7 Planung und Ausführung der Muldebrücke Glauchau in Hochleistungsbeton B 85

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1 7 Planung und Ausführung der Muldebrücke Glauchau in Hochleistungsbeton B 85 Dipl.-Ing. Wolfgang Eilzer, Dipl.-Ing. Rico Stockmann Leonhardt, Andrä und Partner, Büro Dresden Dipl.-Ing. Frank Weigel Straßenbauamt Zwickau 7.1 Entwurf, Ausschreibung und Vergabe Bauwerksentwurf Die bestehende Bundesstraße B 175 ist im Abschnitt zwischen der Autobahnanschlußstelle BAB A 4 und der Anschlußstelle Mosel überlastet und baulich unzulänglich. Sie wird daher im o. g. Abschnitt ausgebaut und in Teilbereichen verlegt, damit ihre Leistungsfähigkeit verbessert und die Stadt Glauchau verkehrsgünstiger an das überregionale Straßennetz angebunden wird. Insbesondere wird dabei der Glauchauer Ortsteil Jerisau entlastet (Bild 7.1). Bild 7.1: Ansicht; Längsschnitt Einen ersten Schritt zur Verwirklichung dieses Planungszieles ist die Verlegung der B 175 zwischen der BAB A 4 und der kommunalen Waldenburger Straße mit einer Trassenlänge von 2,34 km. Im Zuge dieser Trassenverlegung wird südlich der BAB A 4, Anschlußstelle Glauchau, die Querung der Zwickauer 139

2 Mulde und eines Wirtschaftsweges erforderlich. Die dafür neu zu bauende Brücke weist eine Gesamtlänge von 171 m bei Stützweiten von 31 m + 39 m + 37 m + 35 m und 29 m auf (Bild 7.2). Bild 7.2: Regelquerschnitt Im Zuge der Entwurfsbearbeitung wurde durch das BMVBW angeregt, bei diesem Bauwerk den Einsatz von hochfestem Beton an einer Großbrücke zu erproben, die abschnittsweise hergestellt werden soll. Die für die Richtungsfahrbahnen getrennten, über jeweils fünf Felder durchlaufenden Überbauten wurden daraufhin in hochfestem Beton B 85 (C 70/85) geplant. Der Überbauquerschnitt wird von einer in Längsrichtung beschränkt vorgespannten, in Querrichtung schlaff bewehrten Massivplatte mit großen Kragarmen gebildet (Bild 7.3). Die gewählte Konstruktionshöhe beträgt 1,05 m, was einer Schlankheit von 1/37 entspricht. Damit weist dieses Bauwerk eine um rund 50 % größere Schlankheit als Massivplatten in B 35/45 auf. Die abschnittsweise hergestellten Überbauten werden im Sinne der DIN mit nachträglichem Verbund beschränkt vorgespannt. Die Fahrbahnplatte weist eine Querneigung von 2,5 % auf, die maximale Längsneigung beträgt im Bauwerksbereich 1,6 %. Der Bauwerksentwurf sah Kastenwiderlager und massive Pfeiler vor, die auf bis zu 16 m langen Großbohrpfählen gegründet werden sollten. Im Grundriss ist das Bauwerk in einem konstanten Radius R = m trassiert. Die Auflagerachsen sind in einem Winkel von 74 gon zur Bauwerksachse angeordnet. In Brückenlängsrichtung war eine schwimmende Lagerung mit Querfesthalterungen in jeder Lagerachse vorgesehen. 140

