Brückenkolloquium
kbr
2510-7895
expert verlag Tübingen
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2020
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Instandsetzung und Ertüchtigung von großen Hängebrücken
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2020
Bastian Kratzke
Was Instandsetzung und Ertüchtigung angeht stellen große Hängebrücken wie die Rheinbrücke Köln-Mülheim (Eröffnung 1951, Länge 485 m, maximale Spannweite 315 m, erste Brücke weltweit mit orthotropem Deck) oder die Rheinbrücke Emmerich (Eröffnung 1965, Länge 803 m, maximale Spannweite 500 m, Brücke mit längster Spannweite in Deutschland) den Ingenieur vor besondere Herausforderungen.
Der Umgang mit diesen nicht alltäglichen Instandsetzungs- und Verstärkungsmaßnahmen ist Thema dieses Vortrags.
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4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 421 Instandsetzung und Ertüchtigung von großen Hängebrücken Bastian Kratzke Leonhardt, Andrä und Partner Beratende Ingenieure VBI AG, Stuttgart Zusammenfassung Was Instandsetzung und Ertüchtigung angeht stellen große Hängebrücken wie die Rheinbrücke Köln-Mülheim (Eröffnung 1951, Länge 485 m, maximale Spannweite 315 m, erste Brücke weltweit mit orthotropem Deck) oder die Rheinbrücke Emmerich (Eröffnung 1965, Länge 803 m, maximale Spannweite 500 m, Brücke mit längster Spannweite in Deutschland) den Ingenieur vor besondere Herausforderungen. Der Umgang mit diesen nicht alltäglichen Instandsetzungs- und Verstärkungsmaßnahmen ist Thema dieses Vortrags. 1. Einleitung Großbrücken sind oft nicht nur reine Infrastrukturbauwerke, sondern prägen unseren Lebensraum derart, dass sie oft als „Landmark“ - als Sehenswürdigkeit - wahrgenommen werden, mit denen sich Städte oder ganze Länder identifizieren. So kann man sich heutzutage San Francisco ohne die Golden-Gate Bridge, New York ohne Brooklyn und Manhattan Bridge oder Sydney ohne die Harbour Bridge kaum noch vorstellen. Und wenngleich der globale Bekanntheitsgrad unserer Großbrücken an Rhein und Elbe vielleicht geringer ist, so lässt sich dies durchaus genau so auch auf unsere Großbrücken übertragen. Anders als bei vielen kleineren Infrastrukturbauwerken ist daher hier oft die Erhaltung - und damit verbunden eine Instandsetzung und/ oder Ertüchtigung - die Vorzugsvariante, auch, wenn es sich hier nicht immer um die wirtschaftlich günstigste Variante handelt. Filigrane Hängebrücken, bis in die 1960er Jahre oft der einzig wirtschaftliche Brückentyp um Spannweiten von 300 m und mehr zu realisieren, sind mittlerweile Exoten im Großbrückenbau, die von Schrägkabelbrücken weitestgehend abgelöst wurden. Aufgrund Ihrer Konstruktionsweise stellen sie besondere Herausforderungen an alle Beteiligten, was die Instandsetzung und Ertüchtigung angeht. So sind Korrosionsschutz und Austauschbarkeit von Tragkabel und Hängern, Umgang mit Ermüdungsschäden an einem orhtotropen Deck und auch eine hohe Empfindlichkeit auf Veränderungen beim Eigengewicht Problemstellungen, die einem bei Spannbeton- und Verbundbrücken nicht begegnen. Aufgrund der geringen Grundgesamtheit an Hängebrücken ist oft auch eine viel individuellere Betrachtung erforderlich, bereits vielfach erprobte „Patentlösungen“ gibt es üblicherweise nicht. In den folgenden Kapiteln wird daher auf die gesammelten Erfahrungen bei der Instandsetzungs- und Ertüchtigungsplanung der Rheinbrücken Köln-Mülheim und Emmerich eingegangen und es werden die hier erarbeiteten, individuellen Lösungen vorgestellt. 