Brückenkolloquium
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2510-7895
expert verlag Tübingen
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Herausforderung Brückenmodernisierung – Projektbeispiele des DEGES (Maßnahmen an der A1)
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Gregor Gebert
Bei der DEGES sind ca. 40 größere Projekte der Brückenmodernisierung in Planung, im Bau bzw. wurden die fertiggestellten Ersatzneubauten bereits dem Verkehr übergeben. Beispielhaft werden drei Maßnahmen auf der A1 vorgestellt, die Teil des Brückenmodernisierungsnetzes des Autobahn GmbH ist. In Bezug auf die Randbedingung handelt es sich um höchst unterschiedliche Maßnahmen, was zeigt wie vielschichtig die Aufgabe der Brückenmodernisierung sein kann. Beim Ersatzneubau der Norderelbbrücke in Hamburg muss das vorhandene, denkmalgeschützte Bauwerk aufgrund seiner eingeschränkten Restnutzungsdauer ersetzt werden, wobei der 8-streifige Ausbau der BAB im Hamburger Stadtgebiet zu berücksichtigen ist. Die Ertüchtigung der Weserstrombrücke in Bremen soll zeitlich Luft verschaffen, damit das Bauwerk noch ca. 20 Jahre betrieben werden kann, bis dann der eigentliche Ersatzneubau realisiert wird. Die Talbrücke Volmarstein in Nordrhein-Westfalen befindet sich in einem topographisch schwierigen Baufeld und während der Bauzeit wurde ein besonderer Weg gefunden, um frühzeitig alle 6 Fahrstreifen über einen Überbau führen zu können. Alle Projekte weisen somit ihre spezifischen Besonderheiten auf und befinden sich in unterschiedlichen Phasen der Umsetzung.
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5. Brückenkolloquium - September 2022 355 Herausforderung Brückenmodernisierung - Projektbeispiele der DEGES (Maßnahmen an der A1) Dipl.-Ing. Gregor Gebert DEGES GmbH, Berlin Zusammenfassung Bei der DEGES sind ca. 40 größere Projekte der Brückenmodernisierung in Planung, im Bau bzw. wurden die fertiggestellten Ersatzneubauten bereits dem Verkehr übergeben. Beispielhaft werden drei Maßnahmen auf der A1 vorgestellt, die Teil des Brückenmodernisierungsnetzes des Autobahn GmbH ist. In Bezug auf die Randbedingung handelt es sich um höchst unterschiedliche Maßnahmen, was zeigt wie vielschichtig die Aufgabe der Brückenmodernisierung sein kann. Beim Ersatzneubau der Norderelbbrücke in Hamburg muss das vorhandene, denkmalgeschützte Bauwerk aufgrund seiner eingeschränkten Restnutzungsdauer ersetzt werden, wobei der 8-streifige Ausbau der BAB im Hamburger Stadtgebiet zu berücksichtigen ist. Die Ertüchtigung der Weserstrombrücke in Bremen soll zeitlich Luft verschaffen, damit das Bauwerk noch ca. 20 Jahre betrieben werden kann, bis dann der eigentliche Ersatzneubau realisiert wird. Die Talbrücke Volmarstein in Nordrhein-Westfalen befindet sich in einem topographisch schwierigen Baufeld und während der Bauzeit wurde ein besonderer Weg gefunden, um frühzeitig alle 6 Fahrstreifen über einen Überbau führen zu können. Alle Projekte weisen somit ihre spezifischen Besonderheiten auf und befinden sich in unterschiedlichen Phasen der Umsetzung. 1. Einleitung Unser Autobahnnetz umfasst ca. 28.000 Brücken-Teilbauwerke, wovon die überwiegende Zahl der Bauwerke in den 1960er bis 1980er Jahren errichtet worden ist. Der überproportional angestiegene Schwerverkehr hat der Substanz vieler dieser Brücken stark zugesetzt. Besonders betroffen sind hier die Großbrücken, die neuralgische Punkte der Verkehrsinfrastruktur darstellen. Die DEGES leistet hier seit vielen Jahren einen wichtigen Beitrag für die Erneuerung der Brückeninfrastruktur. Fast 40 Großbrücken werden aktuell geplant, befinden sich in der Bauvorbereitung bzw. im Bau und einige konnten bereits fertiggestellt und dem Verkehr übergeben werden. Mit Übernahme