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6 Externe Vorspannung oder Schlankheit oder beides?

Dr.-Ing. Eckard BotheIPROPLAN Planungsgesellschaft mbH, Chemnitz

6.1 Zusammenfassung

Der Beitrag diskutiert Probleme bei der Planung von extern vorgespannten Kastenträgern in Abhängig-keit von Schlankheit, Grundrißkrümmung und Kasteninnenfläche. Für die bis Januar 2000 im Bundes-gebiet gebauten bzw. in der Herstellung befindlichen Bauwerke werden Parametervergleiche durchge-führt.

6.2 Zur Bauweise

Die externe Vorspannung, um 1935 in Deutschland entwickelt und über Jahre in Vergessenheit geraten,erfährt seit einiger Zeit eine Renaissance im Spannbeton-Brückenbau. Für diese Wiedergeburt der kla-ren Trennung der Teilwerkstoffe Spannstahl und Stahlbeton werden in der Literatur folgende Gründeangeführt:

• Möglichkeit der Kontrolle und Austauschbarkeit des Spannstahls,

• Möglichkeit der Veränderung der Vorspannung im Zeitraum der Nutzungsdauer,

• Minimierung negativer Verbundeigenschaften und deren Folgen (z. B. Wechselbeanspruchungim Spannstahl)

• bessere Herstellbarkeit des Teilbaustoffs Stahlbeton in Problembereichen,

• Wegfall witterungsabhängiger Injektionsarbeiten.

Diesen Vorteilen stehen als Nachteile gegenüber:

• Minimierung bzw. Wegfall positiver Verbundeigenschaften und deren Folgen (Ausnutzen desSpannungszuwachses im Spannstahl, risseverteilende Wirkung des Spannstahles),

• Geringerer Schutz des Spannstahls gegen äußere Einflüsse wie Brand und Vandalismus,

• Verkleinerung der möglichen Schwerpunktabstände zwischen den Teilstrukturen Spannstahl undStahlbeton.

Aus technologischen Gründen (Anwendung des Taktschiebeverfahrens) wurde die größere Anzahl derbisher ausgeführten Bauwerke in Mischbauweise hergestellt. Dabei werden Teile der Vorspannung mit

113

Bild 6.1: Optische Schlankheit

nachträglichem Verbund in den Gurtplatten angeordnet. Das vergrößert den möglichen Hebelarm, im-pliziert aber wieder Nachteile der herkömmlichen Bauweise wie die notwendigen Injektionsarbeitenzur Verbundherstellung. Da ein Teil des Spannstahls bei der Mischbauweise ausschließlich für Bauzu-stände erforderlich ist, relativiert sich der Zugewinn an statischer Höhe.

6.3 Zur Schlankheit

Größere Schlankheiten werden dann erforderlich, wenn Bauhöhen und Stützweiten bestimmten Rand-bedingungen genügen müssen. Bei Brücken mit geringer Höhe über Gelände ist die Bauhöhe durch ihrVerhältnis zum Raum zwischen Oberkante Gelände und Unterkante Überbau bestimmt. Sind zusätz-lich noch Stützweiten durch zu überbrückende Hindernisse festgelegt, hat die erforderliche Schlankheiteinen unteren Grenzwert. Bild 6.1 zeigt einen Überbauausschnitt mit einer Gradientenhöhe von ca. 12 müber OK Gelände und einer erforderlichen Stützweite von 53,0 m. Bei einer gewählten Bauhöhe von2,6 m ergibt sich eine optische Schlankheit von 20,4 für das Flußfeld. Eine größere Bauhöhe wäre schonaus ästhetischen Gründen nicht vertretbar.

6.4 Parametervergleiche an Straßenbrücken

Das untersuchte Datenmaterial wurde /1/ entnommen und durch eigene Recherche ergänzt. /1/ beinhal-tet 35 Bauwerke, davon 9 fertiggestellte, 17 im Bau befindliche und 9 im abgeschlossenen Entwurfs-

114

stadium. Ergänzt wurden zwei im Bau befindliche Brücken im Zuge von Bundesfernstraßen und einBauwerk im Zuge einer Staatsstraße. 11 der fertiggestellten bzw. im Bau befindlichen Brücken werdenrein extern vorgespannt, 18 werden in Mischbauweise hergestellt. Fünf Überbauten der letztgenann-ten Menge sind über die Gesamtlänge nicht parallelgurtig, 24 mit konstanter Bauhöhe. Die folgendenAuswertungen beziehen sich auf die Grundmenge der 24 fertiggestellten bzw. im Bau befindlichenTragwerke mit konstanter Bauhöhe (10 rein extern vorgespannt, 14 in Mischbauweise).Von den 10rein extern vorgespannten Tragwerken wurden 7 auf Lehrgerüst bzw. Vorschubrüstung hergestellt, 3mit Hilfe des Taktschiebeverfahrens. Von den 14 in Mischbauweise hergestellten entfallen 13 auf dasTaktschiebeverfahren und eines auf Vorschubrüstung.

