Bauverfahrenstechnik im Brückenbau. Entwurf einer Entscheidungshilfe für zukünftige Brückenbauprojekte

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Rahmenbedingungen
2.1 Baustoff
2.2 Bauart
2.3 Bauweise
2.4 Unterbau und Überbau

3 Bauweise mit Lehrgerüst

4 Bauweise mit Vorschubgerüst

5 Taktschiebeverfahren

6 Freivorbau

7 Segmentbauweise

8 Erstellung der Entscheidungsmatrix
8.1 Geländebeschaffenheit
8.2 Spannweite
8.3 Wirtschaftlicher Einsatz
8.4 Entscheidungsmatrix

9 Fazit

10 Literaturverzeichnis

11 Abbildungsverzeichnis

12 Tabellenverzeichnis

1 Einleitung

„Von allem, was der Mensch in seinem Lebenstrieb errichtet und erbaut, scheint in meinen Augen nichts besser und wertvoller zu sein als die Brücke…“¹

Mit diesen Worten umschrieb der Nobelpreisträger Ivo Andric 1971 den hohen Stellenwert von Brücken. Bis heute hat sich an der Tatsache nichts geändert, dass Brücken für den Menschen von enormer Bedeutung sind, da durch diese unzugängliches Gelände einfacher zu überwinden ist. Aus diesem Grund ist es lohnenswert die Herstellung von bestimmten Brücken Näher zu betrachten.

Diese wissenschaftliche Arbeit befasst sich mit verschiedenen Herstellungsverfahren im Brückenbau in Betonbauweise. Für die Auswahl der hier gewählten fünf unterschiedlichen Bauverfahren sind die Geländebeschaffenheit, die Spannweite sowie der wirtschaftliche Einsatz als Parameter maßgeblich. Die ausgewählten Bauverfahren sind die Bauweise mit Lehrgerüst, die Bauweise mit Vorschubgerüst, das Taktschiebeverfahren, der Freivorbau sowie die Segmentbauweise.

Ziel dieser Hausarbeit ist nicht nur die einzelnen Herstellungsverfahren vorzustellen und zu verstehen, sondern auch ihr Vor- und Nachteile herauszuarbeiten und auf dieser Basis eine Entscheidungsmatrix für die Auswahl der Herstellungsverfahren zu erstellen. Die Entscheidungsmatrix kann als Hilfestellung für die Auswahl des Bauverfahrens für zukünftige Brückenprojekte genutzt werden.

Zu Beginn der Arbeit werden die Rahmenbedingungen des Brückenbaus in Betonbauweise vorgestellt, um die einzelnen Verfahren besser miteinander vergleichen zu können. Das heißt, dass die Brücken, welche durch die Herstellungsverfahren errichtet werden können, hinsichtlich ihres Baustoffes, ihrer Bauart, ihrer Bauweise sowie in Unter- und Überbau ein- geteilt werden. Danach werden die Bauverfahren nacheinander vorgestellt und anhand von Beispielen verdeutlicht. Zeitgleich lassen sich Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren erkennen. Anschließend folgt der Vergleich der vorgestellten Bauverfahren anhand der ge- wählten Parameter. Aus den gewonnenen Erkenntnissen kann nun eine Entscheidungsmatrix erstellt werden. Zum Schluss ist das Ergebnis der Hausarbeit in einem Fazit festgehalten.

2 Rahmenbedingungen

Im Folgenden wird eine kurze Einführung in die Rahmenbedingungen für den Brückenbau gegeben. Diese dient dazu, die in den nachfolgenden Kapiteln vorgestellten Herstellungsverfahren besser verständlich zu machen.

2.1 Baustoff

Brücken in Betonbauweise werden hauptsächlich in Verbundbauweise gebaut, das heißt sie bestehen sowohl aus Beton als auch aus Stahl. Im Gegensatz zu Beton ohne Beweh- rung können dem Stahlbeton größere Zugkräfte zugemutet werden und auch die Gestaltungsmöglichkeiten sind wesentlich vielseitiger. Während mit der Betonbauweise ohne Stahl nur Bogenbrücken erbaut werden können, ist bei der Verbundbauweise auch der Bau von Balkenbrücken möglich.² Auf die Bauart in Form von Balkenbrücken und Bo- genbrücken wird in Kapitel 2.2 näher eingegangen. Eine weitere Kategorie des Stahlbetons ist der Spannbeton. Dieser zeichnet sich durch das Spannen besonderer Stahleinlagen im Beton aus und setzt ihn somit unter Druck, dies wird auch Vorspannen genannt. Das Vor- spannen hat sich im Brückenbau bewehrt und bringt viele Vorteile mit sich. Die Vorteile liegen in der Rissfreiheit, der Einsparung von Beton und Stahl, der geringen Verformung und einer hohen Ermüdungsfestigkeit, besonders im Vergleich zu dem ungespannten be- wehrten Beton. Es können somit sehr schlanke Konstruktionen mit einer niedrigen Bauhöhe erstellt werden, wodurch Kosten gespart werden.³ Spannbeton kann somit, im Vergleich zu Stahlbeton, als vollkommen neuer Baustoff betrachtet werden. Mit einem Kosteneinspa- rungspotential von rund 15% gegenüber Stahlbeton ist Spannbeton somit im Brückenbau deutlich attraktiver. Aufgrund dessen beziehen sich die nachfolgenden Herstellungsverfah- ren auf den Baustoff Spannbeton.⁴

2.2 Bauart

Ab 1950 erfolgte die Verbreitung des Spannbetons im Brückenbau, in einem Siegeszug, um die ganze Welt. Das Ende, der bis zu diesem Zeitpunkt weit verbreiteten Bogenbrückenbauart, war somit besiegelt und wurde von der strafferen Balkenkonstruktion abgelöst. Der vorgespannte Stahl ermöglicht es im Allgemeinen, auf die statisch günstig wirkende Krümmung von Bogenbrücken zu verzichten.4 Die Bauart der Balkenbrücke wird mit den im Folgenden vorgestellten Herstellungsverfahren umgesetzt.

