Fachbeiträge & Interviews
Donnerstag, 26. Mai 2022
Ausgabe 7584 | Nr. 146 | 21. Jahrgang
D.I.E. Baustatik Software - Einfach | Anders | Besser
Autor: Dr.-Ing. Dirk Jankowski, Dr.-Ing. Oliver Fischer und Dipl.-Ing. Manfred Matthes
Herausgeber: AJG Ingenieure GmbH email-weiterempfehlendruckansicht

Hybride Tragwerke - Teil 2/2

# 21.10.2002

Hybride Tragwerke entstehen durch die Kopplung von Spannbeton- und Stahlverbundkonstruktionen. Der zweite Teil des Beitrags zeigt nun einige Anwendungsbeispiele auf: Donaubrücke Vilshofen - Bogenbrücke Rheinau Hafen, Mannheim - Nibelungenbrücke Regensburg

Donaubrücke Vilshofen

Abb. 8 und 9 - Modellphotos der Donaubrücke in Vilshofen Abb. 8 und 9 - Modellphotos der Donaubrücke in Vilshofen

Ein weiteres Beispiel für die Koppelung von Spannbeton- und Stahlverbundtragwerk stellt der Neubau der Donaubrücke bei Vilshofen dar (Abb. 8 und 9). Nachdem die Schiffahrtsöffnung der Donau im Zuge des Wasserstraßenausbaus von gegenwärtig 49 m auf 90 m aufgeweitet werden muß, wurde eine überwiegende Teilerneuerung der bestehenden bestehenden 8-feldrigen Straßenbrücke mit Abbruch von zwei Strompfeilern und dadurch verminderter Felderzahl ausgeschrieben. Die alte Deckbrücke - eine orthotrope Stahlkonstruktion aus dem Jahr 1978 - wurde zunächst auf provisorische Hilfsunterbauten in Seitenlage verschoben und dient zur Aufrechterhaltung des flußüberbrückenden Straßenverkehrs während der Bauzeit. Die neu konzipierte Brückenkonstruktion sah für die große Schiffahrtsöffnung ein Stahlbogentragwerk mit 116 m Spannweite vor, an das nach Ausschreibungsentwurf im Süden ein neuer Brückenabschnitt als Stahlverbundüberbau mit 2 kurzen Stützweiten von je 25,80 m biegesteif angeschlossen war.

Nördlich des Stahlbogens hingegen sollte sich trotz geringerer Brückenbreite ein teilweise umzubauendes abgetrenntes Reststück der alten Brücke als Dreifeldtragwerk mit Übergangsfuge anschließen, das wieder nahezu in seine Ausgangslage zurückverschoben werden sollte. Auch hier wurde ein Sondervorschlag mit hybrider Konstruktion beauftragt, der von der Bilfinger+Berger Bauaktiengesellschaft eingebracht wurde und deutlich kostengünstiger war.

Ausgehend von der neuen Mittelöffnung mit einem doppelten, um 15° geneigten Stahlbogen und einer abgehängten Stahlverbundfahrbahnplatte wurden sowohl die nördlich als auch südlich angrenzenden Brückenabschnitte als Spannbetontragwerke biegesteif mit der Fahrbahnplatte des Bogens verbunden. Obwohl mit dieser Konstruktion auf die weitere Verwendung von rund 800 m² Brückenfläche des Altbestands bei eingeschränkter Brückenbreite verzichtet wurde und statt dessen über 1100 m² neu errichtete Brückenfläche zur Verfügung gestellt wurden, erwies sich die Ausführung der Tragwerksteile außerhalb des Bogenabschnitts mit Spannbetonfertigteilträgern als sehr wirtschaftliche Lösung. Vorteile der hybriden Bauart infolge Kopplung der Spannbetonträger mit dem Bogentragwerk sind im Ausführungsbeispiel:

  • Minimierung der Baukosten
  • Einheitliche Geometrie in der Fahrbahnebene über die gesamte Brückenlänge
  • keine Einschnürung der Fahrbahnbreite von 3 auf 2 Fahrspuren durch Zwangsvorgaben des Bestandsbauwerkes
  • Wegfall einer Fugenübergangskonstruktion am Bogenende
  • Verkürzung der Sperrzeit des Flußübergangs bei der Rückverlegung des Verkehrs durch das Entfallen des Rückverschubs eines Teils der Bestandsbrücke.

Die Verbindung zwischen dem Bogentragwerk und seinen Nachbarabschnitten erfolgt im Bereich der Querträger an den Bogenenden. Diese sind primär Endquerträger der Bogenbrücke und somit Stahlverbundbauteile in der Fahrbahnplattenebene. Sekundär erhalten sie eine massive Ortbetonergänzung, die unter anderem der Kraftüberleitung von 3 Fahrbahnlängsträgern des Bogens auf 5 Stege der Spannbetonträger dient. Diese aus den jeweiligen Abschnitten optimierte Anordnung der Längstragelemente führt naturgemäß im Zusammenschluß lokal zu besonderen Zusatzbeanspruchungen in Form von Torsionsmomenten und horizontalen Spreizkräften aus der Kraftumlenkung.

Abb. 10 und 11 - Teilausschnitt des Endquerträgers / Spannbeton-Teilträger an der Kopplungsstelle Abb. 10 und 11 - Teilausschnitt des Endquerträgers / Spannbeton-Teilträger an der Kopplungsstelle

Im vorliegenden Fall haben diese Querträger eine Gesamtbreite von 1,80 m, von denen 40 cm als Torsionskasten im Stahlbereich ausgebildet sind, der Rest massiv in Beton B55. Längs- und Querkräfte werden auch hier über Kopfbolzendübel übertragen. Die Längskräfte in der Ober- bzw. Untergurtebene können Zug- oder Druckkräfte sein, die im wesentlichen aus wechselnden Verkehrslastmomenten herrühren. Negative Stützmomente können in der Regel problemlos durch schlaffe Bewehrung innerhalb der Fahrbahnplatte abgedeckt werden. Aufgrund der Steifigkeitsverhältnisse von Bogen und anschließenden Feldern zeigte sich jedoch bei der statischen Bearbeitung, daß vor allem infolge Verkehrsbelastung des halben Bogens größere positive Stützmomente auftraten, die innerhalb der Querträger in die Fertigteillängsträger übertragen werden mußten.

Hierzu wurden im unteren Randbereich zusätzliche koppelbare Bewehrungsstäbe Gewi Ø 32 mm zur Zugkraftweiterleitung eingebaut (siehe Abb.11). Die Querträgersituation auf der Stahlseite mit den erforderlichen Querschotten und den Kopfbolzen zur Lastausleitung ist Abb. 10 zu entnehmen. Bei dieser Kopplung zeigte sich insbesondere, daß die Einführung einer sicherheitstechnischen Vereinheitlichung der Normen für den Stahl- und Spannbeton einerseits und dem Stahl bzw. Stahlverbund andererseits dringend erforderlich ist. Nach den aktuellen eingeführten Normen stellt sich die Frage: Ist der einbetonierte Endquerträger des Bogenteils als Betonbauteil (globaler Sicherheitsfaktor 1,75) oder als Stahlverbundbauteil (globaler Sicherheitsfaktor 1,4) zu betrachten? Mit Einführung der neuen Normengeneration werden diese Unstimmigkeiten wohl behoben sein.

Bogenbrücke Rheinau Hafen, Mannheim
Bei der oben beschriebenen Donaubrücke wurde das an den Bogen gekoppelte Spannbetontragwerk aus Fertigteilen erstellt. Die Planung und Ausführung der Kopplung erfordert dabei besondere Sorgfalt, da keine nachträgliche Lagekorrektur der Koppelelemente mehr möglich ist, die Platzverhältnisse beengt sind und die aus den Fertigteilen benötigte Anschlußbewehrung größtenteils mit Bewehrungsanschlüssen eingebaut werden muß. Die Entscheidung zur Fertigteillösung ergab sich dort aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten insbesondere im Hinblick auf die vereinfachte Herstellung der ebenfalls im Flußbereich angeordneten Vorlandfelder. Bei ausschließlicher Bewertung der Koppelstelle hätte die Ausführung der Vorlandfelder in Ortbeton die Planung und Herstellung des Überganges vereinfacht.

Ein ganz anderes Hybridkonzept bei einer Bogenbrücke kommt derzeit ebenfalls als Sonder-vorschlag bei einem Bauwerk im Mannheimer Hafen zur Ausführung (Abb. 12,13).

Mit der Ausführung beauftragt wurde eine ARGE bestehend aus der Bilfinger+Berger Bauaktiengesellschaft (NL Ingenieurbau Südwest) und den Firma Ed. Zublin und Max Früh, der Sondervorschlag wurde durch das Ingenieurbüro Walther - Mory - Maier erarbeitet.

Besonderes Kennzeichen der Brücke Rheinau Hafen ist dabei der durchgängige Einsatz von Spannbeton für die gesamte Fahrbahnplatte. Sowohl in den Vorlandfeldern als auch im Bogenbereich bildet ein vorgespannter zweistegiger Plattenbalkenquerschnitt die monolithisch verbundene Fahrbahntafel. Aufgrund des geringen Abstandes zum Gelände wird das Betontragwerk der Vorlandfelder auf Lehrgerüst in Ortbetonbauweise hergestellt. Der Plattenbalken der Hauptöffnung wird erst nach dem Einschwimmen des Bogens in Endlage betoniert und durch Vorspannung mit nachträglichem Verbund mit den Vorlandabschnitten gekoppelt. Auch bei diesem Projekt konnte durch die Kontinuität der Fahrbahnplatte auf Übergangskonstruktionen an den Enden des großen Bogenfeldes verzichtet werden.

Bei dieser vorgestellten Brücke kommt Konstruktionsstahl ausschließlich für den reinen Bogen und die Hänger zum Einsatz. Der biegesteife Übergang zwischen Stahl- und Beton erfolgt hier an den vier Kämpferpunkten, die in Stahlbeton ausgeführt werden. Da beim Einschwimmen des am Ufer vormontierten Tragwerkes die Fahrbahnplatte noch fehlt, wurden als temporäre Zugbänder für die Bogenmontage Stahlrohre zwischen den Kämpferpunkten eingebaut.

Nibelungenbrücke Regensburg (Angebotsprojekt)

Abb. 12 und 13 - Brücke Rheinau Hafen in Mannheim, Bogenherstellung Abb. 12 und 13 - Brücke Rheinau Hafen in Mannheim, Bogenherstellung

Für die beiden Nibelungenbrücken in Regensburg, die im Zuge der B8 zwei Donauarme überspannen, wird aufgrund des vorhandenen Verkehrsaufkommens und der reduzierten Tragfähigkeit der bestehenden Bauwerke der Abriß und Neubau erforderlich. Das ausgeschriebene Konzept für den Neubau (Baubeginn 2001), das eine Verbundbrücke mit Kastenquerschnitt und außenliegenden schrägen Stahldruckstreben zur Stützung der auskragenden Fahrbahnplatte vorsieht, basiert auf dem ausgewählten Entwurf eines Realisierungswettbewerbes. Im Zuge der Angebotsbearbeitung wurde durch das Technische Büro München der Bilfinger+Berger Bauaktiengesellschaft ein Sondervorschlag konzipiert, der - unter Beibehaltung der geometrischen und ästhetischen Grundkonzeption - allein durch die veränderte Anordnung und die Kopplung der Materialien Stahl und Beton eine wirtschaftlich optimierte Lösung ergab. Das Konzept sieht einen vollständig hybriden Überbau vor, der sich neben der biegesteifen Verbindung von Spannbeton- und Verbundbauwerk auch durch den örtlichen Einsatz von Leichtbeton und hochfestem Normalbeton sowie durch eine Kombination von externer und interner Vorspannung auszeichnet. Insgesamt führte der Entwurf - allein für die Brückenbauwerke - zu einer Kostensenkung von etwa 11% (einschließlich optimierter Unterbauten) verglichen mit dem parallel angebotenen Amtsvorschlag. Trotz der wirtschaftlichen Optimierung führte der beschriebene Sondervorschlag jedoch nicht zum Auftrag, da aufgrund der angespannten Marktsituation der Verwaltungsentwurf von Mitbewerbern noch günstiger angeboten wurde.

Ein besonderes Merkmal der vier jeweils dreifeldrigen Teilbauwerke der neuen Nibelungenbrücke ist das stark unterschiedliche Stützweitenverhältnis zwischen den Fluß- und den Randfeldern. Insbesondere beim südlichen Donauarm erreicht dieses Verhältnis bei Einzelstützweiten von 39,45 m - 90,00 m - 39,45 m einen Faktor von etwa 2,3 (Abb. 14). Aufgrund dieser geometrischen Randbedingungen kann sich eine Leichterung der Mittelfelder bei gleichzeitiger Ballastierung der Randfelder nur vorteilhaft auswirken, sowohl im Hinblick auf statische als auch auf wirtschaftliche Gesichtspunkte. So sieht das vorgestellte Konzept für die kurzen Vorlandfelder einen entsprechend der Richtlinie [7] in Mischbauweise errichteten Kastenquerschnitt aus Normalbeton B45 vor, während in den Flußfeldern die Verbundbauweise des Verwaltungsentwurfes beibehalten wurde. Damit wird neben einer günstigeren Schnittgrößenverteilung auch erreicht, daß über etwa 50 % der gesamten Brückenlänge auf teueren Baustahl St52 für den Hohlkasten verzichtet werden kann. Durch die nun deutlich schwereren Randfelder ergibt sich auch eine Entlastung der Hauptfelder und es stellen sich günstigere Auflagerverhältnisse an den Widerlagern ein, so daß dort abhebende Lagerkräfte vermieden werden. Auch im Hinblick auf optische Gesichtspunkte wirkt das hybride Konzept ansprechend, da für den Betrachter die Verwendung von leichterem Stahl im großen Flußfeld und der Einsatz von Beton in den Randfeldern nur logisch erscheint und die Kopplung der Kästen der beiden Tragwerkstypen ohne äußerlich sichtbare Verbindungsmittel möglich ist.

Abb. 14 - Nibelungenbrücke Regensburg - Konzept des Hybridtragwerkes (Sondervorschlag) Abb. 14 - Nibelungenbrücke Regensburg - Konzept des Hybridtragwerkes (Sondervorschlag)

Die biegesteife Kopplung der beiden Konstruktionstypen erfolgt zweckmäßigerweise im Bereich der Momentennullpunkte (eine ähnliche Verbindung von Spannbeton- und Verbundtragwerk wurde beispielsweise auch bei der neuen Elbebrücke in Pirna ausgeführt [2]). Für die eigentliche Verbindung ist ein Stirnplattenstoß mit Kopfbolzendübeln vorgesehen. Die externen Spannglieder, die jeweils in den Randfeldern und an den Pfeilern umgelenkt werden, werden über die Koppelfuge in den Stahlkasten geführt und an einem Feldquerträgerrahmen verankert. Zusätzliche interne Spannglieder mit nachträglichem Verbund spannen die Verbundplatte im Stützbereich und die Bodenplatte des Kastenträgers in den Randfeldern vor. Wegen der vorgeschriebenen geringen Bauhöhe von 3,20 m (Schlankheit > 1 / 28 für das 90 m Hauptfeld) wurde zusätzlich für die Fahrbahnplatte im Flußbereich Leichtbeton LB35 vorgesehen. Durch die so erzielbare Gewichtseinsparung ist eine weitere Reduktion der Stahlmassen St52 im Mittelfeld möglich und es wird durch geringere Stützmomente die Bemessung des Spannbetonkastens im Stützenbereich erleichtert. Zusätzlich wurde in der hochbeanspruchten Druckzone an den Stützquerträgern örtlich ein Hochleistungsbeton B85 vorgesehen, der restliche Kastenbereich (einschließlich Fahrbahnplatte) in normalfestem B45 konzipiert. Wie in der klassischen Doppelverbundbauweise bringt die Abtragung der Druckkräfte im Stützenbereich durch Beton - hier trotz der höheren Materialkosten für den hochfesten Beton - deutliche wirtschaftliche Vorteile. Weitere Einsparungen ergeben sich durch den vollständigen Entfall aufwendiger Stahlquerträger an Stützen und Widerlagern.

