6. Brückenkolloquium 2024 - Oktober 2024 447 Ersatz der Überführung von Mely VD durch eine UHFB- Rahmenbrücke über die Nationalstraße A1 Lausanne-Genf Jean-Marc Waeber, Bauingenieur HES Bundesamt für Straßen, Ittigen, Schweiz Stéphane Cuennet, Bauingenieur HES Bundesamt für Straßen, Ittigen, Schweiz Zusammenfassung Die meisten Kunstbauten der Nationalstraße A1 wurden in den frühen 1960er Jahren errichtet. Diese Bauwerke haben heute ein Durchschnittsalter von fast 60 Jahren erreicht. Dies gilt auch für die alte Überführung RC de Mély, eine 1963 errichtete V-Stiel-Brücke aus vorgespanntem Stahlbeton, die aufgrund ihres schlechten Zustands im Oktober 2019 vorübergehend durch eine Stahlbrücke vom Typ «Bailey» ersetzt wurde. Eine neue integrale Rahmenbrücke mit einer vor Ort vorgefertigten UHFB-Brückenplatte (Ultra-Hochleistungs-Faserbeton) und pfahlgegründeten Widerlagern aus Stahlbeton wird 2024 auf der gleichen Achse wie die alte Brücke errichtet. 1. Ideenauftrag für die A1 zwischen Genf-Lausanne Die im Rahmen des Generellen Projekts für einen Autobahnabschnitt zwischen Genf und vorgesehenen Autobahnausbauten führen zu Ersatzneubauten von Überführungen (UEF), deren heutiges Lichtraumprofil den künftigen Ausbau der Autobahn auf 2x3 Fahrspuren nicht. Zu diesem Zweck wurde ein Ideenwettbewerb zur architektonischen und landschaftlichen Integration der neuen UEF in diesen Abschnitt durchgeführt, aus dem ein Entwurf für eine neue Generation von Bauwerken hervorging. Der Preisträger schlug ein bi-eingespannte Bauwerk mit mehreren Trägern aus UHFB vor, dass sich durch eine offene, ästhetische und skulpturale Gestaltung, mit einer historischen Reminiszenz an die Stützen und einer Neuinterpretation ihrer statischen Effizienz. Abb. 1: 3D-Ansicht der neuen Generation von UEF mit UHFB-Brückenplatte - © ASTRA Abbildung 2 zeigt den evolutionären Ansatz auf der Grundlage bestehender V-Stiel-Brücken in Bezug auf die Anpassung der Form und die Verwendung eines innovativen, dauerhaften Baustoffs wie UHFB, um eine zeitgemäße Generation von integralen UEF zu schaffen. Abb. 2: Konzeptidee - © ASTRA Wir hielten die Wahl dieses Konzepts für sinnvoll und innovativ, aber auch für gewagt. Deshalb haben wir uns für eine Pilotanwendung entschieden. 2. Ziele der Pilotanwendung Das ASTRA beabsichtigt, die bestehende provisorische Brücke durch ein neues Bauwerk zu ersetzen, das den Anforderungen des Ideenauftrags entspricht. Die vorliegende Studie definiert die geometrischen Eigenschaften der künftigen Überführungen der Nationalstraße A1 zwischen Lausanne und Genf: • Entwurf einer integralen Brücke ohne Zwischenstützen. • Einheitliche Materialien und UHFB-Brückenplatte (Fahrbahnplatte, Brückenränder und Hauptträger) • Statische Spannweite, die die zukünftige Durchfahrt der Nationalstraße auf 2x3 Fahrspuren ermöglicht. Zur Unterstützung und Bestätigung des Ausführungsvorschlags für eine neue UHFB-Überführung wurde zu Beginn des Projekts eine Variantenstudie durchgeführt. 448 6. Brückenkolloquium 2024 - Oktober 2024 Ersatz der Überführung von Mely VD durch eine UHFB-Rahmenbrücke über die Nationalstraße A1 Lausanne-Genf Dies geschah, um keine strukturellen Alternativen auszuschließen und um die Eignung der geplanten Basislösung im Vergleich zu anderen strukturellen Optionen zu bewerten. 