3 Bild 7.3: Grundriss Ausschreibung und Vergabe Die Bemessungsgrundlagen wurden weitgehend aus den Versuchen der bisherigen Pilotprojekte zur Anwendung von hochfestem Beton entnommen und um Angaben zu den Koppelfugen ergänzt. Die Bemessungsgrundlagen außerhalb der bauaufsichtlich eingeführten technischen Bestimmungen wurden in einem Gutachten, das das Ingenieurbüro König und Heunisch aus Leipzig erstellte, zusammengefaßt und den Ausschreibungsunterlagen beigegeben. Dieses Gutachten stellte zudem die Grundlage für die Zustimmung im Einzelfall durch den Baulastträger dar. Für die Rezeptentwicklung des hochfesten Betons, die Eignungs-, Güte- und Erhärtungsprüfung für den Beton, einen Verarbeitungsversuch und eine Probebetonage sowie einen Qualitätssicherungsplan nach DafStB-Richtlinie für hochfesten Beton waren im Leistungsverzeichnis spezielle Positionen vorgesehen. Sondervorschläge und Nebenangebote bezüglich der Betonfestigkeitsklasse des Überbaus, der Stützweiten oder des Überbauquerschnittes wurden ausgeschlossen. Die Vergabe erfolgte im Nichtoffenen Verfahren nach VOB/A 17a mit vorgeschaltetem Teilnahmewettbewerb. Von 27 Bewerbern erfüllten 10 die formalen Anforderungen und wurden zu einem Präqualifikationsgespräch gebeten. Der Ablauf dieser Gespräche wurden den Teilnehmern vorab in einer Einladung mitgeteilt. Die verbindlich zu klärenden Fragen wurden allen Bewerbern in der gleichen Weise gestellt und von einer sachkundigen Jury bewertet. Im Ergebnis konnten sechs Bewerber ihre Eignung nachweisen. An diese wurden die Ausschreibungsunterlagen verschickt. Den Zuschlag erhielt das Angebot der Leipziger Straßen- und Brückenbau GmbH & Co. KG, die ein erfahrenes Betonlabor als Nachunternehmer eingebunden hatte, das über das erforderliche Know-how bezüglich des hochfesten Betons verfügt. Beauftragt wurde ein Sondervorschlag, den das Ingenieurbüro Leonhardt, Andrä und Partner erarbeitet hatte. Dieser Sondervorschlag sah für die Gründung Ortbetonrammpfähle und schlankere, dem Überbau in seiner Form besser angepaßte Pfeiler vor. Zudem wurde die Querfesthaltungen an den Pfeilern weggelassen. 141

4 7.2 Ausführungsplanung Die statische Berechnung erfolgte nach den DIN-Normen DIN 1072 und DIN Für die Bemessung des Überbaus wurden die DIN [07.88], DIN 1045[07.88] und die DafStB-Richtlinie für hochfesten Beton angewendet. Da diese Normen zwar einzeln die Anwendung von hochfestem Beton bzw. Spannbeton regeln, nicht aber vorgespannten Hochleistungsbeton, wurden die ergänzenden Regelungen der Stellungnahme zur Anwendung von hochfestem Beton im Spannbetonbau angewendet. Wichtige Punkte waren: Zusätzlich zu DIN 1072 war eine Verkürzung von 0,15 mm/m aus abfließender Hydratationswärme und 0,20 mm/m für das Anfangsschwinden zu berücksichtigen. Ergänzung der Tabelle 9 DIN 4227 hinsichtlich Druck und Zugspannungen für den Hochleistungsbeton B 85, Festlegung eines Spannungs-Dehnungs-Diagramms für den Beton, Festlegung der Spannungen beim Aufbringen der Teil- und Endvorspannung, wobei sich das Aufbringen der Teilvorspannung am Verlauf der Bauteiltemperatur orientieren sollte, Ergänzung eines Grundwertes der Mindestbewehrung und Mindestschubbewehrung, Nachweis der Querkrafttragfähigkeit nach DafStB-Richtlinie für hochfesten Beton. Die Überbauten wurden in jeweils fünf Abschnitten auf einem bodengestützten Lehrgerüst hergestellt. Die Koppelfugen wurden dabei im Momentennullpunkt angeordnet und verzahnt ausgebildet. Bei der Wahl des Spannverfahrens wurden Verfahren mit einer Zulassung für B 85 und Verfahren für B 45 / B 55 untersucht. Wegen ihres geringeren Ankerabstandes sind Spannverfahren mit Zulassung für einen B 85 eindeutig zu bevorzugen. Um die Vorgaben für eine beschränkte Vorspannung zu erreichen, war für die Muldebrücke eine mittlere Vorspannung von 8 8,5 MN/m 2 erforderlich. Dies entspricht einem Spannstahlverbrauch von ca. 43 kg/m 2 Brückenfläche. Als Spannglieder kamen 12- und 15- litzige Spannglieder für hochfesten Beton B 85 der Fa. BBV zum Einsatz. Die berechneten Spannungen lagen unter Gebrauchslasten im Lastfall HZ bei ca. 23 MN/m 2 und damit deutlich unter den zugelassenen 30 MN/m 2. Bei Zugspannungen wurden die zugelassenen 4,8 MN/m 2 dagegen ausgeschöpft. Die Forderung, dass unter halber Verkehrslast keine Dekompression auftritt, ist damit ebenfalls erfüllt (Bild 7.4 und 7.5). Theoretisch sind, da Druckspannungsreserven vorhanden sind, größere Schlankheiten möglich. Da damit aber der Spannstahlbedarf weiter steigt und die Unterbringung der Spann- bzw. Koppelanker sehr problematisch wird, ist eine weitere Vergrößerung der Schlankheit für Massivplatten nur schwer realisierbar. Die an der Muldebrücke eingebauten Verankerungen sind an der Grenze des konstruktiv Machbaren (Bild 7.6 und 7.7). Bei der Durchführung der Bruchsicherheitsnachweise war zu beachten, dass die Spannungs-Dehnungs- Linie des Hochleistungsbetons B 85 von der des Normalbetons abweicht. Damit sind die bekannten Bemessungshilfen (allgemeines Bemessungsdiagramm) nicht einsetzbar. Die Bruchsicherheitsnachweise waren beim gewählten Querschnitt jedoch nicht bemessungsrelevant. Die erforderliche Bewehrung zur Rissbreitenbeschränkung und zur Sicherstellung der Robustheit wurde nach DIN 4227/A1 ermittelt. Wegen der größeren Zugfestigkeit des Betons ergab sich eine hohe 142