Die theoretischen und praktischen Grundlagen für die Ausarbeitung des beschriebenen Sondervorschlages in Hybridbauweise basieren auf einem mehrjährigen Verbund - Forschungsvorhaben der Bilfinger+Berger Bauaktiengesellschaft mit der Universität Leipzig [3, 6] sowie entsprechender Erfahrung durch ausgeführte Brückenbauwerke in Hochleistungsbeton mit Normal- und Leichtzuschlag (Beispiele: Brücke Sasbach [5], Karl-Heine-Bogen [3], Freivorbau- und Taktschiebebrücken Altenheim-Eschau (in Bau), etc.).

5. Schlußbemerkung

Im vorliegenden Beitrag wurde gezeigt, wie aus der Verbindung von Stahl- und Spannbeton- sowie Stahl- bzw. Stahlverbundbauteilen im Brückenbau hybride Tragwerke entstehen. Diese Tragwerke zeichnen sich durch ein robustes Tragverhalten, geringe Wartungserfordernisse und eine hohe Wirtschaftlichkeit aus. Die Anwendung derartiger Tragwerke wird daher in Zukunft weiter zunehmen.

Zu den Autoren:

  • Dr.-Ing. Dirk Jankowski
    AJG Ingenieure GmbH - Abelein Jankowski Gebbeken - München
  • Dr.-Ing. Oliver Fischer
    Bilfinger+Berger Bauaktiengesellschaft,
    Technisches Büro Ingenieurbau, München
  • Dipl.-Ing. Manfred Matthes
    Bilfinger+Berger Bauaktiengesellschaft,
    Ingenieurbau, TID München



  • Literaturhinweise

    • [1] BMV: Typenentwurf "Stahlverbundbrücken über zweibahnige Bundesfernstraßen mit Mittelstreifen", Ausgabe 1998
    • [2] Wange, G., Eilzer, W.: Neue Elbebrücke in Pirna, in: Tagungsband Straßenbrückenbau in Deutschland, S. 19-24, Leipzig, 2000
    • [3] König, G., Dehn, F., Fischer, O., Krill, A.: Hochfester konstruktiver Leichtbeton - Bemessung und Konstruktion vorgespannter Bauteile, Beton- und Stahlbetonbau 95 (2000), H. 7, S. 392-414
    • [4] Freistaat Bayern, Straßenbauamt Passau: Neubau der Donaubrücke Vilshofen, 2000
    • [5] Bernhardt, K., Brameshuber, W., König., G., Krill, A., Zink, M.: Vorgespannter Hochleistungsbeton: Erstanwendung in Deutschland beim Pilotprojekt Sasbach, Beton- und Stahlbetonbau 94 (1999), H. 5, S. 216-223
    • [6] König, G., Schmidt, D., Wagner, P., Zink, M.: Hochleistungsbeton für den Brückenbau, Beton- und Stahlbetonbau 93 (1998), H. 5, S. 3-10
    • [7] BMV: Richtlinie für Kastenbrücken mit externer Vorspannung, 1999
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