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1. Internationale Holzbrückentage 2010 Der Umgang mit horizontalen Lasten | P. Jung 1 Der Umgang mit horizontalen Lasten Pirmin Jung Dipl. Holzbauingenieur FH/SIA Pirmin Jung Ingenieure für Holzbau AG Rain, Schweiz

Der Umgang mit horizontalen Lasten - FORUM-HOLZBAU · Der Umgang mit horizontalen Lasten | P. Jung 11 Weil die Kirchenbrücke mitten im Dorf Muotathal steht, wurde ein möglichst

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    Der Umgang mit horizontalen Lasten

    Pirmin Jung

    Dipl. Holzbauingenieur FH/SIA

    Pirmin Jung Ingenieure für Holzbau AG

    Rain, Schweiz

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    Der Umgang mit horizontalen Lasten

    1. Einleitung

    Das übliche Vorgehen beim Entwerfen ist das Folgende: Der projektierende Ingenieur

    ermittelt die vertikalen Einwirkungen auf ein Brückenbauwerk und erarbeitet ein optima-

    les Tragwerk im Längsschnitt. Viel zu oft werden dabei die horizontalen Beanspruchungen

    zu spät oder gar nicht berücksichtigt. Brückentragwerkskonzepte ohne frühzeitig in den

    Entwurf integrierte Horizontalaussteifung führen oft zu architektonisch unbefriedigenden

    Konstruktionen.

    In den folgenden Ausführungen werden die relevanten horizontalen Beanspruchungen auf

    ein Brückentragwerk erörtert. Anhand gebauter und projektierter Beispiele wird aufge-

    zeigt, wie mit diesen Lasten insbesondere beim Tragwerksentwurf, aber auch beim stati-

    schen Nachweis, umgegangen werden kann.

    Bewusst wird nicht auf die Beträge der zu berücksichtigenden Einwirkungen und der ein-

    zuhaltenden Verformungen eingegangen. Diese sind den jeweils gültigen, länderspezifi-

    schen Normen zu entnehmen. Vielmehr soll in diesem Beitrag das Gefühl und das Ver-

    ständnis für den Umgang mit horizontalen Lasten gefördert werden.

    2. Horizontale Beanspruchungen von Brücken

    2.1. Äussere Einwirkungen

    Windlasten

    Wind auf die Brücke bei verkehrsfreier Brücke

    Wind auf die Brücke kombiniert mit der Nutzlast: insbesondere bei Trogbrücken ist

    dabei das Längsprofil der Fahrzeuge mit zu berücksichtigen.

    Wind auf den gesamten Bau bei gedeckten Brücken

    Bremskräfte

    Einwirkungen auf die Fahrbahn und das Tragwerk (in Längs- und Querrichtung)

    aus bremsendem und anfahrendem Verkehr

    Anprallkräfte

    Anprall auf die Schrammborde

    Anprall auf die Leitplanken

    Anprall auf den Portalrahmen bei gedeckten Brücken

    Anprall eines Fahrzeuges, das die Brücke auf der Unterseite passiert

    Anprall von Schwemmholz oder Wasserdruck bei Hochwasser

    Nutzlasten

    Horizontallasten auf Geländer und Abschrankungen aus Menschenansammlungen

    Horizontallasten bei längs- und/oder quer geneigten Brücken

    Zentrifugalkräfte bei Brücken, die im Grundriss gebogen sind

    Einwirkungen aus Erdbeben

    Einwirkungen, die im Lastfall Erdbeben aus der Massenträgheit des Brückenbau-

    werks resultieren

    2.2. Auswirkungen aus dem Primärtragwerk

    Stabilisierungskräfte

    Stabilisierung des Primärtragwerkes aus Schiefstellung und ungewollter Vorver-

    formung.

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    3. Grundsätzliche Aussteifungskonzepte

    Die horizontalen Einwirkungen auf Brücken können mit unterschiedlichen Konzepten, ins

    Fundament abgetragen werden. Das Aussteifungskonzept ist dabei auf die architektoni-

    schen und technischen Anforderungen abzustimmen, da der Brückenentwurf in den meis-

    ten Fällen massgeblich mit der Wahl des Aussteifungskonzeptes liiert ist.

    Allen Systemen gemeinsam ist, dass es mindestens eine Ebene braucht, die zwischen

    den Widerlagern aufgespannt und sauber als Scheibe ausgebildet wird. Sie ist entspre-

    chend den Einwirkungen in den Widerlagern zu verankern. Bei den von uns realisierten

    Brücken machten wir die Erfahrung, dass es sinnvoll ist, die Tragsysteme für den vertika-

    len und horizontalen Lastabtrag in einem ersten Schritt in ihrer Ebene zu untersuchen. In

    einem zweiten Schritt kann das gesamte Tragwerk als räumliches Modell simuliert und

    die Bemessung der Tragelemente entsprechend angepasst werden. Insbesondere bei

    räumlich wirkenden Tragsystemen ergeben sich zusätzliche Verformungen.

    3.1. Gedeckte Brücken

    Aussteifungskonstruktion in der Dach- und Fahrbahnebene, mit Portalrahmen

    Gedeckte Brücken werden meistens mit einer Dachscheibe (Stabwerk oder Scheibenkon-

    struktion) ausgebildet, die am Portal mit einer Stützkonstruktion (Portalrahmen o.ä.) in

    die Fundation verankert wird. Die Fahrbahn wird ebenfalls als horizontal steife Scheibe

    (Stabwerk oder Scheibenkonstruktion) ausgebildet. Dieses Aussteifungskonzept hat den

    Vorteil, dass der Brückenquerschnitt zwischen den Portalrahmen relativ schlank gestaltet

    werden kann. Hingegen zeichnet die Stützkonstruktion am Portal das Brückenbild stark

    und ist ins architektonische Konzept zu integrieren.

    Beim Verformungsnachweis langer Brücken sind sowohl die Horizontalverformung der

    Aussteifungskonstruktion, als auch die Schiefstellung des Primärtragwerkes nachzuwei-

    sen.

    Aussteifungskonstruktion nur in der Fahrbahnebene, mit einzelnen Querrahmen

    Bei relativ langen Brückenkonstruktionen und bei Konstruktionen, bei denen kein massi-

    ver Portalrahmen gefragt ist, kann es sinnvoll sein, in der Fahrbahnebene eine Ausstei-

    fungskonstruktion auszuführen. Die Obergurten sind in einem regelmässigen Abstand mit

    Querrahmen gegenüber der steifen Fahrbahnebene zu stabilisieren. Bei dieser Konstruk-

    tion sind die Vertikallasten aus der Beanspruchung der Querrahmen auf das Primärtrag-

    werk zu beachten.

    Abbildung 1: Aussteifungskonzept Dach- und Fahr-bahnscheiben sowie mit Portalrahmen

    Abbildung 2: Aussteifungskonzept mit horizontal stei-fer Fahrbahn und über die Brückenlänge verteilten Querrahmen

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    3.2. Trogbrücken

    Horizontal steife Fahrbahnebene, mit einzelnen Querrahmen

    Wie bei der gedeckten Brücke wird die Fahrbahnebene horizontal steif ausgebildet. Die

    Längsträger werden mit einzelnen Querrahmen gegen Kippen gehalten.

    Alternativ zu den Querrahmen können die Längsträger bei Trogbrücken auch biegesteif

    mit einer geschlossenen Fahrbahnplatte verbunden werden (z.B. für Fussgängerbrücken).

    Dabei gilt es, die Einspannung zwischen der horizontal steifen Fahrbahn und dem Primär-

    tragwerk auf die Kipplasten, die Windlasten und die Horizontallasten aus Menschenan-

    sammlungen nachzuweisen.

    Selbststabilisierung der Primärträger

    Bei grösseren Spannweiten kann es sinnvoll sein, die Primärträger aufzulösen (z.B. Bo-

    gentragwerk). Diese Primärträger sind im Fundament gegen seitliches Ausweichen derart

    einzuspannen, dass sie die Stabilisierungskräfte aus Schiefstellung, Wind und Knicken

    selbständig abzutragen vermögen. Der Stabilitätsnachweis solcher Tragsysteme ist zwin-

    gend mit einem räumlichen Tragmodell nach Theorie II.Ordnung zu führen.

    Abbildung 3: Aussteifungskonzept einer Trogbrücke mit Fahrbahnscheiben und einzelnen Querrahmen

    Abbildung 4: Aussteifungskonzept einer offenen Bogenbrücke mit im Fundament horizontal eingespannten Primärträgern

    3.3. Brücken mit unter der Fahrbahn liegendem Tragwerk

    Horizontal steife Fahrbahnebene bei Einfeldträgern

    Kürzere Brücken können sowohl vertikal wie auch horizontal als Einfeldträger ausgeführt

    werden. Dabei wird entweder die Fahrbahnplatte auf die Horizontallasten bemessen (als

    Scheibe ausgebildet) oder ein Horizontalverband mit Einzelstäben ausgebildet, welche in

    die Fundationen verankert werden.

