12 Instandsetzung und Verstärkung des Überführungsbauwerkes über den Bahnhof Staboliiski in Bulgarien

Transkript

1 12 Instandsetzung und Verstärkung des Überführungsbauwerkes über den Bahnhof Staboliiski in Bulgarien Prof. Dr.-Ing. Ilia Ivanchev Universität für Architektur, Bauwesen und Geodäsie, Sofia Dipl.-Ing. Dimo Kisov, Dipl.-Ing. Miltscho Reschkov Mostconsult GmbH, Sofia 12.1 Allgemeine Darstellung des Bauwerks Die Brücke wurde im Jahre gebaut und überspannt die Gleise des Bahnhofs Stamboliiski. Der Überbau besteht aus 3 Teilen, die durch Dilatationsfugen voneinander getrennt sind. (Bild 12.1). Der mittlere Teil, der sich über den Gleisen befindet, ist eine Einfeldkonstruktion aus vorgespannten Fertigteilträgern mit einer Länge von 24 m. Die Fahrbahnplatte besteht aus Fertigteilplatten als verlorene Schalung mit einer Dicke von 5 cm und einer Ortbetonplatte mit einer Dicke von 9 cm. Es wurden Elastomerlager mit den Abmessungen 200/300/48 m eingebaut. Die beiden Rampen haben das statische Syste m einer durchlaufenden Rahmenkonstruktion mit 9 Feldern auf der Nordseite, 10 Feldern auf der Südseite und einer Längsneigung von ca. 2,4 % zu den Widerlagern hin. Sie bestehen aus Stahlbetonfertigteilträgern und einer Fahrbahnplatte gleicher Ausbildung wie im mittleren Teil. Die Doppel -T-Fertigteilträger haben eine Höhe von 1,10 m, eine Länge von 19,96 m und einen Achsabstand in Querrichtung von 1,60 m. Die Unterstützungen bestehen aus jeweils zwei runden Einzelstützen mit einem Durchmesser d = 1, 20 m, die auf Bohrpfählen mit gleichem Durchmesser gegründet sind. Die Lagerung des Überbaus erfolgt im Bereich der Einzelstützen auf Bleilagern (feste Lager). Im Bauzustand war die Konstruktion eine Aneinanderreihung von Einzelträgern. Im Endzustand ist das statische System ein über mehrere Felder durchlaufendes Rahmentragwerk mit Stützweiten von 22,50 m. Die Durchlaufwirkung wird durch die Anordnung von Ortbetonquerträgern im Stützenbereich hergestellt. In die Ortbetonplatte über den Querträgern wurde zusätzliche Bewehrung angeordnet, um die negativen Momente im Endzustand aufzunehmen. Bei beiden Widerlagern und bei den Stützen Nr. 9 und Nr. 10 ist der Überbau auf Rollenlagern gelagert. Die Dilatationsfugen bei beiden Widerlagern und bei den Stützen Nr. 9 und Nr. 10 sind vom Typ Maurer -M 75. Hinter den Widerlagern der beiden Rampen sind Stützwände angeordnet. Die Breite des Überbaus ist wie folgt gegliedert: Fahrbahnbreite 14,00 m Gehbahn beidseitig je 1,95 m Die Brücke wurde nach den bulgarischen Vorläufige Richtlinien für Entwurf von Beton- und Stahlbetonstraßenbrücken (1973) geplant und für die Verkehrslasten nach BDS bestehend aus Kolonnen von Fahrzeugen des Typs H 300 (300 KN), kombiniert mit der Belastung des Gehweges und mit einem Schwerlastfahrzeug HK 800 (800 KN), bemessen. 221

