)

Typ II (Erdbe­ ben im Inland)

Nur für Brücken mit schwierig einzuschätzendem Antwortverhalten bei Erdbeben.

786

• dynamische Methoden: – Antwortspektrums-Verfahren oder Zeitverlaufsverfahren anzuwenden zusätzlich für Brücken, die während Erdbeben ein schwierig einzuschätzendes, komplexeres Antwortverhalten erwarten lassen. Zu den Brückentypen, die während Erd­ beben ein schwierig einzuschätzendes, komplexeres Antwortverhalten erwarten lassen, gehören prinzipiell folgende Brücken: 1. Brücken, bei denen die das Antwortverhalten beherrschende Schwingungsmode sich von der bei der Ersatzkoeffizientenmethode oder der Duktilitätsüberprüfungsmethode vorgestellten Mode deutlich unterscheidet, 2. Brücken, bei denen mehr als eine Schwingungsmode entstehen, die ihre Antwort beherrschen, 3. Brücken, in denen plastische Gelenke in mehr als einer Stelle zu erwarten sind oder in denen wegen ihres komplizierten Konstruktionssystems nicht genau vorherzusagen ist, wo plastische Gelenke eintreten, 4. Brücken, bei denen die Anwendbarkeit des Energieäquivalentprinzips, das auf dem nichtlinearen zyklischen Kraft-Verformungsverhalten der Brücken oder ihrer Bauteile beruht, bisher nicht ausführlich untersucht ist. Konkrete Beispiele dafür sind Rahmenbrücken, aufgeständerte oder durchdringende Bogenbrücken, Schrägkabelbrücken und Hängebrücken. Dazu gehören auch Balkenbrücken mit langer Eigenperiode oder hohen Pfeilern sowie Brücken mit Pfeilern verschiedener Steifigkeit. Stark schiefwinklige und stark gekrümmte Brücken sind ebenfalls zu dieser Kategorie zu zählen, ebenso Brücken mit seismischer Isolation (Base-Isolation). Für Brücken mit Pfeilern in Stahlbauweise ohne Betonfüllung wird

8  Berechnung

auch die Anwendung der dynamischen Analysemethoden empfohlen. Die Ersatzkoeffizientenmethode ist die seit langem in Japan bewährte Bemessungsmethode. Dabei wird die Erdbebenanregung von der statisch äquivalenten, horizontal gerichteten Ersatzlast P = khW



(16)

an der Stelle der Massenschwerpunkte berücksichtigt. W ist das Gewicht der Bauteile. kh ist der seismische Koeffizient, der aus folgender Gleichung ermittelt wird: kh = cz kho



(17)

wobei cz ein von den in der Norm festgelegten seismischen Zonen abhängiger Beiwert ist und jeweils 0.7, 0.85 oder 1.0 beträgt. kho ist der Normalwert des horizontalen, seismischen Koeffizienten und abhängig von der Untergrundsituation (Bodenklasse) I, II und III angegeben (Bild 8.7.3-3). Aus der so ermittelten Ersatzlast berechnen sich mit Hilfe der Elastizitätstheorie Schnittkräfte der einzelnen Bauteile, aus denen Spannungen bestimmt werden können. Dann werden sie mit denen aus den ständigen Lasten und den Eigenlasten kombiniert und mit den zulässigen Spannungen verglichen, die wesentlich höher liegen als für die Lastkombination aus ständigen Lasten, Eigen- und Verkehrslasten allein. Die Duktilitätsüberprüfungsmethode gehört auch zu den statischen Methoden und ist für Erdbeben mit kleiner Erscheinungswahrscheinlichkeit anzuwenden. Sie war schon früher in den Vorschriften 1990 teilweise für den Nachweis der Erdbeben­ sicherheit von Stahlbetonpfeilern geregelt, wurde jedoch umfangreicher in die 1996 erneuerte Auflage eingeführt. Grund dafür war, dass die immense Bedeutung der ­Duktilität der Brückensysteme aus den Schäden infolge des Hyogo-ken Nanbu Erdbebens 1995 offenbar wurde. Bei der Duktilitätsüberprüfungsmethode, die überwiegend für die Bemessung der

8.7  Spezielle Probleme

787

Bild 8.7.3‑3   Normalwert des seismischen Koeffizienten Kh

Pfeiler und der Fundamente angewendet wird, berechnen sich dynamische Trägheitskräfte mit folgendem seismischen Koeffizienten khe : khc = cz khco ≥ 0.3



khe =

 (18a)

khc ≥ 0. 4 c z 2 µa − 1

µa = 1 +

δu − δ y α ⋅δy

(für Betonpfeiler)

(18b)

 (18c)

wobei khco der Normalwert des horizontalen, seismischen Koeffizienten ist, der abhängig von den Bodenklassen I, II und III angegeben wird (Bild 8.7.3-4). μa ist der zulässige Verschiebungsduktilitätsfaktor der Betonpfeiler. Die Gleichung von μa für mit Beton gefüllte Stahlpfeiler unterscheidet sich geringfügig von Gl. (18c). δu ist die Grenzverschiebung (u steht hier für „ultimate“) und δy die Fließverschiebung (bei Beginn des Fließens). α ist ein Sicherheitsfaktor, dessen Wert von der Wichtigkeits-

klasse der Brücke (Typ A oder B, siehe Tabelle 8.7.3-1) und des Typs des Bemessungserdbebens (Typ I oder II, siehe Tabelle 8.7.3-1) abhängig ist. Die Gl. (18b) ist auf der Grundlage des Energieäquivalenzprinzips hergeleitet. Dabei wird angenommen, dass plastische Gelenke am unteren Ende der Pfeiler und/oder an den oberen Enden der Pfähle eintreten. Bei der Duktilitätsüberprüfungsmethode werden dann nach der Elastizitätstheorie die auf die einzelnen Pfeiler einwirkenden horizontalen Kräfte ermittelt und mit den horizontalen Traglasten der entsprechenden Pfeiler verglichen. Dabei sind zwei verschiedene Brucharten, nämlich Biegebruch (flexural failure) und Schubbruch (shear failure) zu unterscheiden. Die horizontalen Traglasten der Stahlbeton- und der mit Beton gefüllten Stahlpfeiler ermitteln sich nach den Vorschriften, wobei nichtlineares Verhalten der Pfeiler berücksichtigt wird. Für die Brücken der Wichtigkeitsklasse B (siehe Tabelle 8.7.3-1) muss nicht nur die Tragfähigkeit, sondern auch die verbleibende Verschiebung der Pfeiler

788

8  Berechnung

Bild 8.7.3‑4   Normalwert des seismischen Koeffizienten Kh0

überprüft werden. Die Berechnungsweise der verbleibenden Pfeilerverschiebung und ihres zulässigen Werts ist in den Vorschriften enthalten. 8.7.3.7 Erdbebensicherer Entwurf der Brücken im US-Staat California [Duan/Li, 1999 und Xiao, 1999] Nach den Caltrans BDS 1994 (Bridge Design Specifications, herausgegeben vom California Department of Transportation) sind, wie in Tabelle 8.7.3-2 dargestellt, zwei

Bemessungsbeben für die Überprüfung der Funktionsfähigkeit und der Standsicherheit zu berücksichtigen. Das Bemessungsbeben (Bodenbewegung) für die Überprüfung der Funktionsfähigkeit (Functional Evaluation Ground Motion) soll ein probabilistisch geschätztes Erdbebenereignis, das 40% Eintrittswahrscheinlichkeit während der Lebensdauer der Brücke aufweist, repräsentieren. Für den Nachweis der Standsicherheit (Safety Evaluation Ground Motion) ist entweder eine deterministisch geschätzte Bodenbewegung aus den von der Division of Mines and Geology Open-

Tabelle 8.7-3-2   Seismische Performancekriterien von Caltrans Brückentyp

Bodenbewegung am Standort Nachweis der Funktionsfähigkeit

Nachweis der Standsicherheit

normale Brücke

funktionsfähig, reparierbare Schäden

begrenzt funktionsfähig, schwere Schäden

wichtige Brücke

funktionsfähig

funktionsfähig

8.7  Spezielle Probleme

789

Tabelle 8.7.3-3   Performanceüberprüfung und Mindestanforderungen an die Berechungs-Methode nach ATC-32 Brückentyp normale Brücke

wichtige Brücke

Nachweis der Funktions­ fähigkeit

Nachweis der Standsicherheit

Typ I

nicht erforderlich

äquivalente statische Analysis oder elastische dynamische Analysis

Typ II

nicht erforderlich

elastische dynamische Analysis

Typ I

äquivalente statische Analysis oder elastische dynamische Analysis

Typ II

elastische dynamische Analysis

elastische dynamische Analysis oder nichtelastische statische Analysis oder nichtelastische dynamische Analysis

Typ I: einfache Brücken (den regulären Brücken ähnliche). Typ II: komplizierte Brücken (den irregulären Brücken ähnliche).

File Report 92-1 definierten maximalen Erdbeben oder eine probabilistisch geschätzte Bodenbewegung mit einer langen Wiederkehrperiode (circa 1000–2000 Jahre) zugrunde zu legen. Mit diesen zwei verschiedenen Bodenbewegungen sind Performancekriterien verbunden, die je nach Wichtigkeit der Brücken unterschiedlich sind (s. Tabelle 8.7.3-2).

In den ATC-32 Empfehlungen 1996 (Applied Technology Council) zu den Caltrans BDS sind verschiedene Berechnungsmethoden für die Nachweise der Funktionsfähigkeits- und der Standsicherheit angegeben (Tabelle 8.7.3-3). Sie hängen von der Wichtigkeit und der Komplexi­ tät der betreffenden Brücke ab. Dabei braucht man für normale Brücken nicht

Bild 8.7.3‑5    Kraftreduktionskoeffizient Z

790

8  Berechnung

die Funktionsfähigkeit zu überprüfen, weil angenommen wird, dass mit der Stand­ sicherheit auch die Funktionsfähigkeit gewährleistet wird. Im Folgenden wird die für die Über­ prüfung der Standsicherheit der normalen, regulären Brücken anzuwendende, äquivalente statische Bemessungsmethode etwas näher erläutert. In diesem Fall wird auch die Erdbebenanregung von der statisch äquivalenten, horizontal gerichteten Ersatzlast Feq = W ∙ (ARS) 

(19)

an der Stelle der Massenschwerpunkte berücksichtigt. W ist das Gewicht der Bauteile. ARS (Acceleration Response Spectrum) entspricht dem seismischen Koeffizienten, der von der Eigenperiode, der Bodenklasse und der Erdbebenzone abhängig ist. Der maximale Wert von ARS beträgt 1,8. Berücksichtigt man, dass wegen der Nichtlinearität die linear elastische berechnete Antwort abgemindert werden kann, so schreibt sich die für die Bemessung anzusetzende, horizontale Last wie folgt:  Fd =

W ⋅ ( ARS)

(20) Z ist der Kraftreduktionskoeffizient und im Bild 8.7.3-5 dargestellt. Mit der in Gl. (20) angegebenen horizontalen Last werden dann nach der Elastizitätstheorie die Schnittkräfte der einzelnen Bauteile ermittelt und mit ihren Traglasten verglichen. Dabei werden die Betonpfeiler so bemessen, dass der gefährlichere Schubbruch auf jeden Fall verhindert wird. Außerdem wird auch eine Überprüfung hinsichtlich der Verschiebung durchgeführt. Z

8.7.3.8  Erdbebensichere Bemessung von Brücken nach europäischen Normen Die Länder der Europäischen Union (EU) und der EFTA haben mit CEN (Comité Européen de Normalisation) vereinbart, die

bereits bestehenden Eurocodes weiterzuentwickeln und zu Europäischen Normen (EN) zu machen. Für die erdbebensichere Auslegung von Brückenbauten soll der Teil 2 von Eurocode 8, der als EN 1998, Teil 2 in deutscher Fassung zur Veröffentlichung im Juni 2006 vorgesehen ist, dienen. Bei der Festlegung der Eingangsgrößen für die seismische Beanspruchung stützt sich diese Norm auf den Teil 1 von EN 1998, der ­allgemeine Grundlagen für die Erdbebenbemessung regelt und in erster Linie auf die erdbebensichere Konstruktion und ­Bemessung von Gebäuden (Hochbauten) abzielt. Das linear elastische Antwortspektrum ergibt sich für die jeweilige Erdbebenzone, die durch nationale Anwendungsdokumente (NAD) festzulegen ist, in Abhängigkeit von der Untergrundsituation. Ferner werden in EN 1998, Teil 1, zwei verschiedene Typen von Antwortspektren definiert, die die unterschiedliche Charakteristik zu berücksichtigender Erdbebenereignisse in den Mittelmeerländern einerseits (Beben mit großer Magnitude, Auswirkung auch in größerer Entfernung) und in Mittel­ europa andererseits (Beben kleinerer ­Magnitude in geringerer Entfernung) berücksichtigen. Für die Ausbreitung seismischer Wellen ist die Schichtung des Untergrunds bis in Tiefen von mehreren hundert Metern von Bedeutung. In Deutschland, wo ausgedehnte Gebiete mit tiefen Beckenstrukturen mit weichen Sedimenten, wie z. B. im Ober­rheingraben, existieren, kommt diesem Punkt besondere Bedeutung zu. Bei einer derartigen Untergrundsituation werden die niederfrequenten Wellen bevorzugt vom Erdbebenherd an die Oberfläche über­tragen, während hochfrequente Wellen abgeschwächt werden. Es ist deshalb vor­gesehen, in Deutschland den geologischen Untergrund (im Tiefenbereich unterhalb etwa 20 m) zusätzlich zum geotechnischen ­Untergrund (Tiefenbereich bis­

8.7  Spezielle Probleme

791

Tab. 8.7.3-4 Untergrund-Klassifizierung nach DIN 4149 (2005-04) Baugrundklasse (bis 20 m Tiefe)

Untergrundklasse (unterhalb 20 m Tiefe)

Baugrundklasse A

Baugrundklasse B

Baugrundklasse C

Feste bis mittelfeste Gesteine

Lockergesteine (Kies bis Grobsand, Mergel)

Feinkörnige Lockergesteine (Feinsand) bzw. Lößauflagen

vS20 > 800 m/s

vS20 = 350 bis 800 m/s

vS20 = 180 bis 350 m/s

A-R

B-R

C-R

B-T

C-T

Untergrundklasse R Gebiete mit felsartigem Gesteinsuntergrund vS > 800 m/s unterhalb 20m Untergrundklasse T Übergangsbereiche z­ wischen den Gebieten der Untergrundklassen R und S, relativ flachgründige Sedimentbecken Untergrundklasse S Gebiete tiefer Beckenstrukturen mit mächtiger Sedimentfüllung vS > 800 m/s unterhalb von 100 m (Quartär)

C-S

vS >1800 m/s unterhalb von 500 m (Tertiär) Anmerkung: vs bezeichnet die Scherwellengeschwindigkeit , vs20 ist die mittlere Scherwellengeschwindigkeit bis zu einer Tiefe von 20 m als Klassifizierungskriterium.

20 m) ­besonders zu berücksichtigen (s. ­Tabelle 8.7.3-4). Für den geologischen Untergrund in Deutschland liegt eine Karte mit Einteilung in drei geologische Untergrundklassen [Landesamt für Geologie, 2000 und Schwarz/ Grünthal, 1998] vor. Der geotechnische Untergrund ist hingegen für den jeweiligen Bauwerksstandort individuell zu erkunden. Bei gleichem geotechnischem Untergrund ergeben sich in einem Sedimentbecken breite Antwortspektren mit großer Länge

des Plateaubereichs, während in Gebieten mit unterlagertem Felsgestein schmalbandige, eher hochfrequente Spektren mit gro­ ßen Werten der Antwortbeschleunigung resultieren (s. Bild 8.7.3-6). Bei langen Brückenbauwerken oder beim Vorhandensein geologischer Störungen kann es erforderlich sein, die räumliche Veränderlichkeit der Baugrundbewegung im Erdbebenfall zu berücksichtigen. Ein Anhang zu EN 1998-2 gibt hierzu weitere Hinweise.

792

8  Berechnung

Bild 8.7.3‑6   Beispiele für Antwortspektren in deutschen Erdbebengebieten nach DIN 4149, April, 2005

Bild 8.7.3‑7   Seismisches Verhalten

8.7  Spezielle Probleme

793

Bild 8.7.3‑8   Bestimmung des Bemessungs-Antwortspektrums aus dem elastischen Antwort­ spektrum

In Hinsicht auf das Antwortverhal­ten von Brückenbauwerken unter Erdbebenerregung wird in EN 1998-2 zwischen ­folgenden Verhaltensarten unterschieden: • duktil • eingeschränkt duktil bzw. im Wesent­ lichen elastisch Dies ist im Bild 8.7.3-7 veranschaulicht. Der maximal ansetzbare Verhaltensbeiwert q zur Abminderung der Antwortbeschleunigungen ist bauartspezifisch in der Norm fest­ gelegt. Bild 8.7.3-8 zeigt, wie aus dem elastischen Antwortspektrum das BemessungsAntwortspektrum unter Berücksichtigung des Verhaltensbeiwerts q bestimmt wird. Bei mittlerer und hoher Erdbebenbeanspruchung ist duktiles Verhalten zumeist zu bevorzugen, sowohl aus Gründen der Wirtschaftlichkeit als auch der Sicherheit. Um duktiles Verhalten des Tragwerks sicherzustellen, müssen durch die sogenannte Kapazitätsbemessung („Capacity Design“ [Park/Paulay, 1975]) spröde Versagens­

mechanismen vermieden werden. Aus der Tragfähigkeit („Kapazität“) der Bereiche mit duktilem Verhalten (in der Regel sind das die Fließgelenke) wird die Schnitt­ größenverteilung in den nichtduktilen Tragwerksteilen bestimmt. Um vorzeitiges Versagen in den nichtduktilen Tragwerksteilen mit ausreichender Sicherheit zu vermeiden, müssen mögliche Überfestigkeiten in den Bereichen mit duktilem Verhalten berücksichtigt werden. Damit wird praktisch notwendig, nach einer ersten Ermittlung der Schnittgrößenverteilung aufgrund der seismischen Eingangsgrößen eine zweite Ermittlung der Schnittkraftverteilung unter Ansatz des Auftretens der Fließmomente in den Fließgelenken durchzuführen. Die Fließmomente sind dabei mit einem in der Norm festgelegten Faktor für die mögliche Überfestigkeit zu berechnen. Der Überfestigkeitsfaktor ist allgemein mit γ0 = 1,35 festgelegt und hängt zusätzlich von der bezogenen Axialkraft ab.

794

Wenn auch die Darstellung der Erdbebenwirkung durch Antwortspektren die zumeist gebräuchliche und von der Norm genutzte Methode ist, so erlaubt EN 1998 auch alternativ die Benutzung standortspezifischer Leistungsdichtespektren (site de-

8  Berechnung

pendent power spectrum) und der Zeitverlaufsmethode (time history representation). In beiden Fällen muss sichergestellt sein, dass die so beschriebenen Einwirkungen konsistent mit der Darstellung durch Antwortspektren sind.

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

9.1  Betonbrücken 9.1.1  Herstellung auf Lehrgerüst 9.1.1.1  Lehrgerüste, Aufgaben und Anforderungen

Jürgen Stritzke (bis 9.1.1.3) Lehrgerüste dienen wie Schalungen der Herstellung und Formgebung von Brücken. Bis der Beton erhärtet und ausreichend tragfähig ist, nehmen sie die Lasten aus der Schalung auf und leiten diese über Rüst­ träger, -stützen und Fundamente in den tragfähigen Baugrund ab. Lehrgerüste sind Ingenieurbauwerke und sind wie diese zu berechnen und zu konstruieren. Aufgrund der gegenseitigen Beeinflus­ sung von Bauwerk, Lehrgerüst und Grün­ dung sowie der zeitlich verschiedenen Ein­ wirkungen (Frischbetonlast, Vorspannung, Stauchungen und Setzungen des Lehrge­ rüsts) sind in der Berechnung, Konstrukti­ on und Ausführung von Lehrgerüsten ge­ genüber dem Gerüstbau des Hoch- und Industriebaus eine Reihe von Besonderhei­ ten zu berücksichtigen, die mitunter einen hohen Schwierigkeitsgrad erreichen und eine besondere Sorgfalt erfordern: • Die Gebrauchslasten sind im Vergleich zur Eigenlast hoch und treten i. d. R. mindestens in der angesetzten Höhe auf, wenn sie nicht gar überschritten wer­ den. • Gerüstspezifische Verbindungen weisen große Verformungen und Exzentrizitä­

ten auf, die zu einer Reduzierung der Schubsteifigkeit des Gerüsts führen. • Lehrgerüste unterliegen kurzen Stand­ zeiten bei großer Einsatzhäufigkeit. Ihre Einzelteile, wie Rüstträger, Rüststützen und Verbände, erleiden Verformungen und u. U. Beschädigungen. • Lehrgerüste wirken nach dem Abbinden des Betons zusammen mit dem erhärte­ ten Überbau, was bei der Festlegung von Überhöhungen der Rüstträger und beim Ausrüsten zu beachten ist. Lehrgerüste gehören zu der Gruppe der Traggerüste, deren Ausbildung in [DIN 4421, 1988] geregelt ist. Der Arbeitskreis Gerüste des Bau-Überwachungsvereins (BÜV) hat die mit Stand 09/2000 veröffent­ lichten „Empfehlungen der Prüfingenieure für die Prüfung von Traggerüsten“ [Emp­ fehlungen der Prüfingenieure, 2000] aktu­ alisiert und ergänzt. Sie gelten nunmehr in der in [Empfehlungen der Prüfingenieure, 2002] veröffentlichten Fassung von 09/2002. Erläuterungen findet man hierzu in [Schmie­ del, 2002]. Nach DIN 4421 werden 3 Traggerüst­ gruppen unterschieden. Dieser Einteilung liegt die Vorstellung zugrunde, dass ein gleiches Sicherheitsniveau mit unterschied­ lichen Mitteln erreicht werden kann [Eibl, 1983]. Als Lehrgerüste für Brücken kom­ men nur Gerüste der Gruppen II und III zur Anwendung: a) Traggerüste der Gruppe II umfassen alle üblichen Lehrgerüste für Brücken. Alle Bauglieder sind für die Grenzzustände der Tragfähigkeit und der Standsicher­

796

heit zu bemessen. Die vereinfachte Be­ rechnung nach [DIN 4421, 1988], Abs. 6.4.2 ist gestattet. b) Lehrgerüste mit hohen Anforderungen an die rechnerische Erfassung des wirk­ lichkeitsnahen Tragverhaltens, an die Erfassung geometrischer Imperfektio­ nen und an die zeichnerische Darstellung sind den Traggerüsten der Gruppe III zuzuordnen. Hierzu gehören die stähler­ nen Lehrgerüste des Großbrückenbaus nach [DIN 18800, Teil 1, 1990] oder als Ingenieurholzkonstruktion nach [DIN 1052, Teil 1, 1988]. In Vorbereitung ist die [DIN  EN  12812, 2004], die als Ersatz für die DIN 4421 vor­ gesehen ist und nach der die Bemessungs­ klassen A, B1 und B2 eingeführt werden. Lehrgerüste müssen ausreichend stand­ fest und tragfähig sein. Sie sollen während der Bauausführung nur geringe Formände­ rungen erleiden, um Rissbildungen wäh­ rend des Abbindeprozesses zu vermeiden. Mit zunehmender Stützweite wirken voll­ kommen gerade Überbauunterkanten durchhängend. Um dieser Erscheinung vorzubeugen und um zu erwartende Ver­ formungen sowohl des Lehrgerüsts als auch des Überbaus im Lehrgerüst auszugleichen, wird eine optische Überhöhung von der Größe l/800 bis l/1000 vorgesehen. Weiter­ hin müssen Lehrgerüste so ausgebildet sein, dass ein Ausrüsten des Tragwerks nach dem Erhärten des Betons möglich ist. Da­ rüber hinaus sind einige Besonderheiten beim Entwurf von Lehrgerüsten für Spann­ betonbrücken zu beachten. Die Längsver­ formung (Stauchung) des Überbaus infolge Vorspannung darf durch das Lehrgerüst nicht behindert werden. Die Längsausstei­ fungen des Lehrgerüsts müssen deshalb vor Beginn des Spannvorgangs gelöst und das Lehrgerüst muss damit längsbeweglich ge­ macht werden. Die Hebung (negative Durchbiegung) des Überbaus infolge Vor­ spannung ist in der Regel kleiner als die Rückfederung des Lehrgerüsts aufgrund

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

dessen elastischer Zusammendrückung und der Nachgiebigkeit des Baugrunds, so dass die Eigenlast beim Spannvorgang nicht wirksam wird und in der vorgedrückten Zugzone u. U. erhebliche Rissbildungen auftreten. Deshalb sind die Rüststützen der Lehrgerüste für Spannbetonüberbauten stets mit Absenkvorrichtungen (Spindeln) zu versehen. Von diesen Überlegungen aus­ gehend hat Leonhardt [Leonhardt, 1973], S. 621, einige Grundsätze für die Ausbil­ dung derartiger Lehrgerüste aufgestellt, worauf hier verwiesen wird. In der Regel werden heute stählerne Lehrgerüste eingesetzt. Ausnahmen, wie das hölzerne Lehrgerüst für die Teufelstal­ brücke [Werschnick, 2000] im Zuge der Autobahn A 4 sind äußerst selten. Bei Bo­ genbrücken wird in den Alpenländern nach wie vor das Cruciani-Lehrgerüst (siehe hierzu Abschnitt 9.1.1.4) angewendet. 9.1.1.2  Herstellung von Plattenund Balkenbrücken auf Lehrgerüst Die Entwicklung des Betonbrückenbaus ist mit der Entwicklung des Schalungsund Lehrgerüstbaus auf das Engste ver­ bunden. Insbesondere ist der Übergang des Baus von Bogentragwerken zu balken­ artigen Tragwerksformen gekennzeichnet durch die Einführung wiederverwen­ dungsfähi­ger stählerner Lehrgerüste. In der Schal­technik passte man sich dieser Entwick­lung mit vorgefertigten ober­ flächen­b eschich­teten und kantenge­ schützten Schaltafeln an. Brücken mit einer Höhe bis zu etwa 15 m über dem Gelände werden kostengünstig auf einem Lehrgerüst hergestellt, sofern das Gelände einigermaßen eben ist und die zu überbrückenden Hindernisse nicht allzu breit bzw. Täler nicht zu tief sind. Einfeld­ rige, bis zu maximal über 3 Felder durch­ laufende Brücken und Überbauten mit komplizierter Grundrissgeometrie werden auf einem stationären Lehrgerüst herge­

9.1  Betonbrücken

stellt. Mehrfeldrige und nebeneinander lie­ gende Überbauten fertigt man abschnitts­ weise mit umsetzbaren oder verschiebli­ chen Lehrgerüsten. Herstellung auf stationärem Lehrgerüst Das älteste Verfahren zur Herstellung von Brücken ist das Einschalen und Einrüsten des gesamten Überbaus. Einfache Lehrge­ rüste mit Stützen in relativ engem Abstand wurden früher aus Holz gezimmert. Für Bogenbrücken sind z. T. beachtliche Zim­ mermannskonstruktionen errichtet wor­ den, die allein schon große Ingenieurleis­ tungen darstellen. Der Überbau wird hier­ bei auf seiner gesamten Grundrissfläche eingerüstet. Hölzerne Lehrgerüste sind in [Völter, 1986] ausführlich beschrieben und werden hier nicht behandelt. Die stählernen Lehrgerüste bestehen aus Rüstträgern, Rüststützen und vertikalen Verbänden in Längs- und Querrichtung sowie aus horizontalen Verbänden. Die Rüstträger übernehmen die Lasten unmit­ telbar aus der Schalung und leiten diese an die Rüststützen weiter. Als Rüstträger kom­ men Fachwerkträger zur Überbrückung großer Spannweiten oder Walzprofilträger in der Form von Breitflanschprofilen zur Anwendung. Die Rüstträger aus zusam­ mensetzbaren Fachwerkelementen mit oder ohne Unterspannmöglichkeit sind stufenweise längenveränderlich. Bezüglich der Rüstträgerunterstützungen unterscheidet man einerseits Rüststützen,

797

von denen mehrere in einer Ebene zu einem sog. Rüstjoch (Pendelwand) und mehrere Rüstjoche wiederum durch Anordnung ent­ sprechender Aussteifungen zu sog. Rüsttür­ men (Doppeljoche) verbunden werden. Mit derartigen Lehrgerüsten lassen sich bei ent­ sprechenden Rüstträgerlängen Verkehrsräu­ me unter den Überbauten freihalten. Ande­ rerseits kommen auch Rahmenstützen zur Anwendung, die aus 4 Rahmenstielen mit entsprechenden Verbänden in allen 4 Ebenen bestehen. Der Abstand der Rahmenstützen ist so gering, dass zur Abfangung der Lasten aus der Schalung keine stählernen Rüst­träger erforderlich werden (Bild 9.1.1-1). Technische Angaben von Rüststützen, Rahm­enstützen und Rüstträgern der seri­ enmäßig gefertigten Baukastensysteme enthalten [Nather et al., 2005] und [Holst/ Holst, 2004] bzw. die Kataloge der Herstel­ ler, wie z. B. [Das komplette Gerüstbaupro­ gramm, 1995]. Grundlegende Neuentwick­ lungen gibt es im Lehrgerüstbau etwa seit 15 Jahren aufgrund des rückläufigen Bau­ volumens und der Marktsättigung an Rüst­ systemen nicht mehr. Eine Ausnahme bil­ det die ­Weiterentwicklung von Schwerlast­ stützen (z. B. [Allround-Gerüst, 2000] und ­[Moderner Traggerüstbau, 2001]). Rüstjoche, Rüsttürme, Rahmenstützen und Druckgurte der Rüstträger müssen durch Verbände ausreichend ausgesteift sein, um planmäßige Einwirkungen, wie Wind und Abtriebskräfte aus Schrägstel­ lung der Rüstträger bei nicht horizontaler

Bild 9.1.1-1   Lehrgerüst unter Verwendung von stählernen Rahmenstützen nach [Holst, 1998], S. 486

798

Überbauunterkante sowie unplanmäßige horizontale Einwirkungen abtragen zu kön­ nen. Bei leichten Rüstsystemen werden die Verbände aus Gerüstrohren mit Gerüst­ kupplungen als Verbindungselemente gebil­ det. Für schwere Rüstsysteme sind spezielle Aussteifungselemente, wie z. B. Teleskop­ stäbe, entwickelt worden. Insbesondere zur Stabilisierung stählerner Rüststützen hoher Tragfähigkeit ist eine hohe Schubsteifigkeit der Verbände erforderlich. Aus der Ableitung von Horizontal­kräften resultieren in den Rüstträgern und Rüst­ stützen zusätzliche Längskräfte, die mit den Normalkräften aus lotrechter Lastabtragung zu überlagern sind. Zweckmäßigerweise ordnet man daher solche Verbände im Be­ reich der weniger be­anspruchten, unter den Kragplatten des Überbaus angeordneten Lehrgerüststützen an. Hinweise zur Berech­ nung von Ver­bänden sind in [Nather, 1996] und [Holst/Holst, 2004] enthalten. Die Stützenfüße sind mittels Spindeln zur Feineinstellung der Stützenhöhe und

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

zum Absenken des Lehrgerüsts höhenver­ stellbar. Bei der Ausbildung von verschieb­ lichen Lehrgerüsten sollte die Absenkebene in Höhe der Rüstträgerlage liegen, d. h. die Spindel am Stützenkopf. Liegt die Absenk­ ebene in den Fußpunkten der Rüststützen, werden die Aussteifungen durch ungleich­ mäßiges Absenken zusätzlich beansprucht, und die Steifigkeit des Lehrgerüsts wird ­beeinträchtigt. Auf die Rüstträgerlage wird in der Regel eine Kantholzlage zur Unterstützung der Schalhaut rechtwinklig zur Brückenachse angeordnet. Kanthölzer und Schalhaut werden i. d. R. bis unter die Kragarme des Überbaus geführt, um darauf die entspre­ chend der Querschnittsgestaltung vorge­ fertigten Schalungsböcke anordnen zu können. Aufgrund der höheren Frischbe­ tonlasten im mittleren Bereich von Mittel­ trägerquerschnitten, im unmittelbaren Be­ reich unter Kästen und Stegen von Platten­ balken sind hier gegenüber den Randberei­ chen auskragender Fahrbahnplatten die

Bild 9.1.1-2   Rüstjoch einer Mittelträgerbrücke aus stählernen Rüststützen

9.1  Betonbrücken

Rüstträger und damit die Rüststützen in en­ gerem Abstand anzuordnen (Bild 9.1.1-2). Die Herstellung der Gesimskappen erfolgt i. d. R. mit Simsschalwagen. Abschnittsweise Herstellung auf einem Lehrgerüst Bei mehrfeldrigen Brücken aus Ortbeton führte das Streben nach Effektivität und ­Verkürzung der Bauzeiten zur abschnitts­ weisen Herstellung auf umsetzbarem oder verschieblichem, stählernem Lehrgerüst (Bild 9.1.1-3). Der mehrmalige Einsatz gleicher Rüstsektionen am gleichen Bau­ werk senkt den Aufwand an Schalung und Rüstung und führt durch den taktweisen Einsatz der Arbeitskräfte und der tech­nolo­ gischen Einrichtungen zu einem ratio­ nelleren und effektiveren Herstellungs­ prozess als beim Einsatz einer stationären Rüstung. Voraussetzung für die Einführung der abschnittsweisen Fertigung von Spannbe­ tonbrücken war die Entwicklung geeigneter Koppelstellen zur Verbindung der Spann­ glieder aufeinanderfolgender Bauabschnitte in Bereichen geringer Momentenbeanspru­ chung (Bild 9.1.1-3). Ein Regelabschnitt reicht von Koppelfuge zu Koppelfuge und entspricht damit einer Feldlänge. Nur der erste Bauabschnitt ist bei gleichlangen Feld­ weiten mit rd. 0,2 l länger und der letzte um rd. 0,2 l kürzer. Die Lehrgerüste werden

799

entweder von Feld zu Feld umgebaut oder verschieblich ausgebildet. In Abhängigkeit von der jeweils vorhandenen Gelände­ struktur, der Gestaltung von Über- und Un­ terbauten und der Art des Rüstmaterials werden entweder die Rüstträger einschließ­ lich der Rüstjoche bzw. –türme oder nur die Rüstträgerlage verschieblich ausgebildet. Bei stark wechselnden Geländehöhen ist es zweckmäßig, entweder entsprechend dem Geländeverlauf ein stationäres Untergerüst und das Obergerüst verschieblich auszubil­ den oder nur die Rüstträgerlage. Mitunter genügt an Stelle eines Untergerüsts ledig­ lich eine stabile Trägerlage auf Betonso­ ckeln unterschiedlicher Höhe, um darauf das Lehrgerüst verrollen zu können, wie das bei der Hochstraße Cottbus [Martin/ Schulze, 1978] ausgeführt wurde. Bei mehreren, durch Fugen getrennten, nebeneinanderliegenden Überbauten kön­ nen die Lehrgerüste darüber hinaus noch querverschieblich angeordnet werden. Bei der Festlegung der Reihenfolge des Quer­ verschubs ist die Längs- und Querneigung des herzustellenden Überbaus zu beachten. So wird man bei Tragwerken mit großer Querneigung den tiefer liegenden Quer­ schnitt zuerst herstellen. Dann genügen geringe Absenkwege zum Verschub. Bild 9.1.1-4 verdeutlicht diesen Vorgang. Vor Verschubbeginn muss die Kragarm- bzw. Seitenschalung umgesetzt werden.

Bild 9.1.1-3   Abschnittsweise Herstellung über mehrere Felder durchlaufender Spannbeton­ brücken auf umsetzbarem Lehrgerüst nach [Stritzke, 1983], S. 21

800

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.1.1-4   Prinzip des Querverschubs eines Lehrgerüsts unter Beachtung der Querneigung des Überbaus nach [Stritzke, 1983], S. 22

Bei Brückenbauwerken mit großer Feld­ anzahl und gleichbleibender Höhe der Un­ terbauten bietet sich der Verschub des ge­ samten Lehrgerüsts einschließlich der Stützjoche und Stütztürme an. Für den Ver­ schub ist es am günstigsten, wenn das ge­ samte Lehrgerüst ohne vorheriges Querver­ schieben an den Brückenpfeilern vorbeige­ fahren werden kann. Das Lehrgerüst muss dann so beschaffen sein, dass vor dem Be­ ginn des Verschiebens das Profil des Pfeilers in Richtung der Brückenachse von allen hi­ neinragenden Teilen der Rüstung relativ

Bild 9.1.1-5   Teilung eines längsverschieb­lichen Lehrgerüsts zum Vorbeifahren am Brückenpfei­ ler nach [Stritzke, 1983], S. 23

einfach freigemacht werden kann. Runde, schlanke Stützen senken den Aufwand für diese Teildemontage des Lehrgerüsts. Bei großer Stützenbreite bzw. bei Pfeilern lässt sich diese Vorgehensweise nicht mehr rea­ lisieren. In diesem Fall wird es notwendig, das Lehrgerüst geteilt (Bild 9.1.1-5) oder in gesamter Breite zuerst quer, dann längs und abermals quer zu verschieben. Die Längsund Querverschiebung muss dabei auf zwei verschiedenen Verschubebenen erfolgen. Beim Einsatz von Lehrgerüsten an vonein­ ander unabhängigen, im Grundriss nahezu parallelen Überbauten ist unter Beachtung der Feldanzahl und der geplanten Bauzeit über die notwendige Anzahl von Rüstsek­ tionen zu entscheiden. Einerseits kann man zunächst nur einen Überbau unter Einsatz eines längsverschieblichen Lehrgerüsts her­ stellen. Dann steht die zuerst fertiggestellte Tragwerkseite während der Fertigung der zweiten bereits zur Nutzung zur Verfügung. Andererseits kann nach dem im Bild 9.1.1-6 dargestellten Einsatzschema vorgegangen werden, in dem mindestens für zwei quer­ verschiebliche Rüstsektionen das Rüstmate­ rial vorgehalten wird. Dann lässt sich nach Abschluss der Betonierarbeiten in einem Feld die technologisch notwendige Pause zum Erhärten des Betons und zur Eintra­ gung der Vorspannkräfte mit den Schalund Bewehrungsarbeiten im jeweils nächs­ ten Feld nutzen. Werden die Rüstjoche bzw. -türme nicht mit verschoben, sind sie in annähernd doppelter Anzahl erforderlich.

9.1  Betonbrücken

801

Bild 9.1.1-6   Schematische Darstellung des Einsatzes zweier querverschieblicher Rüstsektionen nach [Stritzke, 1983], S. 23

Der Rüstturm unter der Koppelfuge ist dann für die Auflagerung des Kragarms und des folgenden Feldes doppelt so breit aus­ zubilden. Wird dagegen die gesamte Lehr­ gerüstsektion verschoben, so sind unter der Koppelfuge zwei unabhängige Rüsttürme notwendig. Die wesentlichen Vorteile dieser Bauwei­ se sind die Einsparung an Schalungs- und Rüstkosten, die rd. 20 bis 30% der Gesamt­ herstellungskosten des Überbaus betragen, und die Verminderung der Reibungsver­luste in den Spanngliedern durch das abschnitts­ weise Vorspannen und damit die Einspa­ rung an hochwertigem Spannstahl. Lehrgerüste sind entsprechend [DIN 1054, 2005] zu gründen. Die Fundamente der Widerlager und Pfeiler bzw. Stützen bil­ det man so aus, dass das entsprechende Lehrgerüst darauf noch Platz findet. Rüst­ türme und Rahmenstützen werden auch vielfach auf Fertigteilfundamente gestellt, wenn die Baugrundverhältnisse das zulas­ sen. [DIN EN 12812, 2004] enthält allge­ meine Anforderungen an Gründungen von Traggerüsten und entbindet unter be­ stimmten Voraussetzungen von der sonst vorgeschriebenen Einbindetiefe von Fun­ damenten.

9.1.1.3  Herstellung von Bogenbrücken auf Lehrgerüst Insbesondere mit der Einführung der Spannbetonbauweise im Brückenbau voll­ zog sich ein Rückgang in der Anwendung von Bogenbrücken zugunsten des Baus von Balken- und Rahmenbrücken mit immer größeren Stützweiten. In neuerer Zeit er­ fährt der Bogenbrückenbau eine Renais­ sance, jedoch nicht unter Anwendung her­ kömmlicher Bogenlehrgerüste, sondern durch den Freivorbau (siehe Abschnitt 9.1.3). In [Mörsch, 1968] ist die Entwick­ lung des Lehrgerüstbaus von Bogenbrü­ cken ausführlich dargestellt. Zu unterscheiden ist zwischen bodenge­ stützten und freitragenden Bogenlehrge­ rüsten. Bild 9.1.1‑7a zeigt das klassische Bogengerüst bestehend aus einem Oberge­ rüst, das der Bogenkrümmung folgt und einem ­Untergerüst. Die Frischbetonlasten werden über die auf Biegung beanspruch­ ten Kranzhölzer in ein trapezförmiges oder auch dreieckförmiges Pfostensystem ein­ geleitet und somit die Lastabtragung auf wenige Gründungskörper konzentriert. Das Obergerüst wird zum Ausrüsten ab­ senkbar ausgebildet.

