Die Brückenfamilie ist komplett der mehrstegige Plattenbalken

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1 Die Brückenfamilie ist komplett der mehrstegige Plattenbalken K.-H. Sperlein 1 Die Brückenfamilie ist komplett der mehrstegige Plattenbalken Karl-Heinz Sperlein Dipl.-Ing. (FH) Staatliches Bauamt DE-Passau

2 2 Die Brückenfamilie ist komplett der mehrstegige Plattenbalken K.-H. Sperlein 2. Internationale Holzbrückentage 12

3 Die Brückenfamilie ist komplett der mehrstegige Plattenbalken K.-H. Sperlein 3 Die Brückenfamilie ist komplett der mehrstegige Plattenbalken 1. Einleitung Grundsätzliches, Ziel, Planungsgrundsätze Abbildung 1: Massivbrücke B 12; Ausbau nördlich Hutthurm BW 1 Der Brückenbestand innerhalb der Bayerischen Staatsbauverwaltung ist geprägt vom Massivbauwerk, sei es als Stahlbeton - Spannbeton, Stahlbauwerk oder auch in Mischbauweise Stahl - Stahlbeton. Die Bauwerke sind wie im gesamten Bundesgebiet auf der Grundlage der bestehenden Richtzeichnungen und der Erkenntnis aus den Brückenprüfungen nach DIN 1076, sowie der jeweiligen Entwicklung in der Technik geprägt. So war es zunächst eher erstaunlich, als das Bayerische Land- und Forstministerium im Jahr 1997 im gesamten Verwaltungsbereich der Obersten Baubehörde nachfragen ließ, ob der nachwachsende Rohstoff Holz im Bereich des Straßenbrückenbaus einsetzbar wäre. Ziel dieser Anfrage war, ein Bauwerk zu präsentieren, das jederzeit bei passendem Umfeld und Einfügung in die Landschaft errichtet werden könnte. (Schreiben OBB vom , GZ IID /96 Planung und Ausschreibung von Brücken in Holzbauweise; Einsatz von Holz einheimischer Baumarten als umweltfreundlicher Baustoff ) Als einziges damaliges Bauamt in Bayern war es das Straßenbauamt Passau, das die Bereitschaft signalisierte, eine Holzbrücke zu planen und auszuführen. Im gemeinsamen Gespräch mit der Obersten Baubehörde in München legte man einige Eckpunkte der zukünftigen Brücke fest. Zum Einen: Das Bauwerk sollte so nah als möglich am Massivbauwerk geplant werden. Die vorhandenen Richtzeichnungen des BMV sollten so weit als möglich eingesetzt werden. Als Querschnitt wurde der im Massivbau oft verwendete Plattenbalkenquerschnitt gewählt. Dieser Querschnitt erschien in punkto Wirtschaftlichkeit und Umsetzbarkeit auf den Holzbau als der am geeigneteste Querschnitt.

4 4 Die Brückenfamilie ist komplett der mehrstegige Plattenbalken K.-H. Sperlein 2. Internationale Holzbrückentage 12 Eine Vorgabe in finanzieller Richtung waren 5 % über den Entstehungskosten eines Massivbauwerks, was wegen der mangelnden Erfahrungen im Bereich des Holzbaus als angemessen empfunden wurde. Mit diesen Vorgaben und einem neutralen Begleiter in der Planung, dem Leiter des Fachgebietes Holzbau der TU München (Prof. Kreuzinger), wurde die Planung begonnen. 2. Die ersten 2 Bauwerke 2.1. Holzbrücke Ruderting (30 to) mit Sprengwerkunterstützung Abbildung 2: B 85; Holzbrücke Ruderting Abbildung 3: Querschnitt Abbildung 4: Detail Der bereits bestehende Plan einer Massivbrücke als zweistegiger Plattenbalken mit einer Überbaulänge von 29,0 m, einer Fahrbahnbreite von 4,50 m und Gehwegkappen von je 0,50 m wurde in einen vierstegigen Plattenbalkenquerschnitt umgewandelt. Als Brückentafel wurde von Prof. Kreuzinger eine orthogonal verleimte Brettsperrholzplatte vorgeschlagen, die aus dem Geschoßwohnungsbau stammte. Die Platte wurde wegen der Rollschubspannungen mit einer unten liegenden Kertoplatte verstärkt. Der Plattenquerschnitt wurde von Dipl.-Ing. Borimir Radovic und Prof. Blass geprüft und mit der Zustimmung im Einzelfall von der OBB zum Einbau freigegeben.

5 Die Brückenfamilie ist komplett der mehrstegige Plattenbalken K.-H. Sperlein 5 Als Verbindungsmittel wählte man den Stabdübel, sowohl im Bereich Längsträger Platte als auch zur Verankerung der Gehwegkappen auf der Fahrbahnplatte. Als Unterstützung wurde ein Sprengwerk aus je 2 V-förmigen Stützenpaaren pro Seite aus Brettschichtholz gewählt. Die Verbindungsmittel aus Stahl, die einen relativ großen Konstruktionsaufwand bedeuteten und noch immer bedeuten, wurden zum Großteil von der TU München mit konstruiert. Die Abdichtungs- und Belagsebene, bestehend aus einer einlagigen Bitubahn auf der Tragwerksplatte, einer Lattungsebene aus Kanthölzern 3/5 cm, darüber als Last verteilende Platte eine BFU-Platte, anschließend eine zweilagige Bitu-Abdichtungsbahn aus dem Massivbau, wobei die untere Lage im Raster von 15/15 cm vernagelt wurde. Darauf wurde eine 3,5 cm Asphaltbetonschutzschicht und 3,5 cm Asphaltbetondeckschicht eingebaut Holzbrücke Neukirchen (60 to) mit V-förmigen Stützen Abbildung 5: B 85; Holzbrücke Neukirchen Abbildung 6: Querschnitt Abbildung 7: Detail Knapp 10 Jahre nach der Brücke Ruderting wurde im Zuge der Ortsumgehung Neukirchen v. W. ein weiteres Holzbauwerk geplant. Die Grundlagen waren dieselben wie bei der ersten Brücke. Der Plattenbalkenquerschnitt als Unterstützung, aber diesmal senkrechte Brettschichtholzstützen V-förmig ausgebildet, sowie zwei Querträger über die gesamte Fahrbahnbreite aus Stahl.

6 6 Die Brückenfamilie ist komplett der mehrstegige Plattenbalken K.-H. Sperlein 2. Internationale Holzbrückentage 12 Während der Ausarbeitung der Ausführungspläne wurde zeitgleich bei der Holzbrücke Ruderting festgestellt, dass über die Stabdübel aus Gewindestangen über die sehr oft unterbrochene Abdichtung durch die Stabdübel die Möglichkeit vorhanden war, dass Wasser über das Gewinde und Ritzen in das Holz eindringen konnte und somit Schäden an der Tragwerksplatte entstanden waren. Dies führte zum Umdenken bei der Verankerung der Gehwegkappen mit der Tragwerksplatte. Anstatt der Stabdübel wurden Telleranker und Stahllaschen verwendet. Außerdem wurde das Quergefälle im Bereich der Kappen wie im Massivbau geändert (Gegengefälle). Die Gehwegkappe aus Fertigteilen wurde als Durchlaufträger ausgebildet, so dass die Durchdringung der Abdichtung auf ein Mindestmaß reduziert wurde. Die Verbindung der Brettsperrholzplatte (bei dieser Platte waren diesmal auch die Brettschmalseiten verleimt) mit den Längsträgern erfolgte erstmals als Blockverleimung nach DIN 1052, Anhang B. Grund war die schlechte Erfahrung beim Rudertinger Bauwerk, aber auch die größere Wirtschaftlichkeit. 3. Das neue Konstruktionsprinzip 3.1. Holzbrücke Schwarzach Hengersberg (60 to) Abbildung 8: B 533; Holzbrücke Schwarzach Hengersberg 2011

7 Die Brückenfamilie ist komplett der mehrstegige Plattenbalken K.-H. Sperlein 7 Abbildung 9: Detail Abbildung 10: Querschnitt Abbildung 11: Verleimung Brückentafel - Längsträger Abbildung 12: Einbau Querträger

8 8 Die Brückenfamilie ist komplett der mehrstegige Plattenbalken K.-H. Sperlein 2. Internationale Holzbrückentage 12 Abbildung 13: Längsträger Querträger Abbildung 14: Kopfplatte - Zugband Abbildung 15: Überbau

9 Die Brückenfamilie ist komplett der mehrstegige Plattenbalken K.-H. Sperlein 9 Abbildung 16: Lattungsebene Abbildung 17: Verladung Überbau Abbildung 18: Einhub Überbau