2 222 Bild 12.1: Längs- und Querschnitt

3 12.2 Zustand des Bauwerkes Die Schäden am Bauwerk wurden durch das allmähliche Gleiten des Überbaus der Rampen zu den Widerlagern hin verursacht. In den letzten zwei Jahren nahmen die Verschiebungen eine nicht mehr kontrollierbare Größe an und gefährdeten dadurch die Nutzung des Überführungsbauwerkes. Eine spezielle Untersuchungskommission der Straßenbauverwaltung vom stellte folgendes fest: der Überbau der Rampen hat sich um ca. 7 9 cm zu den Widerlagern hin verschoben die Dilatationsfugen über den Stützen Nr. 9 und Nr. 10 sind 7 9 cm geöffnet (bei einer Lufttemperatur von 30 C), im Gegensatz dazu sind die Fugen im Bereich der Widerlager geschlossen bei zwei der Rollenlager des südlichen Widerlagers haben die Rollen die unteren Lagerplatten verlassen (Bild 12.2). Die übrigen Rollenlager haben das Maximum ihres Verschiebungsweges erreicht. Unter dem Druck des Überbaus hat sich die Kammerwand des südlichen Widerlagers verformt und ist stark gerissen. Die Betondeckung der Stütze Nr. 16 der südlichen Rampe ist abgeplatzt und im Übergangsbereich vom Bohrpfahl zur Stütze ist eine Vielzahl von Rissen vorhanden (Bild 12.3). Eine ähnliche Rissbildung gibt es auch bei den Stützen Nr. 2 und Nr. 5 der nördlichen Rampe, was darauf hinweist, das ein Grenzzustand infolge der Zwangsbeanspruchung der Stützen eingetreten ist. Folgende Sofortmassnahmen wurden veranlasst: Anordnung von Holzklötzern unter den Fertigteilträgern im Bereich der Widerlager, um dass Abrutschen der Fertigteilträger von den Lagern zu verhindern. Die Stütze Nr. 16 wurde mit einer neuen Stahlbetonummantelung versehen. Beauftragung des Autors und seiner Mitarbeiter mit der Untersuchung und anschließenden Planung der Instandsetzung des Bauwerkes. In Auswertung der zusätzlichen Untersuchungen der Brücke, der durchgeführten Berechnungen und der Literaturrecherche ergaben sich folgende Schlussfolgerungen: 1. Das Bauwerk funktioniert nicht mehr nach den im Projekt gewählten Berechnungsansätzen. 2. Es gibt eine Verschiebung zwischen Überbau und Stützen. Der Grund hierfür liegt im Versagen der Lager. Das Blei des Lagers wurde plattgewalzt, so dass keine gelenkige Verbindung zwischen Überbau und Stütze vorhanden ist. 3. Der Bemessung des betrachteten Bauwerks wurde eine Temperaturdifferenz von ± 20 K gemäß den in Bulgarien geltenden Richtlinien [4] zugrunde gelegt, bei einer angenommenen Temperatur zum Zeitpunkt der Herstellung von 10 C. In den letzten Jahren waren verhältnismäßig lange Perioden mit größeren Temperaturunterschieden zu verzeichnen. 223

