Brückenbau 1-2/2020 by Verlagsgruppe Wiederspahn

www.maurer.eu

Ausgabe 1/2 . 2020

20. Symposium BrĂźckenbau in Leipzig

www.verlagsgruppewiederspahn.de

ISSN 1867-643X

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EDITORIAL Zum zwanzigsten Symposium in Leipzig

(Ein) Jubiläum der Brückenbaukunst von Michael Wiederspahn

Dipl.-Ing. Michael Wiederspahn

Woran erkennt Mann oder Frau eigentlich, dass mehrere oder eben viele Jahre vergangen sind? Die Antwort auf eine solche Frage wird ein jeder und eine jede natürlich anders beantworten wollen und müssen, in unserem Fall überwiegt freilich das Erstaunen, gepaart mit einem gehörigen Maß an Freude – konnten wir bei der Auftaktveranstaltung doch nicht damit rechnen, dass sich das »Symposium Brückenbau in Leipzig« zu einer Erfolgsgeschichte entwickeln, es letztlich dauerhaft und zugleich kontinuierlich an Renommee und Resonanz hinzugewinnen wird. Neben aller Freude über das Erreichte und Geleistete sind wir aber auch dankbar: dankbar für die Unterstützung von Bauherren und Bauverwaltungen, von Ingenieurbüros und Prüfingenieuren, von Bauunternehmen und Baustoffherstellern, von Universitäten und Hochschulen, da sie unser Symposium als Teilnehmer, als Referenten und als Aussteller stets begleitet haben und es derart in der Fachwelt zu etablieren halfen. In einer Zeit, die gemeinhin als sehr, sehr schnelllebig bezeichnet wird, gerät leider manches in Vergessenheit, werden insbesondere die sogenannten Anfänge oft und gerne ignoriert oder gar als unerheblich abqualifiziert, obwohl sie per se die unabdingbare Basis bilden und bildeten, und zwar für jegliche Form des Fortschritts.

Und genau deshalb sollen hier einige Zeilen aus dem Editorial von Ausgabe 1 • 2010 zitiert werden – im Sinne eines Rückblicks, der Historie und Gegenwart zukunftsorientiert miteinander verknüpft, denn Inhalt wie Tenor des ehedem Geschrieben galten und gelten für das aktuelle wie für die kommenden Jahre uneingeschränkt. »Mit Erscheinen dieses Heftes liegt nicht nur der Tagungsband zum (inzwischen) ›Zehnten [jetzt: Zwanzigsten] Symposium Brückenbau in Leipzig‹ vor, sondern verbindet sich auch ein kleines Jubiläum, auf das wir natürlich stolz sind – zeigt es doch Rang und Reputation einer Veranstaltung, die vor ziemlich genau einer Dekade [jetzt: zwei Dekaden] erstmals durchgeführt wurde und sich danach zu einer Reihe, ja sehr schnell zu einem, im wahrsten Sinne des Wortes, stehenden Begriff und festen Termin entwickelt hat. Ein paar Zeilen der Erinnerung an eine in mehrfacher Hinsicht außerordentlich bemerkenswerte Premiere seien daher erlaubt, wobei hier, um nicht in ein allzu großes Eigenlob verfallen zu müssen, lediglich zwei, drei Passagen aus einer Veröffentlichung zitiert werden, die in der November-2000-Ausgabe des Deutschen Ingenieurblatts immerhin sechs volle Seiten umfasste: ›(…) traf sich zum Zwecke eines Informationsaustauschs und einer offenen Diskussion über den Straßenbrückenbau in Deutschland die Crème de la Crème der deutschen Brückenbauer aus den Ingenieurbüros, aus den Straßen- und Brückenbauverwaltungen der Länder, aus der Bauindustrie und aus der Forschung. Dabei wurden, quasi Schlag auf Schlag, die bedeutendsten neuen Brückenbauwerke in Deutschland, aber auch die alten Reichsautobahnstrecken mit ihren Bauwerken, Brücken und Überführungen und deren Nutzbarmachung für den modernen Verkehr besprochen. (…)

Am Ende des zweiten Tages war darüber hinaus eine Abschlussdiskussion vorgesehen, die dann mehr als zwei (!) Stunden andauerte: lebhaft, durchaus kontrovers und doch, trotz mancher Meinungsverschiedenheit in der Sache, stets kollegial und insbesondere von dem Bewusstsein geprägt, gemeinsam für das jeweils beste Resultat, für die bestmögliche Qualität im deutschen Straßenbrückenbau streiten zu wollen.‹ An der ursprünglichen Intention, nämlich Projekte und Konzepte angemessen zu thematisieren, die hohe und höchste Ansprüche erfüllen, hat sich bis heute ebenso wenig geändert wie an dem prinzipiellen Ablauf des Symposiums mit genügend Raum und Zeit für intensive Erörterungen oder aber dem Teilnehmerkreis, der sich nach wie vor aus der bereits erwähnten ›Crème de la Crème‹ zusammensetzt. Dass die Referenten mittlerweile aus (beinahe) der ganzen Welt anreisen, um in Leipzig ihre Entwürfe, die von ihnen geplanten und realisierten Bauwerke vorzustellen, beweist also ›lediglich‹ die gewachsene und zudem wachsende Internationalisierung eines Programms, das schon seit vielen Jahren das gesamte Spektrum des Brückenbaus abdeckt – was die nachfolgenden Texte und Bilder wiederum mit Nachdruck zu veranschaulichen vermögen. Wer dennoch zweifelt oder bisher einfach nicht sicher war, ob und wann sich die Fahrt für ihn lohnt, darf sich nun gerne vom ›Brückenbau‹ 1 • 2020 [jetzt: 1/2 • 2020] überzeugen lassen, der zumindest mit den schriftlichen Ausarbeitungen der Vorträge aufwartet. Direkte Kontakte und persönliche Begegnungen als ein unverzichtbares Element jedweder Zusammenkunft kann und soll er ohnehin nicht kompensieren, weshalb im Grunde stets zu empfehlen ist: Neben oder nach der Lektüre an die Anmeldung für den nächsten Februar denken!« Dem bleibt nichts hinzuzufügen.

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Editorial 3

(Ein) Jubiläum der Brückenbaukunst Michael Wiederspahn

20. Symposium Brückenbau 6

Ersatzneubau der Norderelbbrücke in Hamburg Gregor Gebert

Ersatzneubau der Mainbrücke Mainflingen Bernd Endres, Rolf Jung, Tobias Mansperger

Bogenfachwerkbrücke am Autobahnkreuz Fürth- Erlangen Jacqueline Donner, Markus Karpa, Hans Grassl, Angelika Feil

Eine Brückenfamilie für Riedlingen Tilo Behrmann, Christiane Sander, Sven Plieninger

Verbreiterung der Hochstraße Elbmarsch in Hamburg Martin Steinkühler, Sebastian Krohn

Mainbrücke Gemünden Peter Kosza

Großbrückenbau in Nigeria Georg Merzenich

Mumbai Trans Harbour Link Peter Curran

Wahrzeichen im Herzen der norwegischen Fjorde Mariusz Urbanski, Mathias Fabich

Eisenbahnbrückenbau für eine starke Schiene Jens Müller

Eisenbahnbrücken in Österreich Martin Muncke, Helfried Axmann, Richard Zedlacher, Gerhard Oberlerchner

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I N H A LT

Ersatzneubau der Thurbrücke Ulisbach Robert Wagner

Die neue Bahnbrücke Kattwyk in Hamburg Jörg Ahlgrimm, Rico Stockmann

Verstärkung von Ingenieurbauwerken unter laufendem Betrieb Jürgen Feix, Johannes Lechner

102

Instandsetzung der König-Ludwig-Brücke in Kempten Klement Anwander

108

Auswirkungen von Verkehrsschwingungen auf den erhärtenden Beton Alois Vorwagner, Michael Kleiser, Marian Ralbovsky, Thomas Kozakow

114

Zweite Hinterrheinbrücke in Reichenau Andreas Galmarini, Lorenz Schmid, Matthias Ludin, Andreas Wieser

120

Brückeninspektion 4.0 Peter Furtner, Albrecht Karlusch

126

Passive Vibration Reduction by Curved Surface Slider Systems Christian Bucher

131

Abbruch des Neckartalübergangs der A 6 Gunter Schmid, Stefan Scholz

138

Gerüststellungen bei der Brückensanierung Josef Teupe

142

Produkte und Projekte

148

Software und IT

149

Nachrichten und Termine

153

Branchenregister

155

Impressum

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SYMPOSIUM Anlass und Durchführung des Realisierungswettbewerbs

Ersatzneubau der Norderelbbrücke in Hamburg von Gregor Gebert

Die Norderelbbrücke aus dem Jahr 1963 stellt ein herausragendes Zeugnis der Ingenieurkunst dar. Nach fast 60 Jahren der Nutzung, während deren eine erhebliche Zunahme des Schwerverkehrs zu verzeichnen war, hat das Bauwerk das Ende seiner Lebenszeit erreicht. Eine nachhaltige Verstärkung und Reparatur ist aufgrund der konstruktionsbedingten Defizite nicht möglich. Daher laufen mit Hochdruck die Planungen für den Ersatzneubau, Ziel ist es, das bestehende Bauwerk bis 2026 außer Betrieb zu nehmen. Derzeit werden über die Norderelbbrücke unter Nutzung des ehemaligen Standstreifens drei Fahrstreifen pro Richtung geführt. Der Bundesverkehrswegeplan sieht für die Bundesautobahn A 1 eine Erweiterung auf acht Fahrstreifen im vordringlichen Bedarf vor. Darüber hinaus erfordern die unmittelbar angrenzenden Autobahndreiecke jeweils zwei zusätzliche Verflechtungsstreifen, so dass der Neubau insgesamt zwölf Fahr- zuzüglich Standstreifen zu überführen hat und damit mehr als doppelt so breit sein wird wie der Bestandsquerschnitt. Hinzu kommt noch die Überführung eines Geh- und Radwegs. Für Hamburg hat das Bauwerk Wahrzeichencharakter, das Signet des Pylons mit den zwei Schrägseilpaaren findet sich im Logo des Landesbetriebs Straßen, Brücken und Gewässer wieder. Aufgrund der gestalterischen und technischen Bedeutung wurde für den Ersatzneubau der Norderelbbrücke ein Realisierungswettbewerb durchgeführt.

Das Bestandsbauwerk: eine Landmarke der A1 1.1 Gestalt und Konstruktion Die 1963 eröffnete Norderelbbrücke gehörte zu den ersten großen Schrägseilbrücken in Deutschland. Im Zuge eines 1958 ausgeschriebenen Bauwettbewerbs kam ein Stahlbrückenentwurf der Rheinstahl Union Brückenbau AG zur Ausführung. Das Tragkonzept einer MittelträgerSchrägseilbrücke war innovativ und neuartig. Die Herstellung erfolgte im Freivorbau. Die ca. 55 m hohen Pylonen ragten aus gestalterischen Gründen ungewöhnlich weit über die obere Seilverankerung hinaus, was dem Bauwerk einen unverwechselbaren Charakter verlieh. Die Baukosten betrugen damals 14 Mio. DM. Maßgeblich an der Planung beteiligt waren der Ingenieur Hellmut Homberg

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Lageplan © DEGES GmbH

Verkehrsquerschnitt und Herstellungskonzept © DEGES GmbH

(1909–1990) und der Architekt Egon Jux (1927–2008). Seit 2010 steht die Brücke auf der Liste der Hamburger Kulturdenkmäler. Das 411 m lange und ca. 31 m breite Bauwerk spannt über fünf Felder, wobei die Hauptstützweite über der Norderelbe 172 m beträgt. Das Fahrbahndeck ist aufgehängt an Seilen in der Brückenachse, wobei je Pylon vier Seilgruppen vorhanden sind, die aus jeweils vier Seilbündeln bestehen. Die sich nach oben hin verjüngenden Pylonen sind in das Fahrbahndeck eingespannt und auf den Strompfeilern aufgelagert. Das originäre Bauwerk war, wie zu dieser Zeit üblich, minimalistisch konstruiert.

SYMPOSIUM

Luftaufnahme des Bestandsbauwerks © Behörde für Wirtschaft, Verkehr, Innovation Hamburg

Die Fahrbahn besteht aus vier offenen Längsträgern und einer orthotropen Fahrbahnplatte mit Querträgern im Abstand von 2,61 m und Längsrippen aus Flachstahl. Nur die beiden inneren Längsträger wurden untereinander ausgesteift, im Hauptfeld durch ein geschlossenes Bodenblech, in den Randfeldern durch offene Horizontalverbände. 1.2 Umbau im Jahr 1988 Verformungsmessungen in den Jahren 1974–1978 zeigten eine allmähliche Durchsenkung der überspannten Hauptöffnung. Zur Sicherung der Brücke wurde daraufhin eine Hilfsstütze in der Norderelbe als Notauflager errichtet. Die Ursache der Durchsenkung konnte weder durch Nachrechnung noch durch eine Probebelastung geklärt werden. Das Bauwerk wurde ursprünglich für die Brückenklasse 60 bemessen. Mit dem Umbau 1988 erfolgten eine Anhebung auf die Brückenklasse 60/30 und die Umwidmung des Standstreifens zum dritten Fahrstreifen. Die Pylonen wurden unter Nutzung der eingebrachten Hilfsstützen komplett abgetragen und neu errichtet. Durch eine neue Seilkonfiguration – die Seilverankerung am Pylon wurde deutlich nach oben versetzt, und es wurde je ein weiteres Seilbündel in den Seitenfeldern und der Hauptöffnung ergänzt – wurde eine wesentlich höhere Steifigkeit des Gesamtsystems erzielt. Des Weiteren wurden im Hauptfeld Horizontalverbände zwischen den mittleren und äußeren Längsträgern ergänzt, um die Torsionssteifigkeit zu erhöhen.

Bestandsbrücke im Bauzustand © Bundesanstalt für Wasserbau

Bestandsbauwerk und Umbau © Ingenieurbüro Grassl GmbH

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SYMPOSIUM

2 Wettbewerbsdurchführung 2.1 Verfahrensablauf Der Realisierungswettbewerb wurde als nichtoffener Wettbewerb in Anlehnung an die Richtlinie für Planungswettbewerbe RPW 2013 durchgeführt, in Verbindung mit einem VgV-Verfahren. Auf Grundlage einer europaweiten Bekanntmachung wurden sechs Teilnehmer ausgewählt und zur Abgabe von Wettbewerbsbeiträgen aufgefordert. Der zeitliche Ablauf des Verfahrens ist Bild 6 zu entnehmen. Es ist zu erkennen, dass die Entscheidung für einen Wettbewerb keine negativen Auswirkungen auf die Planungszeit hat, wenn sich die Dauer der Wettbewerbsphase mit dem für eine Vorplanung ohnehin benötigten Zeitrahmen deckt. 2.2 Beurteilungskriterien Das Kriterium Wirtschaftlichkeit ging mit der Wichtung 30 % in die Gesamtbewertung ein, alle weiteren mit insgesamt 70 %, wobei folgende Kriterien maßgebend waren (Auflistung in der Reihenfolge der Bedeutung): – statisch-konstruktive Konzeption – Identität, Gestaltung, Einfügung in die Landschaft – Umweltverträglichkeit im Bau- und Endzustand – Auswirkungen auf die Trassierung der A 1 – Ausführbarkeit und Bauzeit – Umsetzung der funktionalen Anforderungen 2.3 Planungsvorgaben Im Unterschied zum Bestand weist der Neubau zwei getrennte Teilbauwerke für jede Richtungsfahrbahn auf. Der Neubau muss unter vollständiger Aufrechterhaltung des Verkehrs auf der A 1 erfolgen. Dazu wird das erste Teilbauwerk unmittelbar nördlich neben dem Bestand errichtet, Selbiger danach abgebrochen und an dessen Stelle das zweite Teilbauwerk errichtet. Die Verkehrsführung auf der A 1 erfolgt mit jeweils drei Fahrstreifen je Fahrtrichtung – in der Bauphase 1 wie bisher auf dem Bestandsbauwerk und in der Bauphase 2 über das zuvor neuerrichtete Teilbauwerk Nord. Mit diesem Baukonzept ist eine dauerhafte Verschiebung der Autobahnachse im Brückenbereich von ca. 20 m verbunden. Die derzeitige Hauptstützweite von 172 m wird mit dem Neubau auf ca. 200 m vergrößert. Der westliche Pfeiler muss aus nautischen Gründen um ca. 45 m in Richtung Ufer versetzt werden, um auch zu-

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13.06.2018

EU-Bekanntmachung

24.07.2018

Ausgabe der Auslobungsunterlagen an die ausgewählten Teilnehmer

28.11.2018

Einreichung der Wettbewerbsarbeiten

03.12.2018 bis 10.01.2019

Vorprüfung der eingereichten Beiträge

08.02.2019

Sitzung des Preisgerichts

17.05.2019

Auftragserteilung an Wettbewerbssieger (= Beginn Entwurfsplanung)

Zeitlicher Ablauf des Wettbewerbs © DEGES GmbH

künftig eine sichere Ansteuerung des südlich gelegenen Liegeplatzes für Binnenschiffe zu ermöglichen. Der östliche Pfeiler kann dagegen um ca. 15 m in Richtung des Stroms versetzt werden, um Konflikte von Neu- und Bestandsgründung zu vermeiden. Im Hinblick auf klimatisch bedingte, langfristig ansteigende Wasserstände wird die derzeitige Brückenunterkante um 80 cm angehoben. Unmittelbar südlich des bestehenden Bauwerks grenzen das Flora-Fauna-Habitat-(FFH-)Gebiet »Hamburger Unterelbe« sowie das Naturschutzgebiet »Auenlandschaft Norderelbe« an. Nördlich befinden sich das EU-Vogelschutzgebiet und das Naturschutzgebiet Holzhafen. Eingriffe sind hier sowohl im Bau- als auch im Endzustand zu vermeiden. Durch die Teilnehmer waren umfangreiche Unterlagen einzureichen, unter anderem Erläuterungsbericht, Kostenschätzung, statische Vorberechnung, Zeichnungen, Visualisierungen, Angaben zu Baulogistik und Umwelteingriff etc., wofür eine entsprechende Vergütung in Anlehnung an die RPW 2013 erfolgte. Die Ermittlung des Wettbewerbssiegers übernahm nach einer Vorprüfung der eingereichten Unterlagen ein vom Auslober bestelltes Preisgericht. Die Vorprüfung erfolgte durch ein Fachgremium, welches neben der Einhaltung der formalen Kriterien insbesondere die Realisierbarkeit der eingereichten Entwürfe in statisch-konstruktiver Hinsicht sowie die Einhaltung der funktionalen Anforderungen zu bewerten hatte. Wesentliche Aufgabe der Vorprüfer war zudem die Plausibilitätsprüfung der durch die Teilnehmer des Wettbewerbs ermittelten Mengen, Baukosten und Bauzeiten im Sinne einer objektiven Vergleichbarkeit der Beiträge.

4 Wettbewerbsergebnisse 4.1 Erster Platz Mit einstimmigem Votum wurde ein erster Preis an die Planungsgemeinschaft aus Leonhardt, Andrä und Partner, Hamburg, und gmp Planungsgesellschaft, Berlin, vergeben: »Die Entwurfsverfasser schlagen eine filigrane, ästhetisch anspruchsvolle Schrägseilbrücke vor, bei der sich Statik und Gestaltung die Hand geben. Der Entwurf ist bis ins Detail sorgfältig durchgearbeitet. Die Brücke antwortet auf die leicht asymmetrische Situation der Spannweiten mit einer dezenten Akzentuierung der Konstruktion durch unterschiedliche Pylonhöhen und Anzahl von Seilscharen. Sie fügt sich nordisch elegant in die Umgebung ein.« Der Entwurf erinnert an die Bestandsbrücke und setzt gleichwohl einen eigenständigen, zeitgenössischen Akzent. Die Vermehrung auf acht tragende Pylone und deren Höhe schaffen eine markante, weithin sichtbare Portalsituation. Aus der Autobahnperspektive ist ein gestaffeltes Doppelportal wahrnehmbar, aus der Flussperspektive flankieren die gereihten Pylonen das Fahrwasser. Das Alleinstellungsmerkmal der unterschiedlich hohen Pylone ergibt sich aus den Randbedingungen mit unterschiedlich weiten Seitenfeldern, so dass sich die asymmetrische Geländesituation der beiden Uferseiten in der Gestaltung der Brücke widerspiegelt. Jede der ca. 26 m breiten Richtungsfahrbahnen wird durch eine Schrägseilbrücke mit zwei unterschiedlich hohen Pylonen von 40 m bzw. 27 m Höhe über der Fahrbahn getragen. Bei der oberen Seilebene werden jeweils Seiltripel, bei den darunterliegenden Ebenen Seilpaare verwendet. Die Konstruktion ist derart redundant ausgelegt, dass der Ausfall eines Seilbündels nicht zum Versagen des Tragwerks führt und ein planmäßiger Austausch möglich ist.

SYMPOSIUM

Siegerentwurf aus der Vogelperspektive © Leonhardt, Andrä und Partner AG/gmp Planungsgesellschaft mbH

Ansicht von der Elbe © Leonhardt, Andrä und Partner AG/gmp Planungsgesellschaft mbH

9 10 11 Ansicht und Querschnitte © Leonhardt, Andrä und Partner AG/gmp Planungsgesellschaft mbH

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SYMPOSIUM

Die Pylone weisen einen achteckigen Querschnitt mit über die Höhe unterschiedlichen Abmessungen auf, wobei der Querschnitt als Stahlverbundquerschnitt ausgebildet ist. Auf eine Zugänglichkeit wurde verzichtet, damit die Außenabmessungen der relativ niedrigen Pylone nicht zu voluminös und plump wirken. Es wurde eine für Schrägseilbrücken innovative Variante mit außenliegenden Verankerungen und nicht begehbarem Pylon gewählt. Die Pylone und der Überbauquerschnitt sind monolithisch verbunden. Um eine wirtschaftliche Konstruktion für den Überbau zu realisieren, wird eine Kombination aus orthotroper Fahrbahnplatte im Hauptfeld und Verbundplatte in den Seitenfelder vorgeschlagen. Das leichte orthotrope Stahldeck in Verbindung mit massiven Stahlbeton-Endquerträgern sorgt dafür, dass weder im Endnoch im Bauzustand abhebende Kräfte an den Widerlagern auftreten. Als Form wurden stromlinienförmige Hohlkästen mit innenliegenden Schotten gewählt.

12 Detailausbildung: Pylonkopf © Leonhardt, Andrä und Partner AG/ gmp Planungsgesellschaft mbH

Diese Ausbildung reduziert und glättet die außenliegenden Flächen, was einen positiven Einfluss auf den Instandhaltungsaufwand hat. Auf der Südseite befindet sich ein kombinierter Geh- und Radweg, welcher außerhalb der Seilebene liegt und somit räumlich vom Fahrbahnbereich getrennt ist.

4.2 Zweiter Platz Mit einstimmigem Votum wurde auch der zweite Preis vergeben, und zwar an die Planungsgemeinschaft aus Ingenieurbüro Grassl, Hamburg, und PPL Architektur und Stadtplanung, Hamburg: »Mit drei elegant unterschiedlich hoch geschwungenen Bögen gehen die Verfasser auf die spezifische Topografie ein.

13 Zweiter Preis: Bogen in Dreiherreihung © Ingenieurbüro Grassl GmbH/PPL Architektur und Stadtplanung

Das Bauwerk entwickelt einen sehr eigenständigen Charakter und hat einen hohen Wiedererkennungswert.« Die Entwurfsverfasser schlagen eine Bogenbrücke in Dreierreihung vor. Im Tragsystem der durchlaufenden Bögen werden die Überbaulasten über Querträger zu den Versteifungsträgern geleitet und von dort über die Hänger in die Bögen abgetragen. Die Hänger sind in Querrichtung jeweils paarweise und in Längsrichtung radial angeordnet. Die Fahrbahn ist in Orthoverbundbauweise konzipiert. Die Bögen gliedern die Brücke in Längsrichtung, wie es die darunter befindliche Landschaft auch vormacht. 14 Bauwerk aus Fußgängerperspektive © Ingenieurbüro Grassl GmbH/PPL Architektur und Stadtplanung

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SYMPOSIUM

4.3 Weitere Beiträge 4.3.1 Allgemeines Die weiteren Wettbewerbsbeiträge sahen eine Bogenbrücke, zwei Schrägseilbrücken sowie eine Extradosed Bridge vor. Die folgenden Abbildungen sind selbsterklärend, und es wird nur kurz auf die jeweiligen Besonderheiten eingegangen. 4.3.2 Mittelträger-Schrägseilbrücke Die Verfasser nehmen die Idee der Mittelträger-Schrägseilbrücke auf und duplizieren quasi das bestehende Bauwerk. Die Tragebenen sind nicht im Mittelstreifen, sondern jeweils zwischen den vier durchgehenden und den zwei Verflechtungsfahrstreifen angeordnet. Für immer breiter werdende Querschnitte ist das sicher eine interessante Lösung. Im konkreten Fall führt dies jedoch zu einer nachteiligen Verkürzung der Verflechtungslängen in Bezug auf die unmittelbar angrenzenden Autobahndreiecke und so zu einer Verringerung der verkehrlichen Leistungsfähigkeit. 4.3.3 Konventioneller Stabbogen Die Verfasser schlagen eine klassische Stabbogenbrücke mit biegesteif angeschlossenen Randfeldern vor. Eine Besonderheit sind die im unteren Bereich geneigten und dann parallel verlaufenden Bögen, die durch sehr massive, eher an eine Eisenbahnbrücke erinnernde Querriegel ausgesteift werden. Positiv hervorzuheben ist der vom Haupttragwerk abgesetzte Geh- und Radweg.

15 Mittelträger-Schrägseilbrücke als Vorschlag © Schüßler-Plan Ingenieurgesellschaft mbH/Architekt André Keipke

16 Bogenbrücke mit abgesetztem Geh- und Radweg © Arup Deutschland GmbH/Knight Architects

4.3.4 Symmetrische Schrägseilbrücke Im Unterschied zum Siegerentwurf wurde eine in Längsrichtung symmetrische Seilkonfiguration gewählt. Als eigenes Wiedererkennungsmerkmal sind die äußeren Maste höher als die inneren, was etwas willkürlich erscheint. Das statische Gesamtkonzept führt zu abhebenden Lasten in den Randfeldern und bedingt einen

zusätzlichen Zugpfeiler. Die erforderliche Begehbarkeit der Pylone ergibt zudem größere Außenabmessungen, was optisch nachteilig ist. Positiv hervorzuheben ist der vom Haupttragwerk deutlich abgesetzte Geh- und Radweg, wobei der Anschluss im Hinblick auf einen möglichen Schiffstoß sehr filigran geraten ist.

17 Schrägseilbrücke mit abgesetztem Geh- und Radweg © schlaich bergermann partner/WTM Engineers GmbH/Dissing + Weitling architecture

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SYMPOSIUM

18 Extradosed Bridge mit A-Pylonen © KHP König und Heunisch Planungsgesellschaft mbH & Co. KG/VCE Consulting GmbH/ Kolb Ripke Architekten

4.3.5 Extradosed Bridge Der Verfasser schlägt als Tragwerk eine Extradosed Bridge vor. Die entsprechend niedrig ausgeführten Pylone sind in Längsrichtung als A-Bock ausgebildet und in den Spannbetonüberbau eingespannt. Beide Überbauten verfügen über einen gemeinsamen Mittelpylon, was die nacheinander erforderliche Herstellung der Teilbauwerke stark erschwert. Die notwendigen Kabeldimensionen erreichen aufgrund des schweren Überbaus die Grenze des technisch Machbaren, und zur Begrenzung der Bauteildicken wird für den Überbau teilweise hochfester Beton C70/85 einzusetzen sein. Die Lösung wurde daher in der Realisierung als risikobehaftet bewertet.

5 Fazit Der Wettbewerb wurde erfolgreich abgeschlossen und hat eine sehr überzeugende Lösung hervorgebracht. Das einstimmige Urteil der Jury unterstreicht dies. Der Siegerentwurf ist durch ein breites öffentliches Gremium aus Sachund Fachpreisrichtern bestätigt worden und genießt damit eine hohe Legitimation. Spätere Grundsatzdiskussionen zur richtigen Variantenwahl sind nicht mehr zu erwarten. Es wurden insgesamt sechs interessante Beiträge eingereicht, welche die Vielfalt der technischen Lösungsmöglichkeiten aufzeigen. Die Ausstellung zum Wettbewerb, die an mehreren Standorten gezeigt wurde, ist beste Werbung für den Berufsstand des Bauingenieurs. Die erfolgreiche Durchführung von Wettbewerben erfordert allerdings auch hohe personelle Ressourcen und ein hohes Maß an Fachkompetenz bei den Beteiligten. Es ist daher sorgfältig abzuwägen, wann ein Wettbewerb möglich ist und Sinn macht. Ein wichtiger Aspekt ist auch, dass zu einem frühen Planungszeitpunkt die Aufgabenstellung so weit konsolidiert ist und die Randbedingungen so eindeutig beschreibbar sind, dass die ausgewählte Lösung auch im weiteren Planungsverlauf Bestand hat. Dies ist nicht immer der Fall. Und last, but not least muss das Potential für eine besondere Lösung und grundsätzlich unterschiedliche Lösungsansätze vorhanden sein. Autor: Dipl.-Ing. Gregor Gebert DEGES Deutsche Einheit Fernstraßenplanungs- und -bau GmbH, Berlin

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SYMPOSIUM Entwurf und BIM-Planung

Ersatzneubau der Mainbrücke Mainflingen von Bernd Endres, Rolf Jung, Tobias Mansperger

Für den Ersatzneubau der Mainbrücke Mainflingen ging aus dem Wettbewerb eine Zügelgurtkonstruktion als Siegerentwurf hervor. Dieser Entwurf wird sowohl den höchsten gestalterischen Ansprüchen als auch allen technischen Herausforderungen der Konstruktion, der bauzeitlichen Verkehrsführung, der Herstellung des Neubaus und des Abbruchs der Bestandsbrücke gerecht. Die Entwurfsplanung erfolgte mit der BIM-Methodik und dem offenen Austauschstandard IFC.

1 Notwendigkeit der Maßnahme Die Bundesautobahn (BAB) 45, häufig auch als Sauerlandlinie bezeichnet, führt, beginnend an der BAB 2, von Dortmund nach Aschaffenburg und endet dort an der BAB 3. Die gesamte BAB 45 ist Teil der Europastraße 41. Auf eine Länge von 257 km verläuft sie durch NordrheinWestfalen, Hessen und Bayern. Im nur etwa 13 km langen bayerischen Abschnitt liegt die Mainbrücke Mainflingen. Das bestehende Bauwerk wurde 1978 durch die Ed. Züblin AG geplant und errichtet. Es besitzt je Fahrtrichtung einen Brückenzug aus zwei Teilbauwerken. Die Überbauten der dreifeldrigen Strombrücken haben einen begehbaren, einzelligen Hohlkasten, dessen Stützweiten

Unterseite des Stromfeldes der Bestandsbrück © Leonhardt, Andrä und Partner AG

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Lage der Mainbrücke Mainflingen im Autobahnnetz Unterfrankens © Autobahndirektion Nordbayern

73,50 m, 132,00 m, 73,50 m messen, mit einer variablen Konstruktionshöhe von 3,08 m an den Überbauenden und 4,88 m in der Mitte des Stromfeldes. Die Überbauten der vierfeldrigen Vorlandbrücken weisen einen begehbaren, einzelligen Hohlkasten – die Stützweiten sind hier 42,09 m, 42,09 m, 42,09 m und 43,57 m – mit einer konstanten Bauhöhe von 3,00 m auf. Die Überbauten sind intern längs und quer vorgespannt (Spanngliedtyp Züblin ZS 120 (längs) bzw. Züblin ZS 60 (quer), Spannstahlsorte Neptunstahl N120, St 135/150, vergütet, rechteckig gerippt. Die Strombrücken wurden im Taktschiebeverfahren jeweils hälftig von beiden Seiten mit Kopplung in Feldmitte des

Stromfeldes hergestellt. Für den Einschub wurden Hilfspylone verwendet. Die Errichtung der Vorlandbrücke erfolgte ebenfalls im Taktschiebeverfahren. In den Widerlager- und Pfeilerachsen weisen die Überbauten Querträger auf. Die Brückenpfeiler der Strombrücke sind als 3,95 m dicke Rundpfeiler ausgebildet. Die Trennpfeiler und die Pfeiler der Vorlandbrücken sind mit ovalen Querschnitten mit Breiten von 1,40 m (Vorland) bzw. 2,10 m (Trennpfeiler) und Dicken von 2,70 m (Vorland) bzw. 4,60 m (Trennpfeiler) ausgeführt worden. Sie sind für die Pfeilerpaare je Achse und Überbau flach gegründet. Die Abmessungen der Fundamente betragen zwischen 7,00 m und

Vorlandbrücke des Bestandsbauwerks © Leonhardt, Andrä und Partner AG

SYMPOSIUM

15,20 m (in Brückenlängsrichtung) bzw. 14,00 m und 16,20 m (in Brückenquerrichtung). An den Strompfeilern befinden sich im Baugrund verbliebene Spundwandkästen um die Fundamente. Die kastenförmigen Widerlager sind ebenfalls flach gegründet. Der Lagerfestpunkte sowohl der Vorland- als auch der Strombrücken wurden auf den Trennpfeilern in Achse 50–60 angeordnet. Das erst 1978 fertiggestellte Bestandsbauwerk weist erhebliche Schäden auf, weshalb es mit der Zustandsnote 3,3 bewertet ist. Obwohl das Bauwerk ursprünglich für sechs Fahrstreifen konzipiert war, kann gemäß den Ergebnissen der Nachrechnung weder das angestrebte Ziellastniveau LM 1 noch die Brückenklasse 60 nachgewiesen werden. Die rechnerischen Defizite, insbesondere hinsichtlich Biegung mit Längskraft, Schub und Ermüdungsfestigkeit, korrelieren mit den am Bauwerk vorhandenen Schäden. Vor allem die ausgeprägten Rissbilder in den Stegen, der Bodenplatte und den Kragarmen bestätigen die erheblichen Überschreitungen bei den Tragfähigkeitsnachweisen. Als Kompensationsmaßnahmen sind bis zur Erneuerung der Brücke Spurführung, Lkw-Überholverbot und -Abstandsgebot, die Sperrung für genehmigungspflichtigen Schwerverkehr sowie halbjährliche Sonderprüfungen und Verformungsmessungen erforderlich. Eine Ertüchtigung der Mainbrücke scheidet aufgrund der gravierenden statischen Defizite aus, weshalb sie durch einen Neubau ersetzt werden muss. Da auf dem Bestandsbauwerk wegen der statischen Defizite keine 4+0-Verkehrsführung eingerichtet werden kann, muss der Ersatzneubau in Seitenlage mit anschließendem Querverschub erfolgen.

2 Wettbewerb 2.1 Aufgabenstellung Ziel war es, eine gestalterisch anspruchsvolle und in technischer wie wirtschaftlicher Hinsicht optimale Lösung für das neue Bauwerk zu entwickeln. Ein besonderes Augenmerk galt der Einbindung der Brücke in die Flusslandschaft des Mains. 2.2 Durchführung Zur Festlegung des Entwurfskonzepts sollte eine Bauwerksskizze angefertigt und die Hauptabmessungen des Bauwerkes angegeben werden. Ferner waren den Planunterlagen Visualisierungen aus verschiedenen Perspektiven beizugeben. Wesentlicher Bestandteil der Wettbewerbsunterlagen waren darüber hinaus das Bau- sowie das Abbruchkonzept des Bestandsbauwerks unter Beachtung der gegebenen Randbedingungen. Bauund Abbruchkonzept waren anhand von Bauphasenplänen darzulegen und zu beschreiben. Neben einer Kostenschätzung auf Basis von Erfahrungswerten waren zudem die wesentlichen Abmessungen des Bauwerkes anhand von Näherungsberechnungen festzulegen.

2.3 Siegerentwurf Die BAB 45 trifft zwischen Mainflingen und Kleinostheim nicht nur auf den Main mit seiner schutzwürdigen Flusslandschaft, sondern auch auf die Landesgrenze zwischen Bayern und Hessen. Inspiriert von den Hügeln des Mainvorlandes, wird mit einem obenliegenden Zügelgurttragwerk zum einen dem Fahrer die bedeutsame Querung erfahrbar gemacht, zum anderen in den Naturraum ein den Momentenlinien organisch folgendes Ingenieurbauwerk eingebracht. Das Zügelgurttragwerk eignet sich durch seine begrenzte Höhe, da es, den Naturkontext respektierend, mit seinen Pylonen unterhalb der umgebenden Baumgruppen der Flusslandschaft bleibt, wodurch sich aus jeder Perspektive ein spannungsreiches Spiel aus Ingenieurtragwerk und Natur ergibt. Es bildet für entlang dem Flusslauf ziehende Vögel eine sichtbare Querung und lenkt diese so von dem Verkehrsraum ab.

Visualisierung: Wettbewerbsentwurf mit Blick vom Mainradweg © Leonhardt, Andrä und Partner AG/gmp Architekten

Perspektive von der Schleuse Kleinostheim als Visualisierung © Leonhardt, Andrä und Partner AG/gmp Architekten

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SYMPOSIUM Die Zügelgurtkonstruktion erlaubt eine schlanke Mittelspannweite von 135,00 m oberhalb des Mains mit zwei gleichen Seitenfeldern mit Spannweiten von jeweils 62,50 m. Die Schlankheit in der Mitte des Stromfeldes beträgt ca. L/45. Durch die Verschiebung der Pfeilerstandorte gegenüber dem Bestand ergibt sich eine symmetrische Situation entlang der Mainachse. Der Mainradweg kann nun ohne Sichtunterbrechung auf die Flusslandschaft entlang dem Ufer geführt werden. Nahtlos geht das Bauwerk in den bewusst schlicht gehaltenen Vorlandbereich mit konstanter Bauhöhe über. Die schlanke Stahlverbundkonstruktion besteht aus einem Gitterrost von außenliegenden Längsträgern mit unterhalb der Stahlbetonfahrbahnplatte zwischengelagerten Querträgern. Dies ermöglicht eine geringe Bauhöhe unterhalb der Fahrbahn, was den Lichtraum unter der Brücke maximiert und gegenüber der niedrigen Lage des Bestandsbauwerks eine deutliche Aufwertung schafft. In gleitendem Übergang verbindet sich die Konstruktion mit dem bewusst schlicht gehaltenen Vorlandbereich konstanter Bauhöhe aus Spannbeton. Die reduzierenden Unterbauten folgen demselben Gedanken und fügen sich mit minimalen Abmessungen sensibel in das Landschaftsbild ein. Alle Pfeiler werden als massive Vollquerschnitte ausgeführt. Die helle metallische Beschichtung des Bauwerks spiegelt durch die gebrochenen Ansichtsflächen facettenartig die Farben des umgebenden Naturraumes und des Wassers wider – im obenliegenden Tragwerk die Farbe des Himmels. Für die Vorlandbrücke wurde ein zweistegiger Plattenbalken in Spannbetonbauweise als Durchlaufträger mit Stützweiten von 40,00 m und 3 x 50,00 m gewählt. Die Herstellung erfolgt auf Traggerüst mit interner Vorspannung. Die Querschnittshöhe beträgt konstant 2,30 m mit einer Schlankheit von L/21,70. 3 Bauwerksentwurf 3.1 Bodenverhältnisse und Gründungen Für den geotechnischen Bericht wurden im Jahr 2018 insgesamt 55 Kernbohrungen bis in Tiefen zwischen 15 m und 78 m unter die derzeitige Geländeoberfläche niedergebracht. Zudem wurden 26 Drucksondierungen, acht Menardversuche bzw. Pressiometrie (PMT) und Grundwassermessungen vorgenommen. Oberflächlich wurden quartäre Hochflutlehme und die quartäre Mainterrasse angetroffen. Darunter befinden sich sehr

BRÜCKENBAU | 1/2 . 2020

Ansicht des Trennpfeilers © Leonhardt, Andrä und Partner AG

setzungsanfällige tertiäre Tone und Sande mit organischen Ablagerungen. Erst in größerer Tiefe von ca. 25–50 m unter der Oberfläche wurden Sande mit besserer Tragfähigkeit angetroffen. Fels in Form von klüftigen Gneisgesteinen steht ab einer Tiefe von ca. 60–75 m an. Für die Widerlager sind Flachgründungen vorgesehen, für die Pfeiler der Vorlandund Strombrücken sind Tiefgründungen zur Reduzierung der Setzungen insbesondere beim Querverschub erforderlich. 3.2 Unterbauten Der kontinuierliche Übergang zwischen Straßendamm und Brückenüberbau wird durch die Anordnung von zwei flachgegründeten kastenförmigen Widerlagern gewährleistet. Da an beiden Überbauenden Längsfesthaltungen sind, lässt sich auf Wartungsgänge verzichten. Das Widerlager in Achse 80 hat dennoch seitliche Zugänge über je eine Einstiegstür, durch die die äußeren Längsträger der Strombrücke begangen werden können. Der Zugang in die Innenstege erfolgt durch eine Steigleiter zur Auflagerbank im Bereich des Zwischenraumes beider Überbauten und je eine Einstiegstür. In Verlängerung der Längsträger erhalten die Widerlager in Achse 80 über die Fahrbahn überstehende Flügel als optische Aufnahme des Strombrückenzuges. Darin befinden sich Kammern, über die die begehbaren Stahlbauteile zugänglich sind. In den Achsen 20–70 liegen die Überbauten auf Massivpfeilern auf. Die Pfeiler sind mit konstantem Querschnitt ausgebildet. Für Lagerwechsel und das Ansetzen von Pressen sind Hilfsstützen erforderlich, die auf geländegleichen Sockeln aufgestellt werden.

Im Grundriss weisen die Pfeiler einen achteckigen, polygonalen Querschnitt auf. Die Außenabmessungen der Querschnitte in den Achse 20–40 betragen 1,80 m x 1,80 m in Achse 50 2,00 m x 2,00 m und in den Achsen 60 und 70 1,80 m x 2,10 m. 3.3 Überbau der Vorlandbrücke Die beiden Überbauten der Vorlandbrücke werden als über vier Felder durchlaufende Spannbetonkonstruktionen mit zweistegigem Plattenbalkenquerschnitt ausgeführt. In Längsrichtung werden die Überbauten intern mit nachträglichem Verbund vorgespannt, in Querrichtung sind die Überbauten schlaff bewehrt. Die zweistegigen Spannbetonplattenbalken können auf Traggerüst oder auf Vorschubrüstung hergestellt werden. Bei Einzelstützweiten in Brückenachse von 40,00 m und 3 x 50,00 m ergibt sich eine Gesamtlänge zwischen den Endauflagern von 190,00 m. Die Plattenbalken weisen über die gesamte Brückenlänge eine konstante Querschnittshöhe von 2,30 m auf. Mit der gewählten Konstruktionshöhe ergibt sich ein Schlankheitsverhältnis L/h von 17,40 (Feld 1) bis maximal 21,70 (Felder 2–4). Damit liegt ein robuster Überbau vor, der wirtschaftlich und technisch problemlos herzustellen ist. An der Unterkante haben die horizontalen Plattenbalkenstege der Überbauten eine Breite von 2,60 m, die bis zur Unterkante der Fahrbahnplatte auf eine Breite von 3,30 m aufgeweitet wird. Die gewählte Stegbreite gewährleistet auch an den Koppelfugen eine problemlose Spanngliedführung und einen Pressenansatz neben den Lagern. Das vertikale Maß zwischen Unterkante Steg und Fahrbahnplatte beträgt 1,80 m.

SYMPOSIUM In der Widerlagerachse 10 und der Trennpfeilerachse 50 werden Endquerträger angeordnet. Das Fallrohr der Längsentwässerung wird an der Vorderseite des Widerlagers in Achse 10 in einer Nische seitlich neben den Endquerträgern geführt. Die Vorderkanten der Endquerträger schließen bündig mit der Widerlagervorderkante ab. Die Neigung der Endquerträger in Brückenquerrichtung folgt der Querneigung der Fahrbahnplatte mit 2,50 %. 3.4 Überbau der Strombrücke Die beiden Überbauten der Strombrücke werden als dreifeldriger Durchlaufträger in reiner Stahlbauweise für die Haupttragglieder in Brückenlängsrichtung bzw. Stahlverbundbauweise für die Querträger und Fahrbahnplattenkonstruktion ausgeführt. Das Tragwerk besteht aus einem Trog mit kastenförmigen Längsträgern und wird von Zügelgurten, die ebenfalls kastenförmig ausgebildet werden, überspannt. Die Spannweiten betragen 62,50 m, 135,00 m, 62,50 m. Bei einer minimalen Bauhöhe der Längsträger in Feldmitte über dem Main von 2,98 m (außen) bzw. 3,29 m (innen) beträgt die größte Schlankheit In den Achsen 60 und 70 ca. L/45. Die Zügelgurte werden von ca. 15,00 m hohen Pylonen aufgenommen. Die Längsträger werden als polygonales Vieleck ausgeformt, um einerseits den hohen gestalterischen Ansprüchen des Wettbewerbsentwurfs gerecht zu werden und andererseits um den Anforderungen an die Vermeidung von Radarschatten durch quer zur Wasserstraße verlaufende, vertikale und einander zugewandte Flächen zu erfüllen. In Längsrichtung erhalten die Unterseiten im Bereich der Strompfeiler eine leichte linear verlaufende Voute. An definierten Stellen kommen zusätzlich Lastdurchleitungsrippen an Punkten mit hoher Lastkonzentration hinzu. Dies betrifft zum Beispiel den Deckblechanschluss oder die Pressenansatz- bzw. Lagerpunkte. Die Zügelgurte binden in Verlängerung der Stege der Längsträger bzw. durch einen nahtlosen Übergang der Obergurte in die Längsträger ein. Die durchlaufenden Obergurte bilden einen girlandenförmigen Verlauf affin zur Kettenlinie des Durchlaufsystems. Um unnötige Auflast zu vermeiden, gute Stabilität zu erzielen und ein einheitliches optisches Erscheinungsbild zu gewährleisten, werden die Zügelgurte ebenfalls als kastenförmige Schweißkonstruktion ausgeführt.

BIM-Modell des Endzustandes: Blick in den Längsträger © Leonhardt, Andrä und Partner AG

Die Querschnittshöhe verjüngt sich von ca. 2,00 m am Anschluss zum Längsträger auf ca. 0,60 vor den Pylonen. Die Querschnitte der Pylone sind als zweizelliger Kasten aufgebaut. Sie sind in der Längsansicht nach oben hin tailliert. Am Übergang zum Längsträger beträgt die Breite ca. 1,60 m, an der Pylonspitze ca. 0,70 m. In der Außenansicht weiten sich die Pylone von einer Breite von ca. 1,80 m auf ca. 2,80 m am Kopf auf. Sie erhalten außer horizontalen Schotten keine weiteren Aussteifungselemente. Es entsteht eine äußerst robuste und wartungsarme Konstruktion. Zwischen den Längsträgern sind im Abstand von 3,70 m Querträger mit einer Höhe von ca. 1,70 m angeordnet, die als offene Schweißprofile ausgebildet sind. Diese stützen die Verbundfahrbahnplatte, bestehend aus einem in Längsrichtung mit Trapezprofilen ausgesteiften Deckblech und einer 35 cm dicken, bewehrten Aufbetonschicht. Die Herstellung der Aufbetonschicht erfolgt ohne zusätzliche Schalelemente. In den Achsen der Querträger sind die Längsträger durch Schotte mit Durchsteigsöffnungen ausgesteift. Das Deckblech der Fahrbahnplatte bindet über in den Längsträger über dessen gesamte Breite ein und teilt damit den Querschnitt in einen oberen, planmäßig begehbaren und in einen unteren, dichtgeschweißten Teil auf. Der Verbund zur Stahlkonstruktion wird im Bereich des Deckbleches über Kopfbolzendübel sichergestellt. Im Bereich der Längsträgerstege kommen aus Gründen der besseren Montierbarkeit und des geringeren, schweißbedingten Eintrags von Eigenspannungen Verbunddübelleisten zum Einsatz.

Die Stahlkonstruktion wird weitestgehend aus S355 hergestellt. Für die vorwiegend auf Zug beanspruchten Zügelgurte ist zur Reduktion des Eigengewichts und zur Vermeidung dicker Bleche S460 vorgesehen. Für die Fahrbahnplatte kommt Stahlbeton der Festigkeitsklasse C35/45 zur Anwendung. 4 Herstellung Zunächst wird das Teilbauwerk der Fahrtrichtung Gießen in Seitenlage hergestellt. Im ersten Schritt werden dafür Behelfsunterbauten errichtet. Die Herstellung der Vorlandbrücke erfolgt vom Widerlager in Achse 10 aus auf Lehrgerüst abschnittsweise. Gleichzeitig beginnt der Zusammenbau des Stahlüberbaus in drei großen Segmenten. Zwei dieser Segmente setzen sich aus den Seitenfeldern, den Pylonen und Teilen des Stromfeldes bis zur Einbindung des Zügelgurtes zusammen. Die Segmente werden jeweils um ca. 40 m in Längsrichtung in den Vorlandbereich versetzt aufgebaut. Nach ihrer Fertigstellung werden sie in die Endlage über Verschubbahnen verbracht. Das dritte Segment bildet der Bereich des Stromfeldes zwischen den Zügelgurten. Es wird auf einem separaten Vormontageplatz ca. 1,50 km stromabwärts an einer Panzerfurt auf der rechten Mainseite zusammengebaut und auf einen Ponton verladen. Für das Einschwimmen und Einheben des Stromfeldes ist eine kurzzeitige Sperrpause des Schiffsverkehrs auf dem Main erforderlich. Nachdem der Ponton in Position gebracht wurde, erfolgt das Einheben mit Litzenhebern von den auskragenden Seitenteilen aus. Danach werden die Segmente verschlossert und verschweißt.

1/2 . 2020 | BRÜCKENBAU

SYMPOSIUM

Als Letztes erfolgen die Betonage der Verbundplatte in einem Betonierabschnitt, der Ausbau des Brückenzuges und der Anschluss des Bauwerks an die BAB 45. Vor Beginn der Abbrucharbeiten des Teilbauwerks der Fahrtrichtung Aschaffenburg wird der Verkehr auf das neugebaute Teilbauwerk der Fahrtrichtung Gießen umgelegt. Das alte Teilbauwerk Gießen bleibt als Baustraße zunächst erhalten. Nach der Herstellung von Mittelstreifenverbauten im Bereich der beiden bestehenden Widerlager erfolgt der Abbruch des Teilbauwerks der Richtungsfahrbahn Aschaffenburg. Anschließend wird der Ersatzneubau für die Richtungsfahrbahn Aschaffenburg errichtet. Nach Fertigstellung der Richtungsfahrbahn Aschaffenburg erfolgt der Abbruch des bestehenden Teilbauwerks Gießen. Anschließend werden die Unterbauten des Ersatzneubaus ausgeführt. Im nächsten Schritt erfolgt die Umverlegung des Verkehrs auf das Teilbauwerk Aschaffenburg. Abschließend wird der Ersatzneubau des Teilbauwerks Gießen in die Endlage querverschoben und die Behelfsbauteile zurückgebaut.

