Der Neubau des Schiffshebewerkes Niederfinow – der Planungsprozess und technische Aspekte Dipl.-Ing. Peter Huth - Wasserstraßen-Neubauamt Berlin Herr Dr.-Ing. Hans-Gerd Lindlar - Krebs und Kiefer, Beratende Ingenieure für das Bauwesen GmbH Zusammenfassung In Niederfinow soll neben dem bestehenden ein zweites Schiffshebewerk errichtet werden. Nach umfangreichen Voruntersuchungen entschied sich die Wasser- und Schifffahrtsverwaltung für ein Senkrechthebewerk mit Gegengewichtsausgleich. Ein Tragwerk, bestehend aus Stahlbeton-türmen, -stützen und Seilrollenträgern, die in einer gemeinsamen Trogwanne gegründet werden, leitet die Lasten des wassergefüllten Troges (9 000 t) über Seilrollenträger in den Untergrund ab. Der an Seilen durch Gegengewichte im Gleichgewicht gehaltene Trog erhält eine nutzbare Län-ge von 115 m, eine nutzbare Breite von 12,5 m und lässt eine Wassertiefe von 4,0 m zu. Die Ver-tikalbewegungen des Troges erfolgen mittels Zahnstangenantrieb. Ein Sicherungssystem aus Mutterbackensäulen und Drehriegeln gewährleistet ein sicheres Absetzen des Troges in Havarie-fällen. Der Planfeststellungsbeschluss zum Bau erging am 04.01.2005 und der Ausführungsent-wurf für das Hebewerk wurde am 03.01.2006 genehmigt.

Bild 1: Übersicht

Am 16.05.2008 wurde die Arge Neues Schiffshebewerk Niederfinow bestehend aus den Firmen Bilfinger Berger Ingenieurbau GmbH, DSD Brückenbau GmbH, Johann Bunte Bauunterneh-mung GmbH & Co. KG und Siemag M-Tec² GmbH mit dem Neubau des Schiffshebewerkes beauftragt. Im Sommer 2008 nahm die ARGE die Arbeiten auf. Mit einer Inbetriebnahme des Hebewerkes wird 2014 gerechnet.

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1. Veranlassung und Voruntersuchung 1.1 Grundlagen Das am Oder-Havel-Kanal in Niederfinow befindliche und 1934 in Betrieb genommene Hebe-werk hat aufgrund seiner soliden Konstruktion in 72 Betriebsjahren insgesamt nur 60 unplanmä-ßige Stillstandstage aufzuweisen. Die Garantie einer ständigen Betriebsbereitschaft erfordert allerdings einen hohen Unterhaltungsaufwand und zunehmend umfangreiche Instandsetzungsar-beiten. Die Abmessungen des vorhandenen Troges (85,0 m x 12,0 m x 2,5 m) schränken den Schiffs-verkehr mit der heutigen Flotte erheblich ein. Darüber hinaus kann sich ein wirtschaftlicher Con-tainerverkehr aufgrund der zulässigen Durchfahrtshöhe von 4,10 m nicht entwickeln Diese Um-stände führten dazu, in Niederfinow ein neues Abstiegsbauwerk für die Havel-Oder-Wasserstraße (HOW) zu planen und zu errichten. Am Ende dieser Vorarbeiten stand folgendes bauliche Konzept: - Das Tragwerk verläuft über die gesamte Länge des Troges. - Die durch Druck belasteten Tragglieder werden aus Beton ausgebildet, die durch Biegung

belasteten aus Stahl. - Die Seile, die den Trog mit den Gegengewichten verbinden, werden direkt an den Trog ange-

schlagen. - Der Trog wird, analog dem vorhandenen Hebewerk, durch das System Drehriegel/Mutter-

backensäule gesichert. Weitere Grundlagen sind zum XXXI. PIANC-Kongressin Estoril Mai 2006 veröffentlicht. 2. Technische Lösung 2.1 Beschreibung der Gesamtanlage Die Anlage des unmittelbar am Fuß des 36 m hohen Geländesprunges gelegenen neuen Hebe-werkes gliedert sich in - das Schiffshebewerk mit Tragwerk, Trog mit Gegengewichten, Trogsicherungssystem, Trog-

wanne und unterem Haltungsabschluss - die Kanalbrücke mit Widerlager, Sicherheitstor und oberem Haltungsabschluss - den oberen Vorhafen, der aus der Scheitelhaltung der Havel-Oder-Wasserstraße abzweigt und

den unteren Vorhafen der in die Oderhaltung der Havel-Oder-Wasserstraße mündet Die Hauptabmessungen zeigt Tabelle 1, einen Längsschnitt Bild 2.

