4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 679 Instandsetzung der Megastützenriegel der Hochstraße Elbmarsch Dr. Sebastian Krohn DEGES GmbH, Berlin Zusammenfassung Im Bereich kreuzender Verkehrswege lagert der vorhandene Spannbetonüberbau der Hochstraße Elbmarsch in insgesamt 7 Achsen auf sogenannten Megastützen auf. Diese bestehen im Wesentlichen aus einer Großrundstütze und massiven, vorgespannten, beidseitig auskragenden Riegeln. Für die 8-streifige Erweiterung der A7 sollen die Riegel durch Einhängeträger ergänzt werden, die als Auflager für die Überbauverbreiterung dienen werden. Zur Aufnahme der zusätzlichen Lasten ist es notwendig, ergänzende Spannglieder im Bestandsriegel einzubauen. Bereits in den 1970er Jahren wurden zu diesem Zweck Leerrohre in die Megastützenriegel einbetoniert. Um zu prüfen, ob die Bestandskonstruktion und die Technologie, die in den 70er Jahren für die Verbreiterung vorgesehen worden war, den heutigen Anforderungen an Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit gerecht werden kann, erfolgten im Vorfeld der Ausschreibung umfassende Untersuchungen. Neben statischen Berechnungen bis zur Stufe 4 der Nachrechnungsrichtlinie wurden Potentialfeldmessungen zur Bewertung der Bewehrungskorrosion durchgeführt. Der Zustand der in den Riegeln befindlichen Leerrohre wurde untersucht, um die Machbarkeit für den Einbau der nachträglich zu ergänzenden Spannglieder abzusichern. Zudem wurden mehrere KKS-Testflächen angelegt, um Möglichkeiten für den Einsatz des kathodischen Korrosionsschutzes zum Erhalt der Bestandskonstruktion zu prüfen. Bei einer der Megastützen wurde aufgrund einer AKR-Schädigung des Riegels eine grundhafte Instandsetzung mit großflächigem Betonersatz als vorgezogene Maßnahme durchgeführt. Auch hierbei wurden wertvolle Erkenntnisse für die übrigen Megastützen gewonnen. Im Ergebnis aller Untersuchungen wurde letztlich entschieden, bei der Mehrzahl der Megastützen einen Komplettaustausch der Riegel vorzunehmen, da eine Sanierung im Hinblick auf eine angestrebte weitere Nutzungsdauer von rund 70 Jahren nicht nachhaltig erschien. Dennoch können 4 von 14 Megastützen im Zuge des 8-streifigen Ausbaus erhalten werden. Das in den 70er Jahren vorgedachte Konzept der Verbreiterung kommt dort zur Anwendung. 1. Ausgangslage Aufgrund des guten Erhaltungszustandes sowie der vergleichsweise hohen Tragfähigkeitsreserven im Regelbereich der Hochstraße Elbmarsch (kurz K20) fiel in der Vorplanung die Entscheidung zum Erhalt des Bestandsüberbaus bis zum Jahr 2045, vgl. [1]. Somit ist für den 8-streifigen Ausbau der A7 in Bereich der K20 die Verbreiterung des Bestandsüberbaus vorgesehen. Ergebnis der Vorplanung und der durchgeführten Wirtschaftlichkeitsbetrachtung war zudem, dass die Unterbauten mindestens bis zum Jahr 2084 weiter genutzt werden sollten. Somit wurde für die Bestandsunterbauten eine fast 40 Jahre längere Restnutzungsdauer festgelegt als für den Bestandsüberbau. Von den insgesamt 110 Auflagerachsen der K20 sind 103 als einfache Stützen-Riegel-Konstruktion, Widerlager oder Pfeilerscheiben ausgebildet. Die vorgenannten Konstruktionen sind vergleichsweise robust, für Prüfungen und Untersuchungen sind sie in der Regel gut erreichbar und innerhalb der geplanten 8-streifigen Erweiterung ohne Veränderungen der bestehenden Bauteile integrierbar. In den verbleibenden 7 Achsen war die Ausbildung der vorgenannten Standardkonstruktionen aufgrund von unter der Hochstraße kreuzenden Verkehrswegen nicht möglich, sodass hier Großrundstützen (sog. Megastützen) mit einem Durchmesser von ca. 6 m zum Einsatz kamen, auf denen nach beiden Seiten auskragende, vorgespannte Spannbetonriegel ergänzt wurden, um ein Auflager für die Überbauten der Hochstraße zu schaffen, s. Abb. 1 und Abb. 2. 