Modell der Bauphase »Einschwimmen des Mittelteils in Seitenlage« © Leonhardt, Andrä und Partner AG

BIM-Prozesse © Leonhardt, Andrä und Partner AG/gmp Architekten

10 11 12 BIM-Koordination zwischen Gestaltungs- und Tragwerksmodell © Leonhardt, Andrä und Partner AG/gmp Architekten

BRÜCKENBAU | 1/2 . 2020

SYMPOSIUM

5 BIM Für die Projektabwicklung wurde der Ersatzneubau der Mainbrücke Mainflingen als Pilotprojekt der Autobahndirektion Nordbayern für die Anwendung der BIM-Methodik ausgewählt. Dafür wurden zunächst die Grundlagen für die BIM-Umsetzung in den HOAI-Leistungsphasen 3, 4 und 6 in Form von Auftraggeberinformationsanforderungen (AIA) und einem BIM-Abwicklungsplan (BAP) geschaffen. Darauf basierend, wurden BIM-Modelle in der geforderten und adäquaten Detaillierung und Attribuierung für den Endzustand sowie die verschiedenen Bauphasen erzeugt. Die Kostenberechnung wurde modellbasiert durchgeführt. Für die Erstellung des Leistungsverzeichnisses ist vorgesehen, es ebenfalls aus den Modellen abzuleiten. Erfordernisse des Betriebes sowie der Instandhaltung finden bei der Modellierung und Attributierung bereits Berücksichtigung.

13 14 Detailabstimmung von Planer und Auftraggeber über BIM-Modell und Handskizzen © Leonhardt, Andrä und Partner AG

15 Typ-Attribut-Tabelle (TAT) © Leonhardt, Andrä und Partner AG

Die Abstimmung der beteiligten Planungsbüros Leonhardt, Andrä und Partner (LAP) und von Gerkan, Marg und Partner (gmp) erfolgte modellbasiert mit IFC als Austauschformat. Das für die Gestaltung zuständige Architekturbüro gmp verwendet für die Entwicklung der komplizierten äußeren Kontur der Brücke die CAD-Software Revit bzw. Rhino, LAP als Objektund Tragwerksplaner Nemetschek Allplan als CAD-Software. Somit war die Nutzung eines proprietären Austauschformates zwingend erforderlich. Die Nutzung des Datei-Standards IFC 2x3 war quasi problemlos, insbesondere für den Vergleich der Fachmodelle »Gestaltung« und »Objekt-Tragwerksplanung« mit entsprechender BIM-Koordinationssoftware.

16 Planableitung durch Filterung verschiedener Bauteile und Baugruppen © Leonhardt, Andrä und Partner AG

1/2 . 2020 | BRÜCKENBAU

SYMPOSIUM

17 Künftige Mainquerung aus der Vogelperspektive als Visualisierung gmp Architekten

Die Ableitung aller Entwurfspläne erfolgte aus den Modellen. Lediglich kleinere Elemente wie Beschriftungen, Maßketten und spezielle Details wurden in den 2-D-Planableitungen ergänzt. Für die weitere Verwendung des Modells für die in den AIA geforderten Anwendungsfälle wurde eine sehr ausführliche Typ-Attribut-Tabelle (TAT) entwickelt, die sämtliche in den Modellen verwendeten Bauteile klassifiziert und die jeweiligen erforderlichen Attribute spezifiziert. Es ergibt sich eine Matrix aus 54 Klassen und 117 Attributen.

6 Fazit und Ausblick Der Entwurf des Ersatzneubaus der Mainbrücke Mainflingen genügt den höchsten Ansprüchen an die Gestaltung und allen technischen Herausforderungen des Bauablaufes sowie der komplexen Tragstuktur. Zudem wurden die Anforderungen der zweiten Stufe des Stufenplans des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) »Digitales Planen und Bauen« vollständig und ohne paralleles konventionelles Arbeiten umgesetzt. Es wird erwartet, dass mit dem Vorliegen des Planfeststellungsbeschlusses im Jahr 2022 umgehend mit der Angebotsphase begonnen werden kann, an die sich eine etwa fünfjährige Bauzeit anschließt. Somit ist eine Fertigstellung im Jahr 2027 anvisiert. Autoren: Ltd. Baudirektor Dipl.-Ing. Bernd Endres Autobahndirektion Nordbayern, Nürnberg Dipl.-Ing. Rolf Jung Dipl.-Ing. Tobias Mansperger Leonhardt, Andrä und Partner Beratende Ingenieure VBI AG, Dresden

BRÜCKENBAU | 1/2 . 2020

Bauherr Bundesrepublik Deutschland Wettbewerbsauslobung Autobahndirektion Nordbayern, Nürnberg Bauwerksentwurf Leonhardt, Andrä und Partner, Beratende Ingenieure VBI AG, Dresden gmp Architekten, von Gerkan, Marg und Partner, Hamburg

SYMPOSIUM

Intelligentes Bauen verbindet Menschen.

Bauen mit Herz und Verstand. Jedes Projekt ist anders und muss individuell geplant und ausgeführt werden. Das Können und der Einsatz jedes Einzelnen entscheiden hier über den Erfolg. Seit 150 Jahren steht die PORR für höchste Kompetenz in allen Bereichen des Bauwesens – denn Fachwissen, Engagement und Teamgeist machen sich immer bezahlt. porr.de 1/2 . 2020 | BRÜCKENBAU

SYMPOSIUM Innovation als Auftakt

Bogenfachwerkbrücke am Autobahnkreuz Fürth- Erlangen von Jacqueline Donner, Markus Karpa, Hans Grassl, Angelika Feil

Die Bogenfachwerkbrücke am Autobahnkreuz (AK) Fürth-Erlangen wurde als Auftaktbauwerk für den sechsstreifigen Ausbau der Autobahn A 3 zwischen dem AK FürthErlangen und AK Biebelried in besonderer Art gestaltet. Es wurde die Wirkung eines Bogentragwerks mit der Steifigkeit eines Fachwerkes innovativ verbunden und damit ein gestalterisch ansprechendes schlankes Bauwerk entworfen, welches sich optimal in die Umgebung einfügt. Durch eine dauerhafte und robuste Ausbildung des Tragwerks und sämtlicher Details wurde mit diesem integralen Bauwerk ein Beitrag zur Nachhaltigkeit im Infrastrukturbau geleistet. Besonderheiten wie eine Bordsteinlinienentwässerung und eine besondere Ausformung der Untersicht mit gevouteten Fertigteilen kombinieren gute Gestaltung mit Funktionalität und Dauerhaftigkeit.

Erscheinungsbild der Brücke bei Nacht © Ingenieurbüro Grassl GmbH/Hajo Dietz

BRÜCKENBAU | 1/2 . 2020

Beitrag zur Formenvielfalt im heutigen Brückenbau Die Bogenfachwerkbrücke, welche sich im Spannungsfeld des ausgebauten Kreuzes Fürth-Erlangen befindet, ist von weiteren Ingenieurbauwerken umgeben und auf beiden Seiten eingebettet in Gabionenwände. Neben den klassischen Plattenbalkenbrücken der Kreuzungsbauwerke mit Mittelunterstützungen fallen im Umfeld verschiedene Bogenbrücken als Landmarken auf. In dieser Umgebung setzt das Bauwerk durch seine besondere Gestaltung in Form des weit und flach gespannten Bogenfachwerks einen neuen Akzent und fügt sich dennoch als weiteres Mitglied harmonisch in die bestehende Familie der Bogenbrücken ein. Die Widerlager wurden so in die Gabionenwände integriert, dass sie nicht als Fremdkörper hervortreten, sondern sich dezent absetzen und die Abgrenzung der Brücke gegenüber den Lärmschutzeinrichtungen ermöglichen. Die Ausrichtung der Widerlagerwände auf die Trassierung der Autobahn schafft maximale Transparenz und klare Ansichtsflächen. Durch die zentrische Anordnung des Bogens oberhalb der Autobahn wird eine optimale Fernwirkung erzielt.

Die neue Bogenfachwerkbrücke überspannt stützenfrei sieben Fahrspuren, einen Standstreifen und drei Abbiegespuren sowie drei Mittelstreifen der Bundesautobahn A 3. Die stützenfreie Überbrückung dieser großen lichten Weite stellt insbesondere durch die tief verlaufende Gradiente der Staatsstraße und die dadurch nur sehr geringe zur Verfügung stehende Bauhöhe eine große Herausforderung dar. Durch seine Lage an der Abschnittsgrenze soll das Überführungsbauwerk die Rolle als Auftakt zum neuen Ausbauabschnitt bestmöglich erfüllen. Diese Anforderungen werden durch das gewählte Bogenfachwerksystem optimal erfüllt. Durch die Wahl eines integralen Brückenbauwerks mit dem Verzicht auf Raumfugen und auf damit verbundene Verschleißteile konnte die Dauerhaftigkeit maximiert werden. Die außenliegenden, nach oben und unten aufgelösten Hauptträger bestehen aus einem Bogenfachwerk, bei dem die flach gespannten Bögen zum einen die Funktion der Fachwerkobergurte im Zentrum und zum anderen die Funktion der Sprengwerke im Bereich der Widerlager übernehmen.

SYMPOSIUM

Ansicht von Westen © Ingenieurbüro Grassl GmbH

Lageplan der Bogenfachwerkbrücke © Ingenieurbüro Grassl GmbH

Die außenliegenden Versteifungsträger der Fahrbahn überschneiden sich mit den Bögen und bilden im Zentrum die Fachwerkuntergurte und an den Widerlagern gemeinsam mit den Bögen die Sprengwerke. Diese beiden außenliegenden Haupttragglieder werden durch Querträger und eine mit den Quer- und den Versteifungsträgern im Verbund wirkende Fahrbahnplatte ausgesteift. Der Stahlüberbau ist an den Widerlagern monolithisch verbunden. Die Bögen sind in Querrichtung oberhalb der Fahrbahn nach innen geneigt, während die Neigung der Bögen unterhalb der Fahrbahn gegenläufig wiederum nach innen orientiert ist. Selbige Neigung setzt sich in den Außenstegen fort, so dass der Neigungswechsel auf Niveau der Schwerachse der kastenförmigen Versteifungsträger erfolgt. Die gegenläufig geneigten Stegblechbereiche reflektieren das Licht auf unterschiedliche Weise und verstärken somit die wahrgenommene Schlankheit der Versteifungsträger. Durch die Gegenneigung der Bögen unterhalb der Fahrbahn kann die Breite der Widerlager auf ein Minimum reduziert werden.

Querschnitt der Bogenfachwerkbrücke © Ingenieurbüro Grassl GmbH

Die Auswirkungen dieser Neigungen auf die Statik wurden betrachtet und sind als untergeordnet und unwesentlich einzustufen.

Der Entwurf ging aus einem vorgeschalteten Realisierungswettbewerb im Rahmen eines Verfahrens nach Vergabeverordnung (VgV) als Sieger hervor.

1/2 . 2020 | BRÜCKENBAU

SYMPOSIUM

Innovative Verknüpfung von Bogen- und Fachwerkbrücke Die geometrischen Randbedingungen des Autobahnkreuzes mit Mittelstreifenüberfahrt im Bauwerksbereich und die Anzahl der vorhandenen Spuren erfordern eine stützenfreie Überspannung von ca. 70 m. Die Gradiente der überführten Staatsstraße St 2242 bewirkt in Verbindung mit den erforderlichen Lichtraumprofilen der Autobahn eine sehr geringe mögliche Bauhöhe. Hieraus ergibt sich die Wahl eines sowohl nach oben als auch nach unten aufgelösten Tragwerks. Klassische Stabbögen mit Lagern an den Widerlagern benötigen für die erforderliche Steifigkeit und Robustheit ein Verhältnis zwischen der Stützweite und der Höhe des Bogenscheitels von in der Regel L/5. Hieraus würde im vorliegenden Fall einer Stützweite von 70 m eine Scheitelhöhe von 14 m resultieren. Durch Weiterführung des Bogens unter der Fahrbahn zusammen mit der Einspannung der Längsträger und Bögen in die Widerlager kann die Scheitelhöhe über der Fahrbahn bereits erheblich reduziert und der vorhandene Freiraum zwischen Widerlagervorderkanten und Lichtraumprofilen optisch genutzt werden. Dadurch ist eine Reduktion der Scheitelhöhe auf ca. 12 m möglich. Zudem kann auf Lager vollständig verzichtet und die Zahl der Übergangskonstruktionen minimiert werden. Eine weitere Reduzierung der Scheitelhöhe oberhalb der Fahrbahn ermöglichte die innovative Verknüpfung eines klassischen Stabbogenbrückensystems mit der Robustheit und Steifigkeit eines Fachwerks. Anstelle von weichen Hängern, welche nur Zugkräfte aufnehmen, werden Fachwerkdiagonalen vorgesehen. Diese können neben Zugkräften auch Druckkräfte aufnehmen und versteifen die Bogentragwerke durch die Fachwerkgeometrie deutlich. Hierdurch wird eine weitere Reduktion der Scheitelhöhe auf lediglich 5,50 m über Gradiente realisierbar. Somit spannt der Bogen äußerst flach über die Autobahn. Dies entspricht einer Schlankheit von 1/8. Ein solches nach oben und unten aufgelöstes Bogenfachwerk wurde in einer derart konsequenten Ausführung für eine Straßenbrücke weltweit erstmalig erfolgreich umgesetzt.

FE-Faltwerkmodell: Knotenbereich von Versteifungsträger mit Diagonalen © Ingenieurbüro Grassl GmbH

Zur Optimierung des Tragwerks wurden moderne Berechnungsmethoden angewandt und Finite-Elelemente-(FE-)Faltwerkmodelle für die maßgebenden Detailpunkte erstellt. Dadurch konnte das Tragverhalten äußerst realitätsnah modelliert, die Details konstruktiv optimiert und der Materialverbrauch wirtschaftlich gestaltet werden. Im Rahmen der Tragwerksplanung wurden zudem bereits die Ansätze der RE-ING für integrale Bauwerke angewandt, obgleich jener Teil der Norm erst nach Beginn der Planung eingeführt wurde. Die Berücksichtigung normativer Neuregelungen direkt von Projektbeginn hat die Bearbeitung zielgerichtet gestaltet, und es waren keine zeitaufwendigen Überarbeitungen erforderlich.

BRÜCKENBAU | 1/2 . 2020

Schleppplatte vom Typ III © Ingenieurbüro Grassl GmbH

Nachhaltigkeit durch dauerhaftes und robustes Bauwerk Neben der besonderen Gestaltung und den innovativen Lösungsansätzen wurde ein besonderes Augenmerk auf die Dauerhaftigkeit und ein robustes Bauwerk gelegt. Die Nachhaltigkeit wird zum einen dadurch vergrößert, dass das Bauwerk als integrales Tragwerk keine Lager aufweist und zum anderen keine Übergangskonstruktionen mit großen Verschiebewegen erforderlich sind. Zur Überbrückung von Bewegungen der Widerlager gegenüber der Hinterfüllung ist eine Schleppplatte gemäß RE-ING Teil 2, Abschnitt 5 Typ III mit gleitender Lagerung und Anordnung einer Übe 1 mit einem Dichtprofil zwischen Widerlager und Schleppplatte vorgesehen. Diese Art der Ausführung wird bei Rahmenbauwerken mit hohen Verschiebungen am Bauwerksende erforderlich.

SYMPOSIUM

Durch die hier vorhandene Stützweite von 72,20 m ist das Bauwerk in die Schwierigkeitsklasse 4 einzustufen, in der erhöhte Anforderungen an die Bearbeitungstiefe der Planung gestellt werden. Durch eine zielgerichtete Berücksichtigung von Beginn an wurden sämtliche Auflagen vollumfänglich erfüllt und standen einer gelungenen Ausführung nicht im Wege. Des Weiteren wurde eine Bordsteinlinienentwässerung vorgesehen – ein Entwässerungssystem, das Oberflächenwasser direkt im Bordstein sammelt und es zu den Widerlagern führt, wo es in Fallleitungen nach unten abfließt. Somit sind keine Durchdringungen der Abdichtung erforderlich, welche stets Schwachstellen

Blick in Richtung Widerlager © Ingenieurbüro Grassl GmbH/Hajo Dietz

Autofahrerperspektive mit Bordsteinlinienentwässerung (rechts) © Ingenieurbüro Grassl GmbH/Hajo Dietz

sind und Tausalze in die Konstruktion eindringen lassen können. Für den Einsatz dieser innovativen Lösung ist derzeit noch eine Zustimmung im Einzelfall erforderlich. Durch Abstimmungen bereits während der Planungsphase konnte die Zustimmung schließlich mit dem spezifisch gewählten Produkt und mit Hilfe des Herstellers durch die Baufirma erlangt werden. Neben den Vorteilen der Dauerhaftigkeit wertet die Bordsteinlinienentwässerung das Bauwerk weiter auf, da auf sichtbare Entwässerungsleitungen unterhalb der Fahrbahnplatte verzichten werden kann. Es wurde zudem auch auf Tropftüllen verzichtet, da sie ebenfalls Durchdringungen der Abdichtungsebene mit den genannten Problemen darstellen würden.

Transparente Geländerausbildung © Ingenieurbüro Grassl GmbH/Hajo Dietz

1/2 . 2020 | BRÜCKENBAU

SYMPOSIUM

10 Luftaufnahme: Brückenbauwerk bei Dunkelheit © Ingenieurbüro Grassl GmbH/Hajo Dietz

4 Sorgfältige Planung bis ins Detail Zur Unterstützung des filigranen Tragwerks wurde das Geländer als Konstruktion mit Acrylglasfüllung geplant, welche maximale Transparenz schafft und das Bogenfachwerk bestmöglich zur Geltung bringt. Die Pfosten sind als schlanke Flachbleche mit Anzug vorgesehen. Die Vorderkante verläuft senkrecht, während die Hinterkante die Neigung der Bögen aufgreift und somit auch einen konstanten Abstand zur Bogenfläche gewährleistet. Zur Ausleuchtung der Fahrbahn wurden zwei Einzelspots je Bogen vorgesehen, welche in den Knotenbereichen angeordnet sind und damit die Geometrie weiter betonen. Neben diesen Spots zur funktionalen Ausleuchtung sind entlang der Oberkante der Bögen LED-Bänder angebracht, welche die Bögen für die Verkehrsteilnehmer betonen.

Eine absolute Besonderheit stellt die Gestaltung der Untersicht des Bauwerks dar. Auch dieser Raum wurde sorgfältig betrachtet und optimal gestaltet. Ein Maximum an Funktionalität wurde sowohl durch statische Optimierung als auch die Verbesserung der Dauerhaftigkeit erreicht. So wurden die Fertigteile als gevoutete Elemente ausgebildet, welche auf den Untergurten der Querträger bzw. seitlichen Verlängerungen der Längsträ-

11 Untersicht des Bauwerks © Ingenieurbüro Grassl GmbH/Hajo Dietz

BRÜCKENBAU | 1/2 . 2020

geruntergurte aufliegen. In Längsrichtung betrachtet, wirkt die Fahrbahnplatte wie ein gevouteter Durchlaufträger, bei welchem jeweils in Feldmitte Eigengewicht gespart und die Widerstandsmomente an den Querträgern erhöht wurden. Zudem wird durch diese Form der Verzicht auf Vogelabweisbleche auf den Untergurten möglich und die Dauerhaftigkeit erhöht, da solche Stellen klassischerweise als erste Korrosion aufweisen.

SYMPOSIUM

Die Planung des Bauwerks wurde bis in die Ausgestaltung der Details sorgfältig durchgeführt. So wurden zum Beispiel die Ausrundungen der Knotenbereiche auf die Gesamterscheinung abgestimmt, der Übergang des Längsträgers in den Beton der Widerlager detailliert ausgearbeitet und konstruktiv so gestaltet, dass die hohe Dauerhaftigkeit hier ebenfalls gegeben ist. Erwähnenswert ist in diesem Zusammenhang zum Beispiel auch das Abweisblech vor dem Eindringen der Bogenfußpunkte in die Widerlager, die ein Abtropfen von Wasser an dieser Stelle erzwingen. Somit wird Niederschlagswasser vor dem Bogenfußpunkt gezielt abgeleitet und kann nicht zu Feuchtestellen und Schmutzfahnen an der Widerlageransicht führen. 5 Herstellung unter Verkehr Ein weiterer wesentlicher Planungsbestandteil ist die Berücksichtigung der verkehrlichen Randbedingungen durch die Bundesautobahn und somit die Planung eines Bauverfahrens, welches unter Verkehr mit nur äußerst geringen Sperrungen auskommt. Hierfür eignet sich das geplante Stahlverbundtragwerk in hervorragender Weise.

12 Detail: Einbindung in Widerlager © Ingenieurbüro Grassl GmbH/Hajo Dietz

Die einzelnen Stahlschüsse werden im Werk gefertigt und auf die Baustelle geliefert. Dort wurden sie auf einer seitlichen Montagefläche zusammengeschweißt und somit das Gerippe aus Längsträgern, Bögen und Querträgern

erstellt. Parallel hierzu können die Gründung und die aufgehenden Widerlager hergestellt werden. Im Bereich der Widerlager sind verschiedene Betonierabschnitte geplant, um die Einspannung zu realisieren.

13 Bauablauf für minimale Beeinträchtigungen © Ingenieurbüro Grassl GmbH

1/2 . 2020 | BRÜCKENBAU

SYMPOSIUM

14 Stahlgerippe auf Schwerlastwagen vor dem Einfahrvorgang © Samuel Pfenning

15 Bogenfachwerk fast in finaler Position © Samuel Pfenning

17 Fertiggestelltes Bauwerk in noch »unfertiger« Umgebung © Ingenieurbüro Grassl GmbH/Hajo Dietz

BRÜCKENBAU | 1/2 . 2020

16 Visualisierung in Blickrichtung Nürnberg © Firmhofer und Günther Architekten

SYMPOSIUM

Im ersten Betonierabschnitt werden Einbauteile vorgesehen, mit welchen die Längsträger und Bögenenden verschlossert werden. Der Einfahrvorgang erfolgte nachts mit Hilfe von Schwerlastwägen. Diese nehmen das Stahlgerippe mit Hilfstürmen in Endhöhenlage auf und fahren es in der nächtlichen Sperrung in die Endlage. Dort werden die Enden entsprechend mit den Einbauteilen verbunden, danach können die Schwerlastwägen lastfrei gesetzt und wieder ausgefahren werden. Sie liegen jedoch schon außerhalb des Lichtraumprofils, so dass die Arbeiten unabhängig von der Sperrung erfolgen können. Anschließend wurden die Einspannbereiche der Widerlager bewehrt und betoniert. Auf den Quer- und Längsträgern des Überbaus wurden die Fertigteile aufgelegt, das heißt, die Herstellung der Fahrbahnplatte und der Brückenausbau konnten ohne zusätzliche Schalung oder aufwendiges Gerüst erfolgen.

Das komplexe Bauwerk konnte in einer Nettobauzeit von nur 13 Monaten erfolgreich realisiert werden. Die Auswirkungen auf den Verkehr der Bundesautobahn wurden so minimiert, dass sich auch die staubedingten volkswirtschaftlichen Kosten reduzierten. Ein abschließender Vergleich des 2019 fertiggestellten Bauwerks mit der im Rahmen des Wettbewerbes erarbeiteten Visualisierungen zeigt, dass die Darstellungen nicht geschönt waren und bestätigen die filigrane und transparente Wirkung des Bauwerks. Autoren: Dipl.-Ing. Jacqueline Donner Dipl.-Ing. Markus Karpa Dr. sc. techn. Hans Grassl M.Sc. Angelika Feil Ingenieurbüro Grassl GmbH, München

Bauherr Freistaat Bayern Auftraggeber Autobahndirektion Nordbayern, Nürnberg Objekt- und Tragwerksplanung Ingenieurbüro Grassl GmbH, München Baugrundgutachten Autobahndirektion Nordbayern, Referat für Geotechnik, Nürnberg Prüfingenieur Prof. Dr.-Ing. Martin Mensinger, München Bauausführung Züblin Bau GmbH, Bayreuth Roßlauer Schiffswerft GmbH & Co. KG, Dessau-Roßlau

Bundesautobahn A1 | AS Köln-Niehl – AK Leverkusen-West 8-streifiger Ausbau inklusive Ersatzneubau der Rheinbrücke Leverkusen

Gesamtplanung Verkehrsanlagen, Ingenieurbauwerke, Baugestalterische Beratung, Visualisierung, Geotechnik, Deponie, Emissionsschutz, Methodik Kampfmittelfreiheit, Lärmschutz, Luftschadstoffe, Aerodynamik, Windkanal, Hydraulik, Modellgerinne, Sohlmorphologie, Kolkschutz, Baulogistik und SiGeKo

www.grassl-ing.de

1/2 . 2020 | BRÜCKENBAU

SYMPOSIUM Entwurf und Ausführung

Eine Brückenfamilie für Riedlingen von Tilo Behrmann, Christiane Sander, Sven Plieninger

In der Stadt Riedlingen an der Donau wurden kürzlich drei neue Brücken gebaut, eine vierte wird im Jahr 2020 dazukommen. Die Brücken wurden als Ersatzneubauten für bestehende Verbindungen benötigt. Die neue Straßenbrücke über den Hochwasserkanal wurde am Haupteingang zum historischen Stadtzentrum mit seinen eindrucksvollen Fachwerkfassaden errichtet. Der Entwurf der Stabbogenbrücke geht auf einen Siegerbeitrag eines 2003 ausgeschriebenen Wettbewerbs zurück. Nach einer Weiterentwicklung des Entwurfs erfolgte die Realisierung als Stahlbogenbrücke mit einem Verbunddeck, die Verkehrsfreigabe war im Dezember 2017. Die angrenzende Fußgängerbrücke war zuvor neben der Straßenbrücke errichtet worden. Sie ermöglicht heutzutage eine bessere Anbindung an das Naherholungsgebiet »Donauinsel«. Als drittes Mitglied der Brückenfamilie wurde im Mai 2018 ein Fußgängersteg über den ehemaligen Stadtgraben am nördlichen Altstadtrand erneuert. Nachdem man mit dem ersten Wettbewerbsgewinn für die Hochwasserkanalbrücke bereits hohe Ansprüche an die Ästhetik gestellt hatte, wurde im Weiteren die Gelegenheit genutzt, eine moderne Brückenfamilie zu schaffen, die sich gut in die historische Umgebung einfügt. Als vorerst letzter Bestandteil wird demnächst eine weitere Straßenbrücke über die Donau hinzukommen.

1 Einleitung 1.1 Lage Die Stadt Riedlingen liegt in Baden-Württemberg, ca. 100 km nördlich des Bodensees in der Region der Schwäbischen Alb. Die Einwohnerzahl beträgt nur ca. 10.000, jedoch hat die Stadt eine lange Geschichte: Sie wurde erstmals im Jahr 835 erwähnt und erhielt im 13. Jahrhundert das Stadtrecht. Im historischen Stadtzentrum, das unter Denkmalschutz steht, sind noch viele Originalgebäude im traditionellen Fachwerkstil erhalten. Unter ihnen ist das 1447 erbaute Rathaus. Riedlingen liegt an der Donau, und das innerstädtische Wehr, errichtet, um den Wasserabfluss innerhalb der Stadtgrenzen zu kontrollieren, schafft einen idyllischen Platz vor den Fassaden der historischen Fachwerkhäuser. Entlang der Donau verläuft mit dem Donauradweg ein beliebter Radwanderweg, der sich über mehrere Tausend Kilometer durch Deutschland, Österreich und Ungarn erstreckt. In Riedlingen kreuzt er eine weitere bekannte touristische Route, die Deutsche Fachwerkstraße, entlang deren die am besten erhaltenen Fachwerkhäuser des Landes zu finden sind. 1.2 Notwendigkeit Die Donau ist hochwassergefährdet, besonders im Frühjahr, wenn die Schneeschmelze aus dem Schwarzwald den Wasserstand ansteigen lässt. Der Bau eines Kanals entlang der Donau hat dazu beigetragen, das Hochwasserrisiko zu mindern. Dennoch sind schwere Überschwemmungen nach wie vor eine Bedrohung, und beim letzten großen Hochwasserereignis im Jahr 1990, als der Wasserstand auf 3,30 m über dem Durchschnitt stieg, wurden erhebliche Teile der Stadt und der umliegenden Felder überflutet. Um die

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Wettbewerbsbeitrag als Visualisierung © schlaich bergermann partner

Städte entlang der Donau vor ähnlichen Ereignissen zu schützen, wurde von der Landesregierung in Zusammenarbeit mit den Stadtverwaltungen ein umfassendes Hochwasserschutzprogramm initiiert. Um Riedlingen für ein 100-jähriges Hochwasserereignis zukunftssicher zu machen, wurde der Kanal um mehrere Meter verbreitert und gleichzeitig der Freibord an den bestehenden Brückenverbindungen erhöht. 2

Straßenbrücke über den Donaukanal 2.1 Bestandsbauwerk In Riedlingen hat die Umsetzung der Hochwasserschutzmaßnahmen den Abriss und Ersatz der Donaukanalbrücke erforderlich gemacht. Sie führt die Bundesstraße B 312 über den Hochwasserkanal in die Innenstadt. Aufgrund ihrer Lage erfüllt sie eine besondere Funktion als Eingang zum historischen Stadtzentrum. Die bis 2017 bestehende Brücke war bereits die zweite, die an diesem Standort gebaut wurde. Die genietete eiserne Fachwerkbrücke wurde 1901 errichtet und spannte 28 m über den Kanal. Sie hatte eine Breite von 10 m und überführte zwei Fahrspuren und zwei schmale Fußwege. 2.2 Wettbewerb Aufgrund der exponierten Lage und der Bedeutung als Stadteingang entschied sich der Riedlinger Gemeinderat im Jahr 2003, einen Gestaltungswettbewerb für die neue Brücke auszuschreiben. Die neue Brücke musste infolge der Kanalverbreiterung zusätzliche 6 m überspannen.

SYMPOSIUM Neben der reinen Ingenieuraufgabe erhoffte sich die Wettbewerbsjury eine gestalterische Lösung, die das Stadtbild aufwertet und den Maßstab für eine neue architektonische Qualität für zukünftige Stadtsanierungsarbeiten setzt. Es galt also, in feiner Balance eine moderne Brückenlösung zu schaffen, die den neuen Stadteingang definiert und ihn in die historische Umgebung einbindet. Abgesehen von den funktionalen Aspekten wie der besseren Zugänglichkeit durch breitere kombinierte Fuß- und Radwege auf der Brücke, wurde durch die Neugestaltung des Bereichs vor der Brücke, an der Kreuzung zwischen der Straße und dem Radwanderweg, die Möglichkeit zur Platzgestaltung geschaffen: ein Bereich, in dem die Radwanderer anhalten, sich ausruhen und die Aussicht auf das historische Stadtzentrum genießen können und eingeladen werden, ihre Reise zu unterbrechen und die Stadt zu erkunden.

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Der siegreiche Wettbewerbsentwurf, den schlaich bergermann partner in Zusammenarbeit mit dem Landschaftsarchitekturbüro knoll.neues.gruen vorschlug, war eine Stabbogenbrücke, bestehend aus zwei Stahlbögen und einer längsvorgespannten Fahrbahnplatte aus Beton. Die Stahlbögen sind zwar die dominierenden Elemente der Tragstruktur, ihre geringe Stichhöhe von 2,75 m bei einer Spannweite von 34 m stellt aber sicher, dass der Neubau die umliegenden historischen Gebäude nicht überschattet. Gleichzeitig trennen die Bögen, die nur durch die Hängerbleche seitlich gestützt werden, den schnelleren Straßenverkehr vom langsameren Fußgänger- und Fahrradverkehr. Integraler Bestandteil des Entwurfs waren die beiden durchgehenden Lichtbänder entlang den beiden Bögen. Sie ermöglichen es, das Brückenbauwerk schon von weitem zu erkennen und seine dynamische Form beim Überqueren des Kanals auch bei Nacht nachzuvollziehen.

2.3 Endgültiger Entwurf Erst rund zehn Jahre später, im Jahr 2016, wurde die weitere Planung der Brücke in Auftrag gegeben. Zu diesem Zeitpunkt waren die meisten Hochwasserschutzarbeiten wie die Kanalverbreiterung bereits weitgehend abgeschlossen. Der Abriss und Neubau der Brücke war daher eine der letzten Maßnahmen zur Beseitigung noch bestehender Engpässe. Während der Brückenbauarbeiten war der direkte Zugang zur Stadt unweigerlich abgeschnitten, und für den Autoverkehr waren lange Umwege erforderlich. Aus diesem Grund äußerte der Bauherr den Wunsch, vor Beginn des endgültigen Entwurfs Alternativen zu prüfen, die eine beschleunigte Brückenherstellung ermöglichen, wobei das Erscheinungsbild des früheren Entwurfs beibehalten werden sollte. Änderungen in den Brückenbaunormen führten dazu, dass die schlanke Betonfahrbahn, die als längsvorgespannte Betonplatte konzipiert war, auch eine Quervorspannung benötigen würde.

Längsschnitt durch die Kanalbrücke © schlaich bergermann partner

Stahlbaudetails: Längsträgerschnitt und Schnitt durch Bogenkämpfer und Einbauteil © schlaich bergermann partner

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SYMPOSIUM Eine größere Plattendicke war nicht mit dem Mindestfreibord über dem 100-jährigen Hochwasserspiegel vereinbar. Daher wurde beschlossen, die vorgespannte Betonplatte als Zugband durch Stahllängsträger zu ersetzen. Zur Aufnahme der kombinierten Fuß- und Radwege wurden seitlich auskragende Stahlhohlkastenträger an den Hauptlängsträgern angeordnet. Um die Robustheit der Betonfahrbahnplatte für den Fahrbahnbereich zu erhalten, wurde eine Verbundlösung gewählt. Den unterseitigen Abschluss bildeten 15 mm dicke Stahlbleche, die als äußere Bewehrung und zugleich als Schalung der Ortbetonplatte dienten. Für die Gründung der Brücke waren Bohrpfähle von ca. 10 m Länge erforderlich, um den tragfähigen Fels zu erreichen. Aufgrund der moderaten Brückenlänge und der Flexibilität der Pfahlgründung konnte die Brücke als integrales Bauwerk ohne Lager und Bewegungsfugen ausgeführt werden. 2.4 Bauausführung Durch die Umstellung des Tragwerks auf eine Stahlverbundkonstruktion ließ sich die Bauzeit auf acht Monate verkürzen. Da aufgrund des Hochwasserrisikos im Frühjahr der Baubeginn nicht vor April 2017 erfolgen konnte, war dies für den Erfolg des Projekts entscheidend. Denn so konnte die neue Brücke noch vor Weihnachten in Betrieb genommen werden. Die Brückenabbruch- und Unterbauarbeiten dauerten bis August 2017. Parallel dazu wurden die beiden Hauptstahlelemente mit Bögen, Hängern und auskragenden Fußwegen in der Werkstatt vorgefertigt und später zur Baustelle transportiert. Die beiden jeweils ca. 75 t schweren Träger wurden im September 2017 nacheinander eingehoben.

Neue Kanalbrücke mit Blick auf das alte Postgebäude © Conné van d’ Grachten

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Einhub des ersten von zwei Stahlträgern © schlaich bergermann partner

Fertiggestellte Kanalbrücke in Richtung Altstadt © schlaich bergermann partner

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Entwurf der »Inselbrücke« © schlaich bergermann partner

Im Anschluss daran wurden die versteiften Stahlbleche zwischen den beiden Längsträgern eingeschweißt. Schließlich wurde die Fahrbahnplatte im November betoniert und alle Ausbauarbeiten rechtzeitig für die Verkehrsfreigabe der Brücke im Dezember 2017 abgeschlossen. 3 Fußgängerbrücke »Inselbrücke« 3.1 Entwurfskonzept Um die Unannehmlichkeiten des fehlenden Fußgängerzugangs durch den Abbruch der Straßenbrücke zu verringern, war ursprünglich vorgesehen, für die Dauer der Arbeiten einen provisorischen Übergang in der Nähe der Baustelle einzurichten. Man erkannte jedoch schnell,

dass eine permanente Verbindung die wesentlich sinnvollere Lösung wäre. Als geeignetster Ort wurde ein Standort 60 m flussabwärts von der Straßenbrücke gewählt. Dort konnte die neue Querung einen großen Parkplatz mit einer Grünfläche, der sogenannten Donauinsel, verbinden, die sich in den Sommermonaten großer Beliebtheit erfreut. Als Ergebnis wurde parallel zu den Planungsarbeiten für die Straßenbrücke eine Fußgängerbrücke mit 37,50 m Länge und 2,50 m Breite konzipiert, entworfen und ausgeschrieben. Auch hier drängte die Zeit, da sie vor dem Abriss der Straßenbrücke stehen musste.

Es war klar, dass die neue Fußgängerbrücke subtiler zu gestalten war, um optisch nicht mit der nahegelegenen Straßenbrücke in Konkurrenz zu treten und sich in die natürliche Umgebung einzufügen. Die gewählte Konstruktion war die einer Fachwerkstruktur mit einer Gesamthöhe von 1,40 m, woraus sich ein Verhältnis von Spannweite zu Höhe von fast 30 ergibt. Für maximale Transparenz bestehen die Beläge und Brüstungsausfachungen aus verzinktem Stahlgitterrost, während die Haupttragelemente aus geschweißten Stahlprofilen zur Ausführung kamen. Querträger und vertikale Pfosten haben einen typischen Abstand von 62,50 cm.

9 10 Längs- und Querschnitt der »Inselbrücke« © schlaich bergermann partner

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11 Manövrieren durch die Straßen von Riedlingen © Thomas Warnack

Ihre Wiederholung verleiht dem Entwurf eine Ruhe, die durch die unterschiedlichen Abstände der fallenden Diagonalen aufgelockert wird. Das Konzept nimmt Bezug auf die Pfosten und Diagonalen, die in der typischen Holzrahmenbauweise der umliegenden Fachwerkhäuser zu finden sind, sowie durch die Verwendung des preiswerten Gitterrostmaterials auf die Notwendigkeit einer temporären Überquerung.

12 Neue Fußgängerbrücke nach Errichtung © schlaich bergermann partner

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3.2 Bauausführung Die Fundamente wurden im Januar 2017 gebaut. Etwa zur gleichen Zeit begannen die Stahlbauarbeiten im Werk, und nach Fertigstellung und Beschichtung wurde der Stahlüberbau in einem Stück zur Baustelle transportiert. Angesichts der Länge der Brücke von ca. 38 m erforderte dies ein feinfühliges Manövrieren, vor allem auf den letzten Streckenabschnitten der über 300 km langen Reise. Die Brücke wurde im April 2017 eingehoben und in der ersten Maiwoche 2017 eingeweiht.

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4 Fußgängerbrücke »Spitalsteg« 4.1 Bestandsbauwerk Am nördlichen Rand der Riedlinger Altstadt führt eine Passage durch das ehemalige Krankenhausgebäude, das heute ein Museum beherbergt, auf eine bestehende Holzbogenbrücke, die den früheren Stadtgraben überquert. Der Steg wurde in den 1960er Jahren erbaut und war inzwischen so stark verfallen, dass er ersetzt werden musste. Zudem wurde das 90 cm hohe Geländer für den Radund Fußgängerverkehr als nicht ausreichend eingestuft. 4.2 Entwurf Die Planung eines Ersatzneubaus wurde im März 2016 von der Stadt in Auftrag gegeben. Die neue Brücke sollte die bestehenden Fundamente wiederverwenden und die Breite von ca. 2 m beibehalten, um sicherzustellen, dass keine aufwendigen Änderungen an den Widerlagern

13 Bestandsbauwerk über den alten Stadtgraben © schlaich bergermann partner

notwendig werden. Gemäß aktuellen Anforderungen für öffentliche Verkehrsräume wurde eine Geländerhöhe von 1,30 m gefordert. Für die kurze Spannweite von 18 m wurden zunächst mehrere verschiedene Tragwerksysteme in Betracht gezogen

und dann auf eine Auswahlliste von drei Systemen eingegrenzt, die dem Gemeinderat zur abschließenden Abstimmung vorgelegt wurde. Wenig überraschend wurde als bevorzugte Lösung eine Bogenbrücke ausgewählt, wodurch der Bezug zum Vorgänger erhalten blieb.

14 Entwurfskonzept für eine filigrane Bogenbrücke © schlaich bergermann partner

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15 Längsschnitt durch den »Spitalsteg« © schlaich bergermann partner

Die filigrane Bogenbrücke hat ein Gesamtgewicht von ca. 10 t. Die beiden Bogenteile sind 100 mm breit und verjüngen sich von 100 mm auf 50 mm zwischen dem Auflager und dem Scheitelpunkt. Am höchsten Punkt ragen die Bögen 900 mm über die Verkehrsfläche hinaus. In einer Höhe von 1,10 m ist ein Handlauf angebracht. Die senkrechten Pfosten bestehen aus 12 mm dicken Blechen, deren Breite zwischen 40 mm an der Spitze und 100 mm an der Stelle, wo sie den Bogen berühren, variiert. Diese Variation findet auf der Außenfläche statt und erzeugt bei schräger Betrachtung der Brücke einen dreidimensionalen, skulpturalen Effekt.

18 Fertiggestellter Steg über den Stadtgraben © Conné van d’ Grachten

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16 Blick auf die skulpturale Außenfläche © schlaich bergermann partner

17 Antransport der kompletten Brücke: Vorbereitung für den Einhub © schlaich bergermann partner

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4.3 Bauausführung Auch hier konnte durch die Vorfertigung der Stahlbrücke im Werk die komplette Struktur an die Baustelle geliefert und noch am selben Tag montiert werden. Nachdem die Brücke auf provisorische Stützen abgesetzt und in die richtige Position gebracht war, wurden die Auflagerpunkte vergossen. Da der Deckbelag ebenfalls schon aufgebracht war, bestanden die einzigen Nacharbeiten, die zur Verkehrsfreigabe der Brücke notwendig waren, im Einbau der Dehnfugen an den Überbauenden. Die Brücke wurde Anfang Mai 2018 eingehoben und wenige Tage später eröffnet.

5 Zusammenfassung Es ist eine seltene Gelegenheit und besondere Aufgabe, mehrere Brücken zu entwerfen, die alle innerhalb weniger Hundert Meter voneinander entfernt gelegen sind. Dabei ist nicht nur auf die Integration der neuen Bauwerke in ihr jeweiliges Umfeld zu achten, sondern auch auf eine angemessene Hierarchie zwischen ihnen. Für die vorgestellten Brücken wurden jeweils moderne, elegante Bauwerke angestrebt, die ihre historische oder natürliche Umgebung ergänzen. Gleichzeitig sollten sie als Brückenfamilie einen hohen gestalterischen Standard setzen, der das Potential hat, als Katalysator für zukünftige Sanierungsgebiete in der Stadt zu wirken. Autor: Dipl.-Ing. Tilo Behrmann sbp schlaich bergermann partner gmbh, Stuttgart

Bauherr Stadt Riedlingen Entwurf und Tragwerksplanung schlaich bergermann partner gmbh, Stuttgart Prüfingenieur Dr. Frank Breinlinger, Tuttlingen Bauüberwachung Kovacic Ingenieure GmbH, Sigmaringen (Kanalbrücke) Bauausführung Matthäus Schmid Bauunternehmen GmbH & Co. KG, Baltringen (Kanalbrücke) Stahl- und Brückenbau Niesky GmbH, Niesky (Kanalbrücke) Prebeck GmbH, Stahl- und Anlagenbau, Bogen/Furth (Fußgängerbrücken) Karl Barth Bauunternehmen, Riedlingen (Fußgängerbrücken)

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SYMPOSIUM Koppeln von Alt und Neu

Verbreiterung der Hochstraße Elbmarsch in Hamburg von Martin Steinkühler, Sebastian Krohn

Von den vielen in den 1970er Jahren gebauten Straßenbrücken gibt es etliche, die den heutigen Anforderungen an Tragfähigkeit und Sicherheit nicht mehr genügen und die notwendigerweise durch Neubauten ersetzt werden müssen. Aber es existieren aus dieser Zeit auch Bauwerke, die von ihren Planern und Erbauern qualitativ hochwertig und weitsichtig errichtet wurden. Es entspricht der Strategie zur Ertüchtigung der Straßenbrücken im Bestand des BMVI [3] und ist eine Verpflichtung für die heutigen Ingenieure, solche Bauwerke zu erhalten und weiter zu nutzen.

Hochstraße Elbmarsch (K 20) mit Lücke zur Verbreiterung © DEGES GmbH

1 Hochstraße Elbmarsch Mit Fertigstellung der ersten drei Elbtunnelröhren am 10. Januar 1975 wurde die A 7 als westliche Umgehung Hamburgs sechsstreifig in Betrieb genommen. Inzwischen verläuft sie als längste deutsche Autobahn und als Europastraße E 45 von der dänischen zur österreichischen Grenze. Sie spielt in Norddeutschland sowohl für den Transitverkehr und die Andienung des Hamburger Hafens als auch für den Quell- und Zielverkehr von Hamburg eine zentrale Rolle. In dieser Doppelfunktion erreichte die A 7 mit 150.000 Kfz/d, einem

Grundriss der Hochstraße Elbmarsch mit 109 Feldern und einer Länge von 3,80 km © DEGES GmbH

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hohen Schwerverkehrsanteil und steigender Tendenz in den letzten Jahren ihre Belastungsgrenze. Südlich des Elbtunnels verläuft die Autobahn wegen des schlechten Baugrundes im Hamburger Marschland auf 3,80 km aufgeständert (Bild 1, 2) und ist damit die längste Autobahnbrücke Deutschlands. Im lesenswerten Artikel von H. G. Waßmuth und H. Gass im Bauingenieur aus dem Juni 1973 [1] ist die Errichtung dieser Hochbrücke ausführlich beschrieben worden.

SYMPOSIUM

Die damaligen Verantwortlichen legten Wert auf industrielle Fertigung und Nachhaltigkeit. So wurde zwischen den beiden Richtungsfahrbahnen eine Lücke für eine spätere Verbreiterung von sechs auf acht Fahrstreifen als zweite Ausbaustufe vorgesehen (Bild 3). Dazu wurden bereits Koppelstellen für Querspannglieder sowie Klappbewehrung und Bewehrungsanschlüsse an den innenseitigen Kragarmen vorgesehen. Mit der Inbetriebnahme der vierten Röhre des Elbtunnels am 27. Oktober 2002 und dem steigenden Verkehr auf der A 7 wuchs die Notwendigkeit zum achtstreifigen Ausbau nördlich und südlich des Elbtunnels. 2 Verbreiterung Heute, nach 45 Jahren Betrieb, wird dieser Gedanke wieder aufgegriffen und umgesetzt. Für die einfach strukturierte Konstruktion mit über drei Feldern gekoppelten Spannbetonfertigteilträgern und quervorgespannter Ortbetonfahrbahnplatte konnte eine Tragfähigkeit für Lastmodell 1 gemäß Nachrechnungsrichtlinie bestätigt werden. Der Erhaltungszustand des »Tausendfüßlers« – er hat über 600 Stützen – ist gut, lediglich im Bereich der Fugen sind umfangreichere Instandsetzungen an den Unterbauten und hier vor allem an den Stützenriegeln erforderlich. Mit der Forderung der Hamburger Verkehrsbehörde und der Hafenwirtschaft, auch beim Bau der Verbreiterung möglichst immer sechs Fahrstreifen unter Verkehr zu halten, blieb nur die Lösung, unter Nutzung des Bestandes eine Verbreiterung nach innen herzustellen. Zur Umsetzung der Verbreiterung entschied man sich nach einigen Variantenuntersuchungen [2] für ein Drei-Feld-Durchlaufträgersystem mit Stahlverbundträgern, deren Ortbetonfahrbahnplatte über die vorhandenen Querspanngliederkoppelstellen mit der Bestandsplatte verbunden wird (Bild 4).

Zweite Ausbaustufe der K 20: Planungsstand von 1972 © DEGES GmbH

Dabei wurde der Querschnitt des Verbundträgers derart gewählt, dass die Verformungen aus den unterschiedlichen statischen Systemen zwischen Bestand und Erweiterung so minimiert werden, dass sie von der Koppelfugenkonstruktion aufgenommen werden können.

Dies lässt in Zukunft eine weitere Ausbaustufe in der Form zu, dass die Bestandsüberbauten bei Erreichen ihrer Gesamtlebensdauer von 70–100 Jahren halbseitig zurückgebaut werden können, um dann durch eine Verbundträgerbrücke analog der Verbreiterung ersetzt zu werden. Unter Nutzung des leichteren Verbundüberbaus lassen sich die Unterbauten damit weiter nutzen.

Regelquerschnitt mit Verbreiterung: Ausführungsplanung von 2019 © DEGES GmbH

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3 Pilotprojekt Der monolithischen Kopplung der Fahrbahnplatte sowie der dafür notwendigen Verlängerung der Querspannglieder des Bestandsbauwerkes liegen technisch anspruchsvolle Planungen zugrunde, die auf der gesamten Bauwerkslänge von 3,80 km baulich umzusetzen sind. Verbunden mit den Ausführungsrisiken beim Bauen im Bestand erschien es sinnvoll, die geplante Bauweise im Rahmen einer vorgezogenen Maßnahme zu testen.

So wurde 2017–2019 über drei Felder der Hochstraße (K 20) ein Pilotprojekt durchgeführt. Dabei konnten wichtige Erfahrungen gesammelt und das System der Verbreiterung in vielen Einzelheiten verbessert werden. Wichtige Punkte waren die Optimierung der Gründung ohne Beeinflussung des Bestandes (Bild 5), die Art des Hochdruckwasserstrahlens zur Freilegung der Anschlussbewehrung an

Gründungsarbeiten beim Pilotprojekt K 20 © DEGES GmbH

Unterbauten der Verbreiterung für die Mittelstreifenüberfahrt vor K 30 © DEGES GmbH

Freigelegte Bewehrung: Kragarm mit Koppelstelle zum Stabspannglied © DEGES GmbH

der Kragarmspitze (Bild 7), die konstruktive Ausbildung der Koppelfuge, die Erlangung von Zustimmungen im Einzelfall (ZiE) zur Kopplung der Spannglieder und zur Verankerung von Lagern, der Umgang mit Toleranzen im Bestand, Fragen zur Aushärtung des Betons der Koppelfuge unter laufendem Verkehr (Bild 10) sowie Themen der Verkehrsführung und der Logistik.

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Verlegte Verbundträger an der Mittelstreifenüberfahrt vor K 30 © DEGES GmbH

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ähige Zukunftsf r die n fü Lösunge eute h Welt von en g und mor

Die Verbindung von Funktion und Konstruktion Ein starkes Team für den Brückenbau: Die BUNG Ingenieure AG, die BUNG Baumanagement GmbH und die KLÄHNE BUNG Beratende Ingenieure im Bauwesen GmbH. Unser Know how und unsere Erfahrung sind das Fundament für zahlreiche nationale und internationale Bauprojekte. Mit ganzheitlichem Denken, eigenständigen Entwicklungen und ansprechender Gestaltung schaffen wir eine Vielfalt an Tragkonstruktionen in verschiedensten Bauverfahren wie Freivorbau, Lehrgerüst oder Taktschieben. Auch in anderen Bereichen des Bauwesens sind wir für Sie planend, überwachend, prüfend und gutachterlich tätig. Unsere Tätigkeitsbereiche im Konstruktiven Ingenieurbau:

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Eingeschalte Fahrbahnplatte der Mittelstreifenüberfahrt vor K 30 © DEGES GmbH

4 Weichenbauwerk K 30 Anfang 2019 haben die Arbeiten zum Ersatzneubau des Weichenbauwerkes K 30 begonnen: eine 400 m lange auf Stahlpfählen aufgeständerte Betonplatte zwischen Elbtunnel und Hochstraße, auf der der Verkehr zwischen den vier Elbtunnelröhren je nach Verfügbarkeit und Betriebszustand verschwenkt werden kann. Hier wird bereits in den Achsen 104–110 der K 20 nach dem Konstruktionsprinzip der Verbreiterung eine Mittelstreifenüberfahrt hergestellt (Bilder 6–9).

11 Streckenabschnitt der Pilotmaßnahme K 20 © DEGES GmbH

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10 Pilotmaßnahme K 20: Betonage der Fuge © DEGES GmbH

5 Ausblick Die Arbeiten zur vorgezogenen Instandsetzung der Hochstraße K 20 haben ebenfalls im Jahr 2019 begonnen. Ende 2019 wurden die Bauleistungen zur Verbreiterung der Hochstraße Elbmarsch von der DEGES europaweit ausgeschrieben und vor Weihnachten submittiert.