4 Bild 12.2: Zustand der vorhandenen Rollenlager Bild 12.3: Abplatzung der Betondeckung bei Stütze Nr

5 4. Nach den durchgeführten Messungen wurde festgestellt, dass sich bei einigen Stützen Verschiebungen am Stützenkopf um 47 mm eingestellt haben (unter Vernachlässigung der Ausdehnungen infolge Temperatur). Der Grund für die Abplatzungen der Betondeckung (Bild 12.3) ist in den hohen Betondruckspannungen zu suchen. 5. Die Verschiebungen der Überbauten erfolgten bis zum Kontakt mit der Kammerwand des Widerlagers. Der Widerstand des Widerlagers und der Kammerwand verhinderten die Katastrophe. 6. Es wurde eine Nachrechnung für die Einwirkung von Erdbeben, gemäß den bulgarischen Normen [5] von 1987 (gültig geworden nach dem Bau der Brücke) durchgeführt. Die Berechnung hat gezeigt, dass die Brücke nur eine unzureichende Tragfähigkeit für die Aufnahme dieser Belastungen besitzt. Die Normen beinhalten, dass zu sanierende Bauwerke für die Einwirkungen aus Erdbeben zu ertüchtigen sind, auch wenn diese bei der Herstellung des Bauwerkes nicht in diesem Maße berücksichtigt wurden. 7. Es existieren weiterhin Schäden am Überbau, wie an den Dilatationsfugen, den Geländern, den Bordsteinen, den Entwässerungseinrichtungen und dem Fahrbahnbelag. Diese Schäden haben keine direkte Beziehung zu der Standsicherheit, aber sie beinträchtigen die Fahrsicherheit. Bild 12.4: Detail Bleilager auf den Stützen Auf der Grundlage der Untersuchung wurde ausdrücklich festgelegt, dass eine Ertüchtigung der Brücke zu erfolgen hat und zwar unter laufendem Schienenverkehr. Aus der Literaturrecherche [1] ergab sich, dass die Bleilager ihre Eigenschaften im Laufe der Zeit negativ verändern. In diesem Artikel wurde festgestellt, dass die vertikalen Auflagerkräfte und die Lagerverdrehungen in beiden Richtungen zu einem allmählichen Breitwalzen des Bleilagers führt. Aufgrund dessen werden solche Lager nicht mehr für Bauwerke mit großen Verschiebungen vorgesehen. Beispielhaft ist dies für einen Fall eines Brückenbauwerks in Düsseldorf [2]. Einer der Gründe für die Instandsetzung sind die Schäden, die durch die Zerstörung von Bleigelenken entstanden sind. 225

6 Bild 12.5: Entfernte Fahrbahnplatte, Spannblock aus Stahlbeton und Spannanker 226 Bild 12.6: Temporäres Spannglied auf der Fahrbahnplatte

7 Bei der langjährigen Nutzung von Bogenbrücken in Bulgarien sind keine negativen Auswirkungen infolge von Schäden an Bleigelenken bekannt geworden. In der letzten Zeit sind Schäden an Bleilagern von Balkenbrücken festgestellt wurden, die zu umfangreichen Instandsetzungsmaßnahmen führten [3] Planungsempfehlung Die Planungsempfehlung beinhaltet einige wichtige Schritte in der angegebenen technologischen Abfolge: 1. Verschiebung der Überbauten der Rampen in ihre ursprüngliche Lage 2. Einbau von neuen Konstruktionsteilen zur Aufnahme der Horizontalkräfte 3. Instandsetzung und Ertüchtigung der Widerlager 4. Instandsetzung und Wiederherstellung der Dilatationsfugen, der Dichtung, des Fahrbahnbelages, der Bordsteine, der Geländer und der Entwässerungseinrichtungen. Die Arbeiten von 1-3 sind bis Mitte Dezember 2003 abgeschlossen worden, die Arbeiten für Teil 4 werden aufgrund der Jahreszeit erst im Frühjahr 2004 fortgesetzt. Nachfolgend sollen detailliertere Aussagen über die durchgeführten Arbeiten zur Verbesserung der Standsicherheit des Überführungsbauwerkes folgen Verschiebung des Überbaus der Rampen in ihre ursprüngliche Lage Die Verschiebung des Überbaus zu den Widerlagern hin hatte unvorhergesehene Biegemomente in den Stützen hervorgerufen. Das Rückverschieben des Überbaus in die ursprüngliche Lage hat das Ziel, diese Schnittgrößen auf ein Minimum zu reduzieren und damit die Tragfähigkeit der Unterbauten für andere horizontale Einwirkungen zu garantieren. Die Rückverschiebung des Überbaus erfolgte mit 4 Spanngliedern des bulgarischen Spannsystems Stobet 200. Beide Rampen, die mit den Spanngliedern verbunden sind, bilden ein geschlossenes System, und durch das Vorspannen erfolgt eine gegenseitige Annäherung. Die Verschiebung infolge der eingetragenen Vorspannkraft ist abhängig von den Steifigkeiten der Unterbauten, die für beide Rampen unterschiedlich sind. So hat man die Möglichkeit, indem sich die Steifigkeit der Verbindung zwischen Unterbau und Überbau für jede Rampe ändert, die gewünschte Verschiebung zu erreichen. Alle Rollenlager (beim Widerlager und bei Stützen Nr. 9 und Nr. 10) wurden vor dem Vorspannen durch provisorische Lager mit sehr niedrigen Reibungskoeffizienten (ca. 0,01) ausgewechselt. Die Aufgabe wurde damit als Verschiebung von einer Gruppe von Stützen, die gelenkig mit einer Scheibe großer Steifigkeit (Fahrbahnplatte) verbunden sind, definiert. Jedes Kabel besteht aus 12 Litzen mit einem mittleren Durchmesser von 15 mm. Damit die Spannkraft eintragen werden kann, wurden neben den Querträgern Nr. 8 und Nr. 11 Spannblöcke aus Stahlbeton vorgesehen (Bild 12.5). Die Spannglieder sind temporär und liegen deshalb auf der Fahrbahnplatte auf (Bild 12.6), außer in den Bereichen der Verankerung. Das System Stobet wurde bisher mehrmals bei Neubauten eingesetzt, aber noch nicht bei Instandsetzungsarbeiten. Sein wesentlicher Vorteil ist, dass die Regulierung der Spannkraft (Nachspannen und Nachlassen) sehr präzise erfolgen kann. Das ist sehr wichtig im vorliegenden Fall, da Korrekturen der Vorspannkraft notwendig sind. 227

