Der Umgang mit horizontalen Lasten

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1 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

2 2 Der Umgang mit horizontalen Lasten P. Jung 1. Internationale Holzbrückentage 2010

3 Der Umgang mit horizontalen Lasten P. Jung 3 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 optimales 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 aufgezeigt, wie mit diesen Lasten insbesondere beim Tragwerksentwurf, aber auch beim statischen Nachweis, umgegangen werden kann. Bewusst wird nicht auf die Beträge der zu berücksichtigenden Einwirkungen und der einzuhaltenden Verformungen eingegangen. Diese sind den jeweils gültigen, länderspezifischen Normen zu entnehmen. Vielmehr soll in diesem Beitrag das Gefühl und das Verständnis 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 Brückenbauwerks resultieren 2.2. Auswirkungen aus dem Primärtragwerk Stabilisierungskräfte Stabilisierung des Primärtragwerkes aus Schiefstellung und ungewollter Vorverformung.

4 4 Der Umgang mit horizontalen Lasten P. Jung 1. Internationale Holzbrückentage Grundsätzliche Aussteifungskonzepte Die horizontalen Einwirkungen auf Brücken können mit unterschiedlichen Konzepten, ins Fundament abgetragen werden. Das Aussteifungskonzept ist dabei auf die architektonischen und technischen Anforderungen abzustimmen, da der Brückenentwurf in den meisten 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 entsprechend 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 vertikalen 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 Gedeckte Brücken Aussteifungskonstruktion in der Dach- und Fahrbahnebene, mit Portalrahmen Gedeckte Brücken werden meistens mit einer Dachscheibe (Stabwerk oder Scheibenkonstruktion) 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 nachzuweisen. Aussteifungskonstruktion nur in der Fahrbahnebene, mit einzelnen Querrahmen Bei relativ langen Brückenkonstruktionen und bei Konstruktionen, bei denen kein massiver Portalrahmen gefragt ist, kann es sinnvoll sein, in der Fahrbahnebene eine Aussteifungskonstruktion auszuführen. Die Obergurten sind in einem regelmässigen Abstand mit Querrahmen gegenüber der steifen Fahrbahnebene zu stabilisieren. Bei dieser Konstruktion sind die Vertikallasten aus der Beanspruchung der Querrahmen auf das Primärtragwerk zu beachten. Abbildung 1: Aussteifungskonzept Dach- und Fahrbahnscheiben sowie mit Portalrahmen Abbildung 2: Aussteifungskonzept mit horizontal steifer Fahrbahn und über die Brückenlänge verteilten Querrahmen

5 Der Umgang mit horizontalen Lasten P. Jung 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 Primärtragwerk auf die Kipplasten, die Windlasten und die Horizontallasten aus Menschenansammlungen nachzuweisen. Selbststabilisierung der Primärträger Bei grösseren Spannweiten kann es sinnvoll sein, die Primärträger aufzulösen (z.b. Bogentragwerk). 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 zwingend 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.

6 6 Der Umgang mit horizontalen Lasten P. Jung 1. Internationale Holzbrückentage 2010 Abbildung 5: Aussteifungskonzept eines einfachen Plattenbalken mit horizontal steifer Fahrbahnplatte Abbildung 6: Aussteifungskonzept einer Balkenbrücke mit mehreren Feldern, mit horizontal steifer Fahrbahnplatte und Querrahmen 4. Realisierte und geplante Beispiele 4.1. Ennigerbrücke in Schachen (CH) Projektinformation: Strassenbrücke Spannweite: 44,0 m Nutzlast: 28 Tonnen Fahrbahnbreite: 3,5 m Durchgangshöhe: 3,8 m Abbildung 7: Visualisierung der Ennigerbrücke in Schachen (Montage im März 2010) Tragkonstruktion: Fachwerkträger: 44,0 m Spannweite mit Untergurten in Stahl HEB360. Flachdachkonstruktion. Fahrbahn: 5-Schichtige Massivholzplatte zwischen die Untergurten 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.

