8 Ertüchtigung der Vorpommernbrücke über die Warnow inRostock

Dipl.-Ing. Dirk PodeynIngenieurbüro Otte, Neustrelitz

8.1 Situation vor der Ertüchtigung

Mit der Vorpommernbrücke wird in Rostock die Hauptverkehrsstraße in Richtung Stralsund (B 105)über die Warnow geführt. Das Bauwerk wurde im Zeitraum von 1984 bis 1986 im Zusammenhangmit dem Neubau der Straße vom Autobahnkombinat der DDR errichtet. Die Planung erfolgte im zumdamaligen Kombinat gehörigen Büro in Potsdam. Die Baugenehmigung wurde durch die StaatlicheBauaufsicht des Bezirkes Rostock erteilt. Die Lage und Länge der Brücke war durch die Trassenführungder Straße und durch örtliche Zwangspunkte festgelegt. Die Lage der Brücke ist im Übersichtsplan(Bild 8.1)dargestellt.

Die wichtigsten Bauwerksdaten sind:

• Dreifeldbrücke mit Stützweiten von 35, 5 − 74, 0 − 35, 5 m

• Fahrbahnbreite 12,50 m und beidseitige Notgehwege 1,50 m

Bild 8.1: Lage der Vorpommernbrücke

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Bild 8.2: Ansicht von Norden

Bild 8.3: Längschnitt

• Brückenquerschnitt aus einem zweizelligen Hohlkasten

• Brückenlängsschnitt mit veränderlicher Überbauhöhe von 1,45 m bis 3,17 m; Scheitelhöhe 1,50 m

Ansicht und Längsschnitt des Bauwerks zeigen (Bild 8.2 und Bild 8.3).

Das Mittelfeld wurde im Freivorbau errichtet. Um die dafür notwendigen Gleichgewichtsbedingungenzu erreichen, also abhebende Lagerkräfte wegen des ungünstigen Stützweitenverhältnisses zu verhin-dern, sind die Randfelder ballastiert worden, indem der Querschnitt im Endbereich als Vollquerschnittausgeführt wurde. Die Herstellung der Endfelder bis hin zur ersten Koppelfuge erfolgte auf einem Lehr-gerüst. Koppelanker wurden nicht eingesetzt. Die Spannglieder verlaufen vom Endfeld bis zum Endeder jeweiligen Vorbaulamelle, von wo aus sie vorgespannt worden sind.

Nach den Funktionen können die Spannglieder folgenden zwei Gruppen zugeordnet werden:

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Bild 8.4: Spanngliedführung

1. Spannglieder, die den Freivorbau unterstützen (Freivorbauspannglieder)

2. Spannglieder, die im Endzustand eingefädelt werden und zusammen mit den Freivorbauspann-gliedern im Gebrauchszustand wirken (Kontinuitätsspannglieder); siehe Bild 8.4.

Außer Einstabspanngliedern (ESG 50) sind Bündelspannglieder (BSG 100) aus ovalem, ölschlußver-gütetem Spannstahl der Güte 1400 / 1600 N/mm2 eingesetzt worden. Während des Vorspannens gabes einige Spannglieder, bei denen die Verankerung an den Festankern versagte. Die Verankerung ist inBild 8.5 dargestellt.

Eine große Anzahl von Kontinuitätsspanngliedern in der Bodenplatte der Scheitellamelle ist spannungs-los verpreßt worden. Der Grund zu dieser Entscheidung ist aus heutiger Sicht nicht vollständig nach-vollziehbar.

Bald nach der Verkehrsübergabe waren Verformungen in Mittelfeldmitte der Dreifeldbrücke erkenn-bar. Eine meßtechnische Beobachtung an den relevanten Bauwerkspunkten setzte ein. Die Durchbie-gungen zeigten eine zunehmende Tendenz, die außerdem jahreszeitliche Unterschiede aufwies. Sowohldie Durchbiegungen als auch die Risse nahmen jeweils in den Sommermonaten am stärksten zu underreichten 1998 Werte von 19,1 cm bzw. 0,3 mm.

