Königsdisziplin Betonbrückenbau
Die Funktion von Brücken als verbindendes Element ist sprichwörtlich. Wenn man Konfrontationen überwinden will, schlägt man Brücken oder baut jemandem goldene Brücken.
Brücken stellen nicht nur die kürzeste Verbindung bei der Überwindung von Taleinschnitten und Gewässern dar, sie prägen auch die Landschaft. Schlanke weitgespannte Konstruktionen fügen sich harmonisch in das Landschaftsbild ein. Diesbezüglich hat die Spannbetonbauweise dem Baustoff Beton den Weg bereitet. 70 % der Brückenfläche im Bundesbestand sind Spannbetonbrücken, 17 % Stahlbetonbrücken und 12 % Stahl- bzw. Stahlverbundbrücken [1].
Reinhard Grüning, zuletzt Abteilungsleiter bei der Autobahndirektion Südbayern, meint in [2], dass der Brückenbau zu Recht als eine der schönsten, aber auch kompliziertesten Aufgaben der Bauingenieurkunst betrachtet wird. Die bei großen Brücken vorausgesetzte Nutzungsdauer verlangt nach durchdachten Bauweisen. Bei der Qingdao-Haiwan-Brücke (auch Jiaozhou-Bucht-Brücke genannt), die als derzeit größte Meeresbrücke das Gelbe Meer in Chinas Osten überspannt, wird unter außerordentlich schwierigen Umgebungsbedingungen wie enormem Tidenhub, starken wechselnden Wasserströmungen, Erdbeben, Taifunen und Chloridangriff eine planmäßige Nutzungsdauer von 100 Jahren vorausgesetzt. Auch diese Brücke wurde aus Beton gebaut.
Brücken in Betonbauweise lassen sich während der geplanten Nutzungsdauer auch für gestiegene Anforderungen ertüchtigen. In Deutschland müssen derzeit viele ältere Brücken darauf überprüft werden, ob sie den heutigen Belastungen, die teilweise weit über den prognostizierten liegen, gewachsen sind. Dr.-Ing. Alfred Krill, Ingenieurgruppe Bauen in Karlsruhe, Regierungsbaumeister Leo Andlauer, Regierungspräsidium Freiburg, und Reinhold Frenzl, Regierungspräsidium Stuttgart, verglichen in ihrem Vortrag [6] zum Deutschen Bautechnik-Tag 2015 zwei große Talbrücken, eine in Spannbetonbauweise – eine in Stahlbauweise, nach 35 Jahren unter Verkehr. Sie kamen dabei zum Ergebnis, dass die Tragreserven der Stahlbrücke deutlich unter denen der Spannbetonbrücke liegen, sodass hier deutlich höhere Aufwendungen zur Verstärkung erforderlich werden.
Dass sich der massive Baustoff nicht so schnell in Schwingung versetzen lässt, erhöht nicht nur die Standsicherheit bei böigen Windbelastungen. Er sorgt auch für Vorteile im Schallschutz. Eine Studie für das Bundesamt für Umwelt (BAFU) der Schweiz gibt als Unterschied im Schallpegel zwischen alten (Eisenbahn-)Stahlbrücken und modernen Stahlbetonbrücken einen Unterschied von ca. 7 dB bis 15 dB an und empfiehlt bei der Lärmsanierung in erster Linie den Ersatz der Stahlbrücke durch eine Betonbrücke, in zweiter Priorität das Aufsetzen einer Stahlbetonplatte [3].
Bauweisen und Bauverfahren
Für Brücken in Betonbauweise stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Maßgeblich für die Auswahl sind die Geländebeschaffenheit und Gradiente, Brückenlänge und Spannweite sowie der wirtschaftliche Einsatz.
Die in den Anfangszeiten des Betonbrückenbaus ausschließlich angewendete Bauweise auf einem Lehrgerüst findet heute nur noch bei kurzen Spannweiten und niedrigen Brückenhöhen Anwendung. Das Lehrgerüst besteht aus Gerüstkonstruktionen, heute meist Lasttürmen, welche die Lasten aus Beton und Brückenschalung unmittelbar oder über Fundamente vertikal in den Baugrund einleiten. In Naturschutzgebieten wird diese Bauweise als nicht zu duldende Beeinträchtigung betrachtet.