802

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.1.1-7   Bodengestützte und freitragende Bogenlehrgerüste nach [Holst/Holst, 2004], S. 266

Bild 9.1.1-8   Hölzernes Vertikalpfosten-Lehrgerüst des südlichen Überbaus der Teufelstalbrücke

Beim Vertikalpfostensystem (Bild 9.1.1‑7c) werden die Frischbetonlasten über in engem Abstand und lotrecht stehende Pfosten in die Lehrgerüstgründungen abge­ leitet. Das beim Bau des südlichen Über­ baus, Richtungsfahrbahn Eisenach – Dres­ den, eingesetzte Lehrgerüst (Bild 9.1.1‑8) bestand aus 29, im Abstand vom 5 m ange­ ordneten Stützjochen. 12 hölzerne Rund­ stützen ∅ 28 bis ∅ 32 waren jeweils mittels Stahlprofilen zu einem 7 m langen Jochseg­ ment zusammengefasst. Mit den Scha­

lungs- und Betonierarbeiten abgestimmt, wurden danach die vormontierten Jochseg­ mente baukastenartig zum endgültigen Lehrgerüst zusammengefügt. Sechs hori­ zontale Aussteifungen in der Gerüstebene, räumliche Abspannungen der Jochsegmen­ te untereinander sowie Abspannungen südlich und zwischen der Gerüstachse in den Tal- und Hangbereichen sorgten für eine ausreichende Stabilität dieses Gerüsts. Bild 9.1.1‑7b zeigt ein Bogenlehrgerüst in der Form eines Lastturmgerüsts. Analog

9.1  Betonbrücken

dem Lastabtragungsprinzip bei Plattenund Balkenbrücken leiten Biegeträger die Lasten aus der Schalung an Lasttürme ab. Die als Teil des Verkehrsprojektes Deut­ sche Einheit Nr. 16 errichtete Thüringer Waldautobahn A 71 Erfurt – Schweinfurt kreuzt in der Nähe von Suhl das Tal des Alb­ rechtsgrabens mit einem Wasserlauf und einer Landstraße und wird mit einer 770 m langen Talbrücke überführt [Becker/Mar­ tin, 2002]. Das 14-feldrige Brückentragwerk mit Stützweiten von 45 bis 70 m weist im mittleren Drittel einen Betonbogen auf (Bild 9.1.1‑9). Mit einer Stützweite von 167,35 m und einer Scheitelhöhe von rd. 75 m ist dieses Tragwerk Deutschlands höchster Stahlbetonbogen, der auf einem bodengestützten Lehrgerüst gefertigt wur­de (Bild 9.1.1‑10). Die beiden Richtungsfahr­ bahnen (RQ 26) werden auf einem ein­

803

teiligen, einzelligen Kastenquerschnitt in Stahlverbundbauweise geführt. Der 8,80 m breite Betonbogen hat einen zweizelligen Kastenquerschnitt von 3,25 m Höhe an den Kämpfern, die in Längsrichtung linear zum Scheitel auf 2,00 m abnimmt. Die Steg- und Gurtdicken betragen 30 cm. Der Bogen ist nach einer quadratischen Parabel geformt und folgt im Grundriss einem Kreisbogen mit einem Radius R = 3000 m. Zur Herstellung des Betonbogens wurde ein stählernes Lastturmgerüst gewählt, das aus 7 Fachwerktürmen, Fuß- und Jochträ­ gern sowie Gerüstträgern aus Fachwerk­ konstruktionen und Walzprofilen bestand (Bild 9.1.1‑11). Die Länge des Bogens von 216,20 m war in 20 Betonierabschnitten à 10 m, zwei Kämpferabschnitte von 5,40 m und 5,80 m Länge sowie ein 5 m langes Schlussstück geteilt. Der Aufbau des Lehr­

Bild 9.1.1-9   Tragsystem der Talbrücke Albrechtsgraben nach [Becker/Martin, 2002]

Bild 9.1.1-10   Talbrücke Albrechtsgraben – Herstellung des Bogens auf einem bodengestützten Lehrgerüst

804

Bild 9.1.1-11   Talbrücke Albrechtsgraben – Trag­ gerüst und Bogenabschnitte nach [Becker/Mar­ tin, 2002]

gerüsts und die Herstellung des Bogens er­ folgte gleichzeitig in den vorgegebenen Ab­ schnitten (Bild 9.1.1‑12). Das Gerüst über­ nahm die Betonlasten und der Beton diente der Aussteifung des Gerüsts, indem die ein­ zelnen Lehrgerüstabschnitte an den bereits

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

hergestellten und erhärteten Bogenab­ schnitten angespannt wurden. Das Lehrge­ rüst und die betonierten Bogenabschnitte bildeten somit eine Einheit. Die Gerüsttür­ me brauchten daher weder in der Längsnoch in der Querrichtung gegen auftretende Horizontalkräfte abgespannt zu werden. Le­ diglich die ersten Lehrgerüstfelder im Be­ reich der Kämpfer wurden mit 4 Spannglie­ dern ∅ 36 mm an die Kämpferfundamente angespannt. Diese Verfahrensweise, mit der Bogenherstellung bereits zu beginnen, bevor das Lehrgerüst im Ganzen fertiggestellt war, hatte die Vorteile, dass die Bauzeit erheblich verkürzt wurde, ein kontinuierlicher Ar­ beitsablauf für die Gerüst- und Betonbauer gewährleistet war und sowohl die Scha­ lungsanlieferung als auch die Schalungsend­

Bild 9.1.1-12   Talbrücke Albrechtsgraben – Traggerüst- und Bogenherstellung nach [Becker/Martin, 2002]

Bild 9.1.1-13   Talbrücke Albrechtsgraben – Lehrgerüstträger mit aufgebauter Überhöhung nach [Becker/Martin, 2002]

9.1  Betonbrücken

montage in kleineren Einheiten unmittelbar vor dem Arbeitseinsatz erfolgen konnte. Auf die Rüstträger waren entsprechend der Para­ belform und der notwendigen Lehrgerüst­ erhöhung ausgebil­dete Holzkonstruktionen (Bild 9.1.1‑13) montiert. Feldweise wurden die Rüstträger mittels Turmdrehkran auf die Jochträger aufgelegt. Zur Demontage des Lehrgerüsts wurde dieses um ca. 9 m quer­ verschoben, um anschließend die einzelnen Gerüsteinheiten mit 2 Turmdrehkranen de­ montieren zu können. Seit 2007 wird im Zuge der Neubaustrecke Nürnberg-Erfurt im thüringischen Landkreis Sonneberg die 1104 m lange Grümpentalbrücke mit einem 270 m weit gespannten Bogen und einem Bogenstich von 63 m errichtet. Der Bogen wird abschnittsweise auf einem Lehrgerüst auf Hilfspfeilern aus Stahlbeton betoniert. Die Grümpentalbrücke wird nach ihrer Fertigstellung im Jahr 2009 die am wei­

805

testen gespannte Eisenbahnbetonbogen­ brücke Europas sein [Stritzke, 2008]. Die Weiterentwicklung der Pfosten- und Lastturmgerüste führte zu freitragenden Bo­ genlehrgerüsten (Bild 9.1.1‑7d). Als Beispiel sei der Bau des freitragenden Lehrgerüsts für den 60 m weit gespannten Bogen der Ra­ digundengrabenbrücke ([Preinfalck, 1964], [Scheer, 1965]) genannt. Mit Bauelementen der Rüstträgerbauweise lassen sich vor allem kleinere Bogenstützweiten wirtschaftlich einrüsten. Bild 9.1.1‑14 zeigt das freitra­gende Lehrgerüst für die Unterführung eines Wirt­ schaftswegs der Autobahn A 71 bei Ran­ ningen mit einer lichten Weite von 7 m. 9.1.1.4  Bogenlehrgerüst Bauart Cruciani

Francesco Aigner und Thomas Petraschek 9.1.1.4.1  Entwicklung des Cruciani-Lehrgerüsts

Bild 9.1.1-14   Freitragendes Lehrgerüst für die Unterführung eines Wirtschaftswegs der Auto­ bahn A 71 bei Ranningen

In den Jahren 1950–1955, also in einer Zeit vergleichsweise hoher Material- und niede­ rer Lohnkosten, wurde in Italien ein freitra­ gendes Holzlehrgerüst entwickelt, das sich sehr gut zur Herstellung massiver Bogen eignet. Darüber wurde in [Friedrich, 1956] in deutscher Sprache berichtet. Damit wur­ de eine technisch und wirtschaftlich interes­ sante Alternative zu den damals üblichen Baumethoden der Einrüstung des Bogens von unten bzw. der Bauweise Melan (Einbe­ tonieren eines steifen Stahlgerüsts) geschaf­ fen. In seiner ursprünglichen Form wurde es für Bogen bis 100 m Stützweite verwendet. Etwa ab dem Jahr 1960 wurde in Österreich das Cruciani-Lehrgerüst laufend weiterent­ wickelt mit dem Ziel, größere Stützweiten und größere Steifigkeiten zu erzielen sowie die Montage zu vereinfachen. Hauptsächlich in Österreich wurden mit diesem System nahezu 100 Bogen mit Stützweiten zwischen 25 und 200 m her­gestellt, siehe [Aigner, 1968 – 1], [Aigner, 1968 – 2], [Pauser, 1987] und [Aigner, 1990]. Trotz gravierender Ver­

806

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.1.1-15   Bauzustände bei der Lehrgerüstmontage [Bildarchiv ÖBB]

Bild 9.1.1-16   Betonieren der Bodenplatte (li.), betonieren der Stege und der Deckplatte (re.) [Bild­ archiv ÖBB]

schiebung von Material- zu Lohnkosten konnte sich diese Bauweise gegenüber den mittlerweile neu aufgekommenen Metho­ den des Freivorbaus bzw. des Einklappens der beiden mittels Kletterschalung stehend hergestellten Bogenhälften um provisori­ sche Kämpfergelenke im freien Wettbewerb vielfach durchsetzen. Die Bilder 9.1.1‑15

und 9.1.1-16 zeigen einige Bauzustände an der im Jahr 1971 fertiggestellten Pfaffen­ bergbrücke mit 200 m weit gespanntem Bogen auf der ÖBB-Tauernbahn. In der klassischen Bauform werden die Gerüstteile mit Kabelkranen montiert. Das linke Bild 9.1.1‑15 zeigt ein abgebundenes Binder­ element und Kabelkrannadeln, das rechte

9.1  Betonbrücken

807

Bild 9.1.1-17   Lehrgerüst der Tillachergrabenbrücke – Österreich, 1998

Bild 9.1.1‑15 den Scheitelschluss in der Bin­ derebene bei der Lehrgerüstmontage. Bei neueren Entwicklungen wird auf die Verwendung von Kabelkranen verzichtet und der Einbau des Lehrgerüsts erfolgt durch Einklappen der über den Bogenwiderlagern stehend aufgebauten Gerüsthälften um ein einfaches Bolzengelenk an den Kämpfern, Bild 9.1.1‑17. Erfahrungen mit Bogen bis ca. 120 m Spannweite liegen bereits vor. 9.1.1.4.2  Charakteristische Eigenschaften Das Gerüst ist freitragend, es benötigt weder Rüsttürme noch aufwendige Fun­dierungen, sondern nur eine einfache Abstützkonstruk­ tion an den Bogenkämpfern (erkennbar in Bild 9.1.1‑17). Der Talboden wird von den Baumaßnahmen überhaupt nicht berührt. Es gibt keine festen Ver­bindungen, alle Teile sind zerlegbar und können mehrmals ein­ gesetzt werden. Die Ober­kanten der Fach­ werkbinder verlaufen krummlinig: Ist zur

Erzielung der planmäßigen Bogenform ein Höhenausgleich notwendig (Korrektur des vorhandenen Verlaufes der Binderoberkan­ ten), ist dieser sehr einfach zu bewerkstelli­ gen. Durch gezielte Wahl der Betonierfolgen am Querschnitt und gegebenenfalls Aktivie­ rung des Verbunds zwischen Holz und Be­ ton wird das Lehrgerüst progressiv ausge­ steift. Das erlaubt vor allem bei sehr weit gespannten Bogen mit großen Querschnit­ ten eine äußerst sparsame Dimensionierung der Lehrgerüste, z. B. für nur 10–20% ­der ­Bo­geneigenlast. Ein Nachteil des be­schrie­ benen Systems ist das zeitaufwendige ­Spannen der Spannschlösser, s. u. Vor der Lastaufbringung muss kontrolliert werden, ob diese hinreichend vorgespannt sind. Ver­ geht eine längere Zeit zwischen Aufstellen und Belastung des Gerüstes, muss unter Umständen nachgespannt werden. Durch die Verwendung von (teurerem) getrockne­ tem Holz werden die Spannverluste vermin­ dert. Das Lehrgerüst und dessen Zusam­ menwirken mit dem Betonbogen ist zu­

808

nächst statisch zu berechnen. Besonders wichtig ist darüber hinaus die genaue Beob­ achtung des Verformungsverhaltens des Lehrgerüsts während des Betoniervorgangs. Wie bei den anderen modernen Verfahren der Bogenherstellung (Freivorbau, Einklap­ pen) müssen auch hier vor Herstellung des Bogens die Vorlandbrücken bis zu den Kämpfern vorhanden sein.

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

9.1.1.4.3  Konstruktionselemente, Montage: Die Bilder 9.1.1‑18 und 9.1.1-19 zeigen­ die Konstruktionselemente der Fach­werk­ bin­der. Die Gurte bestehen aus sägerauen Fich­ tenholzbrettern 25/5 mit ca. 4 m Länge. Die Diagonalen sind Kanthölzer 25/10 (in Be­ reichen großer Querkräfte bis 25/20) aus

Bild 9.1.1-18   Schematische Darstellung eines Cruciani-Binders

Bild 9.1.1-19   Lehrgerüstelemente

9.1  Betonbrücken

Fichtenholz, die mittels Rundstahlschließen D = 18 mm aus S355 auf ca. 40 kN vorge­ spannt werden (Stahlspannung +100 N/ mm², Holzspannung –1,6 N/mm²), wo­ durch die Diagonalen insgesamt in der Lage sind, Zug- und Druckkräfte aufzunehmen. Außerdem werden durch das Vorspannen der Schließen mittels Spannschlössern die lose eingelegten Diagonalen über Doppel­ keile aus Pappelholz (fasert nicht!) an die Gurte gedrückt, wodurch die Gurtbretter zusammengedrückt werden und kein Rut­ schen zwischen den Brettern eintritt. Daher können die Gurte als Vollquerschnitte be­ trachtet werden. Der lichte Abstand zwi­ schen den Gurten beträgt 118 cm, der Abstand der Doppelkeile untereinander 200 cm. Die Bretter werden in der Regel vorgekrümmt, Bild 9.1.1‑19. Bei rein elasti­ scher Betrachtung entstehen dadurch bei den üblichen Abmessungen in den Brettern Biegespannungen von ca. 16–18 N/mm². Tatsächlich konnte experimentell nachge­ wiesen werden, dass diese Biegespannun­ gen für die Traglast bedeutungslos sind, was in [Friedrich, 1956] mit einer Span­ nungsumlagerung innerhalb der Gurtquer­ schnitte durch Gleitbewegungen der Holz­ fasern begründet wird. Die Auswirkung der konstruktiv bedingten Ausmitten der Dia­ gonalen gegenüber den theoretischen Sys­ temknoten wurde theoretisch und experi­ mentell untersucht: Für die übliche stützli­ niennahe Bogenform (Abschnitt 5.4.2) ist der dadurch gegebene Abfall der Tragfä­ higkeit unbedeutend. Grundform ist der einstöckige Fach­ werkbinder, der bis zu einer Stützweite von 60 (75) m eingesetzt werden kann. Je nach Bogenbreite werden mehrere Einzelbinder mit lichten Quer­abständen zwischen 2,0 und 3,30 m angeordnet. Für größere Stützweiten als ca. 60–80 m kommen mehrstöckige Binder in Frage, wobei für je ca. 60 m Bogenstütz­weite ein „Stockwerk“ benötigt wird. Die zusätzlichen Stockwerke werden durch das Aufzimmern weiterer

809

­ iagonalen und Gurte auf die bereits ein­ D gebauten Binder hergestellt. Beispielsweise wurde die o. g. Pfaffenbergbrücke (L = 200 m, B = 10 m) mit einem dreistöckigen Lehrgerüst mit fünf Binder­ebenen einge­ rüstet, linkes Bild 9.1.1‑16. Die Binder wer­ den mit liegenden sowie, in Abständen von ca. 4 m, mit radialen Rohrverbänden räum­ lich ausgesteift, Bilder 9.1.1‑15, 9.1.1-16 und 9.1.1‑20, und zur Aufnahme der Windkräf­ te und zur Gesamtstabilisierung seitlich alle 8 m mittels Drahtseilen abgespannt, Bilder 9.1.1‑16 und 9.1.1‑17. Die Verbandstäbe sind an Lochleisten an­geschlossen (recht­ eckige Stahl-Hohlpro­file mit Lochreihen), die zudem als Distanzhalter zwischen den Einzelbindern wirken. Bei der Montage ist zu unterscheiden, ob das Lehrgerüst mittels Kabelkran oder durch Einklappen aufgestellt wird. Wird das Lehrgerüst mittels Kabelkran montiert, Bild 9.1.1‑15, werden zunächst die Einzel­ binder in möglichst großen Längen, wenn möglich vom Kämpfer bis zum Scheitel, auf einem Abbindeplatz in der vorgesehenen Form zu ein- oder zweistöckigen Einzelbin­ dern abgebunden. Diese bis zu 65 m langen Elemente werden mit Hilfe des Kabelkrans gehoben, planmäßig versetzt, mittels Hilfs­ tragseilen gesichert, seitlich abgespannt und gegebenenfalls auf die Vorlandbrücken zurückgespannt. Zuletzt werden die Ver­ bände zwischen den einzelnen Bindern ein­ gebaut. Die Herstellung eines Lehrgerüsts für einen 180 m weit gespannten, 9 m brei­ ten Bogen für eine Autobahnbrücke ist in [Aigner, 1968 – 2] im Detail beschrieben. Wird das Lehrgerüst durch Einklappen der beiden Lehrgerüsthälften hergestellt, wer­ den wiederum die Einzelbinder in mög­ lichst großen Längen auf einem Abbinde­ platz abgebunden (Bild 9.1.1-19). Diese Elemente werden nun in die vertikale Lage gebracht und unterstützt bzw. aufgebockt. Nun werden sämtliche Verbände eingebaut. Zum Versetzen des Lehrgerüsts werden die beiden Lehrgerüsthälften zunächst in Län­

810

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

230 m langen und 10 m breiten Bogen mit 5 · 4 = 20 Gurten 0,25/0,45 etwa 35 000 bis 40 000 Mannstunden. 9.1.1.4.5  Betonieren des Bogens Das leichte, relativ weiche Gerüst lässt sich durch sukzessiven Aufbau des Bogenquer­ schnitts und gegebenenfalls durch Aktivie­ rung der Verbundwirkung zwischen dem Lehrgerüst und den bereits betonierten Quer­ schnittsteilen optimal ausnützen. Nach Er­ härten der Bodenplatte des Kastens liegt ein neues, sehr steifes, aus dem Lehrgerüst und der Bodenplatte bestehendes Tragsystem vor. Die weiteren Betonierlasten werden haupt­ sächlich von den bereits erhärteten Teilen des Betonbogens aufgenommen, wobei das Lehrgerüst ein Ausknicken der Bodenplatte verhindert. Bild 9.1.1‑21 zeigt ein Beispiel für einen zweizelligen Kastenquerschnitt. Bild 9.1.1-20   Lehrgerüst mit liegenden und radialen Verbänden

gen geschnitten, die sich vom vorhandenen Hebezeug versetzen lassen (Gewicht!). Die­ se Einzelteile werden mittels Mobilkran über den Bogenkämpfern stehend aufge­ baut, mittels Reibverbindungen wieder zu­ sammengefügt, abgespannt und schließlich eingeklappt und im Scheitel miteinander verbunden. Auf den Obergurten der Rüst­ binder werden für den Höhenausgleich Kanthölzer angeordnet, auf diesen wird die Schalung befestigt (gehobelte Bretter). 9.1.1.4.4  Arbeitsfortschritt Als Faustregel für den Arbeitsfortschritt (Abbinden, Zusammenbau, Montage, Hö­ henausgleich, Abbau) kann gelten: 70–75 Mannstunden pro m³ Gurtholz. Bei der Pfaffenbergbrücke ergeben sich für den

Bild 9.1.1-21   Sukzessiver Aufbau eines Kas­ tenquerschnitts

Bild 9.1.1-22   Erste Nößlachbrücke – Österreichische Brennerautobahn, 1968: Betonierfolge und Biegelinien [Aigner, 1968 – 2]

9.1  Betonbrücken 811

812

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

In den Kämpferbereichen können schon zu Beginn die Stege auf ca. 4–8 m hochge­ zogen werden, um konstruktiv eine Ein­ spannung des Lehrgerüsts an den Kämp­ fern zu erreichen. Die Betonierfolge in Brü­ ckenlängsrichtung lässt sich nur annähernd im voraus festlegen. Der genaue Betonier­ ablauf ist durch laufende Messungen des Verformungsverhaltens des Lehrgerüsts bzw. des aus dem Lehrgerüst und den be­

reits betonierten Teilen bestehenden Ver­ bundsystems zu bestimmen. Vor allem zu Beginn des Betoniervorgangs reagiert das Lehrgerüst empfindlich auf die aufgebrach­ ten Lasten. Bild 9.1.1‑22 zeigt eine typische Betonierfolge und die gemessenen Biegeli­ nien. Wesentlich ist die streng symmetri­ sche Lastaufbringung (Toleranz: maximal 15 kN Beton).

Tabelle 9.1.1-1    Mit frei tragendem Cruciani-Lehrgerüst hergestellte Bogenbrücken Name

Verkehrsweg

LBogen

Lgesamt

B

f

h

Jahr

Mitterbach­ brücke

Straße

30

55

9,8

6,6

8

1963

Augarten­ brücke Graz

Straße

54

65

18,5

6,7

8

1977

Wandau­brücke

Straße

70

150

10

14,8

20

1989

Kenlach­ grabenbrücke

Eisenbahn

76

185

2 · 5,85

22

45

2001

Sonnenburg­ brücke

Autobahn

97

182

2 · 13,25 22

80

1961

Innere Nöß­ lachbrücke

Autobahn

110

184

24

23,7

80

1968

Fritzbachtal­ brücke

Straße

117

274

15,5

30

60

1982

Murbrücke Grünhübl

Schnell­straße

143

610

2 · 14

47,5

50

1976

Äußere Nöß­ lachbrücke

Autobahn

180

342

24

45

85

1968

Pfaffenberg­ brücke

Eisenbahn

200

377

10

50

100

1971

Falkenstein­ brücke

Eisenbahn

120/150

396

10

36,8/46

90

1973

LBogen … Kämpferabstand (Ordnungskriterium) Lgesamt … Gesamtlänge der Brücke (Lagerachsen) B … Fahrbahnbreite (Außenkante Randbalken) f … Stich h … Höhe über dem Talboden bzw. Fluß Jahr … Jahr der Fertigstellung

9.1  Betonbrücken

9.1.1.4.6  Ausrüsten des Bogens Das Ausbauen des unter großen Druck­ kräften stehenden Lehrgerüsts kann entwe­ der durch Absenken oder durch Herbei­ führung einer kinematischen Kette (He­ rausschlagen einer Diagonalen) erfolgen. Wurde die Bodenplatte mit dem Lehrgerüst zur Aktivierung des Verbunds schubfest verbunden, so sind zunächst die Verbund­ elemente zu lösen. Um unkontrollierte Ver­ formungen bzw. ein Herabfallen des Lehr­ gerüsts zu vermeiden, wird dieses proviso­ risch mit dem Bogen verbunden. 9.1.1.4.7  Bauwerke Die Tabelle 9.1.1-1 enthält eine Auswahl von Bogenbrücken, die mit dem beschrie­ benen freitragenden Lehrgerüst hergestellt wurden. 9.1.2  Herstellung auf Vorschubrüstung

Jürgen Stritzke Die durch den Autobahnbau bedingte Stei­ gerung des Bedarfs an langen Talbrücken führte dazu, das beim Freivorbau (siehe Abschnitt 9.1.3) verwendete Prinzip der abschnittsweisen, vom Gelände unabhän­ gigen Herstellung von Brücken zu der Bau­ methode des feldweisen Betonierens mit freitragenden, stählernen Vorschubrüs­ tungen weiterzuentwickeln. Es entstanden sehr unterschiedliche Konzepte: Gerüste, die unter dem Überbau liegen, und solche, deren Hauptträger auf der Brücke stehen, einfache Träger mit geringem Bedienungs­ komfort und aufwendige Gerüstmaschi­ nen, bei denen jeder Handgriff mechani­ siert ist. Nicht immer konnten die in diese Vorschubrüstungen gesetzten Erwartun­ gen voll erfüllt und eine mehrmalige Ver­ wendung erreicht werden. Das optimale

813

Entwurfskonzept für das Vorschubgerüst und für die mit ihm gebaute Brücke, die Eignung der Rüstung für verschiedenarti­ gen Einsatz (verschiedene Spannweiten, Brückenbreiten, Querschnittsformen, ge­ rade und gekrümmte Brückenzüge), dazu aber auch eine kontinuierliche, auf die vorhandenen Kapazitäten Rücksicht neh­ mende zentrale Planung und nach Mög­ lichkeit die Zusammenfassung von Bau­ aufgaben zu großen Baulosen sind die Voraussetzungen für den Erfolg dieser Bauverfahren. Trotz der erhöhten wirtschaftlichen Risi­ ken hat sich das Bauen mit Vorschubgerüs­ ten im In- und Ausland durchgesetzt und dem Brückenbau neue Impulse gegeben. Die Gründe dafür sind die Unabhängigkeit des freitragenden Gerüsts vom Gelände, die hohe, mit anderen Ortbetonverfahren nicht erreichte Baugeschwindigkeit, die Einspa­ rung an Lohnkosten (die insbesondere durch Mechanisierung der Schalungsarbeiten er­ zielt wird) und die Möglichkeit, „vor Kopf “ zu arbeiten. Vor allem aber basiert der Erfolg der Vorschubgerüste auf der hohen Ausfüh­ rungsqualität, die damit erzielt werden kann. Das Vorschubgerüst ist eine auf die Baustelle gerückte Fabrikationshalle, die den Vorteil einer serienmäßigen Herstellung, der sonst nur im Fertigteilbau gegeben ist, mit den größeren Formgebungsmöglichkeiten der Ortbetonbauweise verbindet. 9.1.2.1  Feldweise Herstellung auf freitragender Vorschubrüstung – Rüstträger unter dem Überbau Die Abhängigkeiten zwischen Herstel­ lungsverfahren, Überbauquerschnitt und Unterbauten werden insbesondere beim Einsatz einer längsverschieblichen Rüs­ tung deutlich. Nicht nur bei großen Höhen über dem Gelände (ab 15 m) nutzt man bereits fertiggestellte Abschnitte des Über­ baus und die Unterbauten zur Abstützung

814

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.1.2-1   Feldweise Herstellung über mehrere Felder durchlaufender Spannbetonbrücken mittels freitragender, unter dem Überbau laufender Vorschubrüstung

einer längsverschieblichen Vorschubrü­ stung (Bild 9.1.2-1). Auch für lange Talbrücken in unebenem Gelände und für Hangbrücken im Zuge von Verkehrswegen entlang Gebirgshängen (z. B. [Gass, 1960], [Bänziger, 1980]) mit Stützweiten bis etwa 65 m wurden freitra­ gende stählerne Rüstträger entwickelt, die unter dem Überbau verschoben werden. Die Länge der Rüstträger beträgt zwei Feldlän­ gen. Das eigentliche Schalgerüst ist auf die Rüstträger aufmontiert und hat einfache Feldlänge. Auflagerpunkte der Rüstträger in Betonierstellung sind die Aufhängungen an Verankerungsträgern an der Koppelfuge und die Pfeilerkonsolen am vorderen Pfeiler. Diese Pfeilerkonsolen sind fester Bestandteil der Vorschubrüstung und werden in einem Zwischenzustand, in dem die gesamte Rüs­

tung am bereits gefertigten Überbauab­ schnitt hängt, am Rüstträger vorge­­fahren und am Pfeiler beiderseitig angespannt. Über diese Konsolen gibt die Vorschubrüs­ tung ihre Lasten während des Verrollvor­ gangs an die Brückenpfeiler ab. Zwischen den Rüstträgern und den Kon­solen sind Gleitstühle angeordnet, die ein Heben und Senken der Rüstträger mittels hydraulischer Pressen ermöglichen (Bild 9.1.2-2). Während der jeweils betonierte Bauab­ schnitt vorgespannt wird, erfolgt das Ab­ senken der Rüstträger. Damit werden die Steg- und Fahrbahnplattenschalung frei­ gesetzt, und die Bodenschalung wird ab­ geklappt. In diesem Zustand erfolgt ein Teilvorschub der Vorschubrüstung soweit, dass der Verbindungsrahmen (Querträ­ ger) den nächsten Pfeiler erreicht und

Bild 9.1.2-2   Überbauquerschnitt mit Lage der Rüstträger und Schalung einer stählernen Vorschub­ rüstung

9.1  Betonbrücken

durch Ablassen der Rüstung sich der Quer­ träger auf den Pfeilerkopf absetzt. Dabei gleitet die Vorschubrüstung vorn auf den Konsolen über Gleitlager, während das hintere Ende der Rüstung an einem auf der bereits erhärteten Fahrbahnplatte laufen­ den Oberwagen angehängt ist. Nunmehr können die Konsolenverankerun­gen am Pfeiler gelöst und die Konsolen zum nächs­ ten Pfeiler verschoben und verankert wer­ den. Danach kann das Vorschubgerüst in

815

die nächste Betonierstellung verschoben und die Schalung in die entsprechende ­Position eingefahren und ausgerichtet werden. An Stelle von stählernen, an den Pfeiler­ köpfen angespannten Konsolen werden auch stählerne Querträger verwendet, die auf Durchsteckträgern in den Pfeilern ru­ hen (Bild 9.1.2-3). Die Herstellung des Überbaus der Etzels­ bachtalbrücke im Zuge der Autobahn A38

Bild 9.1.2-3   Theistalbrücke – Stählerne Querträger, die auf Durchsteck­ trägern lagern, als Auflager für die Vorschubrüstung

Bild 9.1.2-4   Vorschubrüstung der Talbrücke über den Etzelsbach

816

Göttingen – Halle – Leipzig mit maximalen Stützweiten von 62 m erfolgte feldweise auf einem 700 t schweren Vorschubgerüst mit einer Gesamtlänge von 128 m. Das unter dem Überbau laufende Vorschubgerüst (Bild 9.1.2-4) besteht aus zwei stählernen Fachwerkträgern mit einer Bauhöhe von 4 m [Vorschubgerüst, 2001]. Um die Bean­ spruchung des Überbaus infolge der ange­ hängten Lasten aus Vorschubrüstung und Beton zu vermindern, wurden die Anhän­ gelasten mit Hilfe von Spanngliedern über eine längsverfahrbare Pylonkonstruktion in die Pfeiler geleitet. Bild 9.1.2-5 zeigt eine Vorschubrüstung mit untenliegenden Hauptträgern, die nach dem Rechenschieberprinzip arbeitet. Die Konstruktion besteht aus einzelligen stäh­ lernen Kästen. Die äußeren, seitlich neben den Pfeilern vorbeifahrenden Träger sind Rüstträger, durch Querrahmen miteinan­ der verbunden und haben etwa die Länge der Brückenstützweite. Der mittlere Träger (die Rechenstabzunge) liegt mittig auf den Pfeilern zwischen den Lagern und ist etwas länger als zwei Feldweiten. Er hat als Rüstund Vorbauträger eine Doppelfunktion: Im Betonierbereich trägt er die Schalung und dient beim Verrollen nach Vorstrecken zum nächsten Pfeiler als Fahrbahn für die äußeren Rüstträger. Klappbare Bodenplat­ ten verbinden die drei Hauptträger und bilden zusammen mit den Trägern den un­ teren Schalungsboden (Bild 9.1.2-6). Schal­

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

rahmen auf den Rüstträgern unterstützen die auskragenden Fahrbahnplatten des Überbaus. In Betonierstellung erfolgt die Auflagerung der Vorschubrüstung vorn auf dem Brückenpfeiler. Der Rüst- und Vor­ bauträger ist direkt auf dem Pfeiler gelagert, die seitlichen Rüstträger mittels Stahlkon­ solen. Hinten hängen die Hauptträger an einem sog. Kranwagen des zuletzt fertigge­ stellten Überbauabschnitts. Das Umsetzen der Vorschubrüstung in die nächste Betonierstellung geschieht in zwei Phasen: Nach dem Erhärten und Vorspannen des Tragwerks wird die gesamte Rüstung gleichmäßig hydraulisch abgesenkt, und die ­Bodenplatten zwischen den Hauptträ­ gern werden abgeklappt. Der vordere Kranwagen, der nur dem Vortransport der Rüstträger dient, unterstützt den Verbin­ dungsrahmen in der Mitte und übernimmt die Eigenlast der Rüstträger einschließlich Schalungskonstruktion. Am hinteren Kranwagen, der als Anhän­ getraverse für die Hauptträger in Betonier­ stellung und für den Vortransport der Rüst­ träger dient, werden nach dem Absenken und der Übernahme der Rüstträgerlast durch den vorderen Kranwagen die Beto­ nieranhängungen ausgebaut. Die Rüstträger hängen an außerhalb des Brückenquer­ schnitts liegenden Zuggliedern. Rüstträger und Vorbauträger sind für das Vorfahren getrennt.

Bild 9.1.2-5   Vorschubrüstung System Rechenstab, Vorfahren des Rüst- und Vorbauträgers

Bild 9.1.2-6   Freitragende Vorschubrüstung System Rechenstab mit Plattenbalkenquerschnitt ohne Querträger nach [Kotulla/Wilhelm, 1978]

9.1  Betonbrücken 817

818

Zuerst werden die beiden Rüstträger mit den Kranwagen vorgefahren. Der vordere Kranwagen fährt auf dem Vorbauträger, der hintere auf einem Gleis, das auf dem Über­ bau liegt. Die Auflagerkonsolen fahren mit vor; sie können von den Rüstträgern aus ausgebaut und nach Erreichen der neuen Arbeitsstellung wieder an dem Pfeiler ein­ gebaut werden. In der zweiten Phase wird der Rüst- und Vorbauträger umgesetzt. Er ist mit einem eigenen Antrieb versehen und rollt über Traversen, die in Ausnehmungen an den Pfeilerköpfen lagern. Nach dem Verlassen der hinteren Traversen werden diese aufge­ nommen, durch den Träger nach vorn ge­ fahren und beim Erreichen des nächsten Pfeilers dort versetzt. Das Einrichten der Rüstung nach dem Vorfahren für die neue Betonierstellung geschieht in umgekehrter Reihenfolge wie zuvor beschrieben. Die Vorteile einer freitragenden Vor­ schubrüstung liegen darin, dass die feldwei­ se Herstellung mit außerordentlich kurzen Taktzeiten und sehr wenigen Arbeitskräf­ ten erfolgen kann. Es sind keine Zwischen­ unterstützungen erforderlich, und das Ver­ fahren ist völlig geländeunabhängig. Bei der Planung einer Vorschubrüstung, die ihrer Aufgabe entsprechend ein Großgerät darstellt, sind eingehende Überlegungen über den gewünschten und technisch mög­ lichen Variationsbereich anzustellen. Die Amortisation der hohen Investitionskosten kann nur erreicht werden, wenn die Vor­ schubrüstung weitestgehend anpassungs­ fähig ist. Sie soll ohne wesentliche Umbau­ ten sowohl bei verschiedenen Stützweiten eingesetzt werden können als auch Verän­ derungen in der Querschnittsgestaltung ermöglichen. Die betriebstechnische und maschinelle Ausstattung sollte so vorgege­ ben sein, dass beim Einsatz auf der Baustel­ le eine sichere, einfache und wirtschaftli­ che Handhabung gewährleistet ist. Der Stützweitenbereich der herzustellenden Brücken, der Breitenbereich und die Quer­

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

schnittsform des Überbaus beeinflussen in besonderem Maße die Gesamtmasse der Vorschubrüstung und damit die Investiti­ onskosten. Man hat daher verschiedene Vorschubrüstungen für bestimmte Stütz­ weitenbereiche entwickelt [Kotulla/Wil­ helm, 1978]. Es ist unwirtschaftlich, große Rüstungen bei Brücken mit kleinen Stütz­ weiten einzusetzen, selbst wenn es möglich ist, die Rüstträger in der Länge den vorhan­ denen Stützweiten anzupassen. Die Kosten für Transport, Montage, Umsetzen und De­ montage bilden einen hohen Grundbetrag, der nicht durch betriebliche Rationalisie­ rung abgebaut werden kann. Nachteilig kann sich die relativ große Bauhöhe der stählernen Vorbaurüstung im Hinblick auf die Freihaltung des Lichtraums unter dem Überbau auswirken, wenn zu unterführende Verkehrswege freizuhalten sind und keine ausreichende Höhe zur Ver­ fügung steht. Die geringsten Lichtraumein­ schränkungen erzielt man dann noch durch Anwendung eines zweistegigen Plattenbal­ kens ohne Querträger als Überbauquer­ schnitt und Einsatz einer Vorschubrüstung nach dem Rechenschieberprinzip, da hier die Rüstträgerebene unmittelbar unter der Fahrbahnplatte liegt (Bild 9.1.2-6). Im Ge­ gensatz dazu befindet sich bei dem in Bild 9.1.2-1 dargestellten Prinzip die Rüst­ trägerebene ausschließlich unter der Trag­ werkskonstruktion. Damit wird wiederum die Ausführung von Plattenbalkentragwer­ ken mit Querträgern möglich. Autobahnbrücken bestehen i. d. R. aus zwei getrennten Überbauten, deren Herstel­ lung zweckmäßig in Hin- und Rückfahrt der Vorschubrüstung erfolgt. Bei dem in Bild 9.1.2-1 beschriebenen Verfahren, bei dem jeder Rüstträger als Vorbauträger benutzt wird, sind diese mit ihren Auslegern (Vor­ bauschnabel) symmetrisch ausgebildet. Vor Beginn der Rückfahrt ist hinter dem Wider­ lager lediglich nur ein Querverschub erfor­ derlich. Beim Rechenschieberprinzip muss wegen der unsymmetrischen Ausbildung der

9.1  Betonbrücken

Vorschubrüstung dieselbe hinter dem Wi­ derlager außerdem noch um 180 ° gedreht werden. Deshalb wird das Rechenschieber­ prinzip heute nicht mehr angewendet. Bei Kastenquerschnitten wird die Innen­ schalung zweckmäßig als durchgehender Schalwagen ausgebildet, der zunächst im zuletzt betonierten Abschnitt verbleibt und erst nach Einbringen der Bewehrung für die Bodenplatte und die Stege in den fol­ genden Abschnitt vorgezogen wird. Die Stützquerträger können dann aber erst nachträglich betoniert werden. Bei der Talbrücke Trockau im Zuge der Autobahn A9 [BÖGL/WALTER] mit zwei

819

getrennten, einzelligen Spannbetonkästen als Durchlaufträger über neun Felder mit den Stützweiten 48 m + 58 m + 60 m + 85 m + 100 m + 85 m + 60 m + 58 m + 48 m wurde ebenfalls eine stählerne Vorschub­ rüstung eingesetzt. Der wirtschaftliche Ein­ satz der Vorschubrüstung machte es erfor­ derlich, dass in den drei großen Mittelfel­ dern von 85 m + 100 m + 85 m mit verän­ derlichen Bauhöhen zwischen 3,50 m und 6,50 m Hilfsstützen angeordnet wurden (Bild 9.1.2-7). Damit war der längste Bau­ abschnitt auf 62 m begrenzt. Trotz dieser Begrenzung ergab sich eine Vorschubrüs­ tung mit beachtlichen Ausmaßen. Die Ge­

a)

b) Bild 9.1.2-7   Talbrücke Trockau – Vorschubrüstung unter Einsatz einer Hilfsstütze und eines Hilfspylons a) Hilfsstütze in dem 100 m-Feld für Bauabschnitt 5 b) Zusätzlicher Hilfspylon für Bauabschnitt 6

820

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

samtlänge einschließlich Vor- und Nach­ laufschnabel beträgt 128 m. Das 80 m lange Haupttragwerk bestand aus Fachwerkträ­ gern mit einer Bauhöhe von 4,00 m. Die Hilfspfeiler wurden zur Herstellung des zweiten Überbaus quer verzogen. Die Bau­ abschnitte reichten über die Pfeiler bzw. die Hilfsstützen zwischen 10 m und 14 m hinaus. Der Trogquerschnitt und die Fahr­ bahnplatte eines jeden Überbaus wurden in zwei getrennten Arbeitsgängen hergestellt. Der Hilfspylon einschließlich der Abspan­ nung war zur Abdeckung des negativen Moments über der Hilfsstütze erforder­ lich. Ein wesentliches Merkmal der Talbrücke Trockau ist die Vorspannung der Überbau­ ten in Längsrichtung mit ausschließlich ex­ ternen Spanngliedern SUSPA Draht-Ex (Typ 66). Eine sinnvolle Aufteilung der Spannglieder in durchlaufende, teilweise in den Stützquerträgern überlappte Spannglie­ der (Bild 9.1.2-8) sowie Zulagespannglieder in den Feld- und Stützenbereichen ermög­ licht die örtlich einzuleitenden Vorspann­ kräfte in beherrschbaren Größenordnungen zu halten. Als durchlaufende Spannglieder wurden für die Außenfelder vier Stück und für die großen Innenfelder sechs Stück pro Kastensteg gewählt. Insbesondere die Ver­ ankerungslisenen der Zulagespannglieder über den Innenstützen wurden weitest­ gehend in den Eckbereichen Fahrbahnplat­ te – Stege angeordnet, um größere, örtliche Krempelmomente zu vermeiden. 9.1.2.2  Feldweise Herstellung auf freitragender Vorschubrüstung – Rüstträger über dem Überbau

Bild 9.1.2-8   Talbrücke Trockau – Teillängs­ schnitt des Überbaus mit Lage der externen, durchlaufenden und Zulagespannglieder

Über dem Überbau fahrende Vorschub­ gerüste sind als eine Weiterentwicklung des beim Freivorbau verwendeten Vorbauwa­ gens zu betrachten. Von dem über dem Tragwerk liegenden Hauptlängsträger kra­ gen seitlich Querrahmen aus, die den Über­

9.1  Betonbrücken

821

Bild 9.1.2-9   Feldweise Herstellung der über mehrere Felder durchlaufenden Elztalbrücke mittels freitragender Vorschubrüstung nach [Finsterwalder/Schambeck, 1966] – Rüstträger über dem Über­ bau laufend

bau klammerartig umschließen und an die die Schalung mit Zugstangen angehängt ist (Bild 9.1.2-9). Der Rüstträger steht in Be­ tonierstellung mit Stützböcken auf dem zu­ letzt gefertigten Abschnitt und mittels einer besonderen Absetzkonstruktion auf dem nächsten Pfeiler. Nach Fertigstellung eines Abschnitts kann er ohne zusätzliche Hilfs­ maßnahmen durch Bedienung seiner Fahr­ werke jeweils um eine Feldlänge nach vorn vorfahren. Die Schalung wird dabei auf den unteren Querträgerarmen abgelegt. Durch die Form der Querrahmen eignet sich dieses Vorschubgerüst vor allem für Brücken mit einer Mittelstützenreihe und erlaubt dabei sehr verschiedenartige For­ men der Brückenquerschnitte, wie platten­ artige Tragwerke, Plattenbalken oder Käs­ ten mit konstanter und veränderlicher Bau­ höhe. Eine andere Form des über dem Überbau laufenden Vorschubgerüsts wurde bei der Ahrtalbrücke [Majewski, 1966] gewählt. Bei dem 175 m langen Gerüst mit einer Masse von 2060 t bestehen die Hauptträger aus Fachwerkträgern, die während des Betonier­ vorgangs auf dem Kragarm des zuletzt beto­ nierten Überbauabschnitts und auf dem nächsten Pfeilerkopf aufliegen. Die größte Spannweite der Ahrtalbrücke, die mit die­ sem Gerät hergestellt wurde, betrug 106 m. Das Umsetzen der Vorschubrüstung bei mehrfeldrigen Brückentragwerken mit ge­ trennten Überbauten wurde beim Bau der dritten Festlandbrücke in Lagos, Nigeria, weiterentwickelt. Um ein Umsetzen der

Vorschubrüstung ohne Demontage des Schalgerüsts zu ermöglichen, wird unter Verwendung einer Drehplattform und eines Drehkreuzes die Vorschubrüstung über dem letzten Zwischenpfeiler so gedreht, dass ein Vorfahren zum entsprechenden Pfeiler des zweiten Brückenbauwerks mög­ lich ist [DYWIDAG 11]. Vorschubgerüste, die oberhalb des Über­ baus angeordnet sind, vermeiden die schwe­ ren Quertraversen, die bei den unterhalb angeordneten Vorschubgerüsten erforder­ lich sind. Unter den hoch über dem Über­ bau liegenden Rüstträgern kann der Mate­ rialtransport ohne Behinderung erfolgen. Wegen der praktisch unbeschränkt zur Verfügung stehenden Bauhöhe oberhalb der Brückenfahrbahn wird der Hauptlängs­ träger meist als Fachwerk ausgebildet, das bei relativ geringer Eigenlast große Stützwei­ ten ermöglicht. Der Lichtraum unter der Brücke wird dadurch nicht eingeschränkt, und die Freihaltung von zu unterführenden Verkehrswegen ist möglich. 9.1.2.3  Vorschubrüstungen aus Spannbeton Im Gegensatz zu stählernen Vorschubrüs­ tungen aus Fachwerk- oder Vollwandträ­ gern werden auch Vorschubrüstungen aus Spannbeton ([Harries et al., 1994], [Martin/ Adlunger, 1988], [Keuser/Kremser, 1999]) eingesetzt. Sie benötigen keine bewegli­ chen Teile beim Vorbeifahren an den Pfei­ lern und Lagern, indem das Prinzip und

822

a)

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

b)

Bild 9.1.2-10   Trogförmige Spannbeton-Vorschubrüstung nach [Harries et al., 1994] a) Betonier­ stellung b) Vorschub mit angehobenem Überbau

einzelne Bauteile des Taktschiebeverfah­ rens (siehe Abschnitt 9.1.4) verwendet werden. Vorschubrüstungen aus Spannbe­ ton vermeiden hohe Investitionskosten für eine ungewisse Anzahl von Einsätzen, La­ ger- und Transportkosten und Mietkosten und können den individuellen Bedürfnis­ sen des Bauwerks angepasst werden. Nach Fertigstellung des Brückenbauwerks wer­ den sie wieder abgebrochen. Es hat sich gezeigt, dass Vorschubrüs­ tungen aus Spannbeton mit nur einmali­ gem Einsatz sehr kostengünstig und damit wettbewerbsfähig sind. Die großen Eigen­ lasten solcher Vorschubrüstungen sind beim Vorschieben nicht von Bedeutung. Die Einwirkungen auf die Unterbauten ­bewegen sich zumindest bei Eisenbahnbrü­ cken im Rahmen der Gebrauchslasten des Endzustands. Die Spannbeton-Vorschub­ rüstung kann den Überbauquerschnitt

Bild 9.1.2-11   Spannbeton-Vorschubrüstung in Z-Form unter der Überbauunterkante liegend

trogförmig umschließen (Bild 9.1.2-10) oder sie liegt gänzlich unter der Überbau­ unterkante und erhält ein Z-Profil (Bild 9.1.2-11). Analog dem Taktschiebe­ verfahren wird man aus Gewichtsgründen an der vorderen Stirn­seite der Vorschub­ rüstung einen stählernen Vorbauschnabel anspannen. Er ist eins der wenigen, wieder­ holt einzusetzenden Bauteile. Für den Einbau der oberen Verschiebe­ lager zwischen Vorschubrüstung und beto­ niertem Überbau müssen beide Tragwerke gegeneinander vertikal bewegt werden: Entweder man hebt den Überbau und lässt die Vorschubrüstung in ihrer Höhenlage (Bild 9.1.2-10a) oder man senkt die Vor­ schubrüstung ab und belässt den Überbau in seiner Höhenlage. Die zuerst genannte Methode eignet sich bei Einfeldträgerket­ ten. Gehoben wird nur das zuletzt herge­ stellte Überbaufeld. So wurde bei der Rom­ bachtalbrücke im Zuge der Neubaustrecke Hannover – Würzburg der Deutschen Bun­ desbahn verfahren. Die andere Methode eignet sich für Durchlaufträger. Dabei soll­ ten zusätzliche Beanspruchungen des Über­ baus infolge Stützensenkung vermieden werden. Die hydraulischen Verschiebeanla­ gen zwischen Pfeiler und Vorschubrüstung kann man mit denen koppeln, die zwischen der Vorschubrüstung und dem Überbau angeordnet sind. Wählt man die Kolbenflä­ chen der Pressen an den oberen und unte­

9.1  Betonbrücken

ren Verschiebelagern gleich, bleibt bei ei­ nem geschlossenen System die Höhenlage des Überbaus stets gleich. Nach Fertigstel­ lung des Überbaus wird die Vorschubrüs­ tung über das Brückenwiderlager hinaus­ gefahren, dort werden die Stahlteile de­ montiert und die Betonteile abgebrochen. Beim Bau der zweigleisigen Geratalbrü­ cke Ichterhausen [Keuser/Kremser, 1999] im Zuge der Neubaustrecke Ebensfeld – Er­ furt wurde ebenfalls eine Spannbetonvor­ schubrüstung (Bild 9.1.2-12) eingesetzt. Die 1121 m lange, einzellige Spannbeton­ kastenbrücke ist eine Einfeldträgerkette über 24 Felder mit Stützweiten von 44 m bis 58 m. Sie dient der Überführung der Deutschen Bahn über das Geratal mit der neuen Autobahn A71, der Kreisstraße K20 und der östlichen Verbindungsrampe des Autobahnkreuzes A4/A71. Die Längsvor­ spannung der Überbauten war auf die Ein­

823

haltung der vertikalen Verformungen bei Brücken mit Fester Fahrbahn nach dem Anforderungskatalog zum Bau der Festen Fahrbahn abzustimmen. Die Überbauten wurden mit einer Vor­ schubrüstung hergestellt, wie sie in ähnli­ cher Form beim Bau der Rombachtalbrü­ cke [Harries et al., 1994] verwendet wor­ den ist. Sie bestand aus einem Spannbeton­ trog, dessen Vorbauschnabel sich aus ­einem Spannbetonteil und einer stähler­ nen Vorbauspitze zusammensetzte. Der Kastenquerschnitt wurde in zwei Abschnit­ ten hergestellt, deren Arbeitsfuge zwischen den Stegen und der Fahrbahnplatte liegt. Obwohl der zuerst hergestellte Teilquer­ schnitt des Überbaus entsprechend den Steifigkeitsverhältnissen ca. 20% der Be­ tonierlast übernimmt, wurde die Vorschub­ rüstung für die volle Betonierlast ausgelegt. Die Größe der teilweisen Längsvorspan­ nung des Betontroges wurde wie folgt fest­ gelegt: • Im 58 m-Feld unter Eigenlast des Vor­ schubgerüsts und Schalungslasten (ohne Betonierlast des Überbaus) treten nähe­ rungsweise keine Zugspannungen in Längsrichtung unter Gebrauchslasten auf (volle Vorspannung). Die Beanspru­ chung aus dieser LF-Kombination ent­ spricht etwa der halben Beanspruchung aus Volllast. Beim Vorfahren werden aus äußeren Lasten die auftretenden Zug­ spannungen an der Oberseite des Trogs zur Hälfte überdrückt.

