5. Brückenkolloquium - September 2022 287 Schnellbausystem „Expressbrücke“ Dipl.-Ing. (TU) Theo Reddemann Bauunternehmung Gebr. Echterhoff GmbH & Co. KG, Westerkappeln Der Einsatz des Brückenschnellbausystems „Expressbrücke“ Echterhoff führt zu deutlichen Reduzierungen von Bauzeiten bei dem dringend notwendigen Ersatzneubau / Umbau unserer vorhandenen Verkehrsinfrastruktur und trägt somit zu deutlichen Reduzierungen von Verkehrsstaus sowie den daraus resultierenden Umweltbelastungen bei. In diesem Vortrag werden die grundsätzliche Bauweise als auch weitere Ausführungsbeispiele von bereits durchgeführten Baumaßnahmen, am Beispiel einer Brücke mit 20 Kalendertagen sowie dem Ersatz einer Bundesstraßenbrücke über eine ICE-Strecke mit 40 Kalendertagen und einer 51-stündigen Sperrpause für Abbruch und Brückenneubau vorgestellt. Darüber hinaus wird ein im Brückenbau völlig neuartiges Baulement, die Hybridkappe zur Einsparrung von Vollsperrungen erläutert. 1. Einleitung Der massive Anstieg des Güterverkehrs hat dazu geführt, dass die vorhandenen Brückenbauwerke sehr stark in Mitleidenschaft gezogen werden. Zur Verdeutlichung, die Belastung eines Bauwerkes durch einen LKW entspricht in etwa der Belastung durch ca. 10.000 PKWs. Allein der Güterverkehr hat in den letzten 10 Jahren um + 7,0 % zugenommen. Bis 2025 wird eine weitere Zunahme von + 10,5 % prognostiziert [1]. Brückenbauwerke, die heute bereits bis zu 100 Jahre alt sind, können diese Belastungen nur bedingt aufnehmen und müssen für eine funktionierende Verkehrsinfrastruktur dringend ersetzt werden. Etwa 40.000 Brückenbauwerke befinden sich derzeit allein im Netz der Bundesfernstraßen, davon sind ein großer Teil Spannbetonbrücken mit einem Alter von 40 bis 60 Jahren. Addiert man die Anzahl der Brücken aus dem Bereich der Bundesbahn, der Landesstraßenbauverwaltungen sowie den Städten und Gemeinden hinzu, liegt der Brückenbestand deutlich im 6-stelligen Bereich. Allein im Bereich der hochbelasteten Autobahnstrecken müssen ca. 8.000 Brückenteilbauwerke bis 2030 ersetzt werden. Für den Erneuerungsbedarf der Bestandsbrücken im Bahnbereich rechnet man für die Jahre von 2021 bis 2025 mit 1.005 Brückenbauwerken. Ersatzbaumaßnahmen von Brücken aus dem Bereich der Landesstraßenbauverwaltungen sowie Städte und Gemeinden müssen „on top“ hinzugerechnet werden und lassen diese gewaltige Bauaufgabe für die kommenden Jahre nur erahnen. Die augenblickliche Situation, wie sich die Verkehrsströme nach einer Brückensperrung für den Schwerlastverkehr entwickeln, kann man anhand der Rheinquerung bei Leverkusen auf der A1 sowie der Brückenüberführung über den Rhein-Herne-Kanal auf der A43 bei Recklinghausen sehr gut beobachten. Durch diese Brückensperrungen für den Schwerlastverkehr müssen die LKW`s auf Umfahrungsstrecken ausweichen. In Konsequenz werden in diesen Strecken, die ohnehin schon stark beanspruchten Brückenbauwerke nochmals stärker beansprucht und auf Dauer geschädigt. Der Ersatz sowie die Ertüchtigung der Bestandsbrücken in unseren Verkehrsnetzen sind dringend notwendig. Die Durchführung dieser Maßnahmen gehen allerdings immer mit dem Einrichten von Baustellen, den damit erforderlichen Verkehrsumlenkungs-/ Verkehrsführungsphasen auf den Straßen einher und führen unweigerlich zu Verkehrsengpässen mit Verkehrsstaus. Es dürfte jedem klar sein, dass die Anzahl und Bauzeit der Brückenbaustellen die Verkehrsstaus und deren Dauer bestimmt. Je kürzer