680 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Instandsetzung der Megastützenriegel der Hochstraße Elbmarsch Abb. 1: Megastütze beim Bau der Hochstraße 1971-74 Während zum Erhaltungszustand der meisten Unterbauten (rund 94%) relativ gesicherte Erkenntnisse vorlagen bzw. im Laufe der Planung gewonnen werden konnten, waren aufgetretene Schäden und deren Ursachen im Bereich der Megastützen (rund 6% der Unterbauten) zum Beginn der Entwurfsplanung noch nicht vollständig aufgeklärt. 1.1 Erhaltungszustand der Megastützen Die bis 2015 erstellten Untersuchungsberichte wiesen keine wesentlichen Schäden an den Megastützen aus. Abgesehen von Betonabplatzungen und Chloridschäden an den frei bewitterten Riegelköpfen, gab es keine nennenswerte Rissbildung an Riegeln oder Stützen. Einzige Ausnahme war der Riegel in Achse 55 west, Abb. 2. Hier wurde bereits Anfang der 2000er Jahre ein Rissbild an den Riegelköpfen festgestellt, welches u.a. auf eine AKR hindeutete. Abb. 2: Megastütze in den Achse 55 west Abb. 3: Riegelkopf der Megastütze Achse 55 west Die ersten Untersuchungen hierzu fanden bereits 2003 statt. Seitdem wurden fortschreitende Betonabplatzungen und Rissbildungen mit Aussinterungen an den Kopfbereichen dieses Stützenriegels in Achse 55 west festgestellt, s. Abb. 3. 1.2 Risikoanalyse und Arbeitsprogramm Bei den Megastützen handelt es sich um Sonderkonstruktionen, die bereits in den 70er Jahren für eine mögliche Verbreiterung zum Teil mit leeren Hüllrohren versehen worden waren, um zusätzliche Spannglieder für den Fall eines 8-streifigen Ausbaus später nachrüsten zu können. Für die Verbreiterung war es angedacht, Einhängeträger auf den bestehenden Riegeln zu lagern und auf diesen Trägern die Verbreiterung des Überbaus abzulegen, s. Abb. 4. Der Erhalt der bestehenden Megastützen hätte also nicht nur den Erhalt des Status Quo für die Bestandsriegel zur Folge gehabt, sondern würde die Integration von neuen Spanngliedern und Vorspannkräften innerhalb der Bestandsriegel sowie die Veränderung der äußeren Lasten durch die Verbreiterung nach sich ziehen. Abb. 4: Prinzip der Verbreiterung mit Einhängeträger Gleichzeitig hätte eine Weiternutzung und der Ausbau der vorhandenen Riegel enorme Vorteile für den Bauablauf, da die Eingriffe in den Verkehr auf ein Minimum beschränkt wären. Somit kam der Entscheidung über Erhalt bzw. Ersatz der Megastützen eine zentrale Bedeutung für die Bauablaufplanung und Ausschreibung der gesamten 8-streifigen Erweiterung der Hochstraße Elbmarsch zu. In einer Risikobetrachtung waren die Auswirkungen von Schäden an den Riegeln, die erst während der Ausfüh- 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 681 Instandsetzung der Megastützenriegel der Hochstraße Elbmarsch rung entdeckt werden würden, bezüglich der Gesamtbauzeit und zugehörigen Kosten als sehr groß bewertet worden. Jeder Eingriff in den Verkehr der A7 wie auch in das hochbelastete Hafennetz, der sich aus Änderungen der ausgeschriebenen baulichen Lösung für die Megastützen ergeben würde, hätte aufgrund der exponierten Lage innerhalb der Verkehrsknotenpunkte erhebliche Auswirkungen auf den Bauablauf und würde die angespannte verkehrliche Situation im Hafengebiet weiter verschärfen. Daher bargen die Megastützen trotz ihres relativ geringen Anteils an der Gesamtmenge der Unterbauten (ca. 6%) ein erhebliches Risiko für Kostensteigerungen und Bauzeitverlängerungen im Gesamtprojekt, sodass intensive Untersuchungen als Grundlage zur Entscheidungsfindung über Erhalt oder Ersatz unerlässlich waren. Von 2016 bis zur geplanten Ausschreibung in 2019 wurden daher folgende Maßnahmen ergriffen: • Vorgezogene Instandsetzung der Megastütze mit dem größten bekannten Schadensumfang in Achse 55 west, um