Im Jahre 1993 wurde eine Einstufungsberechnung nach DIN 1072 (12/85) im Zusammenhang mit derAufstellung des Bauwerksbuches angefertigt. Als Ergebnis konnten für das Mittelfeld die Randspan-nungen im Gebrauchszustand (Bild 8.6) für die Brückenklasse 60/30 und 30/30 nicht eingehalten wer-den. Der Nachweis im Bruchzustand ergab für die Brückenklasse 30/30 eine Sicherheit von 1,74.

Der zu geringen Tragfähigkeit liegt ein Fehler in der Ursprungsberechnung zugrunde, bei der die Vor-spannung falsch in den Berechnungsansatz einging. Dieser Fehler wurde erst bei der Prüfung der Ein-stufungsberechnung festgestellt, als die Ursache für den Unterschied der Ergebnisse Brückenklasse30/30 und Brückenklasse 60 alt gesucht wurde. Zu diesem Zweck ist eine Vergleichsrechnung für diealte Brückenklasse 60 erstellt worden. Die Randspannungen lagen auch hier über den zulässigen.

8.2 Baustoffl iche Untersuchungen

Da die Fertigstellung der BAB A 20 bis zum Anschluss an die BAB A 19 erst bis Ende 2000 erfolgenkann, stellt die Vorpommernbrücke über die Warnow eine der wichtigsten Ost-West-Verbindungen inMecklenburg-Vorpommern dar. Somit wurde die Ertüchtigung der Brücke beschlossen, weil die Herab-setzung der Tragfähigkeit zu großen Verkehrseinschränkungen geführt hätte. Ziel war es, die Brücken-klasse 60/30 zu erreichen.

Damit einher gingen baustoffliche Untersuchungen zur Bestimmung der vorhandenen Betonfestigkeit.In einem von der Hansestadt Rostock in Auftrag gegebenen Gutachten wurde für den gesamten Überbau

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Bild 8.5: Verankerung BSG 100

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Bild 8.6: Randspannungen vor der Ertüchtigung

der Vorpommernbrücke ein B 25 ausgewiesen, der für eine Bauwerksertüchtigung nicht ausreichendwäre. Ein Abriß der 12 Jahre alten Brücke und ein mit hohen Kosten verbundener Neubau wären dieFolge gewesen.

Die Planung der Brücke erfolgte allerdings seinerzeit mit einem Beton B 450, der nach heutiger Nor-mung einem B 35 entspricht. Nach Rücksprache mit dem Gutachter wurde trotz dessen gegenteiligerArgumentation das Gutachten durch die Hansestadt Rostock abgelehnt, wobei sich die Verantwortli-chen in Übereinstimmung mit den beteiligten Prüfingenieuren im Wesentlichen auf folgende Argu-mentation stützten:

• Das Verhältnis der Bohrkerndurchmesser (50 mm) zum Größtkorn der im Beton enthaltenen Zu-schlagstoffe (22 mm) war zu ungünstig, als daß zutreffende Festigkeitswerte zu erhalten wären.

• Auf die Vorkommnisse bei der Errichtung des Bauwerkes haben die beteiligten Fachleute in einerWeise reagiert, die sicherstellten, daß erkannte Mängel unverzüglich abgestellt wurden und nichtwieder aufgetreten sind.

• Die Qualitätskontrollen zur Überwachung der Betonherstellung sind während der Bauausführungumfassend durchgeführt worden. Die Ergebnisse der Druckfestigkeiten liegen für den gesamtenÜberbau deutlich über den Werten des Gutachtens.

• Bei den festgestellten Hohlstellen handelte es sich lediglich um örtliche Schwachstellen der Kon-struktion. Diese müßten gesondert beurteilt und sollten nicht mit der Festigkeit des Betons fürdie Nachweisführung in Verbindung gebracht werden.

Hohlstellen konnten vorwiegend bei senkrechten Schalungsflächen entstehen, wo der Beton durch dieSchalungsrauhigkeit, horizontale Bewehrungsstäbe in Verbindung mit den Bügeln und zusätzlich durchdie Randlage von Spanngliedern am Hinabgleiten gehindert wurde sowie dort, wo die Innenrüttlerweniger Wirksamkeit hatten. Daher sind diese sogenannten „Nester“ von außen auch gut sichtbar.