3. Lage Der PS de Mély überquert die Nationalstraße A1 zwischen den Autobahnanschlüssen Gland und Rolle. Er hat die Besonderheit, dass er sich in unmittelbarer Nähe der Raststätte La Côte befindet. Sie stellt die Haupterschließung des Gebietes der in der unmittelbaren Umgebung der Gebietseinheit der Nationalstraßen in Bursins sicher. Abb. 3: Geografische Lage des Bauwerks - © ASTRA 4. Historische Zusammenfassung 3 Generationen von UEF folgen am selben Standort aufeinander. Die alte, 1963 errichtete «UEF Mély» befand sich in einem schlechten Zustand und es mussten Lastbeschränkungen eingeführt werden. Abb. 4: Ansicht der alten «UEF Mély» - V-Stiel-Brücke aus vorgespanntem Stahlbeton - © ASTRA Aus Sicherheitsgründen wurde sie im Oktober 2019 durch eine provisorische Stahlbrücke vom Typ «Bailey» ersetzt, die derzeit in Betrieb ist. Diese provisorische Brücke wurde ausgeführt, bis zum Abschluss der Studien und öffentlichen Anhörungsverfahren errichtet, um den Bau des neuen endgültigen Bauwerks an derselben Stelle zu ermöglichen. Abb. 5: Ansicht der provisorischen Brücke, die die alte «UEF Mély» ersetzt hat - © ASTRA Die neue integrale UHFB-Brücke mit einer Spannweite von 42 m wird ab 2024 auf der gleichen Achse wie die alte Brücke gebaut. Die Verlängerung der Beschleunigungsspur auf der Genfer Seite der Tankstelle wirkt sich auf das Lichtraumprofil aus. Abb. 6: Visualisierung der Architekturstudie - Vereinheitlichung der Übergänge Lausanne-Genf - © ASTRA Andere UEF, die in diesem Abschnitt ersetzt werden sollen, haben eine geringere Spannweite, wodurch die statischen Belastungen verringert werden. Ihr Design, einschließlich der Wahl der Betonart, wird entsprechend optimiert. 5. Variantenstudie Um die Relevanz der im Ideenmandat empfohlenen Lösung zu bestätigen, wurde zu Beginn des öffentlichen Auflageprojekts eine Multi-Kriterien-Analyse von vier strukturellen Optionen für die Brückenplatte durchgeführt. - Vorgespannter C30/ 37-Beton, - Vorgespanntes UHFB, - Stahl-Beton-Verbundbau, - Holz-Beton-Verbundbau. Die Analyse umfasste folgende Bewertungskriterien: technische Aspekte, geometrische Aspekte, Bauphasen und die Dauer der Bauarbeiten, Verkehrsführung und Beeinträchtigung der Nutzer, Tragverhalten und Dauerhaftigkeit sowie die Kosten der Bauarbeiten. 6. Auswahl für die Realisierung Die Untersuchung der verschiedenen strukturellen Optionen für die Realisierung einer neuen UEF hat die Vorteile einer neuen Vollrahmenbrücke mit einer vorgespannten UHFB-Fahrbahnplatte klar aufgezeigt. Die Verwendung dieses Hightech-Baustoffs ermöglicht eine Verfeinerung der Tragstruktur (gerippte Brückenplatte mit einer strukturellen Schlankheit von 1/ 34). Darüber hinaus ermöglicht die Planung einer UEF mit einer statischen Spannweite von 42 m die Überquerung der Nationalstraße, ohne dass das Längenprofil der Kantonsstraße wesentlich erhöht werden muss. 6. Brückenkolloquium 2024 - Oktober 2024 449 Ersatz der Überführung von Mely VD durch eine UHFB-Rahmenbrücke über die Nationalstraße A1 Lausanne-Genf Die gerippte Brückenplatte und ergänzt mit Querträgern wird in massive Widerlager aus Stahlbeton eingespannt, die beidseitig der Fahrbahnen der Nationalstraße auf verrohrten Bohrpfählen gegründet werden. 