10 10 Die Brückenfamilie ist komplett der mehrstegige Plattenbalken K.-H. Sperlein 2. Internationale Holzbrückentage 12 Abbildung 19: Einfädeln Sprengwerk Überbau Mit dem Bau der Ortsumfahrung Schwarzach Hengersberg, beginnend an der Autobahnabfahrt der A93 in Richtung Bayerischer Wald wurde erneut ein Holzbauwerk ins Auge gefasst. Nach der Vorgabe, den Plattenbalkenquerschnitt, die Kappenverankerung und die Detailausarbeitung weiter zu verbessern, wurde eine neue Idee in die Planung eingebracht: Die Loslösung der Kappenverankerung von der Tragwerksplatte. Dies wurde mit Hilfe von Stahlquerträgern im Abstand von ca. 3,5 5,0 m verwirklicht. Das Abkoppeln brachte den Vorteil, dass die Abdichtung der Brückentafel nicht mehr durchdrungen wird und damit ein Eindringen von Wasser verhindert wird. Die seitlich nach oben geführten, aufgelösten Stahlquerträger nehmen über Kopfplatten die Stahlbetonfertigteile der Kappe auf. Somit scheint ein Anfangsproblem technisch einwandfrei gelöst zu sein. Die Dauerhaftigkeit der Tragwerksplatte ist durch die doppelte Abdichtung und seitliche Verkleidung mit Blechstreifen absolut gegeben. Der Übergang von der Holztafel zum Stahlbetonwiderlager wurde mit einer Übergangskonstruktionen nach Richtzeichnung Übe 1 hergestellt. Die Verankerung mit dem jeweiligen Baustoff Holz Stahl wurde konstruktiv angepasst. Als Schutzschicht wurde auf der mit der BFU-Platte vernagelten und verschweißten, zweilagigen Bitubahn eine Gussasphaltschutzschicht eingebaut. Als Fahrbahnbelag wird eine Asphaltdeckschicht verwendet. Festzustellen ist, dass auf Grund des neuen Konzepts der Stahlverbrauch relativ hoch ist, was sich bei den Gesamtkosten deutlich erkennbar macht. Der DIN FA 101 und die Tatsache, dass es sich um eine vollwertige Straßenbrücke handelt, rechtfertigen die Kosten. 4. Ergebnis und bauliche Konsequenzen Der Einstieg des Massivbauers in den Holzbrückenbau brachte zunächst die Erkenntnis, dass es ganz wichtig ist, dass der Massivbauer und der Holzbauer sich intensiv miteinander abstimmen, vor allem dass Fachwissen ausgetauscht wird. Bei der Brücke Ruderting war der Einsatz des Stabdübels als Verbindungsmittel zwischen Fahrbahnplatte und Kappe, sowie Fahrbahnplatte und Steg als damals gängiges Verbindungsteil sicher richtig gewählt. Das oftmalige Durchstoßen der Abdichtungslagen wurde als mögliche Schadensquelle nicht gleich erkannt.

