Handbuch Brücken

Im Brückenbau ist der Bauingenieur Generalist und Fachplaner zugleich. Während im Hochbau der Bauingenieur in der Regel Fachingenieur für das Tragwerk oder Gutachter für Baugrund oder Bauphysik ist, obliegt ihm im Brückenbau die Gesamtverantwortung. Dies schließt nicht aus, dass insbesondere in städtebaulich sensiblen Bereichen auch Architekten in die Planung einer Brücke eingebunden werden. Bei aller Vielfalt der Aufgaben und den damit verbundenen Herausforderungen darf jedoch nicht übersehen werden, dass sich die Ingenieurkunst des Brückenbaus in den Industrieländern der westlichen Welt, bei der großen Mehrzahl der Projekte zu einem von Regel- und Vorschriftenwerken diktierten Alltagsgeschäft des Ingenieurs entwickelt hat.

Der Entwurf ist die Grundlage des Bauprojekts. Das Ziel des Entwurfs besteht darin, ein technisch einwandfreies, ausführbares Konzept zu entwickeln, das dem Standort, dem Umfeld, der Bedeutung und der Größe der Brücke bezüglich Kosten und Ästhetik optimal entspricht. Der Entwurf muss mit der Darstellung der konzeptionellen Idee einen Projektierungsstand erreichen, der gewährleistet, dass das Bauprojekt ohne wesentliche Änderungen ausgearbeitet werden kann und dass eine relativ zuverlässige Schätzung der Baukosten bereits möglich ist.

In diesem Abschnitt werden nur Querschnitte der Fahrbahntragwerke betrachtet. Tragkabel, Hänger, Pylon-, Bogen- und Pfeilerquerschnitte bleiben unberücksichtigt. Allgemein lassen sich vom Baustoff losgelöst drei unterschiedliche Typen von Querschnitten angeben: Die Platte, der Plattenbalken und der Kastenquerschnitt. Durch schubfeste Kopplung längs der Verbindungskanten wirken die Einzelelemente zu Gesamtquerschnitten zusammen. Durch Plattenwirkung, oder bei durchlaufenden Plattensystemen auch durch Gewölbewirkung, werden konzentrierte Lasten verteilt. Bei aufgelösten Querschnitten wie beim Plattenbalken oder beim Kastenquerschnitt wirken diese Elemente gleichzeitig als Druck- bzw. als Zugscheiben des Gesamtquerschnitts. Durch konsequente Ausnutzung der Vorteile der Grundformen lassen sich für Sonderfälle entsprechende Kombinationen und Sonderquerschnitte entwickeln.

Balken- und Plattenbrücken sind die am häufigsten angewendeten Konstruktionsformen des modernen Betonbrückenbaus. Im Bild 5.1-1 ist eine Auswahl von bei Platten- und Balkenbrücken üblichen statischen Systemen gezeigt. Mit der Verwendung des bewehrten Betons, etwa seit der Jahrhundertwende vom 19. zum 20. Jahrhundert, war es möglich neben der Bogenform auch die Platte und den Balken, auch Biegeträger genannt, als Konstruktionsformen im Betonbrückenbau zu wählen. So setzte sich zeitlich parallel zur Entwicklung der modernen bewehrten Betonbogen die Verwendung der biegebeanspruchten bewehrten Beton-Tragglieder durch. Zunächst wurden kleinere Spannweiten als bewehrte Betonplatten und mittlere als bewehrte Betonplattenbalkenbrücken (Bild 5.1-2) ausgeführt. Ab dem Ende des dritten Jahrzehnts des 20. Jahrhunderts und vor Allem nach dem Zweiten Weltkrieg wurden die Betonbrücken auch vorgespannt ausgeführt, was größere Spannweiten bei den biegebeanspruchten Tragwerken, insbesondere den Platten und Balken, aber auch den Rahmen, ermöglichte.

Bisher wurde die Vielfalt der Tragsysteme des Brückenbaus vorgestellt. Die Lagerung beschreibt die Art der Stützung der Systeme. Stützungen kommen bei den Tragsystemen in unterschiedlichen Ebenen vor. Die Stützungen zwischen Baugrund und Bauwerk sind in der Regel Flächenstützungen. Die Ermittlung der Verteilung von Stützkräften über Flächen ist Aufgabe der Elastizitätstheorie und der Bodenmechanik und wird hier nicht behandelt, ebenso nicht die Linienstützung, die je nach der Idealisierung der elastischen Eigenschaften der Unterlage starr oder elastisch sein kann. In diesem Kapitel wird unter dem Begriff Lagerung die Stützung auf Lagern beschrieben, welche die Festlegung der Anzahl der Freiheitsgrade gestatten und den Wirkungsort der Stützkräfte innerhalb möglichst enger Grenzen halten. Diese Stützungen sind meist in der Ebene zwischen Überbau und Unterbau angeordnet, und es werden alle Stützstellen dieser Ebene darunter verstanden. Deshalb umfassen die nachfolgenden Beschreibungen sowohl die Kombination von Lagern, welche für die Bewegung und die Übertragung der Kräfte in einem Bauwerk zusammenwirken (Lagerungssystem), als auch alle erforderlichen Maßnahmen, welche die Übertragung der Kräfte und die Bewegungen ermöglichen. In diesem Kapitel werden die Aufgaben und Anforderungen an die Lagerung beschrieben. Die Aufgabe der Übertragung von Kräften zwischen den Bauteilen bei gleichzeitiger Verdrehung und Verschiebung übernehmen die Lager, die im Abschnitt 10.2 ausführlicher behandelt werden.