6.1 Baustellenlogistik und Behinderungen für die Nutzer Aufgrund der mechanischen Eigenschaften von UHFB kann das Eigengewicht der Brückenplatte um ca. 40 % reduziert werden. Dies reduziert nicht nur die auf das Brückenfundament einwirkenden Kräfte, sondern ermöglicht auch eine effiziente Baustellenlogistik und einen effizienten Arbeitsablauf, der es erlaubt, die provisorische Brücke in zwei Arbeitsschritten von jeweils einer Nacht durch die neue Brückenplatte zu ersetzen. Dies kann mit Hilfe von «SPMT»-Wagen (Self-Propelled Modular Transporter) geschehen, die für den Transport schwerer Lasten entwickelt wurden. Die Optimierung der Baustellenlogistik und der Bauphasen ermöglicht eine Reduzierung der Investitionskosten und garantiert somit eine erhebliche finanzielle Einsparung im Vergleich zu den anderen baulichen und logistischen Varianten. Die anderen Varianten erfordern eine komplexere Verkehrsführung mit direkten und umfangreichen Eingriffen in die Fahrbahnen der Nationalstraße. Die UHFB-Variante ermöglicht eine deutliche Optimierung der Baustellenorganisation und eine erhebliche Reduzierung der Beeinträchtigungen für die Nutzer auf der Nationalstraße. 6.2 Wirtschaftliches Kriterium Entgegen dem ersten Eindruck, der durch die relativ hohen Produktionskosten des UHFB-Baustoffs beeinflusst wurde, fällt der Kostenvergleich mit einem eher klassischen Spannbetonbauwerk letzlich zugunsten der UHFB- Lösung aus. Die Einsparungen bei den Anschlüssen an die Zugangsrampen des Bauwerks, die Vereinfachung der Baustellenlogistik und die Einsparungen bei den Eingriffen in die Verkehrsführung führen letztlich zu einer finanziellen Einsparung der UHFB-Brückenplatte von ca. 1 bis 2 % der Baukosten der Betonvariante. Betrachtet man die Instandhaltungskosten über die gesamte Lebensdauer des Bauwerks (Total «Life Cycle Cost»), so erhöht sich die Einsparung durch die UHFB- Variante auf über 12 % der Gesamtkosten einer klassischen Spannbetonvariante. Die Option einer UHFB-Brückenplatte ist somit die kostengünstigste Variante der untersuchten Bauwerke. 6.3 Dauer der Bauarbeiten Die vorgeschlagene Lösung für die Ausführung dieser neuen UEF ermöglicht die Herstellung der gesamten Brückenplatte ausserhalb des Autobahnbereichs. Die Herstellung der vorgespannten Brückenplatte, der UHFB-Brückenränder und die Montage der Rückhaltesysteme sind parallel zu den Arbeiten an den Widerlagern der künftigen Brücke vorgesehen. Dies verkürzt die Gesamtbauzeit erheblich und ermöglicht die Errichtung des neuen Bauwerks in weniger als einem Jahr. Die gewählte Variante ermöglicht eine Verkürzung der Gesamtbauzeit um mehr als 2 Monate im Vergleich zu einer klassischen Betonvariante. Das Baustellenprogramm ist auch besser gegen unvorhergesehene Ereignisse abgesichert und beinhaltet grössere Reserven, die die Verpflichtungen der Unternehmen absichern. 7. Strukturelle Aspekte 7.1 Pfähle und Fundamente Das bestehende Bauwerk ist auf einem schlechten Baugrund gegründet. Die tieferen Schichten unter der Brücke bestehen aus schluffigem Schwemmland, das sich hauptsächlich aus Schluff, Ton und feinem Sand zusammensetzt. Dieses Material ist wenig tragfähig und enthält organisches Material. Bei den Arbeiten ist auch das Grundwasser zu berücksichtigen, das sich in geringer Tiefe unter der Autobahnplattform befindet (ca. 2,00- 2,50 m unterhalb der Autobahn). Aufgrund der vorhandenen Bodenverhältnisse entschied man sich für eine Tiefgründung. Zwei Reihen von je drei Pfählen unter jedem Fundament ermöglichen es dem Bauwerk, sich tiefer auf der Moränenschicht abzustützen. Dies ermöglicht eine stabilere Gründung und verhindert zu große oder differentielle Setzungen auf beiden Seiten des Bauwerks. Die Einspannung der Brückenplatte in die Widerlager ist aus Sicht der Dauerhaftigkeit sehr günstig. Allerdings werden die Widerlager stark beansprucht, so dass sie zwangsläufig relativ massiv ausgeführt werden müssen. Die integralen Widerlager werden aus Stahlbeton hergestellt. Um die Einheitlichkeit mit der übrigen UHFB-Brückenplatte zu gewährleisten, wird der sichtbare Teil der Widerlager mit einer vorgefertigten UHFB-Schalhaut als verlorene Schalung verkleidet. 