Höhe Breite Länge Hebewerk 55,0 m 32,4 m 46,7 m 2) 154,0 m Trog 7,5 m 18,3 m 27,5 m 2) 125,5 m Trogwanne (außen) 11,0 m 1) 36,5 m 48,4 m 2) 133,2 m Kanalbrücke 8,2 m 21,7 m 28,2 m 2) 65,5 m Oberer Vorhafen 46,5 m 990,0 m 4)

Unterer Vorhafen 46,5 m – 90,0 m 5) 800,0 m 4)

1) Tiefe bis OK Trogwannensohle 2) im Bereich der Pylone/Antriebshäuser 3) westliches Auflager, ohne seitliche Aufweitung für Besucherstege 4) Länge Wartestellen für die Berufsschifffahrt 5) Aufweitung aufgrund der Kurvenlage Tabelle 1: Hauptabmessungen

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2.2 Entwurfsgrundsätze und Lastfälle Vor Beginn der Planung wurden Entwurfsgrundsätze aufgestellt, aus denen sich alle Lastfälle und sonstigen Planungsgrundlagen ableiten lassen. Die wichtigsten Entwurfsgrundsätze sind: 2.2.1 Wasserstände Wasserstände in der oberen Haltung (Scheitelhaltung HOW) BWo + dyn z = NN + 37,60 m BWo = NN + 37,55 m

Bild 2: Längsschnitt Normalstau = NN +37,25 m BWu = NN +37,05 m BWu - dyn z = NN +36,95 m Wasserstände in der unteren Haltung (HOW, Oderhaltung) BWo + dyn z = NN + 1,85 m BWo = NN + 1,85 m BWu = NN + 1,20 m BWu - dyn z = NN + 1,20 m 2.2.2 Betriebszeit Für das Hebewerk ist eine Nutzungsdauer von 80 Jahren, 310 Betriebstage pro Jahr, 16 Stunden pro Tag und 0,5 Stunden Kreuzungsschleusungsdauer anzusetzen. 2.2.3 Bemessungsgrundlagen Charakteristische Werte der Einwirkungen Es gelten die Werte nach DIN 19704-1, Pkt. 5 mit nachfolgenden Ergänzungen: - hydrostatischer Bemessungswasserstand unter Berücksichtigung von Windstau und Schwall =

BWo + dyn z

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- hydrodynamische Einwirkung aus der Schiffsbewegung = ± 0,11 m (Zuschlag zum hydrosta-tischen Bemessungswasserstand)

- Eisdruck (Seitenwände) Flächenlast = 150 kN/m² (in Höhe BWo) Eisdicke = 0,30 m - Flächenlast = 150 kN/m² (in Höhe BWo) - Eisdicke = 0,30 m - Anheben der Lager

Anheben einer Lagerachse mit hydraulisch gekoppelten Pressen unter Eigengewicht und 0,20 m Wasserfüllung

- Windlast Die Einwirkungen sind nach Windgutachten mit einem Staudruck von qK= 0,4 N/m² quer und qK = 1,3 kN/m² längs zur Brücke mit einem aerodynamischen Kraftbeiwert von 2,1 zu be-rücksichtigen. Höhe des Verkehrsbandes 4 m über BWo

- Gesunkenes Schiff In wassergefüllter Kanalbrücke ( Wasserstand auf BWo)

Belastung des Brückenbodens pS = 26kN/m2 Belastungsbreite B2 = 11,4kN/m² Belastungslänge LS = 110 m Anordnung in Querrichtung in jeweils ungünstigster Lage für das jeweilige Bauteil

In entleerter Kanalbrücke Belastung des Brückenbodens pS = 30kN/m² sonst wie vor

2.2.4. Einwirkungskombinationen In Anlehnung an DIN 19704-1 wurden Grundkombinationen und außergewöhnliche Kombina-tionen mit den Einwirkungen und den Beiwerten nach Tabelle 2 betrachtet.