Mit dem Baubeginn wird im ersten Quartal 2020 gerechnet, die geplante Bauzeit liegt bei etwa sieben Jahren. Für die ausführenden Ingenieure ist der gute Gesamtzustand des vorhandenen Bauwerkes Motivation, den Gedanken unserer Altvorderen zur nachträglichen Verbreiterung aufzugreifen. Nicht zuletzt kann dadurch der Verkehr störungsarm aufrechterhalten werden.

12 Erscheinungsbild des K-20-Streckenabschnitts © DEGES GmbH

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Durch die weitere Nutzung des Bestandes und den Verzicht auf einen kompletten Neubau wird zudem der CO2-Ausstoß vermindert und so auch ein Zeichen für Nachhaltigkeit gesetzt. Damit werden die unter [2] und [3] vorgestellten Strategien zur Ertüchtigung von Straßenbrücken angemessen realisiert. Autoren: Dipl.-Ing. Martin Steinkühler Dr.-Ing. Sebastian Krohn DEGES Deutsche Einheit Fernstraßenplanungs- und -bau GmbH, Berlin

Bauherr DEGES Deutsche Einheit Fernstraßenplanungsund -bau GmbH, Berlin im Auftrag der Bundesrepublik Deutschland Entwurf Ingenieurgemeinschaft K 20: Ingenieurbüro Grassl GmbH, Hamburg Bung Ingenieure AG, Hamburg Schüßler-Plan Ingenieurgesellschaft mbH, Hamburg Vorgezogene Ausführungsplanung SSF Ingenieure AG, München

Literatur [1] Waßmuth, H. G.; Gass, H.: Hochstraße Elbmarsch im Zuge der Bundesautobahn »Westliche Umgehung Hamburg«; in: Bauingenieur, Juni 1973. [2] Gebert, G.: Strategien der Ertüchtigung am Beispiel der K 20 Elbmarsch. Vortrag zum deutschen Bautechnik Tag 23. und 24. April 2015; in: Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein E.V. (Hrsg.). Heft 34 der Schriftenreihe. [3] Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (Hrsg.): Strategie zur Ertüchtigung der Straßenbrücken im Bestand der Bundesfernstraßen. Bericht zur Vorlage an den Ausschuss für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung des Deutschen Bundestages, 22.05.2013.

Prüfingenieur Prof. Dr.-Ing. Reinhard Maurer, Dortmund Bauüberwachung und Bauoberleitung Ingenieurgemeinschaft K 20-K 30: Bung Ingenieure AG, Hamburg Prof. Dr.-Ing. Bechert + Partner, Kassel Ingenieurbüro Grassl GmbH, Hamburg Bauausführung Johann Bunte Bauunternehmung GmbH & Co. KG, Papenburg (Pilotprojekt) Ed. Züblin AG, Hamburg (vorgezogene Instandsetzung Los 3.1) Hochtief Infrastructure GmbH, Hamburg (K 30 Los 3.2) Fr. Holst GmbH & Co. KG, Hamburg (K 30 Los 3.2)

Herausforderung Hochstraße Elbmarsch - Tragwerksplanung §51 HOAI Lph 4 - Genehmigungsplanung der Verbreiterung der Überbauten mit Unterbauten - Ertüchtigung Megastützen - Ermittlung der Lagerkräfte für den Bestand mit Verbreiterung - Statisch-konstruktive Betreuung während der gesamten Bauzeit

ssf-ing.de

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SYMPOSIUM Neuer Überbau auf alten Pfeilern

Mainbrücke Gemünden von Peter Kosza

Im Rahmen einer Neuordnung der Verkehrsverhältnisse für die zukünftige Umfahrung der Stadt Gemünden wurde die bestehende Mainbrücke ertüchtigt bzw. teilweise erneuert und die anschließenden Straßenanschlüsse umgebaut. Das Bauwerk verbindet die Innenstadt mit dem links des Mains gelegenen Ortsteil Hofstetten und umfasst eine Strom- und eine Rampenbrücke. Während die Rampenbrücke vollständig durch einen Neubau ersetzt wurde, konnten die Unterbauten im Strom- und Vorlandbereich mit erneuertem Überbau erhalten bleiben. Die Planung und Herstellung der neuen Mainbrücke Gemünden mussten vielfältigen Herausforderungen genügen: Die vorhandenen Strompfeiler bedingten eine Einschränkung der maximalen Lagerlasten und erforderten einen möglichst leichten Stahlverbundüberbau, wobei im Übergangsbereich zum Spannbetonquerschnitt im Vorlandbereich besondere konstruktive Lösungsansätze zum Einsatz kamen. Die Bauausführung wurde auf eine Minimierung von Störungen der Schifffahrt auf dem Main sowie des Verkehrs der zweigleisigen ICE-Strecke und der Bundesstraße 26 ausgelegt. Insgesamt standen eine wirtschaftlich optimierte Lösung für den Umfang des Neubaus und gleichzeitig der gestalterische Anspruch in der städtischen Umgebung im Vordergrund.

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1 Planungsaufgabe Dem stetig zunehmenden Durchgangsverkehr mit steigendem Lkw-Anteil auf der Bundesstraße 26 soll im Bereich der Stadt Gemünden durch eine Ortsumfahrung begegnet werden. Das Konzept sieht die Umverlegung des Verkehrs auf die linksmainische Seite durch den Ausbau der vorhandenen Kreisstraße MSP 11 vor. Das Kernstück dieses Projektes ist der Anschluss der geplanten Ortsumfahrung an die bestehende B 26 durch die Umgestaltung der Linienführung der vorhandenen Mainbrücke. Die im Jahr 1974 erstellte Brücke führte direkt in Richtung Innenstadt, die Verbindung zur B 26 erfolgte über ein abzweigendes Rampenbauwerk.

Bestandbrücke: Querung von Verkehrswegen © Ingenieurgesellschaft SB mbH

Geplante Umfahrung von Gemünden © Staatliches Bauamt Würzburg

Zur Schaffung einer leistungsfähigen Verkehrsführung im Zuge der Ortsumfahrung musste der Brückenteil im Vorlandbereich einschließlich der Rampe durch ein neutrassiertes Bauwerk ersetzt werden. Die Geometrie der Strombrücke über den Main konnte hingegen beibehalten werden, deshalb wurde zunächst deren Ertüchtigung vorgesehen. Der alte Überbau wurde als längs und quer vorgespannter, gevouteter Hohlkasten ausgebildet und über den Main im Freivorbauverfahren hergestellt. Die Trennung zwischen Strom- und Rampenbrücke erfolgte durch ein Gerbergelenk, hier sollte auch der Übergang zwischen dem Ersatzneubau und dem ertüchtigten Brückenüberbau erfolgen.

SYMPOSIUM

Neue Trassenführung im Bereich der Mainbrücke © Ingenieurgesellschaft SB mbH

Als Grundlage für die Ertüchtigungsplanung wurde eine Nachrechnung mit Berücksichtigung der vorliegenden Untersuchungsergebnisse zum Bauwerksbestand durchgeführt. Diese zeigten bereits umfangreiche Mängel, wie Betonschadstellen, Hohlstellen, Abplatzungen mit freiliegender Bewehrung auf sowie zahlreiche Schäden und Mängel an Abdichtung, Kappen, Übergangskonstruktionen und Bauwerksentwässerung. Zudem ergab ein Gutachten, dass die Hüllrohre der Spannglieder teilweise nicht oder nur unvollständig verpresst und dadurch bereits Korrosionsschäden aufgetreten waren. Zur Verifizierung der Nachrechnungsergebnisse wurde im September 2015 eine erweiterte Brückenhauptprüfung durchgeführt, welche eine nochmalige Verschlechterung des Bauwerkszustandes nachwies.

Abplatzungen und unverpresste Spannglieder © Leonhardt, Andrä und Partner AG

Geplante Ertüchtigung des Bestandsquerschnitts © Leonhardt, Andrä und Partner AG

Stegbügel mit Korrosion © Leonhardt, Andrä und Partner AG

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SYMPOSIUM

Die exponentiell zunehmenden Rissbreiten in den Stützquerträgern, der Durchbiegungszuwachs im Hauptfeld über den Main, die erhöhten Chloridwerte im Stützbereich der Fahrbahnplatte mit großer Spanngliedkonzentration und der Abrostungszuwachs von Stegbügeln mündeten in Verknüpfung mit einer Wirtschaftlichkeitsberechnung entgegen der angedachten Ertüchtigung des Bestandes in die Vorzugslösung eines Ersatzneubaus mit Beibehaltung der Strompfeiler und der Unterbauten im Vorlandbereich. Aus herstellungstechnischen Gründen wurde zwischen den Überbauten der Rampenund Strombrücke eine Übergangskonstruktion vorgesehen und am Übergang ein Trennpfeiler angeordnet.

Teilansicht des neuen Brückenbauwerks © Leonhardt, Andrä und Partner AG

Visualisierung der geplanten Flussquerung © Leonhardt, Andrä und Partner AG

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2 Materialwahl und Gestaltung Die komplexen Randbedingungen bestimmten sowohl die Materialwahl und die daraus folgende Gestaltung als auch die möglichen Konzepte für den Rückbau des Bestandsbauwerks und die Herstellung der neuen Brücke. Ausgehend von den durch die Bestandspfeiler definierten Stützweiten mussten die Tabuzonen in den Uferbereichen des Mains und der Saalemündung, Hochwasserschutzmaßnahmen, Gewässer- und Artenschutz und eine weitestgehend störungsfreie Schifffahrt berücksichtigt werden. Gleichzeitig war der Bahnverkehr auf der viergleisigen elektrifizierten Hauptstrecke Richtung Würzburg aufrechtzuhalten und der Straßenverkehr der B 26 für die einzelnen Bauphasen sicherzustellen. Während der Bauzeit wurde als Ersatz für die Brücke ein Fährbetrieb mit den erforderlichen Anlegestellen, Zufahrten und Warteflächen eingerichtet.

Die Vorgaben hinsichtlich einer kurzen Bauzeit von weniger als zwei Jahren für die Gesamtmaßnahme bestimmten die Entwurfsgestaltung und führten zu einer Hybridlösung für den Überbau, bei der sowohl Stahlverbund mit hohem Vorfertigungsgrad als auch Spannbeton zum Einsatz kommen, was somit eine räumlich und zeitlich parallele Arbeitsweise für Abbruch und Neubau erlaubt. Durch die Beibehaltung der Unterbauten für die Strombrücke waren die Stützweiten bereits vorgegeben, so dass die Überbaugestaltung sich im Wesentlichen an diesen statischen Randbedingungen orientieren musste. Im Hauptfeld über den Main wurde ein gevouteter Stahlverbundhohlkasten vorgesehen, der in den Nachbarfeldern an einen Spannbetonüberbau anschließt.

SYMPOSIUM

Der Materialwechsel mit Übergang von einem Hohlkasten zum Plattenquerschnitt erfolgt im Bereich des Momentennullpunktes, wobei die Übergangsstelle sich zugleich auch aus der abnehmenden Innenhöhe im Stahlverbundhohlkasten durch die noch zumutbare Begehbarkeit für die Bauwerksprüfung ergibt. Die Spannbetonplatte ist mittels über die Fuge geführter Spannglieder an den Stahlverbundüberbau gekoppelt und geht ab dem nächsten Pfeiler in einen zweistegigen Plattenbalkenquerschnitt über. Mit der Überbauerneuerung wurde zugleich eine Querschnittsverbreiterung der Brückenfahrbahn mit Neuordnung der Fahrspuren vorgesehen, um auf der Unterstromseite einen neuen Fuß- und Radweg realisieren zu können. Obwohl der neue Überbau gegenüber dem Bestand verbreitert wurde und die anzusetzenden Verkehrslasten im Vergleich zu denen der alten Brücke gemäß Brückenklasse 60 nach DIN 1072 deutlich gestiegen sind, ergeben sich für die Strompfeiler wegen der leichteren Stahlverbundkonstruktion keine Lasterhöhungen. Ein weiterer Grund für die Materialwahl war die werkseitige Vorfertigung von Stahlbauteilen, die in Kombination mit den Stahlbetonfertigteilen der Kragarme eine deutliche Bauzeitoptimierung ermöglicht. Der Einsatz eines Schalwagens wurde somit nicht erforderlich.

9 10 11 Querschnitte von Strom- und Vorlandbrücke mit Koppelstelle © Leonhardt, Andrä und Partner AG

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SYMPOSIUM

3 Herstellung Im Rahmen der Ausschreibung wurde sowohl für den Rückbau als auch für den Neubau der Einsatz von Pontons auf dem Main vorgesehen. Teile des Überbaus sollten zum und vom Montageplatz ausund eingeschwommen werden. Die Herstellung des Stahlüberbaus war, von den Strompfeilern beginnend, im Freivorbau geplant, während die Spannbetonüberbauten im Vorlandbereich auf Traggerüst errichtet werden sollten. Auf Grundlage eines Nachtragsangebotes der Baufirma wurde das Herstellungsprinzip geändert und der Stahlhohlkasten am Ufer in der kompletten Länge von ca. 185 m in Ausrichtung der Endlage montiert und dann in einem Stück längs eingeschwommen, querverschoben und auf die Strompfeiler abgesetzt. Die hierfür erforderliche bauzeitliche Steifigkeit war durch den geschlossenen Hohlkastenquerschnitt des Stahlüberbaus gegeben. 12 Abbruch des Bestandsüberbaus © Leonhardt, Andrä und Partner AG

13 Bauphasen der Herstellung © Leonhardt, Andrä und Partner AG

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SYMPOSIUM 1 3

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BRÜCKEN BAUEN – MENSCHEN VERBINDEN

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1/2 . 2020 | BRÜCKENBAU

SYMPOSIUM

14 Baustellenmontage des Stahlüberbaus © Leonhardt, Andrä und Partner AG

15 Vorbereitung zum Einschwimmen © Leonhardt, Andrä und Partner AG

16 17 Einschwimmvorgang mit Absetzen auf die Pfeiler © Leonhardt, Andrä und Partner AG

18 Koppelstelle im Stahlhohlkasten © Leonhardt, Andrä und Partner AG

19 Verlegen der Fertigteile © Leonhardt, Andrä und Partner AG

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SYMPOSIUM

Neue Bahnbrücke Kattwyk

Innovation aus Tradition Kreative und innovative Entwürfe wettbewerbsfähige Sondervorschläge Ausführungsplanungen auf dem neuesten Stand der Technik 20 Neue Mainbrücke Gemünden nach Fertigstellung © Leonhardt, Andrä und Partner AG

Für den Einschwimmvorgang musste der Schiffsverkehr auf dem Main einschließlich der Vor- und Nacharbeiten lediglich für einen Tag gesperrt werden. Die Vorlandfelder und die Rampenbrücke wurden, wie angedacht, konventionell auf Lehrgerüst ausgeführt, da diese Bereiche einfacher zugänglich waren und parallel zum Stromfeld auf dem weniger zeitkritischen Weg gebaut werden konnten. Über den Bahngleisen jedoch musste der Überbau in überhöhter Lage hergestellt und in einer Sperrpause abgesenkt werden. Eine besondere Herausforderung waren auch die Planung und Realisierung des Koppelbereiches zwischen Stahlhohlkasten und Spannbetonquerschnitt, da hier die großen bauzeitlichen Temperaturverformungen des Stahlüberbaus im Anschlussbereich zur Vorlandbrücke beachtet werden mussten. Aufgrund der Nord-Süd-Ausrichtung des Überbaus waren insbesondere die Horizontalauslenkungen an der Koppelstelle je nach Winkel der Sonneneinstrahlung im Tagesablauf veränderlich, deshalb wurde der Anschlussbereich über Nacht betoniert.

Nach Zusammenspannen der Überbauten wurden die Fertigteilplatten auf den Kragarmkonsolen des Stahlüberbaus verlegt und die Fahrbahnplatte abschnittsweise betoniert. Durch die konsequente Verfolgung der Verformungen in den einzelnen Bauphasen konnte der Gradientenausgleich problemlos durchgeführt und anschließend Kappen, Belag und Brückenausrüstung aufgebracht werden. Die neue Mainbrücke Gemünden wurde am 31. Oktober 2018 nach insgesamt 22 Monaten Bauzeit für den Verkehr eröffnet. Autor: Dr. sc. techn. Peter Kosza Leonhardt, Andrä und Partner Beratende Ingenieure VBI AG, Nürnberg

Jahrzehntelange Erfahrung auf allen Gebieten des Ingenieurbaus

Beratende Ingenieure VBI AG

www.lap-consult.com Mainbrücke Mainflingen

Bauherr Stadt Gemünden am Main in Zusammenarbeit mit dem Landkreis Main-Spessart Entwurf und Tragwerksplanung Ingenieurgemeinschaft Mainbrücke Gemünden: Leonhardt, Andrä und Partner Beratende Ingenieure VBI AG, Nürnberg DG Ingenieure, Würzburg Verkehrsanlagenplanung Ingenieurgesellschaft SB mbH, Laudenbach Prüfingenieur LGA Landesgewerbeanstalt Bayern, Prüfamt für Standsicherheit der Zweigstelle Würzburg

BW 400 c im Zuge der A3 bei Schwaig Mainbrücke Gemünden

Bauausführung MCE GmbH, Linz, Österreich Adam Hörnig Baugesellschaft mbH & Co. KG, Aschaffenburg (Strombrücke und Rampenbrücke)

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SYMPOSIUM Neue Brücke am Niger als Beispiel

Großbrückenbau in Nigeria von Georg Merzenich

Über den 1.200 m breiten Fluss Niger zwischen den Städten Asaba und Onitsha in Nigeria wird eine 2 x dreispurige Autobahnbrücke gebaut. Diese Brücke ist Kernstück der geplanten Südumgehung, um die bestehende Flussquerung und die angrenzenden Stadtstraßen zu entlasten. Zur Brücke gehören in der beauftragten Phase 1 weiterhin etwa 10 km Straßenbau, eine Mautstation und ein Autobahnkreuz. Aufgrund der Randbedingungen, wie unter anderem der Auslandsbau, das Klima und die Flussdynamik, ergeben sich nicht-alltägliche Anforderungen an die Planung und die Bauausführung von Brücke und Straße, die für den Projekterfolg entscheidend sind.

1 Einführung 1.1 Projektvorstellung Der Niger ist mit 4.184 km der drittlängste Fluss Afrikas und bildet insbesondere in seinem nigerianischen Teil von ca. 1.100 km eine natürliche Barriere für das Straßennetz: Lediglich sieben Straßenbrücken überspannen derzeit den Fluss. Eine dieser vorhandenen Nigerbrücken verbindet die Städte Asaba, Delta State, und Onitsha, Anambra State, im Süden Nigerias (Bild 1). Sie stammt aus dem Jahr 1965 und ist den heutigen Anforderungen bei weitem nicht mehr gewachsen. Bevölkerungswachstum und Industrialisierung in Nigeria und der damit verbundene Anstieg des Straßenverkehrsaufkommens erfordern den Ausbau der Infrastruktur vor allem der wichtigen Verkehrsknotenpunkte. Der Großraum Asaba-Onitsha hat heute eine Bevölkerungszahl von etwa zwei Millionen und wächst weiter. Die neue »zweite« Nigerbrücke soll nach Fertigstellung die Region stärken und den Stadtverkehr entlasten.

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Nigeria mit Lage der geplanten Second River Niger Bridge © Julius Berger International GmbH

Einteilung der verschiedenen Projektphasen © Julius Berger International GmbH

Die gesamte Infrastrukturmaßnahme hat eine Länge von 47 km und ist in die Phasen 1, 2 a und 2 b unterteilt (Bild 2). Im August 2018 wurde Julius Berger Nigeria PLC (JBN) mit der Ausführung der Phase 1 beauftragt. Hierzu gehören: – die Flussquerung mit einer Länge von 1.590 m, – insgesamt 10,30 km Straßenbau in weichem Gelände inklusive der zugehörigen Bodenverbesserungsmaßnahmen, – eine Mautstation, – ein Autobahnkreuz mit einer Vierfeldbrücke, – zwei kleine Brücken mit jeweils 24 m Spannweite. Die Bauzeit beträgt 42 Monate. Vorausgegangen waren seit 2014 vier »Early-WorksPhasen«, in denen die Grundlagen für die jetzige Umsetzung der Baumaßnahme ermittelt wurden.

Die Gesamtverantwortung, operativ und planerisch, für das Projekt trägt JBN. Julius Berger International GmbH (JBI) als Tochterunternehmen der JBN ist für die Planungsleistungen, die Koordinierung von externen Planungsbüros, für Materialbestellungen bis hin zum Export und für technische Dienstleistungen, wie zum Beispiel Arbeitsvorbereitung und Schalungsplanung, zuständig.

SYMPOSIUM

Gliederung in verschiedene Bauweisen © Julius Berger International GmbH

1.2 Hauptbrücke Im Bereich der Flussquerung besitzt der Niger eine Engstelle von 1,20 km. Die Gesamtlänge der Brücke beträgt 1.590,25 m mit 23 Feldern (Achsen 100–330), die drei Fahrspuren je Fahrtrichtung werden auf getrennten Überbauten angeordnet. Die Breite der jeweiligen Überbauten misst 14,15 m, die freizuhaltende Schifffahrtsöffnung hat eine Breite von 120 m und eine Höhe von 15 m (bei Hochwasser). Dies führt zu drei Brückenabschnitten (Bild 3):

Main Bridge (MB), Hauptbrücke im Freivorbauverfahren: – Brückenlänge = 630 m, fünf Felder mit 150 m Hauptspannweite und 90 m Spannweite der Randfelder zu den Trennpfeilern; – Herstellung der beiden Spannbetonhohlkästen im Freivorbau mit variablen Konstruktionshöhen zwischen 4,30 m und 7,80 m. West Approach Bridge (WAB), westliche Vorlandbrücke im Taktschiebeverfahren: – Brückenlänge 755 m, 13 Felder mit 55 m Spannweite und 40 m im Endfeld; – Herstellung der beiden Spannbetonhohlkästen im Taktschiebeverfahren mit konstanter Konstruktionshöhe von 4,00 m.

East Approach Bridge (EAB), östliche Vorlandbrücke im Taktschiebeverfahren: – Brückenlänge 205 m, drei Felder mit 55 m Spannweite und 40 m im Endfeld; Ursprünglich war die Herstellung der beiden Spannbetonhohlkästen in Ortbeton auf Lehrgerüst geplant, aus baubetrieblichen Gründen erfolgt die Umplanung auf das Taktschiebeverfahren.

Mengen und Kennwerte der Nigerbrücke © Julius Berger International GmbH

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2 Bauausführung 2.1 Baustelleneinrichtung Aufgrund der besonderen Lage und Situation der Baustelle, Abgelegenheit und Sicherheit sowie Versorgung und Linienbaustelle, wurde ein Camp mit Main Yard und zwei »Bridge + Road«Yards eingerichtet. Im Main Yard befindet sich das Mitarbeitercamp, der Biegebetrieb und die Fertigteilfabrik. Weiterhin gibt es in direkter Nähe des Main Yard einen Schiffsanleger. Die beiden Bridge+Road-Yards sind jeweils am Ost- und Westufer des Nigers. Alle Standorte verfügen über eigene Strom- und Wasserversorgung, Baustellenbüros und eigene Betonmischanlagen. 2.2 Vorarbeiten 2.2.1 Allgemeines Wie bei den großen nigerianischen Infrastrukturprojekten üblich gehören verschiedene Voruntersuchungen zum Leistungsumfang des Auftragnehmers. 2.2.2 Baugrund In den vorlaufenden »Early-Works-Phasen« wurden Bohrungen bis in Tiefen von 80 m, schwere Rammsondierungen und CPTs ausgeführt und bewertet. Zusammen mit den vorgenommenen Laborversuchen wurde ein aussagekräftiges Baugrundmodell erstellt, das als Basis für ein optimales Gründungskonzept diente. Ein Ausschnitt des Baugrundes im Bereich der Schifffahrtsöffnung ist in Bild 5 dargestellt.

Baugrundmodell im Teilbereich der Schifffahrtsöffnung © Julius Berger International GmbH

2.2.3 Hydrologie und Morphodynamik Eine besondere Bedeutung für die Planung und Bauausführung der Nigerbrücke kommt der Strömung und dem Wasserpegel zu. Im Hinblick auf Kolkbildung wurde eine detaillierte morphodynamische Studie erstellt, die im Ergebnis auf beträchtliche Kolktiefen bis zu 31 m im Bereich der Schifffahrtsöffnung hinwies.

Gemessene Pegelstände des Nigers von 2013 bis heute (19.12.2019) © Julius Berger International GmbH

BRÜCKENBAU | 1/2 . 2020

Als Maßnahme wurde ein Kolkschutzkonzept aus mehrlagigen »Sandsäcken« (geotextilen Sandcontainern) erstellt, das mit einem Monitoringprogramm ergänzt wird. Pegelmessungen im Bereich der Brücke zeigten extreme jahreszeitliche Wasserstandschwankungen des Nigers bis zu 10 m (Bild 6) aufgrund tropischer Bedingungen und der ausgeprägten Regenund Trockenzeiten der Region.

SYMPOSIUM

Anordnung der Großbohrpfähle in den Achsen 260 und 270 © Julius Berger International GmbH

2.3 Gründung Im Bereich der Freivorbaubrücke in den Achsen 250–270 leiten jeweils 25 Großbohrpfähle mit d = 2.000 mm und Längen zwischen 45 m und 54 m die Brückenlasten in den Baugrund ein. Die Herstellung erfolgt »schwimmend« von Julius Bergers eigener Hubplattform und Versorgungspontons aus. Für alle weiteren Achsen konnte die Gründung von Land hergestellt werden. Zur Ausführung kam ein Standard-Julius Berger-Rammpfahlsystem: – Geschlossene Stahlrohre (d=914 mm) werden auf Tiefe geschlagen und – anschließend bewehrt und ausbetoniert. Die Herstellung der Rammpfähle des WAB erfolgte auf Basis eines Sondervorschlags von einem temporären Sanddamm aus während der Niedrigwasserphase und war deshalb besonders kritisch, da das Hochwasser diesen Damm wegspült: vergleiche Bild 9.

Anordnung der Rammpfähle in den Achsen 160–180 © Julius Berger International GmbH

Herstellung der Pfähle und Unterbauten: offshore und onshore © Julius Berger International GmbH

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SYMPOSIUM

10 Pfahlkopfplatte in Achse 270: Großbohrpfähle, Konsolen und Fertigteilbodenplatten © Julius Berger International GmbH

2.4 Pfahlkopfplatten Die Pfahlkopfplatten über den Bohrpfählen haben Abmessungen von (b x l x h) 40 m x 19 m x 3,50 m. Die Rammpfähle sind in eine Pfahlkopfplatte mit den Abmessungen 26 m x 10 m x 2,70 m eingebunden (Bild 7, 8). Die Herstellung erfolgt mit Hilfe von Betonfertigteilelementen, die auf einer Stahlunterkonstruktion lagern und als »verlorene« Schalung fungieren (Bild 10). Die Betonage der Pfahlkopfplatte geschieht in zwei Abschnitten: Zunächst werden die ersten 60 cm der Platte betoniert. Nach deren Erhärtung schließen sich die Installation der vertikalen Fertigteilschürzen und danach die Betonage des zweiten Abschnittes an. Die Herstellung ist nur bei Niedrigwasser möglich.

11 Pfeilerkopf in Achse 280 mit Aufbau der Freivorbaugeräte und -schalung © Julius Berger International GmbH

2.6 MB-Überbau Der Hauptteil der Second River Niger Bridge im Bereich der Schifffahrtsöffnung mit Spannweiten von 90 m, 150 m, 150 m, 150 m und 90 m wird im klassischen Freivorbauverfahren hergestellt. Je Kragarm werden 15 Segmente wechselseitig errichtet, die 90-m-Seitenöffnung ist mit 19 Segmenten geplant.

2.5 Brückenpfeiler Die Stützenköpfe der Freivorbaubrücke werden jeweils mit zwei Pfeilerscheiben monolithisch verbunden, deren Abmessungen 1,75 m x 7,85 m betragen. Sie werden mittels Kletterschalung in fünf Segmenten bis zu einer Höhe von 21 m massiv hergestellt. Die Wahl dieser aufgelösten Unterkonstruktion ermöglicht den Freivorbau des Überbaus ohne weitere temporäre Unterstützungskonstruktion (Bild 11). Die Stützen für die Taktschiebebrücken haben Abmessungen von jeweils 2,00 m x 5,40 m. Die maximale Höhe an der Achse 240 beträgt 22,30 m, sämtliche Stützen für die Taktschiebebrücken wurden im Dezember 2019 fertiggestellt.

12 Spanngliedführung in den Achse 260 und 270 © Julius Berger International GmbH

BRÜCKENBAU | 1/2 . 2020

Bild 12 zeigt einen Überblick über die Segmenttaktung zusammen mit der Anordnung der Spannglieder für ein 150-mFeld. Nach Herstellung der Pfeilertische in den Achsen 260 und 280 (Bild 11) werden die ersten Kragsegmente im Februar 2020 realisiert.

SYMPOSIUM

13 WAB-Verschub: Takt 1 der nördlichen Brücke © Julius Berger International GmbH

2.7 WAB- und EAB-Überbau Die beiden Vorlandbrücken West und East Approach werden im Taktschiebeverfahren hergestellt: – 28 (WAB) bzw. 8 Segmente (EAB) mit Standardlängen von 27,50 m; – Überbauhöhe konstant 4,00 m; – Verschub über zwei synchronisierte Schubanlagen (WAB), für EAB nur über eine; – temporäre Gleitlager auf dem Pfeilerkopf, die nach Einschub in die Endlage durch permanente Lager ersetzt werden. Das erste Segment wurde am 4. Dezember 2019 erfolgreich vorgeschoben (Bild 13). 3 Besondere Herausforderungen 3.1 Bauausführung 3.1.1 Lokale Randbedingungen Die durch Regen- und Trockenzeit bedingte große Amplitude des Wasserstandes des Niger Rivers ist der für die Bauarbeiten maßgebliche lokale Einflussfaktor. Insbesondere der unberechenbare Pegelverlauf – siehe auch die »breite Spitze« von 2019 in Bild 6 – stellt das Baustellenteam speziell bei der Logistik vor große Herausforderungen. Die kritische Bauphase im Frühjahr 2019 mit Realisierung der Pfahlgründungen und Pfahlkopfplatten konnte erfolgreich abgeschlossen werden:

– Erreichen der kritischen Hochwassermarke von 16,35 m am 10. Juni 2019; – WAB: Fertigstellung der letzten Pfahlkopfplatte am 07. Juni 2019; – MB: Fertigstellung des letzten Bohrpfahls am 10. Juni 2019. Aufgrund der »Just-in-Time«-Fertigstellung kann auf eine zweite Mobilisierung des Marinegeräts verzichtet werden. 3.1.2 Logistik Der umfangreiche Einsatz von Materialien mit langen Vorlaufzeiten erfordert weit vorausschauende Beschaffungsprozesse und sorgfältige Kontrollen auf der Baustelle.

3.1.3 Offshore-, Onshore-Baustelle Während WAB und EAB im Taktschiebeverfahren »onshore« hergestellt werden, wird die Hauptbrücke »offshore« errichtet, mit Ausnahme von Achse 280. Abgesehen von der Tatsache, dass für die Vorlandbrücken zwei Taktkeller einzurichten und zu betreiben sind, bedeutet die Offshore-Baustelle der MB logistisch deutlich größere Aufgaben für das Baustellenteam.

Material und Gerät Vertikaldränage

Lieferzeit (ca.-Werte) (Straßenbau)

2 Monate

Geotextilummantelte Sandsäulen (Straßenbau)

4 Monate

Geotextilbahnen

5 Monate

(Straßenbau)

Stahlrohre zur Pfahlherstellung

6 Monate

Freivorbaugerät

6 Monate

Taktschiebeanlage

9 Monate

Spannstahl

6 Monate

14 Lieferzeiten ausgewählter Materialien und Geräte © Julius Berger International GmbH

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15 Zwei Transport- und zwei Pumpenpontons zur Offshore-Betonage einer Pfahlkopfplatte © Julius Berger International GmbH

Die Andienung der Flusspfeiler während der Betonage erfordert in der Regel den gleichzeitigen Einsatz zweier Transportund zweier Pumpenpontons (Bild 15). Mit Baufortschritt wird die Materialandienung der Offshore-Baustellen immer komplexer: Bewehrung, Schalung, Einbauteile etc.. Das Material muss dann nicht nur horizontal, sondern auch vertikal in Richtung Überbau verbracht werden. Dazu wird in jeder der vier Achsen der Hauptbrücke ein Turmdrehkran montiert. An der Pfahlkopfplatte werden Material- und Magazinpontons fixiert (Bild 16). 3.1.4 Terminplan Die Herstellung der Nigerbrücke liegt auf der kritischen Terminschiene. Aus diesem Grund werden die drei Brücken parallel gebaut: – WAB mit Taktanlage 1 von Dezember 2019 bis August 2021 – EAB mit Taktanlage 2 von Februar 2020 bis September 2020 – MB mit vier Paar Freivorbauwagen von Februar 2020 bis November 2021

16 Turmdrehkran und Materialponton in Achse 260 © Julius Berger International GmbH

Diese Gleichzeitigkeit der Bauaufgaben erfordert ein Höchstmaß an Vorplanung und Koordination im Bereich des Personals sowie des Geräteeinsatzes. Positiv hervorzuheben ist, dass die Herstellung der Überbauten unabhängig von den Hochwasserphasen des Nigers bleibt. 3.2 Planung 3.2.1 Design-and-Build-Konzept Aufgrund der Größe und der Komplexität der Planungsaufgaben ergibt sich ein Geflecht von internen und externen Leistungspaketen (Bild 17). Disziplin

Aufgabe

interne / externe Leistung

Geotechnik

Gründung Brücke und Straßendamm

Extern

Brückenplanung

Nigerbrücke Kleine Nebenbrücken

Extern Intern JBI

Infrastruktur

Straße und Entwässerung

Intern JBI

Architektur

Gebäude der Mautstation

Intern JBI

TGA

Gebäude der Mautstation

Intern JBI

Arbeitsvorbereitung

Baubehelfe / Terminpläne

Intern JBI

Schalung und Rüstung

Taktschiebeanlage Freivorbaugerät

Intern JBI Extern

17 »Pakete« der Planungsleistung © Julius Berger International GmbH

18 Visualisierung »der Second River Niger Bridge« © Julius Berger International GmbH

BRÜCKENBAU | 1/2 . 2020

Zur Gewährleistung der Planungstermine und -ergebnisse wurde von JBI ein Design Management Team zusammengestellt, das neben der Schnittstellenbetreuung der verschiedenen internen und externen Fachplaner auch die Rückmeldung der Baustelle hinsichtlich Bauabläufen und Bauverfahren zu verantworten hat. Ein Beispiel hierfür ist die kurzfristige Umstellung bei EAB von der Errichtung auf ortsfester Rüstung zum Taktschiebeverfahren.

SYMPOSIUM 3.2.2 Nationale Besonderheiten Wie in allen Fällen des Bauens im Ausland sind in Nigeria ebenfalls einige »Randbedingungen« in der Planung zu beachten: – Normen: Es wird prinzipiell der Eurocode mit britischen Anhängen verwendet. – Betongüten: Aufgrund der im Land verfügbaren Zemente wird nur bis zu einer Festigkeitsklasse C35/C45 geplant. Zemente für sulfatbeständige Betone sowie Betone mit geringer Wärmeentwicklung für massige Bauteile sind ebenfalls verfügbar. – Dauerhaftigkeit: Die Robustheit der Konstruktion steht im Vordergrund, um den Wartungsaufwand der Bauwerke möglichst gering zu halten. – JBN-Standards: JBN besitzt in Nigeria einen umfangreichen Baugerätepool und hat zusätzlich für viele Bereiche über die Jahre eigene Ausführungsstandards entwickelt, die in der Planung entsprechend zu berücksichtigen sind, wie zum Beispiel – Taktschiebebrücken bis 55 m Spannweite (JBN-Taktanlage), – schwimmendes JBN-Gerät für die Bauausführung im Wasser wie zum Beispiel Pontons, Hubplattform und weiteres marines Gerät, – JBN-Bohr- und -Rammgeräte für verschiedene Gründungsoptionen. 4 Zusammenfassung Die Baumaßnahme der Phase 1 wird bis Anfang 2022 abgeschlossen sein. Bild 18 zeigt eine Visualisierung der künftigen Nigerquerung. Ohne die Fertigstellung der weiteren Phasen 2 a und 2 b kann die Brücke jedoch nicht genutzt werden. Somit ist die Beauftragung der Phase 2 a im Oktober 2019 an JBN ein weiterer Schritt zur Entlastung dieser wichtigen Ost-West-Verkehrsverbindung in Nigeria. Autor: Dr.-Ing. Georg Merzenich Julius Berger International GmbH, Wiesbaden

Bauherr Federal Ministry of Public Works, Lagos, Nigeria Planung »Gesamtprojekt« Julius Berger International GmbH, Wiesbaden Brückenentwurf und Tragwerksplanung Leonhardt, Andrä und Partner, Beratende Ingenieure VBI AG, Stuttgart Geotechnik Kempfert + Raithel Geotechnik GmbH, Würzburg Bauwerksprüfung WSP Group PLC, Johannisburg, Südafrika Bauausführung Julius Berger PLC, Lagos, Nigeria

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SYMPOSIUM Project Overview of Package 2

Mumbai Trans Harbour Link by Peter Curran

General View of Package 2 © Ramboll Group A/S

This presentation offers an overview of the design and construction of the new Mumbai Trans Harbour Link, with a particular focus on Package 2. It focusses on the background to the project as a whole, the need for it, and describes the challenges faced in bringing the project to fruition. The structural form adopted will be described as will some of the design and construction techniques and challenges.

The bridge will begin in Sewri, South Mumbai and cross Thane Creek north of Elephanta Island and will terminate at Chirle village, near Nhava Seva. The road will be linked to the Mumbai Pune Expressway in the east, and to the proposed Western Freeway in the west. The sea link will be a six-lane highway, which will have dual carriageway of 13,50 m width each, in addition to edge strip and crash barrier. The sea link will decongest adjoining roads, provide a vital link from the south of Mumbai to some 24.000 ha of development land in Navi Mumbai and will provide a gateway to Navi Mumbai International Airport and Mumbai-Pune Expressway. The new crossing will reduce journey lengths by some 17 km and travel time by well over an hour, more in busy periods.

1 Introduction The Mumbai Trans Harbour Link (MTHL), also known as the Sewri-Nhava Sheva Trans Harbour Link, is a proposed 21,80 km, freeway grade road bridge connecting the Indian city of Mumbai with Navi Mumbai, its satellite city. When completed, it will be the longest sea bridge in India.

BRÜCKENBAU | 1/2 . 2020

Overall Scheme Layout © Ramboll Group A/S

The whole project is estimated to cost Rupien 14.262 crore (2 billion $). The Mumbai Metropolitan Region Development Authority (MMRDA) awarded contracts for the project in November 2017; construction began in April 2018, and is scheduled to complete within four-anda-half years. The MMRDA estimates that 70.000 vehicles will use the bridge daily after it opens. 2 History The scheme has been under consideration for more than 50 years, first suggested as part of extensive traffic planning studies carried out in 1962. Latterly there were a number of failed attempts to deliver the project, with the pursuit initially being based on a private finance model.

SYMPOSIUM

Layout of Package 2 © Ramboll Group A/S

3 Contract Award The MMRDA decided to scrap the PPP model for the project in August 2013, and instead execute it on a cash-contract basis. Subsequently, the Japan International Cooperation Agency (JICA) expressed interest in providing funds for the project. The project ran into a further major hurdle in April 2015, when environmental objections were raised and concerns raised that it would affect »existing mangroves as well as the flamingo population«. The project required requisite approvals as it will affect 38 ha of protected mangrove forests and 8,80 hectares of forest land on the Navi Mumbai end. The sea link´s starting point poses a threat to an estimated 20.000–30.000 lesser and greater flamingos and the mangrove habitat. Further studies were conducted and in 2017 the necessary permissions were finally achieved as was a funding arrangement with JICA. As part of the agreement between JICA and the State Government, two rescue lanes were added to the proposed plan for the crossing, and a 4 km stretch of the bridge will be constructed as a steel-only structure instead of previous plan to build a wholely concrete bridge with additional associated costs. The MMRDA invited request for qualifications (RFQ) for civil construction of the project in three received 11 pre-qualification bids each for the first and second package, and 17 bids for the third package. Packages were ultimately awarded as follows:

Stratum

Maximum Thickness (m)

General Description

Alluvium (Marine Clay) 21.00

Very soft to stiff, dark grey clay with varying amount of sand and silt

Granular Material

3.00

Grey, sand, silt and gravels with occasional traces of rock. Possibly underlying basalt which has been weathered to residual soil.

Basalt

Unproven

Very weak to strong, brownish grey to dark grey fractured rock.

Brief overview of the strata © Ramboll Group A/S

Package 1: Length 10,38 km spanning across Thane Creek and Sewri Interchange awarded to Larsen and Toubro and IHI Corporation in the sum of Rupien 7.637,30 crore (1,10 billion $). Package 2: Length 7,807 km spanning across Thane Creek and the Shivaji Nagar interchange awarded to Daewoo E&C and Tata Projects Limited in the sum of Rupien 5.612,61 crore (790 million $). Package 3: 3,613 km Viaducts and interchanges that connect MTHL with State Highways 52 and 54 and National Highway 4B at Chirle awarded to Larsen and Toubro in the sum of Rupien 1,013.79 crore (140 million $). Daewoo-TPL Joint Venture who won the Package-II appointed Ramboll as Designers for the Design-and-Build contract for providing detailed design services and technical support during construction stage.

4 Ground Conditions The published Geological Survey of India geological map for the area »Pune and Bombay Quadrangle, Maharashtra« (1997) shows the site to comprise Alluvium underlain by compound and simple Basalt flows in the west of the site and mainly Compound Pahoehoe Basalt flows in the east of the site. Three no. basic dykes are shown to be present in a north south orientation in the land side area. The basalt bedrock comprises varying weather grades classified by Rock Quality Designation (RDQ) and Total Core Recovery (TCR) as defined in BS 5930:1981 with RQD and TCR determined from extracted rock cores.

1/2 . 2020 | BRÜCKENBAU

SYMPOSIUM

Typical Marine Module Elevation © Ramboll Group A/S

5 Foundation Solutions 5.1 Marine Foundations Piled foundations are utilized for marine pier locations. Piles are being installed using Reverse Circulation Drilling (RCD) method, which is one of the most efficient drilling techniques for large diameter piles in hard rock. Initial pile load tests using bi-directional load cells with a test load of 62,50 MN were carried out on sacrificial piles at two locations. The test results were used to verify the pile design. The design of the substructure is governed by seismic forces, with the exception of the larger steel spans which are governed by wind loads. The typical marine foundation consists of a four pile group with a high-level pilecap above high water level. The substructures in this area have been designed without plastic hinges to meet the Employer’s requirements for no damage below the pilecap. A non-linear analysis was utilized in the design for every pier location to minimize the reinforcement in the piles. The piles are cast within steel liners above rock level to facilitate construction.

BRÜCKENBAU | 1/2 . 2020

Marine Pilinging by Reverse Circulation Drilling © Ramboll Group A/S

Piling from Causeway © Ramboll Group A/S

SYMPOSIUM

1/2 . 2020 | BRÜCKENBAU

SYMPOSIUM 5.2 Land Foundations For pier locations on land where rock is present at or near the surface, open (large pad) foundations were utilized. Where founding material was completely or highly weathered rock, the bearing capacity was verified by in-situ plate bearing tests organized and carried out by the Contractor. 6 Superstructure 6.1 Two Types Superstructure is of two types. 6.2 Concrete Spans – Mostly 5 x 60 m modules externally Post tensioned precast segmental superstructure monolithic over hollow piers with bearings only at expansion joint location – Minimum continuous length (without expansion joints) 200 m as per ER – Superstructure rigidly connected to piers supported on Pile foundation – Independent superstructure for each carriageway

Temporary Bridge Piling near Mumbai © Ramboll Group A/S

Description

Segment Type A

Segment Type B

Segment Type C

Rescue Span Segment

No. of Field Segments

2.605

339

No. of EJ Segments

Total No. of Segments

2.679

351

Segment Width [m]

14,90

10,00

8,80

3.142 14,60

Segment Depth [m]

3,50

Segment Length [m]

3,825 (Maximum) / 3,49 (Minimum) Module 1~5 +

Module No.

Radius in Plan [m] 9

16L + 18R + 20L + 21R + 22R + Part of (16R + 22L) 1.000

Module 17L + 18L + Part of (16R + 22L)

Module 17AL + 17 R + 19 + 20R + 21L

Module 7L

1.000

4.200

Segment Details © Ramboll Group A/S

Each span of the viaduct is split into certain number of field segments and pier respectively expansion joint segment at the ends. Field segments are typically around 3,49 m to 3,825 m long will be cast using field segment casting cell. Field segments are cast successively against the previous segments such that they all fit together when assembled in sequence at actual span location. Expansion joint segments are 2,20 m long and will be cast using EJ segment casting cell. Pier segments are 2,90 m long and will be cast in place. 10 Visualization of Concrete Spans © Ramboll Group A/S

BRÜCKENBAU | 1/2 . 2020

SYMPOSIUM

11 Typical Section at Marine Piers © Ramboll Group A/S

12 Typical Section at Steel Spans © Ramboll Group A/S

Casting cell is designed for the short line method of match casting concrete segments, whereby each completed field segment is shifted forward by one position such that next segment is cast in same place using the face of preceding segment to form the joint face. Twelve casting cells are provided for field segment casting and a single casting cell is provided for casting of the expansion Joint segment.

The anticipated segment cycle time is typically 2,50~3 days cycle for field segment and 6 days cycle for expansion joint segments. These cycle times are based on the condition that prefabricated rebar cages are used and three soffit forms per cell are utilized.

6.3 Steel spans Orthotropic steel box deck with spans ranging from 90 m to 180 m resting on hollow piers with piled foundations.

13 14 Visualization of Steel Spans © Ramboll Group A/S

1/2 . 2020 | BRÜCKENBAU

SYMPOSIUM

15 Layout of Overhead Gantry © Ramboll Group A/S

7 Superstructure Construction The precast segments will be constructed using an overhead gantry on a span-byspan construction method. The superstructure is designed to be continuous with the complete viaduct is split in to various number of modules. The pier segment is monolithically connected to the pier, hence pier segment is cast along with pier. Superstructure between the pier segments are precast segments which is erect by the overhead erection gantry. 16 Segment Casting © Ramboll Group A/S

17 Casting Yard © Ramboll Group A/S

BRÜCKENBAU | 1/2 . 2020

SYMPOSIUM

Cast In situ wet joint to be provided between pier and field segments. – The segmental viaduct will be erected span by span with segments delivered behind the gantry (most of cases) on previously constructed spans or from ground beneath the span where possible. Each segment shall be lifted up by the UCB, transported near to the final location and hung to the MT, starting from the front, one by one. – Once all segments are lifted and hung under the trusses, the segments are then assembled to the full span as close as possible to its final alignment. – All precast field segments are aligned and glue match with each other and temporary stressing to be done. – All field segments are to be aligned to the final position, stitch concreting shall be done between pier and field segment. – Once the stitch concrete attains required strength, longitudinal PT tendons are installed and stressed.

8 Challenges Employers Requirements: Design comprising with many codes. Concrete decks are designed according to Indian codes, whereas the steel superstructure and bearings are designed with Japanese codes, while the substructure and expansion joints with Indian codes. Two level seismic design: Structure to be designed for both DBE and MCE Seismic events. Site spectra study was also carried out. Large diameter piles in sea, widened deck with complex geometry varying from 12,90 m to 21,50 m. Author: Peter Curran Bsc, CEng, MICE, MIStructE Ramboll Group A/S, London, United Kingdom

Client Mumbai Metropolitan Region Development Authority (MMRDA), Mumbai, India Clients Engineer Aecom Cop., Gurgaon, India T.Y. Lin International, San Francisco, USA Dar Al-Handasah PP, Beirut, Lebanon Designer Ramboll Group A/S, Mumbai, India Independent Checking Engineer WS Atkins plc, Gurgaon, India Contractor Tata Projects Ltd. and Daewoo E&C Joint Venture, Mumbai, India Principal Subcontractor VSL India Private Ltd., Chennai, India

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1/2 . 2020 | BRÜCKENBAU

SYMPOSIUM Die Loftesnes-Brücke in Sogndal

Wahrzeichen im Herzen der norwegischen Fjorde von Mariusz Urbanski, Mathias Fabich

Luftbild des neuen Bauwerks nach Fertigstellung © PNC Norge AS

Mit der Bau der beim European Steel Bridge Award ausgezeichneten Loftesnes-Brücke hat die PorrTochter PNC ein wichtiges Vorzeigeprojekt in Norwegen umgesetzt. Neben dem Neubau umfasste der Auftrag auch die Errichtung eines Kreisverkehrs, mehrerer Geh- und Radwege und den Abbruch der alten Brücke. Um einen durchgängigen Verkehrsfluss sicherzustellen, mussten Rück- und Neubau exakt aufeinander abgestimmt werden. Für die neue Brücke mit einer Gesamtlänge von 194 m wurden insgesamt 1.250 t Stahl und 6.600 m3 Beton verbaut.

BRÜCKENBAU | 1/2 . 2020

1 Hintergrund Seit den 1960er Jahren quert die Loftesnes-Brücke einen Seitenarm des Sognefjords, des längsten Fjords Norwegens. Da die Brücke den heutigen technischen Anforderungen nicht mehr entsprach, beschloss die norwegische Straßenverwaltung Statens Vegvesen, Region Vest, die alte Brücke abzureißen und durch einen Neubau zu ersetzen. Der Zuschlag für die Errichtung einer 194-m-Stahlbrücke ging im November 2015 an ein Joint Venture aus PNC Norge (65 %) und K.A. Aurstad (35 %). Der Auftrag umfasst neben dem eigentlichen Brückenneubau auch den Abriss der alten Loftesnes-Brücke, die Errichtung einer Stützmauer, eines Kreisverkehrs, mehrerer Rad- und Gehwege sowie von Rast- und Parkplätzen in unmittelbarer Nähe der Brücke.

2 Bauablauf 2.1 Alt neben Neu Die neue Brücke wurde in einer Bauzeit von knapp zweieinhalb Jahren direkt neben der alten errichtet, die bis zur Fertigstellung für den Verkehr offen gehalten werden musste. Die räumliche Nähe der beiden Bauwerke in Verbindung mit schwierigen Bodenverhältnissen machte schon die Fundamentierung der Brücke zu einer echten Herausforderung. Es mussten die Bodenbewegungen und Erderschütterungen beim Einrammen der insgesamt 28 Stahlrohrpfähle genau beobachtet werden, die als Stütze für die Hauptfundamente dienen, um negative Auswirkungen auf die alte Brücke zu vermeiden. Bis August 2016 wurden zwei Hauptfundamente mit je 14 Pfählen errichtet. Die Pfähle wurden von einem großen Lastkahn mit einer Pfahlmaschine in den Boden eingerammt. Insgesamt wurden so Pfähle mit einer Gesamtlänge von fast 1.500 m im Meer versenkt, bewehrt und vor Ort gegossen. Der längste Pfahl war über 70 m lang.

SYMPOSIUM

Errichtung eines Kreisverkehrs als Auftragsteil © PNC Norge AS

Nach den Pfahlarbeiten konnte mit dem Bau der Pfahlkappen sowie zweier Widerlager an den beiden Brückenenden begonnen werden. Parallel dazu wurde in Polen die aus drei Abschnitten bestehende, ca. 1.300 t schwere Stahlkonstruktion für die Brücke hergestellt. Ende Januar, nach Fertigstellung der Pfahlkappen und Widerlager, wurden alle drei Stahlbauabschnitte auf zwei Lastkähne verladen, gesichert und nach Norwegen verschifft, wo sie fünf Tage und 765 Seemeilen später eintrafen.

