1 2. S YM P O S I U M B R Ü C K E N B AU Variantenuntersuchung und Entwurf Neue Kattwykbrücke in Hamburg von Rico Stockmann, Helmut Schmitt Durch die Lage im engbebauten urbanen Raum über einem mit großen Seeschiffen befahrenen Gewässer und die Nutzung der Brücke durch sehr schwere Güterzüge ergaben sich viele Punkte, die eine Mitwirkung von Fachleuten für Stadtplanung, Straßen- und Eisenbahnen, Nautik, Maschinenbau, Elektrotechnik, konstruktiven Ingenieurbau, Geologie, Tiefbau, Architektur, Umwelt und Naturschutz sowie Hochwasserschutz erforderlich machten. Am Ende der Planung steht ein ca. 2 km langer Verkehrszug mit mehreren Brücken, Stützwänden, Betriebsgebäuden, Hochwasserschutzwänden, einem neuen Leuchtturm und dem Hauptbauwerk, einer 300 m langen, zweigleisigen Hubbrücke aus Stahl: der neuen Bahnbrücke Kattwyk. Über die umfangreiche Variantenuntersuchung, die Abwägung aller Alternativen und die Entwurfsplanung im Detail soll hier berichtet werden. 1 Allgemeines Der Hamburger Hafen ist der größte deutsche Seehafen und gehört darüber hinaus zu den größten der Welt. Er liegt als Tidehafen am Unterlauf der Elbe ca. 100 km von der Mündung der Elbe in die Nordsee entfernt. In Hamburg bildet die Elbe ein Binnendelta aus und teilt sich für ca. 15 km in die Hauptarme der Norder- und Süderelbe, welche die Elbinsel Wilhelmsburg einschließen. Innerhalb des Hamburger Hafens kommt der Anfang der 1970er Jahre errichteten Kattwykbrücke als Querung über die Süderelbe eine zentrale Bedeutung zu. Die bestehende Kattwykbrücke ist eine Hubbrücke mit einem 96 m breiten und 53 m hohen Lichtraum für die Schifffahrt, 1 1 Lage der Brücke im Hamburger Hafen Hamburg Port Authority die als kombiniertes Bauwerk für den Straßen- und Eisenbahnverkehr ausgelegt ist. Die Brücke stößt aber absehbar an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit: Untersuchungen zur Restlebensdauer zeigen auf, dass aufgrund von Materialermüdung kurz- bis mittelfristig mit Schäden gerechnet werden muss, die ihre Tragfähigkeit einschränken. Mit dem in Parallellage geplanten Neubau soll nun der gesamte Schienenverkehr auf eine bewegliche Eisenbahnbrücke verlagert werden. Dadurch wird die vorhandene 2 Bestehende Straßen- und Eisenbahnbrücke Hamburg Port Authority Kattwykbrücke entlastet und steht dem Straßenverkehr noch langfristig zur Verfügung. Die Hamburg Port Authority hat im Dezember 2008 die Planung für die Errichtung eines zweigleisigen Ersatzbauwerkes aufgenommen. Seit August 2009 wird die Objekt- und Tragwerksplanung für das Projekt Neue Bahnbrücke Kattwyk durch die Ingenieurgemeinschaft der Büros Leonhardt, Andrä und Partner, Sellhorn Ingenieurgesellschaft und Ingenieurbüro H. Vössing betrieben.