der Auftragsverwaltung der Bundesautobahnen von den Ländern durch die Autobahn GmbH wurden die Aufgaben der Brückenmodernisierung neu sortiert und in Bezug auf deren Dringlichkeit priorisiert. Im Ergebnis wurde ein Brückenmodernisierungsnetz definiert, welches die vorrangig zu modernisierenden BAB- Strecken festgelegt. Dies ist notwendig um zum einen die Anzahl gleichzeitiger Baustellen zu begrenzen und zum anderen müssen die Maßnahmen in Bezug auf die personellen und finanziellen Ressourcen auch gestreckt werden. Die A1 ist wesentlicher Bestandteil dieses Brückenmodernisierungsnetzes. Die DEGES ist hier mit Planung und Bau mehrerer Großbrücken aktiv beteiligt. Drei höchst unterschiedliche Maßnahmen werden im Folgenden näher vorgestellt (Abb. 1). Des Weiteren ist die DEGES für die Durchführung des ÖPP-Verfahrens zwischen Osnabrück und Münster in Nordrhein-Westfalen zuständig, welches die Modernisierung der A1 auf einer Gesamtlänge von ca. 52 km beinhaltet. Abb. 1: DEGES-Projekte auf der A1 2. Die Norderelbbrücke in Hamburg Ausgangslage Die Norderelbbrücke ist ein herausragendes Zeugnis der Ingenieurskunst der 1960er Jahre, geprägt durch einen heute kühn anmutenden Minimalismus der Konstruktion (Abb. 2). Wie bei Brücken aus der damaligen Zeit üblich, handelt es sich um einen einteiligen Überbau. Man ist fast erstaunt, dass die Brücke der stetig steigenden Belastung so lange standgehalten hat. Um einen dritten Fahrstreifen aufzunehmen wurde sie 1988 umgebaut und für die Brückenklasse 60/ 30 ertüchtigt. In einem Gutachten von 2016 wurde eine Restnutzungsdauer der Norderelbbrücke von ca. 10 Jahren ausgewiesen. 356 5. Brückenkolloquium - September 2022 Herausforderung Brückenmodernisierung - Projektbeispiele der DEGES (Maßnahmen an der A1) Abb. 2 Vorhandene Norderelbbrücke A1 Eine Verstärkung der Norderelbbrücke ist aufgrund der konstruktionsbedingten Defizite nicht möglich. Aber auch die verkehrlichen Anforderungen haben sich grundlegend geändert. Die Prognose 2030 weist für die A1 hier einen DTV von 159.000 Kfz/ 24h aus. Der Bundesverkehrswegeplan sieht daher die Erweiterung der A1 von 6 auf 8 Fahrstreifen vor. Darüber hinaus erfordern die unmittelbar angrenzenden Autobahndreiecke beidseitig zwei zusätzliche Verflechtungsstreifen, so dass der Neubau insgesamt 12 (! ) Fahrstreifen zzgl. Standstreifen überführen muss und damit künftig mehr als doppelt so breit sein wird, wie der Bestandsquerschnitt (s. Abb. 3). Abb. 3 Vergleich neuer / alter Verkehrsquerschnitt Es gibt somit zwei Gründe, das Bauwerk zu ersetzen. Zum einen führte der Schwerverkehr zu einem irreversiblen Schadensfortschritt infolge Materialermüdung und zum anderen genügt das Bauwerk aufgrund seiner zu geringen Breite nicht mehr den heutigen Anforderungen. Mit Hochdruck erfolgt daher die Planung für einen Ersatzneubau. Ziel ist es, das bestehende Bauwerk schnellstmöglich außer Betrieb zu nehmen. Randbedingungen Die Verknüpfung mit dem 8-streifigen Ausbau der A1 in Hamburg auf ca. 8 km Länge bedingt eine weiträumige Gesamtplanung (Strecke, Bauwerke, Lärmschutz etc.) und zum anderen auch aufwändige Abstimmungen insbesondere in Bezug auf die Minimierung des Umwelteingriffs. Im Unterschied zum Bestand besteht der Neubau aus getrennten Teilbauwerken für jede Richtungsfahrbahn, was eine heute allgemein übliche Anforderung ist. Der Neubau muss unter vollständiger Aufrechterhaltung der vorhandenen 6 Fahrstreifen erfolgen. Solche Forderungen sind kennzeichnend für heutige Ersatzneubauten, denn wo der Querschnitt schon heute völlig überlastet ist, können auch bauzeitlich keine weiteren Einschränkungen zugelassen werden. Das erste Teilbauwerk des Ersatzneubaus wird dementsprechend unmittelbar neben dem Bestandsbauwerk