2.3 Paralleler Rück- und Neubau Bevor mit dem Rückbau der alten Loftesnes-Brücke begonnen werden konnte, war der Verkehr innerhalb einer vom Auftraggeber vorgegebenen Frist auf die neue Brücke umzulegen. Dafür musste auch der Kreisverkehr hergestellt werden

und sämtliche Belagsarbeiten abgeschlossen sein. Die PNC richtete sämtliche Arbeiten auf die Einhaltung dieser Frist aus, da mit jedem Tag Verzögerung eine beträchtliche Pönale fällig geworden wäre.

2.2 Installation mit Schwimmkran Mit dem Eintreffen der Stahlbaukonstruktion und der darauffolgenden Brückeninstallation begann die spannendste Phase des Projekts, die auch bei der Bevölkerung auf großes Interesse stieß. Es versammelten sich Anwohner und Schaulustige am Kai, wo die Stahlkonstruktion platziert wurde, um den Bauprozess zu verfolgen. Für die Errichtung selbst hatte die PNC jeden Arbeitsschritt vorab exakt definiert und einen detaillierten Zeitplan erstellt. Für die Montage der drei Brückenteile wurde ein Schwimmkran mit einer Tragfähigkeit von 800 t eingesetzt. Schon am 31. Januar wurde die erste, 470 t schwere Stahlkonstruktion an den Kran gehängt und in ihrer Endposition montiert. Nur vier Tage später waren auch die beiden anderen Teile an ihrem Platz. Da ein Abschnitt sehr nahe an der alten Brücke hergestellt wurde, musste der Verkehr aus Sicherheitsgründen für kurze Zeit gesperrt werden.

1/2 . 2020 | BRÜCKENBAU

SYMPOSIUM

Fjord der Stadt Sogndal mit heutiger Querung © PNC Norge AS

Während der Sommermonate 2017 wurde intensiv an der Fertigstellung des Brückendecks gearbeitet, um gute Wetterbedingungen für die Realisierung von Isolierung und Asphalt nutzen zu können. Ende September 2017 wurde die Isolierschicht auf der Brückenfahrbahn und dem Kreisverkehr aufgebracht, zwei Wochen später folgte der Asphalt. Einen Tag vor Fristende konnte die Brücke am 29. November für den Verkehr freigegeben werden. Im unmittelbaren Anschluss begann der Rückbau der alten Brücke mit schwerem Hebegerät, die, in drei Abschnitte geteilt, mit einem Lastkahn an Land gebracht wurde. Dort wurden die Baumaterialen getrennt und für das Recycling vorbereitet. Die im Fjord versenkten Pfähle wurden von einem Taucherteam durchtrennt. Die gesamte Demontage dauerte rund eineinhalb Monate.

Erstellung der neuen direkt neben der alten Brücke © PNC Norge AS

3 Übergabe und Auszeichnung Nach dem Rückbau der alten Brücke startete die letzte Phase des Projekts. Nun konnten die fehlenden Teile des Widerlagers sowie die Stahlkonstruktion und das Brückendeck ausgeführt werden. Die Stahlkonstruktion wurde auf der Baustelle verschweißt und vor Ort korrosionsgeschützt. Während die PNC die Arbeiten an der Brücke finalisierte, kümmerte sich der Joint Venture Partner K.A. Aurstad noch um die Bepflanzung, die Fertigstellung von Geh- und Radwegen und die Elektroinstallationen. Nach der erfolgreichen Inspektion wurde die Brücke im Juli 2018 an den Auftraggeber übergeben. Als krönender Abschluss des Projekts wurde es mit dem »European Award for Steel Structures« mit dem ECCS Public Award ausgezeichnet. Autoren: Mariusz Urbanski Dipl.-Ing. Mathias Fabich PNC Norge AS, Oslo, Norwegen

BRÜCKENBAU | 1/2 . 2020

Auftraggeber Statens Vegvesen, Region Vest, Auftragnehmer Joint Venture aus PNC Norge AS, Oslo, Norwegen K.A. Aurstad AS, Oslo, Norwegen Entwurf pka Arkitekter, Trondheim, Norwegen Tragwerksplanung ÅF Consult, Lillestrom, Norwegen

SYMPOSIUM

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1/2 . 2020 | BRÜCKENBAU

SYMPOSIUM Investitionsprogramm Schienenverkehr

Eisenbahnbrückenbau für eine starke Schiene von Jens Müller

Die Deutsche Bahn hat von 2015 bis 2019 das bisher größte Modernisierungsprogramm ihrer Geschichte umgesetzt und 900 Eisenbahnbrücken erneuert. In den kommenden zehn Jahren wird die Modernisierung mit der nächsten Leistungsund Finanzierungsvereinbarung (LuFV III) nochmals gesteigert. 1 Brückenbestand Die Deutsche Bahn (DB) unterhält in Deutschland mehr als 25.700 Eisenbahnbrücken unterschiedlichster Bauart. Sie gehören zu den langlebigsten Bauwerken der Bahn und werden regelmäßig geprüft, damit ein verlässlicher und sicherer Schienenverkehr gewährleistet ist. Viele Brücken sind teils über 100 Jahre alt. Damit sie gewohnt ihren Dienst verrichten können, wird umfassend in Erhalt und Erneuerung investiert.

Errichtung der Brücke Schönower Straße in Berlin © Deutsche Bahn AG

Leistungs- und Finanzierungsvereinbarung II 2.1 Maßnahmen 2015–2019 Pünktlich zum Jahresende 2019 ist die 900. Eisenbahnbrücke seit 2015 im Netz der Deutschen Bahn erneuert worden. In Zepernick am nordöstlichen Stadtrand Berlins überspannt sie die Schönower Straße. Mit ihrer Fertigstellung hat die DB ihr Ziel, innerhalb von fünf Jahren 875 Eisenbahnbrücken umfassend zu modernisieren, deutlich übertroffen. 900 Brücken wurden somit im Rahmen der Leistungsund Finanzierungsvereinbarung (LuFV II) zwischen 2015 und Ende 2019 für 3 Mrd. € erneuert.

Bei der Auswahl der zu erneuernden Brücken wurden neben der Zustandskategorie die Entwicklung des technischen Zustandes, die Belastung der Strecke, wie unter anderem Anzahl der Zugfahrten, Geschwindigkeit, Achslast etc., und die betrieblichen Belange berücksichtigt. In den letzten fünf Jahren wurden auch einige spektakuläre Bauwerke erneuert, hierzu gehören die nachfolgend beschriebenen Beispiele. 2.2 Die Verkehrsreichste Die komplett erneuerte Eisenbahnbrücke Königstraße in Hannover ist mit 784 Zügen pro Tag die verkehrsreichste unter den im Rahmen der LuFV II modernisierten DB-Brücken. 2.3 Die Längste und Größte Die Aurachtalbrücke auf der Strecke Nürnberg–Würzburg bei Emskirchen ging nach umfassender Modernisierung im November 2016 in Betrieb. Mit ca. 528 m Länge und einer Fläche ≥ 7.200 m² ist sie das längste und größte Bauwerk aus dem 875-Brücken-Programm.

Überbaueinschub bei der Brücke Königstraße in Hannover © Deutsche Bahn AG/Matthias Michaelis

BRÜCKENBAU | 1/2 . 2020

2.4 Die Internationale Mit dem Bau eines dritten Gleises über die Saalach bei Freilassing, das 2017 ans Netz ging, wird der Nahverkehr zwischen dem Berchtesgadener Land und dem Salzburger Zentrum jetzt leistungsfähiger und attraktiver.

SYMPOSIUM

Aurachtalbrücke bei Emskirchen nach Fertigstellung © Deutsche Bahn AG/Claus Weber

Eisenbahnbrücke über die Saalach bei Freilassing © Deutsche Bahn AG/Beate Eckiert

(Ausgezeichnete) Allerbrücke bei Verden © Deutsche Bahn AG/Erich Schwinge

Niddabrücke in Frankfurt am Main nach Teilerneuerung © Deutsche Bahn AG/Ludwig Schumacher

2.5 Die Preisgekrönte Die erneuerte Eisenbahnbrücke über die Aller bei Verden wurde 2015 fertiggestellt. Mit ihrem außergewöhnlichen Design räumte sie zwei Jahre später den Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaus ab. 2.6 Die Älteste Die 1839 in Betrieb gegangene Niddabrücke in Frankfurt am Main wurde 2017 denkmalgerecht teilerneuert. Sie ist nicht nur das älteste Bauwerk aus dem 875Brücken-Programm, sondern gleichzeitig auch die zweitälteste Brücke der Deutschen Bahn überhaupt. 2.7 Die Höchste Mit 107 m ist die Müngstener Brücke zwischen Solingen und Remscheid nicht nur die höchste Brücke, die in den letzten fünf Jahren im Rahmen der LuFV II erneuert wurde, sondern auch unübertroffen die höchste Eisenbahnbrücke Deutschlands aus Stahl.

Müngstener Brücke zwischen Solingen und Remscheid © Deutsche Bahn AG/Max Lautenschläger

1/2 . 2020 | BRÜCKENBAU

SYMPOSIUM

Künftige Investitionen: 2020–2030 Die DB erhöht das Modernisierungstempo in den nächsten Jahren noch einmal. Für die kommenden zehn Jahre stehen mit der Folgevereinbarung der Leistungs- und Finanzierungsvereinbarung ca. 86 Mrd. € zur Verfügung – eine Rekordsumme und das richtige Signal für die dringend benötigte Verkehrswende in Deutschland. Die starke Schiene ist hierfür die Lösung. Der Bund übernimmt von den Gesamtmitteln in Höhe von 86 Mrd. € ca. 62 Mrd. €, also 6,20 Mrd. €/a. Hinzu kommen Eigenmittel der Deutschen Bahn in Höhe von 24,20 Mrd. €. Die vollständige LuFV III findet sich unter www.bmvi.de. Die Laufzeit der Leistungs- und Finanzierungsvereinbarung wurde auf zehn Jahre erhöht, um mehr Planungssicherheit für die DB und die Wirtschaft zu schaffen. So können Kapazitäten bei Bau- und Planungsfirmen zukunftssicher entwickelt und langfristige Vereinbarungen mit Lieferanten geschlossen werden. Das ist ein Anreiz für mehr Kapazität und Innovationen in der Bahnbaubranche. Die Investitionen fließen unter anderem in die Erneuerung von ca. 2.000 km/a Gleis und 2.000 Weichen sowie ca. 7 Mrd. €. allein in die Stellwerkstechnik. Insgesamt wird in diesem Jahrzehnt die Erneuerung von 2.000 weiteren Eisenbahnbrücken in Angriff genommen und somit die Modernisierung der gesamten Infrastruktur weiter vorangetrieben.

BRÜCKENBAU | 1/2 . 2020

Leistungs- und Finanzierungsvereinbarung III © Deutsche Bahn AG

Erneuerung von 2.000 Eisenbahnbrücken Unter den 2.000 Eisenbahnbrücken, welche im nächsten Jahrzehnt erneuert werden, befinden sich auch anspruchsvolle Bauwerke, wie beispielsweise die EÜ Zollkanal. Das Brückenbauwerk besteht aus vier eingleisigen Eisenbahnüberführungen, welche die Müggenburger Durchfahrt überqueren. Die Überbauten sind aktuell als Fachwerkbrücken ausgebildet. Gemäß den aktuellen Planungen sollen für die vorhandenen Querungen Ersatzneubauten inklusive Widerlager und Gründung realisiert werden, um die Verfügbarkeit der Brücken dauerhaft gewährleisten zu können.

Eisenbahnüberführung Zollkanal: Ansicht © Deutsche Bahn AG

10 Künftige Klappbrücke: Ansicht © Deutsche Bahn AG

Im Bereich der Großbrücken sind ebenfalls einige Erneuerungen geplant. So zum Beispiel der Neubau der Klappbrücke Lindaunis über die Schlei. Die fast 100 Jahre alte Klappbrücke wird durch einen Neubau ersetzt, da eine grundlegende Instandsetzung wirtschaftlich nicht vertretbar war. Aus diesem Grund wird 12 m weiter östlich ein Neubau errichtet, der sich dann, wie bisher, vom Eisenbahn- und Straßenverkehr sowie von Fußgängern und Radfahrern gleichermaßen nutzen lässt.

SYMPOSIUM

4 »Starke Schiene« Die Deutsche Bahn hat ein elementares Anliegen: mehr Verkehr auf die Schiene zu bringen – für das Klima, für die Menschen, für die Wirtschaft und für Europa. Mit ihrer Dachstrategie »Starke Schiene« schafft sie die Voraussetzungen. Im ersten Ausbaufeld geht es darum, die DB robuster zu machen – durch mehr Trassen, Züge und Mitarbeiter. Denn nur mit einer »starken Schiene« sind Deutschlands Klimaziele zu erreichen. Unter www.deutschebahn.com/bruecken und www.deutschebahn.com/presse sind alle Quellen sowie zusätzliche Angaben und Hinweise zu finden.

11 Friesenbrücke im »offenen« Zustand © Deutsche Bahn AG

Die neue Klappbrücke Lindaunis wird ca. 126 m lang sein und aus drei Teilen bestehen: der zweifeldrigen Vorlandbrücke Süd, der Klappe zur Öffnung des Bauwerks für die Durchfahrt der Schiffe sowie der einfeldrigen Vorlandbrücke Nord. Im Dezember 2015 wurde die 335 m lange Friesenbrücke über die Ems durch ein Frachtschiff beschädigt. Seitdem ist die Bahnstrecke zwischen Leer und dem niederländischen Groningen unterbrochen. Um den durchgängigen Zugverkehr so schnell wie möglich wieder aufnehmen zu können, ist geplant, die Überführung als sogenannte Drehbrücke neu zu errichten. Im Rahmen der Variantenunteruntersuchung wurden verschiedene Bauwerksgestaltungen unter Beteiligung der Betroffenen (Anlieger und Vereine) sowie Bund, Land und Kommunen geprüft. Hiernach wurde entschieden, das Bauwerk als Drehbrücke inklusive der noch bestehenden Vorlandbrücken neu zu bauen. Der 145 m lange, bewegliche Brückenteil erhält einen Drehpfeiler auf der Ihrhover Seite, um die Fahrrinne freizuhalten. Die neuen Überbauten werden dabei durch tiefgründende Pfeiler an Land und flachgründende Pfeiler im Fluss getragen. Das neue Bauwerk wird zudem über einen 2,50 m breiten Fuß- und Radweg sowie über einen separaten Dienst- und Rettungsweg verfügen.

Bei der für die Drehbrücke eingesetzten Maschinentechnik handelt es sich um eine Hub-Dreh-Verbindung, deren Bewegungsablauf in mehreren Phasen abläuft. Weitere Informationen zu Bauprojekten der Deutschen Bahn finden sich unter www.bauprojekte.deutschebahn.com.

Autor: Dipl.-Ing. Jens Müller DB Netz AG, Frankfurt am Main

1/2 . 2020 | BRÜCKENBAU

SYMPOSIUM Ein Streifzug durch die letzten Jahre

Eisenbahnbrücken in Österreich von Martin Muncke, Helfried Axmann, Richard Zedlacher, Gerhard Oberlerchner

In den letzten Jahren wurden in Österreich einige der längsten und bemerkenswertesten Brücken aufgrund ihres Alters entweder saniert oder durch Neubauten ersetzt. Darunter fallen zwei besondere Bauwerke, die in diesem Beitrag vorgestellt werden: die Donaubrücke Tulln mit einer Erneuerung im Bestand und aktuell die Brücke über den Meidlinger Einschnitt auf der Donauländebahn Wien. Beides sind Stahlbaukonstruktionen mit Verbundfahrbahnplatten. 1 Vorbemerkungen In den letzten Jahren wurden durch die ÖBB-Infrastruktur AG auf ihrem Streckennetz zahlreiche Brückenbauwerke aus Altersgründen bzw. aufgrund neuer höherer Anforderungen an die Belastbarkeit saniert oder durch Neubauten ersetzt. Wir durften in den letzten Jahren bereits einige von ihnen hier und damit im Rahmen des »Symposiums Brückenbau in Leipzig« vorstellen und möchten dies gerne auch 2020 wieder tun. Um die langjährige Tradition des Symposiums zu würdigen, stellen wir ein etwas älteres Bauwerk vor und ein aktuelles, das sich zurzeit im Bau bzw. in der Fertigstellung befindet, um den Bogen der Entwicklung zu zeigen. Vor genau zehn Jahren sprach Dipl.-Ing. Dr. rer. nat. techn. Hannes Kari in Leipzig über die »Poesie der Logik« und brachte dabei drei Beispiele aus der damaligen Zeit, die Landecker Innbrücke, die Brücke über die Ötztaler Ache sowie die Rheinbrücke bei St. Margrethen zwischen Österreich und der Schweiz. Heute stehen die Donaubrücke Tulln aus dem Jahr 2009 und die aktuelle Brücke über den Meidlinger Einschnitt im Vordergrund.

2 Donaubrücke Tulln 2.1 Konzeption und Ausführung Im Zuge des Ausbaus der Tullner Westschleife musste 2009 der bestehende Überbau der Eisenbahnbrücke Tulln abgetragen und durch ein neues Tragwerk ersetzt werden, welches die aktuellen Anforderungen des modernen Eisenbahnverkehrs, vor allem in puncto Gleisabstand, Belastung, Lebensdauer, Erhaltungsfreundlichkeit usw. und der Umweltverträglichkeit, insbesondere den Lärmschutz betreffend, erfüllen sollte. Das neue Tragwerk wurde auf die vorhandenen Unterbauten aufgesetzt, die zuvor für die neuen statischen Anforderungen aus dem Bahnverkehr bzw. für einen Schiffsanprall entsprechend umgebaut und verstärkt wurden. Die neben dem Eisenbahntragwerk situierte Straßenbrücke war von den Umbaumaßnahmen nicht unmittelbar betroffen. Das Tragwerk mit seiner Gesamtlänge von 441,80 m wurde als pfostenloses Stahl-Beton-Verbundfachwerk über fünf Felder mit einer unten liegenden Stahlbetonverbundfahrbahnplatte konzipiert, was für Eisenbahnbrücken dieser Größenordnung eine Neuheit darstellte und entsprechende Lösungen für den Übergang vom Stahl zur Betonplatte und für die Thematik »Betonplatte in der Zug-

BRÜCKENBAU | 1/2 . 2020

zone« erforderte. Weiters war eine Optimierung aus gestalterischer, lärmschutztechnischer sowie aus wirtschaftlicher Sicht durch Life-Cycle-Costs-(LCC-)Analyse notwendig, die letztendlich die realisierte Konzeption bestimmte, wobei im Zuge der Lösungsfindung auch alternative Tragsysteme, ein reines Stahltragwerk mit orthotroper Platte und eine Einfeldträgerkette, sowie alternative Oberbausysteme (Schotteroberbau) untersucht und bewertet wurden. Mit in die Systembetrachtungen wurde zudem die Variante der Festen Fahrbahn mit ihren schalltechnischen und statischen Eigenschaften einbezogen, wobei mit dem »Embedded Rail System« ein besonders lärmarmes System gefunden und ausgeführt wurde. Da für die Errichtung des gesamten Bauwerkes lediglich 18 Monate zur Verfügung standen, wovon eine Bauzeit von nur 26 Wochen, definiert durch eine Gleissperre der Franz-Josefs-Bahn, für den Abtrag und den Neubau des Tragwerks einschließlich der Herstellung der Betriebsbereitschaft für den Bahnbetrieb möglich war, musste größtes Augenmerk auf die Planungsabfolge, Logistik und Montagetechnik in allen vertretenen Sparten gelegt werden.

Regelquerschnitt: Stahlbetonverbundplatte mit Fester Fahrbahn © ÖBB-Infrastruktur AG

SYMPOSIUM

2 3

Herstellung der Stahlbetonverbundplatte © ÖBB-Infrastruktur AG

Ausführung der Festen Fahrbahn © ÖBB-Infrastruktur AG

2.2 Stahlbetonverbundplatte Als unmittelbar lastabtragendes Element für die gesamten Lasten aus dem Fahrbahnaufbau und dem Eisenbahnverkehr wurde über die gesamte Brückenlänge eine zwischen den Untergurten der Stahlfachwerksträger angeordnete Stahlbetonverbundpatte vorgesehen. Durch ihre Lage am »unteren« Rand des Brückenquerschnittes befindet sie sich daher über große Längen im Bereich der Zugzone des Tragwerkes.

Die Verbindung der Stahlbetonverbundplatte mit dem Stahlfachwerk erfolgt einerseits über die an den Fachwerksuntergurten biegesteif angeschlossenen Querträger und andererseits über das an den Fachwerksuntergurten durchlaufend angeordnete Dübelblech für die Kopfbolzenverbindung. Die Stahlquerträger bilden im Zusammenwirken mit der Fahrbahnplatte wiederum eine Verbundkonstruktion.

Zur Berechnung des Brückentragwerkes wurde daher ein statisches System erstellt, das aus einer Kombination einer Stabstruktur, bestehend aus den Stahlfachwerk- und den Querträgerverbundstäben, und einer durch Finite Elemente definierten Stahlbetonverbundplatte erzeugt wurde. Um einen raschen Bauablauf für die Herstellung der Verbundplatte zu erreichen, wurden als Schalungselemente selbsttragende Fertigteil-(FT-)Plattenelemente auf den Querträgern verlegt, die auch im Endzustand eine statisch mitwirkende Funktion für die Verbundplatte in Brückenlängsrichtung haben. Große Aufmerksamkeit bei der Planung galt dabei dem Zusammentreffen von Kopfbolzen, FT-Platten- und der Ortbetonverbundplattenbewehrung. Eine genaue Abfolge für die Verlegung der FT-Elemente und der Bewehrung für den Ortbeton der Fahrbahnplatte war einzuhalten. Vor der Betonierung der Verbundplatte mussten schließlich noch die für die Lagesicherung des Feste-Fahrbahn-Systems erforderlichen FT-Schubnoppen versetzt werden.

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SYMPOSIUM

Brücke über die Donau noch im Bauzustand © ÖBB-Infrastruktur AG

2.3 Feste Fahrbahn Für die Bemessung des Gleisoberbaues wurde zur möglichst wirklichkeitsnahen Erfassung des Zusammenwirkens von Schiene, der Festen Fahrbahn (FF) nach dem Embedded-Rail-System (ERS) und dem Brückentragwerk (Interaktion: Schiene-ERS-Tragwerk) ein eigenes statisches System erstellt, das den hohen Längsverschiebewiderstand des Corkelastvergusses im Schienentrog erfasst. Demzufolge war es erforderlich, das FF-System auf der Fahrbahnplatte und bei den Schubnoppen elastisch zu lagern, um die Mitwirkung der Schienen an der Gesamtstruktur zu reduzieren, was zu unzulässigen Schienenspannungen und zu großen Relativverschiebungen zwischen dem FF-System und dem Schutzbeton geführt hätte. Den Schienentrog bilden die mit sehr hohen Genauigkeitsanforderungen ausgeführten Halbfertigteile mit Längen von 4,05 m bzw. 4,28 m, die durch den Ortbetonverguss zu Gesamtelementen von 12,20–21,30 m verbunden wurden. Die mit Richtrahmen justierten Schienen wurden mit Corkelast im Schienentrog vergossen. Zur Erlangung der geforderten Gleisnivellette wurden bei der Schienenvermessung die aus den einzelnen Bauphasen mit feld- und gleisweiser Herstellung noch zu erwartenden Verformungen berücksichtigt.

BRÜCKENBAU | 1/2 . 2020

Probebelastung © ÖBB-Infrastruktur AG

Bauherr ÖBB-Infrastruktur AG, Wien, Österreich Entwurf Planerarbeitsgemeinschaft: Öhlinger + Partner Ziviltechniker Ges. m.b.H., Wien, Österreich Klestil Ziviltechniker GmbH, Perchtoldsdorf, Österreich Tragwerksplanung Klestil Ziviltechniker GmbH, Perchtoldsdorf, Österreich (Stahltragwerk) Öhlinger + Partner Ziviltechniker Ges. m.b.H., Wien, Österreich (Stahlverbundtragwerk) FF-Planung Fritsch, Chiari & Partner ZT GmbH, Wien, Österreich Öhlinger + Partner Ziviltechniker Ges. m.b.H., Wien, Österreich

Prüfingenieure Ing. Alexander Oplustil, Wien, Österreich Dipl.-Ing. Gerhard Foller, Wien, Österreich Bauausführung Arbeitsgemeinschaft: Strabag AG, Wien, Österreich Porr Bau GmbH, Wien, Österreich Swietelsky Baugesellschaft m.b.H., Traun, Österreich MCE GmbH, Linz, Österreich

SYMPOSIUM 3

Brücke über den Meidlinger Einschnitt 3.1 Einleitung Meidling als Verkehrsknoten in der Bundeshauptstadt Wien ist in seiner Bedeutung kaum zu unterschätzen. Hier treffen einander fast alle wichtigen Verkehrsadern des regionalen und internationalen öffentlichen Verkehrs: die Südbahnstrecke samt Schnellbahn, der Lainzer Tunnel, die Verbindungsbahn, die Donauländebahn, die Wiener Lokalbahn (Badnerbahn), die Pottendorferlinie und nicht zuletzt die U 6 der Wiener Linien, dazu kommen zahlreiche Straßenbahn- und Autobuslinien der Wiener Linien. Im Zuge des Projektes »Lainzer Tunnel« wurde in den Jahren 2000–2005 der Meidlinger Einschnitt wesentlich verbreitert. Für die Überführung der Donauländebahn (DLB) wurden bauphasenbedingt Schnellfahrhilfsbrücken eingebaut, die nun durch definitive Brückentragwerke zu ersetzen sind. Da der Umbau eine längere Sperre der Donauländebahn erfordert, wurden die Arbeiten für die Bestandssanierung der Strecke 10615 (Donauländebahn) im Bereich km 6,053– 7,263 sowie die Errichtung einer Lärmschutzwand entlang der DLB und der Strecke 10616 (Oswaldschleife) in einem Bauauftrag ausgeschrieben. Ziel der ausgeschriebenen Leistungen sind die Erneuerung der Bahnanlagen und gleichzeitig die Aktualisierung auf den Stand der Technik, insbesondere – die Herstellung langlebiger, erhaltungsarmer Brückentragwerke über den Meidlinger Einschnitt, – die Verringerung der Schallemissionen durch Schotteroberbau auf den Brücken (derzeit Stahlbrücken zum Teil ohne Schotter), – die Eliminierung des Anprallrisikos bei entgleisten Zügen auf Brückenstützen durch Entfernung der provisorischen Stützen zwischen den Südbahnstreckengleisen, – die Schaffung einer ausreichenden lichten Höhe für die Oberleitungsanlage der Südbahnstreckengleise,

– die Erneuerung der Nebenanlagen der Stadt Wien mit barrierefreier Ausgestaltung der öffentlichen Gehwegverbindungen und verbesserter Nutzungsmöglichkeit für Radfahrer durch eine größere lichte Breite, durch Rampen statt Schieberillen auf den Treppenläufen. 3.2 Eisenbahnbrücken Die Eisenbahnbrücke über die Südbahnstrecke wird als stützenfreie zweigleisige Stahlbogenstruktur mit einer Stützweite von 58,60 m errichtet. Seitlich am Stahlbogen wird der Fuß- und Radweg über Stahlkonsolen geführt. Unmittelbar daran schließt die Eisenbahnbrücke über die Breitenfurter Straße an. Sie besteht aus zwei Teiltragwerken, die monolithisch über den Unterbau miteinander verbunden sind. Ein Tragwerk dient der Überführung über die Gleise 13 und 15, ein weiteres der Überführung des Geh- und Radweges. Ihre lichten Weiten, schräg gemessen in Tragwerksachse, sind jeweils 20,10 m. Im Zuge des Neubaus wird die lichte Höhe über den Südbahnstreckengleisen auf mindestens 6,20 m vergrößert, so dass hier eine annähernd regelhafte Oberleitung mit geringem Erhaltungsaufwand eingebaut werden kann. Die Mittelstützen zwischen den Südbahnstreckengleisen werden abgetragen. Danach kann das Gleis 2 der Südbahnstrecke, das derzeit provisorisch verschwenkt ist, in die endgültige, bewilligte Gleislage verschoben werden. Die Bauzeit beginnt im Februar 2019 und endet im Juni 2020. 3.3 Rampenbereiche Durch die Anhebungen der Brücken kommt es auch zu einer Anhebung der Strecke 10615 und damit zur Neuerrichtung von Oberbau, Unterbau, Entwässerung, Kabelwegen und Oberleitungsanlage.

In km 6,860 ist links der Donauländebahn (Grießergasse) ein Versickerungsbecken samt einer Stützmauer zum bestehenden Straßenbereich herzustellen. Die Streckensperre wird ebenfalls dazu genutzt, Oberbau, Unterbau und Fahrleitung im anschließenden Bereich von km 6,9 bis vor die Eisenbahnkreuzung mit der Stüber-Gunther-Gasse zu erneuern. Weiters wird links der Oswaldschleife eine Lärmschutzwand errichtet. Inhalt der Ausschreibung waren folgende wesentliche Baumaßnahmen: – Abbruch der bestehenden Brückenobjekte über dem Meidlinger Einschnitt und der Breitenfurter Straße, – Errichtung einer Eisenbahnüberführung sowie einer Fußgänger- und Radwegüberführung über dem Meidlinger Einschnitt und die Breitenfurter Straße (Brückenkette: Stahlbogenbrücke mit seitlich angebrachtem Fuß- und Radweg und Rahmentragwerke), – Errichtung von Stützmauern entlang der Donauländebahn. 3.4 Eisenbahnbrücke über die Südbahn Die zweigleisige Eisenbahnbrücke über den Meidlinger Einschnitt und damit über die Südbahnstrecke (EBB1) wird als Stahlbogenbrücke mit einer Stützweite von 58,60 m ausgebildet. Die Fahrbahnplatte besteht aus einer mit dem Streckträger im Verbund wirkenden Ortbetonplatte, die 82–95 cm dick ist. Die Stahlstreckträger aus dichtgeschweißten Hohlkastenquerschnitten werden über jeweils fünf Stahlhänger (d =140 mm) mit dem Stahlbogen, wiederum aus dichtgeschweißten Hohlkastenquerschnitten gefertigt, verbunden. Die im Verhältnis 1:10 gegen die Vertikale geneigten Bögen werden im Scheitelbereich mittels Querriegeln, ebenfalls Hohlkastenprofile, gegeneinander ausgesteift.

Ansicht der Bogenbrücke © ÖBB-Infrastruktur AG

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Längsschnitt der Rahmenbrücke © ÖBB-Infrastruktur AG

Das Bauwerk weist folgende Kenndaten auf: – Kreuzungswinkel: ca. 77° (85,556 gon) – Stützweite: 58,60 m – Lichte Weite: 55,35 m (Lagerbank–Trennpfeiler) – Brückenbreite: – 17,38 m (über alles), – 13,26 m (Bogentragwerk), – 4,12 m (Auskragung Fußgängersteg) – Stahlbogen: – Bogenhöhe: 12,51 m – Querschnittshöhe: 1,00 m (Scheitel), ca. 1,80 m (Kämpfer) – Querschnittsbreite 76–87 cm – Streckträger: Unterkante horizontal, Oberkante im Bogen (R = 600)

Die Oberseite der Fahrbahnplatte ist als doppeltes Dachprofil mit jeweils 2 % Querneigung ausgebildet. Die Lagerung des Bogentragwerkes erfolgt über vier Kalottenlager. Die Festhaltung längs und quer befindet sich am Trennpfeiler, am Widerlager Maxing wird das Tragwerk querfest gehalten. Übergangskonstruktionen überbrücken den Spalt zwischen Tragwerk und Widerlagern. Das Bogentragwerk dient neben der Überführung der Donauländebahn ebenso der eines Geh- und Radweges über den Meidlinger Einschnitt.

Bogentragwerk nach Verschub über die Gleise im Dezember 2019 © ÖBB-Infrastruktur AG

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Der Geh- und Radweg wird seitlich über eine Kragarmkonstruktion am Streckträger auf der Seite Meidling angeordnet, also außerhalb des Bogens. Die Gehwegfläche wird durch eine mit den Stahlkragträgern aus dichtgeschweißten Hohlquerschnitten im Verbund liegende Ortbetonplatte (d = 22 cm) gebildet. Die nutzbare Breite des Gehwegs misst 3,50 m, die Auskragung hat eine Länge von 4,27 m. Die Widerlager des Eisenbahntragwerks sind tieffundiert mittels Großbohrpfählen d = 120 cm.

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3.5 Eisenbahnbrücke und Fußgängersteg über die Breitenfurter Straße Die Eisenbahnbrücke (EBB 2) und der Fußgängersteg (WBN 2) über die Breitenfurter Straße werden als monolithische Stahlbetonrahmen ausführt. Die Tragwerke sind voneinander getrennt und sitzen auf einem gemeinsamen Unterbau: ein gemeinsames Tragwerk für Gleis 13 und 15, ein Tragwerk für den Fußgängersteg. Die Tragwerke bestehen aus in der Untersicht bogenförmig gekrümmten Stahlbetonplatten mit Kragarmen. Die eine Rahmenwand wird durch den Trennpfeiler zur Bogenbrücke gebildet, die andere durch das Widerlager auf der Seite Inzersdorf. Dieses Widerlager ist über acht Großbohrpfähle mit d = 120 cm tieffundiert. Das Bauwerk weist folgende Kenndaten auf: – Kreuzungswinkel: ca. 77° (85,556 gon) – Lichte Weite (schräg): 20,10 m – Lichte Höhen unter Tragwerk: ca. 5,00–5,71 m – Brückenbreiten: – 16,62 m (über alles), – 11,74 m (über Gleis 13 und 15), – 4,10 m (Fußgängersteg) – Dicke des Widerlagers Inzersdorf (Achse 30): 1,95 m – Dicke des Trennpfeilers (Achse 20): 3,60 m

Bauherr ÖBB-Infrastruktur AG, Wien, Österreich Entwurf ste.p ZT-GmbH, Wien, Österreich, Dipl.-Ing. Robert Bartl Tragwerksplanung Baumann + Obholzer ZT-GmbH, Innsbruck, Österreich, Dipl.-Ing. Dr. Anton Obholzer Verkehrsplanung ISP Ziviltechniker GmbH, Wien, Österreich, Dipl.-Ing. Klaus Jagenteufel

4 Ausblick In den letzten Jahren gab es in Österreich vielfach Gelegenheiten, im Zuge der großen Neubaumaßnahmen, aber insbesondere beim Austausch bestehender Bauwerke, neue innovative und gestalterisch anspruchsvolle Neubauten zu errichten. Es wird auch weiterhin das Ziel der ÖBBInfrastruktur AG sein, die Ingenieurbaukunst darzustellen und im Rahmen der wirtschaftlichen und technischen Möglichkeiten herausragende Bauwerke zu realisieren. Die Gelegenheit eröffnet sich immer wieder, sei es mit großen Donaubrücken, die naturgemäß im Licht der Öffentlichkeit stehen, als auch mit kleineren Bauwerken, die nichtsdestotrotz die gleiche Aufmerksamkeit, mindestens auf Seiten der Planer und Ingenieure genießen. Autoren: Dipl.-Ing. Martin Muncke Dipl.-HTL-Ing. Helfried Axmann Ing. Richard Zedlacher Dipl.-Ing. Gerhard Oberlerchner ÖBB-Infrastruktur AG, Wien, Österreich

Prüfingenieur Dipl.-Ing. Wolfgang Augustin, Wien, Österreich Bauausführung Steiner Bau GmbH, Innsbruck, Österreich NCA Container & Anlagenbau GmbH, St. Paul, Österreich

UNSERE LEISTUNGEN IM BRÜCKENBAU:

Objekt- und Tragwerksplanung Neubau und Instandsetzung Brückenprüfung nach DIN 1076 Baustatische Prüfung (Massivbau) Nachrechnung Hangbrücke Kinding A 9

HAUMANN + FUCHS Ingenieure AG

Sonntagshornstraße 4 • 83278 Traunstein Tel.: 08 61 - 98 88 8-0 • Fax: 08 61 - 98 99 16 hf@haumann-fuchs.de • www.haumann-fuchs.de

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SYMPOSIUM Planung und projektierter Bauablauf

Ersatzneubau der Thurbrücke Ulisbach von Robert Wagner

Der öffentliche Verkehr in der Schweiz genießt aufgrund seiner hohen Verfügbarkeit eine ausgezeichnete Akzeptanz in der Schweizer Gesellschaft. Daraus ergeben sich besondere Strategien, um diese Verfügbarkeit auch im Zuge von notwendigen Instandsetzungsarbeiten zu gewährleisten. Der vorliegende Text berichtet vom Ersatzneubau einer Eisenbahnbrücke während einer Totalsperre. Um den Bauverkehr weitgehend aufrechterhalten zu können, wurde der Überbau mittels Querverschub in seine endgültige Lage gebracht. Es wird ein Einblick in die vorausgehende Planung und den projektierten Bauablauf gegeben.

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Konstruktion der alten Thurbrücke Ulisbach © Schweizerische Südostbahn AG

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1 Einleitung Das Eisenbahnnetz der Schweiz verfügt aufgrund seiner vielen größeren und kleineren Geländeeinschnitte über eine Vielzahl an Brücken. Viele dieser Brücken wurden zu Beginn des 20. Jahrhunderts erstellt und sind noch immer in Betrieb. Infolge des hohen Nutzungsgrades des Schienennetzes führen Instandsetzung und Ersatzbauten zu besonderen Herausforderungen. Die nachstehenden Kapitel berichten vom Ersatz einer Eisenbahnbrücke. 2 Die Thurbrücke Ulisbach 2.1 Allgemeines Die Thurbrücke Ulisbach liegt auf der Strecke Wattwil–Ebnat-Kappel und spannt als Einfeldträger mit einer Stützweite von 37,30 m über die Thur. Der Überbau der ersten im Jahr 1870 erbauten Brücke wurde Mitte der 1940er Jahre durch die dargestellte genietete 5,60 m breite und bis zu 4,10 m hohe Stahlfachwerkkonstruktion mit offener, untenliegender Fahrbahn ersetzt. Die Eisenbahnbrücke wird neben der Thur zusätzlich von einem Gemeindeweg und auf der gegenüberliegenden Seite im Winter von einer Langlaufloipe unterquert. Der nachstehende Planausschnitt (Bild 1, 2) zeigt die Brücke im Längs- und Querschnitt.

2.2 Bauwerkszustand In den Jahren 2014 und 2017 erfolgte eine visuelle und rechnerische Zustandsuntersuchung der Brücke auf Grundlage der Normen SIA269 ff. Die visuelle Untersuchung zeigte intakte Niet- und Schweißverbindungen, wie in den Bildern 3 und 4 dargestellt. Lokal waren lediglich leichte mechanische Schäden ersichtlich. Der Korrosionsschutz am unteren Fachwerk wies eine geringe Schichtentrennung zwischen Deck- und Grundbeschichtung auf, begleitet von beginnender Korrosion. Am oberen Fachwerk ließen sich weder Korrosion noch Auffälligkeiten im Beschichtungsfilm erkennen. [3]

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Details der bestehenden Brücke © Schällibaum AG

SYMPOSIUM

Erscheinungsbild der alten Thurbrücke Ulisbach © Schweizerische Südostbahn AG

Die rechnerische Überprüfung der Brücke ergab unter Ansatz der zukünftig auf dem Streckenabschnitt geforderten Streckenklasse D 4 eine zu hohe Durchbiegung des Überbaus. Anschließende Überlegungen, ob die vorhandene Brücke instandgesetzt oder ein neues Bauwerk errichtet werden sollte, führten auf Grundlage von LCC-Betrachtungen zur Entscheidung, die bestehende Brücke (Bild 5) zu ersetzen. [2]

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3 Entwurf des Ersatzneubaus 3.1 Variantenstudium Im Zuge des Variantenstudiums wurden eine stählerne Stabbogenbrücke (Bild 6, 7) sowie eine Spannbetontrogbrücke (Bild 8, 9) untersucht. Für beide Alternativen wurde ein Schottertrog zur Aufnahme des Fahrwegs vorgesehen. Durch den Schottertrog reduzieren sich die Unterhaltskosten der zukünftigen Brücke gegenüber der offenen Fahrbahn des Bestandsbauwerks. Zusätzlich zur Änderung des Fahrbahnaufbaus sollte auch

die Spannweite der Brücke von 37,30 m auf ca. 45,00 m vergrößert werden. Diese Anpassung war nötig, um den die Brücke unterquerenden Weg zukünftig besser nutzen zu können. Der Vergleich der beiden Varianten führte schlussendlich zur Entscheidung, den Spannbetontrog zu realisieren. Gründe hierfür waren die schlankere Erscheinung, die Robustheit, die höhere Wirtschaftlichkeit in Bau und Unterhalt sowie das geringere terminliche Risiko. [4]

Variante der Stabbogenbrücke © Schällibaum AG

Variante der Spannbetontrogbrücke © Schällibaum AG

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10 11 Verjüngung der Trogwände © Schällibaum AG

3.2 Bestvariante Die Ausführung der Brücke erfolgt als vorgespannter Einfeldträger mit Trogquerschnitt. Die maximale Querschnittshöhe beträgt 3,35 m in Feldmitte. Zu den Brückenenden verjüngen sich die Trogwände, wie in Bild 10 dargestellt. Als resultierende Spannweite ergaben sich 46,00 m. Die Brückenbreite beträgt 8,20 m und die Plattendicke 0,55–0,65 m. Für eine ausreichende Vorspannung des Querschnitts sorgen in Längsrichtung 2 x 6 Spannkabel, dadurch bleibt der Beton unter ständigen Lasten ungerissen. Die Lagerung des Überbaus auf den Widerlagerwänden ist über Topflager geplant. Die Fundation der neuen Brücke erfolgt auf 10° geneigten, in den Seeablagerungen schwimmend eingebrachten Großbohrpfählen (6 Pfähle je Seite mit d = 1,18 m) mit einer Länge von ca. 20 m. [5]

12 Aufbau zum Querverschub © Schweizerische Südostbahn AG

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4 Ausführung und Bauablauf Die Bauausführung erfolgte während des Clusters Obertoggenburg 2019. Die Arbeiten gliederten sich in drei Etappen. Dabei wurde der Überbau der neuen Brücke unterwasserseitig der bestehenden Brücke außerhalb des Bahnbereichs erstellt, damit konnten diese Arbeiten nahezu unabhängig von den übrigen des Clusters erfolgen. Die Bauphase 1 umfasste die Erstellung der Ortbetonpfähle und der Widerlager am provisorischen Standort sowie, während Nachtsperren, jene der Ortbetonpfähle am zukünftigen Standort der Brücke. Anschließend wurde der neue Überbau auf einem obenliegenden Lehrgerüst am provisorischen Standort errichtet. Die Ausführung eines konventionellen untenliegenden Lehrgerüsts war aufgrund des geringen Freibords und der großen Spannweite nicht möglich. Infolge der setzungsempfindlichen Seeablagerungen waren auch am provisorischen Standort Pfähle zur Gründung des Lehrgerüsts erforderlich. In der anschließenden Bauphase 2 wurde während der Totalsperrung von fünf Wochen die bestehende Brücke mit einem Gesamtgewicht von 82 t rückgebaut sowie die Widerlager und noch ausstehende

Bohrpfähle realisiert. Im Anschluss erfolgten der Verschub des neuerrichteten Überbaus in die endgültige Lage und die Wiederherstellung der Fahrbahn. Der Verschub erfolgte mit einer Geschwindigkeit von 3–6 m/h, insgesamt wurde der auf Gleitlagern ruhende Überbau mit einem Gesamtgewicht von 1.200 t mittels Stahlseilen und Hydraulikzylindern um 15 m bewegt. Die Bauphase endete mit dem Rückbau der für die Erstellung des Überbaus nötigen Provisorien. Im Bild 12 ist die Verschiebetechnik dargestellt.

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Die Bilder 13 und 14 zeigen den Brückenüberbau vor und nach dem Querverschub, der den Abschluss der Bauphase 2 bedeutete. Die Bauphase 3 (nach der Totalsperre) wurde genutzt, um den die Brücke unterquerenden Thurweg wiederherzustellen und die Umgebungsarbeiten abzuschließen. Diese Arbeiten konnten bereits wieder unter Verkehr ausgeführt werden. 5 Kosten Die Gesamtkosten für den Ersatzneubau innerhalb des Clusters Obertoggenburg 2019 beliefen sich auf 3,50 Mio. Fr. Die Finanzierung erfolgte im Rahmen der Leistungsvereinbarung 2017–2020 zwischen dem Bundesamt für Verkehr und der Schweizerischen Südostbahn AG, aufgrund der durch den Kanton St. Gallen initiierten Verbreiterung der Brücke unterstützt durch eine Kostenbeteiligung. Infolge der Ausführung innerhalb des Clusters Obertoggenburg 2019 konnten die Projektkosten gegenüber der Ausführung als Einzelprojekt um ca. 10 % reduziert werden. 6 Fazit Das Beispiel der Thurbrücke Ulisbach zeigt, dass mit sorgfältiger Planung und dem Clustering von Projekten ein Brückenersatz mit geringer Beeinträchtigung des Bahnverkehrs möglich ist. Voraussetzung hierfür sind eine enge Abstimmung und die Zusammenarbeit zwischen dem Bauherrn, dem Planer, den ausführenden Unternehmungen sowie den Genehmigungsbehörden. Autor: Dr.-Ing. Robert Wagner Schweizerische Südostbahn AG, St. Gallen, Schweiz

13 Überbau vor dem Querverschub © Schweizerische Südostbahn AG

14 Überbau in endgültiger Position © Schweizerische Südostbahn AG

Literatur [1] Dietz, W.: Die Brückenbauer von Kloten. Geschichte und Werke der Eisenbaufirma Löhle & Kern. [2] Rhyner, A.: Technischer Bericht. Studie Thurbrücke Ulisbach. Schällibaum, 2014. [3] Rickenbacher, F.: Bericht Zustandsbeurteilung Korrosionsschutz Thurbrücke Ulisbach. Kontra Korrosion Rickenbacher, 2014. [4] Schällibaum, U.: Technischer Bericht. Variantenstudium Neubau Thurbrücke Ulisbach. Schällibaum, 2017. [5] Schällibaum, U.: Technischer Bericht. Auflageprojekt Neubau Thurbrücke Ulisbach. Schällibaum, 2017

Bauherr Schweizerische Südostbahn AG, St. Gallen, Schweiz Auflageprojekt und Ausführungsplanung Schällibaum AG, Ingenieure und Architekten, Wattwil, Schweiz Prüfung Caprez Ingenieure AG, Rapperswil, Schweiz Bauausführung Stutz AG Frauenfeld, Schweiz

Erneuerung der Nägelriedbrücke, im Zuge des 4-streifigen Ausbaus der B33 bei Allensbach am Bodensee Objekt- und Tragwerksplanung

drschuetz-ingenieure.de

DR. SCHÜTZ INGENIEURE Beratende Ingenieure im Bauwesen PartG mbB

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SYMPOSIUM Eine der weltgrößten Hubbrücken

Die neue Bahnbrücke Kattwyk in Hamburg von Jörg Ahlgrimm, Rico Stockmann

Im Hamburger Hafen entsteht derzeit mit 130,81m Hauptspannweite die größte Hubbrücke Deutschlands. Dieser Beitrag berichtet von Planung und Bau der zweigleisigen Eisenbahnbrücke. With a main span of 130,81m, the largest lifting bridge in Germany is currently being built in the Port of Hamburg. The contribution reports on the planning and construction of the double-track railway bridge. 1 Die bestehende Kattwykbrücke Die bestehende Kattwykbrücke im Hamburger Hafen wurde am 21. März 1973 nach zweijähriger Bauzeit eröffnet. Sie ist eine Hubbrücke, die als kombiniertes Bauwerk für den Straßen- und Bahnverkehr die Süderelbe mit einer Durchfahrtsbreite von 96 m überspannt. Sie ist noch heute die größte bewegliche Brücke Deutschlands. Ihre Durchfahrtshöhe im gehobenen Zustand beträgt 53 m ü. NN und im geschlossenen Zustand 7,30 m ü. NN. In den 1980er Jahren wurde auf dem Bauwerk eine Oberleitung für den elektrischen Zugbetrieb ergänzt. Die technische Leistungsfähigkeit der Hubbrücke stößt absehbar an ihre Grenzen. Die starken und schweren Eisenbahnverkehre führen zu einer fortschreitenden Ermüdung. Für den stetig anwachsenden Hafenverkehr auf Schiene und Straße stellt sie für die Zukunft keine ausreichend leistungsfähige Verbindung dar. Aktuell liegt die Summe der werktäglichen Sperrzeiten für den Straßenverkehr bei bis zu zehn Stunden.

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Der Entwurf der »Neuen Bahnbrücke Kattwyk« 2.1 Planung Die Hamburg Port Authority AöR (HPA) hat Ende des Jahres 2008 die Planung für den Bau eines Ergänzungsbauwerkes für die bestehende Kattwykbrücke aufgenommen. Die neue Brücke wird als zweigleisige reine Bahnbrücke den gesamten Zugverkehr aufnehmen. Die bestehende Kattwykbrücke bleibt erhalten und steht dann dem Straßenverkehr ohne Einschränkungen durch bahnbedingte Wartezeiten langfristig zur Verfügung. Die als Ergebnis der Vorplanung gewählte Lage der Brücke, 58 m nördlich der bestehenden, erfordert aus nautischen Gründen eine Hauptstützweite von ca. 130 m. Am 7. September 2011 wurde die Planfeststellung beantragt. Seit dem 13. Februar 2013 liegt mit dem Planfeststellungsbeschluss Baurecht vor.

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2.2 Vorzugsvariante Es zeigte sich, dass als Vorzugsvariante für die Neue Bahnbrücke Kattwyk wiederum eine Hubbrücke mit parallelgurtigen Fachwerküberbauten über drei Felder ausgeführt werden sollte. Der wichtigste Nachteil der Hubbrücke, die eingeschränkte Durchfahrtshöhe, spielt an dieser Stelle keine Rolle, da die Bestandsbrücke weiter betrieben wird (Bild 1, 2).

Ansicht von neuer Bahn- und bestehender Kattwykbrücke © Leonhardt, Andrä und Partner AG

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Längsschnitt und Grundriss © Leonhardt, Andrä und Partner AG

2.3 Unterbauten Da für den Endzustand eine Ausbautiefe des Fahrwassers von NN -15,00 m zuzüglich Kolkzuschlag und Baggertoleranzen von 2,0 m zu berücksichtigen war und große horizontale Kräfte aus Bremsen bzw. dem Anprall von Hochseeschiffen an die Leitwerke einwirken, wurde der Strompfeiler als Senkkasten mit Abmessungen im Grundriss von 29,00 m x 14,00 m sowie einer Absetztiefe von NN -30,0 m geplant. Eine Pfahlgründung war für diese Lasten wirtschaftlich nicht realisierbar. Für die Überführung der erforderlichen Leitungen für Bahnstrom, Energieversorgung und Steuerung etc. wird ein Leitungsdüker DN 1.800 mm zwischen beiden Strompfeilern errichtet. Die Widerlager sind als Kastenwiderlager auf einer Gründung aus Großbohrpfählen ausgebildet.

