Chancen für den Stahlbrückenbau bei den Aufgaben zur Ertüchtigung der Infrastruktur

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1 bei den Aufgaben zur Ertüchtigung der Infrastruktur Prof. Dr.-Ing. Karsten Geißler, TU Berlin, FG Entwerfen und Konstruieren - Stahlbau

2 Straßenbrücken Eisenbahnbrücken

3 Brückenbestand im Zuge der BAB / Bundesstraßen in Dt.: ca Brücken Bauartverteilung Straßenbrücken nach Brückenfläche 4% 7% 19% Verbund Stahl Spannbeton Stahlbeton Alterstruktur Straßenbrücken (Bundesfernstraßen), nach BF 0,3%0,4% 3,1% 20,9% < ,5% > % Aufteilung nach Bauart (n. BF) 40,8% Aufteilung nach Baujahr ca. 60% der Brücken sind jünger als 40 Jahre Stahlbrücken sind i. d. R. die Großbrücken innerstädtisch etwas andere Verteilungen (mehr ältere Bauwerke, mehr Stahlbrücken)

4 Brückenbestand DB Netz: ca BW 4% 18% 28% 25% 1% 24% Bauartenverteilung Gewölbe Stahl Verbund WIB Beton Spannb Spannb. Beton WIB Verbund Stahl Gewölbe Alterstruktur ca. 50% der Bauwerke älter 80 Jahre

5 Ausgangssituation für Straßenbrücken Wesentliche Ursache für Notwendigkeit der Brückenertüchtigungsmaßnahmen - Stetige Steigerung der Anzahl und Höhe der Verkehrslasten Entwicklung des Güterverkehrs in Deutschland , aus Entwicklung der zulässigen Gesamtgewichte und Achslasten [Naumann]

6 Ausgangssituation für Straßenbrücken Stetige Steigerung der Anzahl und Höhe der Verkehrslasten 0,09 Gemessenes Lastkollektiv A61 (2005) 0,08 0,07 0,06 Häufigkeiten FZ-Typ 98 (2004_09) 2-modale NV (Mittelwerte) 1.Modal NV (Mittelwerte) 2.Modal NV (Mittelwerte) 0,05 0,04 0,03 0,02 0, ,01

7 1,450m 1,475m 5,100m 1,350m 4,650m 1,350m 5,965m 1,360m 1,360m 2,640m Ausgangssituation für Straßenbrücken road- train - Untersuchung Achslasten und Abmessungen der Auswirkungen einer 60t-Fahrzeugkombination von 3 Lkw-Typen (2006) Typ 1-60t alternativ mit 40t und 48t 10,200m 13,600m 25,250m 60-to Typ 2-58t Typ 3-52t [t] [t] [t] [t] [t] [t] [t] [t] leer: 5,9 4,7 2, ,8 1,8 1,8 leer gesamt: 13,0 9,5 üblich: 6,9 8,6 4,7 4,7 4,7 5,4 5,4 5,4 üblich gesamt: Volllast 20,2 25,6 7,4 9,3 9,3 5,5 5,5 7,8 7,8 7,8 26,0 34,4 zulässig: 10 9,5 2) 9,5 2) zulässig gesamt: Bemerkung: 2) beide Achsen angetrieben Die roten Achslasten sind maßgebend! 60, Standard-Lkw bei Erhöhung des zulässigen Gesamtgewichtes von 40t/44t auf 52t

8 Auslastung Ausgangssituation für Straßenbrücken Konsequenzen der Verkehrslasterhöhung in Bezug auf Brückenbestand BK 60 - Auslastung infolge g+p+dt (p+dt : g = 50% : 50%) 1,50 1,40 1,30 1,20 B=6m B=7m B=8m B=9m B=10m B=11m B=12m 1,10 1,00 B=13m B=14m B=15m 0,90 0, Stützweite [m] - Auslastung inf. Verkehr und Temp-diff. - Anzahl in der jew. Bauweise - Kostenannahme pro qm BF Ertüchtigungskosten für das Netz