8 Das Vorspannen erfolgte in zwei Etappen mit einer Pause von sieben Tagen, damit ein Teil der Deformationen im Verlauf der Zeit abgebaut werden können. Im Diagramm (Bild 12.7) ist die Verschiebung der Rampen in den einzelnen Etappen dargestellt. Ersichtlich ist, dass, um die gewünschte Verschiebung der Rampe Süd in der zweiten Vorspannetappe zu erreichen, die Rampe Nord versteift werden musste. Die theoretischen Prognosen für die Verschiebungen weichen von den gemessenen Werten um 9 % ab. Die Grafik zeigt auch den Einfluss der Temperaturänderungen. Bild 12.7: Diagramm für die Verschiebungen der nördlichen und südlichen Rampe Einsatz von neuen Konstruktionselementen zur Aufnahme der Horizontalkräfte Nachdem die Überbauten der beiden Rampen in ihre ursprüngliche Lage gebracht wurden, musste jede von ihnen mit Hilfe einer neu gebauten, räumlichen Rahmenkonstruktion gehalten werden. Diese Konstruktionen sind zur Aufnahme folgender Beanspruchungen vorgesehen : 1. Reaktionen entsprechend der Größe der Vorspannkraft direkt nach dem Spannen 2. Horizontalkräfte im Gebrauchszustand 3. ein Teil der seismischen Einwirkungen in Längs- und Querrichtung Nach einem Gebrauch des Bauwerkes von über 20 Jahren kann praktisch davon ausgegangen werden, dass das Schwinden des Betons abgeklungen ist. Um den Einfluss der Temperaturschwankungen soweit als möglich zu minimieren, sind die Rahmenkonstruktionen nahe dem Bereich der geringsten Verschiebungen aus Temperatur angeordnet. Für Rampe Nord ist das der Pfeiler Nr. 4 und für Rampe Süd ist das der Pfeiler Nr. 16 (Bild 9.9). 228