2.4 Überbauten, Pylone Der stählerne Überbau der Neuen Bahnbrücke Kattwyk wird als Einfeldträgerreihe aus drei parallelgurtigen Fachwerkträgern hergestellt. Die Einzelstützweiten betragen 75,825 m, 130,850 m (Hubfeld) und 75,825 m. Die Konstruktionshöhe ist 15,00 m, die Systembreite des Fachwerkes beträgt 11,30 m. Die Querträger sind als offene Vollwandträger ausgebildet. Die Fahrbahn ist eine orthotrope Platte. Im Hauptfeld werden unter den Gleisen Schienenlängsträger ausgeführt. Die Höhe der Pylone beträgt NN +81 m. Sie setzt sich aus der Hubhöhe von 45,70 m, der Konstruktionshöhe des Überbaus, der Länge der Seilanschlüsse und der Höhe des Maschinenhauses zusammen. Die Pylone (Hubtürme) bestehen aus je zwei stählernen Kastenstielen mit Abmessungen von 7,50 m x 2,75 m.

Sie sind biegesteif mit den darunterliegenden Massivpfeilern verbunden. Jeder Pylon erhält drei Riegel, im Pylonkopfbereich ist das Maschinenhaus angeordnet (Bild 3, 4). Das Hubfeld wird auf Elastomerlagern, die Seitenfelder werden auf Kalottenlagern gelagert. Die Festpunkte der Seitenfelder befinden sich an den Widerlagern, der Festpunkt des Hubfeldes am Pfeiler in Achse 30.

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Querschnitt von Seiten- und Hubfeld © Leonhardt, Andrä und Partner AG

An den Widerlagern laufen die Gleise durch. Auf den Seitenfeldern erhalten sie am Übergang zum Pfeiler je einen Schienenauszug mit 200 mm Auszugslänge. Im Übergang zum Hubfeld wird je ein öffenbarer Schienenstoß eingesetzt. Das Gleis wird im Bereich der Seitenöffnungen mit Schotterbett und Betonschwellen ausgeführt. Auf dem Hauptfeld wird eine Stahlschwellenfahrbahn eingebaut (Bild 5, 6). 2.5 Ausrüstung Der Antrieb des Hubteils erfolgt über je zwei Treibtrommeltriebwerke. Das Hubteileigengewicht wird über Gegengewichte ausgeglichen. Die Gegengewichte werden als Stahlkästen ausgeführt. Die vier Treibtrommeln für je zwölf Seile werden über je eine Zahnkupplung und ein Stirnradgetriebe von den Hauptmotoren mit einer Nennleistung von 4 x 250 kW angetrieben (Bild 7).

Darstellung des Hubtriebwerks © IRS Stahlwasserbau Consulting AG

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Die Brücke wird in horizontaler Richtung während des Hubvorganges über Führungsrollen statisch bestimmt gelagert. Dabei wird in Achse 30 der Längsfestpunkt ausgebildet. In der Verkehrslage ist durch die Kompensation des Eigengewichts über die Gegengewichte ohne weitere Maßnahmen keine hinreichende Auflagerlast vorhanden, weshalb hydraulische Niederhalter zur Sicherstellung der Auflagerung angeordnet werden. Die überführten Gleise sind mit 15 kV bzw. 16,70 Hz elektrifiziert. Auf der Brücke ist die Oberleitung im Hubfeld als Stromschiene ausgebildet. An der Fuge zum Hubfeld wird ein Drehtrenner eingebaut. Die Pylone sind jeweils mit Aufzügen, Transportöffnungen, Leiterschacht und einem bequemen Treppenhaus ausgerüstet.

Ausführungsplanung, Ausschreibung und Vergabe Aufgrund der Komplexität der Aufgabe entschloss sich die HPA als Bauherr gegen eine Vergabe an einen Generalunternehmer. So wurden auch die Leistungen für die Hubbrücke in mehrere Vergabeeinheiten getrennt. Dadurch war es dem Bauherrn im Rahmen der Vergaben möglich, die jeweils optimalen Bieter für alle Teilleistungen zu finden. Die Koordination zwischen den einzelnen Vergabeeinheiten übernahm die HPA als Bauherr. Konsequenterweise entschloss sich die HPA, die Planung der Hubbrücke ebenfalls in die eigene Hand zu nehmen und die entwurfsverfassende Ingenieurgemeinschaft auch mit der Ausführungsplanung zu beauftragen. Im Ergebnis lagen mit der Auftragserteilung jeweils geprüfte Ausführungspläne vor, die zunächst Grundlage für die Erstellung der Leistungsbeschreibungen waren und nach Vergabe durch die Auftragnehmer fortzuschreiben und mittels Werkstattplänen zu untersetzen waren. Mit der Herstellung der Unterbauten (Strompfeiler, Widerlager und Düker) wurde im Dezember 2015 eine Arbeitsgemeinschaft, bestehend aus den Firmen Max Bögl, HC Hagemann und Heijmans, beauftragt. Die Stahlbauarbeiten und die gesamte technische Ausrüstung, Maschinenbau, EMSR-Technik und Bahntechnik umfassend, wurden im März 2016 an die SEH Engineering vergeben. Die Vergabe der Betriebsgebäude erfolgte schließlich im Mai 2016 an die Firma HC Hagemann.

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Herstellung des Senkkastens © Hamburg Port Authority AöR/Ramboll Deutschland GmbH

4 Bauausführung 4.1 Pfeilergründung mittels Senkkästen Baubeginn für die Unterbauten der Hubbrücke war im April 2016. Zeitgleich mit der Erstellung der Widerlager erfolgten Räumungsbohrungen für die Spundwandkästen der Strompfeiler. Das auf einem Vormontageplatz in HamburgHarburg vorbereitete unterste Segment des ersten Senkkastens (Unterseite mit umlaufender Schneide) wurde am 06. März 2017 mittels Ponton eingeschwommen. Anschließend erfolgte die Absenkung im Druckluftbetrieb (Bild 8, 9). Seit der Fertigstellung im Mai 2019 wurden regelmäßige Kontrollmessungen zur Bestimmung der Lage und Höhe durchgeführt. Auch nach dem Aufsetzen der Seitenfelder, der Pylone, der Gegengewichte und des Hubteils mit einer Last von insgesamt ca. 3.500 t je Seite ergaben sich nur geringfügige Abweichungen von wenigen Millimetern im Rahmen der Messungenauigkeit. 9

Pfeilergründung mittels Senkkasten © Sellhorn Ingenieurgesellschaft mbH

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10 Einhausung für die Beschichtungsarbeiten © Hamburg Port Authority AöR/Ramboll Deutschland GmbH

4.2 Werksfertigung der Stahlkonstruktion Parallel zur Erstellung der Pfeiler haben im Mai 2017 bei der Firma SEH in Hannover der Zuschnitt und Zusammenbau der Einzelteile der Überbauten begonnen. Zur besseren Einhaltung der Abmessungen und der Rechtwinkligkeit der Pylonschüsse diente eine speziell angefertigte Montagevorrichtung. Die Schweiß- wie die Beschichtungsarbeiten wurden von der HPA-eigenen Fertigungsüberwachung begleitet, unterstützt durch Schweißfachingenieure und Korrosionsschutzinspektoren externer Ingenieurbüros. 4.3 Vormontage in Cuxhaven Ab September 2017 transportierten Lkws die Brückenteile nach Cuxhaven. Dort, auf einem Gelände der Niedersachsen Ports, erfolgte zuerst der Zusammenbau der Seitenfelder und später auch des Hubfeldes. Wegen der unmittelbaren Nähe zur Nordsee und damit der Einwirkung von Wind, Feuchtigkeit und Salz musste besonderes Augenmerk auf die Dichtigkeit der Einhausungen für die Schweiß- und Beschichtungsarbeiten gelegt werden. Der RHD-Belag des Fahrbahnbleches wurde komplett in einem Zelt erstellt (Bild 10).

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11 Stahlbrückenschwellen nach Vorfertigung © Hamburg Port Authority AöR/Ramboll Deutschland GmbH

4.4 Bahnthemen Um einen möglichst hohen Fertigstellungsgrad auf dem Vormontageplatz zu erreichen, wurden dort auch schon die Stahlbrückenschwellen mit den zugehörigen Brückenwinkeln montiert (Bild 11). Die Schienenstöße an den Enden des Hubteils kommen ohne mechanisch angetriebene Teile aus. Durch die Überlappung zweier halber Vollschienen werden einerseits die Fugen überbrückt, aber andererseits die Längsverschiebung und die Endtangentenverdrehung zugelassen.

Für diese spezielle Konstruktion wurde eine Zustimmung im Einzelfall bei der Landeseisenbahnaufsicht beantragt. Die Überwachung der Schienenlage erfolgt durch Radarsensoren. Ein elektrischer Heizstab verhindert die Eisbildung und das Verklemmen der Schiene durch Schnee.

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4.5 Montage in Hamburg Die Seitenfelder wurden Mitte Mai 2019 in Cuxhaven mittels Schwimmkran auf jeweils einen Ponton verladen, nach Hamburg verschifft und dort mit demselben Schwimmkran eingehoben. Die Lasteinleitung erfolgte mit einer rohrförmigen Anschlagkonstruktion im Fachwerkknoten (Bild 12). Wegen der flachen Neigung der Uferböschung und des dadurch eingeschränkten Tiefgangs konnte der Kran nicht mittig zum Überbau anschlagen. Die exzentrische Lastaufnahme wurde durch Ballasttanks ausgeglichen (Bild 13). Im gleichen Zuge wurden die in Hannover aus vier Schüssen zusammengesetzten 31 m langen unteren Teile der Pylone liegend auf dem Wasserweg angeliefert, mittels zweier kleinerer Schwimmkrane aufgestellt und mit der Betondecke des Pfeilers durch Spannanker verbunden. Je Pylonfuß sind 44 Anker mit d = 40 mm aus St 950/1050 mit jeweils 1.000 kN vorgespannt.

12 Anschlagen der Seitenfelder: Seile (1), Kantenschutz (2) und Anschlagkonstruktion (3) © SEH Engineering GmbH

13 Seitenfeld am Schwimmkran © Hamburg Port Authority AöR/CopterCloud

14 Einheben des Hubfeldes © Hamburg Port Authority AöR/Lina Nguyen

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Die oberen Pylonteile und die sie verbindenden Maschinenhäuser wurden Mitte Juli 2019 wiederum mit dem Schwimmkran aufgesetzt, zunächst verschraubt und dann verschweißt. Die die Pylonwand aussteifenden und den Stoß überbrückenden Trapezsteifen sind als Montagefenster ausgeführt worden. Für das Einheben des Hubteils im Dezember 2019 reichte die Tragfähigkeit des Matador 3 von 1.800 t knapp nicht aus, er wurde deshalb durch den ENAK unterstützt. Beide Schwimmkrane waren durch einen Koppelponton verbunden und wurden mit Seilwinden, die an Ankern, Dalben und den Pfeilern befestigt waren, zentimetergenau positioniert (Bild 14). Die Hubvorgänge erforderten einen ausreichend hohen Wasserstand und waren deshalb an das Tidehochwasser gebunden. Die für die Montage maximale zulässige Windgeschwindigkeit von 10 m/s wurde nicht erreicht, so dass von den vorsichtshalber angemeldeten zusätzlichen Schifffahrtssperrungen kein Gebrauch gemacht werden musste.

4.6 Toleranzen Zur Sicherstellung der Funktion als Bahnbrücke und als Maschine beim Anheben gelten hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Fertigung und Montage. Unabhängig davon sind Möglichkeiten vorzusehen, welche einen Toleranzausgleich ermöglichen. So werden die Übergangskonstruktionen zum Pfeiler und die Einbauteile zur Befestigung der Schwellen auf selbigem nachträglich im Zweitbeton vergossen. Die Seiltrommeln und Maschinenrahmen in den Maschinenhäusern werden nach dem Ausrichten des Überbaus verschweißt. 4.7 Termine und Aussichten Derzeit sind die Elektriker auf der Baustelle in Hamburg dabei, die letzten Kabel einzuziehen und in den Schaltschränken anzuschließen. Demnächst werden die 48 Tragseile eingezogen und mit den modular aufgebauten Gegengewichten und dem Hubteil verbunden. Nachdem die diversen Probebetriebe durchgeführt sind, und zwar einschließlich derer mit Bahnüberfahrt, wird die Brücke zum Jahresende 2020 in Betrieb gehen. Autoren: Dr.-Ing. Jörg Ahlgrimm Hamburg Port Authority AöR, Hamburg Dipl.-Ing. Rico Stockmann Leonhardt, Andrä und Partner Beratende Ingenieure VBI AG, Hamburg

Literatur [1] Rüster, R., Naumann, E., Bock, R., Bammes, R., Nickel, H.: Die Kattwyk-Hubbrücke in Hamburg, eine vollständig geschweißte Fachwerkbrücke; in: Stahlbau 43 Jg., 1974, H. 9, S. 257–267. [2] Stockmann, R., Schmitt, H.: Variantenuntersuchung und Entwurf. Neue Kattwykbrücke in Hamburg; in: Brückenbau, 4. Jg.; 2012, H. 1/2, S. 24–29. [3] Stockmann, R., Baur, T.: Neue Bahnbrücke Kattwyk; in: Stahlbau, 87 Jg., 2018, H. 8, S. 781–790.

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Bauherr Hamburg Port Authority AöR, Hamburg Entwurf und Ausführungsplanung Ingenieurgemeinschaft: Leonhardt, Andrä und Partner, Beratende Ingenieure VBI AG, Hamburg Sellhorn Ingenieurgesellschaft mbH, Hamburg Ingenieurbüro Dipl.-Ing. H. Vössing GmbH, Hamburg Maschinenbau IRS Stahlwasserbau Consulting AG, Würzburg Elektrotechnik DriveCon GmbH, Dettelbach Architektonische Beratung PPL Architektur und Stadtplanung GmbH, Hamburg Prüfingenieur Dr.-Ing. Christian Böttcher, Hamburg Bauüberwachung Massivbau Sweco GmbH, Frankfurt am Main Tractebel Hydroprojekt GmbH, Weimar Zetcon Ingenieure, Hamburg Bauüberwachung Stahlbau Ingenieurgemeinschaft: eberhardt - die ingenieure gbr, Barleben Böger + Jäckle GmbH & Co. KG, Henstedt-Ulzburg Bauausführung Massivbau Arbeitsgemeinschaft: Firmengruppe Max Bögl, Neumarkt HC Hagemann GmbH & Co. KG, Hamburg Heijmans N.V., Rosmalen Bauausführung Stahlbau SEH Engineering GmbH, Hannover

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SYMPOSIUM Entwicklung und Anwendung eines bauaufsichtlich zugelassenen Verfahrens

Verstärkung von Ingenieurbauwerken unter laufendem Betrieb von Jürgen Feix, Johannes Lechner

Ein Großteil der in Deutschland erstellten Ingenieurbauwerke wurde in den 1950–1970er Jahren errichtet und ist somit heute rund 50 Jahre alt. Aus wirtschaftlichen sowie Gründen der Nachhaltigkeit sollen diese Bauten häufig weiterverwendet, vergrößert oder umgenutzt werden. Damit einher gehen meist eine Lasterhöhung auf das Tragwerk und geänderte Bemessungsansätze der Normung, wodurch eine Verstärkung des Tragwerks erforderlich wird. In vielen Fällen ergeben sich drastische Defizite an vorhandener Querkraft- bzw. Durchstanzbewehrung in bestehenden Stahlbetonbauten. Aus diesem Grund wurde in den vergangenen Jahren an der Universität Innsbruck ein neues Verfahren entwickelt, das auf der Verwendung von sogenannten Betonschrauben als nachträglicher Bewehrung beruht. Die aus der Verankerungstechnik bekannten Betonschrauben haben aufgrund ihres mechanischen Verbundes mit der existierenden Struktur ein sehr robustes Tragverhalten und können von einer Seite des Tragwerks installiert werden, wodurch sich große Vorteile hinsichtlich der Nutzung des Bauwerks während der Verstärkungsmaßnahme ergeben.

1 Einleitung Ein Großteil der vorhandenen Brückentragwerke der zentraleuropäischen Staaten wurde in den Jahren zwischen 1960 und 1990 errichtet. Dies ist sehr deutlich anhand Bild 1 zu erkennen, in welchem der Anteil der gesamten Tragwerksflächen, bezogen auf den Errichtungszeitraum, dargestellt ist. Die Brückentragwerke an den deutschen Bundesfernstraßen sind mit über 45 % der Bauwerksflächen heute zwischen 60 und 40 Jahre alt. Eine Betrachtung der verwendeten Materialwahl bei diesen Brücken der Deutschen Bundesanstalt für Straßenwesen [1] zeigt, dass der überwiegende Teil, fast 90 % der Tragwerke, in den Bauweisen

Altersstruktur der Brückentragwerke der Bundesfernstraßen in Deutschland © Universität Innsbruck/Daten aus [1]

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Stahlbeton- oder Spannbeton errichtet wurde. Die Verteilung der Brückenfläche nach den verschiedenen Bauweisen ist in Bild 2 dargestellt. Üblicherweise wird für Brückentragwerke eine Nutzungsdauer von ca. 100 Jahren definiert, wobei davon ausgegangen wird, dass in diesem Zeitraum etwa zweimal eine Sanierung des Tragwerks im größeren Ausmaß vorzunehmen ist. Betrachtet man nun die Altersstruktur, so kann erkannt werden, dass ein großer Teil der Tragwerke bereits die Hälfte der beabsichtigten Nutzungsdauer überschritten hat. Zudem müssen für einen großen Teil des Brückenbestands in nächster Zeit die vorgesehenen Instandsetzungsmaßnahmen erfolgen.

Verteilung der Bauweisen der Brückentragwerke der Bundesfernstraßen © Universität Innsbruck/Daten aus [1]

SYMPOSIUM

Neben dem steigenden Alter der Brückeninfrastruktur wirkt sich der deutlich zunehmende Schwerverkehr auf den europäischen Hauptverkehrswegen negativ auf den Zustand dieser Bauwerke aus. So zeigen Verkehrsstatistiken, wie etwa jene des Amtes der Tiroler Landesregierung [2], dass sich die Menge der transportierten Güter über den Brennerpass, eine der zentralen europäischen NordSüd-Verbindungen, zwischen 1960 und 2010 mehr als verzehnfacht hat. Ähnlich zeigt die Verkehrsstatistik der Bundesanstalt für Straßenwesen [3], dass auch auf deutschen Fernstraßen das durchschnittliche Verkehrsaufkommen zwischen 1960 und heute von ca. 7.000 auf ca. 50.000 Kfz/d gestiegen ist. Mit dieser massiven Zunahme des Verkehrs geht auch eine deutliche Zunahme der Lasten einher, welche auf die vorhandenen Tragwerke einwirken, insbesondere durch den wachsenden Schwerverkehr und neue größere Güterfahrzeuge. Um dieser Entwicklung Rechnung zu tragen und die heutigen Bauwerke auch für zukünftige Entwicklungen auszulegen, wurden im Zuge der Einführung der europäischen Normung, der Eurocode-Serie, die anzusetzenden Lasten auf Brücken deutlich gegenüber den vorher gültigen Richtlinien gesteigert. So zeigen etwa Maurer et al. [4], dass durch die höheren Lasten gerade die Auswirkungen in der Berechnung in Tragwerksquerrichtung deutlich ausfallen können. Daraus ergibt sich etwa die Notwendigkeit einer Querkraftverstärkung von Fahrbahnplatten bei bestehenden Plattenbalken- oder Hohlkastentragwerken. Zudem wurden speziell in Hinsicht auf den Querkraftwiderstand die Berechnungsansätze in der Normung seit Errichtung der Tragwerke mehrmals angepasst und überarbeitet. So wurde etwa die Ermittlung der rechnerischen Querkrafttragfähigkeit von Bauteilen ohne Querkraftbewehrung, wie sie zum Beispiel Platten darstellen, im Laufe der Jahrzehnte deutlich restriktiver.

Somit ergibt sich bei einer Nachrechnung von 115 Balkenbrücken durch Fischer et al. [5] bei 57 % ein rechnerisches Querkraftdefizit, wobei bei einem Viertel der Tragwerke ein Defizit von mehr als 100 %, bezogen auf die ursprünglich rechnerisch aufnehmbare Querkraft, festgestellt wird. Der überwiegende Anteil dieser Bauwerke stammt aus den Jahren vor 1966, da hier aufgrund der damals gültigen Normung auf eine Mindestquerkraftbewehrung bei Einhaltung der kritischen Schubspannung verzichtet werden konnte. Aus diesen Gründen ergibt sich gerade für Betontragwerke die Notwendigkeit, solche rechnerischen Defizite auszugleichen. In den letzten Jahren haben sich zwei Ansätze für die Lösung jener Problemstellung etabliert. Dies ist zum einen der Nachweis der Tragfähigkeit mit neueren, häufig versuchsbasierten Berechnungsansätzen, die eine höhere Tragfähigkeit ergeben, und zum anderen die Verstärkung der Tragwerke auf das geforderte Traglastniveau der aktuellen Normung. Betonschrauben als Verstärkungselement 2.1 Einführung Um die Defizite an vorhandener Querkraftbewehrung in bestehenden Strukturen auszugleichen, braucht es innovative Verstärkungssysteme. Diese müssen nicht nur eine hohe Verstärkungswirkung bei geringem Einsatz an Verstärkungselementen aufweisen, sondern auch eine möglichst schnelle und einfache Installation ermöglichen. Der Einsatz von Betonschrauben als nachträgliche Querkraft- und Durchstanzverstärkung kann derartige Erfordernisse erfüllen. Daher wurde in den vergangenen zehn Jahren an der Universität Innsbruck an jenem neuen Verstärkungssystem geforscht und in zahlreichen Versuchsserien anhand von Bauteilversuchen die Eignung der Schrauben als nachträgliche Bewehrung untersucht. Auf Basis dieser Untersuchungen wurden im September 2019 zwei bauaufsichtliche Zulassungen für das System durch das Deutsche Institut für Bautechnik erteilt. Die Zulassung Z-15.1-339 [6] regelt den Einsatz der Betonschrauben als nachträgliche Querkraftbewehrung, die Zulassung Z-15.1-340 [7] den Einsatz als nachträgliche Durchstanzverstärkung.

2.2 Tragwirkung der Betonschrauben Betonschrauben sind seit Beginn der 1990er Jahre als Verankerungselement in Stahlbetonstrukturen bekannt und wurden in den vergangenen Jahren vermehrt eingesetzt. Ein großer Vorteil von Betonschrauben gegenüber anderen Ankermitteln sind die schnelle Installation und die sofortige Belastbarkeit, welche sich durch den mechanischen Verbund der Schraube mit der Betonstruktur ergibt. Betonschrauben werden in ein vorgebohrtes Loch mit entsprechendem Durchmesser eingedreht und schneiden sich dabei ein Gewinde in die Bohrlochwandung, wodurch eine Verzahnung mit dem Beton erzeugt wird. Damit ergibt sich eine kraftschlüssige Verbindung, die sofort belastet werden kann, wie in Bild 3 ersichtlich ist.

Tragwirkung der Verbundankerschrauben als Kombination aus mechanischem und Klebeverbund © Universität Innsbruck

Um die Tragfähigkeit der Betonschrauben weiter zu erhöhen, wurden die sogenannten Verbundankerschrauben entwickelt, bei denen ein Vinylestermörtel vor dem Eindrehen der Schrauben in das Bohrloch injiziert wird. Damit wird der existierende Ringspalt zwischen Schraube und Beton verfüllt, was durch die größere Auflagefläche des Gewindes und den Klebeverbund (Bild 3) zu größeren Traglasten führt. Der Auszugswiderstand der Schrauben kann mittels Verklebung um etwa 40 % gesteigert werden, wie auch in [8] gezeigt wird.

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SYMPOSIUM 3

Zugelassene Schraubentypen des Systems reLast © Universität Innsbruck

2.3 Betonschrauben für die Tragwerksverstärkung Die Verbundankerschrauben werden für den Einsatz als nachträgliche Querkraftund Durchstanzverstärkung gemäß den Zulassungen verwendet. Für diesen Einsatz wurden die Schrauben etwas modifiziert, um den abgeänderten Anforderungen zu entsprechen. Während Betonschrauben als Ankermittel externe Lasten in die Struktur ableiten müssen, werden beim Einsatz als nachträgliche Bewehrung interne Kräfte der bestehenden Struktur aufgenommen und müssen wieder in der Struktur abgeleitet werden. Dementsprechend ist es erforderlich, nicht nur Kräfte an der Schraubenspitze über das Verbundgewinde aufzunehmen, sondern diese am anderen Ende der Schraube auch wieder abzuleiten. Dafür werden beim System reLast eine Unterlegplatte mit einer Keilsicherungsfederscheibe und eine Mutter am ISO-Gewinde der Schraube an der Außenseite des Tragwerks angeordnet. Über die Mutter an der Außenseite ist es zudem möglich, eine Vorspannung in der Schraube durch Andrehen zu erzeugen. Eine solche Konfiguration ist in Bild 4 dargestellt, die die zugelassenen Typen der Betonschrauben als nachträgliche Querkraft- und Durchstanzverstärkung zeigt.

Wie Bild 4 zeigt, sind die Schraubentypen TSM-22 und TSM-16, welche sich hinsichtlich des Bohrlochnenndurchmessers (d0 = 22 mm bzw. d0 = 16 mm) unterscheiden, zugelassen. Eine weitere Unterscheidung wird hinsichtlich des jewei ligen Anschlussgewindes vorgenommen, welches als genormtes ISO-Gewinde ausgeführt ist. Die Länge der Schrauben kann an das jeweilige Verstärkungsprojekt angepasst werden und ist in den Zulassungen über die maximale Bohrlochtiefe (200 cm für die Querkraftverstärkung, 100 cm für die Durchstanzverstärkung) begrenzt. Bei Bohrungen über 170 mm für die TSM-16- bzw. 210 mm für die TSM-22-Schrauben sind Stufenbohrungen auszuführen, um ihr korrektes Eindrehen zu gewährleisten. Alle Schrauben des zugelassenen Systems werden aus Stahl mit einer charakteristischen Fließspannung von mindestens fyk = 500 MPa gefertigt und mit einem speziellen Korrosionsschutzsystem versehen. Dieser Schutz gewährleistet eine Korrosionsschutzklasse nach C5-I gemäß DIN EN ISO 12944-6. Der Einsatz des Verbundmörtels erhöht den Korrosionsschutz zusätzlich.

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Wissenschaftliche Untersuchungen zur Zulassung 3.1 Allgemeines Vor einigen Jahren wurde an der Universität Innsbruck am Arbeitsbereich Massivbau und Brückenbau begonnen, den Einsatz von Verbundankerschrauben als nachträgliche Bewehrung experimentell zu untersuchen. Dazu wurden drei Versuchsreihen an Stahlbetonbalken durchgeführt, um die Eignung der Schrauben als Querkraftverstärkung zu untersuchen, die Details des Versuchsaufbaus und der Versuchsergebnisse dieser Testreihen können zum Beispiel [9] entnommen werden. Zeitgleich wurde in insgesamt vier Versuchsreihen an plattenförmigen Versuchskörpern die Möglichkeit der nachträglichen Durchstanzverstärkung untersucht. Im Zuge dieser Versuche konnte die Eignung des Systems in verschiedenen Konfigurationen nachgewiesen werden, wie auch in [12] [13] [14] [15] gezeigt wird. Die Bilder 5 und 6 veranschaulichen die Versuchsergebnisse einiger durchgeführter Durchstanzversuche mit den erzielten Traglaststeigerungen gegenüber Referenzversuchen ohne Durchstanzverstärkung. Es zeigt sich, dass je nach Konfiguration Traglaststeigerungen zwischen 20 % und 50 % erzielt werden konnten.

Kraft-Verformungsdiagramme von Durchstanzversuchen und erzielte Traglaststeigerungen © Universität Innsbruck

SYMPOSIUM

3.2 Versuche für die Erlangung der Zulassung Neben den bereits durchgeführten 29 Balkenversuchen mit Verbundankerschrauben als nachträglicher Querkraftbewehrung mussten für die Erlangung der Zulassung weitere experimentelle Untersuchungen, speziell an Platten durchgeführt werden. Die Versuchsergebnisse dieser Versuche sind unter anderem in [10] und [11] diskutiert. Bild 7 zeigt die Querkraft-Verformungskurven der durchgeführten Versuche an Plattenstreifen mit einer Breite von 88 cm bei einer Höhe von 32 cm. Jede Platte war mit jeweils 12 Schrauben in verklebter Installation verstärkt, wobei der Schraubendurchmesser (TSM-22 und TSM-16) sowie die Installationstiefe variiert wurden. Die Installationstiefe wurde zum einen mit d = 29 cm so gewählt, dass die Spitze der Schraube auf Höhe der Oberkante der oberen Längsbewehrung lag, zum anderen mit d = 26 cm so, dass die Schraube unter der oberen Längsbewehrung lag. Die Versuchsergebnisse zeigen dementsprechend einen Einfluss der Verankerung unter oder auf Höhe der oberen Längsbewehrung, wie in Bild 7 ersichtlich ist. So liegt die erzielte Traglaststeigerung mit 90 % bei größerer Bohrlochtiefe deutlich über den 64 % Traglaststeigerung, wenn unter der oberen Längsbewehrung verankert wird. Nahezu identisch stellt sich dies bei Verwendung der Schrauben mit kleinerem Nenndurchmesser dar, wobei hier die erzielbaren Traglaststeigerungen generell mit 84 % bzw. 53 % generell etwas unter denen der Schrauben mit größerem Durchmesser liegen. 3.3 Bemessungskonzept Auf Basis der durchgeführten Versuche wurde sowohl für das System der Querkraftverstärkung als auch für die Durchstanzverstärkung ein Bemessungsmodell abgeleitet, welches in die Zulassung aufgenommen wurde. Beide Bemessungskonzepte basieren auf den Bemessungsmodellen des Eurocode 2 und somit auf der aktuellen Normung für die Stahlbetonbemessung. Bei der Bemessung der erforderlichen Querkraftverstärkung wird das erweiterte Fachwerkmodell für die Bemessung von Betonstrukturen mit Querkraftbewehrung verwendet, wobei der nach Eurocode 2 variable Druckstrebenwinkel θ bei der Bemessung der Betonschraubenverstärkung mit θ = 45° fixiert wird. Ebenso wird der Winkel der Betonschrauben mit

Versuchsergebnisse der durchgeführten Querkraftversuche an Plattenstreifen © Universität Innsbruck

α = 90° gegenüber der Stablängsachse fest definiert. Der Nachweis der Betondruckstrebe VRd.max des Fachwerkmodells erfolgt unter Berücksichtigung dieser beiden Winkel unverändert zu den Regelungen des EC 2. Der Nachweis der Zugstrebe, also der erforderlichen Verstärkung, erfolgt ebenfalls mit der Gleichung des Eurocode 2 bei Beachtung der beiden genannten Winkel. Allerdings wird anstelle des vollen Bemessungswerts der Streckgrenze der Querkraftbewehrung eine effektive Fließspannung der Schrauben fywd.eff in der Bemessung verwendet. Da die Gleichung zur Ermittlung der Fließspannung aus den Versuchsergebnissen durch statistische Verfahren abgeleitet wurde, gehen darin über zwei Faktoren c1 und c2 der Schraubendurchmesser und die Verankerungstiefe ein, die einen wesentlichen Einfluss auf die Verstärkungswirkung haben. Bei der Bemessung der Durchstanzverstärkung mit dem reLast-System wird ebenfalls das Bemessungskonzept des Eurocode 2 verwendet. Bei Überschreiten des Durchstanzwiderstandes des Betons VRd.c darf der Durchstanzwiderstand VRd.cs bis zu einer Größe von 1,40 VRd.c mit Verbundankerschrauben gesteigert werden. Dafür wird ähnlich zur Querkraftverstärkung ein effektiver Bemessungswert der Streckgrenze der Durchstanzbewehrungselemente ermittelt, welcher ebenfalls auf den Ergebnissen der durchgeführten Durchstanzversuche basiert und in den unter anderem der Schraubendurchmesser einfließt.

Neben den Gleichungen zur Ermittlung der notwendigen Verstärkungselemente geben die Zulassungen ebenfalls Regelungen zur konstruktiven Anordnung der Verstärkung an, welche zum einen auf den Versuchsergebnissen, zum anderen auf den konstruktiven Regeln des Eurocode 2 basieren. 4 Pilotprojekte 4.1 Allgemeines Auf Basis der erzielten Erkenntnisse der Versuche und der daraus abgeleiteten Bemessungsmodelle konnten in den letzten Jahren bereits einige Pilotanwendungen mit den beiden neuen Verstärkungssystemen ausgeführt werden. Es wurden Bauwerke sowohl des Hochbaus, als auch des Brücken- und Tiefbaus nachträglich erfolgreich verstärkt.

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SYMPOSIUM 4.2 Verstärken der Eisenbahnüberführung A 70 Die Eisenbahnüberführung über die Bundesautobahn A 70 wurde als zweifeldrige Spannbetonbrücke 1967 errichtet. Die Balkenbrücke mit zwei getrennten Überbauten wurde mit einem gedrungenen Hohlkastenquerschnitt und einer maximalen Feldweite von 17,50 m erbaut. Sie wurde mittels des damals gebräuchlichen Sigma-Oval-Spannstahls vorgespannt. Dieser Spannstahl ist nach heutigem Wissenstand stark spannungsrisskorrosionsgefährdet. Aufgrund dessen wurde ein Nachrechnung durchgeführt, welche eine Restlebenszeit von 0 Jahren ergab, weil für den Fall eines Spanngliedrisses kein Ankündigungsverhalten nachweisbar war. Um das Schlüsselbauwerk weiterhin im Netz halten zu können und eine Totalsperrung der wichtigen Eisenbahnstrecke zu vermeiden, wurde eine Verstärkungsmaßnahme geplant, mit der es möglich ist, die Restlebenszeit der Brücke auf 20 Jahre zu erhöhen. In diesem verbleibenden Zeitraum kann somit ein Ersatzneubau sorgfältig geplant und ausgeführt werden, ohne Unterbrechungen des Eisenbahnverkehrs zu verursachen. Eine wesentliche Vorgabe bei der Ausführung der Verstärkung war dabei, dass der Eisenbahnverkehr auf der Brücke nicht unterbrochen werden darf. Es konnten dementsprechend keine Maßnahmen von der Oberseite durchgeführt werden. Gleichzeitig durfte unter der Brücke jedoch auch lediglich jeweils ein Fahrstreifen der Autobahn A 70 gesperrt werden. Dazu wurde ein spezielles Verstärkungskonzept erarbeitet, mit dem die gesamte Maßnahme innerhalb von vier Wochen umgesetzt werden konnte.

Querschnitt mit Verstärkung in Form von Betonschrauben und Stahllaschen als externe Bewehrung © Prof. Feix Ingenieure GmbH

Bild 8 zeigt die rechte Seite des Querschnitts der Brücke. Der Querschnitt besteht aus zwei Hohlkästen, welche mit einer Platte verbunden sind. Aufgrund der Gefährdung durch den verwendeten Spannstahl musste nicht nur eine Querkraft-, sondern auch eine Biegeverstärkung vorgenommen werden. Diese wurde durch externe Bewehrung in Form von Stahllaschen an beiden Seiten des Hohlkörpers ausgeführt, wie Bild 8 ebenfalls zeigt. Die Stahllaschen wurden in Form von einzelnen Schüssen mit Betonschrauben an den Stegen befestigt und anschließend miteinander verbunden und vorgespannt. Durch den abschnittsweisen Einbau war es möglich, die Sperren auf der Autobahn auf lediglich einen Fahrstreifen zu beschränken.

9 10 Aufrechterhaltung des Verkehrs auf und unter der Brücke während des Einbaus der Verstärkungselemente © Prof. Feix Ingenieure GmbH

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4.3 Ertüchtigung des Münchner Altstadtringtunnels Der Münchner Altstadtring stellt den innersten Verkehrsring der Landeshauptstadt München dar. Der sogenannte Altstadtringtunnel im Norden des Rings ist zugleich zentrale West-Ost-Verbindung im Herzen der bayerischen Landeshauptstadt. Der Tunnel wurde in den späten 1960er Jahren errichtet und anlässlich der Olympischen Spiele 1972 für den Verkehr freigegeben. Heute stellt der Altstadtring Nord mit einer durchschnittlichen Verkehrsbelastung von 60.000 Kfz/d im Tunnel eine wesentliche Hauptverkehrsader dar. Eine Teil- oder Totalsperrung bedeutet für München eine schwerwiegende verkehrstechnische Beeinträchtigung für das gesamte Innenstadtgebiet.

SYMPOSIUM

Eine Besonderheit des Altstadtringtunnels ist mit dem Tunnelblock 34, direkt unter dem Prinz-Carl-Palais, gegeben. Das historische Palais, welches lange als Amtssitz des bayerischen Ministerpräsidenten genutzt wurde, wurde 1806 fertiggestellt. Daher musste der Tunnel aufwendig nachträglich unter dem Gebäude errichtet werden. Dafür wurde im vorhandenen Kellergeschoß eine Abfangekonstruktion aus Stahlträgern realisiert, und anschließend wurden im Pilgerschrittverfahren insgesamt 15 Betonträger – auch als Lamellen bezeichnet – abschnittsweise betoniert. Diese Lamellen besitzen eine Höhe von 3,50 m und eine variable Querschnittsbreite. Zur Reduzierung des Eigengewichts wurden in den Lamellen in Längsrichtung mehrere Hohlkörper angeordnet. Die Lamellen wurden in Längsrichtung vorgespannt sowie anschließend auch in Querrichtung und bilden so die Tunneldecke. Nach Errichtung der Tunneldecke wurden die Bereiche für die beiden Tunnelwände ausgegraben und diese realisiert, abschließend wurde der Restquerschnitt des Tunnels ausgebrochen und die Fahrbahn hergestellt. Somit sind die einzelnen Lamellen vorgespannte Einfeldträger, welche auf den Tunnelaußenwänden aufliegen. Die maximale Spannweite der Lamellen ist ca. 32 m, wobei der gesamte Lastabtrag des Prinz-Carl-Palais über die Tunneldecke dieses Blocks erfolgt. Für die Vorspannung der Tunneldecke wurde das Spannsystem PZ mit vergüteten Spannstählen Sigma Oval St 145/160 verwendet. Nach heutigem Kenntnisstand gilt der verwendete Sigma-OvalStahl, wie schon beschrieben wurde, als spannungsrisskorrosionsgefährdet. Eine Nachrechnung im Jahr 2013 ergab, dass bei 13 der 15 Lamellen keine Vorankündigung des Versagens bei Ausfall der Spannbewehrung nachgewiesen werden kann.

11 reLast-Schrauben als nachträgliche Querkraftverstärkung und hochfeste Gewindestäbe als neue Biegezugbewehrung © Prof. Feix Ingenieure GmbH

Aufgrund der Randbedingungen wurde von der Landeshauptstadt München eine Verstärkung der Tunneldecke dieses Tunnelblockes beschlossen, wobei keine Maßnahmen von oben ausgeführt werden können und eine Totalsperre des Tunnels nicht möglich ist. Es wurde daher ein Einbau von Betonschrauben durch die Hohlkörper als nachträgliche Querkraftverstärkung geplant und eine zusätzliche Betonschicht von 30 cm an der Tunnel-

deckenunterseite, in die zusätzliche Biegebewehrung eingebaut wird, wie Abbildung 11 zeigt. Je nach Bereich und Spannweite der Tunneldecke kommen dazu hochfeste Gewindestäbe mit einem Durchmesser von 43 mm bzw 63,50 mm zum Einsatz. Diese Gewindestäbe werden mit Hilfe von zwei oder vier Betonschrauben an beiden Seiten in die Tunnelwände verankert, um die entstehenden Biegezugkräfte aufzunehmen.

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SYMPOSIUM

Im Frühjahr 2019 wurde mit den Ausführungsmaßnahmen der Tunnelverstärkung begonnen, wobei in einem ersten Schritt die reLast-Schrauben an der Tunnelnordseite eingebaut wurden. Dafür wurde der Verkehr umgelegt, wobei stets mindestens zwei Fahrstreifen geöffnet bleiben mussten, wie auch Bild 13 zeigt. Nach einer ausführlichen zerstörungsfreien Detektion der vorhandenen Spannglieder konnten die Einstiegsöffnungen in die Hohlkörper hergestellt werden, welche für den Einbau der Schrauben in die Hohlkörper erforderlich sind. Die im Zuge der Errichtung zurückgebliebene Schalung der Hohlkörper musste in ihnen zerkleinert und entfernt werden. Anschließend konnte mit dem Einbau der Verstärkungsschrauben begonnen werden. Der Einbau der Schrauben in der Nordhälfte des Tunnels konnte im Herbst 2019 abgeschlossen werden. Im nächsten Schritt wurden die hochfesten Gewindestäbe an der Deckenunterseite eingebaut und der Verkehr auf die Nordseite umgelegt, um die Arbeiten an der Südseite der Decke fortzusetzen. Die Arbeiten an der Südseite werden derzeit ausgeführt. Nach dem Einbau der restlichen Schrauben – insgesamt werden ca. 7.300 Schrauben angeordnet –, wird die neue Biegebewehrung an der Südseite eingebaut und mittels Muffen an die Bewehrung der Nordseite angeschlossen. Danach wird eine Spritzbetonschicht von 30 cm an der Deckenunterseite angebracht und somit deren ebene Untersicht wiederhergestellt. Diese Arbeiten sollen bis Juni 2020 abgeschlossen sein. 5 Zusammenfassung Seit Anfang September 2019 sind die reLast-Verbundankerschrauben als nachträgliche Querkraft- und Druchstanzbewehrung durch das Deutsche Institut für Bautechnik zugelassen. Dem gingen jahrelange wissenschaftliche Untersuchungen und zahlreiche Bauteilversuche an der Universität Innsbruck voraus. Diese Versuche zeigten, dass mit Hilfe der nachträglich eingebauten Betonschrauben die Traglasten gegenüber Referenzversuchen ohne Schubbewehrung um bis zu 150 % bei Querkraftverstärkung und um bis zu 50 % bei Durchstanzverstärkung gesteigert werden können.

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12 13 Installation der nachträglichen Querkraftverstärkung und der Biegezugbewehrung unter Aufrechterhaltung des Verkehrs © Prof. Feix Ingenieure GmbH

Auf Basis der Versuchsergebnisse wurden anschließend Bemessungskonzepte abgeleitet, die auf den Bemessungsmodellen des Eurocode 2 und somit auf der aktuellen Normung basieren. Diese Bemessungskonzepte, die nun auch in den Zulassungen enthalten sind, ermöglichen dem planenden Ingenieur eine einfache Dimensionierung der Verstärkung mit Hilfe der bekannten Gleichungen der Normung.

Wie zahlreiche durchgeführte Pilotprojekte gezeigt haben, liegt der große Vorteil der nachträglichen Verstärkung mit reLast-Verbundankerschrauben in deren einfachen Installation und sofortigen Belastbarkeit. Das Verstärkungssystem kann aufgrund der Tragwirkung auf dem Prinzip des Hinterschnitts über das Verbundgewinde im Bohrloch von einer Seite in die zu verstärkende Struktur eingebaut werden. Damit entfällt der

SYMPOSIUM

Abtrag von Fußboden- oder Fahrbahnaufbauten auf der Oberseite des Tragwerks, welcher bei anderen Verstärkungssystemen oftmals notwendig ist. Derart lässt sich die Verstärkung also unter laufendem Betrieb durchführen, wobei lediglich kleine Bereiche für den Einbau der Verbundankerschrauben gesperrt werden müssen, wie die beiden exemplarisch erläuterten Pilotprojekte beweisen. Das neue System der Tragwerksverstärkung mit reLast-Betonschrauben zeichnet sich somit durch die einfache und schnelle Installation während des laufenden Betriebs des Tragwerks aus. Durch die nun vorliegenden Zulassungen für die Querkraft- und Durchstanzverstärkung und die darin enthaltenen Bemessungsgleichungen auf Basis der EurocodeBemessungsmodelle sind eine ebenso unkomplizierte wie bauzeitschonende Planung und Ausführung möglich. Autoren: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Feix Universität Innsbruck, Innsbruck, Österreich Dipl.-Ing. Dr. Johannes Lechner Prof. Feix Ingenieure GmbH, München

Literatur [1] Bundesanstalt für Straßenwesen: Brückenstatistik Deutschland. 2017. [2] Amt der Tiroler Landesregierung, Sachgebiet Verkehrsplanung: Verkehr in Tirol, Bericht 2012. Innsbruck, 2013. [3] Fitschen, A.; Nordmann, H.: Verkehrsentwicklung auf Bundesfernstraßen 2014. Bericht der Bundesanstalt für Straßenwesen, 2016. [4] Maurer, R.; Arnold, A.; Müller, M.: Auswirkungen aus dem neuen Verkehrslastmodell nach DIN EN 1991-2/ NA bei Betonbrücken; in: Beton- und Stahlbetonbau, Bd. 106, 2011, Nr. 11, S. 747–759. [5] Fischer, O.; Müller, A.; Lechner, T.; Wild, M.; Kessner, K.: Ergebnisse und Erkenntnisse zu durchgeführten Nachrechnungen von Betonbrücken in Deutschland; in: Beton- und Stahlbetonbau, Bd. 109, 2014, Nr. 2, S. 107–127. [6] Deutsches Institut für Bautechnik: Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung. Allgemeine Bauartgenehmigung Z-15.1-339, TOGE TSM BC SB reLast für die Querkraftverstärkung. September 2019. [7] Deutsches Institut für Bautechnik: Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung. Allgemeine Bauartgenehmigung Z-15.1-340, TOGE TSM BC SB reLast für die Durchstanzverstärkung. September 2019. [8] Lechner, J.; Fleischhacker, N.; Waltl, C.; Feix, J.: Zum Verbundverhalten von Betonschraubdübeln mit großem Durchmesser; in: Beton- und Stahlbetonbau, Bd. 112, 2017, Nr. 9, S. 589–600.

[9] Lechner, J.; Ein neues Verfahren zur nachträglichen Querkraftverstärkung von Stahlbetonbauteilen. Dissertation, Universität Innsbruck, 2017. [10] Lechner, J.; Feix, J.; Hertle, R.: Strengthening of a City Center Tunnel with Concrete Screw Anchors under Special Boundary Conditions; in: 20th Congress of IABSE, 2019, S. 1.493–1.502. [11] Lechner, J.; Feix, J.: First experiences with concrete screw-anchors as post-installed shear reinforcement in concrete bridges; in: Civil Engineering Design, Bd. 1, 2019, Nr. 1, S. 17–27. [12] Spiegl, M.; Walkner, R.; Axmann, H.; Pilch, E.; Schön, A.; Feix, J.: Betonschrauben als Durchstanzertüchtigung für statisch und zyklisch belastete Platten; in: Bauingenieur, Bd. 93, 2018, Nr. 7, S. 274–285. [13] Walkner, R.; Spiegl, M.; Feix, J.: Experimentelle Untersuchungen und Vorstellung eines Bemessungsansatzes zur Durchstanzverstärkung von Betonbauteilen mit Betonschrauben; in: Bauingenieur, Bd. 95, 2020, Nr.1, S. 26–36. [14] Feix, J.; Lechner, J.; Walkner, R.; Spiegl, M.: Betonschrauben als Querkraftverstärkung für dynamisch belastete Betonbauteile; in: 3. Grazer Betonkolloquium, 2016, S. 65–73. [15] Feix, J.; Wörle, P.; Gerhard, A.: Ein neuer Ansatz zur Steigerung der Durchstanztragfähigkeit bestehender Stahlbetonbauteile; in: Beton- und Stahlbetonbau, Bd. 87, 2012, Nr. 4, S. 149–155.

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SYMPOSIUM Historisches Wahrzeichen der Ingenieurbaukunst

Instandsetzung der König-Ludwig-Brücke in Kempten von Klement Anwander

»Lunch atop König Ludwig Brücke in Kempten 2018« © Hermann Rupp

Die 168 Jahre alte König-LudwigBrücke in Kempten wurde 2017– 2019 instand gesetzt. Ihre lange Geschichte steht für Technologietransfer, Anfänge der analytischen Tragwerksplanung, Bauen im Denkmalschutz, verschiedene Normengenerationen und hohe Anforderungen an Planung und Bau. Die zahlreichen Funktionen und Ereignisse, beginnend als Eisenbahnbrücke, dann als Straßenverkehrsbrücke dienend, über Sprengungen im Zweiten Weltkrieg und Notbehelfe bis hin zur Nutzung als Fußgängerbrücke reichend, haben immer neue Anforderungen an die Brücke herangetragen. Es grenzt an ein Wunder, dass sie nach fast 170 Jahren noch vorhanden ist. An ihr wird deutlich, dass ein robustes Bauwerk den Weg durch die Jahrhunderte findet, wenn sich die jeweiligen Beteiligten immer wieder aufs Neue mit dem Bauwerk identifizieren können.

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1 Einführung Die König-Ludwig-Brücke, die in Kempten in 30 m Höhe über die Iller führt, ist historisches Kulturgut. Die zwischen 1847 und 1851 gebaute und am 1. April 1852 eröffnete, dreifeldrige, 120 m lange und bis 1905 durch die Bahn genutzte Fachwerkstruktur ist die älteste Holz-Eisenbahnbrücke Europas, die noch weitgehend im Originalzustand erhalten ist. Seit 2012 trägt sie den von der Bundesingenieurkammer verliehenen Titel »Historisches Wahrzeichen der Ingenieurbaukunst in Deutschland« und befindet sich damit unter anderem in Gesellschaft mit dem Stuttgarter Fernsehturm, dem Flughafen Berlin-Tempelhof oder dem Alten Elbtunnel in Hamburg. Seit 2007 erhielten 22 Bauwerke in Deutschland diese Auszeichnung. 2 Wissenstransfer vor 170 Jahren Da in Bayern die Stahlproduktion bekanntlich nicht beheimatet und der »Import« teuer war, dominierte noch bis ca. 1860 der Werkstoff Holz den Brückenbau. Der Leiter der Eisenbahn-Kommission, August von Pauli, entschied sich bei der Illerüberquerung in Kempten für eine Fachwerkbrücke, mit der größere Spannweiten von über 50 m möglich waren. Seine Mitarbeiter, die Ingenieure

Carl Cullmann, der auf einer AmerikaExkursion diese Bauweise kennenlernte und mit nach Europa brachte, und Carl Ruhland studierten das Howe’sche Fachwerksystem intensiv und konnten das Trageverhalten rechnerisch wie praktisch weiter optimieren. Aufgrund dieser Analysen wurde die König-Ludwig-Brücke mit ihren Spannweiten von 37 m im West-, 54,80 m im Mittel- und 28,60 m im östlichen Teil entworfen, geplant und errichtet. 3 Zur Bauingenieurausbildung Das 19. Jahrhundert brachte in der Geschichte des Bauingenieurwesens eine Neuordnung der Ausbildung mit sich. Bis etwa 1830 waren Planer reine Mathematiker und Naturwissenschaftler, August von Pauli noch ein Schüler des berühmten Carl Friedrich Gauß. Erst langsam entwickelte sich eine eigenständige, akademische Ingenieurausbildung, die im Brückenbau nicht mehr auf Erfahrungswerte, sondern auf konkrete Berechnungen setzte. Die heutige Technische Universität München (TUM) hat ihre Wurzeln in der 1833 gegründeten Technischen Hochschule, die 1868 zur Polytechnischen Schule München wurde und ab 1877 und bis 1970 die Königlich Bayerische Technische Hochschule München war.

