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Brücke über die Sava - Belgrad

 

Laudatio der Jury
Auszeichnung: Siegfried Hopf, Leonhardt, Andrä und Partner GmbH, Stuttgart für die Brücke über die Sava, Belgrad

Bei der größten Schrägkabelbrücke Europas wurde zum ersten Mal das Rückhaltefeld als Gegengewicht zum Hauptfeld nicht auf Pfeilern gelagert, sondern hängt ausschließlich in den Kabeln in perfektem Gleichgewicht mit dem Hauptfeld. Große abhebende Lasten am rückwärtigen Pfeiler werden so vermieden. Nachhaltig und ressourceneffizient wurde Stahl für die große Hauptspannweite mit geringstmöglichem Gewicht eingesetzt, Beton für die kurze Seitenspannweite als Gegengewicht. Das Austarieren der Gewichte ist eine ausführungstechnische Leistung, da nur das Stahlgewicht des Hauptfeldes genau vorberechnet werden konnte. Auch die Montage im Freivorbau verdient eine besondere Erwähnung.

Erläuterungsbericht von Sigfried Hopf, Leonhardt, Andrä und Partner GmbH,
zur Einreichung beim Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues 2013:

Aufgabenstellung
Im Jahr 2005 lobte die Stadt Belgrad einen internationalen Planungswettbewerb aus, um die beste gestalterische Lösung für eine neue Savequerung in Höhe der Insel Ada Ciganlija in Sichtweite der Altstadt zu finden. Als Sieger aus diesem Wettbewerb ging der Entwurf einer einhüftigen Schrägseilbrücke von Victor Markelj (Ingenieurbüro Ponting, Maribor, Slowenien) hervor, der mit Unterstützung des Architekten Peter Gabrijelcic die typische Form des sehr schlanken Pylons entwickelte. Trotz einer Überbaubreite von 45 m sollte der Entwurf leicht und die Brücke mit klaren Formen über die Save geführt werden. So wurden der Querschnitt, das Stützenraster und die Anzahl der Schrägseile festgelegt. Das neue Wahrzeichen der Stadt Belgrad hat einen nadelförmiger Pylon mit einer Höhe von 200 Metern und überspannt auf 376m die Save, damit ist sie die längste einhüftige Schrägseilbrücke Europas und übertrift die beiden großen Rheinbrücken Flehe und Wesel noch um einige Meter.

Dieser Entwurf gelang 2007 in die europaweite Ausschreibung. Der Überbau war mit seinen Dimensionen festgelegt, er sollte gemäß der Ausschreibung über die ganze Länge als Stahlhohlkasten mit orthotroper Platte ausgeführt werden. Im Rückhaltefeld durften keine permanenten Pfeiler angeordnet werden, da es aber deutlich kürzer ist wie das Hauptfeld musste ähnlich wie bei der Strelasundbrücke zur Herstellung der Balance.-zumindest für Eigengewicht.- Betonballast angeordnete werden. Es stand den Bietern frei, innerhalb der geometrischen und architektonischen Vorgaben das Bauwerk hinsichtlich Gründung, Bauverfahren und Baumaterialien zu optimieren. 

Als Randbedingung waren die Schifffahrtsprofile der zwei Buchten sowie der Fluss Save von Rüstungen freizuhalten. Sehr großen Wert wurde gelegt auf Kontinuität des Bauwerks über die gesamte Länge der Brücke, optisch durften sich die 3 verschiedenen Spannweiten – Rückhaltefeld, Hauptfeld, Vorlandbrücke- praktisch nicht unterscheiden. Weitere Herausforderung waren die großen Erdbebenlasten, die vom Bauherrn wesentlich höher angesetzt waren als für jedes andere Bauwerk in Belgrad. [Bild 2] und das hohe Gewicht der Ausbaulasten, die fast so groß waren wie das Gewicht des Stahlüberbaus selbst.

Die Finanzierung erfolgt durch die europäische Wiederaufbaubank EBRD. Baubeginn war im Frühjahr 2009.

Nach Vergabe und Baubeginn wurde der Auftrag um das so genannte Endfeld erweitert: Der im Entwurf vorgesehene Kragarm, an dessen Ende die Rampenbrücken aufgelagert werden sollten, hätte gewaltige Querträger erfordert und erfüllte bezüglich der Verformungen nicht die Anforderung für Schienenverkehr. Dies war von Planern des Entwurfs nicht durchdacht gewesen und wurde aber so von den Architekten nicht akzeptiert. Deshalb mussten während der Detailbearbeitung neue Lösungen entwickelt werden, die mit der schon bis dahin fertiggestellten Planung für die Unterbauten kompatibel waren.