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Tabelle 2: Einwirkungen, Grundkombinationen und außergewöhnliche Kombinationen 3. Das Schiffshebewerk 3.1 Tragkonstruktion Das Tragwerk leitet die Lasten aus Trog und Gegengewichten über die Seilrollen auf die Seilrol-lenträger und von dort je Seite über zwei Pylone und sechs Seilrollenträgerstützen über die Trogwanne in den Baugrund ab. Das Tragwerksprinzip ist im Bild 3 dargestellt.

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Bild 3: Tragwerksprinzip Die Trogwanne ist ein Halbrahmen, der flach auf der Unterwasserbetonsohle der Baugrube ge-gründet ist. Die Tragwerksseiten sind oben ohne statisch wirksame Verbindung. Seilrollenträger, Seilrollenträgerstützen, Pylone und Trogwanne sind biegesteif miteinander verbunden. Sie bilden zusammen als Gesamtsystem einen Halbrahmen mit stark aufgelösten Schenkeln unterschiedli-cher Steifigkeit. Im Osten geht die Trogwanne in den unteren Haltungsabschluss über. Auf dem Tragwerk aufgelagert sind: Das östliche Auflager der Kanalbrücke, die Seilrollenhalle, der Bedienstand, die Besucherbrücken zwischen Kanalbrücke und westlichen Pylonen, die Besu-cherbrücken zwischen den Pylonen sowie die Fachwerkträger zwischen den Pylonen. Für die Auflagerung der Kanalbrücke sind die westlichsten Seilrollenträgerstützen durch einen Betonrie-gel miteinander verbunden. Für die auf Biegung beanspruchten Seilrollenträger und den Trog wird Stahl der Güte S355 und für die vorwiegend auf Druck belasteten Pylone und Stützen sowie die in den Baugrund einge-bundene Trogwanne wird Beton der Güte C35/45 vorgesehen. Um eine ansehnliche Betonober-fläche zu erhalten, werden Schalungsmusterpläne erstellt, in denen das Schalungsmaterial ein-schließlich Einteilung und Konen sowie Arbeitsfugen festgelegt wird. 3.1.1 Seilrollenträger Die beiden Seilrollenträger verlaufen längs des Hebewerkes über Pylone und Seilrollenträger-stützen. Sie nehmen die Lasten aus Seilrollen, Seilrollenhalle, Besucherumgängen, Besucherbrü-cken und Bedienstand auf. Ihre Länge über alles beträgt 131,2 m, ihre Höhe 2,0 m und ihre Breite 7,2 m. Sie werden als Hohlkästen aus bis zu 40 mm dicken Blechen gefertigt. Auf dem jedem Seilrollenträger stehen außer über den Pylonen in Böcken gelagert die Doppelseilrollen. Die über die Seilrollen laufen-den 256 Gegengewichtsseile werden durch Öffnungen von d = 520mm durch den Seilrollenträ-ger geführt. 3.1.2 Seilrollenhallen Zwei Seilrollenhallen schützen die Seilrollen vor der Witterung. Sie sind 131,2 m lang, bis 9 m hoch und auf der Grundfläche rund 8 m breit. Mit nach innen auskragendem Vordach über den Besucherumgängen beträgt ihre Dachbreite 10,60 m. Den Querschnitt zeigt Bild 4. In Längsrichtung gliedert sich jede Seilrollenhalle in fünf Abschnitte. In den Äußeren und im Mittleren stehen die Seilrollen. In den Abschnitten über den Pylonen queren die Besucherwege und Fluchtwege zu den außen in den Pylonen liegenden Treppen und Fahrstühlen. Der Abschnitt

Seilrollen

Tragwerk

- Seilrollenträger

- Pylone

- Stützen

Trog

Gegenge- wichte

Trogwanne

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über den östlichen Pylonen hat ein weiteres Geschoss, durch welches der Bedienstand erreicht wird und in dem Betriebsräume untergebracht sind. Die äußere Form Seilrollenhallen mit 14° nach innen geneigten Pultdächern, 3° nach außen ge-neigten Außenwänden, Dachdeckung und Fassadenverkleidung mit Profilblechtafeln aus Alumi-nium sowie Verglasungen der Stirnseiten und der Innenwände, sind ein Ergebnis der architekto-nischen Gestaltung. Um die Seilrollen auswechseln zu können, sind die Dachpfetten und -deckung komplett demon-tierbar.