Große Spannweiten mit mehr als 150 m, wie sie beim Überwinden tiefer Täler, Meeresarmen und Flüssen häufig vorkommen, werden in der Regel im Freivorbau gebaut. Hierbei wird der Brückenüberbau - meist aus Spannbeton – Stück für Stück an den schon fertiggestellten Abschnitt angebaut, ohne dass dabei eine Abstützung nach unten erfolgt. Bei mehrfeldrigen Brücken kragen vom Pfeilertisch zu beiden Seiten Träger aus, die im Gleichgewicht stehen und gegen Kippen gesichert sind. An diesen Kragarmen hängt die Schalung für den Brückenüberbau.
Mehrfeldbrücken ab ca. acht Feldern mit mittleren Spannweiten bis ca. 60 m werden in der Regel im Taktschiebeverfahren gebaut. Voraussetzungen sind konstante Krümmungen der Gradiente. 10 m bis 30 m lange Brückenelemente werden hier an einem oder an beiden Brückenwiderlagern hergestellt und anschließend hydraulisch über die Brückenpfeiler geschoben. Die Taktfertigung mit ständig gleichen Arbeiten und die Möglichkeit zur nahezu witterungsunabhängigen Fertigung in einer Feldfabrik ergeben kurze Bauzeiten. Ein Nachteil ist, dass verfahrensbedingt nur gleich bleibende Querschnitte hergestellt werden können, deren Konstruktionshöhe von der größten Spannweite bestimmt wird.
Bei mittleren Spannweiten, bei denen das Taktschiebeverfahren aufgrund variierender Querschnitte und/oder Gradienten nicht eingesetzt werden kann, wird die Vorschubrüstung verwendet. Als Stahlfachwerkträger spannt sie zwischen zwei Brückenpfeilern und trägt die Schalungskonstruktion. Nach dem Erhärten des Betons wird sie um einen Takt, meist ein Brückenfeld, vorgeschoben.
Brücken aus werksmäßig hergestellten Betonfertigteilen ermöglichen sehr kurze Bauzeiten, sind aber wegen der Limitierungen der Transportabmessungen der Fertigteile nur bei kleineren Spannweiten bis ca. 40 m einsetzbar. Diese Bauweise weist dort die größten Vorteile auf, wo Verkehrswege überbrückt werden müssen, die – wenn überhaupt – nur kurzzeitig gesperrt werden dürfen. Die Planung von Transport, Kranstellplätzen und Montage stellt hohe Anforderungen an die Baustellenorganisation. Wirtschaftlich ist der Einsatz bei vielen Brückenfeldern mit immer gleichen Querschnitten der Träger.
Überbauten bei Balkenbrücken aus Beton werden bei größeren Spannweiten meist als Hohlkästen hergestellt. Die Spannglieder bei der externen Vorspannung, die aus Gründen der besseren Wartungsmöglichkeiten angewendet wird, werden korrosionsgeschützt in Hüllrohren im Hohlkasten geführt. Die Kräfte aus der Vorspannung werden über seitliche Konsolen in die Konstruktion geleitet. Bei kleineren Spannweiten kommen Plattenbalkenkonstruktionen zum Einsatz, Plattenbrücken meist nur bis 30 m Spannweite.
Die Stahlverbundbauweise kommt bei mittleren bis großen Spannweiten von 50 m bis 150 m zum Einsatz. Der Stahlüberbau wird von einem oder beiden Brückenlagern eingeschoben oder talseitig eingehoben. Die Fahrbahnplatten werden meist als Halbfertigteile auf die Stahllängsträger gelegt und erhalten eine Ortbetonergänzung.
Innovative Baustoffe im Brückenbau
Die Weiterentwicklungen des Baustoffs Beton ermöglichen der Betonbauweise eine Ausweitung des Einsatzspektrums in Bereiche, die bisher anderen Baustoffen vorbehalten waren. Zu nennen sind hier der hochfeste Beton und der ultrahochfeste Beton.
Ultra-Hochfester Beton (UHPC) ist ein besonders gefügedichter und daher sehr korrosionswiderstandsfähiger Hochleistungsbeton mit einer Druckfestigkeit von 150 N/mm² bis 200 N/mm². Bei der etwa 140 m langen Gärtnerplatzbrücke in Kassel tragen trotz einer Bemessungslast von 50 kN nur rd. 8,5 cm dicken Deckenplatten aus quer vorgespanntem UHPC Fußgänger und Fahrradfahrer über die Fulda.