5 Bild 7.4: Spannungen Lastfall HZ Unterkante Überbau Bild 7.5: Spannungen Lastfall HZ Oberkante Überbau 143

6 144 Bild 7.6: Spannanker in Achse A

7 Bild 7.7: Koppelfuge 1. Bauabschnitt - 2. Bauabschnitt Bewehrung zur Rissbreitenbeschränkung und Sicherstellung der Robustheit. Die Oberflächenbewehrung beträgt ca. 21 cm 2 /m (20/15 cm). Die Nachweise der schiefen Hauptspannungen und Bügelbewehrung erfolgte nach DafStB-Richtlinie für hochfesten Beton unter Berücksichtigung der Vorspannung, da das Verfahren nach DIN die Schubtragfähigkeit des untersuchten Querschnittes überschätzt. Die erforderliche Bügelbewehrung lag bei cm 2 /m Steg. Insgesamt wurden in beiden Überbauten 312 t Betonstahl 500S eingebaut. Das entspricht ca. 119 kg/m 3 (Bild 7.8). Die Auswirkung der Hyratationswärme und des Anfangsschwindens führen zu großen Lagerwegen, die später als eingefrorene Verformung verbleiben. Diese Verformungen hätten wegen der größeren benötigten Lagerhöhe auch breitere Elastomerkissen erfordert. Darum wurde vorgesehen, die Kissen unmittelbar vor Verkehrsfreigabe zu wenden und die Verformung damit wieder auf Null zurückzustellen. Da die gemessenen Verformungen geringer waren als die vorab angenommenen, mußten die Lager nur an einem Widerlager gewendet werden. 7.3 Ausführung Mischungsentwurf Vom Auftragnehmer wurde ein Mischungsentwurf nach den Vorgaben der nach DafStB-Richtlinie für hochfesten Beton entwickelt. Er erfüllte alle geforderten Eigenschaften wie niedrige Bauteilerwärmung, gute Verarbeitbarkeit, lange Verarbeitungszeit und gutmütiges Ansteifverhalten (Bild 7.1 und 7.2). 145

8 146 Bild 7.8: Schlaffstahlbewehrung

9 Tabelle 7.1: Betonrezeptur Tabelle 7.2: Betoneigenschaften 147

10 7.3.2 Verarbeitungsversuche Vor Beginn der Arbeiten am Überbau wurden in einem Verarbeitungsversuch an einem Kranfundament von 10 m Länge die Einbringung, Verdichtung, Rücksteifverhalten, Temperaturentwicklung usw. erprobt. Ein zweiter plattenförmiger Versuchskörper diente der Erprobung der Oberflächenprofilierung und der Nachbehandlung (Bild 7.9 und 7.10). Bild 7.9: Verarbeitungsversuch Einbau und Verdichtung Probleme der Verarbeitung Der Überbau wurde feldweise in 10 Betonierabschnitten in einer Taktzeit von 3 Wochen je Abschnitt hergestellt. Dabei wurden m 3 Beton B 85 eingebaut. Die größte Einbaumenge lag dabei bei 310 m 3 Beton in einem Betonierabschnitt. Bei den ersten drei Betongängen traten bei der Förderung des Betons Probleme beim Pumpen auf. Die Leistung von bis zu 40 m 3 /h über längere Zeiträume erfordert aufgrund der Viskosität des Betons Pumpen mit großer Leistung. Diese Probleme waren bei den bisherigen kleineren Pilotprojekten nicht aufgetreten. Ein kontinuierlicher Materialfluß und eine gleichbleibende Konsistenz erleichterten das Pumpen. Schon ein geringes Abfallen des Ausbreitmaßes führte zu einem sprunghaften Anstieg des Förderdruckes (Bild 7.11 und 7.12). Betoniert wurde jeweils nachts bei möglichst niedrigen Außentemperaturen. Die Kernerwärmung der betonierten Bauteile war auf max. 70 C begrenzt worden. Gemessen wurden Erwärmungen um ca K. Mit Blick auf Strukturverlauf und Wiederablösbarkeit erwies sich eine kunststoffbeschichtete Holzschalung als am besten geeignet. Das Quergefälle konnte problemlos hergestellt werden, wenn dem Beton nach Einbau ca min Zeit zum Ansteifen gegeben wurde. Die optimale Nachbehandlung 148