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Ansicht, Draufsicht und Regelquerung der Illerquerung © Konstruktionsgruppe Bauen AG

4 Geschichte der Brücke Die König-Ludwig-Brücke hat eine bewegte Geschichte. Schon 17 Jahre nach ihrer Eröffnung wurde sie 1879 zum ersten Mal verstärkt und ertüchtigt, um den deutlich schwerer gewordenen Lokomotiven standzuhalten. 1905 wurde sie als Eisenbahnbrücke außer Dienst gestellt und zu einer Straßenbrücke umgebaut. Die Königlich Bayerische Staatseisenbahn hatte für die Zu- und Abfahrt des Kemptener Kopfbahnhofes zwischen 1904 und 1906 die beiden direkt benachbarten Oberen Illerbrücken errichten lassen, die als die größten Stampfbetonbrücken der Welt ebenfalls besondere Zeugnisse der frühen Ingenieurbaukunst sind. Das Ensemble dieser drei Brücken ist bauhistorisch beeindruckend und einmalig. 1911 erwarb die Stadt Kempten die KönigLudwig-Brücke. Kurz vor Ende des Zweiten Weltkriegs, im April 1945, zerstörte die Wehrmacht durch Sprengung deren östliche Felder. Aber bereits im Juni desselben Jahres begann der Wiederaufbau. Ab 1970 floss der Verkehr, nachdem der Hauptbahnhof an den Stadtrand verlegt wurde, über die benachbarte Obere Illerbrücke II, die König-Ludwig-Brücke wurde gesperrt. 1986–1987 erfolgte ihr Umbau zur Geh- und Radwegquerung. Damals wurde die Fahrbahnbreite von zwei Brückenträgern auf einen Träger reduziert und auch die Verkleidung, als Schutz gegen Wind und Wetter, wurde entfernt, um die ursprüngliche Form sichtbar zu machen. Die damalige DIN 68800 erlaubte eine solche Ausführung, mit Verkleidung wäre die Windlast zu groß geworden.

Bereits Ende der 1970er Jahre übertrug die Stadt Kempten der ortsansässigen Konstruktionsgruppe Bauen den Auftrag zur Bauwerksprüfung nach DIN 1076. Auch für den Umbau 1986–1987 trug das Kemptener Ingenieurbüro die Verantwortung. Als Ende 2011 die Überprüfung auf Gebrauchstauglichkeit, Standsicherheit, Dauerhaftigkeit und Tragfähigkeit nur noch die ungenügende Zustandsnote 3,5 ergab, wurde der Illerübergang bald darauf für den Fußgänger- und Fahrradverkehr gesperrt. Im August 2015 entschied der Stadtrat, das Denkmal grundlegend für Fußgänger und Radfahrer zu sanieren und dieses außergewöhnliche Bauwerk somit zu erhalten.

Feldwerkstatt in unmittelbarer Nähe © Eva Bartussek

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SYMPOSIUM 5 Zu Beginn eine OSA Um eine Entscheidung für das weitere Vorgehen treffen zu können, erfolgte zunächst eine Objektbezogene Schadensanalyse (OSA), bei der verschiedene Verfahren zum Einsatz kamen. Die Kemptener Ingenieure haben unter anderem eine Ausbildung zu Industriekletterern absolviert, um über Seile und Sicherungen die Schäden möglichst direkt zu erfassen. Neben der visuellen, handnahen Begutachtung wurden an bestimmten Stellen auch Feuchte- und Bohrwiderstandsmessungen sowie Impulstomographien und Schadstoffanalysen durchgeführt. Die größten Schäden, verursacht vor allem durch den Verwitterungsprozess, wurden an den Schwellen der Howe’schen Träger und an den Auflagerbzw. Lasteinleitungsbereichen festgestellt. Die im Laufe der Jahre ermittelten Schadensdaten und die aktuellen Ergebnisse aus der OSA wurden systematisch dokumentiert, kartiert und in einer Datenbank als Web-Interface abgelegt. Im nächsten Schritt wurde ein 3-D-Modell erstellt, mit dem die Auswirkungen der Schäden auf Baugruppen bzw. auf das gesamte Tragwerk simuliert werden konnten. Aus diesen Erkenntnissen wurde das konkrete Instandsetzungskonzept für das Gesamttragwerk abgeleitet. Mit Hilfe umfangreicher Tragwerksberechnungen ließen sich die zu ersetzenden Bauteile bestimmen. Dadurch, dass alle beteiligten Planer über das Web-Interface Zugriff auf die Daten hatten, war es möglich, im Laufe der langen Projektbearbeitungszeit sämtliche Schädigungskategorien und aktuelle Bewertungen einzupflegen. 6 Verkleidung-Test im Windkanal Ein besonderes Problem stellte die Windlast dar, für die eine Lösung gefunden werden musste. Bei einer geschlossenen, neuen Verkleidung zum Schutz der Brücke wäre die Lagesicherheit nicht gewährleistet gewesen. Als Lösung wurde eine windabtreibende Lamellenverschalung entwickelt, deren Effektivität über Versuche im Windkanal nachgewiesen werden konnte. Die Lamellen, die einen nahezu uneingeschränkten Blick auf das einzigartige Tragwerk zulassen, übernehmen in Zukunft auch den Witterungsschutz für das Holz. 7 Finanzierung und Genehmigungen Bis es im September 2017 zum Aushub der drei Brückenteile und zu ihrer Instandsetzung in einer nahe gelegenen »Feldwerkstatt« kam, waren viele rechtliche und organisatorische Themen zu bewältigen. Zunächst wurden ab 2015 Förderanträge zur Finanzierung gestellt.

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Lamellenverschalung aus Lärchenholz © Konstruktionsgruppe Bauen AG

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Schalung: Ansicht und Querschnitt © Konstruktionsgruppe Bauen AG

9 10 Windverband am Pfeiler © Konstruktionsgruppe Bauen AG

SYMPOSIUM Die größte Fördersumme stammt aus dem »Bundesprogramm Nationale Projekte des Städtebaus«, das von den gesamten Projektaufwendungen in Höhe von 5,20 Mio. € den stolzen Teil von 2,20 Mio. € übernahm. Weitere Fördergeber, die die Stadt Kempten als Bauherr gewinnen konnte, waren die Bayerische Landesstiftung, das Bayerische Landesamt für Denkmalpflege, der »Entschädigungsfond« und der Bezirk Schwaben. Außerdem galt es wasser- und naturschutzrechtliche Genehmigungen einzuholen. Kritisch war zunächst die denkmalschutzrechtliche Erlaubnis, da die Behörde zu Beginn der Ausschreibungsphase noch eine Instandsetzung vor Ort verlangt hatte. Bautechnisch und wirtschaftlich betrachtet, hätte dies wesentlich höhere Kosten verursacht als das finale Aushubkonzept. Daher stimmte das Bayerische Landesamt für Denkmalpflege dem Ausheben und der »externen Instandsetzung« zu.

11 12 Einhub von Seiten- und Mittelfeld © Eva Bartussek/Hermann Rupp

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13 Erneuerte Elemente wieder in alter Position © Eva Bartussek

8 Aushub, Umbau und Retoure Der Aushub durch den Generalunternehmer aus Memmingen erfolgte planmäßig zwischen 5. und 7. September 2017. Die benachbarte Stampfbeton-Südbrücke, einer der mit ca. 30.000 Kfz/d meistbefahrenen Verkehrswege der Stadt, war bereits einige Tage zuvor für Vorbereitungen gesperrt worden. Zwei Schwerlastkräne mit 750 t bzw. 700 t maximaler Traglast wurden von Teams einer Spezialkranfirma aus München in Position gebracht, um die drei Brückenteile, pro Tag eines, sicher an den Haken zu nehmen und auf der Südbrücke dann auf bereitstehende Fahrzeuge zu verladen.

15 Festbeleuchtung bei der Einweihung © Eva Bartussek

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14 Blick ins Innere der instandgesetzten Brücke © Konstruktionsgruppe Bauen AG

SYMPOSIUM

Die Tragfähigkeit der Südbrücke war im Vorfeld einer detaillierten Bauwerksprüfung und -berechnung zur Bestimmung der Festigkeit und Tragfähigkeit unterzogen worden. Bis zum Juli 2018 erfolgten dann in einer Feldwerkstatt alle Instandsetzungsarbeiten: Reparaturen, Verstärkungen, Holzaustausch; 14 t zusätzliches bzw. auszutauschendes Material waren erforderlich. Im Vergleich zur Aushublast von insgesamt 126 t betrug die Einhublast des Mittelteils im Juli 2018 dann 140 t. Der Einhub bzw. die nicht weniger spektakuläre »Retoure« der drei Brückenteile wurde für den Zeitraum 10.–17. Juli 2018 terminiert – dieses Mal mit insgesamt vier Kränen mit 700 t, 750 t und 2 x 500 t maximaler Traglast auf der Südbrücke. Die erneute Sperrung der Südbrücke, 9.–20. Juli 2018, stellte nochmals einen massiven Eingriff in den Verkehr dar.

9 Stolz auf die »neue« Brücke Eine sehr aktive und ausführliche Berichterstattung der lokalen Tagespresse, der Allgäuer Zeitung, und die Informationen der Stadt Kempten über die sozialen Medien haben bei den Bürgerinnen und Bürgern für viel Verständnis und anhaltendes Interesse gesorgt. Die Kemptener sind stolz auf ihre historische Brücke, deshalb will die Stadt Kempten ein Ausstellungskonzept extra für interessierte Besucher erarbeiten. Und so sieht dieses Allgäuer Baudenkmal, das im Herbst 2018 als Geh- und Radwegbrücke eröffnet und dessen Gesamtfertigstellung im Frühjahr 2019 im Rahmen eines Festakts mit ca. 10.000 Bürgern gefeiert wurde, nun einer soliden und substantiell sicheren Zukunft entgegen. Autor: Dipl.-Ing. (FH) Klement Anwander Konstruktionsgruppe Bauen AG, Kempten

Bauherr Stadt Kempten Entwurf und Ausführungsplanung Konstruktionsgruppe Bauen AG, Kempten Bauüberwachung IBB Ingenieurbüro Böck, Memmingen Prüfingenieure Prof. Dr.-Ing. Stefan Winter, München Prof. Dr.-Ing. Detleff Schermer, München Bauausführung Josef Hebel GmbH & Co. KG, Memmingen Holzbau Buhmann GmbH & Co. KG, Weitnau Schmidbauer GmbH & Co. KG, Gräfelfing

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SYMPOSIUM Schwingungsprognose am Beispiel eines Brückentragwerks an der A 23 in Wien

Auswirkungen von Verkehrsschwingungen auf den erhärtenden Beton von Alois Vorwagner, Michael Kleiser, Marian Ralbovsky, Thomas Kozakow

Baumaßnahmen an Brücken im Bestandnetz nehmen einen immer höheren Anteil am Infrastrukturbauvolumen als Neubauten auf der »grünen Wiese« ein. Diese müssen in der Regel unter Aufrechterhaltung des Verkehrs durchgeführt werden. Der Maßnahmenumfang umfasst unter anderem geringfügige Erneuerungen von Randkappen samt Kragplattenenden, kann jedoch auch Verbreiterungen für weitere Fahrstreifen zur Kapazitätserweiterung bis hin zu gänzlichen Neuerrichtungen von Stahlbetontragwerken in halbseitiger Bauweise beinhalten (Bild 1). Das Anbetonieren an Bauteile, die durch laufenden Verkehr dynamisch beansprucht werden, ist in solchen Fällen unvermeidbar und wirft in regelmäßigen Abständen die Frage des Einflusses auf den Erhärtungsprozess als auch auf die Verbundeigenschaften in der Fuge und der Anschlussbewehrung auf. Insbesondere durch den Umstand, dass dynamische Einwirkungen auf den erhärtenden Beton umfangreiche Konsequenzen auf den Bauablauf haben können, ist ein frühzeitiges Wissen der Kritikalität schon in der Ausschreibungsphase von hoher Wichtigkeit. Am Beispiel der neuen Bendabrücke im Zuge der A 23 »Hochstraße Inzersdorf« wird diese Fragestellung erörtert und werden Abschätzungsmethoden für allgemeine Betrachtungen abgeleitet.

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Bauen im Bestand mit unterschiedlichen Verkehrs- und Betonierphasen © ASFiNAG

Schwingungseinwirkung auf den erhärtenden Beton Der Effekt von Vibrationen auf den erhärtenden Beton ist schon lange bekannt. In der Frühphase der Erhärtung wirken sich Schwingungen positiv auf die Materialverdichtung und somit auf die erzielbare Festigkeit aus. Ab einem kritischen Aushärtungsgrad des Zementgefüges können aber intensive Schwingungen das Gefüge und damit die Verbindungen des Zementleims nachhaltig stören, womit die Betoneigenschaften wie Dichtheit oder Festigkeit abnehmen. In der Baudynamik hat sich die Schwinggeschwindigkeit als eine charakterisierende Größe vor allem im Erschütterungsschutz etabliert. Die Empfehlungen für dessen Grenzwert wurden von vielen Autoren untersucht und sind sehr uneinheitlich. Zur detaillierten Diskussion bezüglich des Grenzwertes wird auf [1] verwiesen. Für die folgenden Betrachtungen wurde als Kompromiss ein Grenzwert von 20 mm/s herangezogen.

Brückentragwerk Hochstraße Inzersdorf Rund 145.000 Kfz/d benützen die A 23 Südost-Tangente als kürzeste, jedoch meistbefahrene Autobahn Österreichs. Die Brückenkonstruktion der Hochstraße Inzersdorf befindet sich am Südende der A 23 und wurde in den Jahren 1968–1970 als Firmenalternative errichtet. Aufgrund von massiven Schäden wurde in den Jahren 2015–2018 die sechsstreifige Brücke unter der Grundvoraussetzung der Aufrechterhaltung sämtlicher Fahrstreifen und Relationen rück- und neugebaut (Bild 2). Der Neubau speziell der Bendabrücke als Plattentragwerke mit einer Regelspannweite von 19,50 m und einer Plattendicke von 90 cm erfolgte mit Hilfe einer provisorischen Verbreiterung in Etappen, wobei der Anschluss der Fahrbahnplatte in der zweiten Etappe unter aufrechtem Verkehr betoniert werden musste (Bild 4).

SYMPOSIUM

Da die tatsächlich auftretende maximale Schwinggeschwindigkeit vorab nicht ermittelt werden konnte, wurde zur Schwingungsreduktion eine Unterstellung entlang der Arbeitsfuge ausgeschrieben. Daraus entwickelte sich ein Forschungsprojekt der ASFiNAG, um während der Bauphase die verkehrsinduzierten Schwingungen zu evaluieren mit dem Ziel, den genannten Grenzwert einzuhalten und somit die Unterstellungen einzusparen [1] [2] [6]. Im Anschluss daran wurde eine Parameterstudie durchgeführt, welche die Einflussfaktoren auf das Schwingverhalten einer Brücke untersucht und eine Schwingungsprognose für allgemeine Platten- und Plattenbalkentragwerke schon in der Planungsphase ermöglicht. 3 Dynamische Interaktion Zur Ermittlung der Schwinggeschwindigkeiten wurden einerseits Messungen in der ersten Etappe am Tragwerk durchgeführt und andererseits das Tragwerk als Finite-Elemente-(FE-)Modell dargestellt. Mit gezielten Verkehrsüberfahrten am Bauwerk mit dem AIT- Messfahrzeug RoadStar® unter bekannten Achslasten wurde das Berechnungsmodell an die Messergebnisse kalibriert. Das FE-Modell wurde mit zahlreichen Überfahrtsvarianten aus einem Mehrkörpermodell eines Lkw-Modells belastet, um die dynamische Interaktion bestmöglich im Vorfeld zu erfassen. Um auch den Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit der Fahrbahn im Modell optimal abzubilden, wurde diese während der Überfahrt mit dem Messfahrzeug gescannt, die Daten in das Modell implementiert und somit die gemessene Fahrbahnunebenheit berücksichtigt.

Übersicht des betrachteten Bauabschnittes im Bauzustand © Aus [1]/ASFINAG

Querschnitt des neuen Tragwerks der Bendabrücke © ASFiNAG

Die Ergebnisse zeigten erwartungsgemäß, dass die Durchbiegungen und Dehnungen des untersuchten Tragwerks hauptsächlich durch die Fahrzeugmasse beeinflusst werden, während die dynamischen Schwinggeschwindigkeiten primär vom Straßenprofiltyp, der Profiltiefe sowie von der Fahrgeschwindigkeit und der Wahl der Fahrspur (Mitte oder Rand) abhängig sind. Im Zuge der Dauermessungen wurde erkannt, dass die Einzelüberfahrten nachts die größeren Schwinggeschwindigkeiten als der Mischverkehr tagsüber lieferten. Durchführung und

Ergebnisse sind umfassend in [1] und [6] beschrieben. Auch die Wirkungsweise einer Tragwerksunterstellung zur vorgesehenen Schwingungsminimierung wurde in Varianten untersucht. Dabei zeigte sich, dass sich eine Unterstellung generell schwingungsmindernd auswirkt, die Wirksamkeit wiederum aber stark vom Straßenprofil und von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängig ist. Gestützt auf diese Ergebnisse, konnte die Unterstellung schlussendlich eingespart und ein Konzept mit angepasster Verkehrsführung umgesetzt werden [1] [2].

Etappenweise Herstellung der neuen Bendabrücke und kritische Arbeitsfuge © ASFiNAG

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SYMPOSIUM

Berechnete maximale Geschwindigkeiten vmax der 181.440 Konfigurationen der Plattenbrücken © ASFiNAG

Abschätzung der Schwinggeschwindigkeit als Planungswerkzeug Um eine Einschätzung der verkehrsinduzierten Schwingungen schon in der Planungsphase zu ermöglichen, wurden verschiedenste Überfahrtskombinationen im Zuge von Großrechenserien anhand von zwei Brückengrundtypen, einer Platten- und Plattenbalkenbrücke, durchgeführt. Mit dem am AIT entwickelten parametrisierten FEM-Solver konnten die dynamischen Einzelüberfahrten eines 45-t-Lkw-Mehrkörpermodells (Vierachser) am Hochleistungssimulationsrechner simuliert werden. In Summe wurden dabei für 574.000 unterschiedliche Kombinationen von Brückenabmessungen die Fahrbahn- und Überfahrtseigenschaften berechnet und die Auswirkungen auf die auftretende maximale Schwinggeschwindigkeit vmax ausgewertet. Die variierten Parameter waren: – Überfahrtsparameter: – Straßenprofilklassen A+, A und B nach [5] sowie lokale Unstetigkeitsstellen – Überfahrtsgeschwindigkeit: vcar (30–100 km/h) – Spurführung: Brückenrand und -mitte – Tragwerkspezifische Parameter: – Spannweite L, Breite B – Schlankheit als Verhältnis zur Tragwerkshöhe H: L/H – Statisches System Einfeld / Mehrfeld – Kreuzungswinkel 75° oder 90° – Trägersteifigkeiten wie Trägerschlankheit, Anzahl, Abstände sowie Zustand (gerissen oder ungerissen)

Errechnete maximale Geschwindigkeiten vmax der 393.024 Konfigurationen der Plattenbalkenbrücken © ASFiNAG

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Die Ergebnisse der Großrechenserie sind als Histogramme in Bild 5 für die Plattenbrücke und in Bild 6 für den Plattenbalken dargestellt. Bei der Plattenbrücke wurde der Wert von 20 mm/s in 31,80 % der Berechnungen überschritten, bei der Plattenbrücke waren dies nur 5,30 % der Berechnungen, was jedoch darauf zurückzuführen ist, dass die Platte im Modell nicht enthalten ist und durch einen Überhöhungsfaktor noch zusätzlich berücksichtigt werden muss. Gesetzmäßigkeiten und Zusammenhänge konnten nur als Tendenzen gefunden werden, womit die Ermittlung von analytisch ableitbaren Abschätzungsformeln erschwert wurde. Zur Lösung dieses Problems wurde auf die Metamodell-Technik zurückgegriffen. Damit lassen sich zum einen die Ergebnisse besser interpretieren und zum andern Einflüsse besser erheben und schlussendlich eine Abschätzungsformel für die Planung von Bauphasen ermitteln. Metamodelle dienen, mathematisch ausgedrückt, dem Zweck, die Beziehung von mehreren Eingangsvariablen zu einer oder mehreren Ergebnisvariablen zu approximieren. Sie beruhen nicht auf physikalischen Gesetzen, sondern auf mathematischen Modellen, die Eingangsparametern in einem vorgegebenen Wertebereich die gleichen Ergebnisse wie das physikalische Modell zuordnen.

Konkret wurden die im FEM- Ergebnisdatensatz der Großrechenserien (Eingangsvariablen) vorhandenen Antwortvariablen für die Metamodelle angepasst, welche auf einfachen Brückenparametern basieren. Metamodelle ersetzen somit die mechanisch-physikalischen Modelle in definierten Eingangs-parameterbereichen. In diesem Fall dient als Anpassung ein Polynomansatz, welcher durch multivariable Regressionsanalyse bestmöglich gefittet wird. Dabei wurden die Koeffizienten ci des gewählten Polynoms ermittelt, welche auf die Parameter L = Länge, B = Brückenbreite, Vcar = Überfahrtsgeschwindigkeit, SL = Schlankheit Bezug nehmen. Eine Unterteilung auf mehrere Gruppen entsprechend dem statischen System (Ein-, Mehrfeld), der Fahrbahnrauigkeit (Klassen nach ISO 8606 [5]) und Position der Überfahrt (Mitte oder Rand) verbesserte die Ergebnisse zusätzlich. Für jede Gruppe wird ein eigenes Set an Koeffizienten ci ermittelt, anhand dessen die maximale Schwinggeschwindigkeit vmax,assess entsprechend Gleichung 1 einfach abgeschätzt werden kann. Ein Korrekturterm k ermöglicht generell eine bessere Anpassung der Abschätzungsformeln an die Berechnungsergebnisse. vmax,assess = k ∙ (c0 + c1,L ∙ L + c2,B ∙ B + c3,v ∙ vcar + c4,SL ∙ SL ) Gl 1 Die Methodik sowie die gefundenen Anpassungsformeln sind umfassend in [4] beschrieben und dort zusammen mit den entsprechenden Koeffizienten dargestellt.

SYMPOSIUM

VORANKÜNDIGUNG

zum Symposium BRÜCKEN IN DER STADT

Tagungsort und Tagungsdatum: Mannheim 2020

Mit BRÜCKEN IN DER STADT wollen wir viele Anfragen insbesondere aus Städten und Kommunen beantworten, wann die nächste Veranstaltung vorgesehen ist, die nicht nur Geh- und Radwegbrücken thematisiert, sondern auch größere Bauwerke in den Innenstädten. 2020 werden wir, und zwar in Mannheim, dieses Thema aufgreifen und nicht nur große Querungen über Gleisanlagen oder innerstädtische Brückenzüge und Überführungen vorstellen, sondern natürlich ebenso Geh- und Radwegbrücken. Am Beispiel zweier großer Wettbewerbe werden zudem herausragende Vorschläge internationaler Planungsbüros und Architekten präsentiert. Und da für die Akzeptanz bei der Bevölkerung Voraussetzung ist, dass die Beleuchtung, dem Anlass entsprechend, ausreichend und harmonisch gestaltet ist, kommt ihrer Konzeption genau wie der des Lärmschutzes eine hohe Bedeutung zu. Viele Vorschläge liegen uns bereits vor, weitere erwarten wir gerne. Wir freuen uns, wenn Sie sich dafür interessieren.

VERLAGSGRUPPE W I E D E R Smit MixedMedia P A Konzepts HN

Biebricher Allee 11 b 65187 Wiesbaden Tel.: +49/611/98 12 920 Fax: +49/611/80 12 52 kontakt@verlagsgruppewiederspahn.de www.verlagsgruppewiederspahn.de www.mixedmedia-konzepts.de www.symposium-brueckenbau.de 1/2 . 2020 | BRÜCKENBAU

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SYMPOSIUM

Abmessungen des Anwendungsbeispiels: Plattenbrücke mit L = 19,50 m, H = 0,90 m und B = 20,70 m © ASFiNAG

5 Anwendungsbeispiel Um die Vorgangsweise der möglichen Abschätzung in der Vorplanung zu illustrieren, wird die Bendabrücke der A 23 hier als Anwendungsbeispiel (Bild 7) präsentiert. Für dieses Tragwerk liegen ebenso die Messdaten der Schwinggeschwindigkeiten während der Bauphase wie detaillierte Ergebnisse vor. Die Eingangsparameter in Gleichung 1 sind: Plattenbrücke mit einer Regelspannweite von L = 19,50 m, eine Plattendicke von H = 0,90 m, ergo eine Schlankheit SL = 21,60. Die Brückenbreite B = 20,70 m ist damit größer, als in der Großrechenserie mit Bmax = 16,00 m durchgeführt wurde. Als Straßenprofil wird als Klasse Typ A entsprechend [5] gewählt, um die im Bauzustand lokalen Unebenheiten ebenfalls abzudecken.

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Ergebnis der Abschätzungsformel der Schwinggeschwindigkeit als Einfluss der Verkehrsführung © ASFiNAG

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Unterschieden werden kann nun, ob die Brücke in der Mitte oder am Rand überfahren wird, ebenso wurde die Fahrzeuggeschwindigkeit vcar zwischen 30 km/h und 100 km/h schrittweise variiert. Die Koeffizienten c0–c4 wurden entsprechend den zugehörigen Gruppen nach [4] erhoben und mit Gleichung 1 die Schwinggeschwindigkeit vmax,assess abgeschätzt: vmax,assess = k ∙ (c0 + c2,L ∙ 19,5 + c2,B ∙ 16,00 + c3,v ∙ 16,66 + c4,SL ∙ 21,66 )

Messwert Vmax mess = 13,33 mm/s nach [6] © ASFiNAG

Der gemessene Wert von vmax mess = 13,30 mm/s stimmt sehr gut mit der abgeschätzten Schwinggeschwindigkeit bei Einzelüberfahrt am Rand mit vcar = 65 km/h überein. Bei einer Überfahrt in Brückenlängsmitte würde dieser Wert bei gleicher Geschwindigkeit auf vmax, assess = 7 mm/s nahezu halbiert werden. Der Einfluss der Überfahrtsgeschwindigkeit sowie das Zeitsignal des Messwerts sind in Bild 8 dargestellt.

SYMPOSIUM

Zusammenfassung und Schlussfolgerungen In einem Forschungsprojekt im Zuge des Neubaus der Bendabrücke in Wien wurden die maßgeblichen Schwinggeschwindigkeiten evaluiert und, darauf aufbauend, Einflussfaktoren auf die Schwinggeschwindigkeit bei Verkehrsüberfahrten mittels einer Parameterstudie untersucht, um kritische dynamische Einwirkungen auf die Betonerhärtung auszuschließen. Es wurden neben einer detaillierten Tragwerksanalyse Großrechenserien durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass erwartungsgemäß Mehrfeldtragwerke weniger anfällig sind als einfeldrige, was im Zuge der Großrechenserie bestätigt wurde. Ebenso nehmen mit schlankeren Bauteilen oder höheren Überfahrtsgeschwindigkeiten die Schwingungen zu. Die Verkehrsführung kann die Schwingungsbelastung verbessern, wenn das Tragwerk in der Mitte statt am Rand überfahren wird. Eine verbesserte Straßenrauigkeit, insbesondere in Spannweitenmitte, wirkt sich positiv auf die Schwingungsminderung aus, tendenziell wirkt auch die Überfahrtsgeschwindigkeit reduzierend. Mithilfe eines Metamodells ließen sich einfach anwendbare Abschätzungsformeln [4] mit einem linearen Polynomansatz und Korrekturfaktor für die Streubreite finden. Damit können Richtgrößen für auftretende Schwinggeschwindigkeiten für allgemeine Platten- und Plattenbalkentragwerke in der Planungsphase ermittelt und somit gezielte Maßnahmen zur Vermeidung kritischer Schwinggeschwindigkeiten ausgeschrieben werden.

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7 Danksagung Die vorgestellte Arbeit wurde mit finanzieller Unterstützung der ASFiNAG Bau Management GmbH durchgeführt. Die Autoren möchten an dieser Stelle ihren Dank für die erfolgreiche Kooperation zum Ausdruck bringen. Autoren: Dipl.-Ing. Dr. Alois Vorwagner AIT Austrian Institute of Technology GmbH, Wien, Österreich Dipl.-Ing. Dr. Michael Kleiser ASFiNAG Bau Management GmbH, Wien, Österreich Dipl.-Ing. Dr. Marian Ralbovsky AIT Austrian Institute of Technology GmbH, Wien, Österreich Ing. Thomas Kozakow ASFiNAG Bau Management GmbH, Wien, Österreich

Literatur [1] Ralbovsky, R.; Vorwagner A.; Kleiser, M.; Kozakow,T.; Geier R.: Verkehrsschwingungen bei Betonierarbeiten auf bestehenden Straßenbrücken; in: Beton- und Stahlbetonbau (noch nicht erschienen). [2] Ralbovsky M., Vorwagner A., Kozakow T., Geier R.: Einflüsse auf die Amplitude verkehrsinduzierter Schwingungen bei Arbeiten auf Bestandbrücken; in: Tagungsband des 3. Brückenkolloquium »Beurteilung, Ertüchtigung und Instandsetzung von Brücken«, Wien, 2018, S. 499–505. (Publikation erscheint in der März 2020.) [3] Kozakow, T.: Abbruch und Neubau unter vollem Verkehr. Hochstraße Inzersdorf und Neilreichbrücke; in: Brückenbau, 9. Jg., 2017, Heft 1/2, S. 116–123. [4] Ralbovsky, R.; Vorwagner A.; Kleiser, M.; Kozakow, T.: Abschätzung von verkehrsinduzierten Schwingungen von Straßenbrücken vor anstehenden Bauarbeiten. Bildung eines Meta-Modells zur Erstabschätzung des Risikos einer negativen Beeinflussung auf den erhärtenden Beton beim Betonieren unter Verkehr, (eingereicht). [5 ISO/TC 108/SC 2: ISO 8608:2016 Mechanical Vibration, Road surface profiles. Reporting of measured data. [6] ASFiNAG Endbericht zum Forschungsprojekt »Untersuchung von Brückenschwingungen während der Bauzeit«. 31.05.2019, unveröffentlicht.

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SYMPOSIUM Belastungsversuche zur Verifikation des Tragverhaltens

Zweite Hinterrheinbrücke in Reichenau von Andreas Galmarini, Lorenz Schmid, Matthias Ludin, Andreas Wieser

Neue Zweite vor historischer Erster Hinterrheinbrücke © WaltGalmarini AG

Im Rahmen des Neubaus der Zweiten Hinterrheinbrücke in ReichenauTamins wurden vor der Eröffnung der einspurigen Bahnbrücke der Rhätischen Bahn (RhB) umfangreiche Belastungsversuche zur Verifikation des Tragverhaltens der Konstruktion und als Referenz für die Überwachung des Bauwerkverhaltens über die Lebensdauer durchgeführt. Die Versuche mit statischer und quasi-statischer Last zeigen eine gute Korrelation zwischen dem Finite-Elemente-(FE-)Berechnungsmodell und der Realität. Die Versuche wurden außerdem genutzt, um die Möglichkeiten von terrestrischem Laserscanning zu untersuchen und den traditionellen geodätischen Messmethoden gegenüberzustellen. Die Laserscanner lieferten Daten mit einer Genauigkeit wie die herkömmlichen Messmethoden und eröffnen durch die flächenhafte oder die temporalen Profilmessungen mit hoher zeitlicher Auflösung ein weites Feld an Anwendungsmöglichkeiten.

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1 Die Brücke Die Zweite Hinterrheinbrücke ist eine Bahnbrücke, welche ein Schmalspurgleis über den Hinterrhein und die Autobahn A 13 trägt. Sie befindet sich unmittelbar flussaufwärts der historischen, ebenfalls einspurigen Hinterrheinbrücke. Die Streckenkapazität wird mit der neuen Brücke verdoppelt und beseitigt einen betrieblichen Flaschenhals auf dem RhB-Netz. Zudem ermöglicht sie während eines Jahres, die bestehende Spur zu schließen, um die erste Hinterrheinbrücke zu sanieren. Das im November 2018 in Betrieb genommene Projekt geht auf einen offenen Entwurfswettbewerb aus dem Jahr 2015 zurück, den die Ingenieurgemeinschaft Cowi-WaltGalmarini mit den Architekten Dissing+Weitling und Hager Partner gewinnen konnte. Die generellen Aspekte des Entwurfs sind in [1] diskutiert. Die neue Stahlbrücke weist einen Trogquerschnitt mit beidseitig dickwandigen, luftdicht verschweißten Hohlkästen und einer halbversenkten orthotropen Fahrbahnplatte auf, welche Schotterbett, Gleis und Kabelkanäle trägt. Über den Flusspfeilern verkürzen vierstielige Quadropods die Spannweite des Trägers. Die Brücke quert die Nationalstraße A 13 im östlichen Endfeld unter einem Winkel von 27°. Eine V-Stütze parallel zur Straße begrenzt die Spannweite des Endfeldes und ermöglicht so einen über die ganze Brückenlänge konstanten Querschnitt.

Das östliche Widerlager verfügt neben den zwei Brückenlagern am rechtwinkligen Fahrbahnende über ein zusätzliches vorderes Brückenlager. Dadurch wird unter anderem die für die Bahn kritische Längsverwindung der Fahrbahn begrenzt und ein Verwindungssprung beim Fahrbahnübergang vermieden (Bild 2, 3). Durch die statisch unbestimmte Lagerung können die Lagerkräfte aus ständigen Lasten eingestellt werden. Sie wurden so gewählt, dass unter Gebrauchslasten keine Zugkräfte entstehen. Aus (Betriebs-)Sicherheitsüberlegungen wurden die Lager trotzdem mit einer Abhebesicherung ausgestattet. Zudem sind alle drei Lager mit einem Drucksensor ausgerüstet, so dass die Lagerkräfte kontrolliert und gegebenenfalls nachjustiert werden können. Flusspfeiler, V-Stützenfundament und die Widerlager sind aus Stahlbeton und mittels schwimmender Pfähle gegründet. Die Brücke ist am westlichen Ende in Längsrichtung gehalten. Die Flusspfeiler wurden genug weich ausgebildet, um Zwängungen aus Temperaturänderungen klein zu halten, aber dennoch steif genug, um die Durchbiegungen im Hauptfeld im zulässigen Rahmen zu halten.

SYMPOSIUM

Aufgrund der Bedeutung der Brücke im RhB-Netz und der ungewöhnlichen Lagerungssituation wurde entschieden, einen Belastungsversuch durchzuführen, um das Verhalten der Konstruktion, insbesondere das Kräftespiel in den Lagern, mittels Kraft- und Verformungsmessungen zu verifizieren. Damit wird auch eine solide Basis für die spätere Überwachung des Bauwerksverhaltens sowie für allfällige erforderliche Eingriffe bei unerwarteten Ereignissen geschaffen. Zusätzlich wurden dynamische Versuche zur Bestimmung der Eigenfrequenzen durchgeführt. Auf diese wird im Folgenden nicht weiter eingegangen. 2 Der Versuch 2.1 Statische Versuche Mit zwei aneinandergekoppelten Lokomotiven GE4/4 Typ II (50 t) wurden drei statische Versuche in drei verschiedenen Laststellungen durchgeführt. Dadurch konnte das Verhalten der Brücke im jeweils belasteten Feld, aber auch in benachbarten Feldern erfasst werden.

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Lagersituation östliches Brückenende: Widerlager S 1 und V-Stütze S 2 © WaltGalmarini AG

2.2 Quasi-statische Versuche Mit mehreren Überfahrten einer einzelnen Lokomotive konnte der Verlauf der Durchbiegungen im Überbau mit dem FE-Modell verglichen werden. Durch die sehr langsame Überfahrt (v < 1 m/s) ist die Messfrequenz der kontinuierlichen Kraft- und Verformungsmessung genügend groß, und der Einfluss dynamischer Effekte der Tragstruktur lässt sich vernachlässigen.

Drei statische Laststellungen (v.l.n.r.): Lokomotiven im End-, im Seiten- und im Hauptfeld © Jürg Huber

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3 Die Messtechnik 3.1 Einleitung Das Messkonzept der Ingenieurgemeinschaft Cowi-WaltGalmarini basierte auf Nivellement, Totalstation und Drucksensoren sowie einer Temperaturmessung. Das Institut für Geodäsie und Photogrammetrie (IGP) der ETH Zürich nutzte die Gelegenheit, um die Möglichkeiten von terrestrischem Laserscanning zu untersuchen und den traditionellen geodätischen Messmethoden, durchgeführt von Schneider Ingenieure, gegenüberzustellen.

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3.2 Nivellement Nivellementmessungen wurden verwendet, um für die drei statischen Laststellungen die vertikalen Verformungen an insgesamt 18 Messpunkten entlang dem Träger zu ermitteln. Diese Messungen sollen insbesondere als Vergleich zum FE-Modell, aber auch dem terrestrischen Laserscanner dienen. 3.3 Totalstationen Mit zwei Totalstationen und aufgeklebten Prismen wurden die horizontalen Auslenkungen oben an den beiden Betonpfeilern am Fluss (Pfeiler S 3 und S 4) für alle drei statischen Laststellungen gemessen. Während des quasi-statischen Versuchs haben die beiden Totalstationen die vertikalen Deformationen von je einem Punkt in Feldmitte (1 x südlicher, 1 x nördlicher Kastenträger) des Endfeldes über der A 13 kontinuierlich gemessen. Daraus wurden die Einflusslinien dieser beiden Punkte bestimmt.

Auswertung und Vergleich der Nivellementmessungen mit FE-Modell für statische Versuche © WaltGalmarini AG

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3.4 Druckmessungen in Brückenlagern Die drei Topflager am östlichen Widerlager sind mit integrierten Drucksensoren ausgerüstet. Diese wurden sowohl für die statischen als auch die quasi-statischen Versuche ausgelesen. 3.5 Temperaturmessung Temperaturänderungen des Brückenquerschnittes haben Verformungen zur Folge. Mit der Messung der Umgebungstemperatur konnten die temperaturabhängigen Effekte in den Verformungsresultaten zumindest teilweise herausgefiltert werden.

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3.6 Terrestrische Laserscanner Die statischen Versuche ließen genügend Zeit, um mit drei terrestrischen Laserscannern unterhalb von den drei belasteten Feldern eine flächenhafte Vermessung durchzuführen. Diese erfassten inkrementell die Oberfläche durch dreidimenionale Distanzmessung und generierten sogenannte Punktwolken. Durch paarweise Vergleiche der Punktwolken können die Deformationen mit wenigen Milimetern Genauigkeit bestimmt werden. Aufgrund der flächenhaften Information ist es möglich, neben der klassischen vertikalen Deformation des Trägers auch Trägerverwindung, Defektanalysen und Deformationen von Pfeilern, Stützen, Querträgern etc. abzuleiten. Für den quasi-statischen Versuch wurde lediglich ein Längsschnitt vermessen. In diesem Modus hat der Laser nicht flächenhaft, sondern Punkte in einer vertikalen Ebene vermessen. Dadurch liefert er Daten mit hoher zeitlicher Auflösung, was eine wertvolle Ergänzung für die Diskussion des Strukturverhaltens darstellt. Wesentlich ist dabei, die Scannerstandpunkte so zu wählen, dass sich eine günstige Messgeometrie ergibt.

4 Die Resultate 4.1 Vorbemerkung Nachfolgend werden nur die Änderungen gegenüber den Nullmessungen unter ständigen Lasten (ohne Bahnverkehrslasten) diskutiert. Die FE-Resultate stammen aus dem globalen Tragwerksmodell, welches aus einem Trägerrostmodell mit integrierter horizontaler Scheibe für die Tragwirkung der Fahrbahnplatte besteht. Im Rahmen der vorliegenden Publikation wird nicht weiter auf das FE-Modell eingegangen. 4.2 Statische Versuche Die Abbildungen 7 und 8 zeigen die graphische Auswertung der Nivellementmessungen. Die durchgezogenen Linien entsprechen den gemessenen Verformungen für den südlichen Träger und die strichlierten Linien den Verformungen des nördlichen Trägers. An den jeweiligen Messpunkten zeigen die diamantförmigen Punkte die erwarteten Verformungen aus dem FE-Modell. Abbildung 9 zeigt die Auswertung aus den flächenhaften Messungen des terrestrischen Laserscanners. Die Abweichungen gegenüber den nur punktuell verfügbaren Nivellementmessungen lagen im Rahmen der Messgenauigkeit der Scans (ca. ± 1 mm). Generell wurden die Verformungen im FE-Modell um ca. 7–20 % überschätzt. Dabei sind die Abweichungen direkt unter der Last am geringsten, während die Verformungen in den lastfernen Bereichen im Bauwerk schneller abklingen als im Modell. Während der statischen Versuche wurde die Pfeilerauslenkung am Kopf der Betonpfeiler gemessen. Für die Laststellung S3/S4 wurden signifikante Auslenkungen ≤ 9 mm erwartet und gemessen.

Die Messresultate der Totalstationen und terrestrischen Laserscanner stimmen sehr gut überein und liegen ca. 15 % tiefer als im FE-Modell. Die gemessenen Lagerdrücke in den drei Topflagern am östlichen Brückenwiderlager bestätigten die gute Übereinstimmung des Berechnungsmodells und der Realität. Insbesondere für die Laststellung S1/S2 liegen die gemessenen Drücke sehr nahe an den erwarteten Werten aus dem FE-Modell: Totallast identisch, Abweichung in der Lastverteilung zwischen den drei Lagern < ± 7 %. Für die Laststellungen mit den Lokomotiven in den weiter entfernten Feldern nimmt die Genauigkeit leicht ab. Folgende Einflüsse könnten zu Abweichungen der Messresultate und den Erwartungen aus dem FE-Modell geführt haben: – Steifigkeit der Betonpfeiler und deren Gründung, Modellungenauigkeit; – Steifigkeit der Brückenträger in Längsrichtung, Modellungenauigkeit; – versteifender Einfluss des Schotters auf die Brückenträger; – Temperaturgradient über den Querschnitt, nicht erfasste Größe während der Versuche; – Vereinfachung der Lasteingabe im Modell; – die FE-Methode weist in der Regel ein zu weiches Verhalten aus.

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4.3 Quasi-statische Versuche Die Abbildungen 10 und 11 zeigen exemplarisch die Auswertung der kontinuierlich gemessenen Durchbiegungen des südlichen Trägers in der Mitte des Endfeldes und der kontinuierlich gemessenen Lagerkräfte im vorderen der drei Brückenlager – siehe auch Abbildungen 2 und 3 – des Widerlagers für acht Lokomotivüberfahrten. Für beide Messgrößen sind auch die entsprechenden Werte aus dem FE-Modell dargestellt. Die Graphen entsprechen der Einflusslinie der gemessenen Punkte beziehungsweise der Brückenlager. Die Überfahrten sind in den Graphiken zeitlich normiert (Überfahrt Fahrbahnübergang zu Überfahrt Fahrbahnübergang), da die Lokomotive für verschiedene Überfahrten unterschiedliche Fahrtgeschwindigkeiten aufwies. Sie wurde manuell gesteuert und variiert deshalb auch innerhalb der Strecke leicht. Dieser Einfluss wurde in den Graphiken nicht berücksichtigt, und die einzelnen Einflusslinien sind abschnittsweise horizontal unterschiedlich verzerrt. So können die übergeordnete Form, die absoluten maximalen und minimalen Werte abschnittsweise verglichen werden.

10 11 Durchbiegungen in Feldmitte des südlichen Kastenträgers im Endfeld und Kraft im vorderen Lager für acht Überfahrten einer Lokomotive © WaltGalmarini AG

Da die mit größerer Unsicherheit behaftete horizontale Steifigkeit der Flusspfeiler einen kleineren Einfluss auf das Endfeld hat, durfte eine gute Korrelierung zwischen dem FE-Modell und den Messresultaten erwartet werden. Während einer Zugsüberfahrt haben sich die Umweltbedingungen ebenfalls nicht markant verändert. Das in Realität gegenüber

dem Modell leicht steifere Verhalten ist konsistent mit den statischen Versuchen. In Abbildung 10 ist ein einziger Querträger aus den Daten des terrestrischen Laserscanners ausgewertet. Die Daten lassen aber auch die Bestimmung der Einflusslinie jeglicher anderer Querträger innerhalb des Messbereichs zu (Bild 12).

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5 Das Fazit und ein Ausblick Aus den von der Ingenieurgemeinschaft Cowi-WaltGalmarini geplanten Versuchen konnten umfassende und zuverlässige Verformungs- und Kraftmessungen für statische Laststellungen und quasi-statische Lokomotivüberfahrten gewonnen werden. Die Messresultate korrelieren qualitativ und quantitativ gut mit dem FE-Modell, wobei dieses ein leicht weicheres Verhalten abbildet. Die bemessungsrelevanten Auswirkungen weichen maximal um ca. 10 % ab. Das Tragwerksmodell bildet sowohl das Verhalten im Bereich über der A13 mit asymmetrischer Lagerung als auch das symmetrische Verhalten über den Quadropods gut ab. Neben den konventionellen Messmethoden kann der Testeinsatz des terrestrischen Laserscanners der ETH Zürich als sehr erfolgreich beurteilt werden. Die Genauigkeit der Messmethode ist mit ± 1 mm mit dem Feinnivellement vergleichbar. Diese neue Methode eröffnet unzählige Möglichkeiten für die Vermessung von künftigen und bestehenden Brückenbauten und stellt somit eine vielversprechende Ergänzung bzw. Alternative zu herkömmlichen Messmethoden dar, zum Beispiel: – Aus flächenhaften Messungen können verschiedene differentielle Verformungen innerhalb der vermessenen Flächen und folglich Zusatzinformationen abgeleitet werden wie Fahrbahnverwindung, Verformungsprofil der Untersicht und somit daraus zum Beispiel der Einspanngrad der Querträger in den Längsträger. – Die temporalen Profilmessungen können zum Beispiel verwendet werden, um für Zugüberfahrten Einflusslinien von etlichen Punkten an der Untersicht zu erhalten. Dies kann bei Untersuchungen zur Ermüdungssicherheit von bestehenden Eisenbahnbrücken sehr interessant sein. – Nächtlicher Einsatz, um den Bahnbetrieb während des Tages nicht zu beeinträchtigen. Autoren: Dr. sc ETH Andreas Galmarini MSc. ETH Bau-Ing. Matthias Ludin WaltGalmarini AG Zürich, Schweiz Prof. Dr. Andreas Wieser MSc. ETH Geomatik-Ing. Lorenz Schmid Institut für Geodäsie und Photogrammetrie (IGP) ETH Zürich, Zürich, Schweiz

Bauherr Rhätische Bahn (RhB) AG, Chur, Schweiz Architekten Dissing+Weitling architecture, Kopenhagen, Dänemark (Architektur) Hager Partner AG, Zürich, Schweiz (Landschaftsarchitektur) Ingenieure Cowi UK, London, England WaltGalmarini AG, Zürich, Schweiz Vermessung Schneider Ingenieure AG, Chur, Schweiz (Versuch) Institut für Geodäsie und Photogrammetrie (IGP), ETH Zürich, Schweiz (Versuch) Donatsch + Partner AG, Landquart, Schweiz (Bauwerk) Dynamische Messungen ZC Ziegler Consultants AG, Zürich, Schweiz Prüfingenieur Prof. Dr. Peter Marti, Winkel, Schweiz

Literatur [1] Trojaborg, S., Schenk, M., Galmarini, A., Firth, I.: Zweite Hinterrheinbrücke in Reichenau. Ein Bauwerk im Dialog; in: Brückenbau, 11. Jg., H. 1/2, 2019, S. 78–82.

Bauausführung Arbeitsgemeinschaft: Schneider Stahlbau AG, Jona, Schweiz (Stahlbau) Jörimann Stahl AG, Bonaduz, Schweiz (Stahlbau) Toscano Stahlbau AG, Realta, Schweiz (Stahlbau) Hebag AG, Winterthur, Schweiz (Lager) Erni Bau AG, Flims, Schweiz (Baumeister)

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SYMPOSIUM Pilotprojekt Falkensteinbrücke

Brückeninspektion 4.0 von Peter Furtner, Albrecht Karlusch

Ingenieurbauwerke und damit Kunstbauten haben Anforderungen hinsichtlich Standsicherheit, Verkehrssicherheit und Dauerhaftigkeit zu erfüllen. Kunstbauten sind periodisch einer Inspektion zu unterziehen. Diesbezüglich gibt es in allen Industrieländern entsprechende Gesetze und Regelwerke, beispielsweise in Deutschland die DIN 1076 und die RI-EBW-Prüf und in Österreich die RVS-Reihe 13.03.XX und das Dokument »06.01.02 Instandhaltung, Instandhaltungsplan« der ÖBB Infrastruktur. Der vorliegende Beitrag präsentiert das Konzept und die Umsetzung eines Pilotprojekts zum Einsatz innovativer Technologien in der Inspektion von Bauwerken. Auf Basis von unbemannten Luftfahrzeugen, sogenannten UAVs oder »Drohnen«, und anderen Trägerplattformen sowie Technologien zu digitaler Bildverarbeitung, insbesondere Methoden der künstlichen Intelligenz, soll eine Unterstützung bei der Inspektion von Kunstbauten auf Dienstleistungsbasis ermöglicht werden. Ziel ist die Sicherstellung einer objektivierten und nachvollziehbaren Schadensdetektion unter Minimierung kostenintensiver Prozesse wie Fahrbahnund Gleissperren, Brückenuntersichtgeräten etc.

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1 Nutzen für Infrastrukturbetreiber 1.1 Allgemeines Im Zuge der Ausarbeitung eines Konzepts für ein Pilotprojekt wurden von den Projektbeteiligten grundsätzliche Überlegungen hinsichtlich eines Einsatzes von UAV für den Inspektionsprozess angestellt. Der erwartete Nutzen und die Vorteile dieser Technologie werden im Folgenden kurz zusammengefasst. 1.2 Nutzen und Vorteile Datenerfassung: – rasche, sichere, und vollständige Aufnahme von Objekten; – effiziente Inspektion von schwer zugänglichen Bauwerken, zum Beispiel große Talbrücken; – keine oder nur minimale Betriebseinschränkungen während der Inspektion, zumindest wenn auf Befliegung direkt über der Verkehrsfläche verzichtet wird; – bei der Notwendigkeit von Betriebseinschränkungen lassen sich diese durch die Zeiteinsparung deutlich verkürzen; – flächendeckende Erfassung und exakte Verortung von Bauwerkszustandsdaten. Datenauswertung: – automationsgestützte, objektivierte und nachvollziehbare Klassifizierung von Bauwerksschäden; – ortsunabhängige augenscheinliche Bewertung des Bauwerkszustands durch Expertin oder Experten auf Basis der Befliegungsdaten; – Georeferenzierung der erfassten Daten und positionsbezogene Auswertungsmöglichkeiten über zeitliche Veränderung von Schadstellen, Anomalien etc.; – sicheres und teilautomatisiertes Erkennen und Quantifizieren von Zustandsveränderungen und Schäden durch periodische Bauwerksprüfung; – objektive und wiederholbare Detektion von Schäden.

Datenvisualisierung und Dokumentation: – Arbeitsgrundlage für Bauherren, unabhängige Prüfingenieure und Anlagenbuchhaltung; – softwareunabhängige Web-GIS-Darstellung und BIM-Datenlieferung; – strukturierte Archivierungs- und Abfragemöglichkeiten von Bauwerksbestands- und -zustandsdaten; – Schnittstelle für die Integration von Planungsdaten; – Verwendung der dreidimensionalen Bauwerksdarstellung als Planungsgrundlage für erforderliche Sanierungs-/Instandsetzungsmaßnahmen; – einfache Erstellung von genauen Bestandsplänen aus den Ergebnissen; – uneingeschränkter bzw. vom Auftraggeber definierbarer Nutzerkreis; – Datenerstellung als Grundlage für Lifecycle-Management. 1.3 Innovation und Weiterentwicklung Datenakquisition: Durch optische und multispektrale Sensoren erfolgt die Aufnahme von Bauwerken mit keiner oder nur minimaler Beeinflussung der laufenden Nutzung. Mittels photogrammetrischer Methoden werden die erhaltenen Bildinformationen zu einer dreidimensionalen digitalen Abbildung des Bauwerks zusammengefügt. Das dreidimensionale Modell stellt die Grundlage für weitergehende Planungsaufgaben dar. Datenauswertung: Bildbearbeitungs- und -analysetools werden dazu genutzt, Informationen zum Bauwerkszustand automatisiert zu ermitteln. Neben optisch feststellbaren Bauwerksschäden, zum Beispiel Verfärbungen, Rissen, geometrischen Anomalien, die Rückschlüsse auf Wassereintritte, Moosbewuchs, Betonabplatzungen, Sulfattreiben etc. erlauben, können mittels multispektral erfasster Informationen auch physikalische Materialzustandsdaten ausgewertet und interpretiert werden.