Schon 2010 entstand mit der Brücke über die Bundesstraße 463 in Albstadt-Lautlingen die derzeit längste Textilbetonbrücke. Die gleichmäßige Einteilung in gleiche Stützweiten von 17,20 m Länge ermöglichte eine segmentierte Bauweise aus sechs Fertigteilen. Die Fertigteile sind in Längsrichtung vorgespannte siebenstegige Plattenbalken. Die Kombination aus textiler Bewehrung und Monolitzen zur Vorspannung ermöglichte eine Überbauhöhe von nur 43,5 cm.
Fahrbahndecken aus Beton auf Brücken
Bei kurzen Brücken ist es baubetrieblich und verkehrstechnisch von Vorteil, eine jenseits der Brücke gebaute Fahrbahndecke aus Beton über das Brückenbauwerk durchzuziehen [3].
Die einschlägigen Regelungen der Straßenbaulastträger lassen diese Bauweise ausdrücklich zu. In dem Allgemeinen Rundschreiben Straßenbau Nr. 14/1995 des Bundesministeriums für Verkehr sind die Randbedingungen wie folgt angegeben:
- Brückenlänge ≤ 15 m
- keine Übergangskonstruktionen erforderlich
Zu beachten ist, dass zwischen Decke und Überbau ein Vlies oder ein Geotextil verlegt werden muss, damit keine Verbundwirkung entsteht. Die Betonfahrbahndecke sollte in gleicher Dicke wie auf der anschließenden Strecke über das Brückenbauwerk durchgeführt werden.
Fahrbahndecken aus Beton auf langen Brücken und auf Brücken mit großen Stützweiten bleiben auf Einzelfälle beschränkt, da das größere Gewicht einer Fahrbahndecke aus Beton zu konstruktiven und finanziellen Mehraufwendungen führt und Schwingungen und Durchbiegungen des Brückenüberbaus Schäden an der Fahrbahndecke verursachen können [3].
Brückenkappen aus Beton
Brückenkappen haben unterschiedlichste Funktionen zu erfüllen. Neben dem Schutz der tragenden Brückenkonstruktion dienen sie der Verankerung passiver Schutzeinrichtungen sowie als Fahrrad- und/oder Fußgängerweg. Aufgrund ihrer exponierten Lage sind sie besonders starken Angriffen z. B. durch Frost-Tausalz-Angriffe ausgesetzt. Hinzu kommen dynamische Beanspruchungen durch den Verkehr auf den Brücken. Auch wenn die Brückenkappen infolge von Verschleiß, Last oder Abwitterung optische Veränderungen während der geplanten Nutzungsdauer erfahren, sind Brückenkappen aus Beton bei Beachtung konstruktiver und ausführungstechnischer Regeln sicher und dauerhaft.
Ein VDB/DBV-Merkblatt „Brückenkappen aus Beton“ [4] gibt neben entsprechenden Handlungshinweisen und Maßnahmenempfehlungen auch Hinweise zur Beurteilung der Betonoberfläche von Brückenkappen, insbesondere in den ersten Jahren der Nutzung.
Weiterführende Literatur
[1] Joachim Naumann: Brückenertüchtigung jetzt – Ein wichtiger Beitrag zur Sicherung der Mobilität auf Bundesfernstraßen. Heftreihe Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein e.V. Heft 22
[2] Reinhard Grüning: Betondecken auf Brücken und in Tunneln. beton 11-2004, S. 530
[3] Bundesamt für Umwelt (BAFU) Schweiz: Lärmmesskonzept für Eisenbahn-Stahlbrücken
[4] Verband Deutscher Betoningenieure e.V. und Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein e.V.: VDB/DBV-Merkblatt „Brückenkappen aus Beton“
[5] Pauser, Alfred: Massivbrücken ganzheitlich betrachtet: Geschichte - Konstruktion - Herstellung - Gestaltung. Verlag Bau+Technik, Düsseldorf 2002
[6] Krill, Alfred; Andlauer, Leo; Frenzl, Reinhold: Vergleich zweier großer Talbrücken unterschiedlicher Bauweise nach 35 Jahren. Vortrag zum Deutschen Bautechnik-Tag 2015. Tagungsband. Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein e. V., Berlin 2015