die Bauzeit umso geringer die Dauer der Verkehrsstaus sowie der sich daraus ergebenden volkswirtschaftlichen Schäden. Gerade durch Verkehrsstaus entstehen jährlich volkswirtschaftliche Schäden in Milliardenhöhe. Die Größenordnung beträgt deutlich > 10 Milliarden Euro [2]. Laut einer Analyse der Ruhr-Uni-Bochum entstehen 50 % aller Staus in NRW im Bereich von Baustellen [3]. Bereits im Jahre 2014 berichtete die WiWo, dass über 1 Milliarden Liter Treibstoff von deutschen Autofahrern jährlich in Staus verschleudert werden [4]. Dadurch belasten enorme Mengen an überflüssigem CO 2 -Ausstoß massiv die Umwelt. Auch die Ausfallskosten allein im Güterverkehr gehen jährlich in die Milliarden. Beispielhaft hierzu eine überschlägliche Berechnung. Auf einer Autobahnstrecke mit 100.000 Fahrzeugen/ 24 Stunden und 20 % Güterverkehranteil beträgt allein der Schaden durch einen Stau bei 30 Minuten Stillstand sowie einem Kostenansatz von nur 80 €/ Std. pro LKW = 800.000 €/ Tag! Um all diesen negativen Begleiterscheinungen bei der Erneuerung der Straßenverkehrsinfrastruktur entgegenzuwirken, rief die neu gegründete Autobahn GmbH mit Partnern aus dem BMVI und der Bauwirtschaft einen „Runden Tisch“ ins Leben. Ziel dieser Institution ist es neue Wege zu finden, um die Bauzeiten der Baustellen deutlich zu reduzieren. Es müssen sowohl in technischer als auch vertraglicher Hinsicht neue Wege gefunden werden, um neue Bauverfahrenstechniken zu entwickeln, die kurze Bauzeiten ermöglichen. Innovationen und Ingenieurgeist dürfen in der Umsetzung nicht am Vergaberecht scheitern und müssen wieder mehr in den Vorder- 288 5. Brückenkolloquium - September 2022 Schnellbausystem „Expressbrücke“ grund gerückt werden. Von einer Auftragsvergabe an den Mindestbietenden mit dem billigsten Angebot sollte man abkehren und eine Zuschlagserteilung auf das wirtschaftlichste Angebot unter der Berücksichtigung der Vermeidung von volkswirtschaftlichen Schäden, vornehmen. In naher Zukunft werden mit den steigenden Bauaufgaben für alle Beteiligten neue Herausforderungen zu bewältigen sein. Auftraggeberseitig in der Erstellung der entsprechenden Planungen, der Schaffung von Voraussetzungen für den Bau sowie Durchführung der Ersatzneubaumaßnahmen. In der Phase der Bauausführung sind die Auftragnehmer gefordert. Mit jeder Ersatzneubaumaßnahme erfolgt ein Eingriff in den fließenden Verkehr und dieser soll so gering wie möglich gestört werden. Ein weiteres Problem wird zukünftig im Bereich der Personalressourcen entstehen. Aufgrund der demographischen Entwicklung wird in den kommenden Jahren branchenübergreifend eine große Anzahl von Erwerbspersonen in den wohlverdienten Ruhestand gehen. Da die Bauberufe für viele Jugendliche unattraktiv sind, wird infolge des Ausscheidens der geburtenstarken Jahrgänge (Geburten von 1955 bis 1969) in den Ruhestand, eine hohe Anzahl an Fachpersonal zur Abwicklung der künftigen Bauarbeiten fehlen. Von einer natürlichen Reduktion der Fachkräfte werden Baufirmen, Ingenieurbüros und Verwaltungen gleichermaßen betroffen sein. Um die bestehenden vielfältigen Bauaufgaben unter Berücksichtigung der zukünftigen Kapazitätsengpässen bewältigen zu können, müssen in konsequenter Folge die Arbeitsprozesse neu überdacht werden. Intelligente und ressourcenschonendere Bauweisen müssen entwickelt und umgesetzt werden. 