Bild 6.2 und Bild 6.3 zeigen die maximalen und mittleren Stützweiten Die maximalen Stützweiten be-tragen für Bauwerke mit rein externer Vorspannung im arithmetischen Mittel 45,6 m und für Bauwerkein Mischbauweise 53,7 m. Die mittlere Stützweite beträgt für rein extern vorgespannte Brücken 40,4m, für Brücken in Mischbauweise 45,1 m. Bild 6.4 und Bild 6.5 zeigen die optischen Schlankheiten inBezug auf die maximalen bzw. die mittleren Stützweiten. Im Mittel beträgt die Schlankheit, bezogenauf die maximalen Stützweiten 14,9 für rein extern vorgespannte Brücken, für die Mischbauweise 17,0.Für die mittleren Stützweiten betragen die Parameter 13,5 und 14,3.

Von den geometrischen Parametern Stützweite, Bauhöhe und Fahrbahnbreite auf den erforderlichenSpannstahlbedarf zu schließen ist bei der untersuchten Grundmenge schwierig, da die durchschnittlichzu erzielenden Exzentrizitäten der Vorspannung von den einzelnen Anteilen an externer Vorspannungabhängen, die Anteile an Vorspannung im Verbund zum Teil nur zur Abdeckung von Bauzuständenverwendet werden und die Anordnung der externen Spannkabel sehr differenziert sein kann (horizon-tale Spanngliedführung, umgelenkte Spanngliedführung). Bild 6.6 zeigt einen Parameter, aus dem manin Verbindung mit geeigneten Faktoren ein Maß für den Spannstahlbedarf des Überbaues in Längs-richtung bezogen auf einen Meter Bauwerkslänge ableiten kann. Diese Faktoren korrelieren u. a. mitgewählter bzw. möglicher Kabelgeometrie. Bei ähnlicher Kabelgeometrie führt der größere Wert imAllgemeinen zu mehr Spannstahlbedarf.

6.5 Die Restfläche im Kasteninneren

Wesentlich für die Ausführbarkeit eines Bauwerksentwurfes mit externer Vorspannung ist die Mög-lichkeit, die erforderlichen Kabel im Kasteninneren anzuordnen. Als Einflußgröße wird die Restflächedefiniert.

Bild 6.7 zeigt eine Prinzipdarstellung der Restfläche. Der Kasteninnenraum ist durch viele geometrischebzw. konstruktive Zwangspunkte eingeschränkt. Der minimale Randabstand a von der Steginnenseitewird durch die Forderung nach Prüfbarkeit der Kabel (a = 8 cm) und durch eine mögliche Grundriß-krümmung bestimmt.

Bild 6.9 zeigt die unterschiedlichen Randabstände eines geraden Kabels zwischen zwei Umlenkstellenmit einem Abstand 32,4 m bei einer Grundrißkrümmung von R = 750 m. Die Abstände b und c sindbei umgelenkter Kabelführung durch die möglichen Hoch- bzw. Tiefpunkte fixiert, bei gerader Ka-belführung durch die Anker- und Pressenabstände. An Überlappungsstellen von Spannankern könnendie erforderlichen Abstände durch notwendige Pressenausziehwege definiert sein (Schnitt 1-1). DerAbstand d legt einen erforderlichen Freiraum für Wartungsgang und mögliche Entwässerung fest.

Die durch diese Parameter definierte Restfläche ist in Abhängigkeit von Bauhöhe, Kastenbreite undKrümmung ein im wesentlichen konstanter Wert. Das heißt, es wäre zwar nicht sinnvoll, aber theore-

115

50,0

45,045,0

55,055,0

32,0

45,043,0

55,1

74,2

53,0

45,0

50,053,5

41,342,0

59,0

72,0

44,0

52,0

36,0

47,047,5

48,0

45,0

76,3

38,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Hölltalbrücke Griesbach

Talbrücke Ruderting

Talbrücke Hünenburg

Ruhrtalbrücke Rumbeck (Ü1)


Talbrücke Rümmecke

Querspange Freienohl

Brücke ü.d. Mescheder Str.

