Die Ertüchtigung der Rendsburger Eisenbahnhochbrücke

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1 Sonderdruck Matthias Bartzsch Karsten Geißler Richard Schmachtenberg DOI: /stab Die Ertüchtigung der Rendsburger Eisenbahnhochbrücke über den Nord-Ostsee-Kanal Die Eisenbahnhochbrücke Rendsburg über den Nord-Ostsee- Kanal ist ein über 100 Jahre altes technisches Denkmal und trotzdem als Nadelöhr für den Skandinavienverkehr noch unter vollem Eisenbahnbetrieb. Die Brücke, eine genietete Stahlkonstruktion, wird derzeit umfangreich ertüchtigt. Zu den Maßnahmen gehört neben der Erneuerung des Korrosionsschutzes und der Instandsetzung von Schäden eine Verstärkung für heutige Eisenbahnverkehrslasten. So kann die Brücke langfristig erhalten werden ein wichtiger Beitrag zur Baukultur. The strengthening of the Rendsburg High Bridge across the Kiel Canal. The Rendsburg High Bridge a railway viaduct across the Kiel Canal is a more than 100 year old technical monument. Nethertheless it is used under full traffic load as a bottleneck for the traffic to Scandinavia. The bridge, a riveted steel construction, is currently extensively refitted. The maintenance procedures comprise a strengthening for today s railway traffic loads beside the renewal of the corrosion protection and the repair of defects. Thus, the bridge can be preserved for a long time also an important contribution to the building culture. 1 Überblick zum Bauwerk Die Eisenbahnhochbrücke Rendsburg ist eines der bedeutendsten Technikdenkmäler in Deutschland und das Wahrzeichen der Stadt Rendsburg. Die über 100 Jahre alte Brücke überführt die Gleise der Bahnstrecke Hamburg-Neumünster Flensburg über den Nord-Ostsee-Kanal und ist als Hauptstrecke nach Skandinavien unter sehr starkem Eisen bahnbetrieb. Die Hochbrücke wurde im Zuge der Kanal erweiterung in den Jahren 1911 bis 1913 als Ersatz für zwei Drehbrücken gebaut [8] und ermöglicht eine lichte Durchfahrtshöhe für die Schifffahrt von 42 m über dem Nord-Ostsee-Kanal (Bild 1). Aufgrund ihrer großen Bedeutung für den nationalen wie auch den internationalen Eisenbahnverkehr wird die Brücke von der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung (WSV) als Eigentümer des Bauwerkes umfangreich instandgesetzt und seit 2006 im Auftrag der Deutschen Bahn AG (DB) verstärkt. Insgesamt investieren die WSV und die DB ca. 165 Mio.. Die Maßnahmen sind inzwischen zum großen Teil abgeschlossen. Der gesamte Brückenzug ist knapp 2,5 km lang (Bild 2) und wird durch die sich daran anschließenden Erddämme ergänzt. Etwa in der Mitte befindet sich die eigentliche Kanalbrücke, ein zweihüftiger Rahmen mit eingehängtem Schwebeträger. Die Mittelöffnung der Kanalbrücke besitzt eine lichte Weite von 140 m. Die Enden der Seitenfelder sind auf den Übergangspfeilern gelagert. Die beiden Übergangspfeiler bilden jeweils den Übergang zu den auf der Nord- und Südseite an die Kanalbrücke angrenzenden Rampenbrücken (Bild 3). Die Rampenbrücken bestehen jeweils aus einer Kette von Pfeilern, den so genannten Gerüstpfeilern, und den darauf gelagerten einfeldrigen Überbauten, insgesamt 51 Pfeiler und 105 Überbauten. Die Gerüstpfeiler der Rampenbrücken und die beiden Übergangspfeiler der Kanalbrücke ähneln sich im äußeren Erscheinungsbild, jedoch sind die Übergangspfeiler für deutlich höhere Bild 1. Eisenbahnhochbrücke Rendsburg Kanalbauwerk Fig. 1. Rendsburg High Bridge main bridge across the canal Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin Stahlbau 84 (2015), Heft 3 171