2. „Expressbrücke“ ECHTERHOFF All diese zuvor aufgeführten Herausforderungen haben uns bei ECHTERHOFF dazu veranlasst, intensiv über neue Brückenbauweisen nachzudenken. Im Vordergrund standen und stehen hierbei in erster Linie die Minimierung von Verkehrsbeeinträchtigungen, sodass bei der Herstellung der Ersatzneubauten nur geringe Eingriffe in den fließenden Verkehr vorgenommen werden müssen, um Verkehrsstaus zu vermeiden. Durch den Einsatz unseres Bausystems sind wir in der Lage, sehr kurze Bauzeiten zu realisieren. Auch wurde bei der Entwicklung unserer Stahlbetonfertigteillösungen ein hoher Maßstab an die Einhaltung von Langlebigkeit, Robustheit und Nachhaltigkeit angelegt. 2.1 Brückenkonstruktion Mit dem Brückenschnellbausystem „Expressbrücke ECHTERHOFF“ können nachfolgend aufgeführte Randbedingungen erfüllt werden: • Unterschiedliche geometrische Formen und die Ausbildung schiefwinkliger Widerlagerkonstruktionen von 50-150 gon. • Integration von Bohrpfahlals auch Flachgründungen • Einfacher Toleranzausgleich durch die Verwendung von Halbfertigteilen mit Ortbetonergänzung • Herstellung von Betonoberflächen in Sichtbetonqualität SB3 und SB4 mit hoher Betondichte • Realisierung von sehr kurzen Bauzeiten (siehe nachfolgende Beispielangaben) • Ausbildung statischer Systeme sowohl als Einfeldträger oder Rahmenbauwerke. In Kombination mit den in Stahlbetonfertigteilbauweise erstellten Unterbaukonstruktionen können die Brückenüberbaukonstruktionen sowohl in Massivbauweise, Spannbeton (bis 38 m ausgeführt, bis 45m Länge geplant), Stahl und Stahlverbundbauweise mit unterschiedlichen Stützweiten ausgeführt werden. • Keine Zulassung im Einzelfall 2.2 Hybridkappe Um die Anzahl von Vollsperrungen von unterquerenden Bahnstrecken oder Straßen zu reduzieren und Bauzeit einzusparen, erfolgte in konsequenter Weise die Entwicklung der Hybridkappe. Diese Konstruktion bildet in erster Linie die äußere Begrenzung der Stahlbetonkappe und dient zugleich im Montagezustand als Trägerelement von Geländer-, Berührschutz- oder Lärmschutzwandelementen bis zur Aushärtung des nachträglich eingebrachten Kappenbetons. Nach erfolgter Montage der Hybridkappen einschließlich Geländer, LSW oder Berührschutz in den Randbereichen der Überbauten, kann der darunter fahrende Verkehr ohne Einschränkungen wieder freigegeben werden. Fahrbahnbegrenzungen, Verkehrsleitsysteme sowie Gelbmarkierungen können zurückgebaut werden. Für den Einbau der Hybridkappe ist keine Zulassung im Einzelfall erforderlich. Ein- und Ausschalarbeiten der Kappenkonstruktionen in Ortbetonbauweise auf der Baustelle entfallen. Die Montage der Hybridkappe, einschließlich der Schutzeinrichtungen wie z. B. der Geländerkonstruktionen erfolgt bereits werkseitig im Fertigteilwerk (siehe Bild 1 + 2). Bild 1: A1, Afferder Weg, Unna; Hybridkappe 5. Brückenkolloquium - September 2022 289 Schnellbausystem „Expressbrücke“ Bild 2: B474 OU Dülmen; Auflegen der Spannbetonüberbaufertigteile mit aufgesetzter Hybridkappe sowie Geländer- und Berührschutzelementen In den vergangenen 3 Jahren wurden für verschiedene Auftraggeber bereits mehrere Brückenbauwerke mit dem Schnellbausystem „Expressbrücke ECHTERHOFF“ hergestellt. Für die Brückenbauwerke lagen jedes Mal unterschiedliche, individuelle Projektbedingungen vor. Aufgrund der Flexibilität des Systems der „Expressbrücke“ konnte für all diese Herausforderungen eine Lösung gefunden werden. 