9 Ausgangssituation für Straßenbrücken Ergebnisse des Projektes des BMVBS/ BASt aus heutigem Verkehr resultieren für Brücken vor allem für Stützweiten m höhere Beanspruchungen als nach Lastmodellen zwei wesentliche sofortige Konsequenzen durch BMVBS (2007) : Maßnahme Anpassung der Einwirkungsnorm Erarbeitung einer Nachrechnungsrichtlinie Ziel Vorsorge (für aktuelle Neubauten) Priorisierung der Ertüchtigung der Bestandsbauwerke

10 Ausgangssituation für Straßenbrücken Stahlbrückenbau ist nicht so dramatisch betroffen Bauartverteilung Straßenbrücken nach Brückenfläche 4% 7% 19% - flächenmäßiger Anteil Stahlbrücken im Netz der BAB und Bundesfernstraßen ca. 12 % - davon viele Großbrücken - innerstädtisch höherer Anteil Verbund Stahl Spannbeton Stahlbeton 70% - stählerne Hauptträger oft guter Zustand, aber Bauteile in sehr filigraner Bauweise Zoobrücke über den Rhein in Köln

11 Ausgangssituation für Straßenbrücken Stahlbrückenbau Baujahre : Probleme wegen der meist sehr filigranen Bauweise wesentliche Probleme Fortschreibung der Stahlbrückenbau- Normen - Beulen: DIN 4114 z. B. kein knickstabähnl. Verhalten (bis 1978 mit DASt-Ri 012) - Quersteifen, Querverbände sehr filigran (bis 1978 mit DASt-Ri 012) - Ermüdung, vor allem Bauteile der orthotropen Platte, z. B. Längsrippen in verschiedenster Ausbildung, Deckblech mm (bis 1987 mit DIN18809) - Ermüdungsnachweise erst seit 2003 mit DIN-Fb - Mindestdicken für Bauteile: mit ZTV-K76 bzw. DIN18809 Zoobrücke über den Rhein in Köln

12 Erhaltungsstrategie des BMVBS - Verstärkung nur der zukunftsfähigen Bauwerke mit guter Bausubstanz mit dem Ziel der Sicherstellung der Tragfähigkeit für ihre vorgesehene Restnutzungsdauer - Bauwerke mit ungenügender Bausubstanz sind grundsätzlich zu ersetzen - Entscheidung abhängig vom Erreichen des Ziellastniveaus (LM1 oder niedriger) Bundesautobahn: Überbau-Zustandsnote (Fläche) 2,5 bis 3 17% 3 bis 4 4% < 1 26% 2 bis 2,5 13% 1 bis 2 40% Brückenbestand der Bundesautobahnen nach Überbauzustandsnoten Strategie zur Nachrechnung der Brücken [Marzahn, G.]

13 Möglichkeiten zur Ertüchtigung Mögliche Maßnahmen für die Bauwerke mittlerer Größe und den Großbrücken im Bundesfernstraßennetz 1. Ertüchtigung bis zum kurz- und mittelfristigen Ersatz (bis 20 Jahre) 2. Ertüchtigung für eine größere Lebensdauer 3. Ersatzneubau in allen Varianten großes Potential für den Stahlbrückenbau

14 Möglichkeiten zur Ertüchtigung 1. Ertüchtigung bis zum kurz- und mittelfristigen Ersatz Lösungen zur Entlastung der orthotropen Fahrbahnplatte

15 Möglichkeiten zur Ertüchtigung 2. Ertüchtigung für eine größere Lebensdauer Mögliches Verstärkungskonzept Fehrmarnsundbrücke

16 Möglichkeiten zur Ertüchtigung Ertüchtigungsmaßnahmen Stahlbrücken andere Prinzipien als für Neubau Neubau Ertüchtigung Verstärkung Diagonalen einer Fachwerkbrücke durch aufgeschraubte Lamellen Nessetalbrücke im Zuge der A4