Bild 9.1.2-12   Vorschubrüstung der Geratal­ brücke Ichterhausen

Aufgrund dieser Kriterien ergibt sich eine nahezu zentrische Vorspannung. Die Be­ anspruchungen, die nicht durch die teilwei­ se Vorspannung abgedeckt sind, werden von der schlaffen Bewehrung aufge­ nommen. Nach Fertigstellung des Überbaus eines Felds in der Vorschubrüstung erfolgte nach [Keuser/Kremser, 1999] der Vorschubvor­ gang in der in Bild 9.1.2-13 angegebenen Reihenfolge:

824

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.1.2-13   Geratalbrücke Ichterhausen – Vorschubvorgang nach [Keuser/Kremser, 1999]

Phase 1 • Einbau der Gleitbahn auf dem Überbau • Montage der hinteren Führungsschiene • Anheben des Überbaus vorn und Einbau der oberen Taktschiebelager zwischen Gerüstfuß und Unterkante Überbau • Einbau der Vorschubanlage • Anheben des Überbaus hinten, bis über Druckkontakt die Stahltraverse die Vor­ schubrüstung vom hinteren Lager frei­ setzt und damit die Aufhängung hinten gewährleistet ist Phase 2 • Verschub der Rüstung, bis die hintere Auskragung der Rüstung nur noch ca. 23 m beträgt • Freisetzen der Stahltraverse Phase 3 • Verschub bis ca. 1,50 m vor Verlassen des Überbaus • Anheben des Überbaus vorn und damit Freisetzen der oberen Taktschiebelager • Überbau ruht auf Pressen

Phase 4 • Endeinschub bei gleichzeitigem Umset­ zen von dem vorderen auf das hintere Taktschiebelager Phase 5 • Einbau der vorderen Führungsschiene • Ausbau der Vorschubanlage Phase 6 • Herstellung des neuen Überbaus bei gleichzeitigem Ablassen des vorher her­ gestellten Überbaus Zu den o. g. Vorteilen von Vorschubrüstun­ gen aus Spannbeton kommen noch weitere hinzu. Die Brauchbarkeit einer Vorschub­ rüstung wird von zwei Anforderungen be­ stimmt: Zum einen muss die Standsicher­ heit gegeben sein und zum anderen muss das Verformungsverhalten eine maßgenaue Herstellung des Überbaus erlauben. Der Betontrog ist außerordentlich steif und des­ halb relativ formtreu. Die Vorschubrüstung umhüllt den Überbau nicht nur mit der

9.1  Betonbrücken

Schalung, sondern mit dem gesamten Be­ tontrog. Dadurch werden ein rascher Ab­ fluss der Hydratationswärme und frühzei­ tiges Schwinden verhindert. Dies führt zu einer hohen Betonqualität des Überbaus mit dichtem Gefüge und guter Sichtfläche. 9.1.3  Freivorbau

Manfred Curbac, Harald Michler und Silke Scheerer (bis 9.1.4) 9.1.3.1  Einleitung Im Freivorbau werden Balken-, Rahmenund Bogenbrücken errichtet. Dieses Bau­ verfahren wird angewendet, wenn mittlere und große Spannweiten zwischen ca. 70 m und 250  m überbrückt werden müssen, ohne dass z. B. ein Lehrgerüst gestellt wer­ den kann. Das kann der Fall sein, wenn schwierige geologische oder geografische Verhältnisse vorherrschen, beispielsweise wenn sich die Brücke in großer Höhe befin­ det oder breite Hindernisse stützenfrei überspannt werden sollen. Unter der Brü­ cke kommt es i. d. R. weder zu nennens­ werten Verkehrsbehinderungen noch wer­ den ökologisch empfindliche Bereiche be­ einträchtigt. Ein weiterer Vorteil des Bau­ verfahrens ist, dass es unabhängig von den Setzungen eines Lehrgerüsts ist. Im deutschsprachigen Raum wurde 1930 bei einem Wettbewerb zum Entwurf einer Rheinbrücke in Basel das Verfahren des freien Vorbaus einer Betonbrücke erst­ mals von Finsterwalder vorgeschlagen [Finsterwalder/Schambeck, 1965]. Im sel­ ben Jahr wurde in Brasilien eine Stahlbe­ tonbrücke durch Vorstrecken einer Bretter­ schalung über den Rio de Peixe errichtet [Beton und Eisen, 1931], [Curbach, 1994-1]. 1937 wurde in England eine weitere Stahl­ betonbrücke im Freivorbau errichtet. Trotz­ dem hat sich das Verfahren bei Stahlbeton­ brücken nicht durchgesetzt. Erst mit der

825

Entwicklung des Freivorbaus für Spannbe­ tonbrücken durch Finsterwalder (Dycker­ hoff & Widmann) eröffnete sich diesem Bauverfahren ein breites Anwendungsge­ biet. In [Finsterwalder, 1952] wird über den Bau der ersten frei vorgebauten Spannbe­ ton-Flussbrücken in Deutschland in Baldu­ instein über die Lahn 1950 (Bild 1.4-52) und in Neckarrems über den Neckar 1951 berichtet. Das Grundprinzip des klassischen Frei­ vorbaus besteht darin, dass von einem Pfei­ ler aus mit einer beweglichen Fertigungs­ anlage – dem Freivorbauwagen – einzelne Brückenabschnitte betoniert werden. Da­ bei trägt der Freivorbauwagen Rüstung, Schalung, Beton- und Spannstahlbeweh­ rung sowie den Frischbeton. Oft wird wechselseitig oder symmetrisch gefertigt, wodurch auf dem betreffenden Pfeiler ein Waagebalken entsteht. Die Fertigungsab­ schnitte sind i. d. R. zwischen 3 und 5  m lang. Dadurch ist die vorzuhaltende Mate­ rialmenge für Vorbaurüstung und Schalung relativ klein. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Schalung mehrfach wieder verwendet und leicht modifiziert werden kann. Die Anpassung an gevoutete Balkengeometrien ist problemlos möglich. Eine weitere Redu­ zierung von Material- und Zeitaufwand wird durch mehrmaliges Wiederholen ähn­ licher Takte erzielt. Durch Einhausen des Vorbauwagens kann auch bei widrigen Witterungsbedingungen gearbeitet wer­ den. Außer dem sogenannten klassischen Freivorbau gibt es noch verschiedene Vari­ anten: • Freivorbau mit Hilfsabspannung (Pylon­ freivorbau), • Freivorbau mit Hilfsträger, • Freivorbau mit Vorschubrüstung (Rüst­ träger), • Freivorbau mit Fertigteilen (Segment­ bauweise), • Bogenfreivorbau.

826

9  Herstellung und Ausführungsmethoden Tragwerk aus Normalbeton Feld Stütze Mittelwert

120 100

Hauptspannweite ganz oder teilweise aus Leichtbeton Feld Stütze Mittelwert

Balduinstein 1950

l/h [-]

80

Kochertalbrücke 1979 Shibanpo Bridge 2006

Rio de Peixe 1930

60

(mittlere 103 m als vorgefertigtes Stahlkasten-Profil eingehoben)

40 20 Stolmasundbrücke 1998 0 50

100

150

200

250

300

350

Spannweite der Hauptöffnung [m]

Bild 9.1.3‑1   Schlankheiten verschiedener Freivorbaubrücken

9.1.3.2  Anforderungen an den Überbau Beim Freivorbau werden am häufigsten ge­ voutete Kastenträger ausgeführt. Die Brü­ cken können im Grundriss geradlinig oder gekrümmt verlaufen. Bei Quergefälle wird der Kastenträger als Rhombus ausgeführt. Nach [Menn, 1990] sollte die Schlankheit l/h (h: Trägerhöhe über der Stütze) ca. 17 betragen. In Feldmitte werden Schlank­ heiten von ca. 50 erreicht, bei Verwendung von Leichtbeton auch deutlich mehr, s. Bild 9.1.3-1. Gevoutete Träger können die Kragarmbeanspruchung im Bauzustand optimal abtragen, da das veränderliche Wi­ derstandsmoment dem Verlauf des Stüt­ zenmoments angepasst werden kann. Die gekrümmte Unterseite des Trägers folgt meist einer Parabel. Es werden aber auch Plattenbalkenquerschnitte oder parallel­ gurtige Träger im freien Vorbau hergestellt. Eine Zusammenstellung der Schlankheiten ausgewählter Freivorbaubrücken zeigt Bild 9.1.3-1. Kastenträger haben den großen Vorteil, dass die hohen negativen Biegemomente infolge der Kragarmbelastung im Bauzu­ stand gut aufgenommen werden können und dass ein einfaches und rationelles

Schalen möglich ist. Oft wird die Dicke der Bodenplatte im Querschnitt über der Stütze gegenüber dem Feldbereich stark erhöht. Daraus resultieren z. B. ein größerer Hebel­ arm der inneren Kräfte oder auch geringere Spannungen in der Druckzone. Auch die Dicke der Fahrbahnplatte wird variiert, hier allerdings, um die Eigenlast in Feldmitte zu verringern. In Bild  9.1.3-2 ist die grund­ sätzliche Querschnittsgestaltung skizziert. Vertikale Stege erleichtern sowohl das Einschalen als auch das Betonieren. Schrä­ ge Stege ermöglichen eine breitere Fahr­ bahnplatte bei ansprechender Optik und können durch lotrechtes Absenken der Schalung einfacher ausgeschalt werden. Bei schrägen Stegen bleibt entweder die Nei­ gung der Stege konstant, was eine variable Breite der Bodenplatte zur Folge hat, oder es wird eine gleich bleibende Breite der Boden­platte gewählt, wodurch die Stege eine dreidimensionale Krümmung erhal­ ten. Die konstante Stegneigung ist einfacher zu fertigen, allerdings ergibt sich im hoch beanspruchten Stützenbereich die gering­ ste Bodenplattenbreite, was dann durch eine größere Plattendicke kompensiert werden muss. Bild  9.1.3-3 zeigt beide Varian­ten in Querschnitt und Ansicht.

9.1  Betonbrücken

827

Bild 9.1.3-2   Variation der Ausbildung von Fahrbahn- und Bodenplatte

Bild 9.1.3-3   Übliche Steggeometrien; links: konstante Stegneigung und variable Breite der Boden­ platte; rechts: variable Stegneigung und konstant breite Bodenplatte

9.1.3.3  Besonderheiten bei der Spanngliedführung Im Endzustand sind Freivorbaubrücken Rahmen oder Durchlaufträger. Im Bau­ zustand handelt es sich jedoch um Krag­ träger. Diese müssen beim Brückenschluss in Feldmitte miteinander zum Endsystem verbunden werden. Drei Möglichkeiten werden unterschieden: • biegesteife Verbindung – das ist die heu­ te übliche Lösung, • Ausbildung eines Gelenks, • Einfügen eines Einhängeträgers. Der biegesteife Brückenschluss stellt die wartungsärmste Variante dar und hat sich i. A. durchgesetzt. Nach [Menn, 1990] sind Gelenksysteme wirtschaftlicher als Durchlaufsysteme, da eine Momentenumlagerung vom mas­ siveren Stütz- in den schwächeren Feld­ bereich ausgeschlossen wird. Hinsichtlich der Gebrauchstauglichkeit ergeben sich al­ lerdings Nachteile. Zu nennen wären z. B. der entstehende „Knick“ in der Gradiente, der den Fahrkomfort beeinträchtigt, der konstruktive Aufwand bei der Herstellung von Gelenken und Fugen und die Notwendig­keit der Wartung dieser Bau­

teile. Besonders kritisch ist der Tausalz­ angriff. Bei Gelenksystemen kann zwischen Gelenken mit Dila­tation und ohne Dilatati­ on unterschieden werden. Soll eine Dilata­ tion zugelassen werden, sind komplizierte Speziallager mit großem Platzbedarf nötig, die die wechselseitig unterschiedlichen Querkräfte und Verti­kal­verschiebungen aufnehmen können. Gelenke ohne Dilata­ tion können z. B. als vorgespannte Betonge­ lenke in der Fahr­bahn­platte ausgeführt werden, s. Bild 9.1.3-4. Aus der Art des Brückenschlusses und der Herstellung ergeben sich Besonder­ heiten in der Spanngliedführung. Unter­ schieden werden: • Kragarmvorspannung, • Kontinuitätsvorspannung, • Feldvorspannung.

Bild  9.1.3-4   Gelenk ohne Dilatation zum Verbinden der Kragarme nach [Menn, 1990]

828

Die Spannglieder zur Kragarmvorspannung nehmen vorwiegend die Schnittgrößen aus den Bauzuständen auf und werden auch dafür dimensioniert. Sie liegen größtenteils in der oberen Platte des Kastenträgers, wo­ durch ein maximaler Hebelarm erzielt wer­ den kann. Da jeder neue Abschnitt kraft­ schlüssig mit dem schon ausreichend er­ härteten Kragarm verbunden werden muss, ist ausgehend vom Pfeilertisch eine Viel­ zahl von leeren Hüllrohren einzubetonie­ ren. In der Arbeitsfuge werden immer nur diejenigen Spannglieder verankert, die zur Aufnahme der zusätzlichen Lasten aus dem gerade gefertigten Abschnitt benötigt wer­ den. Durch diese Abstufung ist eine pro­ blemlose Anpassung der Vorspannung an die Beanspruchung möglich. Die restlichen Hüllrohre werden an den Arbeitsfugen ledig­lich gestoßen. Oft werden in diese leeren Hüllrohre PVC-Rohre als Füller ein­ gelegt. Diese wirken einerseits stabilisie­ rend während des Betonierens. Anderer­ seits wird bei eventuellen Undichtigkeiten ein Volllaufen der Hohlräume mit Beton vermieden, wodurch das nachträgliche Einfädeln der Spannbewehrung unmöglich werden würde. Aus diesem Grund sieht man auch einige wenige leere Hüllrohre zu­ sätzlich im Querschnitt vor, die dann als Ersatz bei Beschädigungen von Hüllrohren statisch erforderlicher Spannglieder dienen können. Werden die Ankerstellen entspre­ chend ausgebildet, ist hier außerdem eine Möglichkeit zum nachträglichen Verstär­ ken des Bauwerks gegeben. Ein Beispiel für die Abstufung der Kragarmvorspannung zeigt Bild 9.1.3-5. Für die Anordnung der Kragarmspann­ glieder im Grundriss gibt es verschiedene Varianten. Werden sie gerade geführt, be­ finden sich die Ankerlisenen an der Unter­ seite der Fahrbahnplatte. Dies erleichtert die Bewehrungsführung, schränkt aber gleichzeitig die freie Höhe im Kastenträger ein, was die Arbeit im Kasteninnern er­ schwert. Eine weitere Möglichkeit ist, die

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

jeweils endenden Spannglieder nach außen in die Nähe der Stege oder in den Stegen selbst umzulenken. Die Verankerungen be­ finden sich dann entweder im Bereich des steiferen Anschlusses von Steg und Platte oder im Steginnern. Bei letzterer Variante können die Spannglieder noch weit inner­ halb der Stege nach unten geführt werden. Dadurch erhöht sich die Querkrafttrag­ fähigkeit deutlich, das Einbringen von Be­ wehrung und Beton ist allerdings kompli­ zierter. Die Kontinuitätsspannglieder werden in der Bodenplatte verlegt, um die positiven Momente im mittleren Drittel der Spann­ weite aufzunehmen. Diese entstehen nach biegesteifem Brückenschluss durch die Än­ derung des statischen Gesamtsystems. Sie werden in der Nähe der Stege verlegt und verankert, zum einen, um die höhere Steifig­keit des Querschnitts an dieser Stelle auszunutzen, zum anderen, um die Quer­ biegung in der Bodenplatte so gering wie möglich zu halten. Ein Beispiel für die Ab­ stufung wird ebenfalls in Bild  9.1.3-5 ge­ zeigt. Die Lisenen in der Bodenplatte müs­ sen besonders sorgfältig konstruiert wer­ den, da die Platte hier meist sehr dünn ist. Außerdem ist darauf zu achten, dass für die in­folge der Krümmung der Kontinuitäts­ spannglieder auftretenden Umlenkkräfte ausreichend und gut verankerte Beweh­ rung vorgesehen wird. Die Spannglieder der Feldvorspannung werden nach dem Brückenschluss über die gesamte Spannweite in durchgehende, leer belassene Hüllrohre eingefädelt. Neben der Abdeckung extremer Beanspruchungen können sie auch zur Beeinflussung von Verformungen nach dem Brückenschluss oder, wie schon erwähnt, zur nachträg­ lichen Verstärkung dienen. Die Feldvor­ spannung kann sowohl als Vorspannung mit nachträglichem Verbund als auch als externe Vorspannung realisiert werden. Bei üblichen Bauvorhaben ist die Kragarm­vorspannung aus dem Bauzustand

9.1  Betonbrücken

829

Bild 9.1.3-5   Beispiel für die Anordnung von Spanngliedern im Kragarm und im Feldbereich, nach [Curbach, 1993-1]

so dimensioniert, dass sie auch die Stützen­ momente im Endzustand aufnehmen kann, da eine entsprechende Umlagerung statt­ findet. Somit werden im Allgemeinen nur Kragarm- und Kontinuitätsvorspannung eingesetzt. 9.1.3.4  Ausrüstung beim klassischen Freivorbau An erster Stelle ist der Freivorbauwagen zu nennen. Er wird in Brückenlängsrichtung verfahren und trägt die Rüstträger und die Schalung. Von der Tragkraft des Freivor­ bauwagens hängt die Länge der Betonier­ abschnitte ab. Zulässige Lasten für übliche Freivorbauwagen sind z. B. 1300, 1750 und 2000 kN. Außerdem ist die maximale Län­ ge der Schalung zu berücksichtigen. Üblich sind hier 5 m. Beim beidseitigen Freivorbau im Waage­ balkenprinzip wird der Anfangstakt (der Pfeilertisch) in konventioneller Bauweise hergestellt. Die Länge des Pfeilertisches ist abhängig vom Platzbedarf für das Aufstel­ len der Freivorbauwagen. Ist der Überbau nicht monolithisch mit der Stütze verbunden, werden oft druckund zugfeste, vorgespannte Hilfsstützen zur

Stabilisierung des Waagebalkens und zur Aufnahme von Kippmomenten während der Bauzeit benötigt. Die Lager auf den Brü­ ckenpfeilern übertragen im Wesentlichen die Vertikalkräfte. Wird mit einem unsym­ metrischen Waagebalken gearbeitet, z. B. wenn der Kragarm auf der einen Seite ein bis zwei Takte Vorlauf hat, können einseitig angeordnete, druckbeanspruchte Hilfsstüt­ zen errichtet und gleichzeitig die Länge des Pfeilertisches reduziert werden, da der zwei­ te Freivorbauwagen erst nach dem Vorfah­ ren des ersten montiert wird. Zur Dimensi­ onierung der Hilfsstützen und für den Lage­ sicherheitsnachweis muss die ungünstigste Kombination von planmäßigem Kipp­ moment und Belastung infolge Eigenlast angesetzt werden. Die Hilfsstützen werden einseitig an der Oberseite der Bodenplatte des Pfeilertisches vorgespannt. Die Stütze bleibt im Zustand I, wodurch ihre Längsde­ formationen stark begrenzt werden. Da­ durch sinkt die Gefahr starker Verfor­ mungen oder Verdrehungen des Waagebal­ kens. Eine mögliche Anordnung von Hilfs­ stützen ist in Bild 9.1.3-6 zu sehen. Das genaue Einstellen der Vorspannkraft in den Hilfsstützen ist schwierig, da die unterschiedlichen Dehnsteifigkeiten von Hilfsstützen und Brückenpfeiler und die

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Bild  9.1.3-6   Stabilisierung des Pfeilertisches mit vorgespannten Hilfsstützen nach [Curbach, 1994a]

nichtlineare Verformung der Brückenlager nur schwer modelliert werden können. Aus diesem Grund werden zwischen dem Über­ bau und den Hilfsstützen Pressen angeord­ net, mit denen die gewünschte Vorspann­ kraft in den Hilfsstützen aufgebracht wer­ den kann. So kann in allen Bauphasen die erforderliche Vorspannung der Hilfs­stützen überprüft und angepasst werden. Die An­ ordnung der Hilfsstützen und insbesondere deren Abstand sind abhängig vom maximal aufzunehmenden Kippmoment und damit von der Spannweite des Waagebalkens und der Länge der Fertigungsabschnitte. Rei­ chen die vorgesehenen Hilfsstützen für die

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

letzten Takte nicht aus, können auch zu­ sätzliche Hilfsstützen unter den Stegen des Waagebalkens angeordnet werden, wie es z. B. bei der Mainbrücke Oberndorf ge­ schah [Curbach, 1994-1]. Das Kippmoment kann aber auch anderweitig aufgenommen werden, z. B. durch Verspannen des Pfeiler­ tisches mit dem Brückenpfeiler oder durch Einspannen des Überbaus selbst in den Pfeiler. Beim einseitigen oder einhüftigen Frei­ vorbau müssen die Kragmomente durch ausreichend starke Fundamente, Rückver­ ankerungen in den anstehenden Baugrund durch Erd- oder Felsanker, durch Gegen­ gewichte oder Abspannungen z. B. in schon zuvor fertig gestellte Brückenfelder aufge­ nommen werden. Ein Schema des Herstell­ vorganges zeigt Bild 9.1.3-7. Durch tempo­ räre Abstützungen oder Abspannungen kann eine unnötig hohe Bewehrung des Überbaus vermieden werden. Zur Herstellung des Brückenschlusses ist oft eine spezielle Ausgleichskonstrukti­ on nötig. Dafür werden die Freivorbauwa­ gen demontiert und geeignete Hilfskon­ struktionen eingebaut, um den Kragarm während des Brückenschlusses zu fixieren. Bei den in Abschn. 9.1.3.6 vorgestellten Varianten des Freivorbaus werden noch weitere Hilfsmittel benötigt. Hier sollen

Bild 9.1.3-7   Freivorbau mit Hilfspylon und Abspannungen nach [Münchener Rückversicherung, 1992]

9.1  Betonbrücken

beispielhaft nur Hilfspylone, Rüstträger und temporäre Abspannungen genannt werden. 9.1.3.5  Bauablauf beim klassischen Freivorbau Zuerst werden Gründung und Pfeiler her­ gestellt. Anschließend wird der Pfeilertisch auf dem Pfeiler errichtet. Der Regelfall beim klassischen Freivor­ bau ist die symmetrische Fertigung vom Pfeilertisch aus. Der dadurch im Bauzu­ stand entstehende Waagebalken muss sta­ bilisiert werden, s. a. Abschn. 9.1.3.4. Nach­ einander erfolgen die Einrichtung der Frei­ vorbauwagen, die Ausrichtung der Scha­ lung und das Einlegen der schlaffen Beweh­ rung und der leeren Hüllrohre für die Spannbewehrung. Nun kann der erste Takt jedes Kragarms betoniert werden. Hat die­ ser Teilabschnitt nach ca. zwei bis drei Ta­ gen eine ausreichende Festigkeit erreicht, werden die Spannglieder in die vorberei­ teten Hüllrohre des fertigen Stückes einge­ zogen und vorgespannt. Häufig werden die Spanngliedverankerungen für eine nied­ rigere Betonfestigkeitsklasse ausgelegt, als für die, die wirklich eingebaut wird. Im Endzustand ist also etwas mehr Beweh­ rungsstahl vorhanden als statisch erforder­ lich war. Der große Vorteil dieser Vorge­ hensweise ist aber, dass das Vorspannen zeitlich vorgezogen werden kann. Nach dem Vorspannen wird der Vor­ bauwagen vorgefahren und am fertig ge­ stellten Teilstück fixiert. Alle weiteren Ab­ schnitte werden wechselseitig angefügt und taktweise vorgespannt. Mit dem letzten Teilstück in Feldmitte wird der Brücken­ schluss vollzogen. Nun werden die Konti­ nuitätsspannglieder eingezogen und vorge­ spannt. Bei Bedarf wird die Feldvorspan­ nung eingebaut und aktiviert. Die beträchtlichen elastischen und pla­ stischen Trägerdurchbiegungen müssen

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während des Vorbaus durch Überhöhungen ausgeglichen werden. Die Überhöhung muss so dimensioniert werden, dass im Ge­ brauchszustand das vorgesehene Fahr­ bahnniveau gewährleistet ist. Im Allgemei­ nen müssen Verformungen, die während der Herstellung entstehen, kompensiert werden. Solche Verformungen stellen sich u. a. nach dem Ausrüsten durch Eigenlast und anteilige Verkehrslast ein oder sie sind Folgen von Stützensenkungen oder Tempe­ raturunterschieden. Weiterhin müssen beim Freivorbau die wechselnden Einsen­ kungen des Vorbauwagens während des Betonierens, die Verformungen des Krag­ systems im Bauzustand, die Einflüsse des nach dem Brückenschluss geänderten sta­ tischen Systems und die in diesem Zusam­ menhang zu erwartenden Kriechum­ lagerungen berücksichtigt werden. Während des gesamten Bauprozesses werden nach der Herstellung jedes Takts die aktuellen Verformungswerte gemessen. Mit dem realen E-Modul und der tatsäch­ lichen Eigenlast des eingebauten Frischbe­ tons wird die erforderliche Überhöhung für den nächsten Takt berechnet. Eventuell notwendige Korrekturen können so früh­ zeitig berücksichtigt werden. Beim Herstellen des Brückenschlusses müssen außer der Höhe der Kragarmenden auch die Tangenten der Gradiente in Grund- und Aufriss übereinstimmen, da­ mit kein „Knick“ in Feldmitte entsteht. Um die Verformungen von vornherein zu be­ grenzen, kann es zweckmäßig sein, einen Beton mit sehr hohem E-Modul einzu­ setzen, was z. B. durch den Einsatz von Basalt als Zuschlagstoff erreicht werden kann. Ein erhöhter Spannstahlanteil kann ebenfalls sinnvoll sein. Es bleibt anzumerken, dass Brücken oft nicht komplett im Freivorbau errichtet wer­ den. Beispielsweise werden Endfelder oder Teile davon auf Lehrgerüst hergestellt, wenn dies die örtlichen Gegebenheiten erlauben. Bei langen Vorlandbrücken kommen auch

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das Taktschiebeverfahren oder Vorschub­ rüstungen zum Einsatz. 9.1.3.6  Varianten des Freivorbaus Der klassische Freivorbau ist nicht immer anwendbar oder zweckmäßig. Sollen z. B. parallelgurtige Träger hergestellt werden, müssen Hilfskonstruktionen das Kragarm­ moment aufnehmen. Manchmal ist es auch nicht möglich, den Vorbauwagen zum Pfeilerfuß zu bringen, da keine Zufahrt zum Pfeiler gegeben ist. Deshalb wurden verschiedene Varianten des Freivorbaus entwickelt. Freivorbau mit Hilfsabspannung oder Pylonfreivorbau Mit dieser Methode kann der Freivorbau einseitig in eine Richtung erfolgen. Begin­ nend am Widerlager werden die einzelnen Abschnitte vor Kopf gefertigt. Wird das Kragmoment zu groß, wird der Brücken­ träger rückwärtig in den Baugrund ver­ spannt oder zum dahinter liegenden Pfeiler. Der Transport des Freivorbauwagens von einer Stütze zur nächsten entfällt. Schwie­ rige Geländeverhältnisse können mit dieser Methode überwunden werden. Durch den größeren Hebelarm der Überspannung können höhere Kragarmmomente aufge­ nommen werden, was das Herstellen paral­ lelgurtiger Träger ermöglicht. Der größte Nachteil des Verfahrens liegt in der im Ver­ gleich zum Waagebalken doppelten Bau­ zeit. Das Verfahren ist in Bild 9.1.3-7 skiz­ ziert.

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Freivorbau mit Hilfsträger Bei dieser Methode spannt vom fertigen Brückenabschnitt aus ein fahrbarer Hilfs­ träger zum nächsten Pfeiler, s. Bild 9.1.3-8. Mit Hilfe dieses Hilfsträgers können die Vorbauwagen, das Material und das Perso­ nal zum nächsten Bauabschnitt versetzt werden. Der Transport am Boden entfällt. Erschließungsaufwand und Bauzeit kön­ nen optimiert werden. Außerdem verein­ facht sich das Umsetzen des Vorbauwagens erheblich, da sich aufwendige Befesti­ gungen und Rückverankerungen im Bau­ werk erübrigen. Allerdings stellt der Hilfs­ träger selbst einen zusätzlichen Aufwand dar, der sich i.  A. erst bei einer gewissen Mindestanzahl von Brückenfeldern ren­ tiert. Werden stählerne Hilfsträger entspre­ chend dimensioniert, können sie gleichzei­ tig der Stabilisierung des Waagebalkens dienen, s. u. a [Holst, 1998] oder [Stritzke, 1983]. Freivorbau mit Vorschubrüstung (Rüstträger) Bei diesem Bauverfahren wird ein Stahlträ­ ger, der ca. 60 % länger als die Spannweite des Brückenfelds ist, über der Brückentafel auf zwei benachbarten Pfeilern angebracht. An diesen Träger werden zwei Schalwagen angehängt, mit deren Hilfe vom Pfeiler aus in beide Richtungen vorgebaut werden kann. Die Fertigungsabschnitte können hier auf 8–10 m erhöht werden [Leonhardt, 1979], da die Frischbetonlast zunächst vom Rüstträger getragen wird. Außerdem ver­ formt sich das Tragwerk deutlich weniger als beim klassischen Freivorbau und es wird

Bild 9.1.3-8   Freivorbau mit Hilfsträger nach [Stritzke, 1983]

9.1  Betonbrücken

insgesamt weniger Spannstahl benötigt. Zunächst wird jeweils bis zur Hälfte des Felds betoniert, dann wird der Rüstträger um ein Feld nach vorn versetzt. Der Hori­ zontaltransport ist wiederum unabhängig von den Geländeverhältnissen unter der Brücke. Das Verfahren eignet sich beson­ ders für parallelgurtige Träger. Bezüglich der Rentabilität gilt das schon beim Frei­ vorbau mit Hilfsträger Gesagte. Das Bau­ verfahren ist in Bild  9.1.3-9 schematisch dargestellt. Als erste Anwendung gilt die Siegtalbrücke Eiserfeld mit einer maxi­ malen Spannweite von 105 m, [Wittfoht, 1970]. Freivorbau mit Fertigteilen (Segmentbauweise) Der Freivorbau mit Fertigteilen wird in Ab­ schn. 9.1.6 behandelt. Freivorbau mit Nachläufer Um die Eigenlast während des Freivorbaus und damit die Kragarmmomente und den Spannstahlbedarf zu minimieren, kann der vorgebaute Brückenquerschnitt auf einen Kern- oder Rumpfquerschnitt reduziert werden. Nach Herstellung der Durchlauf­ wirkung werden mit einem nachlaufenden Rüstwagen die restlichen Querschnittsteile angefügt. Dieses Verfahren wurde z. B. beim Bau der Kochertalbrücke bei Geislin­ gen praktiziert, Bild 9.1.3-10. Bogenfreivorbau Wenn kein Lehrgerüst für einen Bogen ge­ stellt werden kann, gibt es verschiedene Möglichkeiten, den Bogen zu fertigen. Eine

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davon ist der Bogenfreivorbau. Mit diesem Bauverfahren wurden schon Bogen mit mehr als 200 m Spannweite hergestellt, z. B. 1983 die Bloukrans Bridge in Südafrika mit 272 m Spannweite [Ewert, 1999a]. Die erste Anwendung in Deutschland war die 1978 erbaute Autobahnbrücke Neckarsburg bei Rottweil mit 154 m Spannweite. Die derzeit größte Bogenbrücke Deutschlands über die Wilde Gera in Thüringen (252  m Spann­ weite, s. a. Abschn. 1.6.8.1 und 9.1.3.7) wur­ de ebenfalls auf diese Weise errichtet. Der Bogenfreivorbau erfolgt parallel von den Kämpfern aus, wobei der erste Takt meist mit Hilfe eines Lehrgerüsts herge­ stellt wird. Bei Bogen mit Hohlquer­ schnitten wird i. d. R. zuerst die Bodenplat­ te betoniert und anschließend Stege und obere Platte. Ist die Bogenneigung relativ groß, wird eine Konterschalung auf der Oberseite nötig. In gewissen Abständen wird der Bogen durch temporäre Hilfsab­ spannungen entlastet. Es gibt verschiedene Montageprinzipien. Einige davon sind in Bild  9.1.3-11 dargestellt. Die gleichzeitige Herstellung von Bogen, Ständer und Fahr­ bahn hat bautechnologisch den Vorteil, dass der Material­transport über die schon fertig gestellte Fahrbahn erfolgen kann, Bild 9.1.3-11 (d) und (e). Die Rückverankerungskräfte werden entweder in Pfeiler oder Pylone, oft aber auch direkt in den Baugrund abgetragen, z. B. durch Erd- oder Felsanker. Die Verfor­ mungen des Bogens und die Spannkräfte der Abspannungen müssen entsprechend des Baufortschritts ständig kontrolliert und angepasst werden, um die Beanspru­

Bild 9.1.3-9   Freivorbau mit Rüstträger, z. B. nach [Leonhardt, 1979] und [Wittfoht, 1970]

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9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild  9.1.3-10   Kochertalbrücke bei Geislingen (Foto oben: [Michler, 2002], Foto unten: [Gerline, 2003])

Bild 9.1.3-11   Beispiele für Montageprinzipien beim Bogenfreivorbau, nach [Ewert, 1999a] und [Stritzke, 1983]

9.1  Betonbrücken

chungen des Bogens möglichst gering zu halten. Die Abspannkräfte werden dement­ sprechend korrigiert und optimiert. Anstelle der monolithischen Bauweise kann der Bogen auch aus Fertigteilen im Freivorbau montiert werden. Dieses Verfah­ ren kam beim Bau der Brücke zur Insel Krk in Kroatien zur Anwendung, die mit 390 m Spannweite nach [Ewert, 1999a] die zweit­ größte Betonbogenbrücke der Erde ist. 9.1.3.7  Beispiele ausgeführter Brücken Mainbrücke Retzbach-Zellingen [Curbach, 1994-2] Diese Brücke wurde zwischen den Orten Retzbach und Zellingen in der Nähe von Würzburg im Rahmen des Ausbaus der Bundesstraße B 27 als Ersatz für eine beste­ hende Brücke gebaut, die den gestiegenen Anforderungen nicht mehr genügt hatte. Außer dem Main mussten noch ein Bahn­ hof mit IC-Strecke, die neue B 27 und eine Staatsstraße überspannt werden. Die Vor­ landbrücken wurden im Taktschiebever­ fahren hergestellt. Das größte Feld über den Main und die beiden jeweils angrenzenden Vorlandfelder wurden jeweils von den Strompfeilern aus im Waagebalkenprinzip gefertigt. Das „fehlende“ äußere Stück in

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diesen beiden Vorlandfeldern wurde auf Lehrgerüst errichtet. Das Bauwerk ist in Bild 9.1.3-12 zu sehen. BW 2/3 über den Neckar in Stuttgart [Curbach/Proske, 1998] Auch bei diesem Brückenkomplex wurden drei verschiedene Bauverfahren angewandt. Die gekrümmten Vorlandbrücken wurden auf Lehrgerüsten gebaut, die geraden Vor­ landbrücken mittels Vorschubrüstung und die Stromöffnung im freien Vorbau. Die Besonderheit bei diesem Bauwerk ist, dass die Fahrbahn bereits über dem Neckar ge­ teilt werden musste, um die Rampen der vierstreifigen Uferstraße anschließen zu können. Hierzu wurden zwei Freivorbau­ arme von der einen Seite, Bild 9.1.3-13, und ein einzelner von der anderen Seite über dem Fluss zusammengefügt. Die Rampen wurden einseitig als Kragarme im Freivor­ bau vom Pfeiler aus vorgebaut, der Einzel­ träger dagegen als Waagebalken vom Pfei­ ler am Nordufer aus in beide Richtungen. Die betonierten Abschnitte waren zwischen 3 und 5 m lang. Stolma Bridge in Norwegen [Ingebrigtsen, 1999] Die Stolma Brücke oder Stolmasundbrücke verbindet die Inseln Stolmen und Selbjørn

Bild 9.1.3-12   Brücke Retzbach-Zellingen (Foto: [Michler, 2002])

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9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild  9.1.3-13   Bauwerke 2/3 über den Neckar bei Stuttgart. Oben: Blick auf die Kragarme der beiden Rampen [Michler, 2002], Mitte, unten: Grundriss und Luftbild nach [Münchener Rück­versicherung, 1992]

9.1  Betonbrücken

an der Westküste Norwegens etwa 50  km südlich von Bergen. Sie ist mit einer Haupt­ spannweite von 301  m die am weitesten gespannte „reine“ Betonbrücke der Erde, die im freien Vorbau errichtet worden ist. Bei solch enormen Spannweiten ist die Re­ duzierung der Eigenlast der Brücke von großer Bedeutung. Deshalb wurden 184 m in der Mitte des Hauptfelds aus Leichtbeton LC 60 mit einer Rohdichte von 1,94 kg/dm³, die Randbereiche dagegen aus Normalbe­ ton C  65 hergestellt. Die Bauhöhe des Ka­stenträgers variiert zwischen maximal 15 m an den Stützen und 3,5 m in Feldmit­ te, s. Bild 9.1.3-14. Da die zwei Randfelder im Verhältnis zur Hauptspannweite relativ klein sind, wurde mit Gegengewichten gearbeitet, indem der Kastenträger teil­ weise mit Kies verfüllt wurde, s. ebenfalls Bild  9.1.3-14. Über den Stützen befinden sich 100  Spannglieder in der Fahrbahn­ platte, 20 Spannglieder wurden nach dem Verbinden der Kragarme in der Bodenplat­ te in Feldmitte eingebracht.

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Talbrücke über die Wilde Gera in Thüringen [Wölfel, R., 2000] Diese Brücke ist Bestandteil des Ver­ kehrsprojektes Deutsche Einheit Nr. 16, der Autobahn durch den Thüringer Wald, s. a. Abschn. 1.6.8.1. In ihrer jetzigen Form ent­ stand die Bogenbrücke als Sondervorschlag. Der Bogen ist mit einer Spannweite von 252 m der derzeit am weitesten gespannte in Deutschland. Die Gesamtlänge der Brü­ cke beträgt 552 m bei 14 Feldern mit Spann­ weiten zwischen 30 und 42 m. Der Bogen wurde im Freivorbau mit Hilfsabspan­ nungen und Hilfspylonen auf den Kämp­ ferpfeilern hergestellt. Der Vorbau erfolge gleichzeitig von beiden Kämpfern aus. Der Querschnitt des Bogens ist ein zweizelliger Kastenträger mit 10,3  m Breite, dessen Höhe zwischen 5,5  m am Kämpfer und 3,3 m am Scheitel variiert. Die einer Parabel angenäherte, polygon­zugartige Bogenform wurde hinsichtlich der Biegemomente im Endzustand optimiert. Der erste Takt von 7 m Länge wurde auf Lehrgerüst hergestellt,

Bild  9.1.3-14   Ansicht und Querschnitt der Stolma Bridge nach [Ingebrigtsen, 1999]

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9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild  9.1.3-15   Schematische Darstellung der Bauzustände bei der Brücke über die Wilde Gera nach [Wölfel, R., 2000]

Bild 9.1.3-16   Brücke über die Wilde Gera im Bauzustand aus [Wölfel, R., 2000]

9.1  Betonbrücken

die folgenden Freivorbautakte waren je 6 m lang. Die temporären Abspannungen wur­ den zuerst über die Kämpferpfeiler zurück­ gehängt, ab dem 13. Takt über zusätzliche Hilfspylone auf den Kämpferpfeilern, Bil­ der 9.1.3-15 und -16. Für den Bogenschluss wurde ein Stahldruckstück eingesetzt, das durch leichtes Ablassen der Abspannung auf Druck beansprucht wurde, so dass die während der Erhärtung auftretenden Span­ nungen aus Temperaturschwankungen auf­ genommen werden konnten. Anschließend wurden Ständer und Stützen betoniert und der einzellige Verbundquerschnitt des Überbaus im Taktschiebeverfahren einge­ schoben. 9.1.4  Taktschieben 9.1.4.1  Einleitung Beim Taktschieben werden einzelne, zwi­ schen 10 und 30  m lange Teile des Über­ baus, die so genannten Takte, in einer orts­ festen Fertigungsanlage hinter dem Wider­ lager hergestellt. Die Takte sind monoli­ thisch miteinander verbunden. Nach jedem fertig gestellten Takt wird der Überbau in Brückenlängsrichtung verschoben. Ange­ strebt wird eine Fertigung im Wochentakt, da dann der Beton während des Wochen­ endes erhärtet und so die Bauzeit optimal ausgenutzt werden kann. Das Bauverfahren wird für Balkenbrü­ cken mit konstanten oder sich nur wenig verändernden Stützweiten angewandt. Nach [Göhler, 1999] können Brücken mit Gesamtlängen ab 100 bis über 1000 m wirt­ schaftlich hergestellt werden. Ein Beispiel für ein solch langes Bauwerk ist die 1280 m lange Brücke in Veitshöchheim über den Main [Naumann et al., 1998]. Brücken un­ ter 200 m Länge sind i. d. R. nur dann wirt­ schaftlich, wenn die Bauausrüstung schon vorhanden ist. Optimal sind Einzelspann­ weiten von ca. 50 m, üblich sind 30 bis 55 m,

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nach [Leonhardt, 1979] sind aber auch Spannweiten bis zu 140  m möglich. Bei großen Spannweiten werden während des Bauvorgangs Hilfsstützen gestellt. Beginnend mit der Erfindung des „kon­ zentrierten Spannglieds“ wurde das Bau­ verfahren maßgeblich durch die Ingenieure des Büros Leonhardt und Andrä in mehre­ ren Teilschritten entwickelt [Göhler, 1999]. Die Brücke, die als direkter Vorgänger des heutigen Taktschiebens gilt, ist die Anfang der 60er Jahre in Brasilien errichtete Fluss­ brücke über den Rio Caroni. Hier wurden an Land einzelne Takte als Fertigteile her­ gestellt und mit Ortbetonfugen verbunden. Der Überbau wurde anschließend auf gan­ zer Länge mit einem konzentrierten Spann­ glied vorgespannt und auf einer Verschiebe­ bahn unter Verwendung von Hilfsstützen längs in seine Endlage verschoben. Mit den Erfahrungen aus diesem Projekt wurde das eigentliche Konzept des Bauverfahrens ent­ wickelt, für das 1967 das Patent erteilt wur­ de. Die erste Taktschiebebrücke nach der heute üblichen Vorgehensweise war die Innbrücke Kufstein mit Spannweiten von bis zu 102 m, die mittels Hilfspfeilern wäh­ rend der Bauphase errichtet wurde. Die Brücke war allerdings im Verschiebezu­ stand noch schlaff bewehrt. Mit dem Bau der Taubertalbrücke als der ersten Takt­ schiebebrücke in Deutschland wurde Ende 1967 begonnen. Beim Taktschieben entstehen monoli­ thische Tragwerke durch die Kombination der Vorteile der Fabrikfertigung mit denen der Ortbetonbauweise. Vorteilhaft ist vor allem die Einsparung des Lehrgerüsts, da mit einer ortsfesten Schalung gearbeitet wird. Durch die immer wiederkehrenden Arbeitsgänge verringert sich der Arbeits­ zeitaufwand insgesamt. Die Fertigungsan­ lage ermöglicht ein schnelles Ein- und Aus­ schalen und bietet Witterungsschutz. Außer­dem können die Transportwege op­ timiert werden. Die Abhängigkeit von der Tragfähigkeit des Baugrunds, die bei Lehr­

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gerüsten eine große Rolle spielt, entfällt und der Verkehrsraum unter der Brücke bleibt analog zum Freivorbau weitgehend unbeeinträchtigt. Das Taktschiebeverfahren hat sich bei Spannbeton-Kastenträgerbrücken seit vie­ len Jahren etabliert. Neuerungen und Wei­ terentwicklungen beziehen sich vor allem auf Details. Hemmend ist die Tatsache, dass man in Deutschland derzeit zurück­ haltend bei der Annahme von Sondervor­ schlägen ist, die aber maßgeblich zur Wei­ terentwicklung konventioneller Bauweisen beitragen können. Positiv ist hingegen, dass immer mehr Wert auf eine anspre­ chende Ästhetik gelegt wird. Dies und die unbestrittenen Vorteile beim Bau von sehr langen Brücken haben dazu beigetragen, dass das Verfahren in den letzten Jahren auch immer öfter bei Brücken in Verbundund Misch­bau­weise eingesetzt wurde, s. dazu auch Abschn. 9.3.1.3. 9.1.4.2  Anforderungen an den Überbau Der Regel-Querschnitt beim Taktschieben ist der Spannbeton-Kastenträger, der be­ sonders bei großen Spannweiten der güns­ tigste Querschnitt ist. Das Verfahren wird aber auch bei Stahl-Beton-Verbundbrücken und in Ausnahmefällen bei Plattenbalken­ querschnitten angewandt. Beim Kasten­ träger haben sich Schlankheiten von maxi­ mal l/h ≈  15 im Bauzustand als sinnvoll erwiesen. Die Schlankheit im Endzustand kann sich auf bis zu 30 verdoppeln, wenn Hilfsstützen in der Bauphase zum Einsatz kommen. Es ist möglich, sowohl im Grundriss als auch im Aufriss gekrümmte Überbauten zu fertigen. Dabei sollte der Raumradius kon­ stant sein, d. h. die gesamte Brücke wird mit gleich bleibender Krümmung in jeder Raumrichtung gebaut. Soll die Gradiente im Grundriss einer Klothoide folgen, kann in vielen Fällen der Kasten im Kreisbogen

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

geschoben werden. Die in Klothoidenform verlaufende Trasse wird durch unterschied­ lich lange Kragarme der Fahrbahnplatte realisiert. Bei Quergefälle wird der Kasten als Rhombus konstruiert. Die Taktlänge sollte möglichst groß, aber in einer Woche herstellbar sein. Bei einer Brückenbreite von 20 m kann die Taktlänge bis zu 30  m betragen [Göhler, 1999]. Die Taktlänge entspricht i. d. R. der Hälfte der Regelstützweite. Die ersten und die letzten beiden Takte sind kürzer, damit sich im Endzustand die Arbeitsfugen in der Nähe der Viertelpunkte der Regelfelder befinden und ein Takt immer mittig über der Stütze liegt (s. a. Bild 9.1.4-5). Beim Einsatz von Hilfsstützen bilden mehrere Takte den Feldbereich. Im Bereich komplizierter Ein­ bauten wie Stützquerträger oder Querträ­ ger zur Spanngliedumlenkung bei externer Vorspannung sollten keine Fugen angeord­ net werden. Der Überbau wird meist parallelgurtig ausgeführt. Die Querschnittsabmessungen sollten konstant sein, Ausnahmen sind auch hier möglich. Ein Beispiel dafür sind die Vorlandbrücken der Donaubrücke Fischer­ dorf, deren Kastenträger aufgeweitet wurde, s.  Abschn.  9.1.4.7 und [Curbach, 1993-2]. Bei veränderlichen Bauhöhen sind senk­ rechte Stege und separate Bodenplatten- und Stegschalungen von Vorteil [Curbach, 1994-2]. Die Abmessungen des Überbaus sollten so gewählt werden, dass das Verhält­ nis der Widerstandsmomente Wo : Wu dem Verhältnis von Stützen- zu Feldmoment in­ folge Eigenlast im Bauzustand entspricht, da dann die zentrische Primärvorspannung op­ timal eingesetzt werden kann. Die Dicke der Fahrbahnplatte ist abhän­ gig von der Beanspruchung der Platte in Querrichtung (z. B. Querbiegung infolge Einzellasten), vom Platzbedarf für Kopp­ lungen von zentrischen Spanngliedern oder von den einzuhaltenden Mindestmaßen bei einer Quervorspannung. Die Bodenplatte muss zentrische Spannglieder aufnehmen