vertiefte Erkenntnisse zum Schadensbild zu gewinnen und Erfahrungen mit möglichen Instandsetzungsverfahren zu sammeln. • Vertiefende Betonuntersuchungen an allen Megastützenriegeln mittels zerstörungsfreier Prüfmethoden sowie Bewertung durch Gutachter und sachkundige Planer für Betoninstandsetzung. • Nachrechnung der Megastützen in den Stufen 1 und 2 (zum Teil auch 4) mit dem Ziel, die rechnerischen Beanspruchungsgrenzen der Bestandskonstruktion so genau wie möglich zu ermitteln. • Kamerabefahrung der Leerrohre in den Megastützenriegeln und Bewertung der Verwendbarkeit zum Einbau heute zugelassener Spannglieder durch einen Fachmann für Vorspanntechnik. • Planung und Realisierung eines Testfeldes für den kathodischen Korrosionsschutz an einem Megastützenriegel und Bewertung der Einsatzmöglichkeiten für KKS. 2. Instandsetzung und Zustandsbewertung 2.1 Instandsetzung der Achse 55 west Die Instandsetzung der Achse 55 west wird in [2] umfassend beschrieben, sodass hier nur eine kurze Zusammenfassung folgt. Der Beton wurde intensiv hinsichtlich seiner Neigung zur Alkalikieselsäurereaktion untersucht. Zum einen wurde das Reaktionspotential durch Nebelkammerlagerung von oberflächennahen Proben und Proben aus größeren Bauteiltiefen ermittelt. Darauf aufbauend konnten Vorgaben für geeignete Instandsetzungsprodukte sowie Angaben zur Oberflächenvorbereitung und Verarbeitung gemacht werden, die eine AKR im Bestandsbeton wirksam verhindern. Die Ergebnisse der zerstörungsfreien Prüfungen, wie Gefügeschäden, die mittels Ultraschall in einer Tiefe von ca. 40 cm, bis maximal 70 cm lokalisiert worden waren, ließen sich nach dem stufenweisen Betonabtrag bestätigen. Die vorgefundenen Rostnarben an der Bewehrung korrelierten gut mit den vorgefundenen Chloridwerten und den mittels Potentialfeldmessung lokalisierten Hot Spots. Trotzdem der z.T. hohen Chloridwerte hielten sich die festgestellten Abrostungsgrade der Bewehrung in Grenzen, sodass die Nachrechnung des Stützenriegels in Achse 55 west auch unter Berücksichtigung der korrosionsbedingten Querschnittsschwächungen eine ausreichende Standsicherheit unter den Ausbaulasten der 8-streifigen Erweiterung ergab. Hierfür war allerdings eine sehr aufwändige, nichtlineare FE-Berechnung gemäß Stufe 4 der Nachrechnungsrichtlinie erforderlich, s. Abb. 5. Abb. 5: FE-Modell für Nachrechnung in Stufe 4 Für den Erhalt der Megastützenriegel wäre es Grundvoraussetzung, alle Korrosionsprozesse an der vorhandenen Bewehrung selbst bei weiterem Chlorideintrag zu unterbinden. Eine geeignete Methode hierfür kann der kathodische Korrosionsschutz (KKS) sein. Bei diesem Verfahren fließt ein Schutzstrom zwischen Anode (z.B. Titannetz auf der Bauteiloberfläche, vgl. Abb. 6, oder Titanstabanode im Bohrloch) und Kathode (Bewehrung) und verhindert den Korrosionsfortschritt selbst bei ungünstigen Feuchte- und Chloridgehalten im Beton. Abb. 6: Verlegen des Anodennetzes für den KKS 682 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Instandsetzung der Megastützenriegel der Hochstraße Elbmarsch Abb. 7: KKS-Musterfläche am Megastützenriegel Um die Machbarkeit für den KKS zum Schutz des gesamten Riegels nachzuweisen, wurde eine KKS-Musterfläche am Riegel installiert und ein kathodischer Korrosionsschutz über 2 Monate hinweg testweise betrieben, s. Abb. 7. Die Messdaten zeigten, dass sich das erforderliche Schutzziel für die kritischen Bereiche des Riegels durch die Kombination von Anodennetz und Stabanoden erreichen ließe. Diese an Achse 55 gewonnen Erkenntnisse zum KKS waren auch auf andere Megastützenriegel übertragbar. Damit war das „Einfrieren“ der Bewehrungskorrosion für alle Riegel als technisch machbar einzustufen. Zu Beginn der Entwurfsplanung gab es keinerlei Erkenntnisse zum Zustand