SYMPOSIUM

Datenvisualisierung und -management: Das dem Kunden über ein Web-Tool, das heißt, ohne Spezialsoftware zugängliche Endprodukt kann als Modul in bestehende Bauwerksmanagement-Datenbanken von Infrastrukturbetreibern über Verlinkung eingebunden oder stand-alone verwendet werden. Das WebGIS ermöglicht auf der Startseite die Wahl des interessierenden Bauwerks analog den Funktionalitäten von Google Maps. Erfasste bzw. automatisiert ermittelte Informationen wie beispielsweise Fotos und Schadstellen können durch Filterfunktionen (Zeitfilter, Layer) oder durch Klick auf die entsprechende Position auf dem 3-D-Objekt aus der dahinterliegenden Datenbank abgefragt und durch die Expertin oder den Experten bewertet, kommentiert, kategorisiert, also getagt werden. Die entsprechende Information wird ebenfalls in der dahinterliegenden Datenbank abgelegt und ist in weiterer Folge mittels der Filterfunktionen strukturiert abrufbar. 2 Ziele für ein Pilotprojekt 2.1 Allgemeines Im Zuge eines gemeinsamen Forschungsprojektes mit den ÖBB wurde ein Pilotprojekt durchgeführt. Dessen Hauptziel ist, die Evaluierung anhand eines realen Brückenbauwerks, der Falkensteinbrücke, zu testen, inwieweit der Inspektionsprozess bei den ÖBB durch den Einsatz von UAVs unterstützt werden kann. Für das Pilotprojekt wurde eine Reihe von Zielen und Anforderungen definiert.

2.2 Rechtliche und organisatorische Rahmenbedingungen Bei der Vorbereitung und Umsetzung des Projekts ist unter anderem Folgendes zu berücksichtigen: – gesetzliche Rahmenbedingungen für Drohnen, Vorgaben der Austro Control in Österreich; – generelle Flugerlaubnis, regionale Einschränkungen, Anforderungen an die Drohne, Vorgaben der Austro Control; – Flugerlaubnis im Bereich von ÖBBObjekten; – Anlagenverantwortung, Zusammenwirken mit dem Anlagenverantwortlichen; – Versicherungen und Haftungen; – Übernahme der Ergebnisse in die ÖBB; – technische Normen, Richtlinien und Regelwerke zur Bauwerksprüfung. 2.3 Technische Projektziele Visuelle Inspektion und Schadensdokumentation: – Inspektion von Bereichen, die schwer zugänglich sind: nicht in BCR-Reichweite, nicht mit sonstigen Hilfsmitteln einfach erreichbar; – Inspektion von Bereichen, welche mittels BCR zugänglich sind; – Inspektion von Bereichen, welche vom Boden aus einfach erreichbar sind; – Passpunktmessungen. Dokumentation und Verortung: – Fotodokumentation von Rissen und sonstigen Schäden; – Erstellung eines fotorealistischen Abwicklungsplanes; – nachvollziehbare Verortung von Schäden am Objekt; – Befüllen des ÖBB-Inspektionsblattes; – Befüllen der ÖBB-Datenbank mittels MAZE-Eingabe. Feststellung der Grenzen und Einschränkungen des Drohneneinsatzes: – durch Befliegung nicht erreichbare und inspizierbare Bereiche; – Abklopfen; – Lagerfunktionsprüfung; – sonstige Einschränkungen.

Messtechnische Untersuchung mittels Drohnen: – Rissbreitenmessung; – Feuchtebestimmung; – Chloridgehaltbestimmung; – Abplatzungen und Hohlstellen. 3-D- Modellierung und Visualisierung: – Erstellung eines 3-D-Modells aus der Befliegung; – Verortung und Visualisierung am 3-D-Modell; – nachhaltige Dokumentation. 2.4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Dazu gehören folgende Parameter: – Kostenvergleich; – Personalbedarf; – Zeitbedarf; – vermiedene Kosten, zum Beispiel Nichtverfügbarkeitskosten durch Gleissperren; – Lifecycle-Management.

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3 Technik und Methoden 3.1 Die Drohne Als zentrale Trägerplattform kommt ein State-of-the-Art-Multikopter zum Einsatz. Die Auswahl des Fluggeräts (Payload) erfolgt auf Basis der gewählten OnBoard-Sensorik, das heißt der Kameras. Die Flugsteuerung der Drohne erfolgt (semi)automatisch bzw. situationsabhängig manuell. Die Einhaltung der Trajektorie entsprechend dem Flugplan wird primär durch den Einsatz von GPS-RTK sowie Abstandssensoren gewährleistet. 3.2 Flugplanung und Befliegung Um ein genaues 3-D-Modell auf Basis von Fotos zu erstellen, ist es erforderlich, Fotos zu erhalten, die so viel Informationen wie möglich aufweisen. Aus diesem Grund spielt eine genaue Flugplanung eine Schlüsselrolle. 3.3 Sensorik Zentraler On-Board-Sensor der Drohne ist eine Systemkamera mit hoher Auflösung zur Aufnahme im RGB-Bereich. Das Objektiv mit fixer Brennweite und möglichst hoher Lichtstärke wird vor und nach dem Einsatz kalibriert. Die RGB-Kamera bildet alles ab, was auch das menschliche Auge sieht.

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3.4 Bildbearbeitungsund Auswertesoftware Auf Basis der aufgenommenen Bilder erfolgt die Erstellung eines 3-D-Modells der Brücke. Hierzu wird eine Software zur robusten photogrammetrischen Auswertung verwendet. Mittels Algorithmen des Bündelblockausgleichs ist eine präzise gegenseitige Orientierung der Bilder gewährleistet, zusätzlich wird damit die korrekte räumliche Positionierung des Objekts in einem übergeordneten Referenzsystem erzielt. Output der photogrammetrischen Auswertung sind 3-DDaten für die Visualisierung sowie exakt verortete und entzerrte Aufnahmen als Basis für die Detektion von Betonschäden. 3.5 3-D-Visualisierung Die Bereitstellung der Visualisierungen erfolgt softwareunabhängig über webbasierte Viewer. Der Abruf der Visualisierungen ist über ein webGIS organisiert, das der Verortung der Projektbasisdaten dient. Der Anwender ist in der Lage, alle Funktionalitäten des 3-D-Viewer ohne Spezialsoftware zu nutzen.

3.6 Detektion von Betonschäden Auf Basis der Aufnahmen der On-BoardSensoren erfolgt die Detektion von Betonschäden. Hierzu wird ein künstliches neuronales Netz mittels DeepLearning trainiert. Zu den detektierten Schäden zählen zum Beispiel Verfärbungen, Abplatzungen, freiliegender Bewehrungsstahl, Bemoosung, Risse, Verformungen, Rostfahnen usw. Neben der Detektion wird hierbei eine genaue Verortung der jeweiligen Schäden vorgenommen. Risse im Beton werden hinsichtlich ihrer Länge und Breite klassifiziert. 4 Das Pilotprojekt Falkensteinbrücke Die Falkensteinbrücke bei Obervellach ist mit einer Länge von 396 m die längste Brücke der ÖBB-Tauernbahn und überspannt mittels zweiter Bögen ein östliches Seitental des Mölltals (Bild 1, 2). Für die Befliegung der Falkensteinbrücke wurde die nördliche Hälfte des südlichen Bogens ausgewählt (Bild 3), wobei die Tragplatte, die Pfeiler und der Bogen beflogen wurden. Dies entspricht ungefähr einem Viertel der gesamten Brücke. Innerhalb des Projektbereichs standen die Tragplatte, der Bogen sowie die Pfeiler 10–13 im Fokus (Bild 4).

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Vorab wurden dem Drohnenpiloten die Anforderungen an die Befliegung übermittelt: – Längsüberlappung ≥ 80 %; – Querüberlappung ≥ 70 %; - fixe Blende, ISO, Belichtungsdauer; – Pixelgröße am Objekt (GSD) 1 mm; – Anfertigung von Übersichtsbildern aus größerer Entfernung; – s-förmige Befliegung der Pfeiler; – Befliegung der Kanten; – Befliegung zwischen den Pfeilern und Unterseite der Tragplatte. Die Erstbefliegung erfolgte am 27. November 2017 bei gutem Wetter mit einem Hexakopter durch die Skyability GmbH (Bild 5). Die Drohne wurde manuell durch den Piloten vom Boden aus gesteuert, unterstützt durch einen Beobachter sowie durch FPV-Datenverbindung. Der Abstand zwischen Brücke und Drohne betrug durchschnittlich 3–5 m. Als Sensor wurde eine Sony Alpha 7RII mit 42 MP Vollformat verwendet. Als Fixbrennweite wurde 70 mm gewählt. Die Montage der Kamera erfolgte teils oberhalb, teils unterhalb der Drohne. Die Auslösung der Kamera oblag dem Piloten. Die Aufnahmepositionen wurden so gewählt, dass alle Flächen möglichst frontal und schräg erfasst werden. Die Überlappung der Bilder beträgt ca. 80 %.

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Datenauswertung und Visualisierung 5.1 3-D-Modellierung Von aufgenommenen 3.599 Fotos wurden 2.919 für die Modellierung ausgewählt und verwendet. Unscharfe, zu dunkle oder wiederholende Fotos wurden nicht berücksichtigt. Der erste Schritt der Modellierung ist die Ausrichtung der Fotos. Um diesen Prozess zu beschleunigen, wurden die GNSS-Koordinaten der Fotos der Drohne zugrunde gelegt. Die Ergebnisse jenes Schrittes durch die Kalibrierung der Kamera liefern eine »Sparse Point Cloud« sowie verbesserte Koordinaten und Orientierung der Fotos. Im letzten Schritt wurde eine dichte Punktwolke erzeugt: mit insgesamt 2.919 Fotos eine Herausforderung für die Hardware. Das Resultat ist eine Punktwolke mit 190 Mio. Punkten. 5.2 Bildanalyse Wie bereits erwähnt, erfolgen die Bildanalyse und die Schadenserkennung auf den aufgenommenen Bildern mit Methoden der künstlichen Intelligenz. Sämtliche Bilder werden dabei auf verschiedene Schadenstypen hin untersucht, wie zum Beispiel Risse, Abplatzungen, Durchfeuchtung und Chloridgehalt. Die detektierten Schäden werden auf den Bildern markiert, und zwar mittels Polylinie oder Polygon bei flächigen Schäden, und anschließend in eine Datenbank geschrieben. Dabei werden der Schadenstyp und die Bildkoordinaten der Markierung gespeichert.

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Im nächsten Schritt werden die Schadenseinträge in der Datenbank mit einer speziellen Software georeferenziert. Anschließend werden Schäden, welche durch die Bildüberlappung bei der Befliegung oder aufgrund der Schadensgröße auf mehreren Bildern abgebildet sind, zu einem Schaden vereinigt und als geometrische Schadensobjekte in der Datenbank abgelegt.

5.3 Visualisierung Für die Visualisierung der Auswerteergebnisse wurde Web-Tool entwickelt. Diese erlaubt die Darstellung des 3-D-Modells mit allen detektierten Schäden am Modell (Bild 7). Die Darstellung der Schäden findet dynamisch statt, das heißt, alle Daten werden in einen 3-D-Viewer und eine Tabelle direkt von der Datenbank geladen, und die vom Beurteiler vorgenommenen Änderungen werden ebenfalls dort gespeichert. Jeder Mangel, der eine definierte ID hat, wird damit auch gekennzeichnet.

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Die im Web-Tool dargestellten Ergebnisse, also die Visualisierung und tabellarische Auflistung der Schäden und Klassifizierungsdetails, werden im nächsten Schritt durch einen erfahrenen Bauingenieur überprüft, interpretiert und beurteilt. Die Software verfügt zudem über einen Report-Generator, der den Bearbeiter bei der Berichtserstellung unterstützt. 6 Zusammenfassung Im vorliegenden Beitrag wird anhand eines Pilotprojektes das Potential neuer Technologien im Bereich der Inspektion und Zustandsprüfung von Ingenieurbauwerken aufgezeigt. Insbesondere bei großen Projekten, wie der gezeigten Falkensteinbrücke, bei denen eine vollständige, handnahe Prüfung mit herkömmlicher Zugangstechnik nicht möglich bzw. nur mit sehr hohen Kosten durchführbar ist, können diese Technologien bereits wertvolle Unterstützung bieten. Gleichzeitig lassen sich damit die Nichtverfügbarkeitskosten durch Verkehrseinschränkungen minimieren.

Ein zusätzlicher Mehrwert kann sich zukünftig durch den Einsatz weiterer Sensorik, wie etwa Multispektralkameras, Laserscanner etc., auf der Trägerplattform ergeben. Erste Versuche zeigen Potential im Hinblick auf die Oberflächenfeuchtemessung oder die Bestimmung der chemischen Oberflächenbeschaffenheit, zum Beispiel Chloridgehalt. Autoren: Dipl.-Ing. Peter Furtner VCE Vienna Consulting Engineers ZT GmbH, Wien, Österreich Mag. Albrecht Karlusch Palfinger Structural Inspection GmbH, Wien, Österreich

Literatur [1] Forschungsbericht FE-Nr. 15.0602/2014/LRB: Unterstützung der Bauwerksprüfung durch innovativ digitale Bildauswertung - Pilotstudie. Hrsg. vom TÜV Rheinland im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) in Deutschland. [2] Morgenthal, G.; Hallermann, N.; Achterlik, M.: Unbemannte Fluggeräte zur Zustandsermittlung von Bauwerken; in: Forschungsinitiative Zukunft Bau, F 2971, Stuttgart, 2015. [3] Konzept für ein ÖBB-Pilotprojekt »Unterstützung der Bauwerksprüfung mit UAV – Pilotprojekt Falkenstein, Leistungsbeschreibung«. Erstellt durch VCE und Angst-Group (UTC) für die ÖBB Infrastruktur AG im November 2016.

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SYMPOSIUM Schwingungsreduktion durch den Einsatz passiver Systeme

Passive Vibration Reduction by Curved Surface Slider Systems by Christian Bucher

Schwingungen von Bauwerken durch äußere Anregungen wie Verkehr, Wind oder Erdbeben können häufig zu schweren Schäden führen, die entweder auf Überlastung oder auf Ermüdungseffekte zurückzuführen sind. Es ist daher wichtig, die Auswirkung solcher unvermeidbaren Vibrationen abzuschwächen. Eine weitverbreitete Möglichkeit ist der Einbau von passiven Systemen, die entweder die übertragenen Kräfte sofort reduzieren oder durch zusätzliche Dämpfung die Energie abführen. Natürlich sollte ein gutkonzipiertes System beide Prinzipien kombinieren. Passive Systeme wie Curved Surface Slider (CSS) oder Ähnliches haben sich im Zusammenhang mit Erdbebenlasten als sehr effektiv für den Schutz von Gebäuden erwiesen. Dieser Aufsatz konzentriert sich auf die Frage, ob solche Systeme für Brücken unter Erdbebenbelastung gleichermaßen wirksam sein können. Zu diesem Zweck wird ein veranschaulichendes Beispiele numerisch analysiert. Aus dieser Analyse werden einfache Entwurfsformeln abgeleitet und die Ergebnisse verglichen. Dies mit dem Ziel, ein einfaches Werkzeug zur Entscheidungsfindung bereitzustellen.

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1 Introduction Curved surface sliders (CSS) are effective base isolators to reduce the effect of earthquake accelerations on civil structures. These isolators can be built in different configurations, i.e. with one (Single CSS) or two (Double CSS) or even multiple primary sliding surfaces (e.g. [1]). The secondary sliding surface of the calotte joint in case of Single CSS is lubricated to ensure high rotation capability of the calotte joint but must not be considered in the CSS design to produce damping ( Fig. 1). Common to all types of CSS is that their effective radius of curvature, which is the radius of an equivalent single pendulum, isolates the structure from the shaking ground by its low restoring stiffness and their damping, which is generated by friction on the primary sliding surfaces, augments the structural damping. [2] [3] In addition, the design of CSS must guarantee the minimum required re-centring of the primary structure which is achieved by appropriate designs of effective radius and friction. [4] In many papers dealing with CSS, the focus is on the effective seismic protection of structural and non-structural elements [3] [5] for which also the variation of axial loads on the isolators during the earthquake are considered. [6] In the studies [7] [8] also semi-active (tuneable) base isolation systems are considered in order to further enhance the structural isolation. Also, the residual displacement and re-centring error, respectively, of CSS have been investigated for different base isolators [9] and the method of sensitivity analysis is adopted in [3] [10] to identify the influence of the CSS design parameters on the resulting structural isolation performance. Earthquakes are considered to be highly random processes with non-deterministic magnitude and frequency contents which also applies to the Maximum Considered Earthquake (MCE). As an inherent consequence of this fact, the CSS displacement capacity requires to be computed in a probabilistic way. In this paper the characteristic displacement of the CSS is determined such that it is not exceeded with the probability of 99,99 %, which is a 0,9999 quantile, for the assumed MCE.

Due to the high level of randomness it is reasonable to formally represent the loading as a non-stationary random process. In order to match the analysis with typical seismic design procedures the analysis focuses on earthquakes with site-specific average peak ground accelerations (PGA) which are selected here to be 2 and 5 m/s2. The solution approach in this paper, which is partially based on the earlier research results [11] [12] but further developed here, is as follows: – The space of all sensible variations of effective radius of curvature Reff and friction coefficient μ is scanned by a so-called Design of Experiments (DOE) which utilizes 50 randomly sampled values of these parameters. – For each of these combinations, 128 different realizations of earthquakes are digitally generated, and from the results the statistical properties of the responses in terms of peak support displacement and CSS displacement are computed. – Generally valid functions for these statistical parameters valid for arbitrary numerical values of the system parameters are generated using a meta-modeling technique. – Based on mean values and standard deviations, the 0.9999-quantiles of the peak CSS displacement are computed assuming an extreme value (Gumbel) distribution. – All the previous steps are carried out for two levels of the ground accelerations, i.e. vor PGA values of 2 and 5 m/s2 and simple engineering approximations are derived.

SYMPOSIUM

Principles of CSS and mechanical model The curved slide surface protection system (CSS, an example is shown in Fig. 1) allows horizontal relative displacement between the top and bottom plates. This effectively reduces the magnitude of the horizontal forces transmitted and thus protects the structural elements such as columns or walls. Due to the curvature of the two sliding surfaces, any horizontal relative motion also induces a relative vertical motion, i.e. an uplift of the top plate. The motion is comparable to that of a pendulum with a length Reff (effective radius). For a horizontal displacement x of the pendulum, a weight NSd resting on the top plate is lifted up by an amount z. Considering the kinematic relations as shown in Fig. 2, the vertical motion can be easily determined. At x = 0, the radius of curvature of z(x) is Reff, therefore the second derivative is z´´ = 1/Reff . By integration we obtain approximately (for small values of x) z´ = x/Reff and z(x) = x2 1/2Reff . In the offset position x there is a re-centering force Fr ≈ NSd z´ = x NSd/Reff which acts in tangential direction. In addition to the influence of the effective radius Reff, the force is also affected by the magnitude of the friction in the sliding surfaces. In the following analysis, a Coulomb friction model with a constant dynamic coefficient of friction μ is assumed. 3 Earthquake excitation model The ground excitation model used in this paper loosely follows the model given by [13]. It is based on an evolutionary random process generated by passing an amplitude-modulated white noise (shot noise) through a second order filter of the Kanai-Tajimi type which is described by the ground frequency ωg and the ground damping ratio ζg. Based on this model, the earthquake excitation ag(t) is generated as

The modulating function parameters are chosen as t1 = 1.10 s and t2 = 12.18 s. ωg and ζg denote characteristic site-dependent ground parameters. In the following example, the numerical values ωg = 20 rad/s and ζg = 0.60 are chosen together with D0 = 0.1347 m2/s4. This choice leads to an average PGA of 5 m/s2.

Different values of the PGA can easily be obtained by scaling the generated time series accordingly. Some sample records based on this model are shown in Fig. 3.

in which yf is a filter variable governed by the second-order equation

Here w(t) is white noise with intensity D0, i.e. its autocorrelation function is Rww(τ) = D0 δ(τ), and e(t) is a deterministic dimensionless modulating function, here chosen as

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SYMPOSIUM

As mentioned previously, peak ground accelerations are of the order of 5 m/s2. The Kanai-Tajimi model as used in this paper actually compares quite well to the response spectra as specified by EC8 (Soil A, ground acceleration 5 m/s2, structural damping ratio ζ = 0.05). Computing the average response spectra for a set of 100 digitally simulated earthquake records it can be seen that there is very close agreement (for structural damping ratio of 5%, cf. Fig 4). 4 Dynamic response analysis As discussed above, the structural model is assumed to be given. The CSS-system is characterized by an effective radius Reff and a friction coefficient μ. These two parameters are considered to be nominal values, but they may be actually different in the final structure, e.g. due to manufacturing tolerances and other random effects. This possible difference is modeled as stochastic uncertainty of all parameters with a defined coefficient of variation. For the CSS system it is assumed that the effective radius R has almost no uncertainty because it can be manufactured very precisely, but its friction coefficient μ is assumed to have a rather large stochastic variability. In the following analysis, all stochastic uncertainties are described by log-normal distributions. The design parameters are varied together with the earthquake intensity expressed by the average peak ground acceleration PGA. The analysis consists of nested loops. In the outer loop, the mean values of the design parameters Reff and μ are varied in a pre-defined range (Fig. 5). This variation is done in terms of a Design of Experiments (DOE) based on the Latin Hypercube Sampling method (e.g. [14]) using 50 sample vectors. For each of these designs, an inner-loop analysis is carried out. This inner loop considers the random variability of the system and design parameters. It is realized in terms of a Monte-Carlo simulation with 128 samples per design point. In each simulation, a new random earthquake record is generated based on the Kanai-Tajimi model as outlined earlier. Also, for each sample, random values for the system and design parameters are generated using the previously generated mean values. For each complete set of Monte-Carlo samples, the second order statistics (mean values and standard deviations) are computed and stored.

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Parameter

Reff [m]

μ [%]

Lower Bound

1.5

Upper Bound

4.0

Coefficient of Variation

0.02

0.25

The main goal of the analysis is to develop a simple tool for estimating the maximum CSS displacement x* and column displacement y* depending on the CSS design (effective radius Reff and dynamic coefficient of friction μ) for a given earthquake intensity (peak ground acceleration). The rationale behind it is that the values of x* and y* are chosen such that they are exceeded only with a very small probability P^* (here we choose P* = 10-4). This requires to obtain a probability distribution function of the CSS peak displacement x and the structural displacement y from a Monte-Carlo simulation run. This distribution function is assumed to be an Extreme-Type I (Gumbel) distribution whose parameters are computed from the mean value and standard deviation of the quantity under consideration. Given the mean value μX and the standard deviation σX of a Gumbel-distributed quantity X, its probability distribution functions is given by

From this equation, a characteristic value (quantile q) xq_ can be readily computed by solving

For a 99.99% quantile this results in

Finally, the dependence of these statistical data μX and σX on the currently used mean values of structural and design parameters is expressed in terms of a meta-model (cf. section 5.2).

SYMPOSIUM

5 Numerical Example 5.1 Bridge Model A simple bridge model as previously described in [15] is utilized to demonstrate the applicability of the approach as suggested. This skewed bridge is supported by a total of 8 CSS systems. The fundamental period of vibration of the structure on the 8 CSS is T = 4.03 s if the effective radius is chosen to be Reff = 4 m. This period corresponds to a longitudinal rigid body translation of the bridge deck. Due to its large in-plane stiffness, the bridge deck essentially behaves like a rigid block concerning all horizontal motions. The earthquake excitation a(t) is assumed to be acting in longitudinal direction of the bridge only. Neither lateral nor vertical components are considered for the present analysis. The response quantities of interest are on one hand the maximum displacement occurring in the CSS systems (this is relevant for the proper choice of the size of the slider) and the maximum displacement of the column heads (this is relevant for the design of the column and its footing).

5.2 Establishing the meta-model For this structure equipped with CSSsystems, the analysis is carried out as described earlier. Meta-models for the mean values and the standard deviations of the peak support displacement and the CSS peak displacement are developed for earthquake records with PGA values of 2 and 5 m/s2. Here, meta-models based on a combination of polynomials and radial basis functions as described in [16] are used. These meta-models are then used to perform parametric studies showing the influence of the structural and the CSS system design parameters on the response. This is explained in more detail in [12]. The required 99.99% quantile values are the calculated from the means and the standard deviations according to Eqs. 4–6.

5.3 Approximate Solution In order to obtain an estimate for the performance of a CSS system, a simple pre-design rule can be derived from the numerical results. This design rule includes the effective radius of curvature R and the friction μ in the CSS sliding surface. The formula is derived by regression on the meta-models for different values of the PGA and it expresses the characteristic value of the peak CSS displacement x* for PGA of 2m/s2 as x2* = 0.069 + 0.0335Reff – 2.350μ – 0.00197R2eff + 24.42Reff  μ – 0.149μ2 and for the PGA of 5 m/s2 as x5* = 0.108 + 0.128Reff – 3.378μ – 0.0094R2eff + 28.84Reff  μ – 0.346μ2

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Approximation for characteristic values (99.99% quantile) of peak CSS displacement for PGA of 2 m/s2 (left) and 5 m/s2 (right) © Christian Bucher

Note that in these equations, the numerical values R in m, and values for μ are considered to be numbers (e.g. 0.04). As noted earlier, these characteristic values correspond to an exceedance probability of 10-4. The results based on the simple formula are shown in Figs. 6. The results für the peak support displacements are similar. For the final design of the CSS system, of course, a full dynamic analysis is highly recommendable. 6 Conclusions The design of CSS systems for seismic protection of structures subjected to earthquake excitations needs to account for sufficient displacement capacity of the device in order to prevent accidental slip-off and potentially structural collapse. The essential quantity for the design is the peak relative motion of the CSS that occurs during an earthquake. Due to the random nature both of magnitude and frequency content of earthquakes it is understood that this quantity is of statistical nature. The numerical solution for this problem is shown in the paper. To make this solution applicable to the daily work of engineers an approximate solution based on a polynomial regression formula with high accuracy is presented. This approximation allows that engineers can do a quantitative probabilistic design of CSSs with respect to their displacement capacity for a prescribed high level of safety against larger relative motions than their displacement capacity and therefore against structural collapse. Autor: Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Christian Bucher Research Unit of Structural Dynamics and Risk Assessment Technische Universität Wien, Wien, Österreich

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SYMPOSIUM Durchführung von vier unterschiedlichen Techniken

Abbruch des Neckartalübergangs der A 6 von Gunter Schmid, Stefan Scholz

Im Rahmen des Bauprojektes der Via6West GmbH & Co. KG führt die Max Wild GmbH im Auftrag der Arbeitsgemeinschaft A 6 West aus Hochtief Infrastructure GmbH und Johann Bunte Bauunternehmung GmbH & Co. KG den Abbruch des Neckartalübergangs zwischen den Anschlussstellen HeilbronnNeckarsulm und Heilbronn-Untereisesheim durch. Die vier Bauwerke mit einer Gesamtlänge von 1.326 m und der Einsatz von vier verschiedenen Abbruchtechniken stellten dabei eine anspruchsvolle Aufgabe dar. 1 Rückbau mit Litzentechnik 1.1 Überbauelemente Bei dem Teilbauwerk der Neckarquerung handelte es sich um eine 260 m lange Plattenbalken- bzw. Trägerrostbrücke. Die zweifeldrige Stahlkonstruktion setzte sich aus zwei Hohlkästen zusammen, bestehend aus jeweils zwei Längsträgern mit Durchlaufwirkung. Das Bauwerk überführte im Bereich zwischen den Achsen C und C 1 die Autobahn A 6 über den sogenannten‚ Altneckar, welcher lediglich zum Betrieb des stromabwärts gelegenen Wehres genutzt wird. Zwischen den Achsen C1 und D verlief der Neckarkanal, welcher der Binnenschifffahrt dient.

Die örtlichen Gegebenheiten waren maßgebend für die Abbruchplanung des Bauwerkes. So durfte die Schifffahrt im Kanal nicht länger als 48 h an zwei getrennten Wochenenden gesperrt werden. Im Altneckar waren Eingriffe in den Durchflussquerschnitt auf ein Minimum zu beschränken, um im Falle eines Hochwassers die Zuwegung zum Wehr für Instandhaltungsmaßnahmen sicherzustellen. Einen weiteren ausschlaggebenden Punkt in der Konzeption stellte die Terminplanung dar: Der Voraussetzung geschuldet, dass das Teilbauwerk für vorbereitende Arbeiten von beiden Seiten andienbar sein musste, konnten die Überbauabbrüche der westlich und östlich angrenzenden Teilbauwerke erst durchgeführt werden, nachdem das Teilbauwerk Neckarbrücke zurückgebaut worden war. Aus den vorgegebenen Bahnsperrpausen am östlich angrenzenden Teilbauwerk sowie dem bereits festgelegten Sprengtermin für das westlich gelegene Teilbauwerk resultierte ein zur Verfügung stehender Ausführungszeitraum vom 2. April 2019 bis 29. Mai 2019. Die Vollsperrung der Schifffahrt auf dem Neckar wurde auf die beiden Wochenenden 18.–19. Mai und 25.–26. Mai in Absprache mit den Schifffahrtsbehörden terminiert. So mussten alle Vorarbeiten innerhalb von sechs Wochen abgeschlossen sein. Das Abbruchkonzept der Neckarbrücke berücksichtigte neben statischen Berechnungen des Bestandsbauwerkes und der eingesetzten Schwimmkörper auch nautische und logistische Gesichtspunkte.

1.2 Rückbau in sieben Phasen 1.2.1 Phase 1: Leichtern Nach der Verkehrsumlegung auf die fertiggestellte Seitenlage wurde das Baufeld am 02. April 2019 für die Abbrucharbeiten übergeben. Noch am selben Tag wurde auf dem Teilbauwerk der Asphalt abgetragen und begonnen, die darunterliegende Abdichtung abzutragen. Später wurden außerdem die Lärmschutzwand, die Betonleitwände und die Brückengeländer zurückgebaut. So wurde gewährleistet, dass die am Bauwerk verbauten Materialien separiert und einer geeigneten Verwertung oder Entsorgung zugeführt werden. 1.2.2 Phase 2: Bauwerksertüchtigung Um die statischen Zwischenzustände während des Rückbaus zu sichern, musste der Überbau zunächst ertüchtigt werden. Sowohl an den späteren Auflagerpunkten der Bauteile auf dem Ponton als auch an den Lasteinleitungspunkten der Litzenträger wurden deshalb senkrechte und waagerechte Beulsteifen angebracht. Dabei wurden ca. 32 t Stahlbleche mit t = 20 mm und b = 250–300 mm sowie ca. 1.900 m Schweißnaht mit a = 5 mm, 8 mm, 10 mm verbaut. Der Einbau der gesamten Ertüchtigungsmaßnahmen erfolgte in Betriebsform 4, also im 24-hBetrieb und an drei aufeinanderfolgenden Wochen. Sämtliche Verstärkungsmaßnahmen wurden auf die Innenseite des Hohlkastens verlegt. Lediglich kleinere Beulsteifen im Bereich der Achse C 1 wurden von außen, von der Insel aus eingebaut.

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SYMPOSIUM

Diese Maßnahme hatte zur Folge, dass alle innenliegenden Bestandssteifen zunächst getrennt und dann mit den ergänzenden Steifen verschweißt werden mussten. Neben den Beulsteifen wurden auf der Insel an Achse C 1 außerdem vier Traggerüsttürme angeordnet, um später ein Kippen des Überbaus in Querrichtung zu vermeiden. Der Überbau wurde in Längsrichtung druck- und zugfest gegenüber den jeweils anschließenden Teilbauwerken verbunden. 1.2.3 Phase 3: Aufbau der Litzentechnik In Phase 3 wurden für den Unterbau der Litzenheber weitere 165 t Stahlträger und Verstärkungen geliefert und montiert. Darauf wurden die Litzenheber installiert und für den Ablassvorgang vorbereitet. 1.2.4 Phase 4: Ablassen Das Abbruchkonzept sah vor, den Überbau zunächst längs über die gesamte Länge zu trennen. Anschließend wurden die beiden südlichen und am darauffolgenden Wochenende die beiden nördlichen Überbauelemente C-C1 und C1-D quer getrennt und auf Pontons abgelassen. Zunächst wurde das Überbaufeld über den Altneckar (C-C1) abgelassen. Da es mit 746 t das schwerere Überbaufeld darstellte, dienten zu diesem Zeitpunkt die intakten angrenzenden Bestandsüberbauten als Gegenballast. Nachdem das erste Überbauelement auf dem Ponton abgelegt war, wurde das zweite mit einem Gesamtgewicht von 670 t abgelassen. Als Gegenballast diente hier der westlich gelegene Bestandsüberbau und das zuerst abgelassene Bauteil C-C1. Die Kräfte wurden dabei über das Brückenreststück und die Litzenträger in Achse C1 umgelenkt.

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Um eine Exzentrizität und ein Kippen des Brückenreststückes auf der Achse C1 zu verhindern, war das Kräftegleichgewicht der Litzenlasten trotz unterschiedlicher Bauteilgewichte herzustellen. Dies wurde zum einen durch die Steuerung in den Litzenhebern, aber auch durch stückweises Quertrennen des Überbaus erzeugt.

1.2.6 Phase 6: Pontonberäumung Im Heilbronner Hafen wurden die ausgeschifften Überbauteile dann in 80-tElemente geteilt und mittels Hafenkran vom Ponton gehoben sowie im Anschluss zerkleinert und abtransportiert. Auf diese Weise wurden innerhalb von drei Wochen ca. 2.000 t Stahlschrott umgeschlagen.

1.2.5 Phase 5: Ausschwimmen Nachdem die Bauteile synchron auf den Pontons abgelegt wurden, konnten sie in den Heilbronner Hafen verschifft und zerkleinert werden. Der Transportverband hatte eine Gesamtlänge von 150 m, eine Höhe von 6,10 m und eine Breite von 16 m. Eine Herausforderung beim Ablegevorgang war, dass der Stahlüberbau beim Ablassen zunächst eine Durchbiegung in Feldmitte bis zu 1,00 m erfährt. Das auf dem Ponton liegende Bauteil wurde folglich als Einfeldträger mit beidseitigen Kragarmen betrachtet, dessen 35 m lange Kragarme sich nach dem Ablegen um bis zu 20 cm durchbiegen sollten.

1.2.7 Phase 7: Brückenreststück Zum Abschluss galt es den Stahlüberbau, die Stützen und deren Fundamente auf der Insel zurückzubauen. Der Rückbau erfolgte durch einen Mobilkran und einen Hydraulikbagger. Für den Abtransport der Teile von der Neckarinsel kam auch hier ein Ponton zum Einsatz.

SYMPOSIUM

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2 Abbruch der Vorlandbrücke 2.1 Zweistegiger Plattenbalken Die Vorlandbrücke bestand aus einem einteiligen Überbau, der sich über 15 Felder erstreckte. Das Bauwerk aus den 1960er Jahren war als zweistegiger Plattenbalken, ein sogenannter HombergQuerschnitt, mit Stützweiten von 39 m ausgeführt worden. Die Herstellung erfolgte ebenfalls abschnittsweise auf verschiebbarem Lehrgerüst. Die Koppelfugen befanden sich jeweils 9,50 m von den Stützenachsen entfernt. Das Bauwerk stand im Wasserschutzgebiet und im Überflutungsbereich des Neckars.

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2.2 Konventioneller Abbruch Der Abbruch gliederte sich in vier Arbeitsschritte: Vorbereitend wurden die Asphaltund Abdichtungsschichten getrennt voneinander abgetragen. Anschließend wurde die Platte mit Hilfe eines auf dem Überbau stehenden Kettenbaggers perforiert. Um die Standsicherheit der Längsbalken weiterhin gewährleisten zu können, wurden in regelmäßigen Abständen Druckstreben aufrechterhalten.

Die Längsträger wurden im zweiten und dritten Arbeitsschritt durch kontrollierten und schrittweisen Rückbau der Stützen von oben nach unten zu Fall gebracht, gestemmt und durch Pulverisieren brecherfertig aufbereitet.

SYMPOSIUM

Die Längsträger knickten, wie geplant, an der jeweiligen Koppelfuge ein. Dies ermöglichte einen feldweisen Rückbau des Restbauwerks. Die Festlager befanden sich an Achse 7 und 8. Aus diesem Grund wurde jeweils von Osten bzw. Westen zu den Festlagern hin abgebrochen. Das Abbruchmaterial, das zunächst im Überflutungsbereich lag, musste direkt im Anschluss schnellstmöglich aufgehäuft werden, um den Durchflussquerschnitt im Falle eines Hochwasserereignisses so wenig wie möglich zu beeinträchtigen. 3 Sprengabbruch Bei diesem Teilbauwerk handelte es sich um eine insgesamt 311,20 m lange Plattenbalkenbrücke mit bogenförmigen Hohlkästen. Der vorgespannte dreifeldrige Überbau war in Längsrichtung durchlaufend. Auf je einem der Hohlkästen befand sich eine Richtungsfahrbahn, die Hohlkästen waren baulich voneinander getrennt. Die Längsvorspannung war durch externe Spannglieder gegeben. Der Überbau lag auf massiven Pfeilerscheiben in den Achsen A 1 und A 2 auf.

Das Bauwerk überführte im Randbereich des Feldes A-A1 die A 6 über die Neckartalstraße. Das restliche Bauwerk querte einen Teil des Neckartals und schloss in Achse B an die Vorlandbrücke an. Die Neckartalstraße ist eine der wichtigsten Verkehrsadern für Pendler und Unternehmen der Umgebung. Demzufolge sollte der Rückbau in einem zusammenhängenden Bauzeitfenster von vier Tagen abgeschlossen sein. Durch die Konstruktionsweise war ein Abbruch des Gesamtüberbaus konventionell im verfügbaren Zeitfenster nicht realisierbar, weshalb als Alternative die Sprengtechnik gewählt wurde. Die Trümmer über der Kanalstraße sollten anschließend mit Abbruchbaggern konventionell in Betriebsform 4 im vorgeschriebenen Zeitraum beräumt werden. Das Sprengkonzept sah vor, zunächst sämtliche Leichterungsarbeiten auf dem Überbau durchzuführen. So wurden auch hier die Leiteinrichtungen, Lärmschutzwände und Brückenbeläge zurückgebaut und fraktioniert. Ziel der Sprengtechniker war es, lediglich die Brückenpfeiler zu zerstören, so dass sich der Überbau »niederlegt«.

Wie bei einer Sprengung üblich, wurden bereits im Vorfeld die Sicherheitsvorkehrungen mit allen zuständigen Behörden abgestimmt. Hierzu gehörte beispielsweise ein großräumiger Sperrradius um die Baustelle, der von 20 Polizisten und 40 Helfern des Technischen Hilfswerkes (THW) gesichert wurde. Während der Sprengung wurde der Verkehr auf der A 6 angehalten. Unmittelbar nach der erfolgreichen Sprengung wurde eine Kontrollfahrt über die Fahrbahn der Seitenlage durch die Polizei und den Erhaltungsdienst durchgeführt. Zeitgleich erfolgte die Inaugenscheinnahme der Trümmer und der Unterbauten der Seitenlage durch den Sprengverantwortlichen. Nach Freigabe durch die Verantwortlichen konnte der Verkehr nach ca. 1 h wieder über die neue Brücke rollen. Zur Beweissicherung an den nebenstehenden Pfeilern der Seitenlage und dem nahegelegenen Autohaus wurden Kontrollmessungen aufgrund der auftretenden Erschütterungen vorgenommen.

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4 Abbruch der Bahnfeldüberführung 4.1 Vierfeldrige Spannbetonhohlkästen Das Brückenbauwerk führt die A 6 über die Kanalstraße, ein Gleis der örtlichen Straßenbahn sowie über drei Gleise der Deutschen Bahn. Beim Bestandsbauwerk handelt es sich um jeweils zwei vierfeldrige Spannbetonhohlkästen aus den 1960er Jahren. Der Überbau mit Durchlaufwirkung wurde abschnittsweise auf verschiebbarem Lehrgerüst, an Widerlagerachse E (412) beginnend, hergestellt und war in Längsund Querrichtung, bei einer Bauhöhe von 2,10 m, quer und längs vorgespannt. Die Stützweiten betrugen in Längsachse 40 m, 44 m, 44 m und 37 m bei einer Gesamtlänge von 160 m. Zwischen den Widerlagern war der Überbau auf Stützen mit einem Durchmesser von 1,60 m gelagert, wobei die mittlere Stütze als Festlager monolithisch an den Überbau angeschlossen war.

4.2 Rückbau durch Auskranen Der Rückbau des Überbaus erfolgte abschnittsweise, beginnend mit der südlichen Richtungsfahrbahn am Widerlager Achse E (412). Zu den vorbereitenden Maßnahmen gehörte es, den Asphalt und die Abdichtungsebene getrennt abzutragen. Um die Tragfähigkeit des Bauwerks bei den einzelnen Hüben aufrechtzuerhalten, wurden pro Richtungsfahrbahn jeweils zehn Hilfsunterstützungen unterbaut. Der schlechte Baugrund, ein zweischichtiger Aufbau aus künstlichen Auffüllungen und Festgesteinen des Lettenkeupers, stellte dabei eine Herausforderung dar.

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Die Auffüllung in einer Mächtigkeit von 5–6 m verhinderte durch die schlechten Bodenkennwerte das Einbinden der Fundamente in den Baugrund. Dies hatte zur Folge, dass vorab eine Aufschüttung mit RC-Beton 0/45 auf Geländeoberkante aufgebracht werden musste, um anschließend darauf die Hilfsfundamente herstellen zu können. Ein besonderer Zwangspunkt war dabei das Lichtraumprofil des Schienenverkehrs. Vor dem Aushub des ersten Bauteils mussten einzelne Längsspannglieder abgebohrt werden, um die Druckkraft auf den Überbau zu reduzieren. Durch die vollständige Vermörtelung der Spannglieder innerhalb der Hüllrohre baute sich die Vorspannung nach einer gewissen Verankerungslänge erneut auf. Ohne Reduzierung der Vorspannung wäre nach Aushub der ersten Teile ein Kollabieren des Überbaus möglich gewesen. Bevor der Überbau getrennt werden konnte, musste deshalb aus Sicherheitsgründen die vollständige Vermörtelung der Spannglieder überprüft werden. Im ersten Rückbauschritt wurden innerhalb des Schwenkbereiches des Raupenkranes die südlichen Kragarme geschnitten und ausgehoben. Zur Erhaltung der Bauwerkssymmetrie entfernte man in gleicher Weise die nördlichen Kragarme. Innerhalb des Gleisbereiches konnte nur in Sperrpausen gearbeitet werden.

In weiteren Sperrpausen im Juni wurden innerhalb von zehn Nächten zwölf Überbauteile und zwei Stützen mit Gewichten bis 278 t ausgehoben. Um den Schienenverkehr so wenig wie möglich zu beeinträchtigen, wurde auf Hilfsunterstützungen innerhalb des Gleisbereiches verzichtet. Aus Platzgründen war es zwingend notwendig, die einzelnen Hubteile just in time brecherfertig aufzubereiten und abzutransportieren. Den Aushubarbeiten folgte der Rückbau des Raupenkrans, damit im Nachgang der Restüberbau von Achse 300 (Festlager) in Richtung Widerlager E mit dem konventionellen Abbruch entgegen der Aufbaurichtung starten konnte. Aufgrund der Abbruchrichtung bzw. Wegnahme des Festlagers musste der Überbau an Achse 200 erneut unterstützt und in Querrichtung mittels einer Seilsäge komplett getrennt werden, um zu gewährleisten, dass der Restüberbau nicht aus der Auflagerbank gleiten und den Verkehr der Kanalstraße nicht beeinträchtigen konnte. Das Brückenreststück über der Kanalstraße wurde unter Vollsperrung der Landstraße in konventioneller Weise zurückgebaut. Autoren: Gunter Schmid M.Eng. Bauingenieurwesen Stefan Scholz Staatlich geprüfter Bautechniker Max Wild GmbH, Berkheim

Bauherr ViA6 West GmbH & Co. KG, Bad Rappenau Abbruchplanung Max Wild GmbH, Berkheim (Entwurf) Ingenieurbüro Hauf GmbH & Co. KG, Gundelfingen (Tragwerksplanung) Prüfingenieure Dipl.-Ing. Michael Gleissle, Karlsruhe (Stahlbrücke) Dipl.-Ing. Till Würfel, Karlsruhe (Bahnbrücke) Dipl.-Ing. Roland Wetzel, Stuttgart (Vorlandbrücke, Sprengabbruch) Durchführung Abbruch Max Wild GmbH, Berkheim (Entwurf) Bauausführung Neubau Arbeitsgemeinschaft A 6 West: Hochtief Infrastructure GmbH, Essen Johann Bunte Bauunternehmung GmbH & Co. KG, Papenburg

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SYMPOSIUM Anforderungen und Lösungen bei Hänge- und Schrägseilbrücken

Gerüststellungen bei der Brückensanierung von Josef Teupe

Komplexe Aufgaben in der Brückenertüchtigung und -instandsetzung sind generell sowie bezüglich erforderlicher Gerüstkonstruktionen und deren Nachweisführung anspruchsvoll. Baubehelfe und Gerüstkonstruktionen sind dabei Mittel zum Zweck und kein Selbstzweck. Am Beispiel der Rheinbrücken Düsseldorf-Flehe und Emmerich werden hier unterschiedliche Aufgabenstellungen konstruktiv, statisch und mit wichtigen Details in der Ausführung erläutert. Die Konzeption bis hin zur Ausführungsplanung und die korrekte Nachweisführung sind, unter anderem bezogen auf die jeweils konkreten Projekte, Zwischenbauzustände im Ablauf der Maßnahme und gegebenenfalls zwischenzeitlich unterschiedlicher Nutzungsanforderungen, mit der notwendigen Sorgfalt und Detailliebe anzugehen. Konstruktive Lösungsansätze für Aufgabenstellungen, die im Einzelfall auch technische Herausforderungen sein können, sind in der Ausführungsplanung und prüffähigen statischen Berechnung auf sämtliche Schnittstellen und Anforderungen auszulegen, um einen ungestörten Bauablauf zu erreichen.

1 Rheinbrücke Düsseldorf-Flehe 1.1 Das Bauwerk Die Fleher Brücke mit einer Länge von 1.165 m wurde für ca. 94,60 Mio. DM zwischen 1976 und 1979 errichtet. Die Schrägseilkonstruktion mit einem auf dem Kopf stehenden Y-Pylon erreicht eine Höhe von 146,50 m. Damit ist der markante Pylon der höchste in Deutschland. Die Mittelträgerstruktur war zu ihrer Eröffnung am 3. November 1979 mit einer Hauptspannweite von 368 m die am weitesten gespannte einhüftige Schrägseilbrücke der Welt. Insbesondere ihre Gestaltung beeinflusste weltweit viele später entstandene Bauwerke. Der Pylon aus Stahlbeton wurde in ca. 19-monatiger Bauzeit mit Hilfe einer Kletterschalung hergestellt. 1.2 Instandsetzung des Pylons Die Ausschreibung sah zur Vermeidung von herabfallenden Gegenständen eine dichte Einhausung sowohl für die eigentliche Betoninstandsetzung als auch für die Gerüstmontage und -demontage vor. Der Besonderheit einer dichten Einhausung für die Gerüsterrichtung, die so noch nie praktiziert worden war, wurde in der Ausschreibung besondere Aufmerksamkeit gewidmet.

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Um absolut sicherzustellen, dass keine Teile bei den Gerüstmontagearbeiten herabfallen können, wurde eine stets oberhalb der jeweiligen Montageebene mehrere Meter in der Höhe vorlaufende Schutzeinrichtung ausgeschrieben. Der Amtsentwurf sah hierfür beispielhaft eine an Zahnstangenmastsystemen kletternde Schutzeinrichtung ganz dicht außen vor der eigentlichen Gerüstaußenkante vor. Die Konstruktion der Tragebene in ca. 90 m Höhe wurde bezüglich der Lasteinleitung in das Bauwerk vor der Ausschreibung durch den Bauherrn untersucht. Diese geometrisch und montagetechnisch sehr anspruchsvolle Konstruktionsauflagerung auf Höhe der ersten, unteren Seilgruppe wurde in der Ausschreibung explizit berücksichtigt. Zu beachten war in der für Kranmontagen besonderen Höhe neben der Erfordernis einer für das Bauwerk und die Seilgruppen schadensfreien Montage und Demontage die nur sehr begrenzt mögliche Trägerdurchführung durch den Pylon mit einer Konstruktionsauflagerung, vierseitig umschließend, lediglich auf einem Mittelträger. Dies stellte an Konstruktion, Arbeitsvorbereitung, prüffähige statische Nachweise sowie Montage in kurzer Nachtsperrpause extrem hohe Anforderungen.

SYMPOSIUM 1.3 Ausführung und Bemessung Die vorlaufende Schutzeinhausung wurde kreativ und wirtschaftlich direkt am Gerüst befestigt, selbsttätig elektrohydraulisch am Gerüst kletternd konstruiert und statisch sowohl als Schutzwand als auch bezüglich Befestigung am Gerüst nachgewiesen. Die Konstruktion ist bis Windstärke 6, statisch nachgewiesen, vertikal immerhin 6 m freitragend und gewährleistet derart zu jeder Zeit eine absolut dichte Einhausung im Vorlauf oberhalb der jeweils aktuellen Gerüstbauarbeiten. Die am Gerüst kletternde Schutzeinhausung bekleidet es zudem übergreifend noch mehrere Meter nach unten. Die Bauhöhe der Schutzwand lässt sich je nach Projekt und Erfordernis individuell einrichten und betrug bei der Fleher Brücke 10 m, wobei sie senkrecht, schräg und auch waagerecht am Gerüst klettern kann. Nach Erreichen der Gerüstendhöhe ist es möglich, die Schutzwand als »normale« Einhausung nach unten hin komplett zu ergänzen und sie, wie hier, im oberen Bereich in ihrer Endposition auch als Einhausung für die Betoninstandhaltungsarbeiten zu nutzen. Die tragfähige Zwischenplattform wurde schon in der Kalkulationsphase als sehr kritisch bewertet. Nach Vermessung des Baubestandes wurde diese Stahlkonstruktion statisch vorbemessen, dann unter Montageaspekten für ihre Realisierung mit jeweils zwei parallel arbeitenden Mobilkränen und Hubsteigern optimal in Baugruppen unterteilt und schließlich in puncto Statik, Ausführungs- und Werkstattzeichnungen in den Prüflauf gegeben. Die Werkstattfertigung und die Stahlvormontage vor Ort auf dem Schutzdach erfolgten so rechtzeitig, dass die eigentliche Montage während einer vorab definierten nächtlichen Sperrpause termingerecht vor dem Gerüstweiterbau vorgenommen werden konnte. Die Fertigstellung der Maßnahme erfolgte 2018.

2 Rheinbrücke Emmerich 2.1 Das Bauwerk Die nördlichste Rheinbrücke und mit 803 m zugleich längste Hängebrücke Deutschlands wurde 1965 eröffnet. Die beiden Pylone sind mit zur Brückenachse geneigten Stielen, die jeweils über einen Querriegel miteinander verbunden sind, 76,70 m hoch. Beide Tragkabel, bestehend aus 61 Einzelseilen, weisen einen Kabeldurchhang von ca. 55 m zwischen Pylon und Feldmitte auf. Die Hänger, in einem Abstand von 15,15 m angeordnet, tragen den ca. 23 m breiten Überbau.