9.1  Betonbrücken

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Bild  9.1.4-1  Ausbildung der Stegunterseite bei internen (links) oder externen (rechts) Spann­ gliedern, Skizzen aus [Göhler, 1999]

können, im Bereich von Spannglied­ kopplungen sind örtliche Verstärkungen üblich. Diese müssen im Gegensatz zu Vou­ ten bei der Fahrbahnplatte nicht über die gesamte Trägerlänge konstant sein, da sie problemlos mit einer aufgesetzten Schalung hergestellt werden können. Bei Kastenquerschnitten muss auf eine ausreichende Dimensionierung der unteren Rahmenecken geachtet werden, da dort die Hubpressen zum Verschieben angreifen und die Auflagerkräfte kontinuierlich über die gesamte Überbaulänge während des Verschiebens abgetragen werden müssen. Insbesondere ist Abplatzungen vorzubeu­ gen. Aus diesem Grund sind Mindestab­ stände zwischen den Hüllrohren und der Stegunterseite einzuhalten, s.  Bild  9.1.4-1. Beim Anfangstakt sind Verstärkungen zum Anschluss des Vorbauschnabels auszubil­ den. Weiterhin ist zu beachten, dass bei Vor­ spannung mit nachträglichem Verbund die zunächst leeren Hüllrohre der Sekundär­ vorspannung lokale Schwachstellen bedeu­ ten, die bei zu geringem Abstand zur Steg­ unterseite ein Einbrechen des Stegs nach sich ziehen können. 9.1.4.3  Besonderheiten bei der Spanngliedführung Taktschiebebrücken wurden bis vor einigen Jahren konventionell mit Vorspannung mit nachträglichem Verbund gebaut. Heute hat sich die Mischbauweise etabliert, bei der

zentrische Vorspannung mit nachträg­ lichem Verbund und exzentrische, ver­ bundlose Vorspannung kombiniert wer­ den. Eine dritte Variante ist die reine exter­ ne Vorspannung ohne Verbund. Das inter­ ne Verlegen von Spanngliedern ohne Ver­ bund wurde bisher in Deutschland nur in Pilotprojekten realisiert. In Längsrichtung wird bei Taktschiebe­ brücken grundsätzlich zwischen zen­ trischen und exzentrisch geführten Spann­ gliedern unterschieden. Die zentrischen Spannglieder werden auch als Primärspannglieder bezeichnet. Sie müssen alle Belastungen während des Bauvorgangs ab­ decken und werden in der Boden- und in der Fahrbahnplatte verlegt. Bei der Dimen­ sionierung der Spannglieder müssen die Beanspruchungen aus allen Verschiebezu­ ständen berücksichtigt werden. Dabei ist natürlich zu beachten, dass während des Vorschubs positive und negative Momente an ständig wechselnden Stellen des Über­ baus auftreten. Verankerungen und Koppel­ stellen sollten sich in der Nähe der Stege befinden. Die Fahrbahnplatte muss dort also ausreichend dick ausgebildet sein. Bei entsprechend langen Bauwerken wird je Taktfuge jedes zweite oder bei kurzen Tak­ ten jedes dritte Spannglied gestoßen. In der Regel handelt es sich um Spannglieder mit nachträglichem Verbund. Verpresst wird jeweils direkt vor oder nach dem Verschub des Takts. Die exzentrisch verlaufenden Spann­ glieder sind die so genannten Sekundär-

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spannglieder. Zusammen mit den Primär­ spanngliedern sichern sie die Tragfähigkeit im Endzustand. Bis vor einigen Jahren war es üblich, die Spannglieder mit nachträg­ lichem Verbund girlandenförmig in den Trägerstegen über mehrere Felder durch­ laufend zu verlegen. Bei diesem Vorspann­ konzept wird die Spanngliedführung dem Momentenverlauf infolge Eigenlast und an­ teiliger Verkehrslast im Endzustand ange­ passt, s. Bild 9.1.4-2 oben. Leere Hüllrohre werden bei der Herstellung der einzelnen Takte einbetoniert. Sie dürfen beim Beto­ nieren nicht beschädigt werden, um das Volllaufen der Hohlräume mit Frischbeton oder Wasser zu vermeiden. Befindet sich der Überbau in seiner endgültigen Lage, werden die Litzen von den Lisenen aus ein­ gezogen, vorgespannt und verpresst. Beim Stoßen von Spanngliedern sind die Bestimmungen der ZTV-ING und der

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

DIN-Fachberichte einzuhalten. Dement­ sprechend müssen mindestens 2/3 der Spannglieder zur Abdeckung der maxima­ len Feldmomente über die benachbarten Auflagerlinien durchlaufen. Außerdem müssen in jedem Querschnitt mindestens 30 % der Spannglieder ungestoßen durch­ geführt werden. In Querrichtung können die Quer­ schnitte entweder vorgespannt oder schlaff bewehrt werden. In den letzten Jahren wurde verstärkt die Mischbauweise weiterentwickelt und in der Praxis erprobt. Die zentrischen Primär­ spannglieder werden wieder nachträglich verpresst. Die Sekundärspannglieder ohne Verbund liegen extern im Innern des Kasten­trägers. Sie werden gerade oder poly­ gonal angeordnet. Verschiedene Möglich­ keiten sind in Bild 9.1.4-2 dargestellt. Vor­ teilhaft bei der externen Vorspannung ist,

Bild  9.1.4-2   Varianten der Spanngliedführung bei unterschiedlichen Vorspannkonzepten bei Kastenträgern

9.1  Betonbrücken

dass eine Kontrolle und Auswechslung der Spannglieder jederzeit möglich ist und kei­ ne Schäden durch unsachgemäßes Verpres­ sen der Hüllrohre zu erwarten sind. Die Spannglieder können im Bau- und im End­ zustand an verschiedenen Stellen im Quer­ schnitt an- oder umgeordnet werden, was bei Bauverfahren mit wechselnder Bean­ spruchung des Überbaus, wozu das Takt­ schieben gehört, zu Spannstahleinspa­ rungen führen kann. Ein Nachteil der Mischbauweise ist die Vergrößerung der Bauhöhe durch die randfernere Lage der Spannglieder im Gegensatz zur internen Vorspannung. Außerdem ist wissenswert, dass die mögliche Verringerung der Dicke der spanngliedlosen Stege schon zu Schä­ den während der Bauausführung geführt hat. Die von [Streit/Sonnabend, 2002] be­ schriebenen Schadensbilder waren zumeist auf lokale Überlastungen während des Ver­ schiebens zurückzuführen, da die Verschie­ bepressen wie bei konventionellen Takt­ schiebebrücken angesetzt worden waren, woraus eine höhere Exzentrizität bei der Lasteinleitung resultierte. Außerdem dür­ fen die Schwierigkeiten bei einem geplanten Umhängen von externen Spanngliedern von einer zentrischen in eine exzentrische Lage nicht unterschätzt werden. 9.1.4.4  Ausrüstung Zur Ausrüstung beim Taktschieben gehö­ ren der Taktkeller, die Verschubanlage, der Vorbauschnabel und eventuell Hilfsstützen oder Hilfspylone zur Reduzierung der Spannweite während der Bauzeit. Der Taktkeller befindet sich i.  d.  R. in einem Abstand von 1,2-mal der Regeltakt­ länge hinter einem der beiden Widerlager [Göhler, 1999]. Hier wird die Brücke ab­ schnittsweise gefertigt, so dass ein monoli­ thischer Überbau entsteht. Die Schalung für die Bodenplatte liegt auf Stahlträgern, die entweder einen festen und unverstell­

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baren Trägerrost bilden oder die mittels Pressen in der Höhe verstellbar sind. Wel­ che Variante zur Anwendung kommt, hängt vor allem von den Baugrundverhältnissen ab. Ein weiteres Kriterium ist eine eventu­ elle Krümmung des Überbaus in Grundoder Aufriss. Bei der ersten Variante wer­ den die Stahlträger mit hoher Genauigkeit verlegt und mit einem Trenn- und Gleit­ mittel, z. B. Siliconfett, beschichtet. Die Schaltafeln für die Bodenplatte werden da­ rauf gelegt und beim Vorschub mit dem ganzen Takt über die Träger nach vorn ge­ zogen. [Göhler, 1999] empfiehlt z. B. 1–2 cm dicke oberflächenvergütete Sperrholzplat­ ten mit einer Länge zwischen 1 und 1,5 m, die dann am Ende der Stahlträger herunter­ fallen und für den nächsten Takt neu ver­ legt werden. Es können auch stählerne Gleitbleche zwischen Bodenschalung und Stahlträgern platziert werden. Bei der zwei­ ten Variante wird der Trägerrost gemein­ sam mit der Bodenschalung abgesenkt, so dass der Überbau nur noch auf Hilfslagern ruht, die als Verschiebelager ausgebildet sind. Das Ausschalen kann durch die Höhen­verstellbarkeit des Trägerrosts be­ sonders schnell erfolgen. Die Schaltafeln verbleiben im Taktkeller. Allerdings muss die Schalung für jeden Takt wieder genau eingerichtet werden. Bei zwei getrennten Überbauten werden Taktkeller und Ver­ schubanlage oft querverschieblich ausge­ bildet. Ein Takt wird in zwei Abschnitten herge­ stellt. Zuerst werden Bodenplatte und Stege betoniert. Anschließend wird mit einem Innenschalwagen die Schalung für die Fahrbahnplatte komplettiert und diese ge­ fertigt. Auf diese Art und Weise ist auch ein problemloseres Fertigen von Verstär­ kungen, Lisenen und anderen Sonderele­ menten möglich. Die Innenschalung wird mit dem Takt aus dem Taktkeller heraus geschoben und nach der Herstellung der Bodenplatte und der Stege des Folgetakts in diesen versetzt. Einbauten wie Querträger

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und die verschiebliche Innenschalung müs­ sen aufeinander abgestimmt werden. Die Außenschalung kann abgesenkt oder weg­ geklappt werden. Zwischen dem Taktkeller und der Ver­ schubanlage am Widerlager befinden sich Hilfslager, die ebenfalls als Verschiebelager ausgebildet sind. Sie fixieren das vorgescho­ bene Taktende. Durch Ausgleichen von ho­ rizontalen und vertikalen Abweichungen mittels Pressen kann die Soll-Gradiente eingehalten werden. Das Prinzip der heute am häufigsten eingesetzten Verschubanlagen besteht in der Übertragung der horizontalen Pressen­ kraft über Reibung auf den Über­bau, s. Bild 9.1.4-3. Die Anlage ist i. d. R. fest auf dem Brücken­widerlager montiert. Beim Vorschub wird als erstes der Überbau mit Hilfe der Hubzylinder um wenige Millime­ ter vom Absetzblock (Bremssattel) angeho­ ben. Die Hubzylinder stehen in einem Gleitschuh auf einer teflonbeschichteten Platte aus Chromstahlblech als Gleitbahn. Der Pressenkopf ist aufgeraut oder es wer­ den gehärtete und geriffelte Stahlplatten verwendet, um den Reibwiderstand zwi­ schen Überbau und Zylinder zu erhöhen. Mit dem Ausfahren der Zug-Druck-Pres­ sen – auch Schubzylinder genannt – wird der ganze Überbau um einen Pressenhub von ca. 20–30  cm vorgeschoben. Sind die Pressen voll ausgefahren, werden die Hub­ pressen entlastet und der Überbau auf die Brückenlager und den Absetzblock abge­ senkt. Die Zug-Druck-Pressen werden in ihre Ausgangslage zurückgezogen und der Vorgang kann wiederholt werden. Um den

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Überbau zu halten, sind auf dem Bremssat­ tel ebenfalls profilierte Stahlbleche ange­ ordnet. Bei großen Abtriebskräften kann der Überbau aber auch über Gewindestäbe mit dem Widerlager verbunden werden. Bei Längsneigung wird in den meisten Fäl­ len bergwärts geschoben, andernfalls sind Vorrichtungen zum Abbremsen des Über­ baus zwingend erforderlich. Der Verschub kann auch mit Zug­ gliedern durchgeführt werden. Dieses Ver­ fahren wird aus Kostengründen bei kurzen Brücken angewendet oder bei langen Brü­ cken mit Steigungen von über 3 %, da hier die erforderlichen Reibungskräfte nicht mehr erzeugt werden können. Verschiebelager und Seitenführungen er­ möglichen und steuern die Bewegung des Überbaus. Die Lager erlauben vertikale, horizontale oder kombinierte Bewegungen. Der Aufbau eines Verschiebelagers ist in Bild 9.1.4-4 zu sehen. Verschiebelager sind, wie schon erwähnt, im und vor dem Takt­ keller, auf dem Brückenwiderlager und auf Stützen und Hilfsstützen notwendig. Wäh­ rend des Vorschubs sind sämtliche Pfeiler durch Arbeiter zu besetzen, da die Teflon­ platten der Verschiebelager und der Seiten­ führungen ständig neu eingelegt werden müssen. Ist der Verschub des gesamten Überbaus beendet, werden die Verschiebe­ lager ausgebaut und durch die endgültigen Brückenlager ersetzt. Der Vorbauschnabel wird benötigt, um die Belastung der vorderen Brückentakte durch Kragarmmomente zu reduzieren. Die Anschaffung ist sehr kostenintensiv. Des­ halb wird i. A. eine mehrmalige Wieder­

Bild 9.1.4-3   Prinzipdarstellung einer Verschubanlage nach [Göhler, 1999]

9.1  Betonbrücken

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Bild 9.1.4-4   Längsschnitt durch ein Verschiebelager nach [Göhler, 1999]

verwendung angestrebt. Die statisch güns­ tigste Wirkung wird erzielt, wenn der Vor­ bauschnabel eine Länge von ca. 60 % der maximalen Spannweite hat. Der Vor­ bauschnabel soll möglichst leicht sein. Da­ her wird er i. d. R. aus Stahlträgern gefertigt. Er ist entweder vollständig als Fachwerk ausgebildet oder er besitzt vollwandige Längsträger. Er kann auch teilweise oder vollständig durch eine vorgespannte Beton­ konstruktion ersetzt werden. In diesem Fall werden die Kastenstege des eigentlichen Überbaus in Form eines Vorbauschnabels verlängert und am Ende durch Stahlteile er­ gänzt und ausgesteift. Bei der Konstruktion von Aussteifungen und Rahmen in Quer­ richtung stählerner Vorbauschnäbel sollte darauf geachtet werden, dass die Breite der gesamten Konstruktion leicht variiert wer­ den kann. Der Vorbauschnabel wird vor dem ersten Takt montiert und ausgerichtet und direkt an diesen anbetoniert. Die zug­ feste Verbindung wird mit Spannstäben re­ alisiert. An der Spitze des Vorbauschnabels ist eine Schnabelhubvorrichtung ange­ bracht, mit welcher der Durchhang an der Spitze des Kragarms am nächsten Verschie­ belager korrigiert werden kann. Die Brückenwiderlager müssen ausrei­ chend Platz für die Vorschubanlage bieten. Die Kammerwände können erst nach Ab­ schluss des Verschiebens hergestellt wer­ den. Bei der Bemessung sind die Kräfte aus dem Verschiebevorgang und dem Zwi­ schenabsetzen zu beachten. Am Zielwider­ lager muss es möglich sein, den Vor­ bauschnabel durchzuschieben, damit er hinter dem Widerlager demontiert werden

kann. Auch auf den Stützenköpfen muss ausreichend Raum für die Positionierung und den Austausch von Verschiebelagern sein. Da die Horizontalkräfte während des Bauvorgangs meist größer als die im End­ zustand sind, können die Unterbauten ge­ gebenenfalls horizontal oder schräg abge­ spannt werden. 9.1.4.5  Bauablauf Die Herstellung eines Takts sollte möglichst eine Woche dauern. In der folgenden Be­ schreibung der Arbeitsabfolge wurden die vorzusehenden Wochentage ergänzt. Der Bauablauf ist in Bild 9.1.4-5 skizziert. Am Dienstag und am Mittwochmorgen werden die Schalung vorbereitet und die meist hinter der Taktanlage vorgefertigte schlaffe Bewehrung des Trogs sowie die in­ ternen Spannglieder eingebaut. Am Mitt­ wochnachmittag wird der Trog – also Bo­ denplatte und Stege des Kastenträgers – be­ toniert. In den nächsten anderthalb Tagen wird die Fahrbahnplatte geschalt und be­ wehrt. Die Betonage kann am Freitagnach­ mittag erfolgen. Die Betonzusammen­ setzung muss so gewählt sein, dass während des Wochenendes der Beton ausreichend erhärtet und am Montagmorgen das Vor­ spannen des Takts erfolgen kann. Anschlie­ ßend wird der fertige Teil des Überbaus um einen Takt verschoben. Beim Fertigen der Querträger gibt es prinzipiell zwei Varianten. Einerseits kann ein rahmenartiger Querträger im Zuge der Fertigung eines Stützentakts hergestellt

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9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.1.4-5   Herstellungsschema beim Taktschieben

werden. Der Deckenschalwagen muss dann über die Verstärkung der Bodenplatte und durch den Querträger hindurch aus dem Kastenträger herausgefahren werden kön­ nen. In Bild 9.1.4-6 sind zwei entsprechende Möglichkeiten skizziert. Entweder wird der Schalwagen auf Konsolen an den Stegin­ nenseiten bewegt oder er wird so aufge­ ständert, dass er über den Querriegel hin­ weg verschoben werden kann. Die zweite Variante ist das nachträgliche Einbetonie­ ren eines scheibenförmigen Querträgers. Hier wird der Riegel unter der Fahrbahn­ platte angeordnet. Die beiden Bauteile sind

aber durch einen Spalt voneinander ge­ trennt, damit das Tragverhalten der Fahr­ bahnplatte nicht beeinflusst wird. Der Vor­ teil dieser Variante ist, dass es keine Verzö­ gerungen bei der wöchentlichen Fertigung gibt. Nachteilig ist, dass das Arbeiten im Innern des räumlich beengten Kastenträ­ gers nicht umgangen werden kann. Abhilfe kann in gewissem Maße ein nachträglich eingebauter Querträger in Form eines Stahlfachwerks schaffen. Für die Umlenkstellen für die externen Sekundärspannglieder gilt Gleiches. Sie werden entweder bei der Herstellung des

Bild 9.1.4-6    Schalung bei der Fertigung von rahmenartigen Querträgern nach [Göhler, 1999]     

9.1  Betonbrücken

Takts im Taktkeller oder nachträglich zu einem späteren Zeitpunkt eingebaut. Nachdem der letzte Takt gefertigt und der Überbau in seine endgültige Lage ver­ schoben worden ist, werden der Vor­ bauschnabel abgebaut, die Verschiebelager entfernt, die endgültigen Brückenlager ein­ gebaut und die externen Spannglieder der Sekundärvorspannung eingebracht und vorgespannt. Der Verschiebevorgang muss ständig überwacht werden. Dies betrifft vor allem den Pressendruck in der Verschubanlage und die Auslenkung der Pfeilerköpfe, damit z. B. Blockierungen bei den Verschiebe­ lagern rechtzeitig bemerkt werden. Außer­ dem muss die Verschubanlage über einen Notschalter von jedem Verschiebelager aus abgeschaltet werden können. 9.1.4.6  Varianten Sind die Abmessungen des Querschnitts ungewöhnlich groß, kann zuerst ein Teil des Kastenträgers gefertigt und verschoben werden. Anschließend wird mit einem Nachläufer der Querschnitt komplettiert. Eine weitere Variante ist, den Taktkeller nicht an das Brückenende sondern zwi­ schen zwei Brückenabschnitte zu legen und von dort aus Überbauten nach beiden Sei­ ten zu fertigen und zu verschieben. Mit dem letzten Takt werden die beiden Abschnitte monolithisch verbunden und der Brücken­ schluss vollzogen. Dieses Verfahren ermög­ licht es, Brücken mit einer Gesamtlänge von bis zu 2 km herzustellen, S-Kurven zu tras­ sieren oder im Aufriss eine Gerade mit einer Ausrundung zu kombinieren. Auch beim Taktschieben von im Grund­ riss gekrümmten Brücken ergeben sich ei­ nige Besonderheiten. Die Taktstation muss im Grundriss drehbar und in Querrichtung verschieblich sein. Auch leichte Kippbewe­ gungen um die Längsachse müssen ausge­

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führt werden können. Die Pfeilerköpfe er­ halten zusätzliche Konsolen, Querträger und Hilfsstreben. Beispiele für diese Vari­ ante sind die Talbrücken Schnaittach und Schafstalgrund. 9.1.4.7  Beispiele ausgeführter Brücken Neue Muldebrücke Dessau [Curbach/Wölfel, 1998] Die Neue Muldebrücke Dessau besteht aus zwei nebeneinander liegenden, 17,44 m breiten Überbauten. Die maximale Spann­ weite der 431,5 m langen Brücke beträgt 44,0 m. Der einzellige Kastenträger hat eine Bauhöhe von 2,45 m und besitzt stark ge­ neigte Stege. Aus Kosten- und Termingrün­ den wurde die Taktlänge mit 36,75  m ge­ wählt, was der Regelstützweite entsprach. Die einzubauende Betonmenge pro Takt betrug somit etwa doppelt so viel wie bei üblichen Taktschiebebrücken. Die Brücke wurde in Mischbauweise errichtet. Die für das Bauverfahren notwendigen zentrischen Spannglieder wurden intern im Verbund verlegt, die Sekundärvorspannung für den Endzustand wurde mit exzentrisch ange­ ordneten Spanngliedern ohne Verbund re­ alisiert, s.  Bild  9.1.4-2. Bild  9.1.4-7 zeigt einen Blick in die Schalung eines Takts. Donaubrücke Fischerdorf [Curbach, 1993-2] Im Zuge des Ausbaus der A  92 wurde in unmittelbarer Nähe von Fischerdorf (bei Deggendorf) ein Donauübergang nötig. Das 102,5 m lange Hauptfeld über die Do­ nau überspannen ein Stahlbogen und zwei daran angeschlossene Kastenträger in Stahl-Beton-Verbundbauweise. Die beiden 5-feldrigen Spannbeton-Vorlandbrücken zu beiden Seiten des Flusses sind jeweils 277,3 m lang. Die Überbauten bestehen aus zwei voneinander getrennten Kastenträ­ gern mit einer Schlankheit von l/h = 24. Sie

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9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.1.4-7   Bewehrung der Spannlisenen bei der Neuen Muldebrücke Dessau [Curbach/Wölfel, 1998]

Bild  9.1.4-8   Donaubrücke Fischerdorf, Taktkeller mit Aufweitung des Kastenträgers [Curbach, 1993-2]

9.1  Betonbrücken

wurden im Taktschiebeverfahren mit Hilfs­ stützen hergestellt. Da die Hilfsstützen auf Pfählen gegründet werden mussten, wurde zuerst ein Überbau gefertigt, exzentrisch vorgespannt und anschließend quer in sei­ ne Endlage verschoben. Danach wurde der zweite Überbau hergestellt. Eine weitere Besonderheit dieser Brücke ist die Aufwei­ tung des Kastenträgers auf der Deggendor­ fer Seite. Dazu wurde der Taktkeller so kon­ struiert, dass durch einen Umbau innerhalb von zwei Takten die Aufweitung realisiert werden konnte. Besonders musste beachtet werden, dass sich die Verschieblager und die Pressen auf den Hilfsstützen zu jedem Zeitpunkt unter den Stegen befanden, diese also in Querrichtung verschieblich sein mussten. In Bild  9.1.4-8 ist der Taktkeller mit der Aufweitung zu sehen. Mainbrücke Retzbach-Zellingen [Curbach, 1994-2] Bei diesem Brückenbauwerk wurden die drei Felder mit den größten Spann­weiten hauptsächlich im Freivorbau, s. Abschn. 9.1.3.7, und die sechs Felder der Vorland­ brücke am Widerlager Retzbach im Takt­ schiebeverfahren hergestellt. Der größte Teil der Vorlandbrücken weist im Grund­ riss einen konstanten Radius von 1300  m auf. Am Widerlager Retzbach selbst be­ schreibt die Trasse eine Klothoide (A = 437,5 m). In diesem Bereich wurde mit einem Ersatzradius für den Kastenträger gearbeitet, d. h. die Klothoide wurde durch variable Kragarmlängen realisiert. Im Auf­ riss folgt die Trasse einem konstanten Radi­ us von R  =  17000  m. Die Unterkante des Kastenträgers ist mit R = 12.600 m ausge­ rundet, wodurch sich die Höhe des Über­ baus in Richtung Zellingen von 2,19 m auf 3,09 m vergrößert. Insgesamt wurden 12 Takte gefertigt. Die Regel-Taktlänge be­ trug 27,50  m, die Schlankheit l/h  ca.  19. Deshalb wurden während des Bauvorgangs Hilfsstützen errichtet.

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9.1.5  Segmentbauweise

Gerhard Girmscheid (bis 9.1.6) 9.1.5.1  Einleitung Die Entwicklung des Massivbrückenbaus ist seit Mitte des vorigen Jahrhunderts stark durch die Anwendung der Vorspannung geprägt worden. Bei den ersten Anwendun­ gen der Vorspannung wurden die Spann­ glieder außerhalb des Betonquerschnitts angeordnet, um die recht großen Spann­ kraftverluste aus Schwinden und Kriechen des Betons durch die Möglichkeit des Nach­ spannens zu beherrschen. Mit der Verwen­ dung hochfester Spannstähle konnte dieser Einfluss verringert werden. Die Spannkraft­ verluste aus Schwinden und Kriechen des Betons wurden zudem auch quantitativ er­ fassbar. In der Folge verschwand die externe Vorspannung fast gänzlich, da der Verbund von Spannstahl und Beton neben einer ver­ besserten Rissverteilung auch einen lang­ fristigen Korrosionsschutz versprach. Dass die externe Vorspannung [Jung­ wirth/Hochreither, 1992], [Vogel, 1994], [Eibl, 1998] in den letzten Jahren wieder ver­ stärkt zum Einsatz gelangt, ist eng mit dem Segmentbrückenbau verbunden, bei dem der Überbau in einzelne quer zur Brücken­ längsrichtung liegende Segmente unterteilt ist, die z. B. industriell vorgefertigt und auf der Baustelle zusammen gespannt werden [Eibl, 1998]. Diese Bauweise besitzt vor al­ lem in Frankreich und den USA eine lange Tradition, wo die wesentlichen Schritte in der Entwicklung von Konstruktion und Bauverfahren unternommen wurden [Po­ dolny/Muller, 1982]. Im Mittelpunkt der konstruktiven Entwicklung stand die Fugen­ technik, die von der relativ breiten vergosse­ nen Beton- bzw. Mörtelfuge über die dünne geklebte Kontaktfuge hin zur Trockenfuge führte. Die Fugen stellen ein erhöhtes Korro­ sionsrisiko für im Steg von Kastenträgern geführte Spannglieder dar. Durch die exter­

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ne Anordnung der Spannglieder im Kasten­ träger der Brücke verbunden mit dem heute verfügbaren verbesserten Korrosionsschutz konnte das Problem der Spanngliedkorrosi­ on prinzipiell ge­löst werden. Zudem wurden dadurch die Schwierigkeiten der genauen Einschätzung und Überprüfung des Ver­ pressergebnisses beim Injizieren der Hüll­ rohre weitgehend beseitigt. Letztendlich er­ lauben die freiliegenden, leichter zugängli­ chen Spannglie­der durch die verbesserte Kontrolle und Wartung sowie der Möglich­ keit des Nachspannens das Errichten und Betreiben dauerhafter Brückenbauwerke [Girmscheid, 1994], [Miller, 1995]. Neben der Dauerhaftigkeit waren es wirtschaftliche Aspekte, die zu einer Ver­ bindung der Segmentbauweise mit der ex­ ternen Vorspannung geführt haben. Durch die Auslagerung der Spannglieder und die Einführung der Trockenfuge konnten die Fertigungsvorgänge – Bewehren, Betonie­ ren und Montieren – vereinfacht werden. Die einzelnen Fertigungsschritte vom Ein­ bau der Hüllrohre bis zum Injizieren der Spannglieder wurden ebenso wie das auf­ wendige Schließen der Fugen vermieden. Die damit verbundene gleichmäßig gute Betonverdichtung im Steg bei gleichzeitiger Verwendung hochfester Betone sowie der begrenzte Betonierabschnitt (Segment), der nicht mit Hilfe von ausgeklügelter Abbinde­ verzögerung über mehrere Stunden beto­ niert werden muss (Ortbetonbrücke), erge­ ben eine höhere Qualität der Segmente bzw. des fertiggestellten Überbaus. Zudem konn­ ten die Taktzeiten bei der Herstellung und Montage der Segmente verkürzt werden. Mit der Vereinfachung der Fertigungsvor­ gänge wurde die Einführung mechanisier­ ter Verlegesysteme gefördert. 9.1.5.2  Merkmale der Segmentherstellung Die enge Verflechtung von Bauwerkskons­ truktion und Bauverfahren infolge indus­

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

trieller Produktionsmethoden spiegelt sich beim Teilprozess Segmentherstellung in erster Linie in Art und Anzahl der herzu­ stellenden Segmente wider. Ob zusätzlich zu Standard- und Verankerungssegmenten auch Umlenksegmente hergestellt werden müssen, wird maßgeblich über die gewähl­ te Spanngliedführung beeinflusst. Nachfol­ gend werden alle drei Segmenttypen be­ rücksichtigt, wobei durch die prinzipielle Darstellung der Segmentherstellung eine Übertragung auf unterschiedliche kon­ struktive Gegebenheiten leicht möglich ist. 9.1.5.2.1  Herstellungsstandort Die Überbausegmente können vorgefertigt werden • in einem stationären Fertigteilwerk, • in einem temporären Fertigteilwerk, • in der temporären Baustellenfertigung, wobei die Wahl des Herstellungsstandorts über • die verfügbaren Platzverhältnisse • die Anzahl der Segmente, • die Transportwege und Transportentfer­ nungen, • die Transporthäufigkeit und • die Art des Transportmittels getroffen wird [Kotulla, 1992]. Die Abhän­ gigkeit der Segmentkosten von der Trans­ portentfernung und der Segmentanzahl ist im Bild 9.1.5‑1 dargestellt. Verhindern geometrische Randbedin­ gungen des Transportwegs, wie Durchfahrts­ höhen und Gewichtsbeschränkungen, die Vorfertigung der Segmente in statio­nären Fertigteilwerken nicht, lassen sich größere Transportentfernungen durchaus rechtferti­ gen, da geringe Vorkosten für die maschinel­ le Ausrüstung und die Ausnutzung des hohen Mechanisierungs- und Automatisie­ rungsgrads die Einzelkosten der Segmente senken. Dies bedeutet, dass sich im stationä­

9.1  Betonbrücken

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Bild 9.1.5‑1   Segmentkosten: Abhängigkeit von Transportentfernung und Segmentanzahl

ren Fertigteilwerk industrielle Produktions­ methoden am besten verwirklichen lassen, zudem durch den qualifizierten Mitarbeiter­ stamm der Arbeitsaufwand pro gefertigtem Segment bereits zu Herstellungsbeginn ge­ ring gehalten werden kann. Zu beachten ist, dass die Installierung einer neuen Ferti­ gungslinie in die Produktionsplanung des Fertigteilwerks integriert werden muss. Bei kleineren Projekten kann die Ent­ scheidung zugunsten der temporären Bau­ stellenfertigung ausfallen, wo nur so viele Segmente hergestellt werden, wie für die Erstellung des Brückenbauwerks notwen­ dig sind. Dies bedeutet zwar Kleinserien mit geringer Mechanisierung bei höheren Vorkosten für die Fertigungseinrichtung, dafür entfällt aber der gesamte Segment­ transport zur Baustelle, und die Segmen­ therstellung kann der Tragfähigkeit der Hebezeuge optimal angepasst werden. Bei einer temporären Baustellenfertigung wird man auch auf Vorfertigungselemente, wie

Teilbewehrungskörbe etc. zurückgreifen, um den Rationalisierungsgrad zu steigern und eine geringe Fertigungstiefe vor Ort zu erzielen. Nur bei sehr großen Projekten erscheint die Errichtung eines kompletten Fertigteil­ werks vor Ort sinnvoll. Zwar erreicht das temporäre Fertigteilwerk nach einer gewis­ sen Einarbeitungszeit die Effizienz eines stationären Fertigteilwerks bei kürzeren Transportwegen, aber als nachteilig sind der große Platzbedarf und die zusätzliche Steigerung der Vorkosten durch die Vorhal­ tung weiterer Baustelleneinrichtungsele­ mente, wie Werkstätten, Unterkünfte usw. anzusehen. Grundsätzlich werden sich bei der Ferti­ gung größerer Stückzahlen industrielle Produktionsmethoden am besten nutzen lassen. Da bei kleineren und mittleren Brü­ ckenbauvorhaben Segmente in entspre­ chend geringen Mengen gefertigt werden, ist mit Auswirkungen aus der Lernkurve

852

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.1.5‑2   Vor- und Nachteile verschiedener Herstellungsstandorte

insbesondere auf die Fertigungsqualität und die Leistungsfähigkeit zu rechnen. Die­ ser Nachteil wird mit der Segmentherstel­ lung im stationären Fertigteilwerk mini­ miert und kann durch ein spezialisiertes Unternehmen auch für die temporäre Bau­ stellenfertigung in bestimmten Maße auf­ gehoben werden. Eine Gegenüberstellung der verschiedenen Herstellungsstandorte ist dem Bild 9.1.5‑2 zu entnehmen. 9.1.5.2.2  Herstellungsverfahren Der Teilprozess der Segmentherstellung wird durch die Schalung als das wesentliche Verfahrenselement gekennzeichnet. Durch sie lassen sich zwei Verfahren für die Vor­ fertigung des Brückenüberbaus unterschei­ den (Bild 9.1.5‑3), • das Short-Line und • das Long-Line Verfahren.

Beiden, dem Long-Line und dem ShortLine Verfahren, ist die Match-Cast-Metho­ de (Kontaktverfahren) gemeinsam. Diese ermöglicht kongruente Flächen zwischen benachbarten Segmenten und somit eine exakte Passgenauigkeit der Fugen durch die Verwendung des zuletzt betonierten Seg­ ments (Match-Cast-Segment) als Stirnab­ schalung für das nächst folgende Segment. Beim Long-Line Verfahren wird der Schalungsboden für eine Brückenspann­ weite vollständig oder teilweise erstellt und die bewegliche Seiten- und Innenschalung nach dem Betonieren um eine Segmentlän­ ge versetzt [Dimel, 1984]. Aus Einzelseg­ menten bestehend liegt der Brückenüber­ bau am Ende des Teilprozesses für eine ganze Spannweite vor. Nur bei größeren Brückenbauvorhaben, bei denen eine Viel­ zahl gleichartiger Spannweiten mit gerin­ gen Krümmungen zu erstellen sind, wird das Long-Line Verfahren daher wirtschaft­ lich einzusetzen sein [Mondorf, 1993].

9.1  Betonbrücken

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Bild 9.1.5‑3   Prinzipieller Schalungsaufbau bei der Segmentherstellung

Das Short-Line Verfahren hingegen be­ dient sich einer ortsfesten Schalung, in der ein einzelnes Segment des Überbaus herge­ stellt wird, welches man nach dem Betonie­ ren aus der Schalung hebt und vor der Scha­ lung als neues Match-Cast-Segment positi­ oniert [Girmscheid/Prade, 1993]. Die übri­

gen, bereits gefertigten Segmente des Über­ bauabschnitts werden separat zwischengela­ gert. Der geringe Platzbedarf für die eigent­ liche Fertigungseinrichtung und die gute Anpassung an veränderte Strecken- und Gradientenführungen lassen das Short-Line Verfahren bevorzugt zur Anwendung gelan­

Bild 9.1.5‑4   Vor- und Nachteile der Verfahren zur Segmentherstellung

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gen und qualifizieren es dadurch auch für den erweiterten Anwendungsbereich der Segmentbauweise (Bild 9.1.5‑4). 9.1.5.2.3  Vermessung und Kontrolle Da beim Short-Line Verfahren die Segmen­ te des Überbaus einzeln gefertigt werden, kommt der Überprüfung der Maßgenauig­ keit der Segmente eine besondere Bedeu­ tung zu, dies insbesondere bei gekrümmtem und geneigtem Überbau. Um die Passgenau­ igkeit der einzelnen Segmente sicherzustel­ len, den geforderten Gradientenverlauf ein­ zuhalten und ästhetische Mängel zu vermei­ den, ist die Aufstellung eines Kontroll- und Vermessungskonzepts unabdingbar, das zum einen in den Taktplan der Segmenther­ stellung zu integrieren ist und zum anderen die einzuhaltenden Maßtoleranzen über­ prüfbar macht (Bild 9.1.5‑5). Grundlage der Vermessung sind die the­­ oretischen Berechnungen der Segmentgeo­ metrien, die u. a. die Abweichungen des Gra­

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

dientenverlaufs aus der Eigenlast und der Vorspannung des Überbaus sowie aus Krie­ chen, Schwinden und Relaxation zu berück­ sichtigen haben. Maßabweichungen bei der Herstellung der Segmente sind nicht voll­ ständig zu vermeiden, sei es durch Tempera­ turänderungen des Betons oder Schalungs­ ungenauigkeiten. Aus diesem Grund müssen festgestellte Differenzen zwischen den IstWerten und den Soll-Werten des zuletzt be­ tonierten Segments weitgehend bei der Ein­ messung der nachfolgenden Segmente korri­ giert werden, um Fehlerakkumulationen auszuschalten. Um dabei den festgelegten Taktplan einhalten zu können, ist ein mög­ lichst automatisiertes Vermessungsverfahren mit digitaler Datenübergabe anzustreben, das gleichzeitig die Daten für die Vermessung während der Segmentmontage bereitstellt. Grundsätzlich sollte die Vermessung in zwei Schritten erfolgen: 1. Überprüfung der Ausrichtung des Seg­ ments in der Match-Cast-Position und der justierten Schalung des neu zu beto­

Bild 9.1.5‑5   Vermessungsprinzip während der Segmentherstellung

9.1  Betonbrücken

nierenden Segments (Vermessung vor dem Betonieren). 2. Überprüfung von Lage und Abmessun­ gen des betonierten Segments nach dem ersten Erhärten des Betons, aber vor dem Ausschalen und dem Entfernen des Segments aus der Match-Cast-Position (Vermessung nach dem Betonieren). Für gewöhnlich werden auf dem Segment 6 Vermessungspunkte festgelegt, die in Ver­ bindung mit dem Festpunktkoordinaten­ netz die erforderlichen Höhen- und Län­ genmessungen ermöglichen. Man sollte sich beim Entwurf des Vermessungskon­ zepts immer vor Augen halten, dass mit je­ der Genauigkeitssteigerung auf der einen Seite auch der Aufwand für die Fertigung und damit die Kosten steigen, aber auf der anderen Seite Schwierigkeiten in der Pass­ genauigkeit und Nacharbeiten reduziert werden. Oder anders ausgedrückt, je grö­ ßer die zulässigen Toleranzen sind, um so geringer fallen die Fertigungskosten aus, aber desto höher ist der Aufwand für die Beseitigung etwaiger Mängel aus Ungenau­ igkeiten [Kotulla, 1992]. Ebenso entschei­ det der Genauigkeitsanspruch über die Qualifikation des Vermessungspersonals. Deshalb müssen allfällige Vermessungsar­ beiten von einem eigens dafür eingesetzten Vermessungsingenieur durchgeführt wer­ den oder sie sind auch von einem guten Bau­führer zu bewältigen. Zu empfehlen ist in jedem Fall eine Doppelmessung mit einer getrennten Kontrollrechnung von zwei unabhängigen Stellen. Das Konzept der Doppelmessung muss so erstellt sein, dass bei beiden Messungen unabhängige Messwerte genommen und erst nach der Kontrollrechnung mit Hilfe der EDV die Ergebnisse miteinander verglichen werden. Damit wird verhindert, dass unter Produk­ tionsdruck Messwerte von der ersten für die zweite Messung übernommen werden.

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9.1.5.2.4  Herstellungstakt Um eine kontinuierliche Produktion der Segmente zu erreichen, sollte angestrebt werden, ein Segment pro Tag und Schalung zu erstellen. Der Beton kann in diesem Fall über Nacht abbinden und am nächsten Morgen das Segment ausgeschalt und in die Position des neuen Match-Cast-Segments umgesetzt werden. Zuvor ist meist noch das Aufbringen einer teilweisen Quervorspan­ nung erforderlich. Der Herstellungszyklus der einzelnen Arbeitsvorgänge eines Tages unter Berück­ sichtigung der Vermessungs- und Kontroll­ vorgänge (Bild 9.1.5‑6) beginnt danach mit einer Kontrollmessung des am Vortag beto­ nierten Segments (N) und dem MatchCast-Segment (N – 1) (1.). Je nach Scha­ lungskonstruktion wird nun in einer oder mehreren Stufen die Innenschalung ent­ fernt (2.). Im Anschluss wird das MatchCast-Segment (N – 1) von einem Hebegerät übernommen und zum Lagerplatz trans­ portiert (3.). Das zuletzt betonierte Seg­ ment (N) wird aus der Schalung gehoben und an die Match-Cast-Position gesetzt (4.). Gleichzeitig erfolgt die Ausrichtung der hinteren Stirnabschalung. Als nächstes wird das neue Match-Cast-Segment (N) vertikal und horizontal eingemessen (5.). Danach werden die unteren und äußeren Schalungsteile positioniert, ihre korrekte Verbindung mit der hinteren Stirnabscha­ lung kontrolliert und mit Hilfe der Justierund Vermessungseinrichtungen ihre Lage den geforderten Segmentabmessungen an­ gepasst (6.). Nun kann der bereits erstellte Bewehrungskorb in die Schalung gesetzt werden (7.). Bevor mit dem Betonieren des neuen Segments (N + 1) begonnen wer­ den kann, ist die Innenschalung wiederum in einer oder mehreren Stufen an ihre Po­ sition im neuen Segment (N + 1) zu ver­ fahren (8.).

Bild 9.1.5‑6   Short-Line-Verfahren-Zyklus der Segmentherstellung

856 9  Herstellung und Ausführungsmethoden

9.1  Betonbrücken

9.1.5.2.5  Herstellungsorganisation Die einzelnen Fertigungsvorgänge zur Her­ stellung der Segmente, die in einer bestimm­ ten technischen und organisatorischen Rei­ henfolge ablaufen, geben den Ausschlag für die räumliche Anordnung der einzelnen Einrichtungselemente am Herstellungs­ standort. Sie bestimmen die Fertigungsrich­ tung und die Aufteilung der Segmente in Fertigungsabschnitte. Als Grundelemente der Vorfertigungs­ einrichtung sind zu nennen: • Fertigungshalle, Fertigungsplatz der Be­ wehrungskörbe, • Turmkran zum Einheben des Beweh­ rungskorbs und für das Betonieren, • Stahl- oder Stahlrahmenschalungen für das Betonieren der Segmente, • Betonmischanlage und oder Transport­ beton,

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• Portalkran, Shuttlelift etc. für den Trans­ port der Segmente zum Lagerplatz • Lagerplatz. Von der Baustellenfertigteilproduktion kön­ nen die allgemeinen Elemente der Baustel­ leneinrichtung, wie Unterkünfte, Büroräu­ me, Werkstatt, Materiallager usw., der ge­ samten Brückenbaustelle mit genutzt wer­ den. Beim temporären Fertigteilwerk sind sie zusätzlich zu errichten. Durch die vorhande­ ne Infrastruktur des stationären Fertigteil­ werks werden nur wenige Elemente der Vor­ fertigung, wie z. B. die Stahlschalungen, zu installieren sein. Um die Anzahl der Ferti­ gungsschritte gering zu halten, sollte die Be­ wehrung bereits im vorgebogenen Zustand geliefert und aus den einzelnen Positionen in der Segmentvorfertigung nur der Beweh­ rungskorb zusammengesetzt werden. Da der Brückenüberbau hinsichtlich der Spanngliedführung in der Regel aus verschie­

Bild 9.1.5‑7   Schematische Darstellung der üblichen Segmentquerschnitte

Bild 9.1.5‑8   Prinzip der räumlichen Organisation bei der Segmentherstellung

858

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

denen Querschnitten besteht, müssen neben Standardsegmenten Segmente mit Veranke­ rungs- und Umlenkblöcken hergestellt wer­ den (Bild 9.1.5‑7), was meist zu mehreren Fertigungslinien in der Vorfertigung führt. Standardsegmente und Segmente mit Umlenkblöcken können häufig auf einer Fertigungslinie erstellt werden, da die Scha­ lung durch ein zusätzliches Innenteil leicht anzupassen ist. Damit ergibt sich für die Baustellenfertigung bei Anwendung des Short-Line Verfahrens die im Bild 9.1.5‑8 dargestellte prinzipielle räumliche Organi­ sation der Segmentherstellung.

Überbau auf die Arbeitsvorgänge des Teil­ prozesses Segmentmontage. Damit kann der bereits beim Teilprozess Segmentherstellung aus der Übersichtlichkeit des Bauprozesses resultierende Vorteil eines zeit- und kosten­ optimalen Produktionsablaufs bei gleich bleibender Fertigungsqualität durch die Verwendung mechanisierter Verlegegeräte auch für die Montage zum endgültigen Überbau auf der Baustelle genutzt werden. Ist bei der Segmentherstellung die Scha­ lung das Kernelement der Verfahrenskenn­ zeichnung, so lässt bei der Segmentmonta­ ge das Verlegegerüst eine Unterteilung in zwei Verfahrenstypen zu:

9.1.5.3  Merkmale der Segmentmontage

• Segmentmontage mit untenliegendem Verlegegerüst und (Bild 9.1.5‑9) • Segmentmontage mit obenliegendem Verlegegerüst (Bild 9.1.5‑10).