3. Ausführungsbeispiele „Expressbrücken ECHTERHOFF“ 3.1 Ersatzneubau der SÜ Schulstraße über die B68 in Georgsmarienhütte Nördlich von Georgsmarienhütte überquert die Brücke SÜ-Schulstraße die vielbefahrene B68 und erschließt das in einer Sackgasse gelegene Wohngebiet mit einem Schulzentrum sowie einer Kita und einem Sportzentrum. Die Bauarbeiten waren nur in einem kurzen Zeitfenster von 20 Kalendertagen und nur in den Sommerferien zu realisieren, da die Zugänglichkeit zu den Einrichtungsstätten während des Regelbetriebes immer gewährleistet sein musste. Der ursprüngliche Bauentwurf sah eine Stahlbetonkonstruktion in Ortbetonergänzung vor. Die Bauzeit für die Herstellung einer solchen Brücke beträgt in der Regel ca. 8 Monate. Um die weitere Anbindung der Schul- und Kindergartenzentren zu gewährleisten, hätte zunächst eine sehr aufwendige Behelfsbrücke in Nebenlage, parallel zum Bestandsbauwerk errichtet werden müssen. Die Gesamtbauzeit hätte ca. 12 Monate betragen und darüber hinaus auch für diesen Zeitraum Verkehrsbeeinträchtigungen auf der B68 sowie der Schulstraße zur Folge gehabt (siehe Bild 3). Bild 3: B68 Schulstraße, Georgsmarienhütte; Luftbild Bestandsbauwerk Nach einem Gespräch in der NLStBV im Juli 2020 unterbreitete die Bauunternehmung Gebr. Echterhoff einen Lösungsvorschlag zum Bau der Brücke Schulstraße über die B68 mit ihrer Systembrückenlösung, der „Expressbrücke“. Die Vorteile bestehen in der extrem kurzen Bauzeit von 20 Kalendertagen, vom Abriss der vorhandenen Brücke bis zur Wiederinbetriebnahme des neuen Brückenbauwerkes sowie in den geringen Baukosten gegenüber der ursprünglich geplanten Bauweise. Der Bau einer aufwendigen Behelfsbrücke konnte entfallen, da die Herstellung der „Expressbrücke“ in den Zeitraum der Sommerferien verlegt wurde. Von den Verkehrsbeeinträchtigungen waren somit nur die Anwohner für einen kurzen Zeitraum betroffen. Der neue Bauentwurf sah für die Brückenkonstruktion einen Einfeldträger mit 21,50 m Stützweite als statisch bestimmtes System vor. Der Überbau wurde vorab in Seitenlage mittels vorgefertigten T-förmigen Spannbetonbindern und Ortbetonergänzung der Überbauplatte ausgebildet. Die Herstellung der Unterbauten erfolgte durch Verwendung von Halbfertigteilen mit Ortbetonergänzung. Den Bauablauf bestimmte die Herstellung des Spannbetonüberbaus in Nebenlage - Aufbau der Stützkonstruktion - Montage der Endquerträger - Auflegen der Spannbetonfertigteilbinder - Montage der Hybridkappen - Abschalen der Endquerträger einschl. Bewehrungsverlegearbeiten - Ergänzung der Bewehrung für die Überbauplatte mit anschließender Betonage - Abdichtungsarbeiten - Herstellung der Geh- und Radwegkappen - Aufbringen der Fahrbahnbeläge Nach der Fertigstellung des Brückenüberbaus, inklusive Belag und Überbau wurde das Bestandsbauwerk in den Sommerferien in einer 2,5-tägigen Sperrpause der B68 abgebrochen. Innerhalb von 9 Kalendertagen erfolgte die Herstellung der Stahlbetonwiderlager (siehe Bild 4), sodass bereits 12 Kalendertage nach der Außerbetriebnahme der Bestandsbrücke der neue Brückenüberbau aus der 290 5. Brückenkolloquium - September 2022 Schnellbausystem „Expressbrücke“ Seitenin die Endlagerung eingefahren wurde. Der Einfahrvorgang des 425 to schweren Überbaus erfolgte in überhöhter Lage mittels Spezialfahrzeuge, SPMT`s oder “Tausendfüßler“ genannt (siehe Bild 5). Erd- und Straßenbauarbeiten liefen parallel zu den reinen Brückenbauarbeiten sowie im Nachlauf zu dem Einfahrvorgang. Am Ende konnten wir dem Auftraggeber, dem NLStBV, als auch den Anwohnern nach 20 Kalendertagen Sperrung der