    Lösungsweg

    1 Angebotsplanung

    Hauptaugenmerk bei der Angebotsplanung lag in einer Optimierung der Gründung sowie der Überbauten. 

    Für den Pylon wurde ein kombinierte Bohrpfahl/Schlitzwandgründung ausgearbeitet. 

    Um Baukosten einzusparen wurden für den Überbau alle möglichen Kombinationen diskutiert und untersucht:

    Vorland - Hauptfeld - Rückhaltefeld
    Variante 1: Concrete - Steel - Steel
    Variante 2: Composite - Steel - Composite
    Variante 3: Composite - Steel - Concrete
    Variante 4: Concrete - Steel - Concrete
    Variante 5: Concrete - Composite - Concrete
    Variante 6. Concrete - Steel - Composite

    Die Variante 4 wurde von Beginn an als die wirtschaftlichte Lösung eingestuft, aber wegen der großen Unterschiede im Gewicht, der 2-fachen Übergänge Beton/ Stahl und den hohen Erdbebenlasten als sehr kritisch beurteilt. Für all das wurde aber eine wirtschaftliche Lösung gefunden:

    1. Die Abstände der Schrägseile wurden so modifiziert, dass jedes Kabelpaar(Hauptfeld/ Rückhaltefeld) ungefähr dasselbe Gewicht aus g1 und g2 zu tragen hat und trotzdem die Abschnittlänge der Stahlsegmente im vernünftigen Rahmen bleibt, daraus ergaben sich die Kabelabstände von 16m zu 9m. das ganze Packet der Rückhalteseile musste etwas vom plyon weggeschoben werden, was mit den Ausschreibungsbedingen verträglich war [ Bild 4]
    2. Die Außenabmessungen des Überbaus und auch die Untersichten über die gesamte Brückenlänge mussten einheitlich bleiben. Die außen liegenden Kragplatte ist alle 4 Meter durch Druckstreben gestützt, aus Kontinuitätsgründen sind diese auch im Betonbereich als Stahlstützen ausgeführt worden. An jeder Druckstrebe sind im Beton ähnlich den Querträgern im Stahlquerschnitt Querrippen im Kragarmbereich des Betons in 4 m Abstand vorgesehen die auch zu einer einheitlichen Außenansicht beitragen, dies wurde dem Bauherr auch durch eine Visualisierung erläutert und so dann auch akzeptiert. [ Bild 5]
    3. Vor allem in den Vorlandfelder war das hohe Gewicht mit bis zu 100ton pro lfm ein großes Problem bezüglich Erdbebenlasten. Die ersten Berechnungen mit querfesten Lagern an allen Pfeilern ergaben sehr große Querlasten aus Erdbeben mit entsprechen negativem Einfluss auf die Abmessungen der Pfeiler und Fundamente. Erst als die Querfesthalterung in den 3 Zwischenpfeilern entfernt und die Pfeiler in 2 Scheiben aufgelöst wurden – und damit das Gesamtsystem „weicher“ wurde - waren die Lasten erträglich und dazu noch auf weniger Pfeiler beschränkt.


    Damit war die Entscheidung für die Variante 4 gefallen und das Angebot wurde dafür ausgearbeitet. 

    Das Gewicht des 376 m langen Hauptfeldes wird nun in zwei fächerförmigen Seilebenen mit 4 x 20 Schrägseilen über einen Pylon in das 200 m lange rückwärtige Feld zurückgehängt. 
    Auf der Nordseite besteht der Vorlandbereich aus 4 Spannbetonfeldern mit Spannweiten von 70 – 108 – 80 - 80m. Der durchlaufende Überbau ist monolithisch mit dem Pylon verbunden. Die Gesamtlänge der Brücke beträgt 964 m Der Brückenquerschnitt besteht über die gesamte Länge aus einem Hohlkasten mit 14,50 m Breite und 4,75 m Bauhöhe. Die Gesamtbreite des Überbaus beträgt 45 m,. Damit bietet der Querschnitt Platz für zwei außen liegende Fuß- und Radwege, zwei dreispurige Richtungsfahrbahnen sowie zwei innen liegende Gleislinien für Metro oder Straßenbahn. Zur Verankerung der Schrägseile wird der Hohlkasten dreizellig ausgeführt, mit zwei kleinen Außenzellen, in denen die Kabel verankert werden, und einer großen Mittelzelle, die von umfangreichen Versorgungsleitungen belegt wird 

