Neubau der Waschmühltalbrücke

Auszeichnung
Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues 2015
Kategorie Brückenbau

Volkhard Angelmaier (Leonhardt, Andrä und Partner Beratende Ingenieure VBI AG, Stuttgart)
Neubau der Waschmühltalbrücke

Laudatio

Erweiterung durch Kontrast: Als ein mögliches Konzept der Erweiterung einer denkmalgeschützten massiven Brücke wurde dieser eine separate neue filigrane Stahlkonstruktion zur Seite gestellt. Dabei wurde bewusst eine schlanke, rektanguläre Balkenkonstruktion mit seitlichen Pylonen gewählt, welche die Kontur der alten Bonatz-Gewölbebrücke weitestgehend unangetastet lässt und sie dadurch betont.
Technisch wurde die Aufgabe durch schräg abgehängte torsionssteife Hauptträger an kurzen aufgelösten Pylonen gelöst. Die Brücke realisiert größtmögliche Spannweiten bei minimalem Tragwerk. Die moderne Brückenkonstruktion verdeutlicht Möglichkeiten und Vorzüge des Stahlbaues in der Denkmalpflege und trägt zum konstruktiven Dialog beim Bauen im Bestand bei.

Erläuterungsbericht von Volkhard Angelmaier | Leonhardt, