Brückenbau Schweizer Ingenieur und Architekt Nr. 26, 26.Juni 1997 544

Jürg Conzett, Chur, und Aurelio Muttoni, Lugano

Eine gekrümmte Verbundbrückefür das Taktschiebeverfahren

Im Jahr 1994 wurden drei Ingenieur¬büros zu Studienaufträgen für die

Sunnibergbrücke der UmfahrungKlosters eingeladen. Für die zurzeitgrösste Brückenbaustelle Graubün-dens wurden dabei auch unkonven¬tionelle Vorschläge willkommen ge-heissen. So entstand das nachfol¬gend beschriebene, nicht ausgeführ¬te Projekt einer Stahl-Beton-Ver¬bundbrücke mit Regelspannweitenvon 80 Metern, bei der die besonde¬ren Bedingungen des Einschiebenseines gekrümmten Verbundträgerszur Querschnittsform eines auf der

Spitze stehenden Dreiecks führten.

Die Sunnibergbrücke gehört aufgrundihrer Linienführung zu den asymmetri¬schen, stark gekrümmten Talübergängen,die den einen Hang tangential verlassen

und rechtwinklig auf die gegenüberlie¬gende Seite münden, wie etwa der Land¬

wasserviadukt bei Filisur oder die Aa¬

rebrücke der Bözbergbahn bei Umi-ken/ Brugg. Dieser Situation entspre¬chend, ist die Wahl einer Folge mehrerer,annähernd gleich grosser Spannweiten na¬

heliegend.An einem Landschaftsmodell 1:1000

wurden vorerst die verschiedenen Mög¬lichkeiten der Spannweiteneinteilung ge¬

prüft. Mit fünf Feldern von 80 m und je

einem Randfeld von 60 m ist das Tragwerkgut auf die topografischen Verhältnisse ab¬

gestimmt: der erste Pfeiler der Nordseite

1

Übersicht - Modellfoto

steht auf einer kleinen natürlichen Terras¬

se und wird mit einem Schacht fundiert,während sämtliche übrigen Pfeiler im gutzugänglichen und geotechnisch günstigenTalboden stehen. Kürzere Spannweitenhätten zwar leicht geringere Überbauko-sten ergeben, wirkten jedoch ästhetisch

ungünstig. Im weiteren ging es auch

darum, die Eingriffe in die fast parkähnli¬che Auenlandschaft unter der Brücke ge¬

ring zu halten. Grössere Spannweitenwären andererseits mit dem Taktschiebe¬verfahren nicht mehr zu bewältigen ge¬

wesen.

Das Taktschiebeverfahren

Die Baustelle erscheint ftir das Taktschie¬beverfahren geeignet: das nördliche Wi¬

derlager ist mit Bahn und Strasse bereits

gut erschlossen und weist genügend Platz

für die Installationen auf, auch sind Stei¬

gung und Krümmung der Brücke kon¬

stant. Bei schlanken, hohen Pfeilern bietetsich das Verfahren mit Pfeilerverschiebe¬

anlagen an, bei dem auf jedem Pfeilerkopfeine synchron gesteuerte Vorschubein¬

richtung installiert wird, so dass währenddes Vorschubs keine Lagerreibungskräfteund damit auch keine Biegemomente in

Längsriclmmg in den Pfeilern auftreten

(Bild 2) [l].Die Spannweiten von 80 m sind aller¬

dings gross. Konventionelle Beton-Hohl¬kasten wären nur mit Hilfsstützen oder

temporären Abspannungen einzuschie-

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Pfeilerdetail

ben. Wenn diese komplizierten Massnah¬

men vermieden werden sollen, muss vorallem ein Träger mit geringerer Eigenlastgesucht werden.

Die statisch am schlechtesten aus¬

genützten Teile einer Beton-Hohlkasten¬brücke sind in der Regel die Stege. Alleinaus konstruktiven Gründen müssen sie in

Beton mindestens etwa 40 cm stark ge¬wählt werden. Die gleiche statische Funk¬tion erfüllt im vorliegenden Beispiel je¬

doch ein 12 mm starkes Blech aus StahlS 355.