2. Rheinbrücke Köln-Mülheim 2.1 Allgemeines Abbildung 1: Mülheimer Brücke, Strombrücke, 2017 © Bastian Kratzke Der Brückenzug „Mülheimer Brücke“ überführt den Rhein und verbindet die Kölner Stadtteile Mülheim und Riehl. Der gesamte Brückenzug besitzt eine Länge von ca. 1054 m und besteht aus den vier Teilbauwerken Deichbrücke, Flutbrücke, Strombrücke und Rechtsrheinische Rampe. In diesem Beitrag wird in erster Linie auf die Strombrücke, eine erdverankerte Hängebrücke mit 485 m Länge und 315 m Hauptspannweite, eingegangen. Es handelt sich hierbei auch um die erste Großbrücke, bei der ein orthotropes Fahrbahndeck verwendet wurde. Eine weitere Besonderheit ist bei diesem Bauwerk die Belastung aus einer Kombination aus Straßenbahn- und MIV-Verkehr. 422 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Instandsetzung und Ertüchtigung von großen Hängebrücken Für den Mülheimer Brückenzug war zunächst nur eine grundhafte Instandsetzung angedacht, doch aus der Nachrechnung und den hier festgestellten rechnerischen Defiziten hat sich ergeben, dass eine umfängliche Ertüchtigung der Strombrücke sowie teilweise ein Ersatzneubau der Vorlandbrücken erforderlich ist, um den Anforderungen an das Verkehrslastmodell LM1 zu genügen. 2.2 Nachrechnung Es wurde eine umfangreiche Nachrechnung nach Nachrechnungsrichtlinie [7] durchgeführt, es wird hier jedoch nur auf die Ermüdungsnachweise eingegangen. Die Auswertung der einzelnen Kerbdetails hat an mehreren Bauteilen Defizite aufgezeigt. Der Untergurt des Versteifungsträgers, der aus mit Nieten verbundenen Blechen besteht, hat sich als kritischster Punkt herausgestellt. Abbildung 2: Schadenssumme für das Detail genieteter Untergurt Die akkumulierte Schadenssumme für den genieteten Untergurt des Versteifungsträgers betrug D = 7,0. Dieses Ergebnis hätte bedeutet, dass rein rechnerisch ein Ersatzneubau erforderlich ist. 2.3 Dynamische Messungen Abbildung 3: Übersicht Dehnmessstreifen am Bauwerk Wären die rechnerischen, sehr hohen Schädigungen für das reale Bauwerk repräsentativ, so müsste sich dies auch durch tatsächliche Schäden am Bauwerk äußern. Aus den Brückenprüfungen war jedoch bekannt, dass solche Schäden bisher nicht aufgetreten sind. So wurde in enger Abstimmung mit dem Bauherrn entschieden, neue Wege zu gehen, und auf Basis von dynamischen Messungen ein bauwerksspezifisches, realitätsnahes Ermüdungslastmodell zu erarbeiten. Dieses Vorgehen entspricht Stufe 3 der Nachrechnungsrichtlinie [7]. Hierzu wurden über die Brücke verteilt insgesamt 48 Dehnmessstreifen (DMS) an den Versteifungsträgern, Querträgern, Längsrippen sowie den Hängern angebracht (Abbildung 3). Zusätzlich wurden auf einem der Pylonriegel zwei Kameras installiert, mit denen es möglich war, die gemessenen Dehnungsbzw. daraus abgeleiteten Spannungsverläufe direkt entsprechenden Fahrzeugtypen zuzuordnen (Abbildung 4). Abbildung 4: Diskrete Zuordnung der Spannungen zu realen Fahrzeugen aus [8] © GMG Das installierte Messsystem konnte ebenfalls für den Abgleich der Rechenmodelle mit dem realen Tragwerk genutzt werden. Hierzu wurden Belastungsversuche unter Sperrung des gesamten Brückenzuges durchgeführt, bei denen eingewogene Fahrzeuge in vorgegebenen Fahrspuren und Kombinationen (aus Straßenbahn und Schwerfahrzeug) über