12. SYMPOSIUM BRÜCKENBAU 3 Entscheidungsprozess 2 Vorplanung 2.1 Planungsstufen Die Vorplanung erfolgt in drei wesentlichen Stufen: Planung der Verkehrsanlage (Variantenuntersuchung der Lage), Planung der Ingenieurbauwerke (Variantenuntersuchung der Ingenieurbauwerke), Ausarbeitung der vollständigen Vorplanungsunterlagen der Vorzugs variante. 2.2 Lage des Bauwerks Durch die urbane Lage des Baufeldes waren umfangreiche bauliche und nautische Randbedingungen zu beachten, wobei sich zwei generelle Möglichkeiten für die neue Brücke ergaben: je eine Variante südlich und nördlich des Bestandsbauwerkes. Die südliche Variante ist wegen der geplanten Bundesautobahn A 252»Hafenquerspange«, der Nähe zum geplanten Liegeplatz des Kraftwerkes Moorburg und der Lage zum HoheSchaar-Hafen ungünstiger. Für den Straßenverkehr ist sie ebenfalls nachteilig, da sich Straße und Eisenbahn an jedem Ufer überwerfen müssen. Die nördliche Variante ist nautisch für die Passage großer Schiffe ungünstig, da die Brücke kurz hinter einer Kursänderung liegt und somit den Raum zur genauen Ausrichtung der Schiffe verkürzt. Zusätzlich muss sie sehr weit im Norden angeordnet werden, und der Fernwärmedüker befindet sich dann zwischen beiden Brückenbauwerken. Für die Eisenbahn ist zudem ein enger Radius von 300 m erforderlich, um vor dem Tanklager die Richtung zu ändern. Die Abwägung der beiden Alternativen führte zum Ergebnis, dass die nördliche Variante besser geeignet ist, wenn die sichere Schiffspassage auch mit der kürzeren Strecke zur Ausrichtung sichergestellt werden kann. Da diese Frage von nautischen Fachleuten ebenfalls nicht klar zu beantworten war, wurde eine Simulation am Marine Training Center Hamburg durchgeführt. Dabei wurde nachgewiesen, dass eine sichere Passage bei einer leichten Vergrößerung der Hauptspannweite gewährleistet ist. Damit ergab sich die nördliche Brückenlage als klar vorteilhaft. Die als Resultat der Vorplanung der Verkehrsanlage gewählte Lage der Brücke mit der aus nautischen Gründen definierten Durchfahrtsbreite von 108 m erfordert eine Hauptstützweite von ca. 130 m. Der Achsabstand zur bestehenden Kattwykbrücke beträgt 58 m. 6 7 Südliche und nördliche Variante 8 Nautische Simulation 4 5 Bauliche und nautische Randbedingungen 2
1 2. S YM P O S I U M B R Ü C K E N B AU 9 10 11 Alternativen: Doppel-Drehbrücke, Drehbrücke, Klappbrücke mit Doppelklappe 2.3 Wahl des Brückentyps Ziel war es, im Hinblick auf den exponierten Standort ein Bauwerk zu entwerfen, das der Lage auf stadträumlicher Ebene und der Ensemblewirkung gemeinsam mit der vorhandenen Brücke gerecht wird und das sich wirtschaftlich herstellen, betreiben und unterhalten lässt. Bei der Ausarbeitung von Lösungsmöglichkeiten für das Tragwerk wurde daher eine optische Verträglichkeit der Brücke im städtebaulichen Gesamtbild unter Beachtung ihrer Fern- wie der Ensemblewirkung angestrebt. Dabei wurde dem Gedanken einer»brückenfamilie«gestalterisch große Bedeutung zugesprochen: Untersucht wurden Varianten, die sich gestalterisch sehr eng am Bestand orientieren oder auch eine eigenständige Form entwickeln. In einem ersten Schritt wurden die Alternativen Hub-, Klapp- und Drehbrücke ausgewählt, die grundsätzlich für ein Bauwerk dieser Größenordnung in Frage kommen. Als Ergebnis stellte sich eine Hubbrücke als geeignetste Lösung heraus. In einem weiteren Schritt wurde dann der Überbau untersucht, für den sich Fachwerk-, Stabbogen- und Vollwandkonstruktionen verschiedener Art anbieten. Fachwerke erwiesen sich hier als optimal. Die Form des Fachwerks und der Pylone wurde wegen der großen ästhetischen Bedeutung und ihrer Wirkung im Stadtbild schließlich in einem weiteren Schritt anhand von Visualisierungen vertiefend betrachtet. 13 14 Untersuchung von Pylontypen 3 12 Überbauvarianten für die Hubbrücke
