6. Brückenkolloquium 2024 - Oktober 2024 433 Schnelle Errichtung von Autobahnbrücken mit dem LT-Brückenbauverfahren Prototyp und geplante Projekte Prof. Dr.-Ing. Johann Kollegger Technische Universität Wien, Österreich Dipl.-Ing. Franz Untermarzoner Technische Universität Wien, Österreich Prof. Dr.-techn. Patrick Huber Technische Universität Wien, Österreich Zusammenfassung Bauherren von Infrastrukturbauwerken stehen in den kommenden Jahren vor enormen Herausforderungen. Viele Ingenieurbauwerke, insbesondere Brücken, müssen saniert oder neu gebaut werden. Sie halten entweder den aktuellen Belastungen nicht mehr stand oder weisen Dauerhaftigkeitsprobleme auf. Gespräche mit Bauherren haben gezeigt, dass ein zügiger Baufortschritt bei Ersatzneubauten von entscheidender Bedeutung ist. Die Baustellen sollen den normalen Verkehrsfluss so wenig wie möglich beeinträchtigen. Demzufolge wurde ein neues, ressourcenschonendes und schnelles Bauverfahren für Brücken entwickelt. Um den genannten Anforderungen gerecht zu werden, wurden innovative Fertigteilelemente für die Längsträger und die Fahrbahnplatte entworfen. Diese werden durch Anschlussbewehrung und eine Ortbetonschicht auf der Baustelle verbunden. Ein Vergleich der Umweltauswirkungen basierend auf den Baustoffen (Lebenszyklusphasen A1-A3) zwischen einem Bauabschnitt einer LT-Brücke und einer typischen deutschen Autobahnbrücke zeigt ein geringeres Treibhauspotenzial der neuen Brückenbaumethode aufgrund der Einsparung von Baustoffen. 1. Einleitung Die Auswertung der Brückenstatistik 2023 der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)-[1] hat gezeigt, dass der größte Teil der Brückenflächen der Bundesfernstraßen in den 1960er und 1970er Jahren gebaut und in Betrieb genommen wurde. Die ältesten Brücken aus dieser Zeit sind rund 60 Jahre alt, was 60-% der geplanten Nutzungsdauer nach heutiger Normenlage entspricht. Für rund 940 Brücken wird jedoch derzeit ein Ersatzneubau geplant oder ist bereits in Ausführung. Zwei Drittel dieser Bauwerke wurden in den oben genannten Zeiträumen errichtet. Diese Zahlen zeigen, dass Bauherren, Bauingenieure und Bauunternehmer in den kommenden Jahren vor einer erheblichen Herausforderung stehen werden, um die derzeitige Infrastruktur mit ausreichender Sicherheit für die Verkehrsteilnehmer zu erhalten. In Gesprächen mit Bauherren wurde deutlich, dass die Geschwindigkeit des Baufortschritts eine entscheidende Rolle für den erfolgreiche Abwicklung des Projekts spielt, wenn eine Brücke ersetzt werden muss. Auf diese Weise können erhebliche Verkehrsbehinderungen vermieden werden, was sich erheblich auf die Ökobilanz auswirkt. Darüber hinaus wird die Ressourceneffizienz von Brückenbauwerken in absehbarer Zeit zu einem immer wichtigeren Bewertungskriterium bei der Auftragsvergabe werden. Für Brückenbauwerke über bestehende Infrastrukturen sind bereits verschiedene Lösungen entwickelt worden. Ein Beispiel ist die VFT®-Bauweise-[2], mit der zwei Richtungsfahrbahnen mit mehreren Fahrspuren schnell, mit geringer Bauhöhe und ohne Mittelstützen überspannt werden können. Eine neue Entwicklung, die durch die zukünftige Version des BEM-ING in Deutschland-[3] ermöglicht wird, ist der Einsatz von Hochleistungsbetonen mit einer Qualität von bis zu C80/ 95-[4]. Mit dieser Technologie können Fertigteile mit Spannweiten von 45-m als Einfeldträger ohne Zwischenstützen sechsspurige Autobahnen überspannen-[5]. Für Brücken mit noch größeren Spannweiten von bis zu 80-m werden UHPFRC-Fertigteilbrücken vorgeschlagen-[6]. Im Gegensatz zu Segmenten mit konventionellen Betongüten (z. B. C40/ 50) kann der Ressourcenverbrauch bei besonders dünnwandigen Segmenten mit Rippenstrukturen und Hochleistungsbeton deutlich reduziert werden. Am Institut für Tragkonstruktionen (TU Wien) wurde eine neue Brückenbauweise für Autobahn- und Eisenbahnbrücken im Spannweitenbereich von 30 bis 50-m entwickelt. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf die Ressourceneffizienz und die Bauzeit gelegt. 2. LT-Brückenbaumethode Der Name der Brückenbauweise leitet sich von den Spannrichtungen der Fertigteile ab. Die Längsträger spannen in Längsrichtung-(L) der Brücke, während die Fahrbahnplattenelemente in transversaler Richtung-(T) der Brücke spannen. 434 6. Brückenkolloquium 2024 - Oktober 2024 Schnelle Errichtung von Autobahnbrücken mit dem LT-Brückenbauverfahren 2.1 Fertigteile 2.1.1 Längsträger Ein Längsträger besteht aus Wandelementen, einer Bodenplatte und einer Deckplatte. Die Länge eines Längsträgers entspricht in etwa der Spannweite der Brücke abzüglich der Dicke der Vergussfugen. Ist es nicht möglich, den Längsträger in seiner gesamten Länge zur Baustelle zu transportieren, so kann er aus mehreren Teilsegmenten mit Spanngliedern auf der Baustelle verbunden werden. Der Längsträger wird aus hochfestem Beton (C80/ 95) hergestellt. Dadurch ist es möglich, das Gewicht für den Transport und die Hebearbeiten gering zu halten. Ausschlaggebend für die Wanddicke der Längsträger sind die maximale Tragfähigkeit der Betondruckstreben (Querkraft- und Torsionseinwirkung) und das Zusammenwirken von Querkraft und Querbiegung in den dünnwandigen Elementen. Die Verwendung von hochfestem Beton ermöglicht den Bau von sehr dünnwandigen Elementen (t = 120-150-mm). Eine weitere Maßnahme, um das Gewicht des Längsträgers zu minimieren, ist die Verwendung von dünnen Deck- und Bodenplatten (t = 60- 70-mm). Die Einbauteile eines Längsträgers sind Spanngliedverankerungen und Umlenkpunkte. Abbildung 3 zeigt einen Längsträger mit Verankerungen, Umlenkungen und Spanngliedern. Der hintere Teil des Bildes zeigt den Längsträger, wie er vom Fertigteilwerk auf die Baustelle kommt, während die vordere Abbildung den Längsträger im eingebauten Zustand zeigt. Wird der Längsträger erst auf der Baustelle aus Segmenten zusammengesetzt, werden die Spannglieder (blau) vor Ort auf einem Montageplatz vorgespannt. Nach dem Einbau des Längsträgers wird zunächst eine Lage Ortbeton auf die Bodenplatte und dann, nach Versetzen der Fahrbahnplattenelemente, auf die Deckplatte aufgebracht. Abb. 1: LT-Brücke: 3D Ansicht mit Darstellung der Fertigteile und Ortbetonschicht Abb. 2: LT-Brücke: Querschnitt 6. Brückenkolloquium 2024 - Oktober 2024 435 Schnelle Errichtung von Autobahnbrücken mit dem LT-Brückenbauverfahren Abb. 3: Längsträger im Fertigteilwerk (hinten) und im eingebauten Zustand (vorne) Um sicherzustellen, dass die Brücke eine durchgehende Längsbewehrung hat, werden in den Pfeilersegmenten Schraubmuffen eingebaut. Mit diesen Kupplungen wird die untere Längsbewehrung, die sich auf der Bodenplatte des Längsträgers befindet, in der Ortbetonschicht verbunden. Die obere Längsbewehrung wird erst nach dem Auflegen der Fahrbahnplattenelemente auf die Längsträger eingebaut. Auf der Oberseite der Längsträger ragt die Schubbewehrung aus den Wandelementen heraus. Sie dient als Anschlussbewehrung, um die Längsträger und die Fahrbahnelemente mit Ortbeton zu verbinden. 