9 Bild 12.8: Rahmenkonstruktion zur Aufnahme der Horizontalkräfte Die Horizontalkräfte im Gebrauchszustand können durch eine steife Konstruktion aufgenommen werden; im Gegensatz dazu sind die seismischen Kräfte von der Eigenfrequenz der Stützkonstruktion abhängig. Deshalb ist es günstiger, eine biegeweichere Konstruktion zu wählen, um die Beanspruchungen infolge Erdbeben gering zu halten. Darum besteht jede Rahmenkonstruktion aus 4 rechteckigen Stützen mit den Querschnittsabmessungen 1,40 1,00m, die in einer günstigen Höhe mit Querträgern der Abmessungen, 0,70 0,70 m verbunden sind. Ein Teil der Horizontalkräfte des Überbaus der Brücke in Längsrichtung wird über Elastomerlager mit den Abmessungen mm an die Rahmenkonstruktion abgegeben, die mit den vorhandenen Riegeln am Pfeiler Nr. 4 und Nr. 16 verbunden sind. Zur Weiterleitung der Horizontalkräfte infolge Erdbeben in Querrichtung sind spezielle antiseismische Puffer vorgesehen. Die Verbindung zwischen den antiseismischen Puffern und dem Überbau befindet sich in der Höhe der Fahrbahnplatte. Für die Gründung der Rahmentragwerke ist eine Flachgründung vorgesehen, in der die vier Stützen in ein gemeinsames Fundament starr einbinden. Die Entscheidung für eine Flachgründung ist auch dadurch begründet, dass unter dem vorhandenen Überbau nicht die notwendige Arbeitshöhe für ein Gerät zum Einbringen der Bohrpfähle vorhanden ist. Die Besonderheit bei der Gründung ist eine verhältnismäßig kleine Normalkraft (Eigenlast des Rahmentragwerkes, Fundament und Überschüttung) bei verhältnismäßig großen Horizontalkräften und Biegemomenten. Dieser Fakt begründet die komplizierte Form des Fundaments, die Anordnung von Schleppplatten und einem abgetreppten Aushub. 229

10 Instandsetzung und Verstärkung der Widerlager Die Widerlager bestehen aus hohen Wänden, die auf einer Bohrpfahlreihe gegründet sind. Durch ihre Eigensteifigkeit und dem widerstehenden passiven Erddruck hinter den Widerlagern wurde ein vollständiges Abrutschen des Überbaus verhindert. Vor dem Vorspannen zur Rückverschiebung des Überbaus gab es eine Kopplung zwischen dem Überbau und den Widerlagern; dies ist an der vollständig geschlossenen Dilatationsfuge ersichtlich. Nach dem Eintragen der Vorspannkraft öffnete sich die Fuge nicht, im Gegenteil, das Widerlager folgte der Bewegung des Überbaus. Das zeigt, dass sich die Widerlager luftseitig geneigt haben, d. h., dass vor dem Vorspannen auf die Widerlager der passive Erddruck gewirkt hat, der einen Teil der horizontalen Gleitkräfte aufgenommen hat. Nach dem Vorspannen wurde diese Kraft freigesetzt, und das Widerlager dreht sich wegen der elastischen Verformungen der Bohrpfähle und der Wirkung des aktiven Erddrucks. Bei Beginn des Projektes lagen keine Informationen dazu vor, nur Bedenken über die Tragfähigkeit des Widerlagers, das nur mit einer Reihe von Bohrpfählen gegründet war. Deshalb ist im Projekt eine Möglichkeit zur besseren Aufnahme der Horizontalkräfte vorgesehen. Die Widerlager wurden mit einer zusätzlichen Reihe von Bohrpfählen verstärkt, die über einen Rahmen mit der vorhandenen Bohrpfahlreihe verbunden wurden (Bild 12.9). Mit dem Ziel, eine größere horizontale Steifigkeit zu erreichen, ist eine Verbindung des Rahmens mit der vorhanden Stützmauer hinter den Widerlagern vorgesehen. Alle Rollenlager (bei den Widerlagern und den Stützen Nr. 9 und Nr. 10) wurden durch Elastomerlager ausgetauscht, die die Widerlager in die Aufnahme der Horizontalkräfte einbeziehen. So wird das Widerlager als Rahmenkonstruktion mit folgenden Zielen ausgebildet: 1. bessere Aufnahme der horizontalen Kräfte aus Erddruck, Temperatur und der Bremslasten 2. ein zusätzlicher Schutz in Längsrichtung bei Erdbeben Zum Schluss ist die Erklärung notwendig, dass die Untersuchungen für die Erdbebeneinwirkungen in Längsrichtung unter den Bedingungen erfolgten, dass jedes Element der Unterbauten entsprechend seiner Steifigkeit einbezogen wird, d. h. die Stützen sind in die Reaktion bei Erdbeben einbezogen. Es ist wahrscheinlich, dass bei unkontrollierten Verschiebungen des Überbaus vor der Sanierung, noch vor dem Eintreten eines Erdbebens, ein Teil der Stützen nahe dem Bereich der plastischen Verformungen war. Unter diesen Bedingungen werden die zusätzlich gebauten Rahmentragwerke nicht ausreichen, um die horizontalen Einwirkungen in Längsrichtung infolge eines Erdbebens aufzunehmen, und es wird eine seismische Attacke auf die Widerlager erfolgen. Für diesen Fall ist folgende konstruktive Entscheidung vorgesehen: im Gebrauchszustand ist der notwendige Abstand zwischen Überbau und Widerlager gesichert bei einer Längsverschiebung infolge Erdbeben, stößt der Überbau an das Widerlager in Höhe des vorgesehenen Puffers und dadurch kann eine Kraft nur in Längsrichtung weitergeben werden Schlussfolgerung Diese Instandsetzung der Brücke zeigt, dass nicht alle Vorgänge in einer Konstruktion auf mathematischen Wegen nachvollzogen werden können. Die hier erfolgte Erhöhung der Sicherheit des Bauwerkes unter bestimmten Bedingungen setzt sich aus vielen konstruktiven Einzelmaßnahmen zusammen. Es gibt kein Regelwerk, dass ausführlich die notwendigen Regeln für solche Fälle beschreibt. Das fachliche Verständnis und Anwendung ist die Voraussetzung für die Lösung solcher Probleme. 230

11 Bild 12.9: Verstärkung der Widerlager 12.5 Projektbeteiligte Auftraggeber: Straßenbauverwaltung (Izpьlintelna Agenci Pьtiwa) Begutachtung und Planung: Prof. Dr.-Ing. I. Ivanchev 1, Dr.-Ing. D. Kisov 2 Dipl.-Ing. M. Reshkov 2, Dipl.- Ing M. Naidenov 2 Dipl.- Ing. K. Yordanov 2, Dipl.-Ing. I. Georgiev 2 Bauüberwachung: Dipl.-Ing. K. Penev 2 Bauausführung: Moststroy Plovdiv, Bauleiter Ing. G. Nalbantov Die Autoren bedanken sich bei Dipl.-Ing. Irena Bernstein für die sorgfältige Übersetzung. 1 Universität für Architektur, Bauwesen und Geodäsie, Sofia, Bulgarien (Universitet po arhutektura, stroitelstvo i geodezi UASG, Sofi ) 2 Mostconsult GmbH, Sofia, Bulgarien (Mostkonsult OOD, Sofi, bul. Car Boric N. ) 231

12 Literaturverzeichnis [1] Leonhardt, F., Wintergerst, L.: Über die Brauchbarkeit von Bleigelenke. In: Beton- und Stahlbetonbau 56 (1961), Heft 5, S [2] Schmitz, H.: Die Sanierung der Hochstrassen im Heerdter Dreieck Düsseldorf. In: Vorträge auf dem Betontag Deutscher Beton-Verein E. V., S [3] Ivanchev, I., Kisov, D., Reshkov, M.: Bleilager in Brücken. In: Patista, Sofia, 2003, Heft 4 (in bulgarisch ) [4] Vorläufige Richtlinien für Entwurf von Beton- und Stahlbetonstraßenbrücken. Sofia, 1973 (in bulgarisch). [5] Normen für Entwurf von Gebäuden und Ingenieurbauwerken in Erdbebengebieten. Sofia, 1987 (in bulgarisch). 232