1 2. S Y M P O S I U M B R Ü C K E N B A U 15 16 Gewählte Vorzugsvariante Es zeigte sich, dass als Vorzugsvariante eine parallelgurtige Fachwerkbrücke mit konstanter Bauhöhe über drei Felder ausgeführt werden sollte. Die Pylone wurden dazu passend entwickelt, wobei durch die Verbreiterung ihrer Stiele eine sehr klare, einfache Form erreicht wird, die gut mit der des Überbaus harmoniert und zudem eine bequeme Erschließung der Triebwerksräume ermöglicht. Die diesem Bauwerksentwurf zugrundeliegende Konzeption ist im Hinblick auf Bau-, Betriebs- und Unterhaltungskosten sowie technische Funktionsfähigkeit und Ästhetik die optimale Lösung. 3 Bauwerksentwurf 3.1 Überbaukonzeption Der Überbau wird als Einfeldträgerreihe aus drei parallelgurtigen Fachwerkträgern hergestellt, die mit Einzelstützweiten von 75,805 m im Seitenfeld (fest), 130,810 m im Hubfeld und 75,805 m im Seitenfeld (fest) aufwarten. Die Bauhöhe des Überbaus beträgt 1,80 1,90 m und die Konstruktionshöhe 15,00 m. Letztere wurde gewählt, um ein Optimum für das Eigengewicht des Hubfeldes zu erreichen (λ = 131/15 = 8,70); aus gestalterischen Gründen kommt sie auch für die Seitenöffnungen zur Ausführung (λ = 76/15 = 5,10). Eine Systembreite von 11,30 m aufweisend, ist das Fachwerk mit geschweißten Hohlprofilen ausgebildet, wobei die Dienstgehwege im Inneren der Fachwerkstruktur liegen. Die Querträgerstützweite beträgt 11,30 m, die gewählte Konstruktionshöhe im Hauptfeld 1,33 m (Feldmitte) bzw. 1,43 m (Widerlager bzw. Pylon). Damit ergibt sich eine Schlankheit von λ = 8,30. Die Querträger in den Seitenfeldern haben Konstruktionshöhen von 1,08 m (Feldmitte) bzw. 1,16 m (Widerlager bzw. Pylon), was eine Schlankheit von λ = 10,50 bedeutet. Die Querträger sind als geschweißte offene Vollwandträger konzipiert, als Fahrbahn ist eine orthotrope Platte mit Hohlsteifen vorgesehen. Im Hauptfeld werden unter den Gleisen zudem Nebenlängsträger als offene geweißte Profile mit 750 mm Bauhöhe angebracht. Der Geh- und Radweg wird über nordseitig angeordnete Krag- an den Hauptträger angeschlossen, die Gehbahn wiederum als orthotrope Platte mit Hohlsteifen realisiert. Alle stählernen Bauteile der Überbauten werden aus Baustahl S355 J2+N hergestellt. 17 18 Regelquerschnitte: Seitenfeld und Hubteil 3.2 Pylonkonzeption Die Höhe der Pylone beträgt 81 m über NN, sie setzt sich aus der Hubhöhe des Überbaus von 45,70 m, der Konstruktionshöhe des Überbaus, der Länge der Seilanschlüsse und der Höhe des Maschinenhauses zusammen. Die Pylone bestehen aus je zwei vollwandigen Kastenstielen mit Abmessungen von 7,50 m x 2,75 m. Ihre Außenwände werden über offene Querrahmen und Längssteifen (Hohlsteifen) gegen Beulen ausgesteift. Die Pylone sind biegesteif mit den darunterliegenden Massivpfeilern verbunden, wobei die Auflagerung in den vier Eckpunkten jedes Stiels über eine Mörtelfuge auf Druck und eine Zugverankerung mittels vorgespannter Einzelspannglieder ohne Verbund erfolgt. Sonderdruck aus BRÜCKENBAU 1/2. 2012 4
1 2. S YM P O S I U M B R Ü C K E N B AU Der Pylon erhält drei Riegel als geschweißte Hohlprofile von 3,00 m Höhe und 1,10 m Breite, in seinem Kopfbereich werden zwischen den Stielen zudem Fachwerke aus Walzprofilen mit 8 m Konstruktionshöhe angeordnet. Aus diesen Fachwerken, den Riegeln und den Stielen entsteht in Querrichtung ein Vierendeel-Rahmen über drei Stockwerke. Die beiden Fachwerkebenen tragen die Lasten aus dem versteiften stählernen Pylondach und aus dem ebenfalls versteiften Bodenblech des Maschinenhauses. Die Hauptlast aus den Seiltrommeln wird hingegen über den obersten Riegel in die Stiele abgeleitet. Die asymmetrischen Lasten aus dem Maschinenrahmen, den Getrieben und E-Motoren werden über den statisch bestimmt gelagerten Maschinenrahmen in das versteifte Bodenblech geführt und über die seitlichen Fachwerke, welche sich über das Dach und die Bodenplatte zu einer Torsionsröhre verbinden, in die Pylonstiele abgeleitet. Die Herstellung aller stählernen Bauteile erfolgt wiederum aus Baustahl S355 J2+N. 20 Prinzip der Senkkastenherstellung Sellhorn Ingenieurgesellschaft mbh 3.3 Gründung der Strompfeiler Für die Strompfeiler wurden in Abstimmung mit dem Bodengutachter Lösungen für die Gründung untersucht, wie verschiedene Senkkästen und Pfahl- 19 Antriebsstrang mit Seiltrommel Rapsch und Schubert GmbH 21 Lage des Antriebs im Pylonkopf Rapsch und Schubert GmbH 5 gründungen. Als wirtschaftlichste Alternative stellte sich eine Gründung als einteiliger, geschlossener Senkkasten in Druckluftbauweise heraus.