der leeren Hüllrohre (im Folgenden Leerrohre), die in die Megastützenriegel inkl. Ankerplatten eingebaut worden waren, um das spätere Nachrüsten von Spanngliedern der 2ten Ausbaustufe zu ermöglichen. Laut Planunterlagen waren diese Leerrohre mit einem innenliegenden Korrosionsschutz versehen und luftdicht verschlossen. Die Instandsetzungsmaßnahme an der Achse 55 west eignete sich aufgrund des ohnehin erforderlichen Betonabtrages hervorragend dazu, die Leerrohrenden freizulegen und den Zustand zu untersuchen, s. Abb. 8. Für die Untersuchung wurde eine Spezialfirma gebunden, die Rohrreinigung, Hindernisbeseitigung und Kamerabefahrung für die Leerrohre mit lediglich ca. 6 cm Durchmesser und einer Länge von jeweils bis zu rund 28 m durchführen konnte. Abb. 8: Riegelkopf mit verpressten Spannankern der ersten Ausbaustufe und offenen Leerrohren der zweiten Ausbaustufe Obwohl kein innenliegender Korrosionsschutz gefunden wurde, waren bei etwa 80% der Leerrohre keine nennenswerten Schäden festzustellen. Der Querschnitt war nicht eingeschränkt und Spannglieder waren grundsätzlich einbaubar. Jedoch gab es bei etwa 20% der Leerrohre stehendes Wasser in den Tiefpunkten, z.T. erhebliche Korrosionsschäden und vereinzelt Beulen in der Blechwandung und damit Querschnittsreduktionen sowie Verschlüsse, sodass der Einbau von Spanngliedern bei diesen Leerrohren stark eingeschränkt und z.T. unmöglich war. Ursache für die Korrosion innerhalb der Rohre waren vermutlich Entlüftungsröhrchen, durch die Wasser eindringen konnte. Abb. 9 zeigt Korrosion an einer betroffenen Ankerplatte. In Abb. 10 ist beispielhaft eine Aufnahme aus der Kamerabefahrung mit Schäden der Leerrohrwandung dargestellt. Abb. 9: Korrosion an Leerrohr und Ankerplatte Abb. 10: Kamerabefahrung: beschädigte Rohrwandung 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 683 Instandsetzung der Megastützenriegel der Hochstraße Elbmarsch 2.2 Untersuchungen weiterer Megastützen Von einigen Besonderheiten abgesehen sind 10 der insgesamt 14 Megastützen an der K20 grundsätzlich so konstruiert wie die besonders vorgeschädigte Megastütze in Achse 55 west. Nachdem sich die Leerrohrbefahrungen mittels Kamera, die Chloriduntersuchungen und Potentialfeldmessungen, sowie auch die detaillierte Nachrechnung an Achse 55 methodisch bewährt hatten, wurden diese Untersuchungen auch auf die anderen Megastützen ausgeweitet. Im Ergebnis wiesen die ähnlich konstruierten Megastützen auch ähnliche Schäden auf. In einem deutlich besseren Zustand zeigten sich 4 Megastützen in den Achsen 96 und 97. Hier waren bereits 1970 alle für die 2te Ausbaustufe notwendigen Spannglieder eingebaut und verpresst worden. Zudem gibt es hier keine Chloridschäden, da es konstruktionsbedingt keine Fahrbahnübergänge über diesen vorgenannten 4 Megastützen gibt. 3. Schlussfolgerungen Aufgrund der durchweg positiven Befunde kann für die 4 Megastützen in den Achsen 96 und 97 die Verbreiterung so erfolgen, wie es bereits in den 1970er Jahren vorgedacht worden war. Ein Einhängeträger wird auf den dafür vorgesehenen Konsolen der Megastützenriegel eingelagert, sodass die Verbreiterung darauf abgelegt werden kann und der darunter befindliche Verkehrsraum stützenfrei bleibt, Prinzip wie in Abb. 4. Für die verbleibenden 10 Megastützen wurden die Querschnittsschwächungen an der Betonstahlbewehrung hinsichtlich der Auswirkungen auf die Standsicherheit bewertet. Die Nachrechnung in Stufe 4 zeigte sehr deutlich, welche erheblichen Tragreserven noch in der Konstruktion stecken. Eine ausreichende Tragfähigkeit wäre grundsätzlich gegeben, sofern sich alle laufenden Korrosionsprozesse stoppen ließen. Durch die KKS-Musterfläche konnte zweifelsfrei belegt werden, dass der kathodische Korrosionsschutz bestens geeignet