Auch bei der Segmentmontage sind Kon­ struktion und Bauverfahren interaktiv von­ einander abhängig, insbesondere in Bezug auf das Brückenlängssystem. Durchlaufträ­ ger werden danach veränderte Gerüsttypen verlangen als Einfeldträger und es werden eventuelle Hilfsmaßnahmen erforderlich, wie z. B. temporäre Spannglieder und Ortbe­ tonfugen. Des Weiteren sind Auswirkungen auf den Montagetakt und die Montageorga­ nisation zu erwarten. Für die folgenden Er­ läuterungen wurden Einfeldsysteme zugrun­ de gelegt. 9.1.5.3.1  Montageverfahren Mit der Vorfertigung der Überbausegmen­ te beschränkt sich der Fertigungsprozess

Allerdings muss erwähnt werden, dass bei Anwendung der Segmentbauweise mit einem Lehrgerüst zusätzlich eine sehr kos­ tengünstige Verfahrensvariante für kleinere Brückenbauwerke (2-feldrig) zur Verfü­ gung steht. Welcher Gerüsttyp eingesetzt wird, ent­­ scheidet sich in erster Linie aus der Fahrgeo­ metrie bzw. Zugänglichkeit der Trasse. Wäh­ rend die Hauptanwendung des untenliegen­ den Gerüsts bei geraden und schwach ge­ krümmten Brücken liegt, ist das oben­liegende Gerüst auch bei sehr kleinen Krümmungs­ radien einsetzbar [Girm­scheid, 1993]. Das untenliegende Verlegegerüst wird für die vorgeschlagenen Anwendungser­

Bild 9.1.5‑9   Segmente mit untenliegendem Verlegegerüst und unterschiedliche Unterstützungs­ konstruktionen an den Pfeilern (s. Bild 9.1.5-14)

9.1  Betonbrücken

859

Bild 9.1.5‑10   Segmente mit obenliegendem Verlegegerüst

weiterungen der Segmentbauweise auf klei­ nere Brückensysteme das zu bevorzugende Gerüst sein. Zu begründen ist die Wahl mit der Einfachheit des Gerüsts in der Kon­ struktion, da sie aus standardisierten Fach­ werkmodulträgern, wie sie von verschie­ denen Herstellern am Markt angeboten

werden, flexibel und kostengünstig zusam­ mengesetzt werden können. Dadurch ist auch eine leichte Anpassung an veränderte Feldlängen möglich, und die Aufwendun­ gen für die statischen Berechnungen, die infolge der Belastungszustände aus Vor­ schubphasen und Segmentverlegung aufge­

Bild 9.1.5‑11   Vor- und Nachteile der Verfahren zur Segmentmontage

860

stellt werden müssen, sind gering. Gerade kleine Brückenbauwerke verlangen diesbe­ züglich einfache Herstellungs- und Kon­ struktionskonzepte, damit umfangreiche, zeit- und kostenintensive Vorarbeiten ver­ mieden werden können. Begünstigt wird die Entscheidung zugunsten des untenlie­ genden Gerüsts noch durch die oft anzu­ treffenden großen Krümmungsradien klei­ nerer und mittlerer Brückenbauwerke. Das obenliegende Gerüst und die dazugehöri­ gen Operationskonzepte wurden in [Girm­ scheid/Prade, 1993] erläutert. Ein Vergleich beider Gerüsttypen führt auf die im Bild 9.1.5‑11 zusammengestellten Vor- und Nachteile. 9.1.5.3.2  Vermessung und Kontrolle Auf der Grundlage der Vermessungsdaten aus der Vorfertigung muss während der Segmentmontage die genaue Einmessung

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

des Überbaus entsprechend dem dokumen­ tierten Gradientenverlauf sichergestellt werden. Dazu sind verschiedene zyklische Vermessungen und Kontrollen erforderlich (Bild 9.1.5‑12): • Höhe und Ausrichtung des Verlegege­ rüsts • Höhe der Lager • Lage und Höhe von Segmentaufhängung bzw. Segmentvorschubschlitten • exakte Positionsbestimmung, Höhe und Ausrichtung der Segmente nach Errei­ chen der Verlegestelle • Ausrichtung der Segmente eines Brü­ ckenfelds nach dem Verlegen, aber vor dem Vorspannen über die Lagerpunkte • Höhe und Ausrichtung des fertigen Überbaus eines Brückenfelds Ausgehend von den Vermessungspunkten, mit denen bereits in der Vorfertigung die Segmente markiert wurden, wird zwischen den Stützensegmenten einer Spannweite

Bild 9.1.5‑12   Vermessungsprinzip während der Segmentmontage

9.1  Betonbrücken

eine Mittellinie definiert, die als Ba­sis für die Ausrichtung der Überbausegmente dient. Durch die Übertragung auf die Stüt­ zen wird sie zudem für die Lagekontrolle des Verlegegerüsts herangezogen. Die Ver­ messung erfolgt während des gesamten Montagevorgangs. Die wichtigsten Mes­ sungen sollten möglichst zweimal unab­ hängig voneinander durchgeführt werden. 9.1.5.3.3  Montagetakt Der Zyklus für die Montage eines Brücken­ felds, der je nach Länge des Brückenfelds und Trassenführung innerhalb von zwei bis vier Tagen abgeschlossen sein sollte, glie­ dert sich in drei Fertigungsvorgänge: • die Segmentverlegung • die Segmentvorspannung und • den Vorschub des Verlegegerüsts. Im Wesentlichen sind die einzelnen Ferti­ gungsschritte in den Fertigungsvorgängen der Segmentverlegung und -vorspannung beim unten- und beim obenliegenden Ver­ legegerüst gleich (Bild 9.1.5‑13). Nachdem

Bild 9.1.5‑13   Zyklus der Segmentmontage

861

ein Segment vom Verlegegerüst übernom­ men wurde, wird es an seine planmäßige Position verschoben, wobei jedes Segment so gelagert bzw. aufgehängt werden muss, dass es einzeln ausgerichtet werden kann (1.). Sind alle Segmente des Brückenfelds positioniert und ausgerichtet, werden sie über eine temporäre Vorspannung mit­ einander gekoppelt. Danach werden die Spannglieder eingezogen und die Vorspan­ nung bis zu dem Punkt aufgebracht, an dem sich der Überbau selbst trägt (2.). Dann wird der Überbau mittels Pressen an den Lagern gehoben, meist die gesamte Vor­ spannung aufgebracht und anschließend die Hänger bzw. der Kontakt zu den Vor­ schubschlitten gelöst. Nach dem kraft­ schlüssigen Untergießen der Lager werden die Lagerhilfspressen freigesetzt und die Vorspannung in ihrer endgültigen Größe eingetragen (3.). Beim obenliegenden Gerüst werden die Segmente mit einer Gerüstlaufkatze vom Transportfahrzeug aufgenommen und zur Verlegestelle gefahren. Dort werden sie über Hängestangen am Gerüst befestigt und mit hydraulischen Pressen ausgerichtet. Beim

862

untenliegenden Gerüst werden die Seg­ mente durch Kran oder Übergabekonst­ ruktion (s. a. Abschnitt 9.1.5.3.4) vom Transportfahrzeug übernommen und auf Verschubwagen/-schlitten oder Pressen­ schemel abgesetzt und mit diesen auf dem Obergurt/Führungsschienen in die Verle­ geposition verschoben. Die Vorschub­ schlitten sind mit Hydraulikpressen aus­ gestattet, die in der Verlegeposition die ­lagegenaue Ausrichtung der Segmente ­ermöglichen. Während des Vorschubs ist das unten­ liegende Verlegegerüst leicht zu handha­ ben. In Abhängigkeit von der konstruk­ tiven Ausbildung des Gerüsts bieten sich unter der Verwendung von Seilwinden, ­hydraulischen Pressen und/oder Zahn­ stangen verschiedene Lösungen an. Ab­ hebekräfte, die bei größeren Spannweiten auftreten können, werden in den Über­ bau eingeleitet. Schwieriger gestalten sich die Vorschubzustände beim oben­ liegenden Gerüst insbesondere bei ge­

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

krümmten ­Streckenverläufen, bei denen die Kippsicherheit des Brückenfelds und des Ge­rüsts sowie die Tragfähigkeit der ­L ager ­und Hilfslager zu beachten sind ­[Girmscheid, 1993]. Des Weiteren müssen spezielle Hilfseinrichtungen, wie Hilfs­ gleitstühle, Nachlaufwagen usw., vor­ gehalten werden. 9.1.5.3.4  Montageorganisation Die gesamten Fertigungsvorgänge der Seg­ mentmontage liegen innerhalb eines Fer­ tigungsabschnitts, der Spannweite eines Brückenfelds. Auf wie viel Fertigungslinien der Überbau dabei erstellt wird, richtet sich nach der Anzahl nebeneinander liegenden Überbauten, wie es z. B. mit zwei oder mehr Überbauten bei mehrspurigen Fahrbahnen der Fall ist. Danach können die Segmente auf den verschiedenen Fertigungslinien nacheinander oder parallel montiert wer­ den.

Bild 9.1.5‑14   Anlieferung und Übergabe der Segmente bei untenliegendem Verlegegerüst

9.1  Betonbrücken

Die Anlieferung der Segmente kann auf zwei Wegen organisiert werden: • Anlieferung vom Brückenfuß oder • Anlieferung über den bereits fertig­ gestellten Überbau. Geländeverhältnisse und Brückenhöhe sind die wesentlichen Randbedingungen, welche die Art der Anlieferung beein­flussen. Als Transportgerät vom Fertig­teilwerk zur Bau­ stelle kommen Spezial­tieflader zum Einsatz, die entweder die Segmente direkt bis zur Gerüstübergabe befördern oder vorher auf Flachbettwagen absetzen, die über Vor­ schubeinrichtungen oder Zugmaschinen an das Verlegegerüst gelangen. Die Segmentübergabe vom Transport­ fahrzeug auf das Verlegegerüst bei der

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­ benliegenden Variante wie beim un­ten­ o liegenden Gerüst bedarf eines zusätz­ lichen Hebegeräts. Zum Einsatz gelangen (Bild 9.1.5‑14): • Autokran am Brückenfuß oder auf dem Überbau, • stationärer Kran auf dem Überbau und • Portalkran bzw. Übergabekonstruktion auf dem Überbau. Welches Hebegerät eingesetzt wird, ergibt sich aus den Leistungsanforderungen, der wirtschaftlichen Optimierung und der Ver­ fügbarkeit. Die prinzipielle räumliche Organisation der Montage ist für ein untenliegendes Ge­ rüst mit stationärem Kran im Bild 9.1.5‑15 ersichtlich.

Bild 9.1.5‑15   Prinzipielle räumliche Organisation der Segmentmontage bei untenliegendem Ver­ legegerüst

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9.1.5.4  Planung der Ausführung der Segmentmontage an einem Beispiel 9.1.5.4.1  Technische Ausführungsplanung Die notwendige baubetriebliche Ausfüh­ rungsplanung soll am Brückensystem einer Hochstraße mit einfeldrigen, einzelligen Segmentkastenträgern, die auf bewehrten Elastomerlagern gelagert sind (Bild 9.1.5‑16) erläutert werden. Das Brückensystem ist mit Spannglie­ dern, die innerhalb des Kastenträgers ex­ tern geführt werden, vorgespannt. Im End­ zustand werden die Einfeldsysteme durch Federplatten zu drei- bis vierfeldrigen Sys­ temen verbunden, so dass Fahrbahnüber­ gänge nur dort notwendig sind. Jedes Feld ist durch Erdbebenstopper (Knaggen), die mit Elastomerpufferplatten abgepolstert sind, mit den Pfeilern verzahnt. Im Erdbe­ benfall werden dadurch größere Relativver­ schiebungen zwischen Unter- und Überbau weitgehend verhindert. Die Spannweiten der einfeldrigen Kastenträgerbrücken be­ tragen zwischen ca. 25 m und 50 m. Die

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

einzelligen Kästen sind als Standardquer­ schnitte konzipiert. Die Überbaubreiten liegen zwischen 7,00 m und 15,50 m. Die einfeldrigen Brückenlängssysteme setzen sich aus folgenden typischen Standardseg­ menten zusammen (Bild 9.1.5‑17): a) Pfeilersegmente jeweils an den Enden eines jeden Felds mit dem Veranke­ rungsschott für die Spannglieder. b) Normalsegmente zwischen den Pfeilerund Umlenksegmenten. Die Stege haben eine vergleichsweise geringe Wanddicke. Dies ergibt eine deutliche Gewichtsver­ minderung des Überbaus, da die Stegdi­ cke nicht aus konstruktiven Gründen, sondern durch rein statische Erforder­ nisse (Betondruckstrebe) bestimmt ist. c) Umlenksegmente befinden sich unge­ fähr in den 1/3- bzw. 1/4-Punkten der Stützweite. An diesen Stellen werden die Vertikal- und Horizontalkomponenten der Umlenkkräfte aus der Vorspannung konzentriert abgeleitet. Zum Verständnis der notwendigen sta­ tisch konstruktiven Untersuchungen der

Bild 9.1.5‑16   Überbau (Feld mit drei/zwei Umlenkblöcken)

9.1  Betonbrücken

Bild 9.1.5‑17   Kastenquerschnitt, externe Vor­ spannung

Bauzustände muss die Verlegetechnik der Segmente erläutert werden. Die Segmente werden auf tief liegenden, von je einer Zugmaschine gezogenen Flachbettwagen zum Verlegegerüst befördert. Dort werden sie von einer Gerüstlaufkatze übernom­ men, zur Verlegestelle längs verfahren und an das Gerüst mit Hängestangen ange­ hängt. Nach dem Einfahren aller Fertigtei­ le eines Felds werden diese ausgerichtet und durch eine leichte Hilfsvorspannung von 0,1 N/mm² zu einer Einheit gekoppelt. Die Elemente werden trocken, ohne durch­ gängige Bewehrung, aneinandergefügt und durch Schubnocken verzahnt. Danach wer­ den die Hüllrohre und Spannglieder der externen Längsvorspannung eingebaut und vorgespannt. Der fertig vorgespannte Über­ bau wird anschließend auf Hilfslager abge­ senkt und das Gerüst über das fertiggestell­ te Überbaufeld ins nächste Feld verschoben. Hierzu werden am Gerüst der Hilfsgleit­ stuhl mit Vorschubeinrichtung und der Nachlaufwagen benötigt. Die grundsätzliche Entscheidung für einen unten- oder obenliegenden Gerüsttyp

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ergibt sich aus der Fahrgeometrie und der Zugänglichkeit der Trasse. Untenliegende Gerüste werden bei gerader Streckenfüh­ rung und bei freier Zugänglichkeit der Pfei­ ler verwendet; diese ist notwendig für die Montage der Gleitbahnunterstützungen. Obenliegende Gerüste werden bei den ge­ kurvten Streckenführungen erforderlich. Das obenliegende Gerüst lässt sich, unab­ hängig von der Zugänglichkeit der Pfeiler, mit tangentialer Verschiebung durch die Kurven verfahren. Dieser Gerüsttyp ist je­ doch zwangsläufig aufwendiger hinsicht­ lich Fahreinrichtungen, Steuerungshydrau­ lik und Handhabung. Das untenliegende Gerüst beansprucht die Unterbauten und stellt den Entwurfsingenieur vor vergleichs­ weise einfache Aufgaben. Das obenliegende Gerüst beansprucht dagegen während der Überfahrt die gesamte, endgültige Überbau­ konstruktion. Zudem sind die während des Verfahrzustands eingetragenen Lasten an den Unterstützungen des Gerüsts häufig we­ sentlich schwerer als die Einzellasten aus den Verkehrslasten des Endzustands; dabei ist jedoch die Gesamtverkehrslast in der Regel größer als das Gesamtgewicht des Gerüsts. Das Ziel umfangreicher statischer Unter­ suchungen der Bauzustände ist es, ein Kon­ struktions- und Betriebskonzept für das Gerüst zu entwickeln, ohne dass bleibende Zusatzverstärkungen für das Endsystem notwendig werden. Ein Betriebskorridor zum Verfahren des Gerüsts, die Randbedin­ gungen und gegebenenfalls begrenzte, wie­ der verwendbare Hilfseinrichtungen sind festzulegen. Für diese Nachweise müssen verschiedene Last- und Betriebszustände unter Berücksichtigung aller Einflusspara­ meter untersucht werden. 9.1.5.4.2  Detaillierte Planung der Verlegetechnik mittels Verlegegerüst Die wiederkehrenden Abläufe beim Verle­ gen sind im Bild 9.1.5‑18 dargestellt.

866

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.1.5‑18   Vorschubgerüst in Verlegstellung

Die Verlegetechnik untergliedert sich nach statischen Gesichtspunkten in drei Hauptsysteme: a) Verlegeposition – einfaches, offenes ­statisches System, b) Vorspannen und Absetzen – statisches System mit veränderlicher Gliederung, c) Vorfahrzustände – veränderliches stati­ sches System. Die Verlegeposition des Gerüsts in Bezug auf die Pfeilerachsen wird so gewählt, dass die größte aufnehmbare ausmittige Nor­ malkraft der in allen konstruktiven Ab­ messungen vorgegebenen Pfeiler ausge­ nutzt werden (Mx , My , N – Interaktion). Die aufnehmbare Torsionsbeanspruchung des Gerüstträgers (Stahlfachwerkkasten) wird genutzt, um die Beanspruchung der Pfeiler im Verlegzustand in der Größen­ ordnung der Einwirkung aus Verkehrsbe­ lastung und Eigenlast, allerdings unter der Berücksichtigung des verminderten Last­ faktors im Bauzustand zu halten (Bild 9.1.5‑19). Ferner werden die Maßnahmen zum Rückhängen bzw. Koppeln der Über­ bauten ermittelt, um die während des Bau­ zustands auftretenden Horizontalkräfte abzutragen. Beim Vorspannen verhält sich der Brü­ ckenbalken wie ein Balken auf elastischer Bettung, hervorgerufen durch die elastisch federnde Wirkung des Gerüsts. Dabei ist zu beachten, dass es sich statisch um ein Sys­

tem mit veränderlicher Gliederung handelt (Bild 9.1.5‑20). Im Ausgangszustand ist der Brückenbal­ ken noch eine Gelenkkette mit definierten Hängerlasten. Durch das Vorspannen er­ hält der Brückenbalken seine Steifigkeit und entlastet die mittleren Hänger des Ver­ legegerüsts. Da die Gesamteigenlast jedoch

Bild 9.1.5‑19   Verlegen: Einwirkung und Inter­ aktion von Gerüst auf Über- und Unterbauten

9.1  Betonbrücken

867

Bild 9.1.5‑20   Statische Systeme während des Vorspannens

gleich bleibt, wandert die Last während des Spannvorgangs zunehmend in die äußeren Hängestangen, solange der Brückenbalken nicht abgesetzt wird. Dabei sind folgende Kriterien nach Superposition von Aus­ gangs- und Vorspannungszustand zu be­ achten: a) Zulässige Last in den äußeren Hängern kontrollieren. b) Kein Hänger darf Druckkraft erhalten. Falls doch, wird der Hänger gelöst und die Eigenlast des Segments auf den Brü­ ckenbalken verlagert. c) Zugspannungen dürfen in der Beton­ konstruktion während des gesamten Vorspannens nicht auftreten. Für die danach anschließenden Verschie­ bezustände (Bild 9.1.5‑21) ist der zulässige Betriebskorridor für den Nachlaufwagen des Vorschubgerüsts zu ermitteln. Die Rad­ sätze des Nachlaufwagens werden so ange­ ordnet, dass sie bei sehr hohen Lasten un­

gefähr über den Stegen der Elemente fahren können. Das Verschieben in den Kurven erzwingt jedoch das Verlassen der Steg­ bereiche; die Räder gelangen auf die Fahr­ bahnplatte bzw. auf den Kragarm. Gleich­ zeitig vermindert sich jedoch die Auflager­ kraft auf dem Nachlaufwagen, da der Schwerpunkt zum Hilfsgleitstuhl wandert (Phase 2 im Bild 9.1.5‑22). Für das Brü­ ckenlängssystem müssen jeweils die größ­ ten aufnehmbaren Lasten ermittelt werden, um die Umsetzpunkte für das Verleggerät bei bestimmten Operationen zutreffend festlegen zu können. Während all dieser Bauphasen müssen folgende Randbedingungen beachtet wer­ den: a) Kippsicherheit des Brückenfelds; b) Tragfähigkeit der Lager bzw. Hilfslager; c) Kippsicherheit des Stahlgerüsts; d) Geometrisches Erreichen des nächsten Pfeilers.

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9  Herstellung und Ausführungsmethoden

senlager verstärkt werden müssen. Für eine wirtschaftliche, termingerechte Bauausfüh­ rung ist es unerlässlich, aufwendige Bau­ hilfsmaßnahmen auf ein Minimum zu re­ duzieren (Bild 9.1.5‑23). 9.1.5.5  Anwendungsbereiche des Segmentbrückenbaus

Bild 9.1.5‑21   Vorschubzustände

Gleichzeitig ist beim Verschieben der hori­ zontale Festpunkt des Systems eindeutig festzulegen, besonders beim Verfahren der Gleitstühle bzw. beim Umsetzen der Lasten auf den Hauptgleitstuhl: Die Hangabtrieb­ kräfte auf den Hilfslagern aus Längs- und Querneigung der Brücke sind mit den Rei­ bungskräften aus dem Vorschub zu überla­ gern. Die auftretenden Kräfte müssen bis zur Gründung verfolgt werden und machen es teilweise erforderlich, mehrere Felder bzw. Pfeiler zu koppeln. Beispielsweise sind die Lager auf dem Pfeiler i (Bild 9.1.5‑22) beim Verschieben von Phase 2 nach 3 so stark belastet, dass sie durch vier Hilfspres­

Infolge der Möglichkeit der industriellen Vorfertigung der Überbausegmente und der Effizienz bei der Montage kommt ein entscheidender Vorteil des Segmentbrü­ ckenbaus in Bezug auf Qualität und Wirt­ schaftlichkeit zum Tragen. Die von den eigentlichen Baustellenprozessen entkop­ pelte Fertigung der Überbausegmente ge­ stattet Bauvorhaben als sogenannte FastTrack-Project abzuwickeln [Girmscheid, 1996], [Girmscheid/Hartmann, 1999], das heißt innerhalb extrem kurzer Zeitspannen zwischen Vergabe und Fertigstellung. Die Forderung, ein wirtschaftliches und gleichzeitig dauerhaftes Bauwerk im Rah­ men eines Fast-Track-Project zu erstellen, wird vermehrt bei der Verwirklichung gro­ ßer Infrastrukturprojekte gestellt. Da eine Vielzahl der heutigen Infrastrukturbauten als Konzessionsobjekte realisiert werden, liegt ein wesentlicher Grund für diese For­ derung in dem Bestreben einer schnellen Amortisation des investierten Kapitals. Wird zudem die Baustellenfertigung auf­ grund beengter Platzverhältnisse behin­ dert, wie es z. B. bei den großen Agglome­ rationen in Asien und Südamerika der Fall ist, ist mit der Segmentbauweise ein geeig­ netes Brückenbauverfahren gegeben, das einen zeitlich komprimierten Baufortschritt durch die Parallelität von Fertigungspro­ zessen mit der Fertigung einzelner Bau­ werkselemente außerhalb der Baustelle verknüpft [Girmscheid/Prade, 1993]. Aus der Übertragung technischer und organisatorischer Merkmale der stationä­ ren Industrie auf die Bauindustrie lässt sich

9.1  Betonbrücken

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Bild 9.1.5‑22   Vorschubzustände – Einwirkungen auf Über- und Unterbauten

ein zusätzlicher Kostenvorteil erzielen, der aber nur dann zu greifen scheint, wenn die Überbausegmente in großen Stückzahlen gefertigt werden, um die nicht unerhebli­ chen Vorkosten für die maschinelle Ausrüs­

tung der stationären Produktionsstätte (Schalung, Hebegeräte usw.) und der Bau­ stelle (Transport-, Hebe- und Verlegegeräte usw.) aufzufangen. 9.1.5.5.1  Bedingungen für die Anwendung im europäischen Baumarkt Die Frage, ob das Anwendungsfeld der Seg­ mentbauweise auch auf kleinere und mitt­ lere Brückenbauwerke auszuweiten ist und unter welchen Bedingungen sich der Ein­ satz als lohnend erweist, führt zu folgenden Überlegungen:

Bild 9.1.5‑23   Bauhilfs- und Stabilisierungsmaß­ nahmen beim Verlegen und Vorspannen

• Grundsätzlich kann die Segmentbau­ weise mit angepasster baubetrieblicher Technik und Logistik auch für kleine und mittlere Brückenbauwerke wett­ bewerbsfähig eingesetzt werden. Denn gerade bei mehrfeldrigen Brückensyste­ men, die man auf einem Lehrgerüst oder Verlegeträger in Ortbeton erstellen wür­ de, kann die Herstellung und das oft aufwendige feldweise Umsetzen der

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Scha­lung entfallen. Das Verschieben der vereinfachten Lehrgerüste oder Vor­ schubträger ist zwar weiter erforderlich, dennoch lassen sich die Vorteile einer kostengünstigen Produktion des Über­ baus mit der Verkürzung der Bauzeit verbinden. • Es ist unerheblich, ob die Fertigung für ein großes oder mehrere kleine Brü­ ckenbauwerke erfolgt, solange die ein­ zelnen Baustellen voneinander bzw. von der Fertigungsstätte der Überbauseg­ mente nicht zu weit entfernt liegen. Brü­ cken über Autobahnen erfüllen häufig diese Forderung, zumal sie sich in ihren geometrischen Randbedingungen weit­ gehend ähneln. Daher sind sie trotz ihrer geringen Bauwerkslängen mit einer zen­ tral angeordneten Segmentfertigung wirtschaftlich zu realisieren. • Die Frage nach den Kosten einer Bau­ maßnahme steht im Mittelpunkt bei der Wahl einer geeigneten Bauweise. Neben den eigentlichen Baukosten kann die Seg­ mentbauweise in manchen Fällen dazu beitragen, Baunebenkosten, die aus einer Wechselwirkung der Baumaßnahme mit der Umwelt entstehen, zu vermindern. Beim Bau von innerstädtischen Brücken und beim Um- bzw. Ausbau von Auto­ bahnbrücken erweist sich daher die Seg­ mentbauweise durchaus als Alternative gegenüber anderen Bauverfahren, denn die Kosten aus der Verlegung und Behin­ derung von Verkehrsströmen hoch fre­ quentierter Straßen können infolge der schnellen Baudurchführung gesenkt so­ wie die Akzeptanz der Betroffenen erhöht werden. • Neben den Kosten, die während der Baumaßnahme entstehen, finden immer stärker die späteren Folgekosten Ein­ gang bei der Entscheidung für eine Bau­ weise, denn ein aufwendiger Unterhalt und die ebenfalls häufig mit einer Ver­ kehrsbeeinflussung verbundene Sanie­ rung von Brückenbauwerken sind in

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

ihrer Kostenrelevanz nicht zu unter­ schätzen. Die Segmentbauweise bietet hier den bereits erwähnten Vorteil, dass die eigentliche Bau- bzw. Unterhaltszeit und damit auch die Zeit der Verkehrs­ behinderung bei Sanierungsmaßnah­ men verkürzt wird. Der Brückenunter­ halt wird durch die externe Vorspannung erleichtert, da ein Nachspannen oder Auswechseln von Spanngliedern mög­ lich ist. Die externe Vorspannung be­ günstigt zusätzlich die Möglichkeit zur vereinfachten Demontage und Rückge­ winnung einzelner Segmente bzw. gan­ zer Brückenabschnitte. • Innerhalb der angestrebten langen Nut­ zungsdauer von Brückenbauwerken sind Nutzungsänderungen nur über einen erhöhten baulichen Aufwand zu berück­ sichtigen. Die externe Vorspannung er­ laubt in diesem Fall durch sukzessives Erhöhen der Vorspannkraft bzw. das Einziehen weiterer Spannglieder die einfache und schnelle Anpassung an sich ändernde Einwirkungen. Zusammenfassend stellt sich die Segment­ bauweise unter bestimmten Randbedin­ gungen auch im europäischen Baumarkt als ein attraktives Bauverfahren dar, wel­ ches auch bei kleineren und mittleren Brückenbauprojekten zu einer Senkung von • • • • • •

Investitions- und Kapitalkosten Fertigungskosten Baunebenkosten Unterhaltskosten Schadenfolgekosten und Nutzungsänderungskosten beitragen kann.

Damit die wirtschaftlichen Vorteile des Segmentbrückenbaus für Bauvorhaben im Bereich kleiner und mittlerer Bauwerks­ längen in ganzem Umfang zum Tragen kommen, bedarf es einiger Voraussetzun­ gen:

9.1  Betonbrücken

• einer Projektplanung, die sich an den Erfordernissen des Bauverfahrens orien­ tiert • eines Bauprozesses, der einen technisch und organisatorisch reibungslosen Ab­ lauf garantiert • eines einfachen und leicht zu verändern­ den Verfahrens für die Segmentherstel­ lung, um auch kleine Serien wirtschaft­ lich fertigen zu können • eines Vermessungs- und Kontrollkon­ zepts, das eine den Anforderungen ent­ sprechend hohe Maßgenauigkeit gewähr­ leistet • einer durchdachten Organisation der Logistik • eines einfachen, schnellen und modifi­ zierbaren Montageverfahrens, damit der Zeit- und Kostenvorteil der Vorfertigung erhalten bleibt Grundlegende und vergleichende Betrach­ tungen beschäftigen sich nachfolgend mit den Wegen zur Erfüllung dieser Vorausset­ zungen und sollen Entscheidungshilfen für den effizienten Einsatz der Segment­ bauweise geben.

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9.1.5.6  Segmentbauweise als Fast-Track-Project Grundlage für die Charakterisierung eines Bauvorhabens als Fast-Track-Project bildet das Verständnis über die Produktionsstruk­ tur der Segmentbauweise. Die markanteste Merkmalsausprägung eines Fast-TrackProjects [Girmscheid, 1996], [Girmscheid/ Hartmann, 1999] die enorm kurze Ferti­ gungsdauer, liegt in der Ausnutzung der bautechnologischen Eigenschaften der Seg­ mentbauweise begründet. Die Segmentbauweise hebt sich gegenü­ ber anderen Bauweisen dadurch hervor, dass das Brückenbauwerk in Einzel­bau­ teile aufgeteilt wird, die sich oft wieder­ho­len und in Form und Abmessungen weit­gehend identisch sind. Als Folge lässt sich der Bau­ prozess (Produktionsprozess) in verschie­ dene Fertigungsprozesse (Bild 9.1.5-24) gliedern, die sich wiederum aus ver­ schiedenen Teilprozessen zusammensetzen [Fiedler, 1991]. Zum einen sind diese Teil­ prozesse durch zyklisch aufeinanderfolgen­ de Arbeitsvorgänge charakterisiert und zum anderen durch ihre teilweise, die Ferti­

Bild 9.1.5‑24   Zyklus des Fertigungsprozesses Überbau

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9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.1.5‑25   Bauprozessgliederung des Segmentbrückenbaus (Überbau)

9.1  Betonbrücken

gungstiefe auf der Baustelle verringernde Verlagerung auf baustellenunabhängige Produktionsstätten. Danach unterteilt sich der Bauprozess Segmentbrückenbau in die beiden Ferti­ gungsprozesse Unterbau und Überbau, wobei der zuletzt genannte Fertigungs­ prozess sich aus den beiden Teilprozessen Segmentherstellung und Segmentmontage zusammensetzt. In Form der repetitiven Arbeitsvorgänge Bewehren, Schalen, Be­ tonieren, Quervorspannung und Nach­ behandlung wird der Teilprozess Segment­ herstellung in die baustellenunabhängige Vorfertigung verlagert. Bei dem auf der Baustelle ablaufenden Teilprozess Seg­ mentmontage verringert sich die Anzahl der gleichfalls repetitiven Arbeitsvorgänge auf das Segmentverlegen, die Längsvor­ spannung und den Verschub des Ver­ legegerüsts. Den Ablauf der Fertigung ­unterstützend und sichernd kommen so­ wohl ­bei der Segmentherstellung als auch bei ­der Segmentmontage noch die Tran­s­ port­prozesse, die Kontrollprozesse sowie­ die Wartungs- und Lagerprozesse hinzu (Bild 9.1.5‑25). 9.1.5.6.1  Zeitgewinn aus parallelen Fertigungsprozessen und industriellen Produktionsmethoden Im Vergleich zur konventionellen Ortbe­ tonbauweise mit ausschließlicher Baustel­ lenfertigung ist in der Segmentbauweise eine wesentliche Zeitersparnis zu erzielen (Bild 9.1.5-26). Laufen bei der konventionellen Ortbe­ tonbauweise die beiden Fertigungsprozesse Unterbau und Überbau nacheinander ab, wird mit der Segmentbauweise ihre paral­ lele Abfolge möglich (Zeitgewinn ∆t1). Das heißt, bereits während der Erstellung der Unterbauten kann mit der Herstellung der einzelnen Überbausegmente in der Vorfer­ tigung begonnen werden. Dabei ist die Seg­ mentproduktion im Grunde völlig unab­

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hängig von den Baustellengegebenheiten und den vorherrschenden Witterungsver­ hältnissen. Parallelisierte Abfolgen von einzelnen Arbeitsvorgängen innerhalb der Teilprozesse sind ebenfalls möglich, wobei zudem durch die zyklische Wiederkehr der Arbeitsvorgänge und ihre hohe Mechani­ sierung industrielle Produktionsmethoden erreicht werden können, die schließlich zu einer weiteren zeitlichen Ersparnis (Zeit­ gewinn ∆t2) gegenüber der Ortbetonbau­ weise führen [Girmscheid/Hartmann, 1999]. 9.1.5.6.2  Zeitgewinn aus parallelen Projektphasen Eine wirtschaftlich orientierte Nutzung in­ dustrieller Produktionsmethoden im Bau­ wesen setzt die konsequente Umsetzung ihrer technischen und organisatorischen Merkmale voraus. Dies kann erreicht wer­ den durch parallisierte Projektphasen, mit einer an den Produktionsmethoden orien­ tierten Planung der Bauwerkskonstruktion und der Bauverfahren. Nur so gelingt die weitgehende Standardisierung der einzel­ nen Fertigungsvorgänge, die Nutzung ihres Mechanisierungspotentials, ihre optimale Verknüpfung untereinander und der geziel­ te Einsatz der Produktionsmittel. Unter der Voraussetzung von Totalunternehmerver­ trägen kann dieses Ziel der fertigungsori­ entierten Planung durch die Übertragung der Ausführungsplanung in die Verant­ wortlichkeit des Bauunternehmens ver­ wirklicht werden [Girmscheid, 1996]. Da­ durch wird sichergestellt, dass der Erkennt­ nisgewinn aus früheren Baumaßnahmen direkt in die Planungsphase des neuen ­Bauvorhabens zurückfließt. Gleichzeitig eröffnet sich dem Bauunternehmen die Möglichkeit, Planung und Bauausführung parallel verlaufen zu lassen. Das heißt, ohne dass das gesamte Brückenbauwerk voll­ ständig geplant und konstruiert ist, können

Bild 9.1.5‑26   Zeitgewinn aus parallelen Fertigungsprozessen und industriellen Produktionsmethoden

874 9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.1.5‑27   Zeitgewinn aus parallelen Projektphasen

9.1  Betonbrücken 875

876

bereits einzelne Bauabschnitte erstellt ­werden. Zum Zeitvorteil infolge der Produkti­ onsstruktur der Segmentbauweise (Zeitge­ winn ∆tFertigung) kann somit ein weiterer Zeitvorteil aus der Parallelität von Planung und Ausführung (Zeitgewinn ∆tPlanung) tre­ ten. Koppelt man beide Zeitvorteile, kann die Gesamtdauer eines Bauvorhabens durch den frühzeitigen Beginn und durch die Verkürzung der Ausführungsphase erheb­ lich verkürzt werden (Bild 9.1.5-27). Die Anforderungen, die sich durch das Überlappen von Ausführungsplanung und Bauausführung an das Planungsmanage­ ment ergeben, sind enorm hoch. Bedingt durch das abschnittsweise Planen und Er­ richten des Bauwerks fordert das ständige Wechselspiel zwischen den konzeptionel­ len Aufgaben der Ausführungsplanung [Girmscheid, 1996] • Erstellen des technischen Konzepts: Ein­ binden von Normen, Spezifikationen und Vorschriften usw. • Festlegen des Tragwerkkonzepts: stati­ sche und konstruktive Berechnung des Brückenbauwerks, Anfertigung der Aus­ führungszeichnungen usw. • Aufstellen des optimalen baubetriebli­ chen Konzepts: Planung der Segmenther­ stellung und Segmenttransport, Entwurf und Einsatz der Verlegegeräte, Berech­ nung der Montagezustände usw. die strikte Einhaltung genau zu definierender Planungsschritte und -abläufe, die in eine Terminplanung einzubetten sind, die exakt festlegt, wer, was und wann planerisch um­ zusetzen hat. Dafür ist es unabdingbar, dass • an der Abschnittsbildung des Bauwerks orientierte Planungspakete aufgestellt werden, • der jeweilige Planungsstand hinreichend dokumentiert ist, • die Planverteilung an Prüfer, Baustelle, etc. überwacht und gesteuert wird und

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

• vorausschauend Grundlagen zu schaffen sind, die das Einbinden von späteren Planungsänderungen erleichtern. Des Weiteren muss zwischen den einzelnen Planungsteams, den genehmigenden Stellen und der Bauausführung der Informations­ fluss in der Form organisiert werden, dass die wesentlichsten Informationen rechtzei­ tig und präzise fließen. Die angedeuteten komplexen Anforde­ rungen an das Management der Ausfüh­ rungsplanung lassen sich nur erfüllen, wenn die Planungsbeteiligten die Zusam­ menhänge zwischen getroffener konstruk­ tiver und bauverfahrenstechnischer Vorge­ hensweise und deren Auswirkung auf die nachfolgenden Entscheidungen erkennen, beurteilen und ihr Handeln in wirtschaftli­ cher Weise daran ausrichten können. Sie müssen die Bauverfahren voll beherrschen und projektphasenübergreifend eingespiel­ te Teamstrukturen aufweisen. 9.1.5.6.3  Schlussfolgerungen für die Wirtschaftlichkeit Bisher wurde die Charakterisierung von Bauvorhaben in Segmentbauweise als FastTrack-Project in erster Linie über die Leis­ tungsfähigkeit dieser Bauweise während der Bauwerkserstellung vorgenommen. Dabei resultieren die enorm kurzen Ausführungs­ phasen nicht aus einer kapazitiven Erhö­ hung der Produktionsfaktoren, sondern liegen begründet in der Produktionspro­ zessstruktur dieser Bauweise. Infolgedessen zeichnet sich im Vergleich der Segment­ bauweise mit einer konventionellen Ort­ betonbauweise die im Bild 9.1.5‑28 aufge­ zeigte Abhängigkeit der Fertigungskosten von der Fertigungsdauer ab. Setzt man ein gleiches Kostenminimum bei beiden Bauweisen voraus (Fertigungs­ kosten k1), wird ersichtlich, dass die kon­ ventionelle Ortbetonbauweise, um das Bau­

9.1  Betonbrücken

877

Bild 9.1.5‑28   Abhängigkeit der Fertigungskosten von der Fertigungsdauer

projekt im selben kurzen Zeitraum abwi­ ckeln zu können wie die Segmentbauweise (Fertigungsdauer t1), aufgrund der not­ wendigen Erhöhung der bereitzustellenden Kapazitäten ein Mehr an Kosten (Ferti­ gungskosten k3) verlangt. Erhält der Reali­ sierungszeitraum einer Baumaßnahme bei der Wahl einer Bauweise entscheidendes Gewicht, wird das Ziel einer kurzen Ferti­ gungsdauer auch bei einer Erhöhung des Kostenminimums der Segmentbauweise (Fertigungskosten k2) kostengünstiger zu erreichen sein als mit der konventionellen Ortbetonbauweise. Bezieht man die weiteren bereits er­ wähnten Kostenreduzierungen (s. Abschnitt 9.1.5.5.1) bei der Suche nach der optimalen Bauweise mit ein, wird die Segmentbau­ weise auch bei geringerer Wichtung der Fertigungsdauer ihre Wirtschaftlichkeit bei­ behalten können. Die Kennzeichnung als Fast-Track-Project lässt sich nunmehr auf Bauvorhaben erweitern, die neben einer ex­ trem kurzen Fertigungs-, Unterhalts- und Umnutzungszeit die Errichtung und Betrei­

bung anpassungsfähiger, unterhaltsfreund­ licher und dauerhafter Brückenbauwerke beinhalten. 9.1.5.7  Zusammenfassung Die Segmentbauweise mit externer Vorspan­ nung hat als Brückenbauverfahren in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die Gründe für diesen Trend liegen zum einen in den konstruktiven und baubetrieblichen Verbesserungen des Bau­ verfahrens, wie z. B. der Entwicklung der Fu­ gen- und Vorspanntechnik, dem Produkti­ onsprozess und zum anderen in der Realisie­ rung als Fast-Track-Project. Neben den Ein­ satzkriterien für Großprojekte wurden auch Einsatzkriterien aufgestellt, die es ermögli­ chen sollen, die Segmentbauweise in ihrem Anwendungsbereich auch für kleinere und mittlere Brückenlängen als eine wirtschaftli­ che und dauerhafte Bauweise einzusetzen.

878

9.1.6  Schrägkabelbrücken 9.1.6.1  Herstellung der Pylone Bei den Stahlbetonpylonen wird zwischen A-Pylon und H-Pylon unterschieden. Die vertikalen Bauteile der Pylone wer­ den mittels Kletterschalung etappenweise hergestellt. Die Kletterschalung wird nach dem Erhärten des Betons mit Hilfe eines Krans oder einer Kletterautomatik auf den unmittelbar folgenden Betonierabschnitt umgesetzt (Bild 9.1.6-1). Die ���������������� Kletterauto­ matik funktioniert nach dem Schreitwerk­ prinzip und besteht neben dem Selbstklet­ tergerüst aus einer Kletterstange oder einem Kletterrahmen. Das selbstständige Klettern erfolgt mittels hydraulischen Hubwerks, welches sich auf die Kletterschiene oder den Kletterrahmen abstützt und das Kletterge­

Bild 9.1.6‑1   Kletterschalung Pylonstiel [PERI GmbH]

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

rüst nachzieht. Voraussetzung für die Um­ setzbarkeit einer Kletterschalung ist der Ein­ bau von entsprechenden Vorlaufankern. Die Merkmale einer Kletterschalung sind: • Die Fertigung bzw. der Steigrhythmus erfolgt abschnittsweise. Die Kletter­ schritte bleiben meist gleich groß. Die Schalung besteht aus einzelnen, groß­ flächigen, modular zusammengebauten Elementen und umfasst jeweils einen���� Py­ lonstiel. Die Größe wird begrenzt durch die Tragkraft der vorhandenen Hebege­ räte. Öffnungen und Einbauteile lassen sich sauber einbauen. Schalungsumbau­ ten für sich verändernde Abmessungen und Wanddicken sind möglich. • Der Arbeitsrhythmus ist diskontinuier­ lich, aber zyklisch. Ein Zyklus besteht aus: – Klettergerüst mit Schalung in Etap­ pen umsetzen und verankern – Ausrichten der Innen- bzw. Außen­ schalelemente (die Außenseite bleibt für die Bewehrungsarbeiten meist offen) – Bewehrung einbauen – Außenschalelemente vorfahren, Scha­ lung schließen, ausrichten (Spindeln dienen zum Ausrichten der Schal­ elemente beim Einschalen und zum Abrücken beim Ausschalen), mit Scha­ lungsankern verspannen – Betonieren (von der oberen Arbeits­ bühne aus) – Nach dem Erreichen der Ausschalfes­ tigkeit werden Außen- und Innen­ schalung zurückgefahren – Klettergerüst mit Schalung in Etappe n + 1 umsetzen und verankern. Waagrechte Arbeitsfugen sind im Pylonbau unvermeidbar, da in Etappen betoniert wird, doch können diese bewusst ausgebil­ det und angeordnet werden. Der Rationali­ sierungseffekt des Kletterschalungsprinzips liegt weitgehend in der zeitlichen und ar­

9.1  Betonbrücken

beitskraftmässigen Übereinstimmung der durchzuführenden Einzelarbeiten, weshalb die Kletterbauweise in konsequentem Ar­ beitstakt erfolgt.