Straßenbrücke Schulstaße, das neue Brückenbauwerk zur uneingeschränkten Nutzung wieder übergeben. Ein toller Projekterfolg für alle Beteiligten! Bild 4: B68 Schulstraße, Georgsmarienhütte; Erstellen der Widerlager Bild 5: B68 Schulstraße, Georgsmarienhütte; Einschub fertiggestelltes Brückenbauwerk 3.2 „Expressbrücke“ B474 Ortsumgehung Dülmen über die ICE-Strecke Ruhrgebiet-Münster Die Bestandsbrücke der B474 Ortsumgehung Dülmen aus dem Jahr 1972 war den heutigen Verkehrsbelastungen nicht mehr gewachsen. Die schlechte Zustandsnote erforderte dringenden Handlungsbedarf, um die Bestandsbrücke schnellstens zu ersetzen. Zur Bewältigung dieser Bauaufgabe stand für den Abbruch und dem Ersatzneubau ein Zeitraum von 40 Kalendertagen als Vollsperrung der B474 sowie nur einer einzigen Sperrpause der ICE-Strecke von 51 Stunden zur Verfügung. Ein Spezialaufgabe, die wir mit unserem Brückenschnellbausystem der „Expressbrücke“ hervorragend termingerecht ´lösen konnten (siehe Bilder 6 + 7). Bild 6: B474 OU Dülmen; 15. Kalendertag Bild 7: B474 OU Dülmen; fertige Brücke nach 40 Kalendertagen 3.3 Ersatzneubau EÜ-Vellinghauser Straße in Dortmund-Sölde Im Stadtteil Dortmund-Sölde überquert die zweigleisige ICE-Strecke von Dortmund nach Soest die Vellinghauser Straße. Bei dem Bestandsbauwerk handelte es sich um eine 140 Jahre alte Natursteinbrücke, die zum einen wegen des zunehmenden Straßenverkehrs verbreitert sowie dem Bestandszustand ersetzt werden musste. Vorgesehen war zunächst ein Stahlüberbau als Einfeldträger auf einer Unterbaukonstruktion aus massiven Stahlbetonwiderlagern mit schräg verlaufenden Flügelwänden. Die Herstellung der Unterbauten sollte unter dem Schutz von Hilfsbrücken erfolgen. Als festgesetzte Bauzeit für den auftraggeberseitigen Entwurf waren 16 Monate mit den entsprechenden Sperrpausen sowie der Einrichtung einer „Langsamfahrstrecke“ vorgesehen. Durch einen Sondervorschlag der Fa. ECHTERHOFF konnte auch hier die Systembauweise „Expressbrücke“ Echterhoff zum Zuge kommen. Innerhalb von nur 18 Kalendertagen von Außerbetriebnahme der Strecke bis zur Wiederinbetriebnahme wurde die Bauaufgabe, Herstellung der EÜ als massives Stahlbetonrahmenbauwerk, einschließlich aller Abbruch-, Oberbau-, Gleisbaubausowie Stahlbetonbauarbeiten ausgeführt (Stützweite = 12,50 m). 5. Brückenkolloquium - September 2022 291 Schnellbausystem „Expressbrücke“ Bild 8: Vellinghauser Straße, Dortmund; alte Bestandsbrücke aus Naturstein, Baujahr 1880 Bild 9: Vellinghhauser Straße, Dortmund; 6. + 7. Tag Betonage Widerlager Bild 10: Vellinghauser Straße, Dortmund; 9. Tag Ortbetonergänzungsarbeiten Überbau Bild 11: Vellinghhauser Straße, Dortmund; 18. Tag Freigabe Bahnverkehr über das neue Brückenbauwerk Der Mittelstand glänzt durch Innovation und kurze Bauzeiten. Nur so können die anstehenden Herausforderungen im Brückenbau bewältigt werden - wir stehen bereit. Literatur [1] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI): „Verkehr in Zahlen 20/ 2021“, S. 344 ff.; „Gleitende Mittelfristprognose für den Güter- und Personenverkehr“, Winter 2020/ 2021 [2] Bundesanstalt für Straßenwesen (bAst): „Volkswirtschaftliche Kosten von Straßenverkehrsunfällen in Deutschland“, Mai 2020. [3] Prof. Dr.-Ing. J. Geistefeldt/ Dipl.-Ing. J. Lohoff, Ruhr-Universität Bochum, „Situation auf den Autobahnen in Nordrhein-Westfalen“, Mai 20211. [4] WirtschaftsWoche (WiWo): „Staukosten - Der Stillstand kostet Milliarden“, 12.02.2019