11. Symposium Brückenbau in Leipzig - zeitschrift-brueckenbau ...

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11. SYMPOSI UM LEI PZIG Definition, Charakteristika und ausführte Beispiele Renaissance der integralen Bauweise im Brückenbau von Winfried Glitsch Jede Fuge, insbesondere jede Dilatationsfuge, ist eine Schwachstelle und erfordert einen erhöhten Unter- haltungsaufwand. Diese Erkenntnis hat in den letzten Jahren im In- und Ausland zu einer Rückbesinnung auf die fugen- und lagerlose Bauweise geführt. Dabei sind fugenlose Struk- turen von alters her bekannt. In der Vergangenheit wurden zahlreiche integrale Bauwerke, vor allem ein- feldrige Rahmenbrücken, aber ebenso semiintegrale (halbintegrale) Konstruktionen mit Lagern und Dilatationsfugen an den Widerlagern realisiert. Die lager- und fugenlose Bauweise bietet vielseitige Einsatzmöglichkeiten, sie be- dingt zugleich jedoch ein hohes Maß an Ingenieurverstand. Dies gilt sowohl für die Planung als auch für die Bauausführung. 1 Einleitung Jede Fuge, insbesondere jede Dilatationsfuge, ist eine Schwachstelle und verur- sacht einen erhöhten Unterhaltungsaufwand. Dies gilt ebenso für Brücken- lager, wenn auch in deutlich geringerem Maße. [5] Widerlager 34 BRÜCKENBAU | 1 . 2011 Hauptbewegungsrichtung 1 Prinzip einer integralen Brücke © Hessisches Landesamt für Straßen- und Verkehrswesen Dehnfuge Pfeiler 2 Prinzip einer semiintegralen Brücke © BMVBS/Arbeitsgruppe integrale Bauweise Deshalb ist seit einigen Jahren die Wiederentdeckung der lager- und fugenlosen Bauweise [3] im Brückenbau zu beobachten. Dies trifft nicht nur für Deutschland zu, gerade im Ausland ist sie stark verbreitet. Seit mehreren Jahren beschäftigen sich Forschungsprojekte und Arbeitsgruppen im In- und Ausland intensiv mit dem Thema »Integrale Brücken«, um gesicherte Kenntnisse zu erlangen und ihren Einsatz zu fördern und auszuweiten. In England ist sie bereits die übliche Bauweise bei Brü- ckenlängen bis 60 m und in einigen Bundesstaaten der USA mittlerweile als Standardbauweise in »Bridge Design Manuals« geregelt. In der Schweiz, in Österreich und in Deutschland werden derzeit Richtlinien bzw. Entwurfshilfen für ihre Anwendung erstellt bzw. stehen kurz vor der Einführung. In Deutschland ist eine kleine Arbeitsgruppe im Auftrag des Brückenbaureferates des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadt- entwicklung (BMVBS) mit dieser Thema- tik befasst. Mit der Etablierung der Begriffe integral und semiintegral und der Anwendung der fugenlosen Bauweise über den bis dato vorhandenen Erfahrungsbereich hinaus sind die beiden Bezeichnungen heute in aller Munde. Überbau Widerlager Verschiebungsruhepunkt 2 Die Begriffe integral und semiintegral Bei den lager- und fugenlosen Bauwerken unterscheidet man im Wesentlichen zwei Kategorien: integrale und semiintegrale Brücken. Brücken ohne Fugen und Lager werden als integrale Bauwerke bezeichnet. Der Überbau einer integralen Brücke ist über die gesamte (Brücken-)Länge fugenlos durchlaufend und weder von den Pfei- lern noch von den Widerlagern durch Fugen oder Lager getrennt: Alle Bauteile sind monolithisch miteinander verbunden. Betongelenke werden als monolithische Verbindung verstanden. [1] [2] Für den Begriff semiintegral (halbintegral) gibt es unterschiedliche Definitionen. In den USA und teilweise auch in den europäischen Nachbarstaaten werden Brücken als semiintegral bezeichnet, welche entweder Fahrbahnübergänge oder Lager aufweisen, aber nicht beides. Die Lager oder Fahrbahnübergangskonstruktionen werden nur an den Widerlagern angeordnet. [5] In Deutschland sind gelagerte Brücken ohne Fahrbahnübergänge bisher nicht üblich, deshalb wird meist folgende Defi- nition gewählt: Semiintegrale Brücken sind Rahmentragwerke, bei denen min- destens zwei Pfeiler monolithisch, also ohne Lager, an den Überbau angeschlossen sind. Die Widerlager sind mit Fahr- bahnübergängen und Lagern ausgestattet. Wie bei integralen Bauwerken resultieren aus der statisch unbestimmten Lagerung eines Teilsystems auch bei semiintegralen Bauwerken Zwangsbeanspruchungen aus der Schwankung des konstanten Temperaturanteils. Dehnfuge