879

Außenschalung an der Pylonbeininnen­ seite unterhalb des Damms. Dann werden die beiden U-förmigen horizontalen Rah­ men verbunden (Bild 9.1.6-2). Anschlie­ ßend wird beim etappenweisen Weiterklet­ tern die Schalung sukzessive umgebaut, bis 9.1.6.1.1  A-Pylon die vertikale Außenlinie des Verankerungs­ stiels des Pylons erreicht ist. Für diesen Be­ Die beiden Beine des A-Pylons werden je reich ist meist eine Spezialinnenschalung mit einer selbst schreitenden Kletterscha­ erforderlich, um die Ankerauflager für die lung hergestellt. Das Schreiten von einer Kabel auszubilden. Zu diesem Zweck wird Etappe zur anderen kann mit Hilfe eines für den oberen Verankerungsstiel der Pylo­ Klettergerüsts oder mittels eines, im Inne­ ne eine neue Innenschalung eingehoben ren des Hohlquerschnitts angeordneten, (Bild 9.1.6-7). Es ist besonders wichtig, dass Schreitschnabels erfolgen (Bild 9.1.6-2). diese Schalung so ausgelegt wird, dass vor­ Hierbei muss beachtet werden, dass die A- gefertigte Aussparungselemente für die Pylonbeine bis zum Zusammenführen im Anker und die Ankertrompeten möglichst Dammbereich als Kragarme auf Biegung einfach eingesetzt und befestigt werden beansprucht werden (Bild 9.1.6-3). Daher können, da sich die horizontalen und verti­ muss die ideelle Herstellachse um die ne­ kalen Einstellwinkel der Aussparungsele­ gative Verformung aus Eigenlast sowie mente und Ankertrompeten von Einbau­ Schwinden und Kriechen des Betons stelle zu Einbaustelle verändern. Der Ein­ ­überlagert, d. h. überhöht werden. Je nach bau muss sehr präzise von der Innenscha­ Neigung der A-Pylonbeine ist eine tempo­ lungsseite her erfolgen. Diese umfangrei­ räre horizontale Zwischenaussteifung­ chen Arbeiten erfordern zusammen mit (Bild 9.1.6-4) erforderlich, um das Krag­ dem Einbau der Spaltzugbewehrung (meist armmoment und die Verformung klein zu ist auch eine Spaltzugvorspannung anzu­ halten (Bild 9.1.6-5). Bei der Herstellung bringen) erheblich Zeit, so dass sich der von A-Pylonen besteht die Schwierigkeit, Kletterprozess verlangsamt. die beiden Kletterschalungen der Pylon­ Der Herstellungsablauf eines A-Pylons beine im Dammbereich zu vereinen mit Verankerungsstiel (reine Stahlbeton­ (Bild 9.1.6-2) und anschließend den Veran­ konstruktion) ist in den Bildern 9.1.6-2 bis kerungsstiel herzustellen. Dies erfolgt meist 9.1.6-7 dargestellt. in der Weise, dass die auf der Innenseite Um der Verlangsamung des Kletterpro­ ­liegenden Außenschalungen nach dem Be­ zesses am Pylonstiel im Verankerungsbe­ tonieren der letzten Etappe der Pylonbeine reich der Kabel entgegenzuwirken, ver­ vor dem Schalen des „Dammbereichs“ ste­ wendet man häufig vorfabrizierte Stahl­ hen bleiben und nach der Verstärkung der bauelemente, d.h. einen Stahlbaukasten Verankerung als Auflager für die „Damm­ pro doppeltem Kabelpaar. In den Stahl­ schalung“ dienen. Die beiden restlichen baukastenelementen werden die Veranke­ Außenschalungen, bestehend aus je drei rungsplatten und Ankertrompeten bereits Seiten, werden im „Dammbereich“ zusam­ im Werk äußerst genau eingeschweißt, auf mengeführt (Bild 9.1.6-6). Dabei werden der Baustelle präzise eingehoben, abge­ bei den horizontalen Aussteifungsrahmen setzt und vor Ort miteinander verschweißt der Kletterschalung die jeweils gegenüber­ (Bild 9.1.6-8). Mit dieser Maßnahme kann liegenden verstellbaren Rahmenteile gelöst. die Bauzeit der meist zeitkritischen Pylon­ Diese verbleiben bei der stehenbleibenden herstellung reduziert und die Qualität des

880

Bild 9.1.6‑2   A-Pylon mit Verankerungsstiel

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

9.1  Betonbrücken

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Bild 9.1.6‑3   Phase 1: Betonieren der V-förmigen Pylonbeine

Verankerungsbereichs verbessert werden, da aufgrund der Einbauelemente der Anker und der dichten Bewehrungslagen in die­ sem Bereich das Einbringen von Beton sehr schwierig ist. Aus architektonischen Grün­ den wird dieser Stahlverankerungsstiel häu­ fig mit einer Ortbetonverkleidung umhüllt oder mit Fertigteilen (örtliche Fugen) ver­ kleidet (Bild 9.1.6-8). Der Zwischenraum wird für einen Treppensteg bzw. Aufzug ge­ nutzt. Unter der Fahrbahn (Streckträger) wer­ den bei A-Pylonen häufig Querbalken eingebaut, welche die Spreizkräfte der Py­ lonstiele weitgehend aufnehmen, um die Beanspruchung im Pylon und im Funda­

ment zu reduzieren. Dieser Querbalken dient meist auch als Startplattform für die Freivorbauwagen des Streckträgers (Bild 9.1.6-4). Die Herstellung erfolgt in der Weise, dass in den Pylonbeinen schwere Verankerungen für die temporären Stahl­ abstützkonsolen eingelassen werden. Dann werden die Abstützkonsolen eingehoben und montiert. Anschließend werden die Rüstträger bzw. Rüstfachwerkträger mit­ der Querbalkenschalung und dem Arbeits­

Bild 9.1.6‑4   Phase 2: Betonieren des Querbal­ kens

Bild 9.1.6‑5   Phase 3: Betonieren der A-förmi­ gen Pylonstiele

882

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.1.6‑6   Phase 4: Betonieren der Verbin­ dung der Pylonstiele (Dammbereich)

gerüst mittels Mobilkran eingehoben, auf den beidseitigen Konsolen aufgelagert und verankert. Auf der Rüstträgerkonstruktion zwischen den beiden Pylonbeinen werden anschließend die Seitenschalungen einge­ hoben, verlegt und gestellt (Bilder 9.1.6-4, 9.1.6-10 und 9.1.6-13). Nach dem Be­ wehren, Betonieren und Erhärten wird die Abstützkonstruktion hydraulisch abge­ senkt und Schalung sowie Gerüst aus­ gebaut. Dieser Querbalken des Pylons kann auch als Fertigteil mittels Schwimm­ kran oder Litzenhubgerät eingehoben ­werden. 9.1.6.1.2  H-Pylon Die Herstellung eines H-Pylons erfolgt wie beim A-Pylon mittels Kletterschalung (Bilder 9.1.6-9 bis 9.1.6-11). Der Herstel­ lungsablauf ist jedoch wesentlich einfacher, da keine aufwendigen Anpassungsarbeiten an der Schalung erforderlich sind. Auch die Herstellung des Verankerungsbereichs ist einfacher, da pro Pylonstiel nur zwei Kabel­ ebenen verankert werden. Der Einbau der Verankerungselemente erfolgt in der Au­

Bild 9.1.6‑7   Phase 5: Betonieren des Pylon­ kopfs (Verankerungsstiel) mit den Kabelveran­ kerungen

ßenschalung, analog zur A-Pylonherstel­ lung. Bei H-Pylonen sind Querbalken meist unter der Fahrbahn und im oberen Teil der Pylonstiele oder am Pylonkopf als Kopf­ querbalken erforderlich. Die Herstellung der Querbalken in Ortbeton erfolgt analog wie bei den A-Pylonen beschrieben (Bilder 9.1.6-10 bis 9.1.6-12). Die Querbalken kön­ nen auch als Fertigteile mittels Schwimm­ kran und/oder Litzenhubgerät eingehoben werden (Bild 9.1.6-13). Die Verbindung zu

9.1  Betonbrücken

883

Bild 9.1.6‑8   Stahlbauverankerungskörper eines Pylons mit Betonverkleidung

Bild 9.1.6‑9   Phase 1: Betonieren des Pylonunterteils mittels Kletterschalung

den Stielen erfolgt dabei mittels Ortbeton­ fuge. Nach dem Einbau des Querbalkens unter dem Streckträger kann der obere Fer­ tigteil- Querbalken oder Kopfquerbalken auf dem unteren Querbalken zwischengela­ gert werden (Bild 9.1.6-13). Nach erreichter Pylonstielhöhe wird der obere Querbalken mittels Litzenhubgerät gehoben. Dabei kann der Querbalken beidseitig an den tempo­ rären Montagekonsolen angehängt und

nach Erreichung der Montageposition in den vorbereiteten Verankerungen montiert werden. Der Anschluss des Fertigteil-Quer­ balkens an die Pylonstiele erfolgt mittels gekoppelten Spanngliedern von Arbeits­ gerüsten aus. Die Spannglieder werden aus Nischen von der Außenseite der Pylon­stiele eingeschoben und in den Ortbetonfugen zwischen Pylonstiel und Fertigteil ge­ koppelt. Dann werden die Fugen mit Ort­

884

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

9.1.6.2  Herstellung des Streckträgers im Ortbetonfreivorbau Die Herstellung des Streckträgers in Ort­ beton mittels Freivorbauwagen erfolgt in Längsrichtung von den Pylonen ausge­ hend, symmetrisch, abschnittsweise und alternierend in den folgenden Schritten (Bild 9.1.6-14): 1. Ausrichten des Freivorbauwagens 2. Aufziehen und Verankern der Spannka­ bel im Pylon 3. Betonieren 4. Absenken der Schalung und verankern der Spannkabel im Streckträger 5. Vorschieben des Freivorbauwagens

Bild 9.1.6‑10   Phase 2: Betonieren des Quer­ balkens

beton ausbetoniert und die Spannstäbe bzw. Litzenspannglieder von der Pylon­ außen­seite her vorgespannt. Bei der An­ wendung dieser Methode ist zwischen den beiden Pylonstielen keine temporäre Aus­ steifung möglich. Ferner muss vor dem Hochziehen des oberen Fertigteil-Quer­ balkens oder -Kopfquerbalkens die Hubein­ richtung an den Pylonstielen oder auf den Köpfen der Pylonstiele installiert werden (Bild 9.1.6-13). Weiterhin ist es im Bauzustand manch­ mal erforderlich, die beiden Pylonstiele temporär durch Hilfsaussteifungsriegel ge­ genseitig auszusteifen (Bild 9.1.6-11).

Der Freivorbauwagen besteht aus zwei ge­ genseitig verschiebbaren Einheiten, dem Vorschubträger und dem Freivorbauwagen. Diese Einheiten dienen als Schreit- bzw. Vorschubeinrichtung. Der Vorschubträger liegt auf den letzten erstellten Etappen des Streckträgers auf und wird mit diesem tem­ porär verankert. Die Hauptträger der Frei­ vorbauwagen liegen längs zum Streckträger. Man unterscheidet folgende Freivorbauwa­ gensysteme (Tabelle 9.1.6-1): • Oben liegende • Unten liegende Die Vor- und Nachteile der beiden Freivor­ bauwagensysteme sind in Tabelle 9.1.6-1 aufgeführt. 9.1.6.2.1  Freivorbauwagen mit oben liegenden Hauptträgern Der oben liegende Freivorbauwagen (Bild 9.1.6-15) besteht aus Längs- und Querfach­ werkscheiben, die den Schalungsrost tragen. Das Längssystem besteht aus mindestens zwei Fachwerkscheiben. Diese meist tra­ pezförmig angeordneten Längsfachwerk­ scheiben tragen meist im vorderen Bereich zwei Fachwerkquerträger. An diesen obe­

B)

Bild 9.1.6‑11   Phase 3: Herstellung des oberen Teils des H-Pylons [Storda Bru, 2002]. A) Herstellung der Stiele im oberen Bereich des H-Pylons mit tem­ porärer Queraussteifung. B)  Herstellung des Kopfquerbalkens in Ortbeton

A)

9.1  Betonbrücken 885

886 Unterer Querbalken

9  Herstellung und Ausführungsmethoden Kopfquerbalken

Bild 9.1.6‑12   H-Pylon – Herstellung des unteren und oberen Querbalkens in Ortbeton [Sam­ chonpo Bridge, 2002]

ren Fachwerkquerträgern sind die unteren Rüstquerträger abgehängt. Das Quersystem besteht somit aus den Fachwerkquerträ­ gern, die am Obergurt der Längsfachwerk­ scheiben angeordnet sind, und den beiden unteren Fachwerkrüstquerträgern, auf de­ nen der Schalungskasten aufliegt. Die unte­ ren Fachwerkrüstquerträger sind an den oberen Fachwerkquerträgern mittels Hän­ gestangen aufgehängt. Diese Hängestangen können mittels doppelgreifenden Hohlkol­ benpressen und damit der Schalungskasten auf- und abgesenkt werden. Die Fachwerke müssen gegen seitliches Kippen ausrei­ chend ausgesteift werden. Die Horizontalund Vertikalkräfte sowie das Kragarmmo­ ment des Freivorbauwagens müssen von dem vorher hergestellten Betonierabschnitt aufgenommen werden.

Der Vorschubträger unter den Fach­ werkslängsscheiben muss ausreichend zur Aufnahme der Zug- und Reibungskräfte während des Verschiebevorgangs des Frei­ vorbauwagens in der Platte verankert wer­ den. Der Vorbauwagen ist im hinteren Be­ reich mittels einer Klauenkonstruktion an den Vorschubträger gesichert. Diese Klau­ enkonstruktion dient zur Sicherung wäh­ rend des Vorschubs gegen Kippen. Im vor­ deren Bereich der Längsfachwerkscheiben ist eine Panzerrolleneinrichtung zum Ver­ schieben angeordnet. Der������������� Verschubvor­ gang erfolgt meist mittels Zugstangen und Hohlkolbenpressen. In diesem Bewegungs­ zustand muss der Vorbauwagen mittels Seilen oder Zugstangen gegen unkontrol­ lierte Bewegungen insbesondere im Gefälle gesichert werden. Während des Betonierzu­

B)

Bild 9.1.6‑13   Montage der vorgefertigten Querbalken mittels Schwimmkran bzw. Litzenhubgerät [Second Seven Crossing Bridge, 1995]. A) Einheben des Fertigteil-Querbalkens mittels Schwimmkran (links). Obere Querbalken wird mittels Litzenhubgerät (mittleres Bild) in Position gehoben, eingebaut und verspannt (rechts). B) Oberer Fertigteil-Querbalken auf bereits eingebauten unteren Fertigteil-Querbalken abgesetzt

A)

9.1  Betonbrücken 887

888

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

stands wird der Vorbauwagen mittels Zug­ stangen unterhalb der Fahrbahnplatte ne­ ben den Längsträgern mit lastverteilenden Traversen verankert. Die meisten Vorbau­ wagen werden mit Gegengewicht zum Schalungskasten im hinteren Bereich ausge­ rüstet. Damit ist eine Rückverankerung in der Platte nur für das Betoniergewicht er­ forderlich. 9.1.6.2.2  Freivorbauwagen mit unten liegenden Hauptträgern

Bild 9.1.6‑14   Herstellungsablauf des Streck­ trägers

Der unten liegende Freivorbauwagen (Bild 9.1.6-16) besteht aus Längsträgern bzw. Fachwerkscheiben, die den Schalungskasten tragen, und Querfachwerkträgern. Die Last­ abtragung des unten liegenden Freivorbau­ wagens an den Streckträger erfolgt über das hintere Rollwerk bzw. Druckplatte und andererseits durch die beiden seitlichen Hängekonstruktionen. Das Kippmoment

Tabelle 9.1.6-1   Freivorbausysteme bei Schrägkabelbrücken – Vor- und Nachteile Freivorbauwagen mit oben liegenden Hauptträgern

Freivorbauwagen mit unten liegenden Hauptträgern

Vorteile

– Vorschubelemente sind in Sicht­ kontakt, damit höhere Sicherheit

– Einfache Lager- und Verschubkon­ struktion, daher meist einfacher handhabbar (KIS) – Meist geringeres Gewicht durch einfache Konstruktion – Kabelverankerung kann im vorderen Bereich des Elements angebracht werden – Keine Behinderung durch Abhänge­ querträger – Freivorbau einfacher in der Kons­ truktion

Nachteile

– Verankerungskonstruktion und Verschubkonstruktion konstruktiv aufwendig – Meist höheres Gewicht – Schrägkabel und Abhängeträger können sich behindern – Verankerung muss sich daher oft am hinteren Teil des Segments befinden

– Vorschubelemente sind oben und unten nicht gleichzeitig einsehbar, daher geringere Sicherheit

9.1  Betonbrücken

889

Bild 9.1.6‑15   Freivorbauwagen: oben liegende Längsträger – Interaktion Kabel – Längsträger

des Kragarms muss mittels Kräftepaar durch den vorher hergestellten Brückenabschnitt aufgenommen werden, d. h. Druckkraftab­ gabe am hinteren��������������������������� Auflager������������������ an der Streckträ­ gerunterseite und Zugkraftannahme über die Aufhängung des Freivorbauwagens mit­ tels U-förmigem Querfachwerkträger und klauenförmiger Auflagerkonstruktion am vorderen Auflager. Die Längsträger bzw. Längsfachwerkscheiben des Vorbauwagens tragen den Trägerrost des Schalungskastens. Diese Längsträger sind im mittleren Bereich mit einem integrierten Querfachwerkträger, der U-förmig ausgebildet ist, verbunden. Mittels dieser U-förmigen Querträgerkons­ truktion wird der unten liegende Freivor­ bauwagen an den Längsvorschubträger des vorherigen Bauabschnitts abgehängt. Die

Vorschubträger werden im Randbereich des Streckträgers, zwischen der Kabelebene und der Außen­kante der Betonkonstruktion an­ geordnet. Für das Verschieben des Freivor­ bauwagens muss ausreichend Arbeitsraum zur Kabel­ebene vorhanden sein. Im hinteren Bereich des Freivorbauwagens wird unter­ halb des Streckträgers ein integrierter Quer­ träger angeordnet. Zum Absenken und prä­ zisen Ausrichten des Freivorbauwagens sind entsprechende Pressen zwischen der Aufla­ gerkonstruktion des U-förmigen Querfach­ werkträgers und den Vorschubträgern anzu­ ordnen. Während des Betoniervorgangs müssen die Pressen auf einer Schraubspindel abgesetzt werden. Ferner sind am hin­teren unteren Querträger Panzerrollen für den Ver­ schiebevorgang vorgesehen. Während des

890

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.1.6‑16   Freivorbauwagen: unten liegende Längsträger – Interaktion Kabel – Längsträger

Betonierens wird der Kontakt zum vorheri­ gen Brückenabschnitt mittels Pressen und Druckkraftspindeln an den hin­teren Lagern des unten liegenden Freivorbauwagens sichergestellt. Während des Betoniervor­ gangs sind entsprechende Sicherungen gegen unbeabsichtigtes Verschieben des Freivorbauwagens zu treffen. Der Verschub erfolgt meist mittels Zugstangen und Hohl­ kolbenpressen. In den Bildern 9.1.6-16 bis 9.1.6-18 wird die Anwendung dieses Kon­ zepts in der Praxis dargestellt. 9.1.6.2.3  Entwurfsgrundsätze für Freivorbaugerüste Folgende Vorgehensweise empfiehlt sich beim Entwurf eines Freivorbaugerüsts für Schrägkabelbrücken:

1. Betonierabschnitte bzw. Freivorbaulän­ gen aus Kabelabstand in Längsrichtung festlegen (möglichst äquidistant!). 2. Anordnung von Vorschubträgern und Freivorbauhaupt- und Querträgern, so dass die Verschiebbarkeit des Freivor­ baugerüsts in den nächsten Abschnitt nach dem Spannen der Schrägkabel ohne deren Behinderung gewährleistet ist. 3. Entwurfschema zur Anordnung des Schalungsrosts: Der Abstand des Scha­ lungsrosts beträgt ca. 30–40 cm und ergibt sich aus der relativen Durchbie­ gungsbegrenzung der Schaltafeln. Dieser Rost muss meist auf einen Unterstützrost aus Stahlträgern aufgelegt werden, da die Spannweite des Rosts aufgrund der zulässigen Durchbiegung (vorgegebene Toleranzen) bestimmt wird. Die Richtung des orthogonalen Rosts ergibt sich aus

9.1  Betonbrücken

891

Bild 9.1.6‑17   Sunnibergbrücke, CH (oben) [Batigroup, 1996-1998] Vasco da Gama Bridge, (un­ ten) [Bento Pedrodo Constr., 1995-1998]

der Länge des Be­tonierabschnitts bzw. aus dem Abstand der Hauptträger des Gerüstwagens (kürzeste statische Längen, keine Kräfte „spazieren führen“). 4. Kontrolle aller Lastfälle im Bauzustand.

Die übergeordneten Kriterien beim Ent­ wurf sind die einfache Handhabung des

Freivorbauwagens beim Vorfahren, mög­ lichst einfache Vorschubschritte ohne Ge­ fahr von Verankerungsfehlern, möglichst ein statisches System ohne wechselnde Gliederung, sowie eine leichte Konstrukti­ on aus Kostengründen. Bei der Konzeption der Arbeitsabschnit­ te versucht man meistens, einen Wochen­

892

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.1.6‑18   Schalung abgesenkt und vorgeschoben zur Neuausrichtung

takt sicherzustellen. Der Wochentakt der Streckträgerherstellung der Sunnibergbrü­ cke (CH) ist in Bild 9.1.6-19 dargestellt. 9.1.6.3  Kabelmontage Die vorgefertigten Schrägkabel werden meist auf�������������������������������� Bobinen������������������������ gewickelt und abrollbe­ reit auf die Baustelle geliefert. Vom Zwi­ schenlagerplatz werden sie zum Einbauort transportiert und dort in das Abziehgerät eingesetzt. Die Temperatur des Kabels soll beim Abrollvorgang mindestens 10 °C ­betragen. Beim Montieren von�������� PE-ver­ rohrten Kabeln sind zwei Grundsätze zu beachten: • Bei Ablenkstellen sind während der Montage der Kabel die Kabel mittels Sat­ telelementen zu führen, um Knicke und sonstige Schäden des PE-Rohrs zu ver­ meiden.

• Axialkräfte können beliebig am Ka­ belende über Gewinde und Stirnflächen der Ankerhülsen aufgebracht werden, jedoch nur beschränkt am PE-Hüllrohr der freien Kabellänge. Je nach Bauvorgang werden die Sattelele­ mente am Pylon vorgängig montiert oder gemeinsam mit dem aufliegenden Kabel zum Pylon gehoben (Bild 9.1.6-21). Die un­ teren Sattelelemente werden in der Regel vor dem Kabel­einbau auf dem Brückenträ­ ger platziert (Bild 9.1.6-24). Folgende Vor­ bereitungsarbeiten sind zur Installation der Kabel erforderlich: • Installation der Arbeitsplattform an der Außenseite des Pylons auf der Höhe der relevanten Trompete. • Installation der Arbeitsplattform bei­ der unteren Verankerung und außerhalb der Betonplatte, unterhalb des Streck­ trägers, am oberen Ende der Trom­pete.

(Total 36.5 m3)

Bild 9.1.6‑19   Wochenarbeitstakt Sunnibergbrücke (CH)

Abrollen Schrägseile ab Bobine Vorbereiten Schrägseile für Montage Montage Schrägseile Schrägseile spannen (4−6 Spannstufen mit V0 ca. 2200 kn)

Spannpressen montieren

Armieren fallender (steigender) Vorbauast Armieren steigender (fallender) Vorbauast

Versetzen Trompetenrohr fallender (steigender) Vorbauast Versetzen Trompetenrohr steigender (fallender) Vorbauast

Vorschubträger für nächste Etappe positionieren Freivorbauwagen vorfahren

Stirnschalung entfernen Schalen

Betonieren Träger Betonieren Platte

Donnerstag

Freitag

Samstag Sonntag

Abbinden, Aushärten Beton

Arbeitsschritte

Montag

Dienstag

Mittwoch

9.1  Betonbrücken 893

894

• Installation der Winde auf der Brücken­ platte und dem Zuggerät bei der Anker­ platte. • Vorbereitung der Sicherungsmuttern bei der oberen und unteren Verankerung. Folgende Montagegeräte sind erforderlich: • Arbeitsplattformen: Plattform an der Außenseite des Pylons zum Einführen der Kabel in die Trompete und auf der gegenüberliegenden Seite zum Einzie­ hen und Abstützen des Ankerkopfs. Plattform bei der unteren Verankerung für die Spannarbeiten unterhalb des Streckträgers (Fahrbahn). • Hebezeuge: Mobilkran zum Abladen der Kabelbobinen und Einsetzen derselben ins Abziehgerät (Kapazität: max. Trans­ portgewicht der Kabel inkl. Bobine). Turmdrehkran, evtl. Winde zum Ein­ hängen der Kabel im Pylon. Mobiles ­Hebegerät auf der Brückenfahrbahn zum Umsetzen von Spanngeräten, Einlaufsät­ tel etc. und zum Anheben der Kabel beim Einführen in die untere Trompete. Leich­ tes Hebegerät bei der Verankerung im Pylon zum Umsetzen der Einziehgeräte. Seilwinden mit Umlenkrollen: Seilwinde zum Vorziehen des Kabels bis zum Ein­ tritt in die untere Trompete.

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

9.1.6.3.1  Einhängen kurzer Kabel im Pylonbereich Kurze Kabel in���������������������������� Pylonnähe������������������ können in der Re­ gel mit dem Turmdrehkran direkt einge­ hängt werden. Das freihängende Kabel wird zuerst in die untere Trompete eingeführt, evtl. provisorisch fixiert (Bild 9.1.6-20) und anschließend zur Trompete im Pylon ge­ schwenkt. Danach wird der obere Ankerkopf durch die Trompete eingezogen und gegen die Ankerplatte gesichert (Bild 9.1.6-21). 9.1.6.3.2  Einhängen langer Kabel Sobald Höhe, Arbeitsradius und Lastbereich des Krans für die direkte Montage nicht mehr ausreichen, wird der Montagevorgang umgestellt (Bild 9.1.6-22). Das obere Ka­ belende wird mit dem Kran zum Pylon ge­ hoben, durch die Trompete eingezogen und mit Muttern oder Stützplatten verankert. Beim Freivorbau ist es oft günstig, mehrere Kabel (max. alle Kabel der nächsten Etappe) im Pylon vorgängig zu montieren. Das Ein­ ziehen der Kabel in den Pylon kann aber auch wie in Bild 9.1.6-23 dargestellt mit ­Kabelwinden, die am Pylonkopf ange­ordnet sind, erfolgen. Die Kabel werden über den

Bild 9.1.6‑20   Einhängen kurzer Kabel im Pylonbereich

9.1  Betonbrücken

895

Bild 9.1.6‑21   Detail Pylonkopf – Verankerung

Bild 9.1.6‑22   Einhängen langer Kabel

Einlaufsattel in die Trompete des Streckträ­ gers eingezogen und soweit angespannt, bis die Ankerhülse gegen die Ankerplatte ge­ sichert werden kann (Bild 9.1.6-24). Die Geräte wie Pneukran, Winde und hydrauli­ sche Pressen werden den notwendigen Ziehkräften angepasst.

Bild 9.1.6‑23   Verankerung im Pylon – Einzie­ hen der Schrägkabel

896

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.1.6‑24   Installation des Kabels am Streckträger – Untere Verankerung

Bild 9.1.6‑25   Pasco Kennewick Bridge, Columbia River, USA [Leonhardt et al., 1980]

9.1  Betonbrücken

Bild 9.1.6‑26   Ohio River Bridge USA, Portsmouth 1984

Bild 9.1.6‑28   Xiang Jia Tang Bridge, China

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9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.1.6‑27   New Ohio Bridge, USA, Portsmouth (Alternativentwurf)

9.1  Betonbrücken

Bild 9.1.6‑29   Houston Ship Channel Crossing

899

900

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

9.1.6.3.3  Spannvorgang

9.2  Stahlbrücken

Nach Beendigung der Montage werden­ die Kabel nach Anweisung gespannt. Beim Außengewinde von Anker und Spann­ spindel ist ein kontinuierliches Anspannen der Kabel möglich und, falls nötig, auch­ ein Nachlassen der Kraft. Die spannbare Verankerung kann je nach Zugänglichkeit am oberen oder unteren Kabelende ­an­geordnet werden. Bei großen Brücken ist dies meist unterhalb des Brücken­ trägers.

Günter Ramberger und Francesco Aigner

9.1.6.4  Kennwerte von typischen Schräg­ kabelbrücken für Vorkalkulationszwecke Zur Vordimensionierung von Schrägka­ belbrücken wird auf [Girmscheid, 1987-1] verwiesen. Die überschlägige Kostener­ mittlung sowie die Kontrolle der Kalkula­ tion kann anhand der Quadratmeterpreise oder etwas genauer anhand der ermittelten Einheitsmassen abgeschätzt und kontrol­ liert werden. In den Bildern 9.1.6-25 bis -29 sind für verschiedene Brückentypen solche Werte zusammengestellt. Die ange­ gebenen Werte beziehen sich auf die Ein­ heit Quadratmeter Brückenfläche (Fahr­ bahn) bzw. Kubikmeter (Pylon, Streckträ­ ger). Der Berechnung liegt die Lasteinwir­ kung nach ­AASTHO [Standard����������� Specifica­ tions, 1996] zugrunde.

9.2.1  Werkstattfertigung Die Einteilung des Querschnitts in Sekti­ onen (siehe Bild 4.2.2-20) und die Eintei­ lung des Balkens in Felder bestimmt die Abmessungen der in der Werkstatt gefer­ tigten Einheiten (Bild 9.2.1-1). Ihre Größe und ihr Gewicht ist auf die Fertigungsmöglichkeiten der Werkstatt, auf Transportweg und Transportmittel und auf die Art und Tragfähigkeit der eingesetzten Hebezeuge bei der Montage abzustimmen. Da Stahlbau immer Fertigteilbau ist, ist be­ reits vom Beginn der Planung an die Werk­ stattfertigung und die Montage in die Über­ legungen einzubeziehen, um kostengünsti­ ge Brückentragwerke herstellen zu können. Stahlbrücken sind überwiegend Blech­ konstruktionen. Da heute auch die Festig­ keits- und Zähigkeitseigenschaften dicker Bleche bei tiefen Betriebstemperaturen hin­ reichend gut sind, kommen immer mehr auch dicke Bleche zum Einsatz. Als Füge­ technik in der Werkstatt wird fast ausschließ­ lich das Lichtbogen-Schmelzschweißen in Form von Metall-Aktivgas (MAG)Schweißen und Unterpulver (UP-)Schwei­ ßen verwendet. Die E-Handschweißung mit umhüllten Elektroden wird von den ge­ nannten Verfahren wegen deren höherer Abschmelzleistung zurückgedrängt.

Bild 9.2.1-1   Einteilung einer Brücke in Montagefelder, Rheinbrücke Düsseldorf-Oberkassel [Beyer et al., 1977]

9.2  Stahlbrücken

Die überwiegenden Elemente für den Stahlbrückenbau sind längs- und quer aus­ gesteifte Bleche (orthotrope Platten und Scheiben). Die Bleche werden meist auf CNC-gesteuerten Kreuzwagen-Brenn­ schnei­de­maschinen auf Maß geschnitten. Diese Maschinen können auch mit Ankörnund Anreißvorrichtung ausgestattet sein, die auch die Risse für Schweißnähte und die Lochmitten für Bohrungen an den Blechen anzeichnen. Schweißnahtvorbereitungen an den Kanten für V-, X-, K- und Steilflan­ kennähte werden meist beim Ausschneiden der Bleche durch Schiefstellung der Brenner oder durch Schneiden mit mehreren Bren­ nern in einem Arbeitsgang angefertigt. Warmgewalzte Profile für Längssteifen (Flachstähle, Wulstflachstähle, halbierte I-Profile) werden entweder auf genaues Maß zugeschnitten bestellt (Aufpreis) oder auf der Säge, auch im Paket, geschnitten. Kaltprofile für dreiecks- oder trapezförmige Steifen werden entweder als kaltgewalzte Profile gekauft oder durch Abkanten herge­ stellt. Da die Abkantbänke der meisten Werkstätten kürzer als die Feldlängen der Lieferteile sind, werden die abgekanteten Profile vorab zu längeren Einheiten stumpf zusammengeschweißt. Kaltgewalzte Profile haben auch weitaus geringere Abmessungs­ toleranzen als abgekantete Profile. Offene Steifen werden zunächst mit dem Blech mit Heftnähten (20–30 mm lang, ca. 400– 800 mm Abstand) verbunden. Geschlosse­ ne Profile können direkt auf das Blech ge­ stellt werden und in größeren Abständen geheftet werden. Für die Einhaltung der Passgenauigkeit und damit für die Verein­ fachung der Fertigung ist wichtig, dass die Längssteifen an den Kreuzungsstellen mit den Quersteifen genau auf Sollmaß sitzen und dort geheftet sind. Kleinere Abweichun­ gen zwischen den Quersteifen sind ohne Bedeutung. Die Verbindung der Längsstei­ fen mit dem Blech erfolgt mit Kehlnähten. Dazu eignen sich vorwiegend UnterpulverSchweißautomaten mit zwei oder mehreren

901

Schweißköpfen, die in Längsrichtung über das Blech fahren. Die Heftnähte werden dabei überschweißt. Durch den tiefen Ein­ brand der UP-Schweißung wird auch der Spalt bei Trapezblechen aus der Schiefe der Trapezstege zugeschweißt und eine biege­ steife Verbindung mit den Blechen erreicht (siehe auch Bild 4.2.2-4). Für orthotrope Scheiben (Steg- und Bo­ denbleche) können die Quersteifen auch an der den Längssteifen gegenüberliegenden Blechseite angeordnet werden. Dadurch werden Durchdringungen vermieden und die Werkstattfertigung vereinfacht (Bild 9.2.1-2, 9.2.1-3). Für orthotrope Fahrbahnplatten und für orthotrope Scheiben von Steg- und Boden­ blechen mit glatten Außenseiten liegen die Querträger bzw. Steifen auf der Seite der Längsträger bzw. Steifen. Dazu werden die Stege der meist T-förmigen Querträger so ausgeschnitten, dass sie auf die Längsträger aufgekämmt und dabei Höhentoleranzen der Längsträger ausgeglichen werden können. Die Querträgerstege werden mit den Quer­ gurten vorher mit Kehlnähten verschweißt. Die Verbindung der Querträgerstege mit dem Blech und den Längssteifen erfolgt meist mit MAG-geschweißten Kehlnähten. Jede Kehlnaht erzeugt einen Schrumpf des Blechs um 0,1 bis 0,3 mm, abhängig von der Dicke a der Naht und dem gewählten Schweißverfahren. Da alle orthotropen Fahrbahnplatten viele Kehlnähte aufwei­ sen, sollte diese Tatsache durch eine nach der Erfahrung gewählte Breitenzugabe be­ rücksichtigt werden. Querstöße von Blechen werden übli­ cherweise vor dem Zuschnitt der Gesamtbleche gefertigt. Für die Verbindung von Steg- mit Deck­ blechgurt und Bodenblech werden Kehl­ nähte verwendet. Meist genügt es, auch die Querträger mit Kehlnähten an die Stege anzuschließen. Bei hoher Beanspruchung in den Gurten und bei hohen Anforderun­ gen an die Ermüdungsfestigkeit sind für

Bild 9.2.1-2   Querschnitt mit außenliegenden Steglängssteifen und innenliegenden Stegquersteifen, Nordsteg über die Donau in Wien [VA TECH VOEST MCE]

902 9  Herstellung und Ausführungsmethoden

9.2  Stahlbrücken

903

Bild 9.2.1-3   Träger mit außenliegenden Steglängssteifen, Nordsteg über die Donau in Wien

Bild 9.2.1-4   Gurtlamellenab­ stufung [Thiele/Lohse, 1997]

den Anschluss durchgeschweißte Nähte (K-Nähte) erforderlich (siehe Bild 4.2.2-1). Während früher die Anpassung der Dicken der Untergurte an die Momentenlinie durch Zulagelamellen erfolgte, wird heute diese Anpassung durch die Wahl der Lamellendi­ cke selbst durchgeführt (Bild 9.2.1-4). Bleche mit einem Kohlenstoffäquivalent CEV ≥ 0,4 und Dicken ≥ 30 mm sollten vor dem Schweißen vorgewärmt werden, damit bei dicken Blechen die durch das Abfließen der Wärme auftretende hohe Abkühlge­ schwindigkeit und damit die Martensit- und Bainit­bildung verringert wird, wodurch

Sprödbrüche im Nahtbereich vermieden werden. Thermomechanisch gewalzte Stäh­ le mit einem aus­nehmend geringen CEV können auch bei großen Dicken ohne Vor­ wärmen verschweißt werden. Besondere Beachtung ist jenen ge­ schweißten Stellen beizumessen, bei denen in Dickenrichtung des Blechs entweder aus äußeren Einwirkungen, aber auch aus der Belastung des Schweißschrumpfs Zugspan­ nungen auftreten. Durch die Einlagerung von Mangansulfiden und -oxiden, die beim Walzen in Walzrichtung entstehen, kann es bei einem Schweißvorgang mit Zugspan­

904

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.2.1-5   Werkstattfertigung mit Rhönrad [Gerhards et al., 1982]

nungen in Dickenrichtung zum Aufschmel­ zen der Mangansulfide und -oxide und zu Terrassenbrüchen kommen. Abhilfe schafft hier die Verwendung von Blechen, deren Eigenschaften bei Beanspruchung in Di­ ckenrichtung garantiert werden, wie Bleche Z15, Z25, Z35. Anleitung, welche Blech­ qualität verwendet werden sollte, gibt die [ÖNORM EN 1993-1-10]. Schweißnähte werden bevorzugt in der Wannen- oder in der Horizontalposition her­gestellt. Die Lagerung des zu ferti­

genden Teils in einer Drehvorrichtung (­ Rhönrad) kann dies wesentlich erleich­ tern (Bild 9.2.1-5). 9.2.2  Montage vorgefertigter Einheiten Stahltragwerke haben gegenüber Ortbetonund Verbundtragwerken den entscheiden­ den Vorteil, dass alle ihre Teile nach der Werkstattfertigung voll tragfähig sind. Des­ halb werden heute Stahltragwerke nie auf

Bild 9.2.2-1   Transport einer gesamten Brücke, Eisenbahnbrücke Sandträger-Weg, Düsseldorf

9.2  Stahlbrücken

vollständigen Lehrgerüsten hergestellt, da diese Methode unwirtschaftlich ist. Bei kleineren Brückentragwerken ist es manchmal möglich, das gesamte Tragwerk in der Werkstatt herzustellen, zur Baustelle zu transportieren und dort mit Hilfe von Hebezeugen (meist Mobilkränen) auf die Unterbauten zu legen (Bilder 9.2.2-1 bis 9.2.2-4).

905

Ist das Tragwerk zu breit, kann eine Längsteilung des Brückenbalkens in zwei oder mehrere Hauptträger die Montage ver­ einfachen. Die Stöße zwischen den Haupt­ trägern werden dann auf der Baustelle ge­ schlossen. Auf diese Weise können auch zwischen den Hauptträgern liegende bzw. an die Hauptträger anschließende Platten­ elemente feldweise angeschlossen werden.

Bild 9.2.2-2   Einheben einer gesamten Brücke mit zwei Autokränen, Eisenbahnbrücke SandträgerWeg, Düsseldorf

Bild 9.2.2-3   Einheben mit Autokran, Eisenbahnbrücke Sandträger-Weg, Düsseldorf

906

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.2.2-4   Einheben einer Fachwerkbrücke mit Schwimmkränen, Donaubrücke Krems

Bei Durchlaufträgern können die Haupt­ träger über die jeweils einzelnen Stützwei­ ten verlegt und anschließend geschlossen werden. Dabei ist in der Berechnung zu be­ achten, dass die Hauptträgerfelder für die Belastung aus Eigenlast der Konstruktion als Einfeldträgerketten, nach dem Schlie­ ßen jedoch als Durchlaufträger wirken (Bil­ der 9.2.2-5 und 9.2.2-6).

Ist der Transport von Trägern in der Länge einer Stützweite nicht möglich, kön­ nen auch die Felder einer Stützweite zu einem Vormontageplatz in der Nähe der Baustelle transportiert werden, dort abge­ legt, zusammengebaut und in diesem Zu­ stand mit Hebezeugen eingesetzt werden. Eine Sonderstellung nehmen hier Bo­ gentragwerke ein. Da Bogentragwerke erst

Bild 9.2.2-5   Einheben des Seitenfelds einer Mittelträger-Eisenbahnbrücke mit vier Schwimm­ kränen, Süderelbebrücke Hamburg, 3. Überbau

9.2  Stahlbrücken

907

Bild 9.2.2-6   Einheben des Mittelfelds einer Mittelträger-Eisenbahnbrücke mit vier Schwimmkrä­ nen, Süderelbebrücke Hamburg, 3. Überbau

Bild 9.2.2-7   Einschwimmen bzw. -schieben eines Langer’schen Balkens, Mittellandkanalbrücke Brahmsche

im geschlossenen Zustand voll tragfähig sind, wird immer angestrebt, das Tragwerk komplett auf einzelnen Unterstützungen zusammenzubauen und als eine Einheit einzulegen. Dies kann nicht nur durch Ein­ heben mit Kränen, sondern auch durch Einschwimmen und Einschieben auf Wa­ gen und/oder Schiff erfolgen (Bilder 9.2.2-7 und 9.2.2-8). In seltenen Fällen ist es auch möglich, das Tragwerk auf dem Untergrund her­ zustellen und erst nachfolgend den Un­ tergrund unter dem Tragwerk abzutragen. Ist das zu überbrückende Hindernis nicht allzu tief oder wird durch Hilfsstützen die Benutzung der Flächen unter der Brü­

cke nicht gestört, so können auch Hilfsstüt­ zen gestellt werden und die in der Werkstatt hergestellten Felder auf den Stützen gela­ gert und an Ort und Stelle zum Tragwerk zusammengefügt werden. Für alle Montagen mit vorgefertigten Einheiten ist die Einhaltung der geometri­ schen Form sowohl für die Ästhetik als auch bei statisch unbestimmten Systemen für die Beanspruchung von entscheidender Bedeutung. Für die Werkstattfertigung und für die Montage ist nicht die geometrische Sollform des Bauwerks im Endzustand ein­ zuhalten, sondern die sich für den span­ nungslosen Zustand ergebende, aus der Sollform abgeleitete Werkstattform.

908

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.2.2-8   Montage eines Langer‘schen Balkens, Donaubrücke Schwabelweis [Carl et al., 1982]

9.2  Stahlbrücken

Die richtige Form eines Felds wird durch die richtige Form der formgebenden ­Elemente, das sind die Stegbleche, erreicht. Zur Erzielung der richtigen Form und der richtigen Länge des aus Feldern zusam­ mengesetzten Trägers müssen die Felder, zumindest deren formgebende Elemente (Hauptträger), in der richtigen Form zu­ sammengelegt werden. Um Längenfehler (z. B. aus Schweißschrumpf) ausgleichen zu können, wird üblicherweise ein Ende auf Maß abgelängt, das andere Ende mit planmäßiger Überlänge (30 bis 50 mm) ge­ fertigt. Zwei aufeinanderfolgende Haupt­ träger werden entweder in der Werk­statt oder auf einem Vormontageplatz oder bei Auflagerung auf Hilfsstützen direkt bei der Montage so zusammengelegt und hö­ henmäßig eingerichtet, dass die Sehnen­ stiche h1 und h2 den Stichen der Werkstatt­ form entsprechen. Dann wird das Istmaß list vom ersten zum letzten Querträger genommen und mit dem Sollmaß lsoll ver­ glichen. Die Differenz ∆ = list – lsoll ist je­ nes Maß, mit dem vom abgelängten Ende aus das andere Ende mit Überlänge an­ gerissen und abgeschnitten wird. Damit wird sichergestellt, dass sowohl Stichmaße zwischen aufeinander­folgenden Schüssen als auch die Längenmaße stimmen (Bild 9.2.2-9).

Bild 9.2.2-9   Herstellung der Werkstattform

909

Noch besser ist es natürlich, wenn die­ ses Verfahren nicht nur auf jeweils zwei, sondern auf mehrere hintereinander lie­ gende Felder angewendet wird. Die Maße der zusammengelegten Felder sind durch Passmarken oder Passlaschen zu sichern. Die Verbindung der einzelnen Felder erfolgt entweder durch Schweißung oder durch GV-Verschraubung. Schweißen wird vor allem im Bereich der Fahrbahnplatten angewendet, da Laschen und Schrauben­ köpfe die Dicke des Fahrbahnbelags ver­ mindern und sich in den Belag durchdrü­ cken. Schraubenverbindungen haben den Vorteil, dass sie meist schon bei teilweiser Verschraubung für die Montage ausreichen­ de Tragfähigkeit aufweisen und dass Ferti­ gungsungenauigkeiten leichter ausgeglichen werden können. Bei GV-Schraubenverbin­ dungen kann auch durch die Verwendung von reibfesten Anstrichen in den Berüh­ rungsflächen der gesamte Korrosionsschutz in der Werkstatt aufgebracht werden. Das Verbinden der Teile durch Schwei­ ßung an der Baustelle erfordert höhere Anforderungen an die Schweißer als das Schweißen in der Werkstatt, da die Teile in der jeweiligen Zwangsposition (auch stei­ gend und über Kopf) verbunden werden müssen. Schweißen stellt auch gegenüber einer Laschenverbindung die homogenere Verbindung der Teile ohne Kräfteumlei­ tung dar. In Ausnahmefällen können auch Schweißnähte blecheben geschliffen wer­ den, so dass sie unter dem Korrosionsschutz unsichtbar bleiben. Um die durchgehenden Deck-, Steg- und Bodenbleche beidseitig oder einseitig auf Badsicherung verschwei­ ßen zu können, werden meistens die Steifen im Bereich der Schweißnaht zunächst auf einige 100 mm Länge im Nahtbereich weg­ gelassen. Um die Bleche vor allem in den Ecken gut anpassen zu können, werden auch die Längsnähte einige 100 mm vor dem Stoß nicht geschweißt. Die erforderlichen Schweißnahtvorbereitungen sind bereits beim Schneiden der Bleche angearbeitet.

910

Badsicherungen auch durch Stahlplättchen werden meist erst bei der Montage ange­ bracht, da sie beim Transport abgeschlagen werden können. Die zu verbindenden Teile werden zunächst mit Knaggen gesichert, geheftet und schließlich verschweißt und die Knaggen entfernt. Anschließend werden die vorher nicht verschweißten Kehlnahtenden nachgeschweißt. Die Stöße der Längssteifen werden durch eingeschweißte Passstücke, die meist auf der Baustelle nach Naturmaß abgelängt werden, geschlossen. Bei Hohl­ steifen werden die Stumpfnähte der Passstü­ cke entweder auf eingelegten Unterlagsplätt­ chen oder auf eingesetzten Querschotten als Badsicherung verschweißt. Da beim Schwei­ ßen der Korrosionsschutz zerstört wird, muss in den von den Schweißnähten beein­ flussten Bereichen der Korrosionsschutz vom Grund auf nachgearbeitet werden. 9.2.3  Freivorbau Freivorbau wird jenes längsorientierte Montageverfahren genannt, bei dem nach dem Aufstellen des ersten, sogenannten Standfelds, die weiteren Felder am Ort der endgültigen Lage über weitere Strecken, eventuell unter Einbeziehung weniger Hilfs­ stützen nacheinander angeschlossen wer­ den. Das Hebezeug kann dabei unter der Brücke oder (meist) auf der Brücke fahren. Das Vorfahren der einzelnen Teile eines Felds erfolgt dabei im Allgemeinen über den bereits montierten Brückenbalken. Das Anschließen der Teile eines Felds erfolgt im Hebezeug freihängend. Zunächst werden die längsorientierten Hauptträger vorge­ hängt und biege- und schubfest an das vor­ hergehende, bereits montierte Feld ange­ schlossen. An die Hauptträger werden die dazwischenliegenden und auskragenden Teile meist längsorientiert, manchmal auch querorientiert angeschlossen. Nach Mon­ tage eines Felds werden bei auf dem Brü­ ckendeck fahrenden Hebezeugen diese um

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

eine Feldlänge vorgefahren und der Monta­ gevorgang fortgesetzt. Bei Erreichen eines Pfeilers muss die Vorbauspitze entweder dort gehoben oder durch Überhöhung der vorhergehenden Lager die Durchbiegung des Kragarms ausgeglichen werden (Bild 9.2.3-1). Freivorbau kann von einem Randstand­ feld aus nach einer Seite oder von einem inneren Standfeld aus nach beiden Seiten betrieben werden. Bei Durchlaufbalken mit ausgeprägten großen Öffnungen, z. B. Strombrücken, wird der Freivorbau von beiden Seiten gleichzeitig oder nacheinan­ der bis zur Brückenmitte durchgeführt und dort das Brückentragwerk geschlossen. Das Schließen muss höhen- und tangenten­ gleich erfolgen. Das kann durch die Wahl der entsprechenden Momentenverteilung, durch Hebung an den anliegenden Stützen oder durch örtliche Eintragung eines Biege­ moments (ev. auch einer Querkraft) mit hy­ draulischen Pressen erfolgen. Das Montie­ ren der beiden Tragwerksteile nacheinan­ der hat den Vorteil, dass mit einem Vorbau­ gerät, das nach Montage des ersten Trag­ werksteils auf den zweiten umge­setzt wird, das Auslangen gefunden werden kann. Als Nachteil steht die längere (etwa doppelte) Montagezeit gegenüber (Bild 9.2.3-2). Beim Freivorbau können eventuell auch bei großen Steghöhen längsgeteilte Haupt­ träger montiert werden. Hier werden aller­ dings Montagespannungen „eingefroren“, die bei den Nachweisen der Träger berück­ sichtigt werden müssen. Vor allem beim Freivorbau ist das im vorhergehenden Abschnitt beschriebene Auslegen der Träger benachbarter Felder mit Form- und Längenanpassung erforder­ lich. Bei der Montage sind die Abstände der Passmarken oder Passlaschen genau einzu­ halten (Passschrauben). Die theoretische Biegelinie ist nach Montage jedes Felds mit der tatsächlichen Trägerform zu verglei­ chen. Bei Abweichungen können mit den nachfolgenden Schüssen diese Fehler wieder

Bild 9.2.3-1   Freivorbau einer Balkenbrücke, Rheinbrücke Wiesbaden-Schierstein [Weitz, 1975]

9.2  Stahlbrücken 911

912

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.2.3-2   Ein- und zweiseitiger Freivorbau einer Balkenbrücke [Weitz, 1975]

Bild 9.2.3-3   Stabweiser Freivorbau einer Fachwerkbrücke im Seitenfeld, Hochbrücke Brunsbüttel über den Nordostseekanal

9.2  Stahlbrücken

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Bild 9.2.3-4   Stabweiser Freivorbau einer Fachwerkbrücke bis zur Brückenmitte, Hochbrücke Brunsbüttel über den Nordostseekanal

ausgeglichen werden. Besonderes Augen­ merk ist auf die Form zu legen, wenn Teile des Querschnitts (z. B. Deckblech) durch Schweißnähte und andere Teile (z. B. Stege und Untergurte) mit GV-Laschenstößen angeschlossen werden. Das Schrumpfen der Schweißnaht kann in Folge zu einer erheb­ lichen Abweichung von der Sollgeometrie führen. Deshalb ist während der Montage die Form des Tragwerks laufend zu kontrol­ lieren und eventuell zu korri­gieren. Der Freivorbau eignet sich als Montage­ methode besonders für Vollwand- und Fachwerkbalken. Bei Fachwerken gerin­ gerer Höhe werden Hauptträger“wände“ vorgebaut, bei Fachwerken großer Höhe erfolgt der Freivorbau stabweise (Bilder 9.2.3-3 bis 9.2.3.-5). Auch Schrägkabelbrücken sind für den Freivorbau hervorragend geeignet, wenn die Seiten­öffnung auf einigen Hilfsstützen errichtet werden kann, dann der Pylon ge­ baut wird und abschließend die Teile der großen Öffnung im Freivorbau jeweils mit Kabelunterstützung montiert werden (Bild 9.2.3-6). Der Freivorbau des Balkens von Hänge­ brücken erfolgt meist durch Aufziehen der auf Pontons eingeschwommenen Balken­

teile von einer auf den Tragkabeln fahren­ den Hebebühne aus. Dabei wird meistens der komplette Querschnitt eines Felds auf den Pontons zusammengebaut und aufge­ zogen.