Bild 4: Querschnitt Seilrollenhalle 3.1.3 Trogwanne Die Trogwanne wird als wasserdichte Wanne mit einer 2,4m dicken Sohle und Seitenwänden mit Dicken von 1,5m oben und einer Dicke von bis zu 3,0m unten aus Beton hergestellt. Im Bereich der Pylone ist die Trogwanne rund 8 m breiter als zwischen den Pylonen. Zur Entwässerung wird ihre Oberfläche im Erstbeton mit einem Quergefälle von 1 % zur Hebewerkslängsachse ausge-führt. Um nachteilige Einflüsse auf das vorhandene Hebewerk zu vermeiden, wird die Trogwanne in einer gegen das Grundwasser dichten Baugrube errichtet. Hierfür wird eine gemischte Spund-wand mit 1000er Doppel-T-Trägern und einer Ausfachung aus Doppelbohlen bis über 22 m in den Untergrund eingetrieben und verankert. Als Auftriebssicherung werden unter Wasser Sohl-anker mit einem Rasterabstand von 2,5 m von der rund 15 m unter Gelände liegenden Baugru-

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bensohle 17,5 m tief in die Sohle gebohrt. Anschließend wird eine 1,2 m starke Unterwasserbe-tonschicht aufgebracht. Der Verbau wird für die Schalung der Trogwanne als Lehnwand genutzt und erhält eine ausgleichende Schalung, um eine gleichmäßige Wanddicke des Konstruktionsbe-tons zu erhalten. 3.2 Trog Der Hebewerkstrog ist eine selbsttragende Konstruktion. Den tragenden Trogquerschnitt bilden die Betriebswege, die Trogseitenwände und der Trogboden. Querträger und Längsrippen steifen den Querschnitt aus, wie in Bild 5dargestellt. Die Querträger sind an beiden Enden mit Längs-trägern verbunden, an denen die Gegengewichtsseile befestigt sind. Die im Bereich der Trogvier-tel liegenden verstärkten Querträger übertragen die Ungleichgewichtslasten über die Trogsiche-rung in das Tragwerk. In diesem Bereich sind seitlich des Troges die in den Pylonen laufenden Antriebe angeordnet. Zum Schutz der Antriebe werden Maschinenhäuser errichtet. Aus der festgelegten Nutzung ergeben sich eine Troglänge über alles von 125,5 m, eine Breite von 18,3 m im Bereich der Gegengewichte sowie eine von 27,9 m im Bereich der Antriebshäu-ser und eine konstruktive Höhe von 6,3 m im Bereich der Gegengewichte. Im Bereich der Trog-sicherung erhalten die Querträger eine Höhe von 2,5 m, damit ergibt sich dort eine Konstrukti-onshöhe von 7,5 m. Die seitlichen Betriebswege an der Oberkante der Trogseiten sind 2,0 m, im Bereich der Stoßschutzanlage 0,6 m und auf der Höhe der Trogsohle 1,1 m breit. Der Trog wird in Quer- und Längsrichtung während der Fahrt so geführt, dass er abstandsgleich zwischen Querführungen fährt. Bei der Ein- und Ausfahrt erzeugen die Schiffe Wasserspiegelschwankungen. Um die daraus für die Antriebe folgenden Belastungen zu reduzieren wird der Trog in den Anlegestellungen durch eine Troghaltevorrichtung gehalten. Die Verriegelung ist für ein Trogungleichgewicht entspre-chend einer Wasserlamelle von 25 cm bemessen. Vorgesehen ist eine am Trog befestigte Klin-kenkonstruktion, welche mit einem verfahrbaren Gegenstück (Riegelbarren) verriegelt werden kann. Um bei einem größeren Ungleichgewicht die Verriegelung vor Beschädigung zu schützen, weicht die Trogverriegelung der Überlastung aus, was gleichzeitig zu einer Trogbewegung führt. Die Drehriegel setzen dann auf den Mutterbackensäulen auf. Drehsegmenttore verschließen den Trog. Sie werden in der Öffnungsstellung in Bodennischen und in der Revisionsstellung nach oben aus dem Wasser gedreht. über dem Trogboden; Zwei Elektrohubzylinder mit je 650 kN Antriebskraft bewegen die Tore. Eine Seil-Stoßschutzanlage schützt die Tore gegen Schiffsstoß.