450 6. Brückenkolloquium 2024 - Oktober 2024 Ersatz der Überführung von Mely VD durch eine UHFB-Rahmenbrücke über die Nationalstraße A1 Lausanne-Genf Die Geometrie der Widerlager wurde seit der Anfangsphase des Projekts einer «Schlankheitskur» unterzogen, wodurch das einzubauende Betonvolumen drastisch reduziert werden konnte. Dies ist jedoch mit einer relativ großen und komplexen Bewehrung verbunden. Mit den vorgeschlagenen Optimierungen liegt die vertikale Resultierende der Kräfte immer in der Mitte der zwei Reihen von Gründungspfählen. Die Betoneinsparung beträgt ca. 25 m3 pro Widerlager, was einer Einsparung von ca. 30 % des gesamten Betonvolumens pro Widerlager entspricht. Abb. 8: Optimierung der Widerlager (Links: ohne Optimierung, Recht: mit Optimierung) - © ASTRA 7.2 Vorgefertigte Brückenplatte aus bewehrtem UHFB Die bewehrte UHFB-Brückenplatte der neuen UEF wird im Bereich der Baustelleneinrichtung in der Nähe der UEF gebaut. Eine in-situ UHFB-Produktionsanlage mit zwei oder drei Mischern, kann eingesetzt werden. Um eine ausgezeichnete Dauerhaftigkeit und ein gutes Verhalten der Brückenplatte zu gewährleisten, wurde dem Unternehmen vorgeschrieben, die gesamte Brückenplatte, ohne die Brückenränder in maximal zwei Etappen zu betonieren. Es wurden Reserve-Mischer, Reserve-Generatoren und Reserve-Arbeiter in jeder Schicht gefordert, um den reibungslosen Ablauf dieser entscheidenden Schritte zu gewährleisten. In einem ersten Schritt wurden die fünf Träger und die Querträger gleichzeitig betoniert, im zweiten Schritt die Bodenplatte. Zuletzt werden die Brückenränder betoniert. Die Querträger werden mit komprimierbaren Schichten, z. B. Polystyrol, eingeschalt, um Risse durch Schwindspannungen zu vermeiden. Abb. 7: Schnitt durch ein integrales Widerlager (Geometrie vor der Optimierung) - © ASTRA 6. Brückenkolloquium 2024 - Oktober 2024 451 Ersatz der Überführung von Mely VD durch eine UHFB-Rahmenbrücke über die Nationalstraße A1 Lausanne-Genf Abb. 9: Querschnitt der Brückenplatte - © ASTRA Die Planung eines Bauwerks ist ein iterativer Prozess. In diesem Sinne wurde in enger Zusammenarbeit zwischen dem Planer, dem Experten und der ASTRA-Fachunterstützung nach der optimalen Lösung für dieses gewagte Bauwerk mit einer Schlankheit von 1/ 34 (1/ 20 zwischen den Nullmomenten) gesucht. Eine Erhöhung der statischen Höhe war keine attraktive Option, da sie die Ästhetik beeinträchtigt hätte und eine Anpassung des Längsprofils mit großen Rampen und mehr Platz erfordert hätte. Ziel war es, die Eigenschaften von UHFB optimal zu nutzen, um das Volumen zu reduzieren und gleichzeitig die Auswirkungen auf das optische Erscheinungsbild, die Robustheit, die Dauerhaftigkeit und die Kosten zu berücksichtigen. Durch diesen Optimierungsprozess konnte die äquivalente Dicke (ohne Brückenränder), die dem Verhältnis von Querschnitt zu Gesamtbreite entspricht, zwischen dem endgültigen Ausführungsprojekt AP und dem Detailprojekt DP von 45 auf 38 cm reduziert werden. In einigen Veröffentlichungen zeigen Referenzen von UHFB-Brücken mit einer äquivalenten Dicke in der Größenordnung von nur 20 bis 30 cm. Ein direkter Vergleich ist sehr schwierig, da die meisten Beispiele eine etwa halb so große Spannweite wie das vorliegende Projekt aufweisen. Darüber hinaus sind diese Bauwerke in der Regel mit einer Vorspannung durch anhaftende Drähte versehen. Dieses Verfahren ist mit der Größe und der Bauart der «UEF Mély» unvereinbar. Es erscheint in der Tat unvernünftig, 42 m lange Träger in der Firma vorzubereiten und zu transportieren. Ausserdem würde eine solche Bauweise zahlreiche Arbeitsfugen in Längsrichtung erfordern, die Schwachstellen in Bezug auf die Dauerhaftigkeit darstellen würden. Hinzu kommt, dass in der Schweiz nur wenige Fertigteilhersteller für diese Art der Vorspannung ausgerüstet sind. Die Anwendung einer „klassischen“ parabolischen Vorspannung gemäß dem vorliegenden Projekt der «UEF Mély» ist zweckmäßig und effizient, auch wenn dadurch die Stegbreite vergrößert wird. Wenn man die Breite der Stege deutlich reduzieren wollte, hätte man sich für eine externe Vorspannung entscheiden müssen. Es erschien uns inkonsequent, ein extrem dauerhaften UHFB zu verwenden und die Vorspanneinheiten ausserhalb des Querschnitts anzuordnen. Im Falle eines Brandes oder Vandalismus wäre die Vorspannung nicht geschützt. 7.3 Abdichtung Muss eine PBD-Abdichtung auf der UHFB-Fahrbahnplatte angeordnet werden? Da UHFB auch eine wasserdichte Funktion hat, optimierten wir das Projekt, indem wir zwischen den folgenden zwei Bereichen unterschieden: • Die Bereiche, in denen die Fahrbahnplatte auf einer Länge von 10 m in die Widerlager eingespannt ist, werden mit einer Epoxidharzversiegelung und einer PBD-Abdichtung versehen. Dies sind die Bereiche, in denen die UHFB-Brückenplatte Zugkräften ausgesetzt ist, die die wasserdichten Eigenschaften des UHFB verringern kann. • Die mittleren Bereiche der Fahrbahnplatte, in denen die UHFB-Brückenplatte auf Druck beansprucht wird, erfordern keine zusätzliche Abdichtung. 7.4 Einige Aspekte der Bauphasen Während des Betonierens der Brückenplatte wird das Lehrgerüst auf seiner gesamten Länge abgestützt. Das Hauptvorspannkabel der Träger wird aktiviert, bevor diese Stützen entfernt werden. Zwischen dem Ende des Betonierens der Brückenplatte und dem Entfernen der Lehrgerüststützen ist ein Zeitraum von mindestens 40 Tagen vorgesehen. Während dieses Zeitraums wird die Nachbehandlung der Brückenplatte durchgeführt, die Brückenränder werden betoniert und nachbehandelt, die Leitplanken und die elektrischen Leitungen durchgeführt. Danach 452 6. Brückenkolloquium 2024 - Oktober 2024 Ersatz der Überführung von Mely VD durch eine UHFB-Rahmenbrücke über die Nationalstraße A1 Lausanne-Genf werden die Lehrgerüststützen entfernt und nur die Endstützen verbleiben als Vorbereitung für das Einheben und Verschieben der Brückenplatte von unten. Das statische System des Bauwerks während der Phasen der Vorbereitung des Einhebens, des Einhebens der Brückenplatte und des Verschiebens der Brückenplatte unterscheidet sich vom endgültigen System und wurde durch Berechnungen validiert. Die Brückenplatte wird mit Hilfe von „SPMT“-Wagen, die die Brückenplatten tragen, vom Baustelleneinrichtungsbereich zu ihrem endgültigen Standort bewegt. Die Brücke wird zunächst mithilfe von zwei Portalkränen angehoben, damit die „SPMTs“ darunter gleiten und die Brückenplatte mit Stabilisierungsstrukturen abstützen können. Eine Alternative zu den Portalkränen für das Heben der Brückenplatte auf „SPMT“ ist mit Hilfe von selbstkletternden Zylindern des Typs „Jack-up“ oder gleichwertig denkbar. Während des Hebens und des