7 Der Umgang mit horizontalen Lasten P. Jung 7 Abbildung 8: Ansicht auf das Brückenportal: Die Brücke wird an beiden Ufern über je eine im Fundament eingespannte 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 montiert. Mir ihm können die Bautolleranzen aufgenommen werden

8 8 Der Umgang mit horizontalen Lasten P. Jung 1. Internationale Holzbrückentage 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 Fahrbahnkonstruktion. Der Verband besteht aus Zugstäben, welche direkt in die Widerlager verankert sind. Die Dachkonstruktion ist über die steifen Querrahmen, welche aus den Fachwerkdiagonalen und den Querriegeln gebildet werden, ausgesteift. Die Bauteildimensionen dieser Teile zeigen ihre aussteifende Funktion: Die Diagonalen werden gegen oben, wo das Biegemoment grösser wird, stärker, um dann über eine steife Einspannverbindung in die Horizontalriegel überzugehen. Es versteht sich von selbst, dass für die entscheidende Bemessungssituation für die Primärfachwerke auch die Vertikalkomponenten aus den Querrahmen mit berücksichtigt werden mussten. Abbildung 12: Fachwerkdiagonalen, welche zusammen mit den Querriegeln als Rahmen wirken Abbildung 13: Biegesteifer Montagestoss der Querriegel an die Fachwerke

9 Der Umgang mit horizontalen Lasten P. Jung 9 Abbildung 14: Horizontalverband unter der Fahrbahnebene aus Flachstahlkreuzen (Zugglieder) Abbildung 15: Verankerung des Aussteifungsverbandes direkt in die Fundation 4.3. Wiggerbrücke in Egolzwil (CH) 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 Abbildung 16: Wiggerbrücke in Egolzwil als Trogbrücke konstruiert 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 Widerlager befestigt. Die Hauptträger sind horizontal verschieblich gelagert, was möglich ist, weil sie horizontal mit der Fahrbahnplatte verbunden sind.

10 10 Der Umgang mit horizontalen Lasten P. Jung 1. Internationale Holzbrückentage Abbildung 17: Hauptträger sind im Abstand von 1,50 m gegen Kippen gehalten Abbildung 18: Fahrbahnplatte zwischen die Hauptträger gehängt Abbildung 19: Brückenuntersicht mit den Hänge- und den Stabilisierungspunkten Abbildung 20: Links: Hängepunkt im Abstand von 1,50 m. Rechts: Stabilisierungsknaggen gegen Kippen 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

11 Der Umgang mit horizontalen Lasten P. Jung 11 Weil die Kirchenbrücke mitten im Dorf Muotathal steht, wurde ein möglichst transparentes Tragwerk gesucht, was zur offenen Bogenbrücke führte. Die Bogen sind auf zweiachsige Biegung bemessen und sind insbesondere gegen das seitliche Ausweichen im Fundament 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 Bemessung zu Grunde gelegten Tragmodells, garantiert werden. Die Zugstäbe, welche die Fahrbahnplatte an die Bogen hoch hängen wurden derart angeordnet, 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 (Stabilitätsnachweis für die Lastgruppe LM1+LM2+Wind) Abbildung 24: Horizontale Einspannung der Bogenträger im Fundament, vertikal über Gelenkwelle gelenkig gelagert. Luft zwischen Stirnholz und Stahlplatte nachträglich mit Epoxydharzmörtel vergossen Abbildung 25: Firststoss mit Spezialverschraubung zum genauen horizontalen Ausrichten. Nachträglich mit Epoxydharzmörtel vergossen

12 12 Der Umgang mit horizontalen Lasten P. Jung 1. Internationale Holzbrückentage 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 Querträger 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. Aufgrund diverser Einsprachen konnte die Brücke dann erst im 2009 gebaut werden. Inzwischen 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 Stahlverbände eingebaut, über welche die relativ grossen Anprallasten in die Widerlager abgeleitet 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 Einzellasten, welche über eine Fläche von 400 mm x mm als wandernde Last beim statischen Nachweis zu berücksichtigen sind.

13 Der Umgang mit horizontalen Lasten P. Jung 13 Abbildung 28: Räumlich untersuchtes Stabmodell: Position 5 7 als Stahlbauteile innerhalb der Holzbogen angeordnet. 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 bestimmt 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 geplanten und realisierten Beispielen wurden verschiedene Aspekte über den Umgang mit den horizontalen Lasten bei Brückentragwerken diskutiert. Fotoverzeichnis: Abbildung 1 20, : Abbildung 21-22: Abbildung 26 28: Abbildung 29: Pirmin Jung Ingenieure für Holzbau AG Joe Käser, Eschenbach Makiol + Wiederkehr, dipl. Holzbauingenieure HTL/SISH LWA Swiss professional team