Bild 9.2.3-5   Freivorbau eines Obergurtstabs, Hochbrücke Brunsbüttel über den Nordostsee­ kanal

914

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.2.3-6   Freivorbau einer Schrägkabelbrücke, Rheinbrücke Düsseldorf Oberkassel [Beyer et al., 1977]

9.2  Stahlbrücken

9.2.4  Längseinschub (Lancieren) Beim Längseinschub wird die Brücke in der Achse des Tragwerks auf einem Montage­ platz mit den ersten Feldern beginnend zusammengebaut und längs in Achse ein­ geschoben (Bild 9.2.4-1). Der Längsverschub ist eine sehr wirt­ schaftliche Montagemethode, da der Zu­

915

sammenbau auf dem Montageplatz immer an derselben Stelle unter denselben Bedin­ gungen erfolgt, die durchaus den Zusam­ menbaubedingungen in der Werkstatt ähn­ lich sein können. Dieser Zusammenbauplatz kann mit einem Kran (meist Portalkran) ausgestattet und für Schweiß- und Korro­ sionsschutzarbeiten eingehaust werden ­(Bilder 9.2.4-2 und 9.2.4-3).

Bild 9.2.4-1   Längseinschub einer Balkenbrücke, U6-Brücke über die Donau in Wien

Bild 9.2.4-2   Zusammenbauplatz mit Portalkran, U6-Brücke über die Donau in Wien

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9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.2.4-3   Zusammenbau von zwei Feldern, U6-Brücke über die Donau in Wien

Selbstverständlich können nur Brücken­ balken mit im Grundriss kreisförmiger oder gerader Achse längs eingeschoben werden. Besonders geeignet ist das Verfahren für pa­ rallelgurtige Durchlaufträger über mehrere Felder. Der Montageplatz liegt üblicherweise hinter dem Widerlager, bei dem zunächst die Kammermauern weggelassen werden. Das Zusammenlegen und Anpassen der Teile kann bei diesem Montageverfahren direkt am Montageplatz erfolgen. Zwischen Montageplatz und erstem Pfeiler sind nor­ malerweise ein oder zwei Hilfsstützen er­

forderlich, um den ersten Pfeiler erreichen zu können. Um die Vorschubspitze zu leichtern wird entweder ein Verschubschnabel verwendet, oder es werden alle Querschnittsteile, die für die Tragfähigkeit an der Vorschubspitze nicht erforderlich sind, weggelassen und erst nach Ende des Längsverschubs einge­ fügt (Bild 9.2.4-4). Bei gleichen Stützweiten hat der Vor­ schubschnabel den Nachteil, dass die maxi­ malen Kragmomente beim ersten Feld nicht an der Stelle auftreten, wo das maxi­ male Stützenmoment auftritt. Deswegen

Bild 9.2.4-4   Längsverschub einer Balkenbrücke mit Vorschubschnabel, U6-Brücke über die Donau in Wien

9.2  Stahlbrücken

wird im Stahlbau häufig die zweite Metho­ de der Leichterung gewählt. Eine andere Methode zur Verstärkung des Kragarms ist die Verwendung einer Hilfsüberspannung. Der Längsverschub kann kontinuierlich erfolgen, wenn die Verschublager unter den Hauptträgerstegen angeordnet sind, oder diskontinuierlich, wenn die Brücke auf je­ dem Querträger oder unter der Kreuzung Hauptträger – Querträger gelagert wird. Der heute überwiegend angewandte konti­ nuierliche Längsverschub hat den Vorteil, dass größere Strecken, zumindest aber die Länge eines Felds ohne Unterbrechung ver­ schoben werden können, jedoch den Nach­ teil, dass jeder beliebige Punkt jedes Felds Auflagerpunkt wird und die Auflagerkraft in den Steg eingeleitet werden muss. Der kon­ tinuierliche Längsverschub kommt auch mit einer relativ kurzen Verschubbahn aus. Der diskontinuierliche Längsverschub erfolgt immer über den Abstand der Quer­träger oder über den Abstand der Fachwerkknoten auf einem Wagen über einer Verschubbahn, die zumindest die Länge dieses Abstands hat. Dann wird das Tragwerk angehoben, die Lager zurückgeschoben, das Tragwerk abgesetzt und weiterverschoben. Der dis­ kontinuierliche Längsverschub hat den Vor­ teil, dass die Lagerpunkte ausgesteift sind und die dazwischen liegenden Teile, da sie nie Lasteinleitungspunkte werden, nicht ört­ lich ausgesteift werden müssen.

917

Beim Längsverschub ist das Rollen oder Gleiten bewegter Teile auf Unterstützungen von wesentlichem Einfluss. Bei Auflager­ kräften bis etwa 1000 kN können Rollen­ wagen zum Einsatz kommen. Da die gehär­ teten Rollen der Rollenwagen bei Über­ beanspruchung, vor allem bei zu hohen Kantenpressungen, leicht brechen können, ist es ratsam, diese auf elastomeren Monta­ gelagern aufzulegen. Bei größeren Kräften ist nur mehr die Lagerung auf Gleitflächen möglich. Die Gleitpaarung mit der gerings­ ten Reibung ist die Paarung PTFE (Polytet­ rafluoräthylen) mit hochlegierten ChromNickel-Stählen, z. B. X 5 CrNiMo 1810 mit polierter Oberfläche, wobei durch geeigne­ te Schmierung der Reibwert deutlich unter 1% gedrückt werden kann. Dies ist bei dis­ kontinuierlichem Verschub immer mög­ lich, da die Gleitbahnen mit einem polier­ ten hochlegierten Blech bespannt werden können. Bei kontinuierlichem Verschub ist dies nicht möglich, weshalb üblicherweise die beschichtete, gut geschmierte Stahlträ­ gerunterseite über das PTFE des Lagers gleitet. Das PTFE sollte daher gekammert auf einem Blech liegen, damit es beim Ver­ schub nicht herausgeschoben wird und die „Bartbildung“ weitgehend vermieden wird. Die verdrehweiche Lagerung des Verschub­ lagers durch Anordnung eines ElastomerMontagelagers ist auch hier zu empfehlen (Bilder 9.2.4-5 und 9.2.4-6).

Bild 9.2.4-5   Verschublager vor Belastung U6-Brücke über die Donau in Wien

918

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.2.4-6   Verschublager mit Brücke, U6-Brücke über die Donau in Wien

Erfolgt das Lancieren über eine schiff­ bare Wasserfläche, so kann anstelle eines Verschublagers ein Schiff treten, das den Überbau an einer festgesetzten Stelle unter­ stützt, mit dem Überbau aus Stabilitäts­ gründen biegesteif verbunden ist und mit dem Überbau längs eingeschoben wird. Hierbei ist besonders zu beachten, dass die Unterstützung durch das Schiff sehr nach­ giebig (weich) ist, während die Lagerung auf Verschublagern unnachgiebig (starr) ist. Bei statisch unbestimmter Lagerung können daher hohe Beanspruchungen des Brückenbalkens durch Änderungen der Höhe des Wasserspiegels (z. B. Wellengang) entstehen. Um ein Brückentragwerk auf einem Verschubschiff lagern zu können, wird entweder der Überbau mit hydrauli­ schen Pressen vom Schiff aus aufgestapelt, oder das Schiff vorher geflutet und unter dem Überbau gelenzt (Bild 9.2.4-7). 9.2.5  Spezielle Verfahren Die in den Abschnitten 9.2.2 bis 9.2.4 dar­ gestellten Montageverfahren für Stahlbrü­ cken stellen die „klassischen Verfahren“ dar. Bei Ersatz bestehender Tragwerke durch neue mit oder ohne Beibehaltung der Un­ terbauten werden spezielle Montageverfah­ ren angewandt, um die Verkehrsunterbre­

chung so gering wie möglich zu halten: Dazu gehören: a) Der Querverschub des alten Tragwerks, die Umleitung des Verkehrs auf das alte Tragwerk und der Neubau in der beste­ henden Achse (Bild 9.2.5-1). b) Der Bau des neuen Tragwerks parallel zum bestehenden Tragwerk, die Umlei­ tung des Verkehrs auf das neue Tragwerk, der Abbruch des alten Tragwerks und der Querverschub des neuen Tragwerks in die bestehende Achse (Bild 9.2.5-2). c) Der Bau des neuen Tragwerks parallel zum bestehenden Tragwerk, der ge­ meinsame Querverschub beider Brü­ cken (Bild 9.2.5-3). d) Der Ausbau von alten und der Einbau von neuen Tragwerken, wenn aus räum­ lichen Gründen oder wegen nicht aus­ reichender Krankapazität ein direkter Austausch mit Kränen nicht möglich ist. Dabei dient das alte Tragwerk als Träger beim Einschieben des neuen Tragwerks und das neue Tragwerk als Träger beim Ausschieben des alten Tragwerks. Bei den Verfahren a) und b) können auch die Unterbauten der Brücke vollständig er­ neuert werden. Bei den Verfahren c) und d) müssen die Unterbauten weitgehend erhal­ ten bleiben. Das Verfahren c) hat gegenüber d) den Vorteil, dass sich der Austausch le­

9.2  Stahlbrücken

919 Herstellen Tragwerk (8 Schüsse) Schusslängen ca. 23 m Lancieren bis Pylon Mobilkran Donauinsel

DONAU

Pylonmontage (5 Schüsse) Tragwerk bis ca. 54 m über Pylonpfeiler Lancieren und weitere 6 Schüsse montieren

Mobilkran (220 t Gittermastausleger)

ca. 54 m

Tieflader

Mobilkran (130 t)

Schute 1 Turmdrehkran Einschwimmen ca. 150 m

Kabel

67 m

Schute 1

Schute 2

Kabel

Schute 1

Zwei Kabel bereits vormontiert 1. Ponton andocken vorschieben um 67 m Übernahme 2. Ponton Vorschieben bis Endlage

Winde

Erforderliche Kabel aktivieren Ponton fluten und ausfahren Ende Schifffahrtssperre Tragwerk (Schuss 15) ergänzen

Schute 2

Tragwerk endlagern Sämtliche Kabel montieren Spannbetontragwerk

Bild 9.2.4-7   Einschieben und -schwimmen einer Brücke mit Verschubschiffen, Donaustadtbrücke über die Donau in Wien [Pauser]

diglich auf einen Querverschub beschränkt, aber den Nachteil, dass das neue Tragwerk auf einem Gerüst montiert und das alte Tragwerk auf einem Gerüst demontiert werden muss und die Flächen beiderseits zur Brücke in ausreichender Größe zur Verfügung stehen müssen. Beim Verfahren d) werden die Kosten für diese Gerüste ein­

gespart, der Zusammenbau des neuen Tragwerks und die Demontage des alten Tragwerks kann auf einem Vormontage­ platz mit beliebig vielen Unterstützungen erfolgen. Rüstungen werden aber für das Ein- und Ausschieben der Tragwerke und für die Lagerungen auf den Pfeilern benö­ tigt. Außerdem ist der Austausch selbst

920

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Ausgangszustand

Ausgangszustand

Querverschub der alten Brücke Verkehrsumleitung

Bau der neuen Brücke

Neubau

Querverschub beider Brücken

Endzustand Abbruch der alten Brücke

Endzustand, Abbruch der alten Brücke

Bild 9.2.5-1   Querverschub des alten Trag­ werks und Neubau in der bestehenden Achse

Ausgangszustand

Neubau in verschobener Achse, Verkehrsumleitung

Abbruch der alten Brücke

Querverschub der neuen Brücke, Endzustand

Bild 9.2.5-2   Neubau parallel zum bestehenden Tragwerk und Querverschub in die alte Achse

Bild 9.2.5-3   Gleichzeitiges Ausschieben des alten und Einschieben des neuen Tragwerks

komplizierter als der Querverschub nach dem Verfahren c). Bekannte Beispiele sind für das Verfah­ ren a) der Querverschub der Kronprinz­Rudolf-Brücke über die Donau in Wien, 1934, siehe Bilder 9.2.5-4 bis 9.2.5-7 (Stahl), für das Verfahren b) der Querverschub der Oberkasseler Rheinbrücke in Düsseldorf, 1976, siehe Bilder 9.2.5-8 bis 9.2.5-11 ­[Beyer et al., 1977], für das Verfahren c) der Neu­ bau der Trisanna Brücke, 1964, siehe Bilder 9.2.5-12 bis 9.2.5-14 [Schmid et al., 1964], für das Verfahren d) der Austausch im Drehver­fahren bei der Schwarzbachtal­ brücke in Wuppertal, 1981, siehe Bilder 9.2.5-15 bis 9.2.5-22 [Gerhards et al., 1982] und der Austausch der Kampbrücke Zwettl, 1999, siehe Bild 9.2.5-23 bis 9.2.5-30 [­Holzinger et al., 1999].

9.2  Stahlbrücken

921

Bild 9.2.5-4   Kronprinz-Rudolf-Brücke über die Donau in Wien vor dem Verschub

Bild 9.2.5-5   Kronprinz-Rudolf-Brücke über die Donau in Wien mit Vorbereitungen für den Quer­ verschub

Bild 9.2.5-6   Kronprinz-Rudolf-Brücke über die Donau in Wien nach dem Querverschub

922

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.2.5-7   Bau der alten Reichsbrücke neben der querverschobenen Kronprinz-Rudolf-Brücke über die Donau in Wien

Bild 9.2.5-8   Rheinbrücke Düsseldorf Oberkassel, Neubau in verschobener Achse. Im Hintergrund die alte Brücke

Bild 9.2.5-9   Rheinbrücke Düsseldorf Oberkassel, neue Brücke in provisorischer Lage

9.2  Stahlbrücken

923

Bild 9.2.5-10   Rheinbrücke Düsseldorf Oberkassel, neue Brücke in endgültiger Lage

Bild 9.2.5-11   Rheinbrücke Düsseldorf Oberkassel, vor und nach dem Querverschub [Beyer et al., 1977]

924

Bild 9.2.5-12   Alte Trisanna-Brücke [Waagner – Biro]

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

9.2  Stahlbrücken

925

Bild 9.2.5-13   Neubau der Trisanna-Brücke und gemeinsamer Querverschub beider Brücken [Waagner – Biro]

Bild 9.2.5-14   Neue Trisanna-Brücke [Waagner – Biro]

926

9  Herstellung und Ausführungsmethoden Ansichten der Brücke Überbau 1

Überbau 2

Schnitte I-I

Überbau 3 Einfahrt der neuen Brücke

neue Brücke 1500

Transportgleis alte Brücke

a

30180

30180 855

30080

A

905

3000

B

Hubtraversen

Hubtraversen

Spannglieder

eh

Transportwagen

Dr

Drehvorrichtung (Rhönrad)

ric h

tu

ng

b

Drehvorrichtung (Rhönrad)

c

alte Brücke

neue Brücke

d

Absenktraversen

Ausfahrt der alten Brücke

Absenktraversen

e

Bild 9.2.5-15   Schwarzbachtalbrücke Wuppertal, Montageübersicht [Gerhards et al., 1982]

9.2  Stahlbrücken

Bild 9.2.5-16   Schwarzbachtalbrücke Wuppertal, Einfahren des neuen Tragwerks

Bild 9.2.5-17   Schwarzbachtalbrücke Wuppertal, Aufziehen des alten Tragwerks

927

928

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.2.5-18   Schwarzbachtalbrücke Wuppertal, Drehvorgang

9.2  Stahlbrücken

Bild 9.2.5-18  (Fortsetzung)

Bild 9.2.5-19   Schwarzbachtalbrücke Wuppertal, Ablassen des neuen Überbaus

929

930

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.2.5-20   Schwarzbachtalbrücke Wuppertal, zwischen den beiden Überbauten

Bild 9.2.5-21   Schwarzbachtalbrücke Wuppertal, Ausfahren der alten Brücke

Bild 9.2.5-22   Schwarzbachtalbrücke Wuppertal, Zerschneiden der alten Brücke

VI Martinsberg

Bild 9.2.5-23   Kampbrücke Zwettl, Montageübersicht [Holzinger et al., 1999]

Heben des alten TW am neuen TW hängend

f

Absenken des neuen TW, Aufziehen und Montage der Koppelrahmen

e

Abheben des neuen TW von den Transportwagen, Transportwagen ausfahren

d

Einfahren des neuen TW und Befestigung an den Hubgerüsten

c

Montage Hubgerüste und Abstützungen

b

Montage Viaduktbefestigung, Montage Querträger im alten TW, Montage Auflageträger Pfeiler V1

a

IV V Bhf. Zwetti

Erneuerung der Tragwerke der Zwettler Kampbrücke -schematischg

j

c

Einfahren des neuen TW und Befestigung an den Hubgerüsten

Versetzen des Zwettler Hubgerüstes, Demontage Widerlagerbefestigung

l

Versetzen des Martinsberger Hubgerüstes, Montage Querträger im neuen TW

k

Einbau der Koppelrahmenwagen in das Martinsberger Hubgerüst, Montage Querträger im nächsten alten TW

Neues TW fertiggestellt

Absenken des neuen TW auf Hilfsstützen, Erneuerung Brückenlager, Demontage Koppelrahmen

i

Weiteres Ausschieben des alten TW und Absetzen am zweiten Transportwagen, Abtransport altes TW

h

Ausschieben des alten TW und Absetzen am äußeren Transportwagen

9.2  Stahlbrücken 931

a Hubgerüst, Seitenansicht Montagesituation sinngemäß entsprechend Bild f.

Bild 9.2.5-24   Kampbrücke Zwettl, Hubrahmenübersicht [Holzinger et al., 1999] Auflageträger an den Pfeilern VI und VIII

bereits fertiggestelltes neues Tragwerk

Brückentransportwagen

Lichtraumprofil

altes Tragwerk, am neuen Tragwerk hängend

neues Tragwerk maximal angehoben

6770

600 maximaler Hub 11927 18305

b Hubgerüst, altes Tragwerk am gehobenen neuen Tragwerk hängend

c Koppelrahmen

932 9  Herstellung und Ausführungsmethoden

9.2  Stahlbrücken

933

Bild 9.2.5-25   Kampbrücke Zwettl, Ansicht der alten Brücke [Holzinger et al., 1999]

Bild 9.2.5-26   Kampbrücke Zwettl, Zusammenbau des neuen Tragwerks auf dem Bahnhofsgelände [Holzinger et al., 1999]

Bild 9.2.5-27   Kampbrücke Zwettl, Einfahren des neuen Tragwerks

934

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.2.5-28   Kampbrücke Zwettl, Heben der beiden Tragwerke

Bild 9.2.5-29   Kampbrücke Zwettl, Ausfahren des alten Tragwerks

Bild 9.2.5-30   Kampbrücke Zwettl, neues Tragwerk eingebaut, Verschub des linken Rahmens

9.3  Brücken in Verbund- und Mischbauweise

9.3  Brücken in Verbundund Mischbauweise Ulrike Kuhlmann und Annette Detzel 9.3.1  Fertigung und Montage Stahlüberbau 9.3.1.1  Allgemeines Gerade die ausgezeichneten Fertigungsund Montagemöglichkeiten des Stahlüber­ baus führen in vielen Fällen zur Entschei­ dung für eine Verbundbrücke: Zur Über­ führung von Flüssen, Kanälen, stark befah­ renen Autobahnen und Eisenbahnstrecken, also dort, wo die Aufständerung von festen erdgebundenen Lehrgerüsten zur Erstel­ lung von Standardbetonbrücken schwierig und kostenträchtig ist, kommen häufig Ver­ bundbrücken zum Einsatz. Typisch für eine solche Situation ist das Beispiel Eisenbahnüberführungen über die A4 bei Köln, vergleiche Abschnitt 5.2.3.1, Bild 5.2.3-1 [Kuhlmann, 1995]. Unmittelbar über der Autobahn im Kölner Ring gelegen, war eine Zwischenunterstützung von unten beim Betonieren nicht möglich. Die Stahl­ konstruktion wurde während einer kurzzei­ tigen Sperrung neben dem noch befahrenen alten Bauwerk auf Hilfsunterstützungen in den Lagerachsen montiert. Der Verkehr auf der Autobahn konnte anschließend ungehindert weiterfahren. Die Betonplatte wurde betoniert, dabei wurde die Schalung von den frei über die Autobahn spannenden Stahlträgern getragen, und nach Fertigstel­ lung der Platte wurde der Verbundüberbau in seine endgültige Lage querverschoben. Verbundbrücken bieten also die Mög­ lichkeit, mit ihren Stahlträgern quasi als „Schalungsträger“, die Stützweiten ohne oder nur mit wenigen zusätzlichen Unter­ stützungen zu überwinden. Die Fertigung und Montage des Stahlüberbaus von Ver­ bundbrücken ähnelt der Fertigung und Montage von reinen Stahlbrücken. Aller­

935

dings sind Verbundbrücken gegenüber Stahl- und Spannbetonbrücken oft konkur­ renzfähiger, da bei den gleichen Vorteilen während der Montage im Vergleich zu Stahlbrücken durch den Verzicht auf die orthotrope Platte deutliche Kostenvorteile entstehen. Je nach Größe und Spannweite des Brü­ ckentragwerks gibt es zwei prinzipielle Mon­ tageabläufe für den Stahlüberbau: Montage durch Einheben und Montage durch Frei­ vorbau und/oder Längsverschub. 9.3.1.2  Montage durch Einheben In der Regel wird vor allem bei kleinen bis mittleren Spannweiten und wenigen Feldern die Stahlkonstruktion der Verbundbrücke in großen vorgefertigten Montageeinheiten mit Schwerlasttransport ange­liefert. Auto­ krane oder bei Überführungen von Wasser­ wegen auch Schwimmkrane heben die Teile auf die auf Pfeilern und Widerlagern vorbe­ reiteten Hilfslager. Die Baustellenstöße wer­ den von leichten Arbeitsgerüsten im unmit­ telbaren Stoßbereich aus geschlossen. Die Schalungsunterkonstruktion wird an die Stahlträger gehängt. Diese Schalungsge­ rüste werden häufig gleichzeitig als Arbeitsund Schutzgerüste eingesetzt. Die eigentli­ che Schalung wird aufgebaut. Es wird die Verbundplatte bewehrt und in einem Zuge oder abschnittsweise betoniert. Nach dem Entschalen erfolgen die Ausbauarbeiten, wie Betonieren der Kappen und ggf. des Schutzbetons, Aufbringen von Schotter bzw. Asphalt, Montage der Geländer usw. Im Folgenden werden einige Merkmale dieser Vorgehensweise an Beispielen erläu­ tert. Die Eisenbahnbrücken der Umfahrung Melk (siehe auch Kapitel 4.2.3.2) [Pommer, 1995], [Glatzl/Pommer, 1995], [Glatzl, 1997] spannen über 31 m bis 79 m. Die Stahlträ­ ger wurden in einer Länge von 25 m in der Werkstatt vormontiert und über Sonder­

936

transporte zur Baustelle gebracht. Dort wur­ den jeweils zwei bis drei Schüsse am Boden zusammengeschweißt und mit Autokranen auf die fertigen Pfeiler und Widerlager ge­ hoben und verschweißt (siehe Bild 4.2-1). Die Betonfahrbahn wurde zur Erzielung einer Vorspannung in überhöhter Lage des Stahltragwerks betoniert. Im sogenannten Pilgerschrittverfahren wurden zuerst die Feldbereiche und dann die Stützbereiche betoniert, um im Stützbereich Zugspannun­ gen aus dem Betoneigengewicht zu vermei­ den. Die Absenkung des Überbaus in die Endlage erfolgte erst, nachdem die Kriechund Schwindeinflüsse zu einem großen Teil abgebaut waren, um den negativen Effekt auf die Vorspannkräfte zu minimieren. Bei Überführungen von Wasserwegen wird zum Einheben der Überbauteile auch häufig ein Schwimmkran eingesetzt. So wurde zum Beispiel bei der Moselbrücke Bernkastel-Kues [Kuhlmann, 1996], um Montagekosten zu minimieren, der Stahl­ überbau im Werk zu drei Großbauteilen von 7,5 m Breite und ca. 50 m Länge voll­ ständig zusammengebaut. Drei Schiffe brachten die Brückenteile auf dem Wasser­ weg nach Bernkastel. Dort wurden die Teile nacheinander, erst die auskragenden Seitenfelder, dann das Mittelteil, mit einem Schwimmkran entladen und auf die Hilfs­

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

lager auf­gelegt. Bild 9.3-1 zeigt das Einhe­ ben des Mittelteils, das über Obergurt­ knaggen zwischen die Kragarme der Sei­ tenteile eingehängt wurde. Bei großen Spannweiten und größeren Brücken mit mehreren Feldern ist dieses Verfahren nicht geeignet. Dann kommen Montageverfahren wie Freivorbau oder Taktschieben zum Einsatz, die auch aus dem Stahlbrückenbau und dem Betonbrü­ ckenbau bekannt sind. 9.3.1.3  Montage durch Freivorbau und/oder Verschub Bei großen Spannweiten und Feldern, die z. B. wegen eines zu tiefen Talgrunds nicht über Kran erreicht werden können, kann die Stahlkonstruktion im Freivorbau montiert oder auch längs eingeschoben werden. Für das Einschieben ist von Vorteil, wenn die Felder ähnliche Spannweiten haben und der Brückenzug gerade ist bzw. eine konstante Krümmung hat. Auch sollte bei der Gestal­ tung des Querschnitts auf die Ausbildung einer Voute möglichst verzichtet werden. Eine Brücke, bei der die Stahlkonstrukti­ on längs eingeschoben wurde, ist die Dilltal­ brücke bei Haiger in Hessen [Pelke, 2000] mit den Spannweiten 45 m–85 m und einem

Bild 9.3-1   Moselbrücke Bernkastel-Kues: Einheben des mittleren Stahlträgers

9.3  Brücken in Verbund- und Mischbauweise

Radius von 750 m im Grundriss. Der Brü­ ckenquerschnitt setzt sich aus einem trapez­ förmigen Stahltrog und auskragender Fahr­ bahnplatte zusammen. Die Einzelteile Bo­ denblech, Stege und Verbände wurden vom Werk auf die Baustelle geliefert und dort in einer eigens errichteten Montagehalle zu rund 15 m langen Schüssen verschweißt. Diese Schüsse wurden an den Vorschubsta­ tionen hinter den beiden Widerlagern (es wurde von zwei Seiten eingeschoben) zu 80 m langen Abschnitten verbunden, die dann taktweise eingeschoben wurden (Bild 9.3-2). Dabei konnten zum Teil die Pfeiler der alten Brücke als Hilfspfeiler für den Ver­ schub weiterverwendet werden. In Brücken­ mitte wurden beide Hälften zu einem durch­ laufenden Träger zusammengeschweißt. Die Herstellung der Fahrbahnplatte erfolgte auch hier mit Hilfe eines Schalwagens mit dem Pilgerschrittverfahren. Weitere Beispiele für hohe Talbrücken in Verbund, die eingeschoben wurden, sind die beiden Brücken Siebenlehn über die Frei­ berger Mulde (Spannweiten ca. 2 × 71,4 – 81,6 – 71,4 – 61,2 – 56,1 m) und WilkauHaßlau über die Zwickauer Mulde (Spann­ weiten ca. 55 – 2 × 110 – 3 × 99 – 88 m), [Seifried/Stetter, 1996]. Beide Brücken ­haben

937

quer vorgespannte und längs schlaff be­ wehrte Verbundplatten. Beide bestehen aus zwei getrennten Überbauten mit jeweils einem einzelligen Kasten mit geneigten Ste­ gen. Sie wurden beide als Ersatz alter Über­ bauten auf bestehenden Pfeilern errichtet. Wegen der großen Höhen der Pfeiler über dem Talgrund von bis zu 70 m war für beide Brücken nur eine Montage durch Längseinschub möglich. Während in Sie­ benlehn nur die Stahlkonstruktion einge­ schoben wurde, wurde bei Wilkau-Haßlau die gesamte Verbundbrückenkonstruktion mit Platte verschoben. Dabei wurde ausge­ nutzt, dass bei Stützweiten von maximal 110 m bereits für den Abbruch des alten Überbaus Hilfsstützen mittig im Feld not­ wendig waren. Wegen der engen Terminsituation hat sich die ausführende Firmengemeinschaft bei der Talbrücke Wilkau-Haßlau zu einem besonderen Taktfertigungsverfahren ent­ schlossen, siehe Bild 9.3-3. Die Fertigungsanlage bestand aus drei Teilen: • In der Stahlbauhalle wurden die in der Werkstatt vorgefertigten Elemente zu­ sammengebaut, je Stahlschuss vier Ele­

Bild 9.3-2   Dilltalbrücke Haiger, Taktschieben von zwei Seiten (Quelle: Hessisches Landesamt für Straßen- und Verkehrswesen)

938

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.3-3   Taktfertigungsanlage für die Talbrücke Wilkau-Haßlau

mente: zwei Elemente Bodenblech mit Steganschluss und zwei Stegelemente mit Obergurt und Kopfbolzendübeln. • In der klimatisierten Korrosionsschutz­ halle wurden die Sandstrahl- und Be­ schichtungsarbeiten ausgeführt. • In der Betonierhalle wurde die Beton­ fahrbahnplatte geschalt, bewehrt, beto­ niert und vorgespannt, bei 20 Betonier­ takten ca. 33 m pro Woche. Die optimale Abstimmung aller Einzelvor­ gänge der Stahlbaumontage, der Korrosions­ schutzmaßnahmen, der Verbundplatten­ erstellung und des Verschubs aufeinander brachte bei der Talbrücke Wilkau-Haßlau nicht nur wirtschaftliche sondern auch ent­ scheidende zeitliche Vorteile. Dieser Aspekt ist gerade beim Bau stark befahrener Auto­ bahnbrücken von Bedeutung. 9.3.2  Schalung und Fertigung Betonfahrbahnplatte 9.3.2.1  Allgemeines Bei der Herstellung der Fahrbahnplatte können zwei grundsätzliche Verfahren un­ terschieden werden. Entweder die Beton­ platte wird mit Hilfe eines Schalgerüsts oder eines Schalwagens komplett vor Ort betoniert oder es kommen Betonfertigteile

als Schalung zum Einsatz. In beiden Fällen werden Lasten während des Betoniervor­ gangs an die Stahlkonstruktion abgegeben, deren Einleitung und Weiterverfolgung für einen Teil der Stahlkonstruktion wie z. B. Querträger und Querrahmen bemessungs­ relevant sind. Hinsichtlich des vorgesehe­ nen Schalungskonzepts muss also schon in einem Frühstadium der Planung eine de­ taillierte Abstimmung zwischen Betonbauund Stahlbaupartner erfolgen. 9.3.2.2  Schalung mit ortsfestem Schalgerüst oder Schalwagen Neben vertikalen Lasten aus Schalungsund Frischbetongewicht bzw. Verkehrs­ lasten aus Baubetrieb werden über die Einleitungspunkte zwischen Schalung und Stahlkonstruktion immer auch horizontale Kräfte abgegeben: Dazu gehören Windund Stabilisierungslasten, aber auch seitli­ cher Frischbetondruck. Die Verfolgung dieser Horizontallasten in der Stahlkonst­ ruktion ist entscheidend, weil dem Quer­ schnitt im Zustand des Betonierens noch die geschlossene Betonfahrbahnplatte fehlt, die im Endzustand für die notwendige Stei­ figkeit in horizontaler Richtung sorgt. Bei der Fertigung von Verbundbrücken muss also besonders auf eine ausreichende Stabi­ lisierung der reinen Stahlkonstruktion in

9.3  Brücken in Verbund- und Mischbauweise

Form von Querrahmen oder sogar Monta­ geverbänden geachtet werden. Diese sollten so dicht wie möglich an die zu stabilisieren­ den Bauteile wie die unter Druckbeanspru­ chung stehenden Stahlträgerobergurte ge­ führt werden. Erforderliche Querträger sollten andererseits aber auch ausreichend tief im Querschnitt angeordnet sein, um das Schalen nicht zu behindern. In Hinblick auf die Fertigung mit Schalgerüst oder -wa­ gen sind offene Querschnitte zu bevorzu­ gen, da im Unterschied zum Kastenquer­ schnitt der Arbeitsraum nicht eingeschränkt ist und die ausladenden Stahlträgerunter­ gurte eine einfache Abstützung der Scha­ lungskonstruktion ermöglichen. Bild 9.3-4 zeigt das Beispiel eines untergehängten Lehrgerüstträgers, der sich über eine Knag­ genkonstruktion auf den Untergurt in Stegnähe abstützt. Auch die Kragarmscha­ lungen können so einfach abgefangen werden. Bei Verbundkastenquerschnitten muss die Kragarmschalung an den noch nicht geschlossenen Stahlkasten außen ange­ hängt werden. Bild 9.3-5 zeigt als Beispiel

939

die Schalungskonstruktion der Wilhelms­ burger Brücke in Hamburg. Die durch das Kragmoment auftretenden Zugkräfte wer­ den dabei über Schraubverbindungen am Hauptträgersteg in die Querrahmen einge­ leitet und außerdem über Zugstangen aus Bewehrungsstählen über die Kastenbreite kurzgeschlossen. Die Druckkräfte werden über die Querträger und Montagedruck­ glieder abgetragen. Ortsfeste Schalgerüste werden im allge­ meinen nur für Brückenlängen eingesetzt, die in einem Zug betoniert werden können. Bei längeren Brücken mit konstanten Quer­ schnitten kann die Betonfahrbahn wirt­ schaftlicher mit Hilfe von Schalwagen her­ gestellt werden, siehe Bild 9.3-6. Während die Innenschalung auf Schie­ nen bewegt wird, die auf den Querträ­gern aufliegen, wird die Kragarmschalung punk­ tuell über später einbetonierte Aufstän­ derungen auf den Stahlträgerobergurten jeweils an den Stellen der Querrahmen abgestützt. Jüngere Entwicklungen haben bei eini­ gen Talbrücken mit einzelligem Kasten­

Bild 9.3-4   Lehrgerüstträger mit Kragarmschalung

Bild 9.3-5   Wilhelmsburger Brücke, Schalungskonstruktion

940

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.3-6   Schalwagen für eine Verbundbrücke

träger als Überbau und durch Streben ge­ stützten Kragarmen, wie z. B. die Talbrücke Schwarza [DEGES, 2001] zu einer nur unten hängenden Schalwagenkonstruktion für die Kragarme geführt. Sie wird nur am äußeren Längsträger des Kragarms und am Kastenträgers befestigt. Der Verzicht auf Schalungsträger oberhalb der Verbund­ platte vermeidet die Durchdringungen der Platte durch die Aufständerungen und er­ laubt ein ungehindertes Arbeiten auf der zu betonierenden Fläche. 9.3.2.3  Betonplatte mit Fertigteilen Besonders bei Verbundkastenquerschnitten bieten sich, wie auch das folgende Beispiel zeigt, Fertigteile als Schalelemente an. Im Zuge der A4-Eisenbahnüberführungen bei Köln, vergleiche Abschnitt 5.2.3 [Kuhlmann, 1995] wurde u. a. auch die Eisenbahnüber­ führung Bauwerk 231A erneuert, siehe Bild 9.3-7. Bei dem System im Grundriß handelt es sich um einen Durchlaufträger über zwei Felder, der in einer starken Krümmung liegt: Der mittlere Krümmungsradius beträgt ca. 350 m. Infolgedessen wurde der Querschnitt mit zwei einzelligen Stahlkästen und durch­ gehender Verbundplatte ausgeführt.

Für die Stützweiten bis zu 32 m war mit 1,34 m durch Lichtraumprofil und Gleis­ lage schon eine recht niedrige Bauhöhe vorgegeben. Wegen der eingeschränkten Bauhöhe – die Stahlkästen sind nur etwa 1,10 m hoch – wurde zur Besichtigung der Konstruktion eine Inspektionsplattform auf Schienen eingebaut. Ähnliche Schwierigkeiten, wie man sie wegen der niedrigen Bauhöhe bei der Besichtigung im Innern des Kastens hat, wären auch beim Entfernen der Innenscha­ lung nach dem Betonieren der Verbund­ platte entstanden. Daher wurden Betonfer­ tigteile als verlorene Schalung eingesetzt, d. h. die Betonfertigteile wurden für die Tragfähigkeit der Verbundplatte nicht berücksichtigt. Gerade bei so niedrigen Bauhöhen ist die Reduzierung des effektiv wirksamen Quer­ schnitts um 5 bis 8 cm Bauhöhe der nicht mitwirkenden Fertigteile bei gleichzeitiger Gewichtserhöhung keine optimale Lösung. Eine bessere Alternative, die sich beson­ ders für kleinere und mittlere Spannweiten eignet, stellt der Einsatz von Groß­flächen­ schal­elementen dar, wie sie u. a. vor allem von Schüßler-Plan [Schmackpfeffer, 1999] entwickelt wurden. Circa 10 cm dicke Halb­ fertigteilplatten aus Beton werden auf die

9.3  Brücken in Verbund- und Mischbauweise

941

Bild 9.3-7   Querschnitt BW 231A

Stahlträger aufgelegt. Sie ersetzen die Scha­ lung und werden gleichzeitig in die endgül­ tige Verbundplatte integriert. In den Be­ reichen zwischen den Stegen spannen die Platten in Querrichtung. Es gibt zwei Ty­ pen: einfache Platten, die zwischen die in­ neren Längsträger in Querrichtung spannen und auskragende Platten, die auf dem äuße­ ren und dem ersten inneren Träger auflie­ gen. Damit diese auskragenden Platten auf den äußeren Träger ausgelegt werden kön­ nen, sind bei diesen die Kopfbolzendübel in Gruppen angeordnet und entsprechende Dübelaus­sparungen in den Platten vorgese­ hen, vgl. Bild 9.3-12. Folgende Besonder­ heiten kennzeichnen diese Großflächen­ schalelemente (siehe Bild 9.3-8): 1. Bei den Platten erfolgt die Schubsiche­ rung über eine Schubgirlande ohne obe­ ren Querstab. Ein Einfädeln der Beweh­ rung entfällt somit. Die Verbundfuge wird für den Endquerschnitt als volltra­ gend angesetzt. 2. Die Verbundwirkung in Längsrichtung wirkt bereits für den Zwischenzustand Stahlträger-Fertigteilverbund. Dies wird

durch die Verwendung von Doppeldü­ beln erreicht. Nach dem Verlegen der Fertigteilplatten werden die Längs- und Querfugen einschließlich der Dübel­ aussparungen vergossen. 3. Um eventuelle Toleranzen auffangen zu können und zur Abdichtung der Fuge werden die Fertigteile auf schmalen Elastomerstreifen auf den Stahlträgern gelagert. Bei den zu den Großflächenschalungen gehörenden Typenentwürfen sind nur in den Lagerachsen Querträger erforderlich. Diese Querträger können sowohl in Stahl, d. h. als Verbundträger in Querrichtung, als auch nur in Beton ausgeführt werden. Wird der Querträger wie im Bild 9.3-10 aus Beton hergestellt ist die planmäßige Unterbre­ chung der Stahllängsträger sinnvoll. Die Aufnahme des negativen Stützenmoments im Längsträger erfolgt dann über ein Kräfte­ paar mit zentrisch wirkender Zugkraft im Betongurt und entsprechender Druckkraft auf Höhe des Stahlträgeruntergurts. Die Zugkraft im Beton wird nur durch die Längs­ bewehrung in der Platte aufgenommen. Er­

942

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

a)

b)

c)

Bild 9.3-8   Großflächenschalungselemente: a) zweistegiger Stahlträger für Wirtschaftsweg; b) vierstegiger Stahlträger für RQ 10,5; c) einzelliger Kasten für Wirtschaftsweg; d) dreizelliger Kasten für RQ 10

9.3  Brücken in Verbund- und Mischbauweise

943

d)

35

20

30

Bild 9.3-8   (Fortsetzung)

380

35

450

Bild 9.3-9   Detail Stahlträgerauflager mit Doppeldübeln, Schubgirlande und Elastomer-Streifen

folgt die Übertragung der Druckkraft über den Beton des Querträgers, wird die Kraft über eine dicke Kopfplatte auf eine größere Fläche verteilt. Die Übertragung der Quer­ kraft erfolgt über Kopfbolzendübel. Diese werden bei unterbrochenen Trägern an Kopfplatten auf den Längsträgerenden an­ gebracht. Während der Montage wird also durch das Betonieren der Querträger und die Herstellung einer Zug-Druckkopplung

an den Innenstützen schon im Bauzustand eine Durchlaufwirkung, also die Übertra­ gung von Biegemomenten über der Stütze erreicht. Dies wirkt sich günstig auf die Be­ anspruchung der Stahlträger und damit auf das Stahlgewicht aus. Querträger aus Beton vereinfachen den Bauablauf auf der Baustelle, wenn die Stahl­ träger in vollständigen Einheiten ausgelie­ fert werden können und keine Stahlbau­

944

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bild 9.3-10   Querschnitt Betonquerträger mit Kopfplatte

arbeiten auf der Baustelle mehr erforderlich sind. Die Bilder 9.3-11 und 9.3-12 zeigen als Beispiel für diese Art der Teilvorfertigung zwei kleine Brücken nördlich von Ravens­ burg mit einer Spannweite von 28 m, die in Anlehnung an den Typenentwurf entwickelt wurden. Um die Fertigteilplatten im Krag­ armbereich zu halten wurden sie über den Randträger durchlaufend ausgebildet. Für die in Gruppen angeordneten Kopf­b olzen­ dübel waren entsprechende Aussparungen in den Fertigteilen vorgesehen. Beim Beto­ nieren der durchgehenden Ortbetonplatte wurden diese Dübelgruppen mit vergossen. Noch einen Schritt weiter in Bezug auf Vorfertigung geht die VFT-Bauweise für Verbundbrücken im kleinen bis mittleren Spannweitenbereich, [Doss et al., 2001],

[Schmitt et  al., 2000] und [Schmitt et  al., 2004]. Im Spannbetonbrückenbau ist der Einsatz mehrstegiger Plattenbalkenfertig­ teile einschließlich breiter Obergurte als Schalung für die Ortbetonplatte seit Jahren bekannt. Diese Idee wurde auf den Ver­ bundbau übertragen. Das Fertigteilelement besteht aus einem Stahlträger mit vorgefer­ tigtem Betonflansch, der den Träger bei Transport und Montage stabilisiert und gleichzeitig als Schalung für die Ortbeton­ fahrbahnplatte dient. Gegenüber einem üb­ lichen Spannbetonträger mit gleicher Stei­ figkeit hat der Verbundträger ein wesentlich geringeres Gewicht, so dass Transport und Montage der Fertigteile erleichtert werden (Bild 9.3-13). Die Fertigung und Montage erfolgt in drei Schritten:

9.3  Brücken in Verbund- und Mischbauweise

945

Bild 9.3-11   BW 1 bei Ravensburg, Stahlträger mit Kopfbolzendübel

1. Herstellen der Stahlträger im Stahlwerk: Auf den Obergurten werden die für die Verbundsicherung benötigten Kopfbol­ zendübel angebracht. Die Kopfbolzen haben unterschiedliche Höhen, um so­ wohl einen Verbund mit dem Fertigteil­ flansch als auch mit der Ortbetonschicht herzustellen. 2. Fertigung des Fertigteilobergurts: Der Stahlträger wird eingeschalt. Der Ober­ gurt wird bewehrt und betoniert. Der Stahlträger ist so gelagert, dass keine

Bild 9.3-12   BW 1, Dübelgruppen in Fertigteil­ aussparung

Spannungen im Träger eingeprägt wer­ den. 3. Montage auf der Baustelle: Das Fertigteil wird mit einem Kran auf die Hilfsjoche gehoben und die Ortbetonplatte beto­ niert. Durch den bereits vorhandenen Obergurt ist eine Montageaussteifung während des Betonierens nicht erfor­ derlich. Als besonderes Beispiel zeigt Bild 9.3-14 eine Ausführung als Rahmentragwerk. Bei der Überführung für die Staatsstraße Per­ lach-Unterhaching über die Bundesauto­ bahn A8 ist der VFT-Überbau biegesteif in die Widerlager eingebunden. So wurde eine Überbrückung von 42,7 m mit sehr schlan­ ken Trägern ohne Mittelunterstützung möglich. Da keine Lager und Fahrbahn­ übergänge vorhanden sind, ist die Brücke weniger unterhaltungsintensiv als eine Bal­ kenbrückenlösung. Die Fertigteil-Bauweise ermöglichte eine äußerst kurze Bauzeit von nur vier Monate nach Vergabe ohne Ein­ schränkung des Autobahnverkehrs. Eine ähnliche Idee wie der VFT Bauweise liegt dem Entwurf eines Verbundträgers

0

946

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Gewicht t je m Breite Gewicht t je m Breite

40,0 35,0

40,0 30,0 35,0 25,0

Spannbeton-FT Gt je m Breite

Spannbeton-FT Gt je m Breite

30,0 20,0 25,0 15,0

Spannbeton-FT Gt je m Breite

20,0 10,0

Verbund-FT Gt je m Breite

Verbund-FT Gt je m Breite

15,0 5,0 10,0 0,0 15,0 25,0 30,0 5,0

Verbund-FT Gt je m Breite

20,0 35,0

25,0 40,0

30,0 35,0 45,0 50,0 Trägerlänge in m

40,0

45,0 50,0 Trägerlänge in m

Bild 9.3-13   Gegenüberstellung der Transportgewichte von Spannbetonfertigteilen und VFT-Trä­ gern0,0 [Schmitt et al., 2000] 15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0 50,0 Trägerlänge in m

Bild 9.3-14   Rahmentragwerk Perlach-Unterhaching

ohne Stahlobergurt zugrunde [Kuhlmann/ Maier, 2002]. Zusätzlich zu den Dübellö­ chern entfallen der wenig wirksame Stahlo­ bergurt und mit ihm die teuren Längs­ schweißnähte. Der Steg ragt in die beiden Plattenteile aus Betonfertigteil und Ort­ beton hinein. Die Verbundwirkung wird durch an den Steg angeschweißte, liegende Kopfbolzendübel hergestellt. Verschiedene Forschungsarbeiten geben Auskunft über die Tragfähigkeit horizontaler in dünnen Betonplatten liegender bzw. randnaher Kopfbolzendübel [Breuninger/Kuhlmann, 2001], [Kürschner, 2003] und [Kuhlmann/ Raichle, 2005]. Regeln zur Berücksichti­ gung der reduzierten Dübeltragfähigkeit

bei horizontal oder randnah angeordneten Dübeln, die Spaltzugkräfte erzeugen kön­ nen, sind inzwischen im Anhang A von DIN 18800-5:2007-3 zu finden. Auch der neue DIN Fachbericht 104, Ausgabe 2009, verweist auf diese Regel. Weitere Erläute­ rungen zu den Hintergründen der Behand­ lung von horizontalen oder randnah ange­ ordneten Dübeln sind in [Kürschner/Kuhl­ mann, 2005] enthalten. Eine erste Umsetzung dieser Konstrukti­ onsform erfolgte bei der Erneuerung einer Wirtschaftswegbrücke bei Münsingen im Zuge der B465 im Bereich des Regierungs­ präsidiums Tübingen, vgl. Bild 9.3-15. Die im Grundriss gerade Brücke hat eine lichte

9.3  Brücken in Verbund- und Mischbauweise

Weite zwischen den Widerlagern von 26,0 m und ist 4,5 m breit zwischen den Geländern. Der gevoutete Überbau des zweistegigen Plattenbalkens verjüngt sich in seiner Kon­ struktionshöhe von ca. 2,0 m am Widerla­ ger bis ca. 0,8 m in Feldmitte, dabei bleibt die Dicke der Betonplatte konstant. Zuerst wurden an die beiden Stahlträger im Werk eine 10 cm bis 18 cm dicke Fertigteilplatte anbetoniert. Der Verbund erfolgte über eine untere Reihe liegender Kopfbolzendübel.