2.2 Instandsetzung der Brücke Für die Stahlbau- und Korrosionsschutzarbeiten sind unter anderem die Pylone einschließlich Schutzdächern über dem Brückendeck sowie die Hänger und Tragkabel jeweils inklusive Einhausungen zugänglich zu halten. In Konstruktion und Nachweisführung der Baubehelfe ist hier besonders sorgfältig auf die Hängertauscharbeiten zu achten, und zwar sowohl bezüglich der Geometrieanforderungen für den Aus- und anschließenden Neueinbau der Hänger, der Bauzwischenzustände, der uneingeschränkten Zugänglichkeit bei parallel verlaufenden Korrosionsschutzarbeiten mit geschlossener Einhausung als auch in puncto Umverankerungen. Aufgrund teilweise beschädigter Bestandshänger und einer, statisch bedingt, generellen Hängertauschfolge sind die Gerüstbauarbeiten zwingend so konzipieren, dass sie der Hängertauschtaktung folgen. Unter Beachtung der durch den Bauherrn darüber hinaus vorgegebenen maximal zulässigen Windlastbemessung durch die Einhausungen sind die gesamten Bauablaufbausteine terminlich, statisch und geometrisch höchst sorgfältig zu planen.

Auftraggeber Landesbetrieb Straßenbau Nordrhein-Westfalen, Niederlassung Krefeld Tragwerksplanung Teupe & Söhne Gerüstbau GmbH, Stadtlohn Prüfingenieur Dipl.-Ing. Jörg-Werner Mortell, Mülheim an der Ruhr Ausführung Arbeitsgemeinschaft: Massenberg GmbH, Essen Teupe & Söhne Gerüstbau GmbH, Stadtlohn

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SYMPOSIUM

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2.3 Ausführung und Bemessung In sehr enger Abstimmung aller Partner der Arbeitsgemeinschaft sind die Arbeitsabläufe minutiös getaktet: Die kurzen Hänger werden in Abhängigkeit ihrer Länge mittels Mobilkran von oben ausund wieder eingebaut, die langen Hänger mit Windentechnik. Vor- und nachlaufende Korrosionsschutzarbeiten, die jederzeit zusätzlich auch parallel zum Hängertausch im Schutz von Einhausungen am Tragkabel durchgeführt werden müssen, werden durch mehrfache Umverankerung der Gerüstkonstruktionen begleitet.

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Die Einrüstung der Tragkabel erfolgt mit auf dem Brückendeck vormontierten Gerüsteinheiten, die mittels Windentechnik sowohl hochgezogen als auch bezüglich ihrer genauen Positionierung parallel zum Tragkabel eingestellt werden. Diese temporären Gerüstbrücken werden im Stoßbereich über spezielle statisch-konstruktive Verbindungen untereinander gekoppelt. Der bedingt durch die Tragseilgeometrie erforderliche Neigungsausgleich erfolgt ebenfalls im Stoßbereich. Die Tragseileinrüstung erhält dop-

pelte, direkt übereinander angeordnete Arbeits- und zusätzliche Schutzgerüstböden, um eine effektive, wirtschaftliche und natürlich jederzeit sicher handhabbare Strahlschuttentsorgung sicherzustellen.

SYMPOSIUM

Die statisch maximal mögliche Länge der Einhausungen ausnutzend, werden diese präzise an den Bauablauf und die Zwischenbauzustände angepasst und dergestalt umgesetzt. Das detailliert ausgearbeitete Flucht- und Rettungskonzept berücksichtigend, erfolgt die permanente Gewährleistung der Höhenrettung durch besonders ausgebildete Gerüstbauer, die durchgehend auf der Baustelle vorgehalten werden. Die Fertigstellung ist für Mitte 2023 vorgesehen. Auftraggeber Landesbetrieb Straßenbau Nordrhein-Westfalen, Regionalniederlassung Niederrhein, Mönchengladbach Tragwerksplanung Teupe & Söhne Gerüstbau GmbH, Stadtlohn Prüfingenieur Dipl.-Ing. Winfried Neumann, Hagen-Dahl Ausführung Arbeitsgemeinschaft: Hans Tiefenbach GmbH, Duisburg Teupe & Söhne Gerüstbau GmbH, Stadtlohn Stahlbau Raulf GmbH, Duisburg R. Lange GmbH, Moers

Autor: Josef Teupe Vorstand Güteschutzverband Stahlgerüstbau e.V., Köln Leiter Arbeitskreis Technik Bundesinnung für das Gerüstbauer-Handwerk, Köln

Rheinbrücke Emmerich

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PRODUKTE UND PROJEKTE Spezifische Kalottenlager von Maurer

Bogibilbrücke in Indien

2002 wurde mit der größten kombinierten Eisenbahn- und Straßenbrücke Indiens begonnen, ihren Namen hat die Bogibilbrücke von einem abgelegenen Dorf im Dreiländereck Indien, Myanmar, China, wo der Brahmaputra den Himalaya verlässt. Maurer lieferte hier 164 Kalottenlager für den Einsatz zwischen Brückendeck und Pfeiler: Die Münchner Experten bekamen den Auftrag, weil es ihnen gelang, Lager zu designen, welche die extremen Auflasten von 2.800 t übertragen und trotzdem in die beengten Platzverhältnisse auf den Pfeilern passen. Der Bogibil-Auftrag ist der größte Lagerauftrag, der bis dato für eine indische Eisenbahnbrücke vergeben wurde, und sie gilt als zweitlängste ihrer Art in Asien. Der Brahmaputra ist für seine Wassermassen berüchtigt und überschwemmt bei Bogibil zur Regenzeit ein 5 km breites Gebiet, die alljährlich starken Monsunüberschwemmungen waren auch der Grund für die lange Bauzeit. Die 4,94 km lange Brücke besteht aus 41 Einfeldträgern, 39 davon mit einer Länge von je ca. 125 m. Unten laufen die Eisenbahnschienen, oben die zweispurige Straße. Unter dem Brückendeck liegen auf jedem der 41 Pfeilerköpfe vier MSM®-Lager, und zwar »klassisch« gelagert: ein festes Lager, eines in Längsrichtung beweglich, eines in Querrichtung und das vierte allseits beweglich. Somit übertragen die Kalottenlager vertikale Lasten, erlauben Rotationen sowie Bewegungen und halten dabei das Brückendeck in Position. »Die besondere Herausforderung war, die Lager so zu bemessen, dass sie auf die kleinen Pfeilerköpfe passen«, so Dipl.-Ing. Peter Günther, Maurer-Projektleiter. »Der Platz war sowohl von der Höhe als auch

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von der Fläche begrenzt, weil Pfeiler und Stahltragwerk bei der Auftragserteilung schon so weit fortgeschritten waren, dass es nicht mehr möglich war, mehr Platz zu schaffen.« MSM® zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass es mit 180 MPa um ca. 100 % höhere Pressungen aufnehmen kann als herkömmliche Gleitwerkstoffe, so dass sich die Lager ca. 30 % kleiner und, im vorliegenden Fall, mit ca. 2 t auch wesentlich leichter herstellen lassen. Die 164 MSM® Kalottenlager sind im Grundriss nur 1.200 mm x 1.200 mm groß und 200 mm hoch, zugleich aber für eine Auflast von 28 MN und eine Horizontalkraft von 8 MN ausgelegt. Die hohe Horizontalkraft resultiert aus einem Erdbeben mit Stärke 7 gemäß Richterskala, auftretende Rotationen von 0,02 rad nimmt ein Kugelgelenk um alle horizontalen Achsen ohne signifikanten Widerstand in den Lagern auf. Das heißt: Die Lager passen sich leichtgängig optimal allen Last- und Bauwerkszuständen an. Aufgrund der Langlebigkeit des ausgewählten Werkstoffs, der für 50.000 m aufsummierten Gleitweg ohne Verschleiß getestet wurde, verfügen sie über eine Lebensdauer von mindestens 50 Jahren. Die geringe Lager-

gleitreibung ≤ 1,50 % bei ≤ 150 mm Lagerbewegung bietet zudem höhere Sicherheit für das Design der Brückenpfeiler und deren Gründung im Wasser. Die Lager selbst wurden Anfang 2016 in München, die Ankerplatten im Werk von Maurer India in Bhopal produziert. Im Frühsommer 2016 wurden zwölf von ihnen in Shanghai getestet, Mitte 2017 begann der Einbau der Lager. Und am 25. Dezember 2018 weihte Premierminister Narendra Modi die Bogibil-Brücke ein. Sie hat, nahe der Grenze zu China stehend, eine strategische Bedeutung für Indien und wurde bereits als eine von mehreren wichtigen Infrastrukturmaßnahmen im Assam-Abkommen von 1985 erwähnt. www.maurer.eu

PRODUKTE UND PROJEKTE Frostfreihaltungssystem von AEG

Puma-Brücke in Herzogenaurach

173 t Gewicht, eine Spannweite von 85 m, getragen von einem 37 m hohen Stahlpylon und zwölf Stahlseilen: Die PumaBrücke ist gestalterisch wie statisch bemerkenswert. Als Stahl-Glas-Konstruktion steht sie ganz im Einklang mit den Bürogebäuden, die sie verbindet, und bietet kurze Wege für die Mitarbeiter. Errichtet von Stahlbau Lamparter aus Kaufungen, wurde sie in vier vormontierten Schüben im Werk des Stahlbauers gefertigt und vor Ort per Autokran zusammengesetzt. Im Winter ist das Unfallrisiko unter Brücken erheblich höher als auf anderen Straßenabschnitten. So entstehen durch die Wechselwirkung von Frost und Sonneneinstrahlung Rinnsale, die bei sinkenden Temperaturen gefrieren, so dass sich Eiszapfen entlang den Brückenunterkanten bilden. In Herzogenaurach entschied man sich deshalb für die Integration des selbstlimitierenden Heizbandes von AEG. Es besteht aus zwei parallel geführten Kupferleitungen, die durch ein spezielles Kunststoffhalbleiterelement voneinander getrennt sind. Bei niedrigen Temperaturen nimmt der elektrische Widerstand ab, wodurch die Leistungsabgabe des Heizbandes steigt. Bei ansteigenden Temperaturen nimmt hingegen der Widerstand des Heizleiters zu, wodurch der Energieverbrauch und die Wärmeabgabe sinken.

Bei der Vorfertigung des Bauwerks wurden an der Unterseite des Brückendecks beidseitig innenliegende Rinnen vorgesehen, in denen das Heizband geführt ist. Das Heizkabel verläuft somit rechts und links, außerdem in den Fallrohren entlang den beiden Gebäuden. 220 m Heizband mit einer Leistung von 15 W/m sind dem-

entsprechend hier zum Einsatz gekommen. Die Ansteuerung der Heizbänder über die temperaturgeführte Regelung hilft Betriebskosten einzusparen, denn zur Frostfreihaltung schaltet der Außentemperaturregler das Heizband erst dann ein, wenn die Umgebungstemperatur unter +3 °C sinkt. www.aeg-haustechnik.de

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PRODUKTE UND PROJEKTE Effizientes Schalen und Betonieren dank Paschal

Ortsumgehung Barntrup mit zwei Brücken Die Bauunternehmung Wilhelm Becker GmbH & Co. KG erstellt im Auftrag des Landesbetriebs Straßenbau NordrheinWestfalen für die Ortsumgehung Barntrup, die Teil des Gesamtverkehrskonzeptes Lippes ist, die Brücken 4 und 9 im parallelen Baubetrieb. Das Bauwerk 4 befindet sich unmittelbar westlich der Ortschaft Barntrup und wird nach Fertigstellung der Unterführung der zu errichtenden B 66n dienen. Als »Eisenbahnbrücke« besteht es aus einer einfeldrigen Verbundkonstruktion in WIB-Bauweise und hat eine Stützweite von 21,862 m. Nummer 9 wird die B 66n über die Bahntrasse Alverdissen–Barntrup überführen, und zwar, als Widerlager in den Parallelflügen konstruiert, nach Vorgaben der Tragwerksplanung als einfeldrige, integrale Rahmenkonstruktion mit einer Stützweite von 14,20 m. Um der Bauunternehmung ein günstiges Mietangebot unterbreiten zu können, wurde in der Paschal-Niederlassung Gifhorn auf Basis der Konzeption von eberhardt die ingenieure gbr, die komplette Schalungsplanung mit der Paschal-PlanPro-(PPP-)Software erstellt und kalkuliert.

Im Rahmen der Vorbereitungsgespräche kristallisierte sich zudem heraus, dass das Schalsystem Logo.3 am besten geeignet ist, um die vier Widerlager für die Bauwerke 4 und 9 im System schalen zu können. Außerdem verfügt die Bauunternehmung Wilhelm Becker über eigene Schalungssysteme, die Universalschalung Raster und die Stahlrahmenschalung Athlet von Paschal, mit denen die tragenden Gründungsplatten mit Dicken bis zu 1,60 m schon eingeschalt und betoniert wurden.

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Die Logo.3 wurde nun mit den Scharnierecken in kompletter Schalhöhe kombiniert, um alle spitz-, stumpf- und rechtwinkligen Ecken exakt und im System schalen zu können. Die schrägverlaufenden Schaleinlagen zur jeweiligen Hangangleichung werden hingegen bauseits als Holzkonstruktionen angefertigt. Gleiches gilt für einige Ausgleiche, die bewusst in Holz ausgeführt werden, weil, bedingt durch den enormen Frischbetondruck, die asymmetrischen Ausbildungen zusätzlich quer abgespannt werden.

Um auch den vorgegebenen optischen Qualitäten zu entsprechen, werden die Logo.3-Elemente für die nicht erdverdeckten Stahlbetonflächen bei beiden Bauwerken zudem bauseits mit sägerauen Schalbrettern belegt und in Sichtbetonqualität realisiert. www.paschal.com

Wirtschaftlich und nachhaltig.

PRODUKTE UND PROJEKTE Herstellung des Stahlbaus durch SEH

Strombrückenzug in Magdeburg

Korrosion impossible Feuerverzinkte Straßenbrücken sparen Kosten und sind nachhaltiger.

Magdeburg erhält zur Entlastung der durch das Hochwasser 2013 stark beschädigten Anna-Ebert-Brücke den langgeplanten Strombrückenzug über die Elbe, die Querung der Zollelbe und eine Schrägseilstruktur über die Alte Elbe umfassend. In beiden Fällen handelt es sich um Verbundtragwerke aus Beton und Stahl: Die ca. 70 m weit spannende Zollelbe-Brücke ist als einhüftiger Rahmen und die ca. 250 m lange Alte-Elbe-Brücke als Schrägseilkonstruktion mit einem Beton- und einem Stahlverbundbauteil geplant. Die auf der Westseite der Alte-Elbe-Brücke anschließende Zollelbe-Querung besteht aus fünf Stahlkastenträgern mit einem Gesamtgewicht von 955 t, die von einer 34 m breiten Stahlbetonplatte überspannt wird. Der 198 m lange und 28 m breite Verbundteil der Alte-ElbeBrücke mit einem Stahlgewicht von ca. 3.000 t wird durch Schrägseile abgespannt, welche die Last über den Pylon in das auf der Westseite der Brücke liegende Widerlager und den angrenzenden Betonüberbau ableiten. Der insgesamt 62 m hohe Pylon aus Beton wird von einem ca. 16 m hohen und 150 t schweren Stahlbauteil gekrönt, in welchem die Schrägseile zusammenlaufen.

Die gesamte Baumaßnahme wird von einer Arbeitsgemeinschaft mit den Partnern Hochtief, SEH Engineering und Kemna Bau realisiert. Die Fertigungsplanung, die Fertigung des Stahlbaus sowie die Ausrüstung der Brücke mit Medienkanälen, Laufstegen und Brückenbesichtigungswagen gehören zum Leistungsanteil der SEH Engineering GmbH aus Hannover. Die Bauarbeiten haben bereits im Oktober 2019 mit der Herstellung des Baufeldes und den ersten Grundbauarbeiten begonnen, die Errichtung der Brücken wird sich ab Frühjahr 2020 anschließen. Ende 2023 soll die Verkehrsfreigabe erfolgen, wobei hier neben den Fahrspuren für den Kraftverkehr und die Straßenbahnen Wege für Fußgänger und Radfahrer vorgesehen sind.

Stahl- und Verbundbrücken dürfen seit kurzem auch in Deutschland feuerverzinkt werden n n n n n1 n n n n n

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www.seh-engineering.de

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Mehr unter www.feuerverzinken.com/ bruecken

INSTITUT FEUERVERZINKEN 1/2 . 2020 | BRÜCKENBAU

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PRODUKTE UND PROJEKTE Schweißunterstützung durch Fronius

Stahlbrücke aus dem Drucker Der 3-D-Druck ist zweifelsohne eine spannende Technologie, die derzeit Einzug in die industrielle Fertigung hält, im Bauwesen aber noch in der Experimentierphase steckt. Das Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik der Technischen Universität Darmstadt verfügt über zwei Schweißroboter, mit denen verschiedene Möglichkeiten der additiven Fertigung im Stahlbau erforscht werden können. Angespornt durch eine niederländische Firma, die eine Brücke mit Hilfe von Robotern in einer Industriehalle errichtet, tüftelten die wissenschaftlichen Mitarbeiter Christopher Borg Costanzi, Maren Erven und Thilo Feucht an einem Konzept, das den auskragenden Brückendruck direkt über fließendem Gewässer erlaubt. »Die bisher gedruckten Brücken wurden immer vertikal hergestellt, weil das flüssige Schweißgut sonst heruntertropft. Unser Verfahren erlaubt es dagegen, im Schrägen zu drucken«, so Thilo Feucht.

Bei der Suche nach einem geeigneten Prozess für den horizontalen Materialauftrag stießen die drei Wissenschaftler nun auf die Variante CMT Cycle Step von Fronius. »Diese erlaubt den Forschern, nicht nur die Anzahl der Einzeltropfen, sondern auch die Pausenzeit zwischen den Schweißzyklen exakt zu steuern«, so Ingo Pfeiffer von Fronius Deutschland. Die Pausenzeiten sind gerade für das horizontale Auftragsschweißen wichtig, da sie jedem Schweißpunkt ausreichend Zeit zum Abkühlen geben. In Kombination mit dem aktiven Schutzgas, im vorliegenden Fall eine Mischung aus Argon und CO2, ist das Ergebnis eine wärmereduzierte Schweißraupe mit einem hohen Maß an Reproduzierbarkeit.

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Eingebunden ist der CMT Cycle Step in das Wire + Arc Additive Manufacturing, also in das sogenannte WAAM-Verfahren, bei dem die Drahtelektrode als Druckmaterial dient. Mit diesem Verfahren lassen sich auch große Bauteile drucken: Die Brücke in Darmstadt hat eine Spannweite von ca. 2,80 m, im fertigen Zustand wird sie 1,50 m breit sein und ca. 220 kg wiegen. Theoretisch schafft der Schweißroboter, die Brücke um 1 m/Woche wachsen zu lassen, wenn keine Probleme auftreten würden. »Doch die gehören dazu«, so Prof. Dr.-Ing. Jörg Lange. »Es ist ja schließlich Forschung. Würde alles klappen, wäre es Engineering.« Die Herausforderungen lagen unter anderem in den großen Temperaturunterschieden, die

zum Bauteilverzug führten, sowie in der Wahl der richtigen Schweißparameter. Und das Resultat? Ob wirklich einmal Stahlbrücken durch Roboter vor Ort gedruckt werden, ist aus heutiger Sicht nicht zu beantworten. Das Wissen aus dem Darmstädter Forschungsvorhaben und die Erfahrung mit dem Schweißprozess von Fronius ermöglichen jedoch den zeitnahen Einsatz additiver Fertigungsverfahren im kleineren Rahmen, zum Beispiel zum Toleranzausgeich von Stahlbauteilen, und zwar direkt auf der Baustelle. www.fronius.com

PRODUKTE UND PROJEKTE »Grüner« Lärmschutz von R. Kohlhauer

Schlossbergtunnel in Baden Der Schlossbergtunnel in Baden, Kanton Aargau, wurde 1846 errichtet und ist der älteste Eisenbahntunnel der Schweiz. Aufgrund des steigenden Straßenverkehrs wurde 1961 entschieden, einen neuen Eisenbahntunnel zu realisieren und den Schlossbergtunnel für den Straßenverkehr umzubauen. Nach über fünf Jahrzehnten Verkehrsnutzung wurde er dann 2015 sanierungsbedürftig: Im Zuge der Sanierung entschieden sich das Kanton Aargau und die Stadt Baden, dem Anwohnerschutz Rechnung zu tragen und die Stützmauern deshalb mit begrünbaren Lärmschutzwänden zu versehen. Bei vielen Bauwerken wird Beton wegen seines gestalterischen Potentials gerne verwendet, allerdings kann er Lärm nur reflektieren und nicht absorbieren. Zur Verminderung von Emissionen gibt es jedoch ausgezeichnete Möglichkeiten: »Grüner Lärmschutz« in Form von begrünbaren Elementen bietet hier neben der gestalterischen auch eine kühlende und reinigende Wirkung, solche Elemente dienen als Lärmabsorption und unterstützen zugleich das Mikroklima einer Stadt.

Und das resultiert aus der Tatsache, dass die bepflanzte Fläche die Erhitzung des darunterliegenden Betons verhindert und den aufkommenden Staub bindet sowie einen Lebensraum für Insekten und Mikroorganismen darstellt. In ihrer Dimension sind die Elemente in Baden bis 58 m Länge und 10 m Höhe aneinander- und aufeinandergereiht, ihre Gesamtfläche beträgt ca. 340 m².

Als tragende Unterkonstruktion dienen vertikal liegende Stahlschienen und -konsolen, schmale Streifenbleche decken die Elementstöße frontseits ab. Innenseitig fungiert ein Streifenblech als Anschlag für die Wandmodule, welche von oben zwischen die Bleche eingefügt wurden, wodurch Selbige über Stabilität verfügen. Zwischen den begrünten Wandabschnitten, die zwischen 1,50 m und 3,00 m hoch

sind, liegen jeweils mit Efeu und Wildreben bepflanzte Tröge, die bei Bedarf, zentral gesteuert, bewässert werden. Die eingebaute Unterkonstruktion wurde speziell für dieses Projekt entwickelt und als solches hier erstmals eingesetzt. www.kohlhauer.com

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S O F T WA R E U N D I T Joint Venture von Bentley und Topcon

Digital Construction Works im Blick Bentley Systems, der weltweit führende Anbieter ganzheitlicher Software- und Cloud-Services für digitale Zwillinge zur Weiterentwicklung von Planung, Bau und Betrieb von Infrastruktur, und Topcon Positioning Systems, ein weltweit führender Anbieter von Technologien für die Vermessungs- und Bauindustrie, haben das neue, im gemeinsamen Besitz beider Firmen stehende Unternehmen Digital Construction Works gegründet: Es wartet mit digitalen Automatisierungs-, Integrations- und »Twinning«-Services auf, um das Constructioneering-Potential für die Industrialisierung des Bauens zu fördern. Bentley Systems und Topcon haben sich 2016 zusammengeschlossen, um gemeinsam eine verbesserte Integration zwischen ihren jeweiligen Magnet- und ProjectWise-Cloud-Services zu entwickeln, so dass Engineering- und KonstruktionsWorkflows integriert werden können, um die Projektqualität und -leistung zu verbessern. Seither haben Bentley und Topcon kontinuierlich neue »4-D«-Innovationen bei Vermessung, Reality Model-

ing, Zeitplanung und Logistik, Arbeitspaketierung, Maschinensteuerung und progressiver Sicherung eingeführt. Und jetzt geht Digital Construction Works daran, Experten in die großen Projektteams der Bauunternehmen zu integrieren, um Constructioneering-Abläufe voranzutreiben und zu optimieren. Durch seine digitalen Integrationsdienste kann

Digital Construction Works zur Verbindung und Automatisierung bestehender Abläufe die besten Projekte noch besser machen und gleichzeitig dazu beitragen, die digitalen Arbeitsabläufe im kompletten Portfolio zu institutionalisieren. www.digitalconstructionworks.com

Neues Surface Hub 2S von Microsoft

Höchstmaß an Mobilität und Komfort Mit dem Surface Hub 2S hat Microsoft die Möglichkeiten für die flexible Zusammenarbeit am Arbeitsplatz für Bauingenieure auf ein neues Level gehoben: Das Gerät bietet noch mehr Mobilität und Komfort durch eine einfachere Einbindung von Office 365 mit den Business-Anwendungen Microsoft Whiteboard und Microsoft Teams. Egal, ob kreatives Scribbeln, Brainstorming oder Video-Meetings – mit dem Surface Hub 2S sind kreativer Teamarbeit keine Grenzen mehr gesetzt, denn es wurde speziell für den Modern Workplace konzipiert und ist prädestiniert, um als digitales Whiteboard, Meeting- und Kollaborationstool zu dienen. Mit Windows 10 als Basis lässt sich nach einer schnellen Anmeldung sofort auf alles zugreifen, was für kreatives Arbeiten benötigt wird: auf unternehmenseigene Software, auf Office-365-Dateien und natürlich auf Microsoft Teams genauso wie auf Apps von Drittanbietern. Eingebunden ist zudem das Microsoft Whiteboard, eine digitale Leinwand, auf der die Anwender geräteübergreifend gleichzeitig freihand zeichnen und sich

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Notizen machen können, wobei eine integrierte KI-Funktion die entstandenen Zeichnungen oder Handschriften automatisch verbessert. Surface Hub 2S ist deutlich schlanker und leichter als sein Vorgänger, was ihn spürbar mobiler macht. Außerdem punktet es mit einem 50˝-Multi-Touch-Display in 4K+-Auflösung, und es sorgt dank der integrierten Lautsprecher und Mikrofone

sowie einer 4K-Webcam dafür, dass auch von extern in das Meeting eingewählte Teilnehmer den Eindruck haben, sie seien live vor Ort. Für perfekte Konnektivität stehen im Übrigen mehrere USB-C-Ports zur Verfügung, unter anderem auch für Displayport, Mini-Displayport sowie USB Typ A. www.microsoft.com

N AC H R I C H T E N U N D T E R M I N E Restaurierung dank Deutscher Stiftung Denkmalschutz

Historische Hafendrehbrücke in Lübeck Eine Bronzetafel mit dem Hinweis »Gefördert durch die Deutsche Stiftung Denkmalschutz mit Hilfe der GlücksSpirale« an dem Bauwerk ruft seit kurzem zur Erinnerung auf: So wird an vorbildlichen Projekten das Engagement der privaten Förderer der Stiftung und der GlücksSpirale sichtbar gemacht, um zu weiterer Unterstützung zu motivieren. Sie ist eine der ältesten Brücken Lübecks. 1892 im Zuge der Planung für die Hafenerweiterung und den Ausbau des ElbeLübeck-Kanals errichtet, verkörpert diese Konstruktion eine der letzten funktionierenden historischen Wasserhydrauliken in Deutschland. Das repräsentative backsteinerne Betriebsgebäude im neogotischen Stil barg zudem die Brückenwärterwohnung, die Dampfmaschinenhalle und die Betriebsanlage der Drehbrücke, den Königsstuhl sowie den Steuerstand. Mit einer Länge von ca. 38 m und einer Breite von ca. 13 m wird die Hafendrehbrücke von Fußgängern und Fahrzeugen zur Überquerung der Stadt-Trave genutzt, ihre lichte Durchfahrtsbreite beträgt ca. 10 m. Die Brücke dient dem Zugang zum Museumshafen, und nur ihre Funktionsfähigkeit garantiert den Museumsschiffen die Ein- und Ausfahrt aus dem Hafen. Die Brücke wird immer noch bewegt wie zur Bauzeit. Das heißt, durch zwei sandgefüllte Akkus wird Wasser in den sogenannten Königsstuhl, das Brückengelenk, gedrückt. Die Brücke wird dabei angehoben und lässt sich dann auf dem entstandenen Wasserbett via Ketten drehen. Die Wartung der Konstruktion erfolgt bis heute mit historischen Materialien. Ganz einfach!

Das Stahlfachwerk und die Ausmauerung waren vor wenigen Jahren stark geschädigt, die Stahlstruktur in Teilen verrostet, teilweise existierten Querschnittsschwächungen. Außerdem fanden sich Risse

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und verschiedene Beschädigungen im Mauerwerk – inzwischen allesamt beseitigt, und zwar dank der grundhaften Restaurierung des kompletten Bauwerks.

Unsere Mediadaten können Sie als PDF unter www.zeitschrift-brueckenbau.de downloaden.

www.denkmalschutz.de

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VERLAGSGRUPPE W I E D E R Smit MixedMedia P A Konzepts HN Biebricher Allee 11 b 65187 Wiesbaden Tel.: +49/611/98 12 920 info@verlagsgruppewiederspahn.de www.verlagsgruppewiederspahn.de www.symposium-brueckenbau.de

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VERLAGSGRUPPE

1/2 . 2020 | BRÜCKENBAU

Biebricher Allee 11 b

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N AC H R I C H T E N U N D T E R M I N E Resultat eines Gemeinschaftsvorhabens

Neuer Windatlas für Europa Insgesamt 30 Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft aus acht verschiedenen Ländern haben europaweit an der Realisierung des Neuen Europäischen Windatlas (NEWA) zusammengearbeitet. Beteiligt waren hier unter anderem die Universität Oldenburg mit dem Zentrum für Windenergieforschung (ForWind), das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) und das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (IWES), wobei sie insbesondere neue Methoden zur Bewertung der Windverhältnisse entwickelt und validiert haben: Ein zentrales Ziel des Windatlas war die Erstellung von standardisierten Onlinekarten für die Standortbewertung. Mit Hilfe eines Wettermodells wurden die Windverhältnisse der zurückliegenden 30 Jahre über ganz Europa mit einer Auflösung von 3 km nachsimuliert. Das heißt, online können jetzt für jeden Punkt in der Europäischen Union (EU) Informationen über das langjährige Windklima abgerufen werden, wie zum Beispiel interaktive Karten, Zeitreihen und Statistiken von Windgeschwindigkeit und anderen windenergierelevanten Parametern in verschiedenen Höhen.

Das internationale Projekt NEWA startete 2015 und wurde aus nationalen Förderprogrammen der Partnerländer sowie EU-Mitteln mit einer Gesamtsumme von 13,50 Mio. € finanziert. Ziel war und ist, das europäische Windenergiepotential

genauer zu bestimmen und so einen Beitrag zur Kostenreduzierung für die Stromerzeugung aus Windparks zu leisten. www.map.neweuropeanwindatlas.eu

Siegreicher Beitrag der Ruhr-Universität Bochum

Bauen »mit« künstlicher Intelligenz Wie künstliche Intelligenz (KI) helfen kann, Bauwerke schneller und günstiger fertigzustellen, will ein Konsortium um den Lehrstuhl Informatik im Bauwesen der Ruhr-Universität Bochum (RUB) erforschen: Das Konsortium war in der ersten Phase des Wettbewerbs »Künstliche Intelligenz als Treiber für volkswirtschaftlich relevante Ökosysteme« erfolgreich, den das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie ausgerufen hat. Unter dem Namen »KI meets BIM« agierend, erarbeitet es eine Forschungsagenda, die sich vor allem vier Aspekten des Bauprozesses widmet: In der Entwurfsphase können Muster, Regeln und Optimierungen aus vorhandenen Projekten

150

BRÜCKENBAU | 1/2 . 2020

verwendet werden, um Konzepte automatisch zu generieren. Bei der Ablaufplanung soll KI wiederum helfen, eine möglichst effiziente Ausführung auf der Baustelle zu erzielen, ebenfalls basierend auf Erfahrungen aus früheren Projekten, also unter anderem auf Daten von Baumaschinen, Lieferprozessen, Störungen, Wetterbedingungen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Steuerung der Baustellenabläufe, was bedeutet, dass anhand von Bildern oder Laserscannern zum Beispiel Abweichungen und Mängel detektiert und bewertet werden sollen. Und zu guter Letzt wird die Phase der Nutzung betrachtet, werden ergo alle Daten analysiert, die Wartung und In-

standhaltung betreffen, und zwar mit dem Ziel, einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Mit dem Innovationswettbewerb »Künstliche Intelligenz als Treiber für volkswirtschaftlich relevante Ökosysteme« fördert das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie Leuchtturmprojekte, die neue Ansätze in der Anwendung künstlicher Intelligenz aufzeigen und Impulse für wichtige Sektoren in der deutschen Wirtschaft liefern, wobei einer von zehn Schwerpunktbereichen dem intelligenten Bauen gilt bzw. galt. www.digitale-technologien.de www.ruhr-uni-bochum.de

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PRODUKTE UND PROJEKTE

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Construction Construction && Engineering Engineering

ISSN 1867-643X ISSN ISSN 1867-643X 1867-643X

BRÜ

ISSN 1867-643X

Ja, ich nehme das Angebot an und bestelle ein Probeabonnement: Abonnement:

Ja, Angebot anan und bestelle einein Probeabonnement: Abonnement: Ja,ich ichnehme nehmedas das Angebot und bestelle Probeabonnement: Abonnement: Interessante Heftthemen veranschaulichen drei der Zeitschrift BRÜCKENBAU zum Preis von vier Ausgaben ... ist die jüngste Baufachzeitschrift der drei Ausgaben der Zeitschrift BRÜCKENBAU zum Preis vonvon vier ... ist die jüngste Baufachzeitschrift der drei Ausgaben der Zeitschrift BRÜCKENBAU zum Preis vier ... ist die jüngste Baufachzeitschrift der Lassen Sie sich überraschen von von € 42,00 Porto und MwSt. 56,00€inkl. viermal pro Jahr – davon eine Ausgabe als Lassen Sie sich überraschen VERLAGSGRUPPE WIEDERSPAHN. 42,00 inkl. Porto und MwSt. 56,00 Lassen Sie sich überraschen von VERLAGSGRUPPE € 42,00 56,00 inkl. Porto und MwSt. VERLAGSGRUPPEWIEDERSPAHN. WIEDERSPAHN. dieserdieser qualitätvollen Publikation, Tagungsband der internationalen Veranstaltung qualitätvollen Publikation, dieser qualitätvollen Publikation, Daseinzigartig gesamte Spektrum des Brücken»Brückenbau Construction & Engineering« Das gesamte Spektrum des Brückendie ist – und bisher Das gesamte Spektrum des Brückendie einzigartig ist –die bisher die einzigartig isterscheint –und unddie die bisher baus thematisierend, sie baus thematisierend, erscheint sie mitnoch überbestehende 200 Teilnehmern jeweils im Februar baus thematisierend, erscheint sie Firma/Büro Lücke im deutschFirma/Büro noch bestehende Lücke im deutschseit 2009 viermal pro Jahr. Firma/Büro noch bestehende Lücke im deutschseit 2009 viermal pro Jahr. seit 2009 viermal pro Jahr.im Bestand, in Leipzig – das Planen und Bauen sprachigen Fachzeitschriftenangebot sprachigen Fachzeitschriftenangebot sprachigen Fachzeitschriftenangebot die Lassen Ertüchtigung von Brückenbauwerken, Sie sich überraschen von von die Name/Vorname Lassen Sie sich überraschen schließt. Name/Vorname schließt. Lassen Sie sich überraschen von Name/Vorname schließt. Neuerrichtung von Autobahnund Eisenbahndieserdieser qualitätvollen Publikation, qualitätvollen Publikation, dieser qualitätvollen Publikation, die einzigartig ist – und bisher brücken sowie Entwurf und–die Ausführung von ISSN 1867-643X die einzigartig ist und die Straße/Hausnummer die einzigartig ist – und diebisher bisher Straße/Hausnummer noch noch bestehende Lücke im deutschJa, ich nehme das Angebot an und bestelle ein Probeabonnement: Abonnement: bestehende Lücke im deutschStraße/Hausnummer GehundInteressante Radwegbrücken, wobei auch HolzInteressante Heftthemen, teilweise noch bestehende Lücke im deutschHeftthemen, teilweise sprachigen Fachzeitschriftenangebot drei vier Ausgaben der Zeitschrift BRÜCKENBAU zum Preis von Interessante Heftthemen, teilweise der ... ist die jüngste Baufachzeitschrift sprachigen Fachzeitschriftenangebot brücken mehr und mehr Zuspruch sprachigen Fachzeitschriftenangebot Lassen Sie sich überraschen von verbunden mit Symposien, veran-finden. wird. € 42,00 56,00 inkl. Porto und MwSt. Postleitzahl/Stadt verbunden mit Symposien, veranVERLAGSGRUPPE WIEDERSPAHN. schließen wird. ISSN 1867-643Xschließen Postleitzahl/Stadt verbunden mit Symposien, veranschließen wird. Postleitzahl/Stadt dieser qualitätvollen Publikation, Ja, ich nehme das Angebot an und bestelle ein Probeabonnement: Abonnement: schaulichen das Planen und Bauen schaulichen das Planen und Bauen schaulichen das Planen undBrückenBauen der Themen wie BIM, teilweise als Special, drei Ausgaben der Zeitschrift BRÜCKENBAU zum Preis von vier ... ist die jüngste Baufachzeitschrift Das gesamte Spektrum des Weitere geplante Heftthemen sind die einzigartig istErtüchtigung –Heftthemen und die bisher im Bestand, die Ertüchtigung von E-Mail/Telefon Weitere geplante sind Lassen Sie sich überraschen im Bestand, die von E-Mail/Telefon € 42,00 inkl. 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Andernfalls Sie diese Zeitschrift weiter zum nach günstigen bis auf Widerruf. erhalten Bezugsbedingungen und Interessante Heftthemen, teilweise Firma/Büro noch bestehende Lücke im deutschAbonnementpreis sind verbindlich im Impressum jeder Ausgabe aufgeführt. seit 2009 viermal pro Publikation, Jahr. sprachigen Fachzeitschriftenangebot weiter zum günstigen Abonnementpreis bis aufjeder Widerruf. Bezugsbedingungen und Abonnementpreis sind verbindlich im Impressum Ausgabe aufgeführt. dieser qualitätvollen Abonnementpreis sind verbindlich im Impressum jeder Ausgabe aufgeführt. verbunden mit Symposien, schließen wird. sprachigen Fachzeitschriftenangebot die einzigartig ist – und dieveranbisher Postleitzahl/Stadt Straße/Hausnummer Lassen Sie sich Planen überraschen von noch bestehende Lücke im deutschName/Vorname schaulichen Bauen schließt. 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Interessante Heftthemen, teilweise sprachigen Fachzeitschriftenangebot mitEisenbahnbrücken MixedMedia Konzepts Datum Unterschrift mit MixedMedia von Autobahnund Weitere geplante Heftthemen sindKonzepts im Bestand, die Ertüchtigung von E-Mail/Telefon verbunden mit Symposien, veranschließen wird. mit MixedMedia Konzepts Postleitzahl/Stadt zum Beispiel und Biebricher Allee bAutobahnbrücken sowie Entwurf und von Zögern Sie11 also nicht und bestellen Biebricher Allee 11 bAusführung Brückenbauwerken, die Neuerrichtung schaulichen das Planen und Bauen und Radwegbrücken. Wenn Sie den BRÜCKENBAU nach Ablauf des Probeabonnements nicht weiterbeziehen 65187GehWiesbaden Abonnements nicht weiterbeziehen Biebricher Allee 11 b Sie ein Probeabonnement zum 65187 Wiesbaden Gehund Radwegbrücken. Datum Unterschrift möchten, genügt eine formlose schriftliche Mitteilung an den Verlag innerhalb von von Autobahnund Eisenbahnbrücken Weitere geplante Heftthemen sind Tel.: 0611/98 12 920 im Bestand, die Ertüchtigung von 65187 Wiesbaden E-Mail/Telefon Einführungspreis. Tel.: 0611/98 12 920 14 Tagen nach Erhalt der letzten Ausgabe. Andernfalls erhalten Sie diese Zeitschrift zum Beispiel Autobahnbrücken und weiter zum günstigen Abonnementpreis bis auf Widerruf. Bezugsbedingungen und Fax: 0611/80 12 52 12 Tel.: 0611/98 12 920 Fax: 0611/80 52 sowie Entwurf und Ausführung von Zögern Sie also nicht bestellen Brückenbauwerken, dieund Neuerrichtung Abonnementpreis sind verbindlich im Impressum jeder Ausgabe aufgeführt. kontakt@verlagsgruppewiederspahn.de Gehund Radwegbrücken. Fax: 0611/80 12 52 kontakt@verlagsgruppewiederspahn.de Wenn Sie den BRÜCKENBAU nach Ablauf des Probeabonnements nicht weiterbeziehen Abonnements nicht weiterbeziehen Sie ein Probeabonnement zum Gehund Radwegbrücken. Datum Unterschrift möchten, genügt eine formlose schriftliche Mitteilung an den Verlag innerhalb von www.verlagsgruppewiederspahn.de von Autobahnund Eisenbahnbrücken kontakt@verlagsgruppewiederspahn.de www.verlagsgruppewiederspahn.de Einführungspreis. 14 Tagen nach Erhalt der letzten Ausgabe. Andernfalls erhalten Sie diese Zeitschrift www.mixedmedia-konzepts.de www.verlagsgruppewiederspahn.de www.mixedmedia-konzepts.de weiter zum günstigen Abonnementpreis bis auf Widerruf. Bezugsbedingungen und sowie Entwurf und Ausführung von Zögern Sie also nicht und bestellen Abonnementpreis sind verbindlich im Impressum jeder Ausgabe32 aufgeführt. BRÜCKENBAU | www.mixedmedia-konzepts.de Wenn Sie den BRÜCKENBAU nach Ablauf des Probeabonnements nicht weiterbeziehen Abonnements nicht weiterbeziehen Sie ein Probeabonnement zum . 1/2 2020 | BRÜCKENBAU Geh- und Radwegbrücken. möchten, genügt eine formlose schriftliche Mitteilung an den Verlag innerhalb von 151 | Sonderausgabe 2012 BRÜCKENBAU | Sonderausgabe 2012 32BRÜCKENBAU Einführungspreis. 14 Tagen nach Erhalt der letzten Ausgabe. Andernfalls erhalten Sie diese Zeitschrift

BRÜCKENBAU Construction & Engineering BRÜCKENBAU Construction & Engineering BRÜCKENBAU Construction & Engineering

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N AC H R I C H T E N U N D T E R M I N E Höchst verdienstvolles Buch aus dem Franz Schiermeier Verlag

Erinnerung an Leben und Werk eines Wegbereiters Das erst vor kurzem erschienene Buch ist dem frühen deutschen Autobahnbau und einem seiner maßgebenden Exponenten gewidmet: Hans Wilhelm Lorenz (1900–1975). Nach einer langen Diskussionsphase mit nur zwei realisierten Projekten, nämlich des Avus (1913–1921) und der Kraftwagenstraße Köln–Bonn (1929–1932) wird 1933 das Unternehmen »Reichsautobahnen« gegründet. 1937 erscheint dann die legendäre Baurab TG, deren letzte Fassung über 30 Jahre hält. Das heißt, bis 1973 werden die Bundesautobahnen nach dieser Richtlinie geplant. Lorenz hat wesentlichen Anteil daran, er prägt die Gestaltung und Sicherheit der Autobahnen und Landstraßen vor und nach 1945. So waren die alten Landstraßen noch für Pferdefuhrwerke gebaut worden, dem Kraftverkehr genügten sie deshalb in keiner Weise: In den 1920er Jahren stellte man vor den »als Todeskurven verschrienen« Streckenabschnitten als Notbehelf Warntafeln auf. Im Aufsatz »Vom Zickzack zur Stromlinie«, in dem Lorenz den Paradigmenwechsel in der Straßentrassierung beschreibt, zitiert er nun zwei Systemskizzen, die Paul Schultze-Naumburg 1916 in seinen »Kulturarbeiten« veröffentlicht hatte. Er kommentiert: »Nichts macht eine Straße unübersichtlicher, zum Fahren ungeeigneter und gefährlicher, als die beständigen kurzen Knicke, die

keine Übersicht zulassen und dem rollenden Gefährt die Stetigkeit seiner Fortbewegung nehmen. Besonders für den Motorwagen sind sie unerträglich.« Hochaktuell ist zudem Lorenz‘ Absage an jegliche Energieverschwendung. So suchte er mittels Variantenvergleichen stets die, gesamtwirtschaftlich betrachtet, sparsamste Trasse, verliert aber dabei nie den Blick für das große Ganze – für Ökonomie, Ökologie, Verkehrssicherheit und Ästhetik gleichermaßen. Landschaftsgestaltung bedeutete für ihn, durch respektvollen Umgang mit dem ursprünglichen Gelände und dem Bewuchs entlang der Autobahn eine abwechslungsreiche Folge von Landschaftsräumen zu schaffen, die die Strecke zu einem Erlebnis für Fahrer und Mitreisende macht. Unschätzbare Pionierarbeit leistete er darüber hinaus in puncto Mutterbodenschutz, Rekultivierung von Seitenentnahmen oder deren Nachnutzung als Badeseen, Lebendverbau und naturgerechte Straßenentwässerung. Das vorliegende Werk beschreibt das persönliche Schicksal eines deutschen Ingenieurs, eingebettet in die große Geschichte des 20. Jahrhunderts. Und: Das »Gesamtkunstwerk Straße« ist auch die Dokumentation einer aussterbenden Gattung, der sogenannten schönen Straße, die nicht nur funktionale Kriterien erfüllen muss. Und zugleich bietet diese höchst verdienstvolle Publikation eine

Reminiszenz an die Zeit, als die Autobahnen noch staufrei waren und es so etwas gab wie eine gesunde Fahrfreude. »Gesamtkunstwerk Straße« be- und »Die Geschichte des Autobahnpioniers Hans Lorenz« untertitelt, wartet das außerordentlich lesenswerte Buch von Wolfgang Wirth mit 280 Seiten und 298 Abbildungen auf, die en détail begutachtet werden wollen. Angesichts eines Preises von lediglich 45 € sollte es eigentlich von allen Infrastrukturplanern gekauft und eingehend studiert werden (können). www.franz-schiermeier-verlag.de

Veröffentlichung im Motorbuch Verlag

Entwicklungsende eines Klassikers Über Geschichte und Modellentwicklung des VW Käfers wurde bereits viel geschrieben, ja wurden schon zahlreiche Bücher veröffentlicht, liefen doch mehr als 20 Millionen Exemplare dieses, im besten Sinne, motorisierten Sonderlings über die Fertigungsbänder auf der ganzen Welt. Eine Variante blieb dabei aber häufig ausgespart oder kam schlichtweg zu kurz, nämlich der sogenannte 1302, der danach quasi in den 1303 überging. Zu Beginn der 1970er Jahre sank indessen die Nachfrage nach den bisweilen durchaus knuffig anmutenden Vehikeln. Um nun den gestiegenen Sicherheitsanforderungen auf dem wichtigen amerikanischen Markt gerecht zu werden, wurde der Vorderwagen des Käfers verlängert,

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was zum 1302 und dann zum letzten großen Typus mit charakteristischer Panoramawindschutzscheibe führte, dem 1303. Allerletzter Vertreter jener Baureihe war schließlich das 1303-Cabrio, das bis 1980 produziert wurde. Mit einer beeindruckenden Menge an historischen Fotos, Dokumenten und Prospekten setzt der bekannte (Auto-)Fachjournalist Alexander F. Storz ebenjenem Ausklang einer Designepoche ein Denkmal und – lässt so auf insgesamt 144 Seiten neben der Technikgeschichte auch die 1970er Jahre zum Preis von lediglich 19,95 € höchst anschaulich wiederaufleben. www.paul-pietsch-verlage www.motorbuch-versand.de

BRANCHENREGISTER BAUWERKSÜBERWACHUNG UND ERDBEBENSCHUTZ

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BRANCHENREGISTER LÄRMSCHUTZWÄNDE

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IMPRESSUM

BRÜCKENBAU ISSN 1867-643X 12. Jahrgang Ausgabe 1/2 . 2020 www.zeitschrift-brueckenbau.de Herausgeber und Chefredakteur Dipl.-Ing. Michael Wiederspahn mwiederspahn@verlagsgruppewiederspahn.de Verlag

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Biebricher Allee 11 b D-65187 Wiesbaden Tel.: +49 (0)6 11/84 65 15 Fax: +49 (0)6 11/80 12 52 www.verlagsgruppewiederspahn.de Anzeigen Ulla Leitner Zur Zeit gilt die Anzeigenpreisliste vom Januar 2020. Satz und Layout Christina Neuner Bilder Titel und Inhaltsverzeichnis ROB Habibganj in Bhopal, Indien © Maurer SE Druck Schmidt printmedien GmbH Haagweg 44, 65462 Ginsheim-Gustavsburg Erscheinungsweise und Bezugspreise Einzelheft: 14 Euro Doppelheft: 28 Euro Sonderpreis Tagungsband: 48 Euro Abonnement: Inland (4 Ausgaben) Ausland (4 Ausgaben)

56 Euro 58 Euro

Der Bezugszeitraum eines Abonnement beträgt mindestens ein Jahr. Das Abonnement verlängert sich um ein weiteres Jahr, wenn nicht sechs Wochen vor Ablauf des berechneten Bezugszeitraums schriftlich gekündigt wird. Copyright Die Zeitschrift und alle in ihr enthaltenen Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlags in irgendeiner Form reproduziert oder in eine von Maschinen verwendbare Sprache übertragen werden. Mit Ausnahme der gesetzlich zugelassenen Fälle ist eine Verwertung ohne Einwilligung des Verlags strafbar. Beilagen Die Gesamtauflage von Ausgabe 1/2 ∙ 2020 enthält eine Beilage der R. Kohlhauer GmbH, Gaggenau.

MAURER Schwenktraversen-Dehnfugen IZMIT BAY BRIDGE, IZMIT, TÜRKEI | 4. LÄNGSTE HÄNGEBRÜCKE DER WELT MIT HOHEN ERDBEBEN ANFORDERUNGEN

Anwendung: Der Einbau von MAURER Schwenktraversen soll die Hängebrücke befahrbar machen und im Falle eines Erdbebens vor horizontaler Überlast schützen. Vorteile: • Uneingeschränkte Aufnahme der spezifizierten Bewegungen und gleichzeitige Übertragung von Verkehrslasten • Überfahrbarkeit der Dehnfuge für Notfallfahrzeuge nach Erdbebenfall • Überlastschutz des Brückendecks von zu großen Horizontalkräften • Wartungsfreie Dehnfuge

• Langlebigkeit durch hohe Qualität der verwendeten Materialien • Erdbebenverschiebung in Brückenlängsrichtung von ca. 4 m • 10 x höhere Verschiebegeschwindigkeit im Servicebetrieb von bis zu 20 mm/sek • Korrosionsschutz durch wasserdichte Mittelträgerverbindung

MAURER SE | Frankfurter Ring 193 | 80807 München Telefon +49.89.323 94-0 | Fax +49.89.323 94-306 | www.maurer.eu

Referenzen: • Bahia de Cadiz, Spanien • Hochmoselübergang, Deutschland • Izmit Bay Bridge, Izmit, Türkei • Mainbrücke Randersacker, Deutschland • Rheinbrücke Schierstein, Deutschland • Rion Antirion, Griechenland • Russky Island Brigde, Wladiwostok, Russland • Tsing Ma, China • Viadukt Millau, Frankreich

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Brückenbau 1-2/2020

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Passive Vibration Reduction by Curved Surface Slider Systems

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Zweite Hinterrheinbrücke in Reichenau

Brückeninspektion 4.0

Instandsetzung der König-Ludwig-Brücke in Kempten

Auswirkungen von Verkehrsschwingungen auf den erhärtenden Beton

Verstärkung von Ingenieurbauwerken unter laufendem Betrieb

Die neue Bahnbrücke Kattwyk in Hamburg

Eisenbahnbrücken in Österreich

Mumbai Trans Harbour Link

Ersatzneubau der Norderelbbrücke in Hamburg

Eisenbahnbrückenbau für eine starke Schiene

Verbreiterung der Hochstraße Elbmarsch in Hamburg

Ersatzneubau der Mainbrücke Mainflingen

Großbrückenbau in Nigeria

Eine Brückenfamilie für Riedlingen