3 Vor- und Nachteile der integralen Bauweise Integrale Bauwerke und zum Teil mit Einschränkungen auch semiintegrale Bauwerke bieten hinsichtlich der Gestal- tung, Wirtschaftlichkeit, Nutzung und Unterhaltung Vorteile gegenüber Brü- cken mit Lagern und Dilatationsfugen. Die wesentlichen Vorteile sind nach [5] [6]: – der Entfall von Verschleißbauteilen (Fahrbahnübergänge, Lager) und damit die Verminderung der Instandhaltungskosten, – ein höherer Fahrkomfort und die Reduzierung der Lärmemissionen durch den Entfall der Fahrbahnübergangskonstruktionen, – die Vermeidung von direktem Taumittelzutritt wegen des Verzichts auf Fugen, – schlanke und ästhetische Bauwerke wegen geringerer Bauteilabmes- sungen, – eine größere Freiheit bei der Wahl der Stützweiten (auch kleine Randfelder ohne abhebende Kräfte sind möglich), – der Ansatz der aussteifenden Wirkung der Widerlagerhinterfüllung, zum Beispiel für die Lastfälle Wind und Bremsen, – größere Traglastreserven im Grenzzustand der Tragfähigkeit. Dem stehen folgende Nachteile gegen- über: – Es sind erhöhte Anforderungen an das geotechnische Entwurfsgutachten zu stellen, da obere und untere Grenzwerte der Bodenkennwerte benötigt werden. – Die Berechnung ist aufwendiger, da die Interaktion von Bauwerk und Boden zu berücksichtigen ist. – Die realistische Erfassung der bemessungsrelevanten Parameter ist schwie- riger (Boden, Steifigkeiten, E-Modul). – Es sind planmäßig Zwangskräfte vorhanden. – Der Baugrund muss setzungsunempfindlich, zugleich aber horizontal nachgiebig sein. – Planungs- und Baufehler sind nur sehr schwer zu korrigieren. – Zyklische Temperaturverformungen können Setzungen in der Hinterfüllung hervorrufen. 1 1 . SYM P O S I U M L E I PZ I G 3 Aquädukt von Segovia © Manuel Gonzáles Olaechea y Franco/www.wikipedia.de 4 Historie Vom Beginn des Massivbrückenbaus im Altertum bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts war die fugenlose Bauweise die gängige Bauweise. Wie robust und dauerhaft solche Konstruktionen sind, zeigen Zeugnisse aus der Römerzeit, wie unter anderem das Aquädukt von Segovia mit einer Länge von 814 m, das heute noch als Wasserleitung dient. Aber auch aus den Gründerjahren des Eisenbahnbaues um 1850 und der ersten Zeit des Autobahnbaues um 1930 existieren Zeugnisse dieser langlebigen Bau- weise, wie zum Beispiel die 1851 fertiggestellte 574 m lange Göltzschtalbrücke, die als größte Ziegelsteinbrücke der Welt bekannt ist. Doch nicht nur im Mauerwerksbau kam die integrale Bauweise zum Einsatz, Stahlbeton- und Spannbetonbauwerke wurden zunächst ebenfalls weitgehend lager- und fugenlos errichtet. So gibt es zahlreiche Rahmenbauwerke und sogar größere Talbrücken, die integral bzw. semiintegral ausgeführt wurden. Mit dem stetigen Anwachsen der Bauwerkslängen, dem Siegeszug des Spannbetons und der starken Verbreitung des Takt- schiebeverfahrens, das eine monolithische Verbindung quasi ausschließt, wurde die integrale bzw. semiintegrale Bauweise zurückgedrängt. Zur sicheren Beherrschung der Zwängungen aus Vorspannung, Schwinden, Kriechen, Stützensenkung und vor allem Temperatur sowie zur Vermeidung von Rissen wurden zunehmend zwängungsarme bzw. -freie Systeme durch die gezielte Anordnung von Lagern und Fahrbahnübergängen gewählt. Lager und Fugen- übergangskonstruktionen entwickelten sich zu Standardelementen im Brücken- bau und waren selbstverständlicher Bestandteil jeder Brücke. Erste gegen- läufige Tendenzen waren in den 1980er Jahren bei der Umsetzung kleinerer Rah- menbrücken erkennbar. Bei längeren Talquerungen deutete sich durch die Konzeption von Festpfeilergruppen oder einer »schwimmenden Lagerung« eine Tendenz zur semiintegralen Bauweise an. 5 Besonderheiten der integralen Bauweise Bei integralen Bauwerken bilden die Widerlager und der Überbau eine monolithische Struktur. Demzufolge ist der Baugrund nicht nur als Einwirkung auf das Tragwerk zu berücksichtigen, son- dern ist Systembestandteil und fließt mit seinen Baustoffeigenschaften als integraler Bestandteil in das statische Gesamtmodell ein. Aus Temperatur und damit verbundener Längenänderung entstehen Zwangs- beanspruchungen im Bauwerk. Die Ver- schiebungen und Verdrehungen wirken aber auch auf den Baugrund, in den die Brücke eingebettet ist. Im Jahresverlauf mit Sommer- und Winterstellung treten zudem zahlreiche Zyklen mit kleineren Temperaturschwankungen auf. [4] Die Zwangsschnittgrößen im Bauwerk sind im Wesentlichen abhängig von der Steifigkeit des Bauwerks, des Baugrunds und der Hinterfüllung. Der Erddruck hinter der Widerlagerwand ist wiederum abhängig von der jeweiligen Wandverformung: Er kann rechnerisch zwischen dem halben aktiven und dem mobilisierten passiven Erddruck nach Vogt [7] [8] [9] variieren. 1 . 2011 | BRÜCKENBAU 35
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