    Horizontal steife Fahrbahnebene bei Durchlaufträgern

    Falls Brücken für die Vertikallastabtragung als Durchlaufträger ausgebildet werden kann

    es sinnvoll sein, die Zwischenstützungen ebenfalls für die horizontale Aussteifung aus zu

    bilden.

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    Abbildung 5: Aussteifungskonzept eines einfachen Plattenbalken mit horizontal steifer Fahrbahnplatte

    Abbildung 6: Aussteifungskonzept einer Balkenbrücke mit mehreren Feldern, mit horizontal steifer Fahr-bahnplatte und Querrahmen

    4. Realisierte und geplante Beispiele

    4.1. Ennigerbrücke in Schachen (CH)

    Abbildung 7: Visualisierung der Ennigerbrücke in Schachen (Montage im März 2010)

    Projektinformation: Strassenbrücke - Spannweite: 44,0 m

    - Nutzlast: 28 Tonnen - Fahrbahnbreite: 3,5 m - Durchgangshöhe: 3,8 m Tragkonstruktion: - Fachwerkträger: 44,0 m Spannweite mit Untergur-

    ten in Stahl HEB360. - Flachdachkonstruktion. Fahrbahn: - 5-Schichtige Massivholzplatte zwischen die Unter-

    gurten der Fachwerke montiert. - Gussasphalt auf doppelter Bitumenabdichtung. Holzbauingenieur: PIRMIN JUNG Ingenieure für Holzbau AG

    Die horizontale Aussteifung auf Obergurthöhe erfolgt über eine aus Dreischichtplatten

    gebildeten Dachscheibe. Sie ist an beiden Ufern an je eine im Fundament eingespannte

    Betonstütze verankert, womit auf einen Portalrahmen verzichtet werden konnte. Durch

    das Auslagern der Horizontallasten auf die abgesetzten Betonstützen, resultierten für das

    Haupttragwerk relativ schlanke Querschnitte.

    Die Fahrbahnplatte, als 5-schichtige Massivholzplatte mit 300 mm Stärke ausgeführt,

    wirkt zusammen mit den unteren Gurten der Fachwerkträger ebenfalls als Scheibe.

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    Abbildung 8: Ansicht auf das Brückenportal: Die Brücke wird an beiden Ufern über je eine im Fundament einge-spannte Betonstütze ausgesteift

    Abbildung 9: Ausbildung der Dachscheibe bestehend aus: Dreischichtplatte 27mm, Balkenlage als Rippen und der umlaufenden Gurte

    Abbildung 10: Verankerung Fahrbahnplatte in den Fundament: Links: Querverankerung, rechts Längs- und Querverankerung. Ein erstes Stahlteil (RHS) wird im Beton einbetoniert, das zweite wird auf der Baustelle mon-tiert. Mir ihm können die Bautolleranzen aufgenommen werden

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    4.2. Badbrücke in Wolhusen (CH)

    Abbildung 11: Badbrücke in Wolhusen

    Projektinformation: Strassenbrücke - Spannweite: 33,3 m - Nutzlast: 10 Tonnen - Fahrbahnbreite: 3,5 m - Durchgangshöhe: 3,5 m

    Tragkonstruktion: - Fachwerkträger: 33,3 m Spannweite - Walmdachkonstruktion. Fahrbahn: - Querträger: Stahlträger HEB160. - Längsbalken: BSH - Offener Belag aus druckimprägnierter

    Weisstanne Witterungsschutz: - Auskragendes Vordach - Blechabdeckung auf FW-Untergurten Holzbauingenieur: PIRMIN JUNG Ingenieure für Holzbau AG

    Die Horizontale Aussteifung erfolgt über einen Horizontalverband unter der Fahrbahnkon-

    struktion. Der Verband besteht aus Zugstäben, welche direkt in die Widerlager verankert

    sind.

    Die Dachkonstruktion ist über die steifen Querrahmen, welche aus den Fachwerkdiagona-

    len und den Querriegeln gebildet werden, ausgesteift. Die Bauteildimensionen dieser Tei-

    le zeigen ihre aussteifende Funktion: Die Diagonalen werden gegen oben, wo das Biege-

    moment grösser wird, stärker, um dann über eine steife Einspannverbindung in die Hori-

    zontalriegel überzugehen. Es versteht sich von selbst, dass für die entscheidende Bemes-

    sungssituation für die Primärfachwerke auch die Vertikalkomponenten aus den Querrah-

    men mit berücksichtigt werden mussten.