2 Bild 2. Gesamtansicht der Eisenbahnhochbrücke Rendsburg (oben) und Detailansicht Kanalbauwerk (unten) Fig. 2. General view of the Rendsburg High Bridge and detail of the main bridge Lasten bemessen. Da der nur reichlich 1 km vom Nord- Ostsee-Kanal entfernte Rendsburger Bahnhof im Zuge des Brückenneubaus 1911 nicht versetzt werden sollte, wird die Bahnlinie auf der Nordseite in einer weitgezogenen Schleife heruntergeführt und unterquert sich selbst im so genannten Schleifenpunkt (Bild 3). Dort befindet sich das Schleifenbauwerk, ein Fachwerkrahmen von 75 m Länge. Eine technische Besonderheit ist die Schwebefähre am Kanalbauwerk (Bild 4). Sie besteht aus einer Fahrbühne, die mit Stahlseilen am oberen Fahrwagen angehängt ist. Der obere Fahrwagen wird elektrisch angetrieben und fährt auf eigenen Laufschienen zwischen den Pylonen in der Mittelöffnung des Kanalbauwerkes. Mit der Schwebefähre können bis zu vier Pkw befördert werden, vor allem dient sie aber dem Fußgänger- und Radfahrverkehr. Die Brücke ist als genietete Konstruktion ausgeführt: in Fachwerkbauweise für die großen Spannweiten (Haupt- tragwerk des Kanalbauwerkes, Schleifenbauwerk) und für die Pfeiler und als Vollwandträger für die kleineren Spannweiten (Überbauten bis zu 28,50 m, Fahrbahnelemente). Als Material wurde Flusseisen verwendet, es kommt in seinen Festigkeitseigenschaften denen des heutigen Stahl S235 nahe, wenn auch mit größeren Streuungen der Materialparameter. Die nach dem normierten Verfahren nach Richtlinie (Ril) 805 Tragsicherheit bestehender Eisenbahnbrücken [3] ermittelte Restnutzungsdauer der Brücke beträgt derzeit noch mehr als 50 Jahre [7], was für ein zweigleisiges, nach 1900 errichtetes Tragwerk mit guter Querverteilung ein typisches Ergebnis ist. Neben der grundhaften Instandsetzung der Brücke hierzu gehören die Beseitigung von Korrosionsschäden und die Erneuerung des Korrosionsschutzes wird die Brücke zusätzlich für heutige Eisenbahnlasten verstärkt, worauf im Folgenden näher eingegangen werden soll. Bild 3. Rampenbrücke Nord am Schleifenpunkt (links), Schleifenbauwerk (rechts) Fig. 3. Northern access bridge at the loop 172 Stahlbau 84 (2015), Heft 3

3 im eingleisigen Verkehr eines Güterzuges der Streckenklasse D4 (22,5 t, 80 kn/m) Bild 4. Schwebefähre am Kanalbauwerk Fig. 4. Transporter bridge 2 Entwicklung der Verkehrslasten Die Brücke wurde ursprünglich für den preußischen Lastenzug A (LZ A, zweigleisig) bemessen. Zusätzlich wurde mit Weitblick auf eventuelle spätere Verkehrslasterhöhungen bei der Bemessung des Kanalbauwerkes, des Schleifenbauwerkes und der Pfeiler eine Reserve von 20 % bezogen auf das Lastbild LZ A vorgesehen. Das Lastbild des LZ A setzt sich aus zwei Lokomotiven (Achslast 17 t, Meterlast 71 kn/m), zwei Tendern (13 t, 65 kn/m) und einseitig angehängten Wagen (13 t, 43 kn/m) zusammen (Bild 5). Zukünftig soll die Brücke in folgenden Lastvarianten genutzt werden: im Begegnungsverkehr eines Güterzuges der Streckenklasse D2 (Achslast 22,5 t, Meterlast 64 kn/m) mit einem Personenzug oder Für den Personenzug werden unter anderem Lastbilder der Züge ICE 1 3, verschiedener Doppelstocktriebzüge und Doppelstockreisezüge sowie das eigens aufgestellte Lastbild des so genannten definierten Reisezuges (DRZ) berücksichtigt (Bild 6). Das letztgenannte Lastbild DRZ, welches in den meisten Fällen maßgebend wird, besteht aus einer Loklast (Achslast 20 t, Meterlast 60 kn/m auf 30 m Länge) und daran einseitig angehängten Wagen (20 kn/m auf maximal 390 m Länge). Die Zuglängen der Güterzüge betragen bis zu 835 m (D2) bzw. 580 m (D4). Diese überlangen Züge verkehren seit 2012 auf der Transitstrecke zwischen Dänemark und dem Rangierbahnhof Maschen südlich von Hamburg und passieren dabei die Eisenbahnhochbrücke Rendsburg. Die Vertikallasten des früheren Lastbildes LZ A (zweigleisig) und der heutigen Lastansätze D2/DRZ bzw. D4 eingleisig liegen global in ungefähr gleicher Größenordnung. Nur die Achslasten sind größer geworden (22,5 t statt 17 t). Eine deutliche Änderung ist aber bei den Anfahr- und Bremslasten zu verzeichnen: Während früher die Bremslast mit 1/7 der Vertikallast angesetzt wurde, ist es heute 1/4. Das entspricht fast einer Verdopplung der Bremslast. Zudem ist heute eine Anfahrlast auf dem zweiten Gleis von 1000 kn (eingetragen auf 30 m Länge) zu berücksichtigen. Diese großen Horizontallasten stellen für die schlanke hohe Brücke eine große Belastungssteigerung dar. Das gilt besonders für die Anfahrlast, deren Lastlänge von 30 m ungefähr der Lasteintragungslänge eines Gerüstpfeilers mit einseitig angehängtem Überbau von 40 m entspricht. 3 Längskraftverteilung und Schienenspannungen auf der Brücke Die einzelnen Teilbauwerke sind gegenseitig längskraftentkoppelt. Die einfeldrigen Überbauten besitzen einseitig längsverschiebliche Lager. Das Kanalbauwerk liegt mittels Pendellagern auf den Übergangspfeilern auf also ebenfalls mit längsverschieblicher Lagerung. Trotz der Längskraftentkopplung bestehen jedoch Möglichkeiten der Längskraftübertragung zwischen den Teilbauwerken: Zum einen verfügt die Brücke über durchgehend verschweißte Schienen ohne Schienenauszüge und zum anderen sind die längsverschieblichen Lager der Überbauten in der Regel als Reib- Bild 5. Lastbild des preußischen Lastenzuges A zwei Lokomotiven mit jeweils zugeordneten Tendern in ungünstigster Stellung und einer unbeschränkten Anzahl einseitig angehängter Güterwagen [9] Fig. 5. Load diagram from 1911 Bild 6. Lastbild des definierten Reisezuges Fig. 6. Load model of a defined passenger train Stahlbau 84 (2015), Heft 3 173

4 lager ausgebildet (Bild 7), das heißt die Lager können unter der Wirkung von Vertikallasten Horizontallasten übertragen. Durch diese Kopplungen werden konzentriert eingetragene Längskräfte, das betrifft vor allem die Anfahrlasten, über eine größere Länge als die eigentliche Lasteintragungslänge verteilt. Die Längskraftverteilung ist außerdem dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrbahn in Gleislängsrichtung schwimmend gelagert ist die Brückenbalken liegen längsverschieblich auf den Zentrierleisten auf (Bild 8). Der Lastabtrag der Längskräfte von den Schienen in die Brückenkonstruktion erfolgt somit nur durch Reibung. Ein direkter Lastansatz der Anfahr- und Bremslasten auf die einzelnen Teilbauwerke würde zu einer großen rechnerischen Überlastung der Konstruktion führen. Für die Nachrechnung und Verstärkungsplanung der Brücke sollte daher in Anlehnung an die Abminderungsfaktoren x der DS 804 [2], Absatz 73 und 74 (Anfahr- und Bremslasten bei ein- und mehrteiligen Tragwerken mit durchgehend geschweißten Schienen), die wirklichkeitsnähere Längsverteilung der horizontalen Kräfte auf mehrere Teilbauwerke berücksichtigt werden. Die Längskraftverteilung wurde in einem nichtlinearen Berechnungsmodell der gesamten Brücke untersucht (Programm SOFISTIK). Es wurden dabei auflastabhängige, nichtlineare Längskraft-Verschiebungs- Abhängigkeiten zwischen den Brückenbalken und den Zentrierleisten sowie an den Reiblagern der Überbauten berücksichtigt. Die Parameter der Längskraft-Verschiebungs-Abhängigkeiten wurden in zahlreichen Berechnungen variiert, um Streuungen der Reibkraftübertragung zu erfassen (Bilder 9 und 10). Die numerische Analyse wurde durch Messungen am Bauwerk im Rahmen von Bremsversuchen verifiziert [6]. Als Ergebnis dieser Untersuchung wurden die auf die einzelnen Teilbauwerke anzusetzenden Anfahrund Bremslasten festgelegt. Die Festlegung erfolgte als Abgrenzung auf der sicheren Seite gegen die Maximalwerte der wirksamen Horizontallasten aus den zahlreichen Modellierungs- und Parametervariationen des Berechnungsmodells einschließlich eines Sicherheitszuschlages. Formal werden die modifizierten Lastansätze durch die Faktoren x * Anfahren und x * Bremsen ausgedrückt, jeweils bezogen auf die normativen Lastansätze (s. Tabelle 1). Tabelle 1. x*-faktoren für die Lastansätze Anfahren und Bremsen gemäß ZiE Table 1. Reduction ratios for acceleration and braking loads Bauwerk Einflusslänge *Anfahrlast *Bremslast Kanalbauwerk 294,60 m 0,4 0,9 Übergangspfeiler 11,50 m 0,4 4,5 Gerüstpfeiler am Kanalbauwerk 40,00 m 0,4 1,7 Gerüstpfeiler am Widerlager 68,50 m 0,4 1,0 Gerüstpfeiler (sonstige) ca. 40 m 0,4 1,3 Schleifenbauwerk 129,50 m 0,4 1,0 Bild 7. Ausgebautes Loslager der Überbauten Fig. 7. Removed bearing Bild 8. Längsverschiebliche Lagerung der Brückenbalken auf Zentrierleisten Fig. 8. Support of the railroad sleeper In Tabelle 1 ist zu erkennen, dass die große, lokal eingetragene Anfahrlast von 1000 kn generell auf 400 kn pro Teilbauwerk vermindert werden kann (x * Anfahren = 0,4). Die restliche Kraft wird in die benachbarten Teilbauwerke abgeleitet. Für die Bremslast ist die Längskraftverteilung differenzierter. Da das Kanalbauwerk bezogen auf seine große Länge in Längsrichtung etwas weicher reagiert als die angrenzenden Rampenbrücken, wird ein Teil der Bremskraft vom Kanalbauwerk auf die Gerüstpfeiler der Rampenbrücken abgetragen. Das betrifft vor allem die beidseits an das Kanalbauwerk angrenzenden Gerüstpfeiler vom Typ 29,50 m Höhe. So begründen sich die Faktoren x * Bremsen > 1,0. Die Übergangspfeiler erhalten absolut etwa die gleiche Horizontalkraft wie die Gerüstpfeiler, aufgrund ihrer kurzen rechnerischen Einflusslänge ist der x * Bremsen-Faktor jedoch anteilig größer. Diese von den normativen Regeln abweichenden Lastansätze wurden durch eine Zustimmung im Einzelfall durch das Eisenbahn-Bundesamt bestätigt. Erst durch diese Möglichkeit der Berücksichtigung der realistischen Längskraftverteilung, insbesondere für die Anfahrlasten, ist es möglich, die Eisenbahnhochbrücke für die heutigen Zuglasten wirtschaftlich zu ertüchtigen. Ein integraler Bestandteil der Längskraftverteilungsberechnung ist der Nachweis der zusätzlichen Schienenspannungen. Gemäß DS 804, Absatz 259C bzw. EC 1-2 [1], Abschnitt betragen die zulässigen zusätzlichen 174 Stahlbau 84 (2015), Heft 3

5 Bild 9. Vergleich der berechneten horizontalen Auflagerkräfte in Abhängigkeit der Zuglänge (D2) für ausgewählte Bauwerke Fig. 9. Longitudinal support reaction of the substructures depending on the train length Bild 10. Vergleich der berechneten horizontalen Auflagerkräfte (Mittelwerte) pro Bauwerk aus unterschiedlichen Lastenzügen Fig. 10. Longitudinal support reaction of the substructures depending on the loads Schienenspannungen 92 N/mm 2 für das Spannungskriterium und 72 N/mm 2 für das Stabilitätskriterium. Diese Werte gelten für Schienen des Typs UIC60. Für die auf der Eisenbahnhochbrücke Rendsburg verwendeten Schienen des Typs S54 gibt es normativ keine allgemeingültigen Grenzwerte. In Anlehnung an die Herleitung der zulässigen zusätzlichen Schienenspannungen für Schienen des Typs UIC60 bekannt ist hier das Dauerfestigkeitsschau- Stahlbau 84 (2015), Heft 3 175

6 bild nach Smith (s. auch [4]) wurde für die Schienen des Typs S54 ein Grenzwert von 82 N/mm 2 (Spannungskriterium) festgelegt. Das Stabilitätskriterium auf Druck wird im vorliegenden Fall nicht maßgebend, da die Schienen auf den Zentrierleisten in Verbindung mit dem Fahrbahnverband gegen seitliches Ausweichen gestützt sind. Die Fahrschienen sind lückenlos verlegt. Zusätzlich sind Führungsschienen vorhanden, die ca. alle 30 m gestoßen sind. Die maximalen zusätzlichen Beanspruchungen in den Schienen treten an den großen Dilatationsfugen auf, also an den Übergängen der Rampenbrücken zu den Widerlagern hier sind die Überbauten auf Rollenlagern nahezu ideal verschieblich gelagert und zum Kanalbauwerk hier ist das Kanalbauwerk durch die Pendelstützen gleichfalls nahezu ideal längsverschieblich gelagert. An diesen Punkten wird der Grenzwert der zulässigen zusätzlichen Schienenspannung für die Schiene S54 rechnerisch überschritten. Im Bereich der Rampenbrücken fallen die zusätzlichen Schienenspannungen deutlich geringer aus, da ein wesentlicher Teil der Horizontalkräfte über die Hauptträger der Überbauten und die Reiblager abgetragen werden. Die Hauptträger der Überbauten sind aufgrund ihrer wesentlich größeren Querschnittsfläche längssteifer als die Schienen, so dass sie anteilig mehr Längskräfte übernehmen. In den maßgebenden Bereichen der Übergänge Rampenbrücken Widerlager und Rampenbrücken Kanalbauwerk sollen auf einer Länge von 30 m (Widerlager) bzw. 42 m (Kanalbauwerk) Vollschienen Vo54 eingebaut werden. Für die Vollschienen sind die Schienenspannungsnachweise erfüllt. 4 Tragwerksberechnung Bei derartigen Sanierungs- bzw. Verstärkungsmaßnahmen ist grundsätzlich aufgrund der vielen Unwägbarkeiten im Bestand zu empfehlen, die Genehmigungs- und Ausführungsplanung bauherrenseitig zu beauftragen und im Vorfeld der Ausschreibung durchzuführen. Dies wurde hier konsequent so realisiert. Für die einzelnen Teilbauwerke der Eisenbahnhochbrücke Rendsburg das sind das Kanalbauwerk, die Übergangspfeiler, die Gerüstpfeiler, die Überbauten und das Schleifenbauwerk wurden detaillierte räumliche Berechnungsmodelle erstellt (s. z. B. Bild 11, Programm RSTAB). Die Modelle enthalten neben den Haupttragwerkselementen der Fachwerkkonstruktionen alle Fahrbahnelemente (Längs- und Querträger), alle Verbandsstäbe (u. a. Wind-, Brems- und Fahrbahnverbände) sowie alle sonstigen Konstruktionselemente (z. B. Schienenträger der Schwebefähre am Kanalbauwerk, Schienenträger der Brückenbesichtigungswagen). Die Stabanschlüsse wurden realitätsnah modelliert. In der Regel sind die Stabanschlüsse biegesteif abgebildet, so dass Nebenspannungen erfasst werden können. Insbesondere erlauben die Modelle, die mittragende Wirkung der Fahrbahn und der Windverbände am Haupttragsystem zu berücksichtigen. Diese mittragende Wirkung wurde in der Urstatik der Brücke nicht erfasst. Die Brücke befindet sich in einem guten Unterhaltungszustand. Lokal vorhandene Korrosionsschäden verursachen in der Regel weniger als 5 % Querschnittsverlust, was durch Querschnittsmessungen im Rahmen der Brückenhauptprüfungen belegt wurde. Entsprechend den Empfehlungen der Ril 805 [3] werden die Korrosionsschäden pauschal durch den in den Nachweisen materialseitig erfassten Teilsicherheitsbeiwert des baulichen Zustandes g B = 1,05 abgedeckt, so dass im Berechnungsmodell generell die Soll-Querschnitte zugrunde gelegt werden können. Diese Festlegung der rechnerischen Grenze auf 5 % Querschnittsverlust bildet gleichzeitig einen Grenzwert, ab welcher Schädigung Instandsetzungsmaßnahmen durchzuführen sind, um den Soll-Querschnitt wiederherzustellen. Im Rahmen der Tragsicherheitsnachweise für die Brücke werden für alle Stäbe bzw. Querschnitte Spannungsnachweise, Stabilitäts-, Stabanschluss- und Stabstoßnachweise durchgeführt. Außerdem wird die Lagesicherheit der Bauwerke nachgewiesen. Bei den Spannungsnachweisen erfolgt eine Unterscheidung in druck- und zugbeanspruchte Querschnitte. Für zugbeanspruchte Querschnitte wird die Spannungsauslastung am Nettoquerschnitt ermittelt. Der maßgebende Schnitt für den Nettoquerschnitt befindet sich in der Regel am Stabanschluss der genieteten Konstruktionselemente. Die Ermüdungsnachweise werden für alle maßgebenden Bauteile als normierte Restnutzungsdauernachweise nach Ril 805 geführt. Vor allem aufgrund der Zweigleisigkeit der Tragwerke und der soliden statischen Dimensionierung der Bauteile (s. o., wichtige Teilbauwerke LZ A + 20 %) ergeben sich Restnutzungsdauerwerte größer 50 Jahre. Bild 11. Berechnungsmodell des Kanalbauwerkes Fig. 11. Computation model 176 Stahlbau 84 (2015), Heft 3

7 5 Verstärkungskonzeption Die statische Nachrechnung des Bestandsbauwerkes für die neuen Verkehrslasten hat typische Fälle von Überlastungen gezeigt. Das betrifft vor allem: Bauteile, die direkt durch die erhöhten Brems- und Anfahrlasten beansprucht werden, z. B. die Längswanddiagonalen der Gerüstpfeiler und die Fundamente der Gerüstpfeiler (Kippen der Gerüstpfeiler) Bauteile, die durch die erhöhten Achslasten beansprucht werden, z. B. die Längs- und Querträger der Fahrbahn Bauteile, die durch ein ungewolltes Mitwirken an der Haupttragwirkung beansprucht werden, z. B. die Windverbände und die Fahrbahn Für die genannten Bauteile sind Verstärkungen erforderlich. Übliche Verstärkungsmaßnahmen an der genieteten Konstruktion sind z. B. (s. auch [5]): Verstärkungslamellen auf den Fachwerkstäben; die Verstärkungslamellen müssen bis in die Fachwerkknoten eingebunden werden Vergittern offener Querschnitte, um die Torsionssteifigkeit zu erhöhen (günstigeres Biegedrillknickverhalten) Austausch von Nieten gegen Passschrauben, wenn an Stabanschlüssen der Abschernachweis nicht erfüllt ist kompletter Stabaustausch, was in der Regel aber nur für untergeordnete Bauteile, z. B. Windverbände, technischwirtschaftlich machbar ist. Eine Änderung des (bewährten) statischen Systems soll durch die