947

Diese Fertigteilverbundträger wurden dann als Einfeldträger auf die Widerlager gesetzt. Anschließend wurden die Widerlager bis Oberkante Fertigteil ausbetoniert, um so­ mit ein erstes Rahmentragwerk zu erhalten. Danach wurde die 20 cm dicke Ortbeton­ platte und das letzte Stück Widerlager zum endgültigen Rahmen ergänzt. Für die Ver­ bundwirkung mit dem Ortbeton war eine zweite Reihe liegender Kopfbolzendübel am Steg angeordnet, vgl. Bild 9.3-16.

Bild 9.3-15   Querschnitt der Wirtschaftswegbrücke bei Münsingen

Bild 9.3-16   Liegende Kopfbolzen vor dem Betonieren der Ortbetonschicht

948

Erste Überlegungen gibt es auch, diese Bauweise im Zusammenhang mit trapez­ förmig profilierten Stegblechen einzuset­ zen, vgl. [FOSTA P645, 2008]. Indem man auch hier auf den Stahlobergurt verzichtet und nur das profilierte Stegblech in den Be­ ton hineinragen lässt, gelingt es zum einen auf die durch die Querbiegesteifigkeit des Stegs erforderliche aufwendige Veranke­ rung des Stahlobergurts im Beton zu ver­ zichten (man vergleiche die konstruktiv schwierige Lösung bei der ausgeführten Pilotbrücke Talbrücke Altwipfergrund, [Roesler/Denzer 1999]). Zum anderen wirkt das profilierte Blech selbst als Verdübelung und führt zu einer beträchtlichen Tragfä­ higkeitssteigerung in der Verbundfuge. Der Grad der Vorfertigung der Fahrbahn­ platte hat also großen Einfluss auf die Wirt­ schaftlichkeit und unter Umständen auch auf die Gestaltung der Verbundbrücke.

Bild 9.3-17   Brücke Nr. 71

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

9.3.3  Einfluss des Bauablaufs 9.3.3.1  Eigengewichtsverbund Da Brücken in der Regel nach den elasti­ schen Grenzzuständen bemessen werden, kommt der genauen Verfolgung der Lastge­ schichte eine große Bedeutung zu. Das Sys­ tem während des Betonierens beeinflusst die Aufteilung der Schnittgrößen auf Stahlund Verbundquerschnitt. Durch geeignete Systemwahl für den Betonierzustand kann eine bestimmte Schnittgrößenaufteilung gezielt eingestellt werden. Dazu ein Beispiel aus dem Bereich der Wasser- und Schif­ fahrtsdirektion Mitte: Die Brücke Nr. 71, siehe Bild 9.3-17, über­ führt als Einfeldträger die Landstraße L104 über den Stichkanal bei Osnabrück [Kuhl­ mann, 1995]. Die Brücke hat eine Stützweite von 47 m und eine konische Trägerform.

9.3  Brücken in Verbund- und Mischbauweise

Der Brückenquerschnitt ist ein zweistegiger Plattenbalken, der im Abstand von ca. 8 m durch Querrahmen ausgesteift wird. Während des Betonierens im Bauzustand wurde die Brücke nicht an den Brückenen­ den an den Widerlagern, sondern auf den im Bild 9.3-17 dargestellten Hilfsstützen aufgelagert. Diese Hilfsstützen waren um 7 m nach Innen angeordnet, so dass sich die freie Stützweite auf 33 m verkürzte. Auf die­ ses Kragarmsystem wirkte der Hauptanteil der Eigenast aus Stahlgewicht, Schalungsge­ wicht und vor allem Frischbetonlast. Damit betrug das maximale Biegemoment in Trä­ germitte nicht ca. 17 MNm wie bei einer Lagerung an den Brückenenden, sondern

Bild 9.3-18   Momentenverteilung Brücke Nr. 71

949

nur noch 6,6 MNm. Der Biegemomenten­ anteil, der den reinen Stahlträger belastete, reduzierte sich also beträchtlich. Nach dem Erhärten des Betons wurden die Hilfsstützen freigesetzt. Infolgedessen wirkten zusätzlich zu den Ausbaulasten wie Kappen- und Asphaltgewicht die Auflasten aus den Hilfsstützen als Lasten auf den Ver­ bundträger. Dabei entstand ein relativ hohes Eigenlastmoment von 13,1 MNm. Dieses Moment beanspruchte dann den Verbund­ querschnitt mit der fertiggestellten Beton­ platte. Durch den Einsatz der Hilfsstützen ver­ minderte sich also der Biegemomentenan­ teil, der den reinen Stahlträger belastete, von

950

über 50% auf nur 20% des Gesamtbemes­ sungsmoments. Dagegen stieg das Eigen­ lastmoment auf den Verbundquerschnitt um ca. 30% auf 41% des Gesamtmoments. Durch das Montageverfahren wurden also ca. 30% des Gesamtmoments statt vom rei­ nen Stahlquerschnitt vom Verbundquer­ schnitt aufgenommen. Diese gezielte Verlagerung des Eigen­ lastmoments vom reinen Stahlquerschnitt auf den Verbundquerschnitt wird auch als Eigengewichtsverbund bezeichnet. Durch einen solchen Eigengewichtsverbund kön­ nen Bauglieder, deren Abmessungen sich überwiegend aus dem Bauzustand her­ leiten wie zum Beispiel die Stahlträger­ obergurte, erheblich kleiner ausgeführt werden. So beträgt z. B. beim Bauwerk Nr. 71 die Obergurtfläche an der maximal­ beanspruchten Stelle in Trägermitte nur ca. 40% der Untergurtfläche. Entsprechend er­ reicht das Gesamtstahlgewicht bezogen auf die Brückenfläche für Bauwerk Nr. 71 mit 152 kg/m2 einen vergleichsweise niedrigen Wert. Durch die gezielte Verlagerung der Eigen­lastbeanspruchung vom reinen Stahl­ querschnitt auf den Verbundquerschnitt wird also eine sehr wirtschaftliche Bemes­ sung möglich. Die wirtschaftlichste Lösung erzielt man durch einen vollständigen Ei­ gengewichtsverbund, also durch eine konti­

Bild 9.3-19   Eisenbahnüberführung in Horrem

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

nuierliche Unterstützung des Stahlträgers beim Betonieren, so dass das gesamte Ei­ genlastmoment durch den Verbundquer­ schnitt aufgenommen wird. Ein solches Bauverfahren ist aber nur in Ausnahmefäl­ len möglich. Die Brücke über die Hauptstra­ ße in Horrem im Bereich der Bundesbahn­ direktion Köln, siehe Bild 9.3-19, ist ein solches Beispiel. Im Zuge des Ausbaus der L163 musste die Eisenbahnüberführung über die Haupt­ straße in Horrem bei Köln erneuert wer­ den. Statt der ausgeschriebenen einfeld­ rigen mehrgleisigen Stahldeckbrücke wur­ de ein Sonderentwurf in Verbundbauweise ausgeführt. Hierbei lagen besonders schwierige Verkehrsverhältnisse vor. Der Straßenverkehr auf der Hauptstraße in Horrem musste während der gesamten Bauzeit aufrechterhalten werden und konn­ te nur für kurze Kraneinsätze am Wochen­ ende gesperrt werden. Auf der Brücke lagen die beiden Hauptgleise der Strecke Köln – Aachen, ein Überholungsgleis und ein Aus­ ziehgleis. Besonders die beiden Hauptgleise konnten nur für jeweils eine Nacht gerade für das Auswechseln der Überbauten un­ terbrochen werden. Der Brückenquerschnitt, siehe Bild 9.3-19, wurde an diese Montagebedin­ gungen angepasst. Er besteht aus sechs Ein­ zelüberbauten mit jeweils zwei Hauptträ­

9.3  Brücken in Verbund- und Mischbauweise

gern. Die Fugen- und Stoßeinteilung zwi­ schen den Überbauten erfolgte so, dass die vier Gleise jeweils genau auf einem dieser Einzelüberbauten zu liegen kamen. Die Verbundüberbauten wurden auf einem Vormontageplatz mit Betonplatte vollständig vorgefertigt. In drei nächtlichen Kraneinsätzen wurden dann die alten Überbauteile ausgehoben und die neuen Verbundüberbauten eingelegt. Unmittelbar nach dem Einlegen waren die Einzelüber­ bauten für sich schon wieder befahrbar. Erst später – dann schon unter Verkehr – wurden die Stöße in dem Mittelquerträger und den beiden Endquerträgern geschlos­ sen und damit das Trägerrostsystem herge­ stellt. Bei einer Stützweite von nur etwa 20 m war hier das Einzelgewicht der Über­ bauten trotz Betonplatte noch unter 100 t, so dass ein Einheben mit einer vernünfti­ gen Krangröße noch möglich war. Die Transportmöglichkeiten, also Ab­ messungen und Gewicht der Einzelüber­ bauten, haben hier den Einsatz einer Ver­ bundkonstruktion ermöglicht. Die Stahl­ betonverbundplatte war vor allem deshalb eine wirtschaftlich günstige Alternative, weil sie auf dem Vormontageplatz mit einer von unten kontinuierlich unterstützten Schalung erstellt werden konnte. Erst nach dem Einheben des vorgefertigten Über­ baus wirkte das gesamte Konstruktionsge­ wicht auf das System und damit auf den Verbundquerschnitt. Mit diesem vollstän­ digen Eigengewichtsverbund wurde für die Bemessung die optimale Schnittgrößen­ aufteilung im Verbundquerschnitt erreicht. So betrug das Verhältnis der Obergurtflä­ che des Stahlquerschnitts zu seiner Unter­ gurtfläche nur noch ca. 25%. Ähnlich wie durch die Unterstützung beim Betonieren kann auch durch die Rei­ henfolge der Betonierabschnitte oder das nachträgliche Schließen von Gelenken, d. h. von Baustellenstößen, Einfluss auf den inneren Spannungszustand im Verbund­ querschnitt und die Verteilung der Eigen­

951

lastschnittgrößen in einem statisch unbe­ stimmten Längssystem genommen werden. So wird durch das nachlaufende Betonieren der Stützquerschnitte, dem sogenannten Pilgerschrittverfahren, die Betonplatte über der Stütze nur aus Ausbaulasten und Ver­ kehrslasten auf Zug beansprucht. Diese Maßnahme, die der Rissweitenbegrenzung in der bewehrten, nicht vorgespannten Be­ tonplatte über der Stütze dienen soll, erfor­ dert ein sehr zeit- und kostenaufwendiges Verfahren des Schalwagens im Vor- und Rücklauf. Es stellt sich die Frage, ob nicht durch sorgfältige Fahrbahnabdichtung ge­ gen Tausalz, konstruktiv sinnvolle Beweh­ rung bzw., wo möglich, auch begrenztes Vorspannen qualitativ gleichwertige, aber kostengünstigere Verbundbrücken erreicht werden. 9.3.3.2  Vorspannung Ebenso von großer Bedeutung im Hinblick auf die Fertigung ist die Wahl der Vorspan­ nung in der Betonplatte. Man kann in Längs- und Querrichtung oder nur in je­ weils einer Richtung vorspannen. Vorspan­ nung in Längsrichtung lässt sich sowohl mit Hilfe von Spanngliedern als auch durch Montagemaßnahmen erreichen. Die Vorund Nachteile müssen bei jeder Bauaufgabe neu abgewägt werden. Bei üblichen Plattendicken von 30 bis 35 cm ist eine Spanngliedvorspannung in beiden Plattenrichtungen konstruktiv schwierig herzustellen. Die Bewehrungs­ dichte bei zwei Spanngliedrichtungen, die zusätzlich erforderliche schlaffe Bewehrung und eventuelle Einbauten für Entwässerung und Ähnliches erschweren das Einbringen und Verdichten des Betons. Grundsätzlich sollte man also eine Spanngliedvorspan­ nung immer nur in einer Brückenrichtung, längs oder quer, vorsehen. Die Brücke Arminiusstraße, gebaut von der Firma Dörnen Stahlbauwerke, Dort­

952

mund, und Hochtief, Dortmund, im Auf­ trag der Stadt Dortmund, ist hierfür ein Beispiel [Kuhlmann, 1995] (Bild 9.3-20). Die Brücke Arminiusstraße hat einen typischen zweistegigen Plattenbalkenquer­ schnitt. Die beiden Hauptträger haben einen Abstand von 7 m, die Kragarmlänge beträgt 3,75 m. Wegen dieser Stützungsver­ hältnisse ist die Fahrbahnplatte in Brücken­ querrichtung mit Spanngliedern vorge­ spannt. Auf eine Spanngliedvorspannung in Brückenlängsrichtung wurde jedoch bewusst verzichtet. Statt dessen wurde eine Längsvorspannung durch Montagemaß­ nahmen erzeugt. Die Brücke wurde in überhöhter Lage be­ toniert. Nach dem Erhärten des Betons wur­ de die Brücke um ca. 30 cm an den Pfeilern planmäßig abgesenkt, wodurch über den In­ nenstützen eine Druckvorspannung in der Fahrbahnplatte erzeugt wurde. Die erforder­ liche Betonstahlbewehrung (an den Innen­ stützen) wurde damit deutlich reduziert. Allerdings erzeugt solch eine Vorspannung, egal ob durch Absenkung oder Spannglieder, nicht nur eine Druckbeanspruchung in der Platte, sondern auch Zugbeanspruchung im Stahlträgeruntergurt, und das nicht nur über den Stützen, sondern auch im ohnehin zug­ beanspruchten Feldbereich. Infolge einer solchen Absenkmaßnahme zur Vorspan­ nung muss in der Regel also der Stahlträger­ untergurt verstärkt werden. Ein weiteres Beispiel für Längsvorspan­ nung, hier jedoch mit Spanngliedern, ist die 1995 erneuerte Moselbrücke zwischen

Bild 9.3-20   Querschnitt Brücke Arminiusstraße

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Bernkastel und Kues. Der Überbau besteht aus einem zweizelligen Stahlkasten mit einem gemeinsamen Mittelsteg und einer durchgehenden Betonfahrbahnplatte. Durch die Unterstützung der drei Stege konnte auf eine Quervorspannung der Platte verzich­ tet werden. In Längsrichtung ist die Brücke durch Spannglieder vorgespannt. Die Trä­ gerhöhe variiert zwischen 2 m und 4,3 m. An den Pfeilern werden durch das sta­ tische System ebenso wie durch den Beto­ niervorgang besonders hohe Stützenmo­ mente erzeugt, das heißt hohe Zugkräfte in der Fahrbahnplatte oben und hohe Druck­ kräfte im Untergurt. Die hohen Zugkräfte in der Fahrbahnplatte werden durch die Längs­ vorspannung überdrückt. Die hohen Druck­ kräfte im Untergurt werden nicht wie üblich durch ein dickes eng ausgesteiftes Stahl­ blech aufgenommen, sondern durch einen Doppelverbundquerschnitt mit Bodenplat­ te aus Beton. Sie ist ca. 29 m lang und zwi­ schen 25 und 50 cm dick. Anhand der schematischen Darstellung im Bild 9.3-21 wird der Bauablauf der Brü­ cke erläutert. Als erstes wurden die drei Teile des Stahlüberbaus im Werk als Groß­ bauteile von 7,5 m Breite und jeweils ca. 50 m Länge mit Hilfe eines Schwimmkrans montiert. Dabei wurde der Mittelteil gelen­ kig zwischen die zuvor aufgelegten Seiten­ teile eingehängt. Nachdem die Baustellen­ stöße verschweißt waren, wurden an den Brückenenden die Lager abgebaut und so der Überbau an den Widerlagern freige­ setzt.

9.3  Brücken in Verbund- und Mischbauweise

953

25 cm

25 cm

Bild 9.3-21   Bauablauf Moselbrücke Bernkastel-Kues

Durch das Freisetzen lag für die dann folgenden Betoniervorgänge ein eindeu­ tiges statisch bestimmtes System vor. An­ schließend wurde symmetrisch zu den Pfeilern betoniert. Das fing mit dem Beto­ nieren der Betonbodenplatten und der Pfeilerquerträger an und setzte sich im glei­ chen Sinne beim Betonieren der Fahrbahn­ platte in insgesamt sechs Betonierabschnit­ ten fort. Durch das Verhältnis Feldlänge gleich etwa doppelte Kragarmlänge wurden beim Betonieren wie an einem Wiegebal­ ken immer links und rechts vom Pfeiler die gleichen Beanspruchungen erzeugt. Da das Betonieren am Pfeiler begann, wirkte der Hauptanteil der Beanspruchung auf den Verbundquerschnitt. Durch das doppelte Kragarmsystem erhielten die Stahlober­ gurte beim Betonieren praktisch nur Zug­ beanspruchung. Sie konnten daher sehr wirtschaftlich ausgelegt werden. Im zwölf­ ten Schritt wurden die Brückenenden um ca. 25 cm angehoben und eine Lagerung eingerichtet. Durch das Anheben wurde im Tragwerk planmäßig ein Zwängungszu­ stand eingeprägt. In diesem Fall diente die Montagemaßnahme nicht zur Vorspan­ nung des Systems sondern zur Erhöhung des Anpressdrucks an den Widerlagern.

Nach dem Anheben wurden die End­ querträger betoniert, die Lager eingebaut, die Brücke mit Kappen und Asphalt ausge­ rüstet. Dann konnte der Verkehr von der alten Moselbrücke auf die neue Brücke um­ geleitet werden. Anschließend wurde die alte Brücke abgebrochen. Ihre Pfeiler und Widerlager wurden saniert und für die Auf­ nahme der neuen Brückenkonstruktion vorbereitet. Während einer Sperrzeit für den Verkehr wurde die neue Brücke aus der Umfahrungslage um ca. 13 m in ihre end­ gültige Lage quer verschoben. Danach wur­ de die Brückenausrüstung vervollständigt, die Fahrbahnübergänge eingebaut, die La­ ger wieder eingerichtet usw. Anschließend konnte die Brücke wieder für den Verkehr freigegeben werden. Die Moselbrücke Bernkastel-Kues ist ein besonderes Beispiel dafür, wie durch die Montagefolge und durch gezielte Montage­ maßnahmen die Beanspruchungen im Ver­ bundquerschnitt maßgeblich beeinflusst werden. Man hat hier gezielt durch das Freisetzen an den Widerlagern und die Be­ tonierfolge Eigenlastschnittgrößen zum Verbundquerschnitt an die Pfeiler verla­ gert. „Teurer“ Stahlobergurt ist hier durch Spanngliedlängsvorspannung ersetzt wor­

954

den. Nach der Diskussion über Spannglied­ vorspannung in dünnen Betonstegen wür­ de man heute möglicherweise im Sinne der Überwachung und Auswechselbarkeit ähn­ lich wie bei Spannbetonüberbauten die Längsspannglieder als externe Spannglie­ der im Kasten führen. 9.3.4  Systemabhängige Bauabläufe 9.3.4.1  Allgemeines Bauabläufe werden maßgeblich durch die äußeren Rahmenbedingungen bestimmt, wie Zugänglichkeit der Baustelle, Möglich­ keiten der Hilfsunterstützung und freie Mon­tageflächen. Aber ebenso gibt es Rand­ bedingungen, die sich aus dem statischen System ergeben. Eine Schrägseilbrücke wird typischer Weise im Freivorbau errichtet, in­ dem mit wachsendem Kragarm nach und nach die verschiedenen Seilebenen eingezo­ gen werden können. Bei Hängebrücken müssen als erstes immer die Pylone errich­ tet und das Tragkabel eingezogen werden. Beide Systeme sind Beispiele dafür, dass die statischen Systeme im End- und im Bauzu­ stand die gleichen sind. Ein unschätzbarer Vorteil, wenn gerade für große Spannweiten im Bauzustand kein Hilfssystem erforder­ lich ist. Anders ist es bei Bogensystemen: Die Vorteile der Bogenwirkung, Abtragung der Lasten über Drucknormalkräfte, kom­ men erst dann zur Wirkung, wenn der Bogen geschlossen ist. Bei Stabbogenbrü­ cken muss sogar der Fahrbahn- und Ver­ steifungsträger als Zugband angeschlossen sein, um das statische System des Endzu­ stands zu aktivieren. Da also in jedem Fall Hilfskonstruktionen erforderlich sind und die für möglichst geringe Lasten ausgelegt werden sollten, heißt ein Grundsatz bei der Montage von Bogenbrücken mit Ver­ bundfahrbahn, dass immer erst das Bogen­ system zu schließen ist, bevor die Beton­ fahrbahnplatte betoniert wird. Die folgen­

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

den Beispiele von Stabbogenbrücken bzw. „echten“ Bogenbrücken zeigen deshalb vor allem typische Verfahren zur Montage der Stahlunterkonstruktion. Die Erstellung der Betonfahrbahnplatte folgt den üblichen Verfahren, siehe 9.3.2. Wichtiger systemab­ hängiger Punkt ist hier allerdings die Berücksichtigung, dass Bogensysteme emp­ findlich auf unsymmetrische Lasten reagie­ ren, siehe Abschnitt 5.4.4.1, und man des­ halb am besten auch symmetrisch betoniert, d. h. zum Beispiel von der Mitte beginnend immer abwechselnd zu beiden Seiten. 9.3.4.2  Montage von Stabbogenverbund­ brücken Erst wenn Bogen und Versteifungsträger geschlossen und miteinander verschweißt sind, wirkt das Stabbogensystem. Bis dahin braucht die Konstruktion zusätzliche Unter­ stützungen zwischen den Lagerpunkten. Vorteilhaft ist natürlich, wenn diese Un­ terstützung am eigentlichen Einbauort er­ folgen kann, wie zum Beispiel bei der Mon­ tage der Amperbrücke [Hagedorn et al., 1997], siehe Bild 9.3-22. Hier war es mög­ lich im Überflutungsgebiet der Amper Hilfsunterstützungen zu setzen, die die Spannweite von 70,2 m auf 40,2 verkürz­ ten. Der Trägerrost wurde in 4 Achsen ge­ lagert und diente zur Unterstützung der Bogenhilfsstützen, auf die die jeweils zwei Bogenschüsse abgesetzt wurden. Nach Ver­ schweißen der Bogen wurden als letzter Schritt die Hänger eingebaut. Bogenhilfs­ stützen und Hilfslager konnten dann ent­ fernt werden und das Gesamtsystem wurde auf Verschubbahnen an den Auflagerbän­ ken in die Endlage quer verschoben. Von dieser typischen Reihenfolge: 1. Fahr­ bahnrostfertigstellung, 2. Bogenmontage, 3. Hängermontage wird nur in sehr seltenen Fällen abgewichen. Ein Beispiel hierfür ist die Saalebrücke Beesedau [Heiland et al., 2000], wo es ebenfalls möglich war, Hilfs­

9.3  Brücken in Verbund- und Mischbauweise

Bild 9.3-22   Montageablauf Amperbrücke

955

unterstützungen vor Ort vorzu­sehen, die aber in diesem Fall direkt der Bogenmon­ tage dienten. Günstig für den gesamten Zeitablauf wurde parallel dazu der Fahr­ bahntrog unabhängig hinter dem Wider­ lager erstellt und in Taktschiebebauweise montiert. Erst nach Fertigstellung beider unabhängiger Systeme erfolgte die eigent­ liche Kopplung zwischen Bogen und Fahr­ bahntrog und der Einbau der Hänger. Häufig ist es aber gerade an schiffbaren Wasserwegen nicht möglich, Hilfsunter­ stützungen zu errichten. Hier hängt die Montageart wesentlich vom möglichen Montageplatz ab. Bei der Brücke Fischer­ dorf z. B. konnte die Stahlkonstruktion auf der schon fertiggestellten Spannbetonvor­ landbrücke zusammengebaut werden, sie­ he Bild 9.3-23. Der Zusammenbau zum kompletten Stab­ bogensystem erfolgte auf dicht unterstützter Zulage. Zum Verschieben wurde die Brücke nach dem Freisetzen vorne auf Pressen mit Gleitschuhen aus Teflon-Gleitlagern und hinten durch schnabelförmige Verlänge­ rungen auf gummibereiften Plattformwagen abgestützt. Nach dem Vorrollen auf der Ver­ schubbahn wurde der Überbau vorne auf ein Schiff umgelagert, das in der 2. Hängerachse, die entsprechend durch eine Bogenstütze verstärkt war, die Brückenlagerung über­ nahm. Zur Stabilisierung während Vorrollen und Einschwimmen wurden die Hänger un­ tereinander durch einen Hilfsverband und der Bogen durch eine Bogenstrebe gehalten. Nicht immer kann solch ein günstiger „Fahrweg“ durch Vorlandbrücken zur Ver­ fügung gestellt werden. So konnte zum Bei­ spiel die Elbebrücke Dömitz [Lüesse et al., 1993] nur hinter dem Widerlager auf einem Straßendamm erstellt werden und musste dann durch Verschieben auf dem Damm und Einschwimmen mit zeitweise auch 2 Pontons längs in die Endlage transpor­ tiert werden. Dazu gehörte ein mehrma­ liges Umsetzen auf verschiedene Lager­ punkte, entsprechend viele verschiedene

956

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

Vormontage

Vorschieben

Einschwimmen

Bild 9.3-23   Montageablauf Donaubrücke Fischerdorf

Zwischenzustände und statische Systeme, die auch für die Dimensionierung der Stahl­ konstruktionen zum Teil maßgebend wur­ den. Da Stabbogenbrücken vergleichsweise niedrige Versteifungsträger und Stege ha­ ben, ist eine Längseinschieben mit festen Lagerpunkten, die gezielt verstärkt werden können, trotz dieses Aufwands aber in der Regel sinnvoll. Unter Umständen befindet sich der Vor­ montageplatz gar nicht in unmittelbarer Einbaunähe, so dass Längs- und Querver­ schieben nicht möglich sind. Bild 9.3-24 zeigt das Einschwimmen des Bogenfelds der Grenzbrücke über die Oder bei Frank­ furt [BMVBW, 2003]. Hier wurde die Stahl­ konstruktion der Stabbogenverbundbrücke vollständig auf einer schwimmenden Mon­ tageplattform, bestehend aus mehreren Pontons, auf der Oder in ca. 300 m Entfer­ nung vom Einbauort zusammengebaut. Gerade die letzten Beispiele zeigen, dass Verbundlösungen, die ein „leichtes“ Stahl­ stabbogensystem im Bauzustand für das

Verschieben und Einschwimmen und das spätere Betonieren haben, sich für die Über­ brückung schiffbarer Wasserwege ohne Möglichkeiten der Hilfsunterstützung be­ sonders eignen. 9.3.4.3  Montage von echten Bogenbrücken Da eine Bogenwirkung erst existiert, wenn auch das letzte Schlussstück des Bogens kraftschlüssig eingesetzt ist, müssen für die Herstellung des Bogens umfangreiche Ab­ stützungen vorgesehen werden. Bei Bogentragwerken wie die Wilde Gera [DEGES, 2000] oder die Brücke Alb­ rechtsgraben [DEGES, 2001], bei denen ein einzelliger Stahlkasten mit Verbundplatte auf einem geschlossenen Betonbogen auf­ geständert ist, kann die Bogenmontage unabhängig vom Überbau durch Freivor­ bau mit Abspannungen erfolgen. In beiden genannten Fällen wurden anschließend die hinter den Widerlagern zusammengebau­

9.3  Brücken in Verbund- und Mischbauweise

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Bild 9.3-24   Montage Grenzbrücke über die Oder

ten offenen Stahlkästen durch Längsver­ schub über die Aufständerungen des Beton­ bogens geschoben. Anschließend erfolgte die Erstellung der Verbundfahrbahnplatte mit Schalwagen wie in 9.3.2.2 beschrieben. Schwieriger ist die Montage, wenn der Fahrbahnträger selbst den Bogen schließt, wie zum Beispiel bei der Elbebrücke Pirna [Eilzer et al., 1999] oder der Isarbrücke Grünwald [Fink, 1999]. Bei der Isarbrücke Grünwald, siehe System Bild 9.3-25, war es möglich Hilfsjoche auch in die Isar bzw. den Isarkanal zu stellen. Dadurch konnten die leichten Bogenträger aus Stahlkästen zu­ sammen mit den Versteifungsträgern (eben­ falls Stahlkästen) und den Ständern direkt vom Lkw gehoben und auf Lager und Joche aufgelegt und dort verschweißt werden. Für die Elbebrücke Pirna mit Betonbo­ gen erfolgte die Herstellung der Bogenhälf­ ten über der Elbe und die gleichzeitige Montage der Überbauschüsse im Freivor­ bau mit Hilfspylon und Hilfsabspannung. Bild 9.3-26 zeigt die Montagefolge des Frei­ vorbaus. Durch die vorgezogene Erstellung der landseitigen Bogenhälfte konnte zu einem

recht frühen Zeitpunkt die Bogendruck­ kraft über den Überbau kurzgeschlossen werden. Das Schlussstück des Überbaus, das gleichzeitig auch den großen Bogen mit 134 m Spannweite über die Elbe schließt, wird mit Hilfe eines Schwimmkrans mon­ tiert. Danach können die Hilfspylone und Abspannungen abgebaut werden. Bei einer solch aufwendigen Abspannungskonstruk­ tion stellt sich schon die Frage, ob nicht eine Schrägseilbrücke mit gleicher Abspannung im Bau- und im Endzustand hier wirt­ schaftlicher gewesen wäre. Anschließend folgte wie auch in den anderen Beispielen die Herstellung der Betonfahrbahnplatte mit konventioneller Schalwagenkonstruk­ tion. Erstaunlich ist auch, dass im Zusam­ menhang mit solchen Verbundbogentrag­ werken und den Schwierigkeiten im Frei­ vorbau diesen schweren Betonbogen zu schalen, zu bewehren und zu betonieren, man zumindest nach unserem Wissen bis­ her noch keinen echten Verbundbogen re­ alisiert hat. Überlegungen hierzu sind u. a. auch im Rahmen einer Dissertation [Weiß­ bach, 2006] erfolgt.

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Bild 9.3-25   Ansicht Isarbrücke Grünwald

Bild 9.3-26   Montageablauf Elbebrücke Pirna

9  Herstellung und Ausführungsmethoden

10 Brückenausrüstung

10.1  Fahrbahnausbildung und Dichtungen Ursula Freundt

(bis 10.2; in die Abschnitte 10.1 und 10.2 sind Aus­ arbeitungen von Günter Ramberger eingeflossen)

10.1.1  Fahrbahnen von Straßenbrücken 10.1.1.1  Fahrbahnplatten-Stahl (orthotrope Platte) Jede Brücke ist ein Bestandteil eines Stra­ ßenzugs. Der Fahrbahnbelag der Brücke sollte sich daher nicht von dem des Stra­ ßenzugs unterscheiden. Brücken mit Stahl­ deck erhalten normalerweise bituminöse Brückenbeläge, Gehwege öfter auch reak­ tionsharzgebundene Dünnbeläge. Der Fahrbahnbelag besteht aus Dich­ tungsschicht, Schutzschicht und Deck­ schicht (Bild 10.1.1-1). Die Stahloberfläche wird für den Korrosionsschutz mit mecha­ nischer Oberflächenvorbereitung durch Strahlen oder durch Flammstrahlen nach

EN ISO 12944 vorbereitet. Bei Flammstrah­ lentrostung ist dafür zu sorgen, dass die Be­ schichtung an der Deckblechunterseite kei­ nen Schaden erleidet. Nach dem Flamm­ strahlen ist die Oberfläche mit mecha­ nischen Bürsten zu reinigen. Das Strahlgut muss umweltgerecht entsorgt werden. Auf die so vorbereitete Fläche folgt die Grundie­ rungsschicht als Korrosionsschutz. Sie be­ steht aus bituminösen Beschichtungsstoffen oder Reaktionsharzbeschichtungsstoffen, meist mit haftver­bessernden Zusätzen. Da­ rauf folgen die Haftschicht und die Klebe­ schicht aus bituminösen Stoffen oder lö­ sungsmittelfreien Harzen mit guten Klebe­ eigenschaften, gegebenenfalls mit einer Abstreuung. Klebe- und Haftschicht zu­ sammen, manchmal auch an deren Stelle eine Schicht, bilden die Dichtungsschicht. Da­rauf folgt die Schutzschicht aus Gussas­ phalt, Splittmastix­asphalt oder Asphaltbe­ ton mit einem Hohlraumgehalt 50 km/h. Bei zulässigen Geschwindigkeiten bis zu vzul ≤ 50 km/h sowie bei Überführungen von land- und forstwirtschaftlichen Wegen genügen in der Regel Schrammborde mit einer Höhe von 0,15 m bis 0,20 m und es kann auf die Anordnung der Schutzein­ richtung verzichtet werden. Die Querschnittsausbildung richtet sich nach der erforderlichen Breite für den Fuß­ gänger- bzw. Radverkehr und den erforder­ lichen Sicherheitsabständen. Die Bilder 10.4.1-2 und 10.4.1-3 zeigen die Kappen­

10.4.1  Kappen von Straßenbrücken Die Kappen bilden den Schrammbordbe­ reich und damit die seitliche Begrenzung der Fahrbahn für die sichere Führung des Fahrzeugverkehrs. Durch den Bordan­ schlag und die Schutzeinrichtung wird ein abirrendes Fahrzeug aufgefangen und wie­ der auf die Fahrbahn zurückgelenkt. Insbe­ sondere soll verhindert werden, dass Fahr­ zeuge von der Brücke stürzen bzw. bei meh­ reren Richtungsfahrbahnen auf die Gegen­ fahrbahn gelangen. Die Regelausführung für die Kappenausbildung im Randbereich ist im Bild 10.4.1-1 dargestellt. Diese Quer­

Bild 10.4.1-2  Kappenausbildung auf Wirt­ schaftswegüberführungen

Bild 10.4.1-1  Kappenausbildung auf Bauwer­ ken nach [RIZ-ING, 2008]

Bild 10.4.1-3  Kappenausbildung für gemein­ samen Geh-Radweg (vzul ≤ 50 km/h)

10.4  Schrammborde, Schutzeinrichtungen, Kappen und Geländer

dachbahn angeordnet. Dennoch wird zur Vermeidung von breiten Rissen eine hohe Mindestbewehrung in Längsrichtung vor­ gesehen. Die starken Beanspruchungen durch Frost und Tausalze stellen hohe An­ forderungen an den Beton. Zum Ein­satz kommen Betone mit einem höheren Luft­ porengehalt. Die Betonfestigkeit sollte möglichst gering sein, um die Zwangsbean­ spruchungen gering zu halten. 10.4.2  Kappen auf Eisenbahnbrücken Die Kappen auf Eisenbahnbrücken bilden wie bei Straßenbrücken den seitlichen ­Abschluss der Fahrbahn und stützen zu­ sätzlich das Schotterbett des Eisenbahn­ gleises. Bild 10.4.2-1 zeigt die typische Aus­ bildung der Randkappe auf einer Eisen­ bahnüberführung mit Schotterabfangung in Anlehnung an die Richtzeichnung M-RKP 1602 [DB Netz AG, 2000]. Der Dienstweg auf der Randkappe dient der Besichtigung des Bauwerks und der Gleisanlagen. In dem Kabeltrog werden die erforderlichen bahntechnischen Leitungen und Kabel verlegt. Auf großen Brücken der

Gleisachse

ausbildung für die Überführung eines Wirtschaftswegs bzw. für einen Rad- Geh­ weg. Neben der Sicherungsfunktion für den Fahrzeugverkehr haben die Kappen auch konstruktive und gestalterische Aufgaben zu erfüllen. Sie überdecken den seitlichen Abschluss (Kragarmstirnseite) des Über­ baus und der Dichtungsschicht. Die Ausbil­ dung des Gesimsbands trägt wesentlich zur Gesamtansicht des Brückenbauwerks bei. In der Kappe werden häufig die im Zu­ ge der Straßentrasse verlaufenden Versor­ gungsleitungen überführt. Die einzelnen Leitungen und Kabel werden zweckmäßi­ gerweise in einbetonierten Schutzrohren verlegt, um sie auswechseln zu können. Die Kappen werden üblicherweise fu­ genlos über die gesamte Überbaulänge geführt und unterliegen damit in Längs­ richtung einer starken Schwind- und Tem­ peraturbehinderung. Um diese Beanspru­ chungen möglichst gering zu halten, erfolgt die Befestigung der Kappe über Anschluss­ bewehrung nur an der Stirnseite des Über­ baus. Zwischen der Dichtungsschicht und der Auflagerfläche der Kappe wird zusätz­ lich eine Schutzlage aus einer Bitumen­

993

Bild 10.4.2-1  Betonkappe mit Schotterwand auf Eisenbahnbrücke

994

10  Brückenausrüstung

Bild 10.4.2-2  Randkappen gemäß Rahmenplanung Neubaustrecken [Prommersberger/Rojek, 1987]

Neubaustrecken werden die Oberleitungs­ masten in der Randkappe verankert. Der Dienstweg wird so breit ausgeführt, dass auf diesem entsprechende Geräte für die Brü­ ckeninspektion aufgestellt werden können, ohne den Fahrbetrieb zu beeinträchtigen. Die typische Ausbildung zeigt Bild 10.4.2-2 aus [Prommersberger/Rojek, 1987]. 10.4.3  Geländer und Leiteinrichtungen Das Geländer als äußere Begrenzung des Brückenquerschnitts soll in erster Linie den

Brückenbenutzer vor einem Absturz schüt­ zen. Dieser Schutz kann vom Geländer nur für den Fußgänger- und Radfahrerverkehr in vollem Umfang gewährleistet werden. Für die Rückhaltung des Fahrzeugverkehrs werden, wie im Abschnitt 10.4.1 beschrie­ ben, Schrammborde bzw. Schutzeinrich­ tungen am Fahrbahnrand angeordnet. Geländer werden üblicherweise aus Stahl oder Aluminium gefertigt. Aus ge­ stalterischen Gründen oder in Abhängig­ keit vom jeweiligen Brückenbauwerk sind auch Holzgeländer oder Beton- oder ­Mauerwerksbrüstungen möglich.

10.4  Schrammborde, Schutzeinrichtungen, Kappen und Geländer

Neben Rad- und Gehbahnen werden Füllstabgeländer eingesetzt, weil sie eine höhere Sicherheit gegen das Abstürzen von Kindern und Kleintieren sowie das Herab­ fallen von Gegenständen bieten. Möglich sind auch Drahtgitterausfachungen der einzelnen Geländerfelder. Die Geländerhö­ he beträgt neben Fußgängerwegen mindes­ tens 1,00 m. Neben Radwegen ist sie um 20 cm auf 1,20 m zu erhöhen. Bei Brücken außerhalb von Ortschaften mit vorhandenen Notgehbahnen und ne­ ben Dienstwegen auf Eisenbahnbrücken sind Holmgeländer (Knieleistengeländer) ausreichend. Bei Straßenbrücken mit einer Länge über 20 m zwischen den Flügelenden wird im Handlauf des Geländers ein durchlau­ fendes Drahtseil angeordnet. Im Falle eines Fahrzeuganpralls soll dieses die Anprallen­ ergie auf die gesamte Geländerlänge vertei­ len und das Durchbrechen des Fahrzeugs verhindern. Das Geländer selbst und deren Verankerung im Kappenbeton wird dabei natürlich zerstört. Schutzeinrichtungen auf Brücken wer­ den nach [DIN EN 1317, 2007] entspre­

Bild 10.4.2-3  Betongleitwand mit Geh- Radweg

995

chend ihrer Leistungsfähigkeit beurteilt und auf der Grundlage von Anprall­ versuchen mit realen Fahrzeugen Leistungs­ klassen zugeordnet. Die Einteilung in Leistungsklassen wird anhand der Kriterien • Aufhaltestufe, • Wirkungsbereichsklasse und • Anprallheftigkeitsstufe vorgenommen. Art und Umfang der Prüfungen sind in [DIN EN 1317-2, 2007] geregelt. Die Aufhaltestufe kennzeichnet dabei das Aufhaltevermögen der Schutzeinrich­ tung in Abhängigkeit von Fahrzeugmasse, Anprallwinkel und Anprallgeschwindigkeit bei den Anprallprüfungen. Die Wirkungs­ bereichsklasse ist charakterisiert durch die maximale dynamische Durchbiegung der Schutzeinrichtung. Die Anprallheftigkeits­ stufe dient der Abschätzung der Belastung von Fahrzeuginsassen beim Aufprall auf die Schutzeinrichtung. Die auf Brücken erforderlichen Aufhal­ testufen nach [RPS, 2009] sind in Tabelle 10.4.4-1 zusammengestellt.

996

10  Brückenausrüstung

Tabelle 10.4.4-1   Erforderliche Aufhaltestufen auf Brücken in Anlehnung an [RPS, 2009] Straßen mit Gefahren­ bereich unterhalb der Brücke Besondere Gefährdung Dritter Gefährdung Dritter und (besondere) Gefährdung von Fahr­ zeug­insassen

Vzul > 100 km/h und Autobahnen und autobahnähnliche Straßen mit Vzul ≤ 100 km/h

Vzul ≤ 100 km/h und DTV(SV) > 500Kfz/24h

Vzul ≤ 100 km/h und Vzul ≤ 50 km/h DTV(SV) ≤ 500Kfz/24h

H4b

H2

H2

H1

H1

Schrammborde mit einer Höhe von 0,15 m–0,20 m und Geländer mit Seil gemäß RIZ-ING

H2

H2

Für Schutzeinrichtungen auf Brücken muss durch zusätzliche Messungen bei der Anprallprüfung nachgewiesen werden, welche Kräfte durch die Schutzeinrichtung und das Fahrzeug in das Bauwerk einge­ leitet werden [RPS, 2009]. Empfohlene Werte für die durch Schutzeinrichtungen übertragenen Horizontalkräfte sind in [DIN-FB 101, 2009] enthalten. Als Schutzeinrichtungen auf Brücken können Schutzplanken aus Stahl oder auch Gleitwände aus Beton eingesetzt werden. Bei Schutzplanken aus Stahl wird die Aufprallenergie des Fahrzeugs durch Ver­ formung der Schutzplanken absorbiert und das Fahrzeug wird in den Fahrbahnbereich zurückgeleitet. Gleitwände aus Beton verhindern durch ihre Formgebung ein Aufsteigen des ab­ irrenden Rades und leiten dieses auf die Fahrbahn zurück. Bild 10.4.2-3 zeigt die Anordnung einer Betongleitwand auf einem Brückenbauwerk mit einem dahin­ ter angeordneten Geh- und Radweg. Umfangreiche theoretische Untersu­ chungen und praktische Anprallversuche wurden von der Bundesanstalt für Straßen­

wesen durchgeführt [BASt, 2005]. Bei der BASt sind auch Informationen zu Fahr­ zeuginsassenbelastung und Wirkungsbe­ reichsklassen der geprüften Systeme zu be­ ziehen.

10.5  Brückenentwässerungen Günter Ramberger und Francesco Aigner (bis 10.7) Früher war es üblich, Niederschlagswässer auf kürzestem Weg von der Brückenober­ fläche in das darunter liegende Gelände oder Gewässer abzuleiten. Heute ist dies im Allgemeinen nur mehr bei Fußgänger­ brücken gestattet. Niederschlagswässer auf Fahrbahnen von Straßen und Eisenbahn­ brücken werden heute gesammelt und der Kanalisation bzw. nach Abscheidung von flüssigen Kohlenwasserstoffen (Benzin, Öl) der Versickerung zugeführt. Bei Straßen­ brücken soll aus fahrtechnischen Grün­ den ausreichendes Längs- und Quergefälle (q = 993 q2 + q2 ≥ 2,5%) zur raschen res

√

längs

quer

10.5  Brückenentwässerungen

Entwässerung der Fahrbahn vorhanden sein. An den Rändern werden die Nieder­ schlagswässer von verschraubbaren oder absperrbaren und entsprechend belast­ baren Brückeneinlaufen (Einflussfläche