    Abbildung 12: Fachwerkdiagonalen, welche zusammen mit den Querriegeln als Rahmen wirken

    Abbildung 13: Biegesteifer Montagestoss der Querrie-gel an die Fachwerke

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    Abbildung 14: Horizontalverband unter der Fahrbahn-ebene aus Flachstahlkreuzen (Zugglieder)

    Abbildung 15: Verankerung des Aussteifungsverban-des direkt in die Fundation

    4.3. Wiggerbrücke in Egolzwil (CH)

    Abbildung 16: Wiggerbrücke in Egolzwil als Trogbrücke konstruiert

    Projektinformation:

    Strassenbrücke - Spannweite: 20,0 m - Nutzlast: 40 Tonnen - Fahrbahnbreite: 4,0 m Tragkonstruktion: - BSH-Träger : 240/1‘980 Fahrbahn: - 7-Schichtige Massivholzplatte 320 mm

    zwischen die Hauptträger montiert. - Walzasphalt auf Flüssigkunststoff. Witterungsschutz: - Verkleidung aller tragenden Bauteile Holzbauingenieur: PIRMIN JUNG Ingenieure für Holzbau AG

    Die Wiggerbrücke ist eine klassische Trogbrücke. Um die Brücke möglichst schlank zu

    halten wurden die Hauptträger leicht ausgestellt und die Fahrbahnplatte an die Träger

    hoch gehängt. Diese Schrägstellung der Hauptträger erzeugt zusätzliche Kipplasten. Die

    Hauptträger sind über sehr steife Knaggen an die Fahrbahnplatte montiert.

    Die 320 mm starke Fahrbahnplatte aus 7-Schichtigem Brettsperrholz ist horizontal als

    steife Scheibe ausgebildet und wie bei der Ennigerbrücke in der Brückenachse an die Wi-

    derlager befestigt. Die Hauptträger sind horizontal verschieblich gelagert, was möglich

    ist, weil sie horizontal mit der Fahrbahnplatte verbunden sind.

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    Abbildung 17: Hauptträger sind im Abstand von 1,50 m gegen Kippen gehalten

    Abbildung 18: Fahrbahnplatte zwischen die Haupt-träger gehängt

    Abbildung 19: Brückenuntersicht mit den Hänge- und den Stabilisierungspunkten

    Abbildung 20: Links: Hängepunkt im Abstand von 1,50 m. Rechts: Stabilisierungsknaggen gegen Kip-pen

    4.4. Kirchenbrücke in Muotathal (CH)

    Abbildung 21: Kirchenbrücke in Muotathal als Verbindungselement zwischen den zwei Dorfteilen

    Projektinformation:

    Strassenbrücke - Spannweite: 34,2 m - Nutzlast: 2x40 Tonnen - Fahrbahnbreite: 6,0 m - Seitlicher Gehsteig: 3,0 m Tragkonstruktion: - BSH-Bogenträger

    . am Fuss 1‘000/900

    . am First: 1‘000/720 im Fundament eingespannt

    - Stahl-Untergurte über Zugstäbe am Bogenträger aufgehängt.

    Fahrbahn: - 9-Schichtige Massivholzplatte 500 mm

    zwischen die Untergurten montiert. - Gussasphalt auf doppelter Dachpappe. Witterungsschutz: - Verkleidung aller tragenden Bauteile Holzbauingenieur: PIRMIN JUNG Ingenieure für Holzbau AG

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    Weil die Kirchenbrücke mitten im Dorf Muotathal steht, wurde ein möglichst transparen-

    tes Tragwerk gesucht, was zur offenen Bogenbrücke führte. Die Bogen sind auf zweiach-

    sige Biegung bemessen und sind insbesondere gegen das seitliche Ausweichen im Fun-

    dament eingespannt. Alle Bogenanschlüsse wurden mit Luft montiert, bevor der Bogen

    genau ausgerichtet und die Druckanschlüsse mit Epoxydharzmörtel ausgegossen wurden.

    Nur damit konnte die geforderte Genauigkeit, für die Zuverlässigkeit des für die Bemes-

    sung zu Grunde gelegten Tragmodells, garantiert werden.

    Die Zugstäbe, welche die Fahrbahnplatte an die Bogen hoch hängen wurden derart ange-

    ordnet, dass der Bogen möglichst gleichmässig auf Biegung beansprucht wird.