11 Die Brückenfamilie ist komplett der mehrstegige Plattenbalken K.-H. Sperlein 11 Die nur horizontal verleimte Brettsperrholzplatte mit den nach Zulassung möglichen Brettfugen ermöglichte eindringendem Wasser, sich innerhalb der Platte auszubreiten und somit den Schadensbereich zu vergrößern. Der Holzbau an sich und die Stahlverbindungsteile erbrachten keinen Grund zur Änderung bei einem neuen Bauwerk. Beim Bauwerk Neukirchen wurde durch Erkenntnisse aus der Brücke Ruderting der Schluss gezogen, dass die Kappenverankerung, wie bereits dargestellt, neu angepasst wurde. Das Ergebnis, dass der Holzbau problemlos funktioniert und nur an der Verankerung und an der Dichtungsebene verbessert werden muss, war eine brauchbare Erfahrung. Die Möglichkeit die zuletzt genannten Punkte zu optimieren, ergab sich bei der Planung einer Überführung über die B533 bei Schwarzach. Als erster Entwurf wurde hier eine Bogenbrücke mit aufgeständerter Holzfahrbahn ins Auge gefasst. Das Schrammbord sollte hier nicht mehr auf die Fahrbahnplatte aufgelegt werden, sondern über seitlich auskragende Stahlquerträger, die unter der Fahrbahnplatte durchlaufen, gestützt werden. Die Ausschreibung dieses Entwurfes lieferte jedoch kein wirtschaftlich annehmbares Ergebnis. Abbildung 20: Entwurfsvariante 1, Bogenbrücke mit aufgeständerter Fahrbahn in Holz Die Notwendigkeit, die Ausschreibung wegen der hohen Kosten und damit ungenügender Wirtschaftlichkeit aufzuheben, ergab bei der anschließenden Neuplanung der Brücke als Sprengwerk mit einem Überbau in Form eines mehrstegigen Plattenbalkens einige Situationen, wo die Grenze der Wirtschaftlichkeit gesucht wurde. Insbesondere die Kappenverankerung im Übergangsbereich Holztafel Stahlbetonwiderlager erbrachte aus statischer Sicht eine generelle Änderung der Verankerung im Stahlbetonbereich, die zunächst mit verschieblichen Tellerankern vorgesehen war. Es war statisch notwendig, vor den beiden Widerlagern einen weiteren Querträger aus Stahl anzuordnen. 5. Kosten und Wirtschaftlichkeit Die Kostenentwicklung beim Holzbrückenbau wird leider ständig am optimal entwickelten Massivbau gemessen. Während beim Massivbau aufgrund der jahrzehntelangen Entwicklung die Details erschöpfend erfasst und kostengünstig umgesetzt sind, ist beim Holzbau stets ein Neuanfang nach unregelmäßiger Umsetzung (Zeitrahmen 3 8 Jahre) eines Bauwerks notwendig. Die Kosten für Leimholz Längsträger, sowie Brückentafel sind ein relativ konstanter Wert, da diese Teile auch für andere Bauteile und Bauwerke hergestellt werden (Hallen, Wohnhäuser). Die Verbindungsteile aus Stahl, die für jede Holzbrücke zum Großteil neu konstruiert und gefertigt werden müssen, sind ein großer Anteil an den Kosten, die den Gestehungswert des Bauwerks nach oben treiben. Ein Stahlanteil zwischen 8 und 10 to, mit einem Preis zwischen 4.000,- und 4.500,- ergeben an der Gesamtsumme des Bauwerks gemessen einen Prozentanteil von %.

12 12 Die Brückenfamilie ist komplett der mehrstegige Plattenbalken K.-H. Sperlein 2. Internationale Holzbrückentage 12 Die Übergangskonstruktion aus dem Massivbaubereich nach Richtzeichnung Übe 1 ist ebenfalls ein großer Kostenfaktor. Einerseits ergibt es eine technisch einwandfreie Verbindung zwischen Überbau und Widerlager, andererseits ist bedingt durch den geringen Dehnweg bei Holztragwerken auch eine Lösung mit beiderseitigen Winkeleisen und eine Fugenfüllung aus einem Fugenschlauch und Dichtmasse ebenso möglich. Die Dauerhaftigkeit dieser Lösung ist zeitlich auf ca. 8 Jahre begrenzt, dann ist die Fugenfüllung zu erneuern. Bei der Übergangskonstruktion ist ein Preis von 600,- bis 800,- /lfm anzusetzen; bei der Winkeleisenlösung ergibt sich ein Preis von 150,- bis 250,- /lfm. Der neu entwickelte Stahlquerträger, der zwar entscheidend zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit im Bereich der Brückentafel beiträgt (keine Durchdringung der Abdichtungen), hat zunächst seinen Preis. Nach Abschluss der Brücke Hengersberg wurde dieser Querträger sofort durch Prof. Dr. Pravida, FH Rosenheim unter die Lupe genommen und eine verbesserte Lösung erarbeitet. Eine Einsparung bei den Querträgern ergibt ca ,-, das sind ca. 2,0 % auf die Gesamtsumme gerechnet. Ein wichtiges Ergebnis für die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit. Die Verbindung Längsträger Brückentafel wurde in Ruderting mit Stabdübeln herstellt. Bei den beiden letzten Bauwerken (Neukirchen, Hengersberg) wurde die Blockverleimung nach DIN 1052, Anhang B ausgeschrieben und umgesetzt. Der Preis pro lfm Leimfläche bei einer Breite von ca. 40 cm ergab einen Wert von 125,- /lfm. Die Stabdübelverbindung bei Einsatz von ca. 30 Stück Dübeln pro lfm einen Wert von 220,- /lfm. Untersucht wurde auch noch die Verbindung mit Vollgewindeschrauben herzustellen. Der Preis liegt hier bei 260,- /lfm und einer Vollgewindeschraubenanzahl, d = 10 mm, von 51 St/lfm. Stabdübel Vollgewindeschrauben Blockverleimung Abbildung 21: Verbindung Längsträger - Brückentafel Das Ergebnis aus der Wirtschaftlichkeit der 3 Bauwerke: - Der Plattenbalkenquerschnitt ist aus der Sicht des Holzbaus genauso wie im Massivbau ein sehr kostengünstiger Querschnitt. - Der zu rechnende Seitenstoß auf die Kappe mit 100 kn/0,5 m hat in der Umsetzung bei den ersten beiden Bauwerken zum Einen Schäden (Verankerung - Durchdringung, Abdichtung) verursacht und beim zweiten Bauwerk zwar hoffentlich eine Verbesserung durch Einsatz von Tellerankern und Laschen ergeben. Erst beim dritten Bauwerk, durch die Querträgerlösung ist ein Durchbruch gelungen, der zwar kostenmäßig nicht billig ist, aber das Problem löst und die Dauerhaftigkeit erhöht. An den Anschlüssen insgesamt wurden kleine Verbesserungen angestrebt. Die handwerkliche Anfertigung wird aber auch zukünftig ihre Kosten haben. - Beim kostenmäßigen Vergleich mit dem Massivbauwerk der Holzbau ist nahe dran - ist eine Annäherung von unter 5 % über das gesetzte Ziel, möglich. Eine Verringerung der Kosten auf die gleichen Werte als der Massivbau dürfte kaum möglich sein, da der Holzbau nach wie vor ein Nischenbauwerk ist, aber in Punkto Machbarkeit, Belastung, Dauerhaftigkeit dem Massivbau nicht nachsteht.