Talbrücke Berbke

Talbrücke "Wintroper Tal"

Talbrücke Tautendorf

Stadtgrenze Leipzig BW 82,W

Stadtgrenze Leipzig BW 82,O

Unstruttalbrücke

Biggetalbrücke (2. BA)

Schwarzbach-Talbrücke (Ü1)


Werratalbrücke Eisfeld

Talbrücke Holzmattal

Strothetalbrücke

Fuldabrücke (Südhälfte)

Wippertalbrücke

Neckartalbrücke

Zschonergrundbrücke

Talbrücke Einzinger Bach

Muldebrücke

Talbrücke Münchberg

Rein

externe

Vorsp

ann

un

gM

ischb

auw

eise

Bild6.2:MaximaleStützweiten

116

41,2042,00

40,25

34,75

42,6440,25

49,94

46,3245,00

44,7244,80

44,00

40,2539,30

46,5746,00

35,96

49,45

46,04

34,41

44,60

59,00

37,62

47,5048,13

48,00

27,00

0 10 20 30 40 50 60 70









Talbrücke Berbke





Unstruttalbrücke






Strothetalbrücke


Wippertalbrücke

Neckartalbrücke



Muldebrücke


Rein

externeM

ischbauweise

Bild6.3:MittlereStützweiten

117

16,716,7

18,3

12,0

13,113,3

13,6

18,4

23,5

20,4

13,213,4

12,9

13,9

16,7

13,8

18,4

17,1

14,8

18,0

14,9

19,4

16,2

22,8

13,0

18,3

13,8

0 5 10 15 20 25









Talbrücke Berbke





Unstruttalbrücke






Strothetalbrücke


Wippertalbrücke

Neckartalbrücke



Muldebrücke


Rein

externe

Vorsp

ann

un

gM

ischb

auw

eise

Bild6.4:OptischeSchlankheit(maximaleStützweiten/Konstruktionshöhe)

118

11,0

12,2

12,9

12,2

16,6

14,314,5

15,916,4

14,714,1

15,615,3

13,9

11,512,6

17,2

13,8

16,0

13,7

14,814,6

13,1

13,3

13,2

12,411,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20









Talbrücke Berbke





Unstruttalbrücke






Strothetalbrücke


Wippertalbrücke

Neckartalbrücke



Muldebrücke


Rein

externeV

orspannungM

ischbauweise

Bild6.5:OptischeSchlankheit(mittlereStützweiten/Konstruktionshöhe)

119

7840

7103

10069

4314

6226

8128

69316542

8027

13896

8940

12576

74657744

11279

6249

7467

9997

7453

8846

5644

10929

88589120

13551

11001

6281

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000









Talbrücke Berbke





Unstruttalbrücke






Strothetalbrücke


Wippertalbrücke

Neckartalbrücke



Muldebrücke


Rein

externeV

orspannungM

ischbauweise

Bild6.6:MittlereStützweiten2/KonstruktionshöhexBreite

120

Bild 6.7: Restfläche

Bild 6.8: Grundrißkrümmung

121

tisch möglich, einen Kasten zu konstruieren, bei dem keine externe Vorspannung im Innenraum mehranordenbar ist.

Der Sinn, über diesen Grenzfall dennoch nachzudenken, liegt darin begründet, daß bei kleiner werden-den Kasteninnenflächen die Restfläche zu Null gehen kann. In bestimmten Grenzbereichen steigt derAufwand, eine sinnvolle Vorspannung zu finden, erheblich an.

Die Konstruktionselemente in Bild 6.7 sind maßstäblich gezeichnet für einen Querschnitt mit 11,3 mBreite zwischen den Geländern und einer Bauhöhe von ca. 3,3 m. Erkenntnisse, die bei Bauwerkenim Zuge von Autobahnen gewonnen wurden, können nicht ohne kritische Wertung auf Brücken mitkleineren Breiten übertragen werden. Von der untersuchten Anzahl an Bauwerken waren lediglich 4(ca. 17 %) mit einer kleineren Überbaubreite als 12,0 m.

Bild 6.8 zeigt den Kehrwert des Radius der Grundrißkrümmung der untersuchten Bauwerke. DemHöchstwert liegt ein Radius von 750 m zugrunde. Bei Bauwerken mit nicht konstantem Radius wurdeein Ersatzkreis zugrunde gelegt. Legt man für die Variablen b, c, d in Bild 7 konstante Werte fest undentwickelt eine Abhängigkeit zwischen a und der Krümmung des Bauwerks im Grundriß, so ergibt sichdie in Bild 6.10 dargestellte Restfläche (in m2). Der kleinste Wert liegt bei 4,7 m2.