2.3 Bauweise

Balkenbrücken lassen sich sowohl in Fertigteil- als auch in Ortbetonbauweise erstellen. Von den bereits angesprochenen Bauverfahrenstechniken bedienen sich die Bauweisen mit Lehrgerüst, mit Vorschubgerüst, das Taktschiebeverfahren und der Freivorbau hauptsäch- lich der Ortbetonbauweise. Die Segmentbauweise wird hingegen durch Fertigteilbetonbauweise umgesetzt.⁵ Die Fertigteilbauweise unterscheidet sich von der Ort- betonbauweise grundsätzlich in der fabrikmäßigen Herstellung, kurzen Montagezeiten und in der Ersparnis von Schalung und die damit verbundene Vermeidung der Einrüstung. Diese erheblichen Unterschiede wirken sich massiv auf die Wirtschaftlichkeit, durch die Einfach- heit und die beliebige Wiederholbarkeit, der Fertigteilbauweise aus. Durch die stetige Wiederholbarkeit der Fertigteile ist es auch möglich, in Ländern mit einem niedrigen Niveau der Facharbeiterausbildung, Brücken zu erstellen. Generell eigenen sich Fertigteile immer dort gut, wo die Bauaufgabe oft wiederholt wird. Vor allem gilt dies für kleinere Brücken „von der Stange“. Aber auch bei Großbrücken kommt diese Bauweise zum Einsatz.4

2.4 Unterbau und Überbau

Prinzipiell ist der Brückenbau in Unterbau und Überbau unterteilt. Der Unterbau besteht aus Pfeilern und Stützen, welche die Stützlasten der Überbauten auf die Fundamente in den Baugrund leiten. In der Regel bestehen die Pfeiler und Stützen im Brückenbau aus Stahl- beton. Nach welchen Verfahren diese im Einzelnen erbaut werden ist nicht Teil dieser Arbeit, da die Herstellung der Stützen bei den folgenden Herstellungsverfahren nicht von- einander abweicht, sodass die Stützen als gegeben angesehen werden und der Fokus hauptsächlich auf dem Bau des Überbaus liegt.⁶ Der Überbau umfasst den wesentlichen Teil der Brücke, das Haupttragwerk, mit dem die zu überwindende Öffnung überspannt wird.⁷ Die verschiedenen Herstellungsverfahren für den Überbau folgen in den nächsten Kapiteln.

3 Bauweise mit Lehrgerüst

Keines der heutigen Bauverfahren wird nur annähernd so oft eingesetzt wie die Bauweise mit Lehrgerüst. Denn Brücken mit geringer Stützweite und Höhe sind mit keinem anderen Verfahren wirtschaftlicher herzustellen. Die meisten Brücken befinden sich in dieser Grö- ßenordnung.⁸ Im Allgemeinen werden Brücken mit einer Spannweite von 30 bis 60 Meter mit der Bauweise mit Lehrgerüst erbaut. Lehrgerüste dienen der Unterstützung frisch beto- nierter Tragwerke, bis diese nach Erhärtung des Betons, die tragende Funktion übernehmen. Schematisch ist das Bauverfahren mit Lehrgerüst in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Schematische Darstellung stationärer Lehrgerüstbauweise

Quelle: Holst, R./Holst, K., Vorhalteabschnitte stationärer Traggerüste: Brücken aus Stahlbeton und Spannbeton Entwurf, Konstruktion und Berechnung, 6. Aufl., Berlin: Ernst & Sohn, 2014, S. 272.

Es handelt sich somit bei Lehrgerüsten um Hilfskonstruktionen mit deren Hilfe Balkenbrü- cken in Ortbetonbauweise erbaut werden. Wie bereits in Kapitel 2.2 festgehalten wurde, bezieht sich auch die Bauweise mit Lehrgerüst auf Balkenbrücken, wodurch die Lehrge- rüstkonstruktionen, im Vergleich zu den Bogenbrücken, weniger komplex geraten sind. Das Resultat sind vereinfachte Gerüstkonstruktionen, bestehend aus Holz- oder Stahlfachwerk- tragwerken, den sogenannten Rüstträgern.

[...]

¹ Andric, I., Brücken der Welt, 1971.

² Vgl. Pucher, A., Lehrbuch des Stahlbetonbaues, 1961, S. 260.

³ Vgl. Kremer, R., Fertigbauteile für den Straßen- und Brückenbau, 1975, S. 131.

⁴ Vgl. Wittfoht, H., Triumph der Spannweiten, 1972, S. 149, 163.

⁵ Vgl. Jurecka, C., Brücken, 1986, S. 196-197.

⁶ Vgl. Weidemann, H., Balkenförmige Stahlbeton- und Spannbetonbrücken, 1984, S. 9.

⁷ Vgl. Koch, W., Brückenbau, 1961, S. 12.

⁸ Vgl. Osebold. R./ Beyert, J., Bauverfahrenstechnik I, 2015, S. 276.