die Brücke gefahren sind. Diese Versuche wurden dann an den Rechenmodellen nachvollzogen und die sich ergebenden Dehnungen verglichen. Hier haben sich insgesamt sehr gute Übereinstimmungen gezeigt. Die eigentlichen Dehnungsmessungen des realen Verkehrs liefen über einen Zeitraum von vier Monaten. Die Auswertung hat dann gezeigt, dass die Annahmen, die für die Auftretenshäufigkeiten von Begegnungsereignissen zunächst getroffen wurden, viel zu konservativ waren. Doch bevor es möglich war, diese Erkenntnis in die Nachweise einfließen zu lassen, musste zunächst ein bauwerksspezifisches Ermüdungslastmodell entwickelt werden. 2.4 Das bauwerksspezifische Ermüdungslastmodell Das bauwerksspezifische Ermüdungslastmodell sollte nicht nur die tatsächlichen ermüdungswirksamen Einwirkungen möglichst realitätsnah - jedoch im Vergleich zu den Messungen auf der sicheren Seite - abbilden, sondern im gleichen Zug auch noch möglichst anwenderfreundlich sein. Es sollte vermieden werden, den Rechenaufwand unnötig zu erhöhen, und damit eine Genau- 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 423 Instandsetzung und Ertüchtigung von großen Hängebrücken igkeit vorzutäuschen, die sich nicht erreichen lässt. Für eine detaillierte Erläuterung sei auf [1] verwiesen. Abbildung 5: Wöhlerlinie für Kerbfall 71 mit Bezugszeitpunkt 2013 Für das bereits angesprochene, maßgebende Kerbdetail des genieteten Untergurts ergibt sich mit dem bauwerksspezifischen Ermüdungslastmodell für den Bezugszeitpunkt 2013 eine Schädigung von D = 0,24 (im Vergleich zu vorher D = 7,0). Zur Veranschaulichung sind die Unterschiede zwischen dem bauwerksspezifischen Ermüdungslastmodell und dem modifizierten Ermüdungslastmodell 4 gemäß NR-RiLi [7] anhand der Wöhlerlinie für diesen Bezugszeitpunkt dargestellt (Abbildung 5). Leicht zu erkennen ergibt sich für das ELM 4 gemäß NR-RiLi bereits für das Ereignis 6 alleine eine Schädigung größer 1,0 (Nvorh > Nzul), wohingegen das gleiche Ereignis bei den angepassten Häufigkeiten auf Basis der Messungen noch weit unter der Wöhlerlinie liegt (Nzul < Nvorh). Durch die angedachte Anhebung des Verkehrslastniveaus von Brückenklasse 60 gemäß DIN 1072 auf LM1 gemäß DIN-Fachbericht waren auch Verstärkungen (z.B. zwei zusätzliche Fachwerklängsträger, siehe [4]) am Bauwerk erforderlich, die die Ermüdungsbeanspruchung in den Versteifungsträger-Untergurten ebenfalls für die Zukunft günstig beeinflussen. So lässt sich nun auch eine angestrebte Restnutzungsdauer von 100 Jahren noch mit einer rechnerischen Schädigung von insgesamt D = 0,64 realisieren. 2.5 Erkenntnisse Wie gezeigt wurde konnten durch die Entwicklung eines bauwerksspezifischen Ermüdungslastmodells die Dauerfestigkeitsnachweise an der Strombrücke mit ausreichender Sicherheit geführt, das Bauwerk erhalten, und ein Ersatzneubau vermieden werden. Die Brückenprüfungen hatten hierbei eine große Bedeutung; sie gaben als erstes Aufschluss darüber, ob bereits Ermüdungsschäden aufgetreten sind und der Aufwand für die dynamischen Messungen und die Entwicklung eines bauwerksspezifischen Ermüdungslastmodells überhaupt gerechtfertigt werden kann. Abbildung 6: Verkehrsbelastung der Mülheimer Brücke im Vergleich zu anderen Brücken aus [8] © GMG Es hat sich auch gezeigt, dass die Mülheimer Brücke aufgrund ihrer besonderen innerstädtischen Lage individuell betrachtet werden muss. Vergleicht man den Schwerverkehrsanteil auf der Mülheimer Brücke mit dem von nahegelegenen Autobahnen (Abbildung 6) wird schnell deutlich, dass die Belastung real viel geringer ist, als nach den zunächst gewählten normativen Ansätzen. 