errichtet. Nach Rückbau der Bestandsbrücke wird an deren Stelle dann das zweite Teilbauwerk errichtet. Die Verkehrsführung auf der A1 erfolgt mit jeweils drei Fahrstreifen je Fahrtrichtung: in Bauphase 1 wie bisher auf dem Bestandsbauwerk und in Bauphase 2 über das zuvor neu errichtete Teilbauwerk Nord. Mit diesem Baukonzept ist eine dauerhafte Verschiebung der Autobahnachse im Brückenbereich verbunden. Das Bauwerk ist umgeben von sensiblen Naturräumen. Unmittelbar südlich befindet sich das FFH-Gebiet „Hamburger Unterelbe“ sowie das Naturschutzgebiet „Auenlandschaft Norderelbe“ und nördlich das EU-Vogelschutzgebiet und Naturschutzgebiet „Holzhafen“. Eingriffe sind hier sowohl im Bauals auch im Endzustand zu minimieren. 5. Brückenkolloquium - September 2022 357 Herausforderung Brückenmodernisierung - Projektbeispiele der DEGES (Maßnahmen an der A1) Ersatzneubau Aufgrund der baugestalterischen und technischen Bedeutung wurde 2018/ 2019 für den Ersatzneubau der Norderelbbrücke ein Realisierungswettbewerb durchgeführt. Der Siegerentwurf sieht eine dreifeldrige, asymmetrische Schrägseilbrücke mit Stützweiten von 55 - 205 - 80 m vor (s. Abb. 4). Der Querschnitt des Überbaus wird als geschlossener Hohlkasten ausgebildet - im Bereich der Norderelbe mit einer orthotropen Stahlfahrbahn und in den Randfeldern mit einer Verbundplatte. Die Pylone haben einen achteckigen Querschnitt mit über die Höhe unterschiedlichen Abmessungen. Innovativ sind die außenliegende Verankerung und die Ausbildung als Stahlverbundquerschnitt, wodurch die sonst abmessungsbestimmende Zugänglichkeit im Inneren der Pylone entfällt. Damit können die Abmessungen der relativ niedrigen Pylone auf das statisch-konstruktiv erforderliche Notwendige reduziert werden. Abb. 4 Entwurf der Norderelbbrücke (Visualisierung) Auf der Südseite befindet sich ein kombinierter Geh- und Radweg, welcher außerhalb der Seilebene liegt und somit räumlich vom Fahrbahnbereich getrennt ist. Die Entwurfsplanung ist weitgehend abgeschlossen. Terminlich bestimmend ist die Durchführung des Planfeststellungsverfahrens. Gemäß dem aktuellen Zeitplan soll 2024 Baurecht vorliegen, so dass der Ersatzneubau des ersten Teilbauwerks und damit die Außerbetriebnahme des Bestandes ca. 2027 erfolgen könnte. 3. Die Weserbrücke in Bremen Ausgangslage Die Weserbrücke ist ein optisch eher unauffälliges Bauwerk, aus ingenieurtechnischer Sicht ist sie aber ein hochinteressantes Objekt. Das originäre Bauwerk wurde 1962 als Deckbrücke mit getrennten Überbauten errichtet. Es ist in Längsrichtung unterteilt in die 281 m lange Strombrücke aus Stahl und die ca. 260 m lange Vorlandbrücke aus Spannbeton (Abb. 5). Abb. 5. Die Weserstrombrücke der A1 in Bremen Zwischen den beiden jeweils 11,40 m breiten Überbauten gab es ursprünglich einen Lichtraum von ca. 8,40 m Breite. Im Zuge des Ausbaus der A1 im Jahre 1977 auf 6 Fahrstreifen wurde dieser Zwischenraum genutzt, jedoch war dieser nicht ausreichend groß. Daher wurden die Bestandsüberbauten nach entsprechender Verbreiterung der vorhandenen Pfeiler und Widerlager mittels Querverschub um ca. 3 m nach außen verschoben und dann in die somit ausreichend große Lücke die Verbreiterung gesetzt. Damit nicht genug, wurde die Verbreiterung biegesteif mit dem Bestand zu einem einteiligen, 37 m breiten Gesamtquerschnitt gekoppelt. (Abb. 6). Eine mutige und beeindruckende Ingenieurleistung, die heute kaum noch umsetzbar wäre! Abb. 6 Verbreiterung der Weserbrücke A1 358 5. Brückenkolloquium - September 2022 Herausforderung Brückenmodernisierung - Projektbeispiele der DEGES (Maßnahmen an der A1) An beiden Querschnittsteilen lässt sich sehr gut die technische Entwicklung der orthotropen Fahrbahnplatte nachvollziehen. Während der originäre