ist, um die Korrosion wirkungsvoll zu unterbinden. Zusammen mit Fachleuten für Vorspanntechnik wurden zugelassene Spannglieder gefunden, die nur mit geringen Modifikationen in die vorhandenen Leerrohre einzubauen und auch an den vorhandenen Ankerplatten zu spannen und zu verankern waren. Die statische Nachrechnung zeigte zudem, dass man die vorgeschädigten Leerrohre (ca. 20%) nicht unbedingt für den sicheren Endzustand benötigt, wenn man die intakten Leerrohre mit einem geringfügig größeren Spannstahlquerschnitt bestückt als seinerzeit in der Ursprungsstatik vorgesehen war. Auch die Betoninstandsetzung an der Achse 55 west war als vorgezogene Maßnahme erfolgreich abgeschlossen worden. Die Hilfsabfangung zur temporären Entlastung des Riegels hatte gut funktioniert. Die ausgewählten Instandsetzungsprodukte erwiesen sich als geeignet, die Betonagen im Zuge der Instandsetzung konnten ohne Verkehrseinschränkungen stattfinden, vgl. [2]. Obwohl es adäquate Lösungen für die aufgeworfenen technischen Fragestellungen gab, entschied man sich nach Abwägung aller Risiken dennoch für den Ersatzneubau der 10 vorgeschädigten Megastützen inklusive ihrer Riegel. Neben der relativ aufwändigen Instandhaltung mittels eines aktiven KKS-Systems, gab es Bedenken zur Ermüdungssicherheit des zum Teil durch Lochfraßkorrosion vernarbten Betonstahls, s. Abb. 11. Abb. 11: Lochfraßkorrosion am Betonstahl des Riegels Eine Ermüdungsfestigkeit ließ sich durch die Kerbwirkung der Rostnarben nicht mehr angeben, sodass mindestens jährliche Sonderprüfungen die Folge gewesen wären. Vor dem Hintergrund der vorgegebenen Restnutzungsdauer aller Unterbauten bis mindestens zum Jahr 2084, wäre ein Erhalt der Konstruktion unter diesen Bedingungen wirtschaftlich nicht vertretbar gewesen. Somit bleiben 4 von insgesamt 14 Megastützen erhalten. Die übrigen 10 werden durch Neubauten ersetzt. 4. Ausblick Der Ersatzneubau der Megastützen unter laufendem Verkehr der A7 sowie unter Aufrechterhaltung des Bahn- und Straßenverkehrs im Hamburger Hafen ist sehr komplex. In Abb. 12 ist die Abstützung der Überbauten der A7 sowie der Abbruch der bestehenden Megastütze als Prinzipskizze dargestellt. 684 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Instandsetzung der Megastützenriegel der Hochstraße Elbmarsch Abb. 12: Skizze zum Abbruch des Bestandsriegels Um den Verkehr der A7 über die gesamte Zeit aufrechtzuhalten wird der gut 2m breite Streifen zwischen den Überbauten, auf dem der Riegel direkt befahren wird, mit speziell für diesen Fall entwickelten Abdeckplatten überbrückt. Nachdem die Überbauten der A7 abgefangen wurden, wird der alte Bestandsriegel ebenfalls unterstützt, um zunächst den Rückbau der Rundstütze darunter durchzuführen. Anschließend wird der Bestandsriegel abgesenkt und bodennah abgebrochen. Der neue Riegel wird ebenfalls bodennah hergestellt, hochgepresst und schließlich wird die neue Stütze unterhalb des Riegels betoniert. Dieser Bauablauf ist aufwändig und für jede der 10 zu erneuernden Megastützen in ähnlicher Art und Weise durchzuführen. Mit Blick auf die Gesamtmaßnahme trägt die Entscheidung zum Ersatz von 10 der 14 Megastützen jedoch erheblich dazu bei, die Kosten- und Terminrisiken der Bauausführung und den Unterhaltungsaufwand der kommenden Jahrzehnte auf ein angemessenes Maß zu reduzieren. Literatur [1] Gebert, G.: Verbreiterung der Hochstraße Elbmarsch in Hamburg -Erkenntnisse aus der Pilotmaßnahme, Tagungsband 4. Brückenkolloquium, Technische Akademie Esslingen 09/ 2020 [2] Peters, F.; Krohn, S.; Mangold, M.: K20 Hochstraße Elbmarsch - Planung und Ausführung der Instandsetzung einer Megastütze unter Verkehr, Tagungsband 6. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken, Technische Akademie Esslingen 01/ 2019