11 Bild 7.10: Verarbeitungsversuch Oberflächenherstellung Bild 7.11: Mehrere Betonpumpen werden vorgehalten 149

12 Bild 7.12: Förderdruckdiagramm einer Betonpumpe wurde durch ein Aufbringen eines Wassersprühnebels nach der Profilierung und ein anschließendes Abdecken mit wasserdichter PE-Folie gewährleistet. Teilweise wies die Oberfläche eine große Rauhigkeit auf, die durch ein Rückfedern der Zuschlagstoffe gegen den viskosen Zementleim bei zu großer Rüttelenergie der Bohle verursacht wurden (Bild 7.13). Bild 7.13: Oberflächenprofilierung und Nachbehandlung An den Koppelfugen stellten sich Längsrisse ein, die nicht durch mangelnde Nachbehandlung oder mangelnde Bewehrung verursacht wurden. Die Schwindbehinderung des jungen Betons war bei noch 150

13 zu geringem Verbund zum Betonstahl zu groß. Eine Verstärkung der Bewehrung in diesem Bereich blieb ohne den gewünschten Erfolg (Bild 7.14). Bild 7.14: Längsrisse an den Koppelfugen 7.4 Ausblick Bild 7.15: Temperatursensoren Bild 7.16: Meßpunkte im Überbau Durch die Auswahl kompetenter Vertragspartner im Nichtoffenen Verfahren mit Teilnahmewettbewerb und durch die Erfassung der wesentlichen Besonderheiten in der Ausschreibung konnten vertragliche und technische Probleme weitgehend vermieden werden. Das Bauwerk wurde nach der erfolgten Einbindung in die Trasse am 19. Dezember 2002 dem Verkehr übergeben. Das Bauvorhaben wurde durch ein umfangreiches Meßprogramm begleitet, in dem Temperaturen und Dehnungen vom Bau bis in die Nutzungsphase erfaßt und ausgewertet wurden (Bild 7.15 und 7.16). Ei- 151

14 ne Probebelastung zur Nullmessung fand am 18. April 2002 statt. Zur Beurteilung der Dauerhaftigkeit des Betons B 85 sind im Sprühnebelbereich auf der Außenkappe Probekörper angeordnet worden. Bild 7.17: Schlankheit des Bauwerkes 1/37 Bild 7.18: Fertiges Bauwerk Die Erfahrungen aus dem Pilotprojekt zeigen, dass auch große Mengen hochfesten Betons zielsicher und in hoher Qualität hergestellt und eingebaut werden können. Neben der erreichten Schlankheit sprechen die hohe Dichtheit und Widerstandsfähigkeit für den Hochleistungsbeton im Brückenbau (Bild 7.17 und 7.18). 152

15 7.5 Projektbeteiligte Bauherr: Entwurf: Auftragnehmer: Genehmigungs- und Ausführungsplanung: Prüfingenieur: Betonhersteller: Betontechnologie Gutachten und Beratung zu hochfestem Beton: Bundesrepublik Deutschland, Sächsische Straßenbauverwaltung, Straßenbauamt Zwickau Entwurfs- und Ingenieurbüro für Straßenwesen, Dresden Leipziger Straßen- und Brückenbau, Grimma Leonhardt, Andrä und Partner, Beratende Ingenieure VBI GmbH Prof. Dr.-Ing. G. König CM Transportbeton, Crossen BBQ Bautechnik Süd Ost, Berlin König und Heunisch Planungsgesellschaft, Leipzig 153

16 Literaturverzeichnis [1] König, G.; Weigel, F.; Zink, M.; Arnold, A.; Maurer, R.: Erste deutsche Großbrücke aus Hochleistungsbeton. In: Beton- und Stahlbetonbau (2002), H. 6, S