Verstärkungsmaßnahmen nach Möglichkeit nicht vorgenommen werden. Alle Verstärkungsmaßnahmen sind unter Berücksichtigung des Denkmalschutzes zu planen. Das Erscheinungsbild der Brücke soll sich nicht ändern. Jedoch sind lokale Detailänderungen, z. B. Schrauben statt Niete, möglich. Die Umsetzung der Maßnahmen gestaltet sich an der genieteten Fachwerkkonstruktion mit häufig mehrfach abgestuften Querschnitten als sehr aufwendig. Das betrifft vor allem die Einbindung der Verstärkungslamellen in die Fachwerkknoten. Hier muss häufig mit zusätzlichen Laschen und niveauausgleichenden Futterblechen gearbeitet werden. Der Anschluss der Verstärkungselemente an die vorhandene Konstruktion erfolgt mit Passschrauben. Passschrauben weisen eine ähnliche Steifigkeit wie die Nietverbindungen auf, so dass von einem gemeinsamen Tragverhalten ausgegangen werden kann. Ein Anschluss mittels Schweißverbindungen ist am Altstahl grundsätzlich nicht vorgesehen. Flussstahl ist nur unter eingeschränkten Bedingungen und in Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung schweißbar. Unter dem Aspekt der hohen Ermüdungsbeanspruchung der Brücke wird hier von Schweißverbindungen am Altstahl komplett abgesehen. Für die Wirksamkeit von Verstärkungselementen muss berücksichtigt werden, dass die neuen Bauteile sich nicht an der Eigenlastabtragung beteiligen, es sei denn, sie werden unter Vorspannung montiert. Da die Eisenbahnhochbrücke während der Ertüchtigungsmaßnahmen weiter genutzt wird, muss bereits beim Entwurf von Verstärkungsmaßnahmen die technische Machbarkeit, gegebenenfalls mit Abfangungen, unter laufendem Eisenbahnbetrieb berücksichtigt werden. Bis Ende 2014 befand sich die Brücke im eingleisigen Betrieb mit Zügen der Streckenklasse D2* (der Stern bedeutet, dass die Zuglast auf 1300 t pro 300 m Zuglänge beschränkt ist). Seit dem Fahrplanwechsel im Dezember 2014 bis zur kompletten Verkehrsfreigabe wird die Brücke unter eingeschränktem zweigleisigem Verkehr D2*+Personenzug befahren. Sperrpausen sind nur in den Nächten von Samstag auf Sonntag möglich, das heißt Sperrpausen können nur für ausgewählte und zeitlich eng begrenzte Montageschritte genutzt werden. Auch der Nord-Ostsee-Kanal wird durch zahlreiche Schiffe befahren, so dass die Schifffahrtsöffnung frei gehalten werden muss. 6 Beispiele für Verstärkungsmaßnahmen Anhand von vier ausgewählten Beispielen werden typische Fälle der Verstärkungsmaßnahmen vorgestellt. 6.1 Verstärkung der Längswanddiagonalen an den Gerüstpfeilern Die Längswanddiagonalen erhalten aus den erhöhten Brems- und Anfahrlasten zusätzliche Kräfte, so dass insbesondere die Sicherheit gegen Stabilitätsversagen nicht mehr gewährleistet ist. Die Längswanddiagonalen werden deshalb durch zusätzliche Lamellen verstärkt, die beidseits mittels Passschrauben auf den vorhandenen Querschnittsflanschen befestigt werden (Bild 12). Die Verstärkungslamellen werden an beiden Stabenden bis an die Knotenbleche geführt. Der kraftschlüssige Anschluss an die Knoten erfolgt durch zusätzlich aufgelegte Laschen. Die zusätzlichen Anschlusslaschen sind in Längsrichtung geteilt, so dass sie nacheinander montiert werden können. Dadurch kann die Anzahl der im Montagezustand gleichzeitig zu öffnenden Niete/Schrauben auf die Hälfte pro Flansch bzw. auf ein Viertel pro Stabanschluss reduziert werden. Die Anschlusslaschen wurden jeweils in Zeitfenstern eines eingeschränkten Eisenbahnbetriebs montiert. Der artige Zeitfenster, das heißt Zeiträume zwischen der fahrplanmäßigen Überfahrt von zwei Zügen (wobei leichte Nahverkehrstriebzüge trotzdem fahren durften) mit einer Dauer von mindestens 20 Minuten, vorzugsweise 30 Minuten, standen mehrmals pro Tag zur Verfügung. Zur Zeitersparnis für diesen Montageschritt wurden vorab bereits alle Niete des Stabanschlusses schrittweise gegen Passschrauben ersetzt. 6.2 Verstärkung der Querträger an der Fahrbahn des Kanalbauwerkes Die Querträger (QT) erhalten aus den höheren Achslasten aber auch aus einer ungewollten Biegung um die vertikale (schwache) Achse infolge des Mitwirkens an der Haupttragwirkung erhöhte Beanspruchungen. Als Verstärkungsmaßnahme werden an zahlreichen QT Ober- und Untergurten Gurtlamellen und zum Teil auch Gurtwinkel ausgetauscht (Bild 13). Da die Maßnahme unter Betriebslasten D2*-eingleisig durchgeführt wird, ist eine Abfangung der Querträger erforderlich. Die Abfangkonstruktion muss eine Steifigkeit besitzen, die dem ca. 1,30 m hohen Querträger ebenbürtig ist. Gleichzeitig muss die Abfangkonstruktion unter den eingeschränkten Platzverhältnissen montierbar Stahlbau 84 (2015), Heft 3 177