Unterbauten von Brücken umfassen die Widerlager, Stützen und Pfeiler sowie deren Gründungen. Bei kleinen und mittleren Brücken beträgt der Aufwand für die Unterbauten bis zu 60% des Gesamtaufwands. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit einer gründlichen rechnerischen und konstruktiven Durcharbeitung. Die wesentliche Funktion der Unterbauten ist die Lagerung des Überbaus und die Weiterleitung der Kräfte an die Gründung. Die Lagerung umfasst die stützenden Elemente eines Bauwerks und die Art und Weise, wie diese Elemente wirken. Je nach Lagerungsart werden zwischen Überbau und Unterbau Verschiebungen und Verdrehungen freigegeben oder verhindert. Alle Einwirkungen auf den Überbau, sowohl die vertikalen und horizontalen Lasten als auch die Reaktionen der Verformungen, müssen in die Gründung abgeleitet werden. Dafür stehen viele Ausbildungsformen zur Verfügung. Dies betrifft die feste Verbindung des Überbaus mit den Widerlagerwänden oder Stützen und Pfeilern, die gelenkige Verbindung oder der Einsatz von Bauteilen, den Lagern, die Verdrehungen zwischen zwei Bauteilen ermöglichen, Lasten übertragen und Verschiebungen ermöglichen oder verhindern.

Brücken sind hochbeanspruchte Ingenieurbauwerke, die einer Vielzahl höchst unterschiedlicher Einwirkungen ausgesetzt sind. Die Einwirkungen können nach ihrer Entstehung wie folgt gegliedert werden:

• Einwirkungen aus dem Bauwerk,

• Einwirkungen aus der Bauwerksnutzung,

• Einwirkungen aus der Bauwerksumgebung.

Lehrgerüste dienen wie Schalungen der Herstellung und Formgebung von Brücken. Bis der Beton erhärtet und ausreichend tragfähig ist, nehmen sie die Lasten aus der Schalung auf und leiten diese über Rüstträger, -stützen und Fundamente in den tragfähigen Baugrund ab. Lehrgerüste sind Ingenieurbauwerke und sind wie diese zu berechnen und zu konstruieren.

Jede Brücke ist ein Bestandteil eines Straßenzugs. Der Fahrbahnbelag der Brücke sollte sich daher nicht von dem des Straßenzugs unterscheiden. Brücken mit Stahldeck erhalten normalerweise bituminöse Brückenbeläge, Gehwege öfter auch reaktionsharzgebundene Dünnbeläge.

Unter Bauwerksprüfung versteht man die Feststellung und Bewertung des Ist-Zustands einer Konstruktion. Unter Bauwerksüberwachung sind alle Maßnahmen zusammengefasst, die erforderlich sind, um Mängel und Schäden an Bauwerken so rechtzeitig zu erkennen, dass ein Versagen ohne Vorankündigung ausgeschlossen werden kann. In diesem Zusammenhang ist ein Schaden eine Veränderung am Bauwerk, durch welche die Gebrauchstauglichkeit, die Dauerhaftigkeit oder die Tragfähigkeit beeinträchtigt wird, wobei die Ursache entweder in einem Mangel auf der Widerstandsseite oder einer Überbeanspruchung der Konstruktion auf der Einwirkungsseite begründet sein kann. Ein Mangel ist die negative Abweichung vom angestrebten Bauwerkszustand zum tatsächlichen Zustand. Ein Mangel kann einen oder mehrere Schäden zur Folge haben.

In diesem Kapitel wird auf die mit der Instandsetzung und Sanierung von Beton-, Stahl- und Verbundbrücken einschließlich der Fahrbahnbeläge auf Brücken zusammenhängenden Probleme eingegangen. Unter Instandsetzung oder Sanierung versteht man in diesem Zusammenhang die Summe aller Maßnahmen, durch die bekannte Mängel und Schäden so beseitigt werden, dass sowohl die Dauerhaftigkeit als auch die Zuverlässigkeit der Brücke wieder voll hergestellt sind. Im Gegensatz dazu versteht man unter Brückenverstärkung die Summe aller Maßnahmen, welche zur Erhöhung der vorhandenen Tragfähigkeit einer Brückenkonstruktion – auch bedingt durch eine Nutzungsänderung – dient.

Das Kapitel beschäftigt sich mit der Verstärkung von Brücken aus Stahl- und Spannbeton sowie Stahl- und Verbundtragwerken. Unter Verstärkung versteht man im Gegensatz zur Instandsetzung jene baulich-konstruktiven Maßnahmen, deren Ziel die Erhöhung der vorhandenen Tragfähigkeit einer Brückenkonstruktion – auch bedingt durch eine Nutzungsänderung – ist. Es werden die wichtigsten Maßnahmen zur Verstärkung von Betonbrücken sowie Stahl- und Verbundbrücken beschrieben. Im Bereich der Betonbrücken werden die Verstärkung des Tagwerks mit geklebten Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen (CFK-Lamellen, CFK-Matten und CFK-Schubwinkeln), mit externer Vorspannung mit Stahl- bzw. Kohlenstofffaserkabeln sowie die Querschnittsergänzung durch Spritzbeton oder Anbetonieren behandelt. Bei den Stahl- und Verbundbrücken wird auf die Fahrbahnverstärkung sowie die Verstärkung des Gesamtsystems eingegangen. Zusätzlich wird auch die Systemänderung behandelt und anhand eines konkreten Projekts aus der Baupraxis veranschaulicht.