2.1.2 Fahrbahnplattenelement Das Fahrbahnplattenelement stellt das untere Element der Fahrbahnplatte dar und wird ebenfalls im Fertigteilwerk hergestellt (siehe Abbildung- 4). Es besteht aus dünnen Platten (t = 80-mm), die durch Querbalken miteinander verbunden sind. An den seitlichen Enden des Fahrbahnplattenelements sind Aufkantungen angeordnet, die als vertikale Schalung für die Ortbetonschicht dienen. Im Bereich der Längsträger befinden sich Aussparungen, in denen die Anschlussbewehrung (Bügel und Gitterträger) des Längsträgers Platz findet. Die Deckplatte des Längsträgers dient in diesem Bereich als untere Schalung für die Betondecke. Die Fahrbahnplattenelemente sind mit Elastomerlagern auf dem Längsträger gelagert. Abb. 4: Fahrbahnplattenelement 2.2 Vorspannung Bei der LT-Brückenbauweise werden verschiedene Arten von Spanngliedern verwendet: - Spannglieder des Typs 1 (innenliegend, Litzen in PE- Hüllrohren, verpresst mit Zementmörtel) - Spannglieder Typ 2 (extern, Monolitzen in PE-Hüllrohren, mit Zementmörtel verpresst) - Spannglieder für die Fahrbahnplatte (innenliegend, ohne Verbund) Wenn der Längsträger in einem Stück vom Fertigteilwerk zur Baustelle transportiert werden kann, erfolgt die Vorspannung mit den Spanngliedern Typ-1 bereits im Fertigteilwerk. Ansonsten werden die einzelnen Segmente auf der Baustelle zu einem Längsträger verbunden, der in etwa der Länge eines Feldes entspricht. Die Spannglieder des Typs 1 sind gerade und verlaufen knapp oberhalb der Bodenplatte des Längsträgers. Ausgehend von den Pfeilerachsen werden die Spannglieder um etwa 10- % der Spannweite nach innen verschoben. Nach dem Vorspannen werden die PE-Hüllrohre verpresst. Die Hüllrohre sind in diesem Stadium noch nicht von Ortbeton umgeben. Der Beton wird erst beim Einbau des Längsträgers auf die Bodenplatte aufgebracht. Spannglieder des Typs 2 sind erforderlich, um ein durchgehendes Brückenbauwerk zu schaffen. Sie verlaufen im Hohlraum der Längsträger. Die Hochpunkte der Spannglieder befinden sich in den Pfeilersegmenten, während die Tiefpunkte an den Umlenkstellen des Längsträgers liegen, die sich bei 25-% und 75-% der Spannweite befinden. Einige Vorschriften verlangen, dass die externen Spannglieder entspannbar, austauschbar und nachspannbar sein müssen. Die Zugänglichkeit mit einer Spannpresse muss daher sowohl während des Baus als auch später gewährleistet sein. Daher werden die Spannverankerungen so positioniert, dass nachträglich eine Spannpresse angesetzt werden kann. Während der Bauphase 436 6. Brückenkolloquium 2024 - Oktober 2024 Schnelle Errichtung von Autobahnbrücken mit dem LT-Brückenbauverfahren werden die Spannglieder des Typs 2 schrittweise vorgespannt, um sicherzustellen, dass keine Zugspannungen in den Fertigteilen und den Ortbetonergänzungen auftreten. In der Fahrbahnplatte wird eine Quervorspannung ohne Verbund angeordnet. Dadurch ist es möglich, die Dicke am Beginn der Auskragung der Fahrbahnplatte zu reduzieren. Darüber hinaus ergeben sich weitere Vorteile, wie z. B. ein verbesserter Ermüdungswiderstand in Querrichtung-[7]. Die Dicke am Ende der Kragplatten kann durch die Verwendung von Spanngliedern mit nebeneinander angeordneten Litzen in den Verankerungskonstruktionen auf ein Minimum reduziert werden. 