8 Bild 12. Verstärkung der Längswanddiagonalen an den Gerüstpfeilern Fig. 12. Strengthening of the access bridge pillars Bild 13. Fahrbahn des Kanalbauwerkes mit den freigelegten Querträgern unter dem demontierten Gleis (links); verstärkter Querträger mit neuen Gurtlaschen sowie Fachwerk-Abfangträger (rechts) Fig. 13. Strengthening of the transverse beam fangträger vorgespannt, wobei die Wirksamkeit der Abfangung mit der Größe der Vorspannkraft variiert werden kann. Die Einstellung erfolgt auf Basis der Montagezustandsberechnung derart, dass einerseits der zu verstärkende Querträger hinreichend entlastet ist (er beteiligt sich auch im Montagezustand entsprechend seiner Resttragsein. Es wurden hierfür aus einzelnen Segmenten bestehende Fachwerk-Abfangträger entworfen, die paarweise vor und hinter dem Querträger zwischen die Längsträger (LT) montiert werden und Lasten von den Längsträgern direkt zum Hauptträger-Untergurt (HU) ableiten (s. Bild 14). Mittels Pressen an den Auflagerpunkten werden die Ab- Bild 14. Querträgerabfangung zwischen den Hauptträgern Fig. 14. Mounting support of the transverse beam 178 Stahlbau 84 (2015), Heft 3

9 fähigkeit noch an der Lastabtragung), andererseits aber der Hauptträgeruntergurt durch die zusätzliche Biegebeanspruchung infolge des Lasteintrages außerhalb des Fachwerkknotens nicht überlastet ist. Der zur Verfügung stehende Spielraum des Kräftegleichgewichts ist gering. 6.3 Verstärkung des unteren Windverbandes am Kanalbauwerk Die Windverbände, die am Obergurt bzw. am Untergurt des Hauptträgerfachwerkes angeschlossen sind, beteiligen sich ungewollt an der Haupttragwirkung, wofür sie ursprünglich nicht bemessen worden sind. Die Verstärkungsmaßnahme für die am höchsten beanspruchten unteren Windverbandsfelder besteht darin, dass die Stäbe querschnittsgleich, aber mit höherer Materialgüte (S355) ausgetauscht werden (Bild 15). Dadurch wird die Festigkeit der Verbandsstäbe erhöht, ohne die Dehnsteifigkeit (Querschnittsfläche) zu vergrößern. Eine Vergrößerung der Querschnittsfläche würde infolge der höheren Steifigkeit zu einem verstärkten Mittragen an der Haupttragwirkung führen, wodurch die Verstärkungsmaßnahme in ihrer Wirksamkeit vermindert werden würde. Die gekreuzten Windverbandsdiagonalen eines Verbandsfeldes konnten unter Betriebslasten D2*-eingleisig nacheinander ausgetauscht werden. 6.4 Verstärkung der Fundamente an den Gerüstpfeilern Bild 15. Austausch des unteren Windverbandes hier Detail des Kreuzungspunktes der Diagonalen Fig. 15. Exchange of the lower wind bracing Die Gerüstpfeiler erfahren durch die Horizontalbeanspruchung aus Bremsen und Anfahren, aber auch aus weiteren Horizontallasten (Wind, Fliehkräfte) Kippbeanspruchungen, die sich als Kräftepaare auf die jeweils vier Einzelfundamente eines Gerüstpfeilers umlegen. Für die Wirkung abhebender Kräfte müssen die bis zu 6 m tiefen Fundamente verstärkt werden, während sie für drückende Last eine ausreichende Tragfähigkeit besitzen. Die beiden wesentlichen Komponenten der Verstärkung sind der Einbau eines neuen Hauptankers 115 bzw. 125 mm, S355, sowie eine Stahlbetonmanschette auf dem Bestandsfundament (Bild 16). Der Hauptanker dient dem zugfesten Anschluss des Gerüstpfeilereckstieles an das Fundament. Am Bild 16. Fundamentverstärkung an den Gerüstpfeilern; Prinzipskizze Fig. 16. Foundation strengthening Stahlbau 84 (2015), Heft 3 179