    Im Frühjahr 2008 erhielt ein Konsortium von PORR, DSD und SCT unter Führung von PORR von der Stadt Belgrad einen FIDIC Vertrag zur Planung und Ausführung. Die Ausführungsplanung der Unter –und Überbauten wurde dem Ingenieurbüro Leonhardt, Andrä und Partner übertragen 

    2 Ausführungsplanung
    2.1 Belastung

    Als Ausschreibungsvorgabe waren Erdbeben- und Windlasten nach örtlichen Gegebenheiten zu bestimmen. Sowohl ein Seilausfall (Doppelseil) als auch ein Strebenbruch sind in der Bemessung zu berücksichtigen. Diese Ermittlung der Lasten sowie die gesamte Planung erfolgt nach Euro-Codes mit den Din-Fachberichten als nationale Anwendungsdokumente.

    Belgrad befindet sich einer Erdbebenzone mit einer anzusetzenden Bodenbeschleunigung, die gemäß EC8 nur knapp oberhalb des Grenzwertes (0,08g) für geringe seismische Aktivität liegt. In den angrenzenden Ländern wie Griechenland, Albanien oder Rumänien kommt es hingegen immer wieder zu deutlich heftigeren Erdbeben. Magnituden von bis zu ca.VII wurden bereits gemessen.
    Obwohl die Bodenbeschleunigungen am Fels gering sind, treten oberflächennah, infolge der Verstärkung durch die Bodenschichtung, deutlich höhere Beschleunigungen auf. Dies schlägt sich in sehr großen Bodenparametern S nieder, die deutlich über den größten empfohlenen Werten nach EC8 liegen. Hierdurch ergeben sich dann Beschleunigungen im Bereich der Fundamente von über 0,2g. Diese Größenordnung liegt damit über dem zweiten Kriterium gemäß EC8 für geringe Seismizität (ag•S<0,1g).

    Als Erdbebensicherung erhalten die Pfeiler 1, 5, 7 und 8 eine Aussparung, die eine Querkraftkonsole des Überbaus aufnehmen kann. Um ein Abheben der Lager in Achse 7 sicher zu verhindern wurden vertikal angeordnete Rückverankerungen angeordnet, die so vorgespannt sind, dass auch im Bruchzustand keinen abhebenden Lasten auftreten.

    In der Ruhruniversität Bochum wurden Windkanalversuche zur Ermittlung der Formbeiwerte im Bauzustand und Endzustand und zur Überprüfung der aerodynamischen Stabilität durchgeführt, sowohl an einem Teilmodel des Überbaus als auch an einem Vollmodell des Pylons im Maßstab 1: 200. 

    2.2 Besonderheiten

    Die Herstellung des Seitenfelds und der Vorlandfelder im Takschiebeverfahren stellte die Planer vor ganz besondere Herausforderungen.

    • Die Balance zwischen Hauptfeld (Stahl) und Seitenfeld (Beton) ist sehr sensibel. Stahlgewichte können relativ genau vorherberechnet werden, während ein Betonüberbau doch erfahrungsgemäß ziemlich große Toleranzen im Eigengewicht unterliegt (Stegdicke, Plattendicke, Wichte des Beton) Deshalb wurde a) ein zusätzlicher Lastfall „Ungleichgewicht“ in der Schnittkraftermittlung berücksichtigt. Dabei wurden +/- 2.5% unterschiedliches Eigengewicht zwischen Hauptfeld und Seitenfeld ungünstig überlagert b) Ballastbeton im Seitenfeld vorgesehen, dessen Volumen erst nach dem Ablassen der Hilfsstützen aus den dabei gemessenen Verformungen bestimmt wurde. Abweichungen in der Höhenlage können damit sehr einfach ausgeglichen werden.
    • Im Seitenfeld besteht der Überbau aus einem 3-zelligen Hohlkasten, wobei die Außenstege 3m Abstand vom Innensteg habe. Da im Endzustand alle 4 Stege ungefähr dieselben Lasten aufnehmen müssen, sind alle 4 Stege mit 60 cm Dicke ausgeführt worden, zu dünn als dass man nur auf 2 Stegen Schieben kann. Deshalb wurde eine Wippe entwickelt, die ohne kompliziertes hydraulisches Pressensystem die Lasten ganz einfach und sicher je zur Hälfte auf die beiden Stege verteilt: auf den Stützenköpfen wir ein Betonblock aufgelegt, der an der Unterseite ein Streifenlager erhält (Elastomerkissen) und oben die beiden Taktschiebelager.
    • Die Betonüberbauten können nur auf einer Geraden oder einem Kreisbogen eingeschoben werden. Erforderliche Überhöhungen sind schwer zu realisieren, variable Steghöhen schieden hier aus geometrischen Gründen aus, es würde zu wechselnder Druckstrebenneigung führen, was weder für den Bauherrn noch die ausführende Firma akzeptabel gewesen wäre. Wegen der relativ großen Anzahl von Hilfsstützen mit unterschiedlichen Abständen ist ein „Schieben auf der Welle“ auch als unmöglich. Deshalb wurde für die Vorlandfelder die sogenannte Verschiebeleiste entwickelt: ein Betonstreifen unter dem Steg, der nach Endverschub ausgebaut wurde. Mit dieser Maßnahme konnte die erforderlichen Überhöhungen -bis zu 15 cm in dem 108m Feld- realisiert und das wirtschaftliche Taktschieben erst realisiert werden.
    • Im Seitenfeld wurde mit langwierigen Iterationsberechnungen eine kreisförmige Ersatzgradiente ermittelt, die nur wenige Zentimeter von der Sollgradiente abweicht. Deshalb konnte dort auf die Überhöhungsleiste verzichtet werden.