17 Möglichkeiten zur Ertüchtigung 3. Ersatzneubau Chancen für den Stahlbau: - Unterbauten können bestehen bleiben, bei evtl. sogar breiterem Überbau - schnelle Bauweise durch Stahlbau, Verbundbrücken evtl. mit Fertigteilen - flexible spätere Ertüchtigungsmaßnahmen Bild: Donges Steeltec

18 Möglichkeiten zur Ertüchtigung Ersatzneubau Beispiel Windelbachtalbrücke i.z.d. A45 (Hessen) Bild: Donges Steeltec

19 Ersatzneubau Chancen für den Stahlbau flexible spätere Ertüchtigungsmaßnahmen wegen voraussichtlich weiter steigender Verkehrslasten Bauherrenaufgabe - diese Überlegungen schon in Neubauplanung einbeziehen (Nachhaltigkeit) - durch bestimmte Konstruktionsregeln, z. B. Reserven für wichtige Detailpunkte - robuste oder austauschbare Fahrbahnplatten - bedeutet Beauftragung der ingenieurtechnischen Planung durch Bauherrn

20 Unterstützung des DASt / DSTV - Notwendigkeit von Forschungsprojekten zum Thema Brückenertüchtigung über den DASt in Abstimmung mit BMVBS / BASt - Einführung von über die technischen Regeln hinausgehenden stahlbauspezifischen Lösungen mit Hilfe von DASt- Richtlinien, z.b. zu Verbundbrücken mit Ganzfertigteilen, neuartigen Verbindungen

21 Unterstützung des DASt / DSTV Erwartungen an die Behörden - Einbezug des Kriteriums Bauzeit in die Ausschreibung - Klare Definition der Anforderungen als Entwurfsziele für den Neubau / Ersatzneubau hinsichtlich späterer Ertüchtigbarkeit

22 Ausgangssituation für Eisenbahnbrücken DB Netz: Gesamtbestand ca Brücken 4% 18% 28% Gewölbe Stahl Verbund WIB 25% 1% 24% Beton Spannb. Bauartenverteilung

23 Ausgangssituation für Eisenbahnbrücken DB Netz: Gesamtbestand ca Brücken Spannb. Beton WIB Verbund Stahl Gewölbe ca. 50% der Bauwerke sind älter als 80 Jahre - 95% aller Bauwerke haben Stützweite < 30m - 2,5% aller Bauwerke sind nach DIN-Fb bemessen

24 Ausgangssituation für Eisenbahnbrücken Deutsche Bahn Verkehrslastentwicklung nicht problematisch Preußischer Lastenzug A (1903) - es gibt Beispiele mit Lastenzug A+20% Lastenzug N (1922) Dampflok mit Tender Lastenzug S (1950): Lok mit 5 x25t Meterlast 104kN/m bzw. 80kN/m UIC 71 (1971) schwere 6-achsige Diesellok

25 Mögliche Maßnahmen für die Bauwerke Mögliche Maßnahmen für die Bauwerke mittlerer Größe und die Großbrücken im Eisenbahnnetz 1. Ertüchtigung bis zum kurz- und mittelfristigen Ersatz 2. Ertüchtigung für eine größere Lebensdauer 3. Ersatzneubau reine Neubaustrecken sind eher selten Faktoren für den Stahlbrückenbau: - kurze Bauzeit wegen hoher Vorfertigung - schlanke Überbauten (wenn Unterbauten bestehen bleiben) - Nachhaltigkeit der Stahlbauweise - Baukultur bspw. wenn vorher schon eine Stahlbrücke vorhanden war

26 Chancen für den Stahlbau Ersatzneubau 95% aller Bauwerke haben Stützweite < 30m bei Ersatzneubau hat Stahlbrücke i.d.r. Konkurrenz mit Stahlbetonrahmen (bis 20m) sowie WIB-Bauweise (bis 25 (28)m)