    Abbildung 22: Bogenträger bemessen auf horizontalen Wind und horizontale Stabilisierung

    Abbildung 23: Verformung von 89,4 mm (Stabili-tätsnachweis für die Lastgruppe LM1+LM2+Wind)

    Abbildung 24: Horizontale Einspannung der Bogenträger im Fundament, vertikal über Gelenkwelle gelenkig gelagert. Luft zwischen Stirnholz und Stahlplatte nach-träglich mit Epoxydharzmörtel vergossen

    Abbildung 25: Firststoss mit Spezialverschraubung zum genauen horizontalen Ausrichten. Nachträglich mit Epoxydharzmörtel vergossen

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    4.5. Wildbrücke in Langnau am Albis (CH)

    Abbildung 26: Wildbrücke in Langnau am Albis

    Projektinformation: Fussgängerbrücke - Spannweite: 22 / 44 / 12 m - Nutzlast: Fussgänger und

    leichte FZ für den Unterhalt.

    - Fahrbahnbreite: 2,56 m

    Tragkonstruktion: - BSH-Bogenträger 240/1080 Fahrbahn: - Rippenplatte aus Furnierschichtholz

    69 mm und Rippen 120/640 auf Quer-träger aufgelagert, welche wiederum in den Bogenträgen lagern.

    - Gussasphalt auf doppelter Dachpappe. Witterungsschutz: - Verkleidung aller tragenden Bauteile Holzbauingenieur:

    - MAKIOL+WIEDERKEHR Dipl. Holzbau-Ingenieure HTL/SISH, Beinwil am See

    Die Wildbrücke wurde bereits im Jahr 2003 nach der alten SIA160/164 projektiert. Auf-

    grund diverser Einsprachen konnte die Brücke dann erst im 2009 gebaut werden. Inzwi-

    schen wurde die SIA260/265 eingeführt und insbesondere neue Richtlinien des ASTRA

    bezüglich des Anpralls von Fahrzeugen auf Überführungen erlassen.

    Die Brücke musste nachbemessen werden. Zwischen die Bogenträger wurden Stahlver-

    bände eingebaut, über welche die relativ grossen Anprallasten in die Widerlager abgelei-

    tet werden. Die gesamte Fahrbahn (Furnierschichtholz auf Längsrippen) ist als horizontal

    steife Scheibe ausgebildet. Sie wirkt als Durchlaufträger über die zwei Bogen.

    Abbildung 27: Anprallasten auf den Bogen nach Richtlinien ASTRA (Schweiz). Lastwerte sind diejenigen Einzel-lasten, welche über eine Fläche von 400 mm x 1‘500 mm als wandernde Last beim statischen Nachweis zu berücksichtigen sind.

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    Abbildung 28: Räumlich untersuchtes Stabmodell: Positi-on 5 – 7 als Stahlbauteile innerhalb der Holzbogen ange-ordnet.

    Abbildung 29: Brückenteil bei der Montage: links die Stahlaussteifung zwischen den Bogen, rechts die Fahrbahn-Rippenplatte, welche als Scheibe wirkt.

    5. Zusammenfassung

    Brückentragwerke erfahren immer vertikale und horizontale Einwirkungen. Es ist die

    Kunst des projektierenden Ingenieurs, dass er schon bei den ersten Gedanken zu einem

    Tragwerksentwurf beide Belastungen berücksichtigt. Nur wenn er dies frühzeitig macht,

    resultieren Brückenkonstruktionen, die ansprechend sind und in sich stimmen.

    Die möglichen horizontalen Einwirkungen sind vielfältig. Je nach nationaler Norm und

    teilweise nach örtlichen Richtlinien sind sie unterschiedlich zu berücksichtigen. Ganz be-

    stimmt sind sie aber frühzeitig zu ermitteln.

    Es gibt verschiedene Arten, wie auf die horizontalen Einwirkungen reagiert werden kann.

    Grundsätzliche Aussteifungssysteme wurden im Bericht aufgezeigt. Anhand von geplan-

    ten und realisierten Beispielen wurden verschiedene Aspekte über den Umgang mit den

    horizontalen Lasten bei Brückentragwerken diskutiert.

    Fotoverzeichnis:

    Abbildung 1 – 20, 23-25 : Pirmin Jung Ingenieure für Holzbau AG

    Abbildung 21-22: Joe Käser, Eschenbach

    Abbildung 26 – 28: Makiol + Wiederkehr, dipl. Holzbauingenieure HTL/SISH

    Abbildung 29: LWA Swiss professional team