3. Rheinbrücke Emmerich 3.1 Allgemeines Abbildung 7: Rheinbrücke Emmerich © Bastian Kratzke Die „Rheinbrücke Emmerich“ überführt als nördlichste Rheinbrücke Deutschlands den Rhein und verbindet die Städte Emmerich und Kleve im Zuge der Bundesstraße B220. Zusammen mit der Vorlandbrücke und den beiden Verankerungskörpern besitzt der Brückenzug eine Länge von ca. 1235 m. Bei der Strombrücke (Abbildung 7) handelt es sich um eine erdverankerte Hängebrücke mit zwei parallelen Tragkabelebenen, welche von 1962 bis 1965 hergestellt wurde. Mit einer Hauptspannweite von 500 m und zwei Seitenfeldern mit je 151,5 m ergibt sich die Gesamtlänge der Strombrücke zu 803 m. Die Tragkabel sind in zwei Kabelebenen mit einem Abstand von 16,8 m angeordnet und tragen die als Fachwerk ausgebildeten Versteifungsträger (Abbildung 8). 424 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Instandsetzung und Ertüchtigung von großen Hängebrücken Abbildung 8: Regelquerschnitt Rheinbrücke Emmerich 3.2 Nachrechnung Abbildung 9: 2D-Rechenmodell, Rheinbrücke Emmerich Auch bei komplexen Tragwerken wie bspw. einer Hängebrücke ist es oft sinnvoll, zunächst ein einfaches 2D- Modell (Abbildung 9) zu verwenden, dessen Ergebnisse sich leicht mit der Bestandsstatik abgleichen lassen und erst darauf aufbauend kompliziertere 3D-Modelle zu erstellen, falls überhaupt erforderlich. Auch bei diesem Bauwerk kommt dem Bauablauf (bzw. der Seileinstellung) eine besondere Bedeutung zu, da - um eine möglichst gleichmäßige Auslastung des Tragwerks unter Verkehrslasten zu erreichen - beim Bau über die Werkstattform so genannte „Montagemomente“ eingeprägt wurden. Das Abbilden dieser Montagemomente war von essentieller Bedeutung, um realistische Aussagen über das tatsächliche Spannungsniveau treffen zu können. An diesem vereinfachten Modell ergaben sich Spannungsüberschreitungen von bis zu 23% für die Fachwerk-Längsträger, sowohl im Stromals auch in den Seitenfeldern. Zumindest für das Stromfeld lag die Vermutung nahe, dass sich durch die Torsionsverbände (Abbildung 10) eine signifikante Querverteilung ergibt, unter der sich günstigere Ergebnisse erzielen lassen und die Längsträger möglicherweise doch nachgewiesen werden können. Abbildung 10: Rheinbrücke Emmerich, Untersicht mit Torsionsverband im Hauptfeld Daher wurde sich dazu entschieden, ein globales 3D- Modell (Abbildung 11) zu erstellen, in welchem diese Querverteilung durch die Torsionsverbände abgebildet werden kann. Abbildung 11: 3D-Global-Rechenmodell, Rheinbrücke Emmerich Wie zu erwarten war findet in den Seitenfeldern ohne Torsionsverbände nahezu keine Querverteilung statt, die Spannungen in beiden Modellen stimmen hier nahezu überein. Im Strom-feld konnten die Spannungsüberschreitungen jedoch durch diese Betrachtung kompensiert werden (siehe Tabelle 1). Tabelle 1: Spannungsvergleich max σ x 2D-Modell max σ x 3D-Modell Abweichung max M y Seitenfeld 435 N/ mm² 437 N/ mm² ± 0 % max M y Hauptfeld 433 N/ mm² 346 N/ mm² -25 % min M y Pylonbereich -352 N/ mm² -329 N/ mm² -7 % Das orthotrope Deck bestehend aus Querträgern, Längsrippen und Deckblech wurde an verschiedenen lokalen Modellen untersucht. Die Querträger wurden als lokale Einfeldträger-Modelle abgebildet, wobei die biegesteifen Anschlüsse der Querträger an die Versteifungsträger-Obergurte über Drehfedern im Modell berücksichtigt wurden. 