    Zusammenfassung

    Im Jahr 2005 lobte die Stadt Belgrad einen internationalen Planungswettbewerb aus, um die beste gestalterische Lösung für eine neue Savequerung zu finden. Als Sieger aus diesem Wettbewerb ging der Entwurf einer einhüftigen Schrägseilbrücke von Victor Markelj (Ingenieurbüro Ponting, Maribor, Slowenien) hervor, der mit Unterstützung des Architekten Peter Gabrijelcic die typische Form des sehr schlanken Pylons entwickelte. 

    Hauptaugenmerk bei der Angebotsplanung lag in einer Optimierung der Gründung sowie der Überbauten. Für den Pylon wurde ein kombinierte Bohrpfahl/Schlitzwandgründung ausgearbeitet. Wegen den unterschiedliche großen Spannweiten der Hauptfelder wurde der Überbau optimiert. Das Gewicht des 376 m langen Hauptfeldes wird nun in zwei fächerförmigen Seilebenen mit 4 x 20 Schrägseilen über einen Pylon in das 200 m lange rückwärtige Seitenfeld zurückgehängt. Das längere Hauptfeld ist als „leichter Stahlüberbau“ mit dem kürzeren „schweren Betonüberbau“ des Seitenfelds im Gleichgewicht, wodurch große abhebende Lasten am rückwärtigen Pfeiler vermieden werden. Auf der Südseite schließt sich ein Endfeld mit 50 m Spannweite zur Rampenanbindung an. Auf der Nordseite besteht der Vorlandbereich aus 4 Feldern mit Spannweiten von 70 – 108 – 80 - 80 m. Er wird wie das Seitenfeld in Spannbetonbauweise ausgeführt. Der durchlaufende Überbau ist monolithisch mit dem Pylon verbunden. Die Gesamtbreite des Überbaues beträgt 45 m, wobei die außen liegenden Kragplatten alle 4 Meter durch stählerne Druckstreben gestützt sind. An jeder Druckstrebe sind ähnlich den Querträgern im Stahlquerschnitt Querrippen im Kragarmbereich des Betons in 4 m Abstand vorgesehen die auch zu einer einheitlichen Untersicht beitragen. Zur Verankerung der Schrägseile wird der Hohlkasten dreizellig ausgeführt, mit zwei kleinen Außenzellen, in denen die Kabel verankert werden, und einer großen Mittelzelle, die von umfangreichen Versorgungsleitungen belegt wird 

    Als Ausschreibungsvorgabe für die Ausführungsplanung waren Erdbeben- und Windlasten nach örtlichen Gegebenheiten zu bestimmen. Belgrad befindet sich einer Erdbebenzone mit einer anzusetzenden Bodenbeschleunigung, die gemäß EC8 nur knapp oberhalb des Grenzwertes (0,08g) für geringe seismische Aktivität liegt. Magnituden von bis zu ca.VII wurden bereits gemessen. Hierdurch ergeben sich dann Beschleunigungen im Bereich der Fundamente von über 0,2g.
    Als Erdbebensicherung erhalten die Pfeiler 1, 5, 7 und 8 eine Aussparung, die eine Querkraftkonsole des Überbaus aufnehmen kann. Um ein Abheben der Lager in Achse 7 sicher zu verhindern wurden vertikale externe Spannglieder angeordnet, die wegen der größeren Biegespannung dieselben Ankerköpfe wie die Schrägseile erhalten. In der Ruhruniversität Bochum wurden Windkanalversuche zur Überprüfung der aerodynamischen Stabilität durchgeführt, sowohl an einem Teilmodel des Überbaus als auch an einem Vollmodell des Pylons. 