Im Hinblick auf die Ausführbarkeit von extern vorgespannten Kästen wirken größere statische Schlank-heiten (Bild 6.6) und kleinere Restflächen ungünstiger. Um beide Einflüsse zu verknüpfen, wurde einQuotient aus (mittlerer Stützweite2 x Breite / Bauhöhe) und Restfläche gebildet (Bild 6.11).

Als Diskussionsgrundlage soll die Auswertung dieses Parameters für die abgebildete Grundmenge nichtkommentiert werden. Die Recherche des Autors zeigt aber, daß bei Bauwerken mit großen Werten dieHäufigkeit steigt, den erforderlichen Platzbedarf mit konstruktiven Sonderlösungen zu kompensieren(weniger Zusatzspannglieder für nachträgliche Verstärkung, Anordnung der Entwässerung außerhalbdes Kastens).

6.6 Ergebnisse

Mit extern vorgespannten Kastenträgern können optische Schlankheiten erzielt werden, die für dieÜberbrückung von großen Stützweiten mit geringen Gradientenhöhen über Gelände erforderlich sind.

Wesentlich für eine gute Ausführbarkeit der Konstruktion ist das Verhältnis aus erforderlichem Spann-stahlbedarf und der zur Verfügung stehenden Restfläche im Kasteninneren. Für das Verhältnis aus sta-tischer Schlankheit und Restfläche existieren Grenzwerte in Abhänigkeit vom gewählten Vorspannkon-zept.

6.7 Literaturverzeichnis

[1] Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen, Referat StB 25, Brücken- und In-genieurbau: Zusammenstellung von Brückenneubauten nach der Richtlinie für Betonbrücken mitexternen Spanngliedern der Bundesfernstraßen, Stand: 04.02.2000

[2] Richtlinie für Betonbrücken mit externen Spanngliedern, Ausgabe 1999, Allgemeines Rundschrei-ben Straßenbau Nr.17/1999

[3] Spannbetonbrücken mit externer Vorspannung, Tagungsmaterial zur Informationsveranstaltungam 5. Juni 1997 im Bundesverkehrsministerium

122

0,0000

0,0002

0,0004

0,0006

0,0008

0,0010

0,0012

0,0014









Talbrücke Berbke





Unstruttalbrücke






Strothetalbrücke


Wippertalbrücke

Neckartalbrücke



Muldebrücke


Rein

externeV

orspannungM

ischbauweise

Bild6.9:Radius(1/R)

123

5,15,1

11,2

7,07,1

6,7

9,1

10,3

7,1

5,3

9,4

9,79,6

7,87,8

7,5

6,56,3

4,7

6,56,5

10,2

8,9

12,7

9,1

6,2

6,7

0 2 4 6 8 10 12 14









Talbrücke Berbke





Unstruttalbrücke






Strothetalbrücke


Wippertalbrücke

Neckartalbrücke



Muldebrücke


Rein

externeV

orspannungM

ischbauwe

Bild6.10:Restfllächeinnen(inAbhängigkeitvomRadius)

124

1002

896

692

1000

1883

1067

1207

1095

1587

1225

990

1352

1060

1537

997

12941241

1327

841

1153

965

851

1417

944

1687

647

775

0

200

400

600

800

1.000

1.200

1.400

1.600

1.800

2.000









Talbrücke Berbke





Unstruttalbrücke






Strothetalbrücke


Wippertalbrücke

Neckartalbrücke



Muldebrücke


Rein

externeV

orspannungM

ischbauweise

Bild6.11:MittlereStützweite2,KonstruktionshöhexBreite,RestflächeinAbhängigkeitvomRadius

125

Bild 6.12: Statisches System

[4] Externe Vorspannung und Segmentbauweise, Vorträge anläßlich des Workshops: Externe und ver-bundlose Vorspannung - Segmentbrücken an der Universität Fridericiana Karlsruhe (TH) vom5. bis 7. Oktober 1998, Berlin Ernst & Sohn , 1998

[5] Standfuß, F.; Abel M.; Haveresch K.-H.: Erläuterungen zur Richtlinie für Spannbetonbrücken mitexternen Spanngliedern. In: Beton- und Stahlbetonbau, 93 (1998), H. 9

[6] Metzler H.; Schmitz Chr.: Spannbetonbrücken mit externer Vorspannung - Historischer Rückblickund Erfahrungen einer Straßenbauverwaltung. In: Bauingenieur, 75 (1998), Nr. 2 - Februar

[7] Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen, Referat StB 25: Brücken der Bun-desfernstraßen 1994, Strothetalbrücke bei Kohlstädt, Verkehrsblatt-Verlag, 1994

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