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 425 Instandsetzung und Ertüchtigung von großen Hängebrücken Abbildung 12: Verteilung der Anschlusssteifigkeiten der Querträger über die Bauwerkslänge Aus Abbildung 12 ist ersichtlich, dass in Bereichen großer globaler Steifigkeiten bspw. am Widerlager oder am Pylon die Anschlusssteifigkeiten der Querträger ebenfalls sehr groß sind. Ebenfalls der Einfluss der Hänger ist zu erkennen. Am deutlichsten zeigt die Darstellung allerdings den Einfluss des Torsionsverbandes im Stromfeld auf die Anschlusssteifigkeiten der Querträger und man erkennt deutlich die geringere Steifigkeit in den Seitenfeldern. 3.3 Erkenntnisse Am Beispiel der Rheinbrücke Emmerich ist gut zu erkennen, welche Vorteile eine räumliche Modellierung einer Bestandsstruktur haben kann. Der Torsionsverband im Hauptfeld hat einen sehr günstigen Einfluss auf die Lastverteilung zwischen den beiden Versteifungsträgern. Nur durch die räumliche Modellierung konnten diese stillen Tragreserven identifiziert und zusätzliche Verstärkungen vermieden werden. Abbildung 13: Torsionsverband Seitenfelder Den Torsionsverband im Hauptfeld auf die Seitenfelder auszuweiten (Abbildung 13) stellt zudem eine sehr wirtschaftliche Variante zur Verstärkung der Seitenfelder dar. Mit sehr geringem Materialaufwand lässt sich hier eine erhebliche Reduktion der Spannungen erreichen, da die vorhandenen Versteifungsträger besser ausgenutzt werden können. 4. Zusammenfassung Bei großen Hängebrücken sind die bekannten Herangehensweisen aus dem Spannbeton- und Verbundbrückenbau oft nicht zielführend. Sie erfordern - erlauben aber auch - Herangehensweisen, die bei kleineren Bauwerken kaum gerechtfertigt werden können, wie bspw. die Entwicklung eines bauwerksspezifischen Ermüdungslastmodells bei der Rheinbrücke Köln-Mülheim. Ziel muss auch sein, dass etwaige Verstärkungen möglichst geringes zusätzliches Eigengewicht für das Bauwerk bedeuten, um zu vermeiden, dass das Tragwerk zwar lokal verstärkt wird, aber global höhere Beanspruchungen erfährt. Die bessere Ausnutzung der bereits vorhandenen Versteifungsträger bei der Rheinbrücke Emmerich durch nachträglichen Einbau eines Torsionsverbandes ist ein gutes Beispiel, für solch eine Verstärkung. Literatur [1] K ratzKe , B. Ertüchtigung der Brücke Köln-Mülheim. 17. Symposium Brückenbau Leipzig, Ausgabe 1/ 2 2017, S. 26-31 [2] K ratzKe , B.; U phoff , h. Instandsetzungsplanung der Rheinbrücke Emmerich. Bautechnik, 95 (2018), Heft 2, S. 139-147 [3] K ratzKe , B.; U phoff , h., h anKe , S. Instandsetzung und Ertüchtigung des Mülheimer Brückenzuges in Köln. Stahlbau, 87 (2018), Heft 8, S. 759-768 [4] S tadt K öln . Die neue Köln Mülheimer Brücke, Köln, 1951 [5] e rnSt , f.; r äderScheidt , h.J. Umbau- und Unterhaltungsmaßnahmen an der Rheinbrücke Köln- Mülheim. Stahlbau, 10 (1976), S. 301-307 [6] din-f achBericht 101. Einwirkungen auf Brücken, März 2019 [7] r ichtlinie zUr n achrechnUng von S traSSenBrü cKen iM B eStand (n achrechnUngSrichtlinie ). Ausgabe Mai 2011 mit Ergänzung April 2015. Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur [8] g eiSSler , K.; S tein , r., r eichardt , a. Monitoring Rheinbrücke Köln-Mülheim - Messbericht. GMG, 2014