10 oberen Ankerende wurde der Hauptanker mittels einer lastverteilenden Stützkonstruktion (ein kompaktes Schweißbauteil) im Eckstielfuß angeschlossen. Am unteren Ankerende wurde der Hauptanker durch einen seitlich in das Fundament eingelassenen Verankerungsträger (ebenfalls ein Schweißbauteil in Form eines ca. 2,40 m langen Rechteckhohlquerschnittes) eingebunden. In den Verankerungsträger ist mittig eine Mutter integriert, in die nach dem seitlichen Einschub des Verankerungsträgers der Hauptanker von oben eingeschraubt werden kann (Bild 17). Die Bohrlöcher für den Hauptanker und den Verankerungsträger werden abschließend vergossen. Die Abhebesicherung während des Montagezustandes erfolgt durch außenliegende Zugstangen, die oben mittels einer Kragenkonstruktion am Eckstiel befestigt werden und unten an in das Bestandsfundament eingeklebte Verbunddübel angeschlossen werden. Die obere Kragenkonstruktion dient gleichzeitig als behelfsmäßige Eckstielaussteifung, da zur Baufreiheit für den Einhub des neuen Hauptankers mehrere Querschotte im Inneren des Eckstiels bauzeitlich demontiert werden müs- sen. Die unteren Verbunddübel wiederum stellen gleichzeitig eine Komponente der Verstärkungsmaßnahme dar: Sie dienen als nachträgliche Bewehrung des unbewehrten Bestandsfundamentes und hängen die vom Hauptanker über den Verankerungsträger eingeleiteten Zugkräfte bis an die Fundamentsohle zurück. 7 Zusammenfassung Durch umfangreiche Instandsetzungs- und Verstärkungsmaßnahmen wird die über 100 Jahre alte Eisenbahnhochbrücke Rendsburg für viele weitere Jahre für den wachsenden Eisenbahnverkehr ertüchtigt. Die heutigen Eisenbahnlasten und dabei insbesondere die Anfahr- und Bremslasten liegen über dem ursprünglichen Bemessungslastniveau. Erst durch detaillierte Berechnungen und weitergehende Untersuchungen, wie beispielsweise dynamische Messungen zur Kalibrierung des Systemtragverhaltens, gelingt es, die Brücke technisch-wirtschaftlich zu ertüchtigen, indem Tragreserven identifiziert und nutzbar gemacht werden. Die Bild 17. Fundamentverstärkung an den Gerüstpfeilern: Einbau neuer Hauptanker, Einschub Verankerungsträger, Stahlbetonmanschette Fig. 17. Foundation strengthening 180 Stahlbau 84 (2015), Heft 3

11 Montagearbeiten zur Brückenertüchtigung müssen größtenteils unter Eisenbahnbetrieb erfolgen, was hohe Anforderungen an den Entwurf, die Planung und die Ausführung stellt. Die Eisenbahnhochbrücke Rendsburg ist mit ihrer herausragenden Größe ein Zeuge des technischen Aufbruchs des beginnenden 20. Jahrhunderts. Dieses Meisterwerk der Ingenieurbaukunst als funktionierende Brücke langfristig zu erhalten ist ein wichtiger Beitrag zur Baukultur. Literatur [1] DIN EN : Einwirkungen auf Tragwerke Verkehrslasten auf Brücken [2] DS 804: Vorschrift für Eisenbahnbrücken und sonstige Ingenieurbauwerke. DB Netz AG, [3] Richtlinie 805: Tragsicherheit bestehender Eisenbahnbrücken. DB Netz AG. [4] Freystein, H., Geißler, K.: Interaktion Gleis/Brücke bei Stahlbrücken mit Beispielen. Stahlbau 82 (2013), H. 2, S [5] Geißler, K.: Handbuch Brückenbau Entwurf, Konstruktion, Berechnung, Bewertung und Ertüchtigung. Berlin: Ernst & Sohn, [6] Geißler, K., Graße, W., Schmachtenberg, R., Stein, R.: Zur meßwertgestützten Ermittlung der Verteilung der Brems- und Anfahrkräfte an der Eisenbahnhochbrücke Rendsburg. Stahlbau 71 (2002), H. 10, S [7] Graße, W., Schmachtenberg, R., Geißler, K.: Zur Nachrechnung, Restnutzungsdauerberechnung und Ertüchtigungsuntersuchung der Eisenbahnhochbrücke Rendsburg über den Nord-Ostsee-Kanal. Stahlbau 71 (2002), H. 9, S [8] Thiesen, E.: Die Rendsburger Hochbrücke mit Schwebefähre. Band 13 der Reihe: Historische Wahrzeichen der Ingenieurbaukunst in Deutschland; Hrsg. Bundesingenieurkammer, [9] Zentralblatt der Bauverwaltung. Amtliche Mitteilungen. Herausgegeben im Ministerium der öffentlichen Arbeiten, 23. Jg., Nr. 49, Berlin, 20. Juni Autoren dieses Beitrages: Dr.-Ing. Matthias Bartzsch, Prof. Dr.-Ing. Karsten Geißler, GMG Ingenieurgesellschaft Dresden, George-Bähr-Straße 10, Dresden Dipl.-Ing. Richard Schmachtenberg, Wasser- und Schifffahrtsamt Kiel-Holtenau, Schleuseninsel 2, Kiel, Stahlbau 84 (2015), Heft 3 181