Der Überbau w ird von der Nordseiteaus in 40 m langen Etappen hergestellt. Für

den Einschub wird die Spitze des Überbausmit einem 25 m langen Schnabel künstlich

verlängert. Im darauffolgenden Bereichwird die Beton-Fahrbahnplatte über 40 m

Länge vorläufig weggelassen. Die beidenoberen Flansche der Stahlstege werdenhier mit einem provisorischen Windver¬band verbunden. Mit diesen Massnahmen

gelingt es, das maximale Konsolmomentdes Bauzustands mit 160 000 kNm kleinerals das grösste Biegemoment des Endzu¬stands zu halten. Die Länge des Vor¬

bauschnabels ist so gewählt, dass das grös¬ste Moment während des Vorschubs im

stärksten Querschnitt auftritt.

Stege aus gefaltetem BlechDie Idee, im Brückenbau Stege aus ge¬

faltetem Blech mit Gurten aus Beton zu

kombinieren, wurde vom französischen

Ingenieur Pierre Thivans in den achtzigerJahren entwickelt. Die gefalteten Stegebieten zwei Vorteile: einerseits besitzen sie

eine grosse Beulsteifigkeit, anderseits sind

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Längsschnitt

sie dank ihrer Form in Längsrichtung der¬

art weich, dass sie keine Biegespannungenaufnehmen; die Vorspannkräfte in Ober-und Untergurt wirken ausschliesslich auf

den Beton. Es findet also eine klare Ar¬

beitsteilung statt: Biegemomente werden

von den Gurtungen aufgenommen, Quer¬kräfte von den Stegen. Zur Illustration die¬

ses Prinzips pflegte Thivans ein biegsamesTrinkröhrchen zu benutzen, das sich im ge¬falteten Bereich biegeweich verhält, ohne

dabei an Torsionssteifigkeit einzubüssen.In Frankreich und Deutschland sind bisher

einige Brücken in dieser Bauweise erstellt

worden, zum Beispiel der Pont de Cognac

(Spannweiten bis 43,00 m) und der Viaducde Charolies (Spannweiten bis 53,55 m, s.

¦Stahlverbundbrücken im Aufwind", Bild3), sowie eine Anzahl Eisenbahnbrückenfür neue Hochgeschwindigkeitsstreckender Deutschen Bundesbahn [2], [3]. Ein¬

zelne Objekte wurden im Taktvorschuberstellt, so etwa auch der erwähnte Viaducde Charolies.

Krafteinleitung beim TaktvorschubWährend des Einschubs treten grosse

Auflagerrektionen auf, die an jeder belie¬

bigen Stelle des Brückenträgers angreifenkönnen. Damit die Stege unter dieser Ein¬

zellast nicht ausbeulen, ist ein starker, bie¬

gesteifer Untergurt notwendig, der die

Auflagerkräfte wie eine Schwelle über eine

gewisse Länge der Stege verteilen kann.

Beim Vorschub eines gekrümmtenrechteckigen Kastenquerschnitts tretenauf der vordersten Stütze erhebliche Tor¬

sionseinspannmomente auf. Die Lage der

Resultierenden der Auflagerkräfte befin¬det sich anfangs leicht auf der Kurvenaus-senseite, verschiebt sich aber mit zuneh¬

mender Auskragung immer mehr in Rich¬

tung des inneren Stegs.

Wenn also mit zwei Verschiebeanla¬

gen (je eine unter den Stegen des Kasten¬

trägers) pro Pfeiler gearbeitet wird, wirddie Auflagerkraft nicht etwa gleichmässigauf beide verteilt, sondern es treten Pha¬

sen des Einschubs auf, in denen die innen¬

seitigen Pressen fast die volle Last über¬

nehmen (Bild 4). Im Querschnitt entste¬hen dabei Querbiegemomente aus dem an¬

timetrischen Anteil der Auflagerkräfte, die

besonders dann hoch sind, wenn sich

während des Einschubs kein innerer Quer¬

träger über den Auflagern befindet.Der Dreiecksquerschnitt mit zentraler

Krafteinleitung bietet die Möglichkeit,diese Probleme anders zu lösen. Der beto¬

nierte Untergurt erhält zwangsläufig eine

gedrungene Form, er ist schmal und hoch

und daher gut in der Lage, die konzentriertangreifenden Auflagerreaktionen gleich¬mässig in die beiden Stege zu verteilen. Der