Querschnitt von 1962 noch offene Wulstprofile als Längssteifen aufweist, sind bei dem Querschnitt von 1977 bereits die heute üblichen Trapezsteifen verbaut (Abb. 7). Abb. 7 Orthotrope Fahrbahn von 1962 und 1977 Aufgrund von fortschreitenden Schadensbildern insbesondere in dem originären Bauwerksteil von 1962 ist eine grundlegende Ertüchtigung des Bauwerks erforderlich. Damit soll Zeit gewonnen werden bis zu dem Zeitpunkt, wo das Bestandsbauwerk vollständig durch einen Ersatzneubau ersetzt werden kann. Bis zur Realisierung der Verstärkung wird der Bauwerkszustand durch umfangreiche Sonderprüfungen in einem engen Prüfturnus von 3 Monaten überwacht. Für den späteren Ersatzneubau erfolgt derzeit eine umfassende Machbarkeitsstudie, die auch alternative Trassierungsvarianten der A1 im weiteren Bauwerksbereich beinhaltet. Ertüchtigung Die Ertüchtigung der Stahlkonstruktion umfasst folgende wesentliche Maßnahmen am Überbau von 1962 (Abb. 8): - Erhöhung Beulwiderstand von Hauptträgerstegen und Bodenblech - Verstärkung der Kragarme mit Schrägstreben - Verstärkung der genieteten Montagestöße - Verstärkung des Quersystems (Querverbandsanschlüsse, Querverbände und Querrahmen) - Reparatur des Anschlusses Längs-/ Querträger Abb. 8 Übersicht Verstärkungsmaßnamen Darüber hinaus werden im Zuge der Ertüchtigungsmaßnahme weitere Instandsetzungsmaßnahmen durchgeführt: - Austausch der Fahrzeugrückhaltesysteme - Erneuerung Abdichtung und Fahrbahnbelag - Erneuerung der Kappen - Instandsetzung der Brückenentwässerung - Einbau von Laufstegen und Beleuchtung in den Hohlkästen - Instandsetzung der Fahrbahnübergangskonstruktionen Da viele Arbeiten „von oben“ durchzuführen und mit entsprechenden Eingriffen in den Verkehr auf der A1 verbunden sind, müssen auch die dazu erforderlichen Verkehrsführungen geplant werden. In Bezug auf die Abstimmungen, die Kosten und die Ausschreibung sind solche „Nebenleistungen“ keineswegs zu unterschätzen. Aktuell wird die Ausschreibung der Baumaßnahme vorbereitet, die Bauausführung ist 2023/ 2024 vorgesehen. 4. Die Talbrücke Volmarstein Ausgangslage Mitte 2014 wurden der DEGES vom Land NRW ein Paket mit drei größeren Ersatzneubauten auf der A1 übertragen. Hierbei handelt es sich um die Brücke Bahnhof Hengstey bei Hagen, die Schwelmetalbrücke in Wuppertal sowie die Talbrücke Volmarstein, auf die im Folgenden näher eingegangen werden soll. Das ursprüngliche Bauwerk wurde 1958 als Spannbeton- Durchlaufträger über 10 Felder mit einer Gesamtlänge von 315 m und einer Gesamtbreite von 28 m errichtet (Abb. 9). Abb. 9 Bestandsbauwerk von 1958 Die jeweils ca. 14 m breiten Überbauten bestehen aus 2-zelligen Hohlkästen. Ursprünglich für 4 Fahrstreifen ausgelegt, erfolgte Mitte der 1980er Jahre der 6-streifigen Ausbau der A1 und die Umwidmung der beiden Standstreifen, so dass dann 6 Fahrstreifen überführt wurden. 5. Brückenkolloquium - September 2022 359 Herausforderung Brückenmodernisierung - Projektbeispiele der DEGES (Maßnahmen an der A1) Aufgrund von Tragfähigkeitsdefiziten und des schlechten baulichen Zustandes wurde das Bauwerk 2014 auf 44 t beschränkt und die Planungen für den Ersatzneubau aufgenommen. Besonderheiten Das Bauwerk ist im eigentlichen Sinne keine Talbrücke, sondern eine Hangbrücke. Die ausgeprägte Hanglage erschwert die Zugänglichkeit des Baufeldes erheblich (Abb. 10) Schon im Rahmen der Entwurfsplanung war die Baufelderschließung mit Zufahrten von der Autobahn in das Baufeld ein wichtiges Thema. Des Weiteren quert eine Hochspannungsleitung die Brücke, was den Einsatz von Kranen in Bezug auf die begrenzte Höhe limitiert. Abb. 10 Baufeld in Hanglage Die A1 ist im gesamten Streckenbereich 6-streifig ausgebaut. Aufgrund der geometrischen und örtlichen Randbedingungen war es nicht möglich bauzeitlich alle Fahrstreifen aufrechtzuerhalten. Der Bauablauf war daher wie folgt vorgesehen (Abb. 11): 1. Einrichtung 2+2-Verkehrsführung für vorbereitende Arbeiten. 2. Einrichtung 4+0-Verkehrsführung auf dem Teilbauwerk FR Köln, dann Abbruch und Neubau FR Bremen. 3. Errichtung 5+0-Verkehrsführung auf dem neuen Teilbauwerk FR Bremen, dann Abbruch und Neubau FR Köln. Abb. 11 Bauphasen gemäß Ausschreibung Für diese Verkehrsführungen wurden im Bauvertrag die Dauer in Kalendertagen festgelegt und es wurde eine Beschleunigungsvergütung für den Fall vereinbart, dass die Dauer dieser Verkehrseinschränkungen unterschritten wird. Ersatzneubau Der Ersatzneubau wurde in gleicher Lage errichtet. Gegenüber dem Bestand wurde das Bauwerk um ein Feld verkürzt, wobei die neuen Pfeiler jeweils mittig zwischen den Altpfeilern platziert sind. Das 9-feldrige Bauwerk hat damit eine Länge von nur noch 285 m. Als Querschnitt wurde ein einfacher, zweistegiger Plattenbalken gewählt. Der neue Querschnitt überführt neben den 2 x 3 Fahrstreifen auch die Standstreifen, so dass sich die Gesamtbreite gegenüber dem Bestand auf ca. 38 m vergrößert. Die Mehrbreite gegenüber dem Bestand aufgrund der Ergänzung von Standstreifen wurde planrechtlich als unwesentliche Änderung eingestuft, auf ein Planfeststellungsverfahren wurde verzichtet. Dies entbindet allerdings jedoch nicht von einer Genehmigung (Plangenehmigung) und der Herstellung des Einvernehmens mit allen Beteiligten, was eine relativ lange Zeit beansprucht hat. Inzwischen ist die Baumaßnahme weitgehend abgeschlossen. Im Zug der Bauausführung wurde durch den AN ein interessanter Vorschlag unterbreitet, der es ermöglicht, auf dem zuerst errichteten Teilbauwerk FR Bremen zwischenzeitlich sechs anstatt fünf Fahrstreifen, wie ursprünglich vorgesehen, aufzunehmen (Abb. 12). Bauzeitlich wurde auf die Außenkappe verzichtet und dieser Raum konnte für einen 6. Fahrstreifen genutzt werden. Abb. 12 Konzept für die 6+0-Verkehrsführung Es ist klar, dass damit nicht unerhebliche Mehraufwendungen verbunden. Die betrifft die temporäre Verankerung des Fahrzeugrückhaltesystems und des Geländers (Abb. 13), die nachträgliche Anpassung von Abdichtung, Belägen und der Entwässerung. Des Weiteren ergibt sich eine zusätzliche Bauphase zur Herstellung des finalen Zustandes der Kappe. 360 5. Brückenkolloquium - September 2022 Herausforderung Brückenmodernisierung - Projektbeispiele der DEGES (Maßnahmen an der A1) Abb. 13 Kragarmausbildung für 6+0-Verkehrsführung Auch der Verkehrsquerschnitt der anschließenden Bestandsstrecke incl. der Mittelstreifenüberfahrten musste entsprechend ausgebaut werden, um diese Verkehrsführungen zu ermöglichen. Allerdings steht dem der Mehrwert einer 6+0-Verkehrsführung über einen Zeitraum von fast 2 Jahren gegenüber. Die maximale Verfügbarkeit von Fahrstreifen ist ein wesentliches Kriterium bei der Planung von Ersatzneubauten. Darüber hinaus können mit bauvertraglichen Anreizen Verkürzungen der Dauern von Verkehrseinschränkungen erreicht werden. 5. Fazit Mit den Beispielen wurden einige wesentliche Aspekte aufgezeigt, die uns heute bei der Brückenmodernisierung beschäftigen. Der Erfolg wird nicht nur die die richtige ingenieurtechnische Lösung bestimmt, sondern durch eine Vielzahl von weiteren Punkten. Hervorzuheben ist dabei die notwendige Baurechtsschaffung, die insbesondere dann zeitbestimmend ist, wenn mit dem Ersatzneubau auch ein Ausbau der Strecke verbunden ist bzw. wenn das Bauvorhaben sensible Schutzgebiete oder Habitate tangiert. Wesentlich hierbei ist auch die Erschließung der Baustelle, da dies zu Eingriffen und Betroffenheiten Dritter führen kann. Fotonachweis: alle Abb. Quelle DEGES außer Abb. 2 (Quelle LSBG Hamburg)