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Bild 8.7: Ultraschallmessungen 1

Selbstverständlich kommen bei einer sonstigen Anhäufung von Bewehrung auch Hohlstellen vor, dieinnen liegen und nicht sichtbar sind, z. B. bei Spanngliedverankerungen. Sie können durch Inaugen-scheinnahme nicht entdeckt werden. Um sicherstellende Aussagen zur Betonfestigkeit zu erhalten, wur-den nunmehr Bohrkernuntersuchungen durch die Materialprüfanstalt der Bauhaus-Universität Weimarvorgenommen, die zusätzlich durch Ultraschallprüfungen der Hohlkastenstege begleitet wurden (Bild8.7 und Bild 8.8).

Diese Untersuchungen fanden in den Bereichen zukünftiger großer Lasteintragungen statt; insbesonde-re auch dort, wo es seinerzeit Probleme mit der Herstellung gab. Das Bild 8.9 zeigt die Verteilung derBetonfestigkeiten.

Helle Bereiche zeigen Zonen der Stege mit kleiner Ultraschallgeschwindigkeit. Ein B 35 hat eine Ul-traschallgeschwindigkeit von 4,200 km/s. Die gelben Bereiche liegen bei Ultraschallgeschwindigkeitenvon etwa 3,000 km/s. Die so festgestellten Fehlstellen wurden in der Ertüchtigungsphase aufgebohrt,endoskopiert und im Anschluss mit Zementsuspension verfüllt. Die Hohlräume sind in den Aufnahmender Endoskopie erkennbar (Bild 8.10 und Bild 8.11).

Im Ergebnis dieser Betonuntersuchungen ist ein hochfester Beton mit Druckfestigkeiten von bis zu70 N/mm2 festgestellt worden. Entsprechend der „Richtlinie des Bundesministeriums für Verkehr vomApril 1992 zur Tragfähigkeitseinstufung bestehender Straßenbrücken der neuen Bundesländer in Last-klassen nach DIN 1072 (12/85)“ wurde für die Ertüchtigung der gesamten Brücke ein B 35 zugrundegelegt.

8.3 Möglichkeiten der Ertüchtigung

Die Ertüchtigung einer Brücke wäre am einfachsten durch Klebearmierung möglich, also durch Er-höhung des schlaffen Bewehrungsanteiles mittels aufgeklebter Stahllamellen. Aufgrund der großen

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Bild 8.8: Ultraschallmessungen 2

Bild 8.9: Verteilung der Betonfestigkeiten

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Bild 8.10: Nester und Hohlräume Bsp. 1

Bild 8.11: Nester und Hohlräume Bsp. 2

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Bild 8.12: Spanngliedführung (Plotdarstellung)

Stützweite und der fehlenden Vorspannung in der Scheitellamelle wäre diese Maßnahme allein nichtausreichend. Eine sinnvolle Alternative dazu stellt der zusätzliche Eintrag von Vorspannkraft mittelsexterner Spannglieder dar. Externe Vorspannung meint die Führung der Spannglieder außerhalb desQuerschnittes ohne Verbund zum Baukörper. Lediglich im Verankerungsbereich oder Umlenkungsbe-reich kann der Verbund notwendig sein. Aufgrund des vorhandenen zweizelligen Hohlkastens konnteder Vorteil des möglichen nachträglichen Einbaues genutzt werden. Ein weiterer Vorteil besteht in derAuswechselbarkeit und Nachspannbarkeit der Spannglieder. Externe Spannglieder haben zudem einegrößere Vorspannkraft im Gebrauchszustand gegenüber Spanngliedern im Verbund, da ihre Spannungim Bruchzustand nicht die Streckgrenze erreicht.

8.4 Spanngliedführung

Die externe Vorspannung soll durch gezielte Führung der Spannglieder ein zusätzliches Moment auf-bauen, das zusammen mit dem Normalkraftanteil die Hohlkastenunterseite entlastet. Nach der Un-tersuchung von mehreren Spanngliedführungen kamen insgesamt zehn 15-litzige Spannglieder 6815der Firma ALLSPANN (DSI) zum Einsatz, wobei jedes Spannglied eine zulässige Vorspannkraft von2600 kN besitzt. Das Ziel der Spanngliedführung ist das Erreichen eines möglichst hohen inneren He-belarms (Bild 8.12 und Bild 8.13).