    Die Herstellung des Rückhaltefelds und der Vorlandfelder im Takschiebeverfahren stellte die Planer vor ganz besondere Herausforderungen:

    • Die Balance zwischen Hauptfeld (Stahl) und Seitenfeld (Beton) ist sehr sensibel. Deshalb wurde ein zusätzlicher Lastfall „+/- 2.5% unterschiedliches Eigengewicht“ eingeführt und für das Seitenfeld variabler Ballastbeton vorgesehen.
    • Im Seitenfeld besteht der Überbau aus einem 3-zelligen Hohlkasten, wobei die Außenstege 3m Abstand vom Innensteg habe. Für das Einschieben wurde eine Wippe entwickelt, die ohne kompliziertes hydraulisches Pressensystem die Lasten ganz einfach und sicher 50/50 verteilt.
    • Wegen der relativ großen Anzahl von Hilfsstützen sind die Verformungen von Bauzustand und Endzustand sehr unterschiedlich. Deshalb wurde für die Vorlandfelder Verschiebeleisten entwickelt, ein Betonstreifen unter dem Steg, der nach Endverschub ausgebaut wurde. 


    Der Spannbetonüberbau des Rückhaltefelds überquert mit 200 m einen kleinen Seitenarm der Sava. Der Überbau wurde im Taktschiebeverfahren hergestellt und von der Südseite her 20 m über Grund von einer aufgeständerten Feldfabrik über drei im Abstand von 50 m abgespannte Hilfsstützen Richtung Pylon eingeschoben. 

    Die 7800 Tonnen Stahl für den Überbau des Hauptfelds wurden in China vorgefertigt und kamen in geeigneten Elementgrößen auf dem Seeweg nach Amsterdam / Rotterdam, wurde dort umgeschlagen und gelangten schließlich über den Rhein Main Donau Kanal nach Belgrad. Auf der Halbinsel Ada Mala im Bereich wurde ein 200 m langer Vormontageplatz hochwassersicher eingerichtet, das Brückensegment auf einen Ponton verladen und mit Winden unter der Einbaustelle positioniert. Ein Derrick am Kragarmende zog die Elemente mit Hilfe zweier Litzenheber a 200 t Kapazität hoch, wo sie ausgerichtet und dann mit dem bestehenden Kragarm verschweißt werden. Das Gewicht der Elemente betrug bis zu 360 Tonnen.

    Die bis zu 373 m langen Schrägseile bestehen aus parallelen Litzenbündeln. Jede Litze ist aus Korrosionsschutzgründen galvanisiert, gewachst und PE-ummantelt. Die Litzenbündel laufen durch ein HDPE Rohr mit bis 300 mm Durchmesser. Es wurde für die 80 Seile in Summe 1280 to Spannstahl eingebaut. Je Seil werden bis zu 88 Litzen eingezogen. Zur Vermeidung von Seilschwingungen erhält jedes Seil am Seilausgang auf dem Überbau einen Reibungsdämpfer.

    Nach dem Herstellen des Rückhaltefelds wurde der Vorbauschnabel zum Vorlandfeld umgesetzt. Der 358 m lange Überbau wird gegen eine Längsneigung von 2 % in 19 Takten mit einer Regellänge von 20 m eingeschoben. Zwischen den Bauwerkspfeilern stehen Hilfsstützen, die die Spannweite für den Verschub auf 36 bzw. 40 m verringern. 

    Die Verkehrsübergabe erfolgt am 31. Dezember 2011 um Mitternacht mit einem großen Feuerwerk. Das Bild der fertigen Brücke zeigt sehr schön, welches beindruckende Bauwerk durch die professionelle und freundschaftliche Zusammenarbeit aller am Bau beteiligten Nationalitäten da zustande gekommen ist.

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    Fertigstellung
    2012
    Architekt
    Peter Gabrijelčič
    Ingenieur
    Leonhardt, Andrä und Partner GmbH
    Bauherr
    Belgrade Land Development Public Agency