13 Die Brückenfamilie ist komplett der mehrstegige Plattenbalken K.-H. Sperlein Zusammenfassung Mit 3 Bauwerken ist es zunächst möglich, Erfahrung zu sammeln, ob im Bereich der Dauerhaftigkeit die geforderten Ziele erreicht werden. Im Rahmen der Brückenprüfungen werden in den nächsten 3 Jahren die Ergebnisse zusammengeführt und ausgewertet. Erkennbar ist jetzt schon, dass die technische Reife beim Bauwerk Hengersberg einen enormen Sprung nach Vorne gemacht hat. Der mehrstegige Plattenbalken ist in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht richtig gewählt worden. Der Holzbau insgesamt ist zufriedenstellend gelöst, der Stahlbaubereich muss in Punkto Wirtschaftlichkeit noch intensiver betrachtet werden. Die Unterstützung der Brückentafel mit Sprengwerk, konischen Stützen, aufgeständertem Bogentragwerk erbrachte einen eindeutigen Vorteil für das Sprengwerk. Bei den Übergangskonstruktionen kann man auf Grund der geringen Längsausdehnung auf eine klassische ÜKO verzichten. Hier gibt es einige kostengünstige Varianten mit z.b. Winkeleisen und Fugenschlauch oder ein bituminöser Übergang. Das Thema Lattungsebene, Abdichtung und Belag ist zwar technisch gelöst, erbringt aber immer noch eine Diskussion über die Notwendigkeit der Lattung und Ausführung des Belags. Die Forschungsarbeit der Berner Hochschule wird hier sicher zeitnah eine Antwort geben. 7. Ausblick Die 3 errichteten Bauwerke werden in den nächsten Jahren auch außerhalb der Regelprüfzeiten kontrolliert (Holzfeuchte, Öffnen Belag, Verankerung Kappenbereich). Die Aufarbeitung der Erkenntnisse aus der Brücke Hengersberg hat gerade begonnen, und es scheint, dass in Richtung Wirtschaftlichkeit und Dauerhaftigkeit weitere kleine Schritte möglich sind; diese sind im Vortrag Prof. Dr. Pravida nachzulesen. Der nächste große Schritt ist eine zweispurige Fahrbahn und ein Gehweg mit 2 m Breite, sowie ein Schrammbord mit 0,5 m. Die Ausarbeitung ist bereits im Gange, ein fertiger Entwurf ist bis zum Jahresende 2012 zu erwarten. Wir die Planer, Praktiker, Wissenschaftler und zugleich Visionäre erhoffen uns, dass die Akzeptanz des Holzbauwerks weiter zunimmt und das Nischenbauwerk Holzbrücke als gleichwertiges Bauwerk zum Massivbau gesehen wird. Wenn dem so ist, dann ist so gesehen bis jetzt viel erreicht worden. Abbildung 22: Zweispurige Fahrbahnplatte und Gehweg (Staatliches Bauamt Passau, FH Rosenheim)