Der Korrosionsschutz wird durch HDPE-Rohre mit Korrosionsschutzmasse und Einpreßmörtel gewähr-leistet. Die Zulassungen nehmen Bezug auf den Teil 6 der DIN 4227. Dieser Normteil existiert nur alsVornorm und ist in Mecklenburg-Vorpommern nicht bauaufsichtlich eingeführt. Deshalb musste dieBerechnungsgrundlage über eine Zustimmung im Einzelfall geschaffen werden.

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Bild 8.13: Externe Spanngliedführung im Längsschnitt

8.5 Verankerung und Umlenkstellen

Die Scheiben (Schotte) im Hohlkasten über den Pfeilern eignen sich zum Absetzen der Kräfte (Bild8.14).

Jedoch sind Besonderheiten zu beachten. Da die Bewehrung der Schotte nicht in die Fahrbahnplatteeingreift, kann dort keine Querkraftübertragung angesetzt werden. Die Ankerkräfte müssen über dieStege und den Boden des Hohlkastens in den Überbau übertragen werden (Bild 8.15, Bild 8.16 undBild 8.17).

Als Rechenmodell dient eine gegen das Schott gebettete Wand, die durch Seitenwände und Bodenplat-te zu einem „Schuh“ vervollständigt wird. Die Verankerungen erfolgen sowohl in den Stegen als auchin der Wand. Mittelstegseitig sind drei Verankerungen und auf der Randstegseite zwei Verankerungenangeordnet worden. Eine Staffelung in der Tiefe ist notwendig, um eine bessere Verteilung der Pres-sungen auf das Schott zu erreichen. Das gleiche Ziel verfolgt die Einbeziehung der alten Spannvoutenund des Hohlkastenbodens in die Verankerung. Die Querkontraktion im Bereich der Stege wird durcheine zusätzliche Quervorspannung behindert.

GemäßZulassung dürfen die verwendeten Spannglieder in den Verankerungsbereichen nicht gekrümmteingebaut werden. Neigungsänderungen sind erst danach möglich. Im Umlenkbereich werden die Spann-gliedlitzen durch gußeiserne Abstandhalter geführt, so daßwährend des Auspressens der DurchflußdesMörtels möglich ist (Bild 8.18 und Bild 8.19).

Die Anzahl der Abstandhalter ist vom Umlenkwinkel abhängig. Um einen hohen Wirkungsgrad derVorspannung zu erreichen, sind große Umlenkwinkel erwünscht. Die erforderlichen Bohrungen in denSchotten sind aufgrund der Platzverhältnisse schwierig auszuführen. Zusätzlich sollte die schlaffe Be-wehrung möglichst nicht geschädigt werden. Die Lage der Verankerungsstellen ist nach Aufmaß in dieBerechnung eingegangen, um die exakten Kräfte an den Umlenkpunkten zu ermitteln.

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Bild 8.14: Verankerungskörper hinter dem Schott

nach StralsundB 35

Längsschnitt, Überbau HK Nord, WestseiteM 1 : 25

10 cm Pagelmörtel und

vorh

.Dur

chst

ieg

Verpreßschläuche

Stat.111,25

Verankerungskörper entsprechend auf

Gegenüberliegender Seite anordnen!

. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

vorh. Öffnung

Für Hohlkasten-

Entwässerung

Was 11 ohne Dichtung

Hohlkastenent-

Wässerung nach

Was 11 ohne Dichtung

. . . .. . . .. . . .. . . .

Einstabspannglied

mit Zulassung für

externe Vorspannung

St 1080/1230

HüllrohrH =50

Darstellung der Spannanker

Festanker

. . . . . . . .. . . . . . . .

Verankerung

nach Stralsund = Festanker

zum Zentrum = Spannanker

36mm

Z-13.1-3

Einstabspannglied

mit Zulassung für

externe Vorspannung

St 1080/1230

Z-13.1-3

26,5 mm

. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .

204205

206

201202

203

1.50 1.00 1.00

3.2

0

1.00 3.45

25

1.75 1.70

50

Bild 8.15: Gestaffelte Verankerung

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Bild 8.16: Verankerungskörper Bsp. 1

Bild 8.17: Verankerungskörper Bsp. 2

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Bild 8.18: Umlenkstelle (Zeichnung)

Bild 8.19: Umlenkstelle (Foto)

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Jahr Sommer Winter1986 0 086/87 621987 78

87/88 831988 9588/89 109

1989 11789/90 1241990 137

90/91 1281991 14791/92 140

1992 14892/93 1481993 167

93/94 1481994 17894/95 159

1995 19095/96 1751996 185

96/97 1771997 17897/98 181

Mai 1998, vor Ertüchtigung 191Mai 1998, nach Ertüchtigung 164August 1998 154

98/99 1441999 149

Tabelle 8.1: Durchbiegungen (Angaben in mm)

8.6 Durchbiegung und Randspannungen

Wie bereits unter Punkt 1 beschrieben, zeigten die Durchbiegungen eine jahreszeitlich zunehmendeTendenz bis auf einen Größtwert von 19 cm unmittelbar vor der Ertüchtigung. Aus der nachstehendenTabelle bzw. Diagramm ist der zeitliche Verlauf der Durchbiegungen ersichtlich. Es ist zu erkennen,daß der Durchbiegungszuwachs seit Februar 1996 zwischenzeitlich abnahm als eine Lastbegrenzungder Randfahrbahn auf 6 t erfolgte (Tabelle 8.1 und Bild 8.20).

Nach der Ertüchtigung der Brücke im Mai 1998 ergab sich bis zum Zeitpunkt der letzten Messungim Sommer 1999 eine Hebung der Scheitellamelle um 42 mm. Die zulässigen Betonrandspannungenim Gebrauchszustand nach DIN 4227/T1 (07/88) für einen in Ansatz gebrachten Beton B 35 konn-ten für die Brückenklasse 60/30 entsprechend DIN 1072 (12/85) eingehalten werden. Die Ertüchtigungder Brücke, die ein Kostenvolumen von ca. 1 Million DM beinhaltete, wurde somit erfolgreich zum

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-250

-200

-150

-100

-50

0

1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 Mai 98 98/99

Zeit

w[m

m]

Sommer

Winter

Bild 8.20: Durchbiegungsverlauf

Abschluß gebracht. Ein Brückenneubau an gleicher Stelle mit denselben ungünstigen Stützweitenver-hältnissen wäre nur mit einem bedeutend höheren Kostenaufwand möglich gewesen.

8.7 Am Bau Beteiligte

• Auftraggeber:

– Hansestadt Rostock, Tiefbauamt

• Auftragnehmer:

– Jürgen Marten GmbH, Schwerin

• Bauüberwachung:

– Dipl.-Ing. Klaus Busch, Plauen

• Entwurfs- und Ausführungsplanung:

– Dipl.-Ing. Wolfhard Wurm, ehemals MIV Schwerin GmbH

• Prüfingenieure:

– Dipl.-Ing. Peter Otte, Neustrelitz; Dipl.-Ing. (FH) Kurt Schwermer, Schwerin

8.8 Literaturverzeichnis

[1] V DIN 4227/T 6 (05/82): Spannbeton, Bauteile mit Vorspannung ohne Verbund

[2] Bundesministerium für Verkehr: Richtlinie zur Tragfähigkeitseinstufung bestehender Straßen-brücken der neuen Bundesländer in Lastenklassen nach DIN 1072, (12/85)

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[3] DAfStb, Heft 320: Erläuterungen zur V DIN 4227 T 6, (05/82)

[4] Wölfel, Eilhard: Vorspannung ohne Verbund, Besonderheiten bei der Bemessung. In: Beton- undStahlbetonbau, 9(1981)

[5] Virlogeux, Michel: Die externe Vorspannung In: Beton- und Stahlbetonbau, 83(1981)

[6] MIV Schwerin; Wurm, Wolfhard: Ertüchtigung der Vorpommernbrücke Rostock durch externeVorspannung, Entwurfs- und Ausführungsplanung

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