Dreiecksform entsprechend, wird nun auf

den Pfeilern nur noch eine einzige, mitti¬

ge Verschiebeanlage angeordnet, die den

Brükkenträger über ein allseitig drehbares

Neopren-Kipplager stützt. Auf die Ablei¬

tung der Torsionseinspannmomente wirdsomit verzichtet, diese Aufgabe muss der

Brückenträger selbst übernehmen.Dank der zentrierten Krafteinleitung

in einen dreiecksförmigen Querschnitt tre¬

ten in den Stegen praktisch keine Quer¬

biegemomente auf.

MaterialienBeton:

Fahrbahnplatte: Beton B 35/25, CE M 1325 kg/m3,

frostbeständig.New-Jcrscy-Brustung: Beton B 35/25, CEM I

325 kg/m frosttausalzbeständig.Untergurt: Beton B 45/35, CEM I 325 kg/m',

frostbeständig.Fundarionen, Pfeiler und Pfeilerköpfe: BetonB 35/25, CEM I 325 kg/m', frosttausalzbeständig.

Stahl:

Stege: Stahlblech 12 mm, S 355, SandstrahlenSa 2' 2 und Grundanstrich 2x Zinkphosphat.Xwischen7Deckschicht 2x z.B. Eisenglimmeroder PU-Email. Koplbol/endühel Durchmesser22 mm, Länge 150 mm

Bewehrungsstahl: Stahl S 500

Spannstahl: Drähte gezogen, Durchmesser 7 mm,£,»= 1500 N/mm2

Am Projekt BeteiligteAuftraggeber:

Tiefbauamt Graubünden. Chur

Bauingenieure:Ingenieurgemeinschaft Branger & Conzett AG.Chur und Grignoli & Muttoni. Lugano. Mitar¬beiter: Marco Tajana. dipl. Ing. ETH/SIA, Gi-anfranco Bronzini, dipl. Ing. HTL

Kostenberechnung Baumeisterarbeiten:Zschokke Chur AG, Heinr. Hatt-Haller, Zürich,SraMTon AG, Mezzovico.

Kostenberechnung Stahlbau:

Geilinger AG. Bülach, Morel AG. Serneus.

Kostenberechnung Vorschub:

J.Iten-Ritz, Morgarten

Sicherheit im BauzustandWährend des Vorschubs ist der

Brückenträger nur beim Widerlager gegenVerdrehen gehalten. Auf den Stützen liegter einzig auf den zentralen unteren Lagern,kann sich also in dieser Phase frei verdre¬

hen. Die Torsionsmomente aus Eigenlastbleiben trotz der Grundrisskrümmung in

kleinen Grenzen - der gekrümmte punkt¬gelagerte Träger stabilisiert sich selbst - in¬

folge Windlasten können jedoch grössereTorsionsmomente (damit auch zusätzliche

Längsmomente) und Verdrehungen auf¬

treten. Der Grund dafür ist, dass die Re¬

sultierende der Windlasten ziemlich genauauf der Höhe des Schubmittelpunktsknapp unter der Fahrbahnplatte liegt,während die horizontalen Reaktionen auf

der Höhe des Untergurts angreifen. Die

Einflüsse zweiter Ordnung wirken sich zu¬

sätzlich verschärfend aus. Nach eingehen¬der Vergleichsrechnung zeigte es sich, dass

es nicht wirtschaftlich ist, den Querschnittauf diese Spitzenwerte zu dimensionieren,da eine erheblich grössere Längsvorspan¬

nung notwendig gewesen wäre. Stattdes¬

sen wurde folgendes Konzept gewählt:Der Brückenträger wird während der Be¬

tonierphasen über allen Stützen auf Torsi¬

on eingespannt. Dazu werden auf dem

Stützenkopf zwei aufrecht stehende Zwil¬

lingsträger (HEB 300) einbetoniert, an

deren Köpfen sich hydraulische Pressen

befinden, die auf die Unterflächen der

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4 (links und oben)Schnitte und Details mit a) Pfeiler, b) Detail An¬

schluss Steg-Untergurt, c) Grundriss des Stegsund d) Feldquerschnitt

(rechts und unten)

