Themenwelt

Integrale Brücken

Brücken 25.04.2015

Motivation

Warum wollen wir Integrale Brücken bauen? Was zeichnet Integrale Brücken aus?

Die integrale (Integral (Duden): „Zu einem Ganzen dazugehörend und es erst zu dem machend, was es ist“) Bauweise steht für eine direkte, monolithische Verbindung der einzelnen Bauteile einer Brücke: Überbau, Pfeiler/Unterbauten und Widerlager.

Ein wesentlicher Motivator, Integrale Brücken zu entwerfen und zu bauen ist das Bestreben, durch sinnhafte Konstruktion schlanke und transparente Brückenbauwerke zu erschaffen. Wenn an Pfeilern und Widerlagern auf Brückenlager verzichtet werden kann, können die Unterbauten sehr viel einfacher und filigraner ausgebildet werden: Es werden keine Lagerflächen und keine Stellflächen für Pressen benötigt und die Pfeiler können schlanker ausgebildet werden, da keine Zugänglichkeit gewährleistet werden muss.
Neben dem größeren Gestaltungsspielraum bringt das Weglassen von Lagern und Fugen weitere positive, im Hinblick auf die Bauwerks-Unterhaltung ganz wesentliche Vorteile mit sich:

• Robuste und dauerhafte Bauweise durch den Wegfall anfälliger Technik.
• Geringe Wartungsanfälligkeit, einfachere Bauwerksinspektion
• Geringere Baukosten aufgrund Einsparung der Lager und einfacheren Bauteilen (z.B. Wandscheibe vs. Hohlpfeiler)

Man unterscheidet zwischen der integralen und der semi-integralen Bauweise.
Integrale Bauweise: Unzerteilte Ausbildung des Tragwerks, direkte, „integrale“ Verbindung von Überbau und Unterbauten bzw. Widerlagern.
Semi-Integrale Bauweise: Teile der Brücke sind baulich getrennt, z.B. Widerlager durch Lager und Fugen.

Konstruktionsmerkmale

Integrale Pfeiler und Pfeilerscheiben
Unterbauten, Widerlager und Stützen werden bei integralen Brücken kraftschlüssig, monolithisch mit dem Überbau verbunden. So entstehen biegesteife Rahmenbauwerke ohne Lager und Fugen, die die Bauteile voneinander trennen. Da beim Weglassen von Lagern auch die Erfordernis der Zugänglichkeit für Inspektion und Wartung bzw. Austausch der Lager entfällt, können mit modernen Materialien, wie z.B. hochfestem Beton, sehr filigrane Pfeilerscheiben ausgeführt werden. Die Herstellung der Pfeiler wird durch den Wegfall von Zugänglichkeit und Pressenstellflächen maßgeblich vereinfacht. So können die Pfeiler(-scheiben) vorgefertigt und als Fertigteile montiert werden können. Hinzu kommt ein wesentlich geringerer Wartungs- und Unterhaltsbedarf, die Kosten können hier gesenkt werden.

Integrale Widerlager
Integrale Widerlager können einfacher ausgebildet werden, was sie weniger anfällig für Schäden macht. Auch das Weglassen der Fugen führt zu einer deutlichen Verringerung des Unterhaltsaufwandes. Im innerörtlichen/-städtischen Bereich ergeben sich zusätzliche Vorteile für den Betrieb aufgrund des Entfalls von Geräuschen beim Überqueren der Fugenkonstruktion.

  • Integrale Brücke Auerbachstraße in Stuttgart © Gert Elsner
    Integrale Brücke Auerbachstraße in Stuttgart
  • Integrale Brücke Auerbachstraße in Stuttgart © Gert Elsner
    Integrale Brücke Auerbachstraße in Stuttgart
  • Integrale Brücke Auerbachstraße in Stuttgart © Gert Elsner
    Integrale Brücke Auerbachstraße in Stuttgart

Planung von integralen Brücken

Integrale Brücken bringen einige Besonderheiten mit sich, die gezielte Aufmerksamkeit bei der Planung erfordern.
Das strukturelle Verhalten einer integralen Brücke ist geprägt durch die – im Laufe der Zeit veränderlichen – Bauwerkseigenschaften (z.B. Veränderung der Steifigkeiten und Form infolge Kriechen und Schwinden) in Verbindung mit der Interaktion mit den äußeren Gegebenheiten wie z.B. dem Baugrund. Je nach Beschaffenheit der Brücke müssen bestimmte Randbedingungen rechnerisch simuliert werden.

Interaktion Tragwerk – Baugrund
Das Verhalten der Brücke als Gesamtsystem ist im Wesentlichen von deren Steifigkeitsverteilung abhängig. Hierzu zählt in den meisten Fällen auch der Einfluss der Baugrundsteifigkeit auf die Gründungselemente. Federelastische Einspannungen im Baugrund müssen simuliert, und deren Einfluss bei der gesamten Schnittkraftermittlung und Bemessung berücksichtigt werden.

Bauzustände
Bauzustände, die sich auf den zeitlichen Verlauf von Beanspruchungszuständen auswirken (z.B. Kriechen und Schwinden) müssen rechnerisch erfasst und mit den planmäßigen Einwirkungen kombiniert werden. Hierzu gehören u.a. Bauzustände aus abschnittsweiser Herstellung (z.B. feldweise Herstellung des Überbaus). Häufig sind auch besondere Zwischen-Bauzustände zu berücksichtigen, wie veränderliche Lagerungsbedingungen oder planmäßig vorgenommene Form- oder Lageänderungen (z.B. Verschieben oder Ziehen des Überbaus).

Materialeinfluss
Der Einfluss eines veränderlichen Materialverhaltens von Beton muss bei der Schnittkraftermittlung und Bemessung beachtet werden. Hier spielen einerseits die zeitlich veränderlichen Eigenschaften ein Rolle (Kriechen und Schwinden des Betons). Andererseits sind einwirkungsabhängige Veränderungen zu berücksichtigen, wie beispielsweise das Reißen des Betons (Übergang in den Zustand II) und der damit verbundene Steifigkeitsabfall, der in der Regel zu Umlagerungen der Schnittkräfte führt.

Kraftfluss
Ein wesentliches Merkmal von Integralen Brücken ist ein klarer, direkter Kraftfluss, insbesondere von horizontalen Lasten, wie beispielsweise Bremskräfte bei Eisenbahnbrücken. Horizontale Lasten rufen grundsätzlich steifigkeitsabhängige Reaktionen in den Unterbauten hervor.
Dies betrifft unter Anderem direkte Einwirkungen wie Bremskräfte, die durch geneigte Scheiben oder Bogenstiele direkt und quasi verformungslos in den Baugrund abgetragen werden können. Auch indirekte Einwirkungen, wie Zwängungen aufgrund von behinderten Verformungen, z.B. infolge von Temperatureinwirkungen oder Verkürzungen infolge Kriechen und Schwinden, sind in der Regel bemessungsrelevant.

Die Planung und Berechnung von Integralen Brücken stellt häufig höhere Anforderungen an den Tragwerksplaner, i.d.R. verbunden mit einem gesteigerten Planungsaufwand.

Eine sorgfältige Planung, sowohl bei der statischen Berechnung als auch bei der konstruktiven Umsetzung und Ausarbeitung der Konstruktionsdetails ist jedoch maßgeblich für die erfolgreiche und termingerechte Realisierung einer Integralen Brücke.

Ausgewählte Projekte

Schwabstraße 43
70197 Stuttgart

+49 711 648 71-0
info@sbp.de