Transports der Struktur durch die „SPMT“-Wagen wird das statische System praktisch dasselbe sein wie bei der Vorfertigung der Brückenplatte. Die „SPMT“-Wagen werden das Bauwerk vorsichtig an seinen endgültigen Standort auf den Auflagentürmen in der Nähe der Widerlager bringen. Diese Türme werden auf den Fundamenten der Widerlager abgestützt. Die Türme stützen die Brückenplatte unter den Randquerträgern ab. Zuvor müssen die unteren Teile der Widerlager in-situ mit Beton C30/ 37 betoniert werden. Die Baugruben der Widerlager werden sorgfältig verfüllt und in Schichten von 30 cm bis zur Oberkante der Nagelwände verdichtet. Nachdem die Brückenplatte in ihre endgültige Position gebracht wurde, erfolgt die Betonage zur Verbindung der Widerlager mit der Brückenplatte. Anschließend wird das Kontinuitätsvorspannkabel aktiviert, um die Verbindungsphase abzuschließen. Der Verbindungsbereich wird mit einem vor Ort gegossenen UHFB-Overlay d = 70 mm bedeckt, um den Verankerungsbereich der Kontinuitätsvorspannung zu schützen. Abb. 10: Schema des Transports der neuen UHFB-Brückenplatte - © ASTRA Abb. 11: Verbindung der Brückenplatte an den Widerlagern - © ASTRA 6. Brückenkolloquium 2024 - Oktober 2024 453 Ersatz der Überführung von Mely VD durch eine UHFB-Rahmenbrücke über die Nationalstraße A1 Lausanne-Genf Abb. 12: Schleppplatte - UHFB-Overlay - © ASTRA 8. Einige Inputs für zukünftige UEF-Projekte aus UHFB Die Einspannung der Brückenplatte in die Widerlager ist aus Sicht der Dauerhaftigkeit sehr günstig (Integrale Brücke). Im Gegenzug werden die Widerlager stark beansprucht und sind daher zwangsläufig massiv, trotz aller Optimierungen, die der Projektverfasser in den verschiedenen Projektphasen vorgenommen hat. Die Integration von V-Stützen, die dem architektonischen Konzept völlig widerspricht und im Fall der «UEF Mély» inakzeptabel ist, wäre praktisch die einzige Option, wenn das Ziel darin bestünde, das Betonvolumen der Widerlager zu reduzieren. Es versteht sich von selbst, dass diese Stützen potenziell einem Fahrzeuganprall ausgesetzt wären, dass sie Elemente darstellen würden, die stark dem Chloridhaltigen Spritzwasser ausgesetzt wären, und dass die Montage des Bauwerks deutlich komplexer wären. Dennoch erscheint es uns sinnvoll, diese Option für zukünftigen UHFB- UEF-Projekten zu untersuchen. 9. Schlussfolgerungen Das architektonische Konzept der «UEF Mély» ist attraktiv, erfordert jedoch eine Vergrößerung der Spannweite und erfordert eine Einspannung der Brückenplatte in die Widerlager, um die statische Höhe nicht unangemessen zu erhöhen. Die Wahl von UHFB wird es der Brücke ermöglichen, den Prüfungen der Zeit für viele weitere Generationen zu trotzen. Sie wird unseren Nutzern ein Erlebnis bieten, das nicht durch wiederkehrende Instandhaltungsarbeiten beeinträchtigt wird. Bauen bedeutet, mit der Erde zusammenzuarbeiten: Es bedeutet, ein menschliches Zeichen in eine Landschaft zu setzen, die dadurch für immer verändert wird. Marguerite Yourcenar (1903 - 1987) - Erinnerungen des Hadrian - Bauherr: Bundesamt für Straßen (ASTRA) - Entwurf: NIB-Arbeitsgemeinschaft: IUB Engineering SA - Perret-Gentil SA - Schopfer & Niggli SA - Robert-Grandpierre et Rapp SA - Ecoscan SA - Tragwerksplanung: IUB Engineering SA - Projektleiter: Claude Chappuis - Prüfingenieur : Blaise Fleury von OPAN Concept SA - Ausführung: Implenia Suisse SA (Glattpark (Opfikon)) - Datum der Fertigstellung: Oktober 2024 - Standort: 1183 Bursins (CH) - Kanton Waadt