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Planung und Ausführung integraler Brücken

Dipl.-Ing. Winfried Glitsch, DEGES

VSVI Mecklenburg-Vorpommern – Brückenbautag 21. Februar 2013

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Einführung Historie Einflussparameter adhoc-AG integrale Bauwerke Richtlinie integrale Bauwerke Ausgeführte Bauwerke Zusammenfassung und Ausblick

Gliederung

15.05.2013 VSVI Mecklenburg-Vorpommern - Brückenbautag 21. Februar 2013

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Gliederung


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Jede Fuge ist eine Schwachstelle !

Schadhafte Fugen sind Ursachen für weitere Schäden.

Einführung


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Beispiele für durchnässte Widerlager infolge undich-ter Fahrbahnübergänge und dadurch verursachte Folgeschäden. Quelle: dsp AG / Dr. W. Kaufmann: Sachstandsbericht Integrale Brücken, 2008, Bundesamt für Straßen, Schweizerische Eidgenossenschaft

Einführung


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Bauteil / Erhaltungsarbeit Anteil ErhaltungskostenBetonarbeiten 32%Fahrbahn und Abdichtung 24%Austauschteile 11%Fahrbahnübergänge 10%Korrosionsschutz 7%Rückhaltesysteme 3%Lager 2%Stahlbauarbeiten 1%Sonstiges 10%Summe 100%

Kostenanteile für Erhaltungsarbeiten Quelle: Integrale Brücken – Aktivitäten in Österreich DI Dr. Roman Geier & DI Gerald Schimetta, Schimetta Consult ZT GmbH, Austria

Primärkosten für ÜKOs und Lager: ca. 12 % Sekundärkosten (Folgeschäden): nicht beziffert

Einführung


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integral

Als „integrale Bauwerke“ werden Bauwerke ohne Fugen und Lager bezeichnet. Der Überbau einer integralen Brücke ist über die gesamte Brückenlänge fugenlos durchlaufend und weder von den Pfeilern noch von den Widerlagern durch Fugen oder Lager getrennt. Alle Bauteile sind monolithisch miteinander verbunden. Betongelenke werden als monolithische Verbindung verstanden.

Einführung


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semi-integral

Als „semi-integrale Brücken“ werden Rahmentragwerke bezeichnet, die keine integralen Bauwerke sind und bei denen mindestens in zwei Achsen die Unter- bauten monolithisch an den Überbau angeschlossen sind. Auch bei semi-integralen Brücken entstehen Zwangsbeanspruchungen aus der Schwankung des konstanten Temperaturanteils. Für die semi-integrale Bauweise finden sich in der Literatur unterschiedliche Definitionen.

Einführung


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Einführung

Andere Definition semi-integral: In der Schweiz, in Österreich u. in den USA haben semi-integrale Brücken Lager, aber keine ÜKO´s.


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Vorteile der integralen Bauweise: - Entfall von Verschleißbauteilen (Lager, ÜKO´s) - Vermeidung von direktem Wasser- und Taumittelzutritt

(keine Fugen) - Höherer Fahrkomfort und Reduzierung der Lärmemissionen

(keine ÜKO´s) - (Geringere Herstellkosten) - Verminderung der Instandhaltungskosten - (Reduzierung der Bauteilabmessungen) - Höhere Verkehrssicherheit durch Wegfall der Mittelstütze (RPS) - Ansatz der aussteifenden Wirkung des Hinterfüllbereiches

(z.B. für Wind u. Bremsen) - Kraftfluss kontinuierlicher und größere Traglastreserven im GZT - Größere Freiheit bei der Wahl der Stützweiten

(kleine Randfelder, keine abhebenden Lager)

Einführung


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Nachteile der integralen Bauweise:

- Die für die Bemessung relevanten Parameter sind schwieriger zu erfassen

- Erhöhte Anforderungen an das geotechnische Gutachten (obere und untere Grenzwerte der Bodenparameter)

- Aufwändigere Berechnung (Interaktion Bauwerk – Boden)

- Planmäßig Zwangskräfte vorhanden

- Baugrund muss setzungsunempfindlich sein (keine Nachstellmöglichkeit, Zwang)

- Zyklische Temperaturverformungen können Setzungen hervorrufen (Verminderung Mantelreibung bei Pfählen)

- Übergang Bauwerk-Boden erfordert besondere Beachtung

- Herstellung sowie Abbruch / Demontage ist aufwändiger

Einführung


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Gliederung


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Historie

Römischer Aquädukt , Segovia, Spanien, Länge 813 m Quelle: wikipedia.de


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Göltzschtalbrücke / Vogtland (1846 – 1851)

Quelle: wikipedia.de

Historie


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Traunbrücke Ebensee, Oberösterreich, 1954 - 1955 Spannweite 72 m, Bauhöhe im mittleren Drittel 1,20 m aus: Mörsch, E.: Brücken aus Stahlbeton und Spannbeton

Historie


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Traunbrücke Ebensee

Entwurfsverfasser: Dr. techn. H. Machatti, Wien, Dipl.-Ing. K. Wenzel, Linz

Historie


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Entwurf + Ausführung: Wayss & Freytag AG, Ndl. Stuttgart, 1956

Historie


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Bewegungsfuge in der Mitte - Elztalbrücke

Historie


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Historie

Sunnibergbrücke bei Klosters, Schweiz Entwurf: Christian Menn


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Gliederung


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Widerlager: - Steifigkeit (längs) - Erddruck aus Hinterfüllung

Überbau: - Behinderte Längenänderung durch Temperatur, Schwinden, (Vorspannung), Kriechen - Steifigkeit axial: ungerissen/ gerissen - Brückenlänge

Stützen: - Biegesteifigkeit längs (ungerissen/gerissen) - Anschluss an Überbau (biegesteif / Betongelenk ..)

Gründung Widerlager und Stützen: - Steifigkeit längs + Rotation - Gründungsart - Baugrund

Einflussparameter


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Widerlager: Steifigkeit bezüglich Rotation um vertikale Achse

Stützen: Biegesteifigkeit quer (ungerissen / gerissen)

Überbau: - Querbiegesteifigkeit - Geometrie (Öffnungswinkel , Krümmungsradius, Länge, Grundriss)

Zusätzliche Parameter bei im Grundriss gekrümmten Brücken

Einflussparameter bei integralen Bauwerken


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Interaktion Bauwerk / Boden

Einflussparameter


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Mobilisierung Erddruck

Einflussparameter


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aus: Entwurfshilfen für Integrale Straßenbrücken, König,Heunisch+Partner / HLSV, 2003

Einflussparameter


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Nach: England et al: Integral Bridges: a fundamental approach to the time – temperature loading problem, Thomas Telford, London 2001

Einflussparameter


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Verteilung des normierten Erddrucks über die Bezogene Tiefe z/h bei Drehung um den Fußpunkt

und für Kopfverschiebungen von sh / h = 0,001 und 0,004

Bez

ogen

e Ti

efe

z/h

Normierter Erddruck eh / (γh)

nach : Merkblatt für den Einfluss der Hinterfüllung auf Bauwerke, FGSV, Heft 525, 1994

Einflussparameter


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Einflussparameter


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Längenänderungen Überbau

Einflussparameter


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Widerlager: - Steifigkeit (längs) - Erddruck aus Hinterfüllung - Setzungen hinter WL - Fahrbahnübergänge

Überbau: - Behinderte Längenänderung durch Temperatur, Schwinden, Vorspannung, Kriechen - Steifigkeit axial: ungerissen/ gerissen - Brückenlänge - Krümmung im Grundriss

Stützen: - Biegesteifigkeit längs (und quer) (ungerissen/gerissen) - Anschluss an Überbau (biegesteif / Betongelenk ..)

Gründung Widerlager und Stützen: - Steifigkeit längs + Rotation - Gründungsart - Baugrund

LBNP BNP

Einflussparameter semi-integrale Bauwerke


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Steuerung der Pfeilersteifigkeit:

• Pfeilergeometrie • Ausbildung kurzer Pfeiler als Doppelpfeiler aus 2 Hälften • Zustand I / Zustand II • E-Moduli • Betongelenke • Gründung (vertikale Pfahlreihe)

Einflussparameter


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Gliederung


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Mitglieder der adhoc-AG

„integrale Bauweise im Brückenbau“

• BMVBS • HE • BY • SN • BW • DEGES (Obmann)

adhoc-AG integrale Bauwerke


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Ziel der AG Richtlinie Integrale Bauwerke als Entwurfshilfe (Bestandteil der RE-ING) Hilfestellung bei der Bewertung von Nebenangeboten. AG hat insgesamt 19 mal getagt.

- Erste Sitzung 14.10.2008 - letzte Sitzung 16.05.2012 (Abarbeitung der Stellungnahmen und Einsprüche)

- 1. Entwurf der RiLi liegt seit April 2011 vor - Bund- Länderabfrage sowie Abfrage Hochschulen, Verbände, Gremien, Ing.-Büros

ist in 2011 erfolgt - Ca. 250 Stellungnahmen / Einsprüche

Sachstand:

- Abarbeiten der Stellungnahmen und Einsprüche abgeschlossen - Derzeit redaktionelle Überarbeitung - Anpassung an die Eurocodes - Einführen als Teil der RE-ING - Zielstellung bis Herbst 2013



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Grundlagen und Vorgehensweise: Nationale und internationale Literaturrecherche:

- USA, GB, nordische Länder (Norwegen etc.) forcieren integrale Bauweise, z.T. Regelbauweise, z.T. liegen eigene Richtlinien vor

- Nachbarländer Schweiz, Österreich: intensive Beschäftigung mit integraler Bauweise

Gedankenaustausch mit Nachbarländern - Erfahrungsbericht und Richtlinie Schweiz (Brückenende) - Erfahrungsbericht Österreich, Entwurf Richtlinie liegt seit Anf. 2012 vor - Gedankenaustausch mit Österreich

Gedankenaustausch mit Ingenieurbüros - Heft 50-2004 Fugenloses Bauen, Hess. SBV - KHP, Prof. Pötzl, Prof. Graubner, Prof. Vogt, LAP, Büchting und Streit,

SSF, Igl, Putz + Partner, Kaufmann, Schweiz, Geier u. Schimetta, Österreich

- Erfahrungen DB AG - INTAB+ Seminar 5. Mai 2010 in München

Auswertung von integralen Bauwerken: - Vergleichsberechnungen an Einfeldrahmen und Mehrfeldrahmen - Abfrage Erfahrungen mit Schleppplatten - Überwiegend positive Erfahrungen - Keine systemrelevanten Schäden bekannt



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RiLi Schweiz RiLi Österreich


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Gliederung


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Richtlinie integrale Bauwerke


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4. Einfeldrige Rahmenbauwerke

4.1 Schwierigkeitsklassen - gültig für symmetrische Rahmen - Schiefen 80 – 100 gon - bei Schiefen < 80 gon, - unsymmetrische Längsschnitte - steife Gründungen / Widerlager Abstufung der Grenzwerte um 5 m bzw. Einstufung in nächst höhere Schwierigkeitsklasse. 4.2 Anforderungen an die Bearbeitungstiefe in Planung und Bauausführung gemäß Tabelle 4.2.1 4.3 Konstruktive Hinweise 15.05.2013 VSVI Mecklenburg-Vorpommern - Brückenbautag 21. Februar 2013


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5.2 Semi-integrale Mehrfeldrahmen



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6. Übergang Bauwerk - Hinterfüllung



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6.2 Ausbildung von Schleppplatten



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Typ I

Typ II



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Typ III



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Gliederung


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überschüttete Bauwerke

ausgeführte integrale Bauwerke


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Kleine Einfeldrahmen



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Stahlbetonrahmen



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integrale Stahlverbundbrücken

VFT-WIB®



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Integrale Spannbetonbrücken



60 60


Rollbrücke Ost Flughafen Frankfurt

Fraport AG

Fraport AG

Fraport AG


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Schrägstielrahmen

ausgeführte semi-integrale Bauwerke


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Bogenbrücken



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Talbrücken

Integraler Teil = 414 m

Kochertalbrücke



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Talbrücke Zahme Gera

Integraler Teil = 290 m



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Ortsumfahrung Marienberg – Talbrücke Reiterberg 18,15 – 4 x 25,0 – 18,15 , L = 136,50 m Höhe über Gelände ca. 12 m



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Heerstraßenbrücke Stahl-Verbund 23,6-26,7-34,0-34,7-27,0 Stuttgart Y- Stützen (= 146 m)

Korntal- Rohr- Fachwerk 22.8-32.2-41.4x4-28.35-28.35-22.7Münchingen Stahl- Verbund (= 300 m)



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Quelle: wikipedia.de

Scherkondetalbrücke L = 572 m, semi-integral

Integraler Teil: 452 m Achsen 11 -13 gelagert

Festpunkt



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Gliederung


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integrale und semi-integrale Bauwerke • erleben eine Renaissance, • Weltweit im Vormarsch • bieten insbesondere Vorteile in der Unterhaltung,

bei integralen Bauwerken weder Lager noch UKO´s

Integrale Bauwerke • Grenzwerte werden bestimmt durch die

Beherrschung der Zwangsbeanspruchungen Beherrschung der Verformungen am Bauwerksende

semi-integrale Bauwerke • i.d.R. ausschlaggebend max. zulässige Verformung

Bewegungsnullpunkt – entferntesten monolithischen Verbindung • Anwendungsbereich ist steuerbar über diverse Einflussparameter:

Pfeilerhöhe, Pfeilerquerschnitt, Gründungsart, Bauweise, Vorverformungen, Baustoffe, Bauwerksgeometrie, Herstellverfahren

Zusammenfassung und Ausblick


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Integrale Bauwerke • Ausführung bis ca. 50 m ist Stand der Technik

In allen Bauweisen (Stahlverbund, Stahlbeton, Spannbeton) In allen Gründungsarten, unterschiedliche Schiefen

• Wenig Erfahrung bei Stützweiten zwischen 50 m und 100 m • Problembereich: Übergang Widerlager – Hinterfüllung: hier fehlen Langzeiterfahrungen • Forschungs- und Optimierungsbedarf (Konstruktion Schleppplatten)

semi-integrale Bauwerke • Bei optimaler Ausnutzung der Einflussparameter sind sehr

große Längen möglich • Das Bauverfahren, die Bauwerksgeometrie und die gezielte Steuerung der Einflussparameter eröffnen weitere Spielräume.

Fehler in Planung und Bauausführung sind (meist) irreversibel !

Hoher Ingenieurverstand ist wichtiger denn je !

Zusammenfassung und Ausblick


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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !


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