Disposition Pfeilerver¬

schiebeanlage mit a)

Grundriss Pfeilerkopf,b) Schnitt C-C, c)

Schnitt D-D und d)

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Vergleich der untersuchten Querschnitte Schnittkräfte zweier Phasen des Vorschubs

Fahrbahnkonsolen wirken; dem Quer¬schnitt wird also sozusagen unter die

Schultern gegriffen. Die hydraulischenPressen werden in diesem Zustand mit

Stellringen fixiert. Die Aufnahme auch

von grossen Windkräften ist problemlosmöglich. Für den Vorschub werden diese

Pressen für einige Stunden gelöst. Die sta¬

tischen Berechnungen und die Dimensio¬

nierung der Vorschubanlage wurden für

Eigenlast und j der maximalen Windlast

durchgeführt. Sollte während des Vor¬

schubs eine grössere Windlast auftreten,kann der Träger jederzeit durch Ausfahrender oberen Pressen blockiert werden. Der

Vorschub bleibt dann für die Dauer des

Sturms unterbrochen. Die Bemessungs¬schnittkräfte wurden mit einem Lastfaktor

von 1,3 für die Eigenlast und 1,5 für das

Windlast-Drittel ermittelt. Die Verfor¬

mungen der Schnabelspitze erreichen ma¬

ximal 70 cm.Nach erfolgtem Vorschub werden die

HEB-Hilfsstützen auf den Pfeilerköpfenmit den Stahlstegen provisorisch verbun¬den. Anschliessend können die aussenlie-

genden Pfeilerköpfe durch Aussparungenin Fahrbahnplatte und Stegen gegossenwerden.

Ästhetik

Die Erscheinung der Brücke in der Land¬

schaft wurde an einem Modell der gesam¬ten Brücke im Masstab 1:500 überprüft, die

Pfeilerkopfpartie wairde zusätzlich im Mas¬

stab 1:50 nachgebildet. Mit den einfachen,volumetrischen Formen und den mit star¬

kem Anzug versehenen Pfeilern besteht

durchaus ein Bezug zu den Steinviadukten

derjahrhundertw ende. Da Pfeiler und Trä¬

ger stark plastisch ausgeformt und im Ma¬

terialeinsatz differenziert ausgebildet sind,

ergibt sich trotz der kräftigen Dimensio¬

nen der Einzelteile insgesamt die ge¬

wünschte elegante Wirkung.Zunächst gelangten wir aber "auf rein

empirischem Wege zu der Anwendung des

so wichtigen Prinzips der Hohlkörper¬konstruktion und der Korrugationsme-thode in der Baukunst, die darauf begrün¬det ist, dass geschweifte und getakelte Ble¬

che bei geringstem Aufwände des Stoffli¬chen die grösste Festigkeit und Stabilität si¬

chern Obwohl dies bis jetzt nur in rein

technischem Sinne und Geiste geschehenist, lassen sich dennoch hieran fur die Zu¬

kunft der Kunst einige Hoffnungen knüp¬fen- [4].

Adresse der Verfasser:

Jürg Cornell, dipl. Bauing. ETH/SIA, Herren¬

gasse 6, 7000 Chur, und Aurelio Muttoni, Dr. sc.

techn., dipl. Bauing. ETH/SIA. Via Somaini 9.

6900 Lugano

Literatur[1]

Cichocki, Bernd und Mayer. Karl Hermann: An-wendung der Taktschiebebauweise bei grossenStützenhöhen. (Österreichisches) Bundesmini¬sterium f. Bauten u. Technik. StrassenforschungHeft 221

[21

Thivans, Pierre u.a.: Structures à âmes métalli¬

ques plissées. Annales de l'ITBTP, no. 458, Oct.

1987

[3]

Grimm. Rainer u.a. : New bridges tor high-speedtrains. Darmstadt Concrete, Vol. 7, 1992

[4]

Semper. Gottfried: Der Stil in den technischenund tektonischen Künsten. München 1878/79

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