3. Vergleich der Umweltauswirkungen auf Basis der Baumaterialien In diesem Abschnitt werden die Umweltauswirkungen eines Bauabschnitts einer mittels Kranmontage errichteten LT-Brücke und einer typischen deutschen Autobahnbrücke in Ortbetonbauweise auf einem Gerüst verglichen. Abbildung 5 zeigt die Querschnitte der beiden Brückenvarianten. Der Ressourcenverbrauch, der durch die Baustoffe des Überbaus entsteht, wird durch die Lebenszyklusphasen A1-A3 dargestellt und berücksichtigt die Beschaffung von Rohstoffen, den Transport und die Herstellung. Der folgende Verbrauch von Baumaterialien wird analysiert: - Beton - Bewehrungsstahl - Spannstahl Mit den Daten aus den Schalungs-, Bewehrungs- und Spanngliedplänen in Kombination mit ausgewählten Umweltproduktdeklarationen (siehe Tabelle 1) kann für die beiden Brückenvarianten das Treibhauspotenzial (GWP) berechnet werden, das in der Einheit „CO2-eq.“ angegeben wird. Tab. 1: Kennwerte des Erderwärmungspotentials (GWP) der verwendeten Baustoffe in den Lebenszyklusphasen A1-A3 Material Einheit GWP in kg CO2-eq. Quelle Beton (C40/ 50) m³ 293 [8] Beton (C80/ 95) m³ 389 [6] Bewehrung (B500-B) kg 0,64 [9] Spannstahl (Y1860-C) kg 2,3 [10 ⁠ - 13] 3.1 Berechnungsmodell der LT-Brücke Das Berechnungsmodell für die LT-Brücke wurde mit der Software SOFiSTiK 2022 erstellt. SOFiSTiK 2022 und das nichtlineare Querschnittsberechnungsprogramm INCA2 wurden für den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit und der Grenzzustände der Tragfähigkeit verwendet. Es wurde eine 152-m lange LT-Brücke mit vier Feldern modelliert. Die Längen der beiden Endfelder betragen 34-m, die der Mittelfelder 42-m. Die Topographie des zu überspannenden Tals erlaubt eine Kranmontage. Der Vorbau erfolgt feldweise. Die grundlegenden Normen für die statischen Berechnungen sind der Eurocode 1 und Eurocode 2 mit den dazugehörigen nationalen deutschen Anwendungsdokumenten. Der zweite Bauabschnitt mit einer Spannweite von 42-m wird zur Bewertung des Treibhauspotenzials untersucht. 3.2 Ergebnisse Die Volumina und Gewichte der Baustoffe für die Ortbetonbrücke wurden den Schalungs-, Bewehrungs- und Spanngliedplänen einer typischen deutschen Autobahnbrücke mit 34- m langen Endfeldern und 42- m langen Mittelfeldern entnommen. Für den Vergleich wurden die Massen aus dem zweiten Bauabschnitt herangezogen. Auf der Grundlage der statischen Berechnungen der LT- Brücke wurden Schalungs-, Bewehrungs- und Spanngliedpläne erstellt, aus denen die Volumina und Gewichte der Baustoffe ermittelt werden konnten. Eine Zusammenfassung der Baustoffmassen des zweiten Bauabschnittes für die beiden Varianten ist in Tabelle 2 dargestellt. Abbildung 5 zeigt die Datenauswertung aus Tabelle 1 und Tabelle 2. 6. Brückenkolloquium 2024 - Oktober 2024 437 Schnelle Errichtung von Autobahnbrücken mit dem LT-Brückenbauverfahren Tab. 2: Volumina und Gewichte der Baustoffe des zweiten Bauabschnitts für die beiden Bauvarianten Variante Material Volumen in m³ Masse in t Ortbetonbrücke Ortbeton (C40/ 50) Bewehrung (B500-B) Spannstahl (Y1860-C) 620,6 8,2 3,2 1489,3 64,1 25,2 LT-Brücke Beton Fertigteilbeton (C40/ 50) Fertigteilbeton (C80/ 95) Ortbeton (C40/ 50) Bewehrung (B500-B) Spannstahl (Y1860-C) 379,0 75,6 81,3 222,1 6,2 1,7 909,6 181,4 195,0 533,2 48,4 13,2 Abb. 5: Erderwärmungspotential in den Lebenszyklusphasen A1-A3 der beiden Bauvarianten für den zweiten Bauabschnitt Ein direkter Vergleich der beiden Bauvarianten zeigt eine Reduzierung des Treibhauspotenzials um 35,9-% für die LT-Brücke. Einsparungen sind vor allem beim Verbrauch von Beton