27 Chancen für den Stahlbau Ersatzneubau: Rahmenplanung Stahlbrücken und Verbundbrücken erforderlich in Anlehnung an die Richtzeichnungen für Stahlbrücken (Deckbrücken, Stabbogen, Fachwerk) Stahlbau bietet Möglichkeiten für neue Tragsysteme - Beispiel Netzwerkbogen Oderbrücke bei Frankfurt

28 Chancen für den Stahlbau Verbundbauweise hat im mittleren Stützweitenbereich Vorteile VFT-Träger für EÜ Teltowkanal beim Verlegen (Foto DB AG) Itztalbrücke (NBS Erfurt Nürnberg, 2004) - Fachwerk- Deckbrücken können zwischen m wirtschaftlich sein - Ganzfertigteile auch bei Durchlaufträgern (keine Chloridbelastung)

29 Dehnung [mm/m] Chancen für den Stahlbau Neubau - NBS für Hochgeschwindigkeitsverkehr (Str. Nürnberg-Leipzig) Signalverlauf Hänger , 07:20 Uhr, Gleis Nord, 64 Achsen, ICE2, Triebkopf vorn und hinten, v = 199,6 km/h H04 H05 H06 H Zeit [s] -Klärung der Fragen zum Resonanzverhalten bei hohen Geschwindigkeiten -durchgehende Gleise auch bei L > 60m möglich (Massivbrücken 90m)

30 Chancen für den Stahlbau Ertüchtigung bestehender Stahlbrücken Ingenieurtechnische Herausforderungen, meist unter laufendem Verkehr Finanzielles Volumen für Verstärkungsmaßnahmen EHB Rendsburg ca. 50 Mio Euro

31 Eisenbahnhochbrücke Rendsburg - Verstärken von Bauteilen Verstärkung der Längswanddiagonalen der Gerüstpfeiler durch aufgeschraubte Lamellen Problem: Verstärkungsmaßnahmen unter laufendem Verkehr

32 Eisenbahnhochbrücke Rendsburg - Verstärken von Bauteilen Verstärkung der Längswanddiagonalen durch aufgeschraubte Lamellen

33 Eisenbahnhochbrücke Rendsburg - Verstärken von Bauteilen Verstärkung der Stege der Eckstiele durch aufgeschraubte Lamellen (besonders wirksam für Normalkräfte)

34 Eisenbahnhochbrücke Rendsburg Systemänderungen Verstärkung des HT-OG der Kanalbrücke durch Einbau zusätzlicher Riegel Spreizung der Obergurte kraftgesteuert realisiert über Pressendruck theoret. Verschiebewege u= 4 mm vorgegeben zur Kontrolle

35 Eisenbahnhochbrücke Hochdonn Teilersatz Kanalbauwerk EHB Hochdonn über den Nord- Ostsee- Kanal Austausch des Schwebeträgers

36 Eisenbahnhochbrücke Hochdonn Teilersatz Kanalbauwerk - Demontage und Montage des Schwebeträgers (2006)

37 Schlussbemerkung Aufgaben zur Ertüchtigung der Infrastruktur klarer Unterschied zwischen Straßen- und Eisenbahnbrücken Straßenbrücken kein hohes Alter, aber extrem gestiegene Verkehrsbelastung Eisenbahnbrücken die Hälfte aller Bauwerke ist älter als 80 Jahre, auch Zeugnisse der Baukultur 95% der Bauwerke mit Stützweiten < 30m Straßenbrücken Ersatzneubau: breitere Verbund-QS auf bestehenden Unterbauten, Rahmenbedingungen für Entwurf (Ertüchtigbarkeit, modulare Bauweisen) und Vergabe (Bauzeit) verändern Eisenbahnbrücken Ersatzneubau: Rahmenplanung Stahlbau, Verbundbauweise Verstärkung: durchaus großes Aufgabenfeld