1 2. S Y M P O S I U M B R Ü C K E N B A U Der Senkkasten ist im Grundriss mit Abmessungen von 29,00 m x 14,00 m geplant und wird mit einer Absetztiefe von NN 30,00 m ausgeführt. Zu seiner Aussteifung werden Segmentwände angeordnet, so dass sich seitlich jeweils vier Segmente ergeben, die mit Wasser und Sand ballastiert werden können. Das mittlere Segment weist größere Abmessungen auf, um von hier aus im Microtunneling-Verfahren einen Düker zur Verbindung der beiden Pylone zu realisieren. Für den Absenkvorgang wird die Unterseite des Senkkastens mit einer umlaufenden Schneide und einer ca. 3,00 m hohen Arbeitskammer versehen, die nach Erreichen der Endtiefe mit Magerbeton verfüllt wird, was konstruktiv einer Flachgründung entspricht. Prinzipiell ist geplant, den Bodenaushub in der Arbeitskammer beim Absenkvorgang mit einem ferngesteuerten Gerät durchzuführen. Für die Demontage der Geräte sowie beim Auftreten von Hindernissen kann die Arbeitskammer zu jedem Zeitpunkt begangen werden: Bei Erreichen der Absetztiefe und Normaltide sind maximal ca. 3,20 bar Überdruck zu erwarten. 3.4 Maschinenbau Zum Heben des Hubfeldes einer Brücke dieser Größe stehen zunächst folgende grundsätzliche Antriebs-Varianten zur Verfügung: Ritzelantrieb, Hydraulikzylinderantrieb, Friktionsantrieb (Treibscheibenantrieb), Seilwinden- oder Kettenantrieb, hydraulischer Flaschenzug. Ausarbeitung und Bewertung dieser Varianten ergaben schließlich, dass ein Friktionsantrieb die günstigste Lösung ist. Angeordnet wird er jeweils im Maschinenhaus und auf den Pylonspitzen. Der Antrieb des Hubteiles erfolgt damit als Friktionsantrieb über je zwei Treibtrommeltriebwerke, wobei das Überbaueigengewicht über Gegengewichte ausgeglichen wird, die als Stahlkästen mit Schwerbetonfüllung (35 kn/m³ Wichte und 12 Vol.-% Bewehrungsanteil) ausgeführt werden. Der Überbau ist an insgesamt 48 Seilen mit d = 70 mm angeschlagen. Die gleitgelagerten Treibtrommeln für je 12 Seile werden über jeweils eine Trommelkupplung und ein fünfstufiges Stirnradgetriebe von den Hauptmotoren angetrieben, die Betriebs- und Haltebremsen sind als Außenbackenbremsen konzipiert. Die Synchronisation der Antriebe erfolgt zwischen den beiden Antriebssträngen eines Pylons mechanisch, zwischen beiden Pylonen elektronisch. 4 Weiterer Projektablauf Die Genehmigung des Brückenneubaus erfolgt über eine Planfeststellung der Gesamtbaumaßnahme, die im Herbst 2011 eingeleitet wurde. Es ist mit einer Bearbeitungsdauer von 12 15 Monaten bis zum Erreichen des Baurechtes zu rechnen. Die Ausschreibung wird direkt im Anschluss durchgeführt. Autoren: Dipl.-Ing. Rico Stockmann Leonhardt, Andrä und Partner, Beratende Ingenieure VBI, GmbH, Hamburg Dr.-Ing. Helmut Schmitt Hamburg Port Authority AöR Bauherr Hamburg Port Authority AöR Vorentwurf, Entwurf, Ausführungsplanung Leonhardt, Andrä und Partner, Beratende Ingenieure VBI, GmbH, Hamburg Sellhorn Ingenieurgesellschaft mbh, Hamburg Ingenieurbüro Dipl.-Ing. H. Vössing GmbH, Hamburg Entwurfsberatung PPL Architektur und Stadtplanung GmbH, Hamburg Projektsteuerung IMS Ingenieurgesellschaft mbh, Hamburg Ingenieurbüro Dr. Schippke und Partner, Hannover Maschinenbau Ingenieurbüro Rapsch und Schubert GmbH, Würzburg Elektrotechnik DriveCon GmbH, Dettelbach Umweltverträglichkeit Dipl.-Ing. Peter Mix, Barnstedt leguan gmbh, Hamburg Baugrundgutachten Grundbauingenieure Steinfeld und Partner GbR, Hamburg Prüfingenieur Dr.-Ing. Christian Böttcher, Hamburg Sonderdruck aus BRÜCKENBAU 1/2. 2012 6