und Spannstahl zu verzeichnen. Dies resultiert aus der Verwendung von Hochleistungsbeton bei gleichzeitiger Volumenreduzierung durch einen Hohlquerschnitt mit größerer Bauhöhe. Das daraus resultierende geringere Eigengewicht des Überbaus wirkt sich positiv auf die Dekompressionsnachweise des Querschnitts aus, so dass weniger Spannstahl benötigt wird. Eine Verringerung des Treibhauspotenzials wirkt sich auch auf den Verbrauch von Betonstahl aus. Dieser fällt in der Bilanz jedoch nicht so stark ins Gewicht wie die Einsparungen bei Beton und Spannstahl. Dies ist auf die Regelungen im Eurocode 2 bezüglich der Mindestbewehrungsmengen zurückzuführen. Die Tragwerkshöhe der LT-Brücke wurde im Vergleich zur Ortbetonbrücke um 80-cm erhöht, was zu günstigeren Werten bei der Berechnung der Widerstandsmomente führt, da die Höhe in diesen Berechnungen quadratisch ist. Allerdings geht diese Erhöhung mit einer Verringerung der Schlankheit der LT-Brücke einher. 4. Zusammenfassung und Ausblick Mit der LT-Brückenbauweise wird eine Bauweise mit vorgefertigten Elementen und Ortbeton vorgestellt, die den aktuellen Anforderungen im Brückenbau entspricht. Gegenüber der etablierten Ortbetonbauweise ergeben sich Vorteile sowohl hinsichtlich des Ressourcenverbrauchs als auch der Baugeschwindigkeit. Ein direkter Vergleich mit einer typischen deutschen Autobahnbrücke hat gezeigt, dass der Einsatz von Hochleistungsbeton und einer größeren Bauhöhe (günstigere Querschnittswerte) zu einem geringeren Treibhauspotenzial in den Lebenszyklusphasen A1-A3 führt. Der nächste Schritt ist die Betrachtung des Treibhauspotenzials in den übrigen Lebenszyklusphasen mit anschließender Überprüfung im Klimagrenzzustand. Nach Einschätzung der Autoren wird die Geschwindigkeit des Bauprozesses in den Lebenszyklusphasen A4-A5 (Bau) die Umweltbilanz positiv beeinflussen. Bei Ersatzneubauten sind Transport, Einbau und Montage sowie die Umweltauswirkungen von Staus und des erhöhten Verkehrsaufkommens bei Umleitungen zu bewerten. Die LT-Brückenbauweise stellt in Österreich und Deutschland eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Ortbetonbrücken dar. Aus internationaler Sicht bietet diese innovative Bauweise eine Alternative zur Segmentbauweise. Literatur [1] Bundesanstalt für Straßenwesen (2023) Datenlizenz Deutschland - Namensnennung - Version 2.0. https: / / www.bast.de/ DE/ Ingenieurbau/ Fachthemen/ brueckenstatistik/ bruecken_hidden_node. html (Accessed on: 22-01-2024). [2] Doss, W. et al. 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(2021) Schnellbausystem „Expressbrücke” - Systematische Entwicklung von Brückenschnellbausystemen als Antwort auf den Sanierungsstau der Verkehrsinfrastruktur und die damit verbundenen Probleme in: Beton- und Stahlbetonbau 116, S2, S. 48-59. https: / / doi. org/ 10.1002/ best.202100072 [6] Wilkening, M. et al. (2023) UHPFRC - Fertigteilsegmente für einen nachhaltigen und ressourcenschonenden Betonbrückenbau in: Beton- und Stahlbetonbau 118, H. 11, S. 788-802. https: / / doi. org/ 10.1002/ best.202300054 [7] Haveresch, K. (2021) Innovationen bei Betonbrücken in: Bautechnik 98, H. 2, S. 105-114. https: / / doi.org/ 10.1002/ bate.202000104 [8] Interbeton (2022) Environmental Product Declaration for Ready Mixed Concrete C40/ 50 S-P-0- 6974. EPD International AB, Stockholm. [9] thinkstep AG (2018) oekobau.dat Prozess-Datensatz: Bewehrungstahl (de). 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