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Bild 5: Trogquerschnitt 3.3 Trogsicherung Die Trogsicherung verhindert eine Überlastung des Ritzels und der Bremsen des Antriebs durch ein sicheres Absetzen des Troges über vier Drehriegel in vier Mutterbackensäulen. Diese Be-triebssituation wird als Havariefall bezeichnet. Sie tritt bei Entleeren oder Überfüllen des Trogs auf. Für Inspektions- und Reparaturarbeiten am Trog wird dieser auch planmäßig etwa einmal pro Jahr entleert. Die Mutterbackensäulen sind 41,6 m lange, geschlitzte, im Pylon verankerte Innengewinde, wel-che sich aus mehreren Teilstücken zusammensetzen. Die über Pendelstützen mit dem Trog ver-bunden Drehriegel haben 4 Gewindegänge, eine Höhe von 3 m und einen Außendurchmesser von 1,08 m. Jeder wiegt rund 10 t. Die vier Achsen der Mutterbackensäulen haben untereinan-der, quer zum Trog einen Abstand von 30 m und längs einen von 69,85 m. Im normalen Betrieb dreht der Trogantrieb über ein angekoppeltes Wellensystem die Drehriegel frei durch. Die am Ritzel auftretende Kraft entspricht bis zum Aufsetzen der Mutterbacke unter Berücksichtigung der Hebelverhältnisse der äußeren Kraft am Federtopf. Unter Berücksich-tigung von Reib-, Massen- und Windkräften und einer Wasserlamelle im Trog von unter 0,08 m ist die über am Federtopf anliegende Kraft kleiner 200 kN. Die Vorspannung der Federn ist so gewählt, dass erst bei Überschreitung einer Kraft von 200 kN die Einfederung des Ritzels beginnt. Mit Beginn der Einfederung an einem Federtopf werden die 4 Trogantriebe gestoppt. Die Kraft am Ritzel steigt dann entsprechend der Feder-kennlinie an. Bei einem Wert von 990 kN am Ritzel setzt der Drehriegel in der Mutterbacken-säule auf und übernimmt die Differenzlasten bis die maximale Ungleichgewichtslast aufgebracht wurde und damit am Ritzel 1090 kN anliegen. Die auf das Ritzel wirkende Kraft wird kontinu-ierlich sowohl in Ruhestellung als auch während der Trogfahrt gemessen.

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Bei Überschreiten der maximalen Betriebsritzelkraft wird der Antrieb abgeschaltet, und das Rit-zel federt ein. 4. Kanalbrücke

Bild 6: Kanalbrücke Die 65,5 m lange Kanalbrücke verbindet das Hebewerk mit dem Oberen Vorhafen. Sie erhält wie der Hebwerkstrog eine nutzbare Wasserspiegelbreite von 12,5 m. Bild 6, 7 und 8 zeigen ver-schiedene Ansichten der Kanalbrücke. Zum Hebwerk hin wird sie, wie der Hebewerkstrog, durch ein Drehsegmenttor verschlossen, welches durch eine Seilstoßschutzanlage geschützt wird. Das Tor bildet somit das östliche Ende der Scheitelhaltung. Im östlichen Kopfbereich der Kanalbrücke wird neben den Antrieben für das Tor die Spaltentleerungs- und Revesieranlage untergebracht. Rechts und links erhält die Kanalbrücke Seitenwege, die mit Unterhaltungsfahrzeugen befahren werden können. So ist es möglich die schweren Schieber der Trogentleerungsanlage mit einem Autokran durch Öffnungen aus der Kanalbrücke zu heben und zu Reparaturzwecken abzufahren. Die Brücke wird, wie heute bei Autobahnbrücken üblich, von den Seitenwegen aus mit Spezial-fahrzeugen besichtigt, die unter die Kanalbrücke reichen. Das 25 m lange und bis zu 31,5 m breite, westliche Widerlager nimmt neben der Kanalbrücke das Sicherheitstor mit seinen Torantriebshäusern auf. Das Tor wird zum planmäßigen Trocken-legen der Kanalbrücke geschlossen oder wenn im Havariefall ein Auslaufen der Scheitelhaltung über die Kanalbrücke oder das Hebwerk droht. In die Sohle des Widerlagers ist eine Trossen-fanggrube mit einem Volumen von 75 m³ integriert. Damit das Widerlager bei geschlossenem Haltungstor und entleertem Spalt die horizontalen Lasten aus der Kanalbrücke zuverlässig in den Baugrund einleitet, wird es auf Bohrpfählen gegründet, die in den festen Geschiebemergel ein-binden. Die 28 Pfähle mit einem Durchmesser von 1,2 m werden dementsprechend 24 m bis 30 m lang.

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Oberwasserseitig schließen die Tondichtung des oberen Vorhafens und die Sicherheitsspund-wand mit Kontrollgang an das Widerlager an. Der Anschluss der Kanaldichtung wird durch ei-nen drei Meter starken Tonkeil ausgeführt. Aus einem Kontrollgang, welcher östlich unter dem Widerlager den Kanal quert, kann der dichte Anschluss der Sicherheitsspundwand an das Wider-lager beobachtet werden. Bild 7: Querschnitt Kanalbrücke Bild 8: Drehsegmenttore Kanalbrücke/Trog 5. Projektbeteiligte und Ausblick Als vorbereitende Maßnahmen fanden 2005 Leitungsumverlegungen und die Verlagerung von Teilen des Bauhofes Niederfinow statt. Im März 2006 erfolgte die Ausschreibung notwendiger Abbrucharbeiten. Parallel dazu wurden die Verdingungsunterlagen für den Bau des Schiffshe-bewerkes hergestellt und die Vergabe vorbereitet.

Segmenttore

Kanalbrücke Trog

Quelle: HPI

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Am 16.05.2008 wurde die Arge Neues Schiffshebewerk Niederfinow, bestehend aus den Firmen Bilfinger Berger Ingenieurbau GmbH, DSD Brückenbau GmbH, Johann Bunte Bauunterneh-mung GmbH & Co. KG und Siemag M-TEC2 GmbH mit dem Neubau des Schiffshebewerkes beauftragt. Im Sommer 2008 nahm die Arge die Arbeiten auf. Die wichtigsten Projektbeteiligten sind nachfolgender Tabelle zu entnehmen. Funktion Name Bauherr Wasserstraßen-Neubauamt Berlin Variantenstudie Krebs und Kiefer

SBE Magdeburg Germanischer Lloyd

Entwurfsplanung Lahmeyer International/Hydroprojekt mit Ingenieurbüro Rapsch und Schubert, Werner Sobek Ingenieure, DriveCon

Bautechnische Prüfung Prüfgemeinschaft Niederfinow bestehend aus Krebs und Kiefer, Germanischer Lloyd, SBE Magdeburg

Beratung des Bauherren, Baugrund und Gestaltung

Bundesanstalt für Wasserbau (BAW)

Bauausführung Bilfinger Berger Ingenieurbau GmbH, DSD Brückenbau GmbH, Johann Bunte Bauunternehmung GmbH & Co. KG Siemag M-Tec2 GmbH

Tabelle 3: Projektbeteiligte Einen störungsfreien Bauablauf vorausgesetzt, kann eine Inbetriebnahme des neuen Schiffshe-bewerkes Niederfinow im Jahr 2014 erfolgen. Bis dahin werden ca. 53.700 m3 Beton, 8900 t Betonstahl, 6000 t Stahl verbaut sein. Insgesamt wurden dann ca. 396.000 m³ Bodenmassen be-wegt. Die Baukosten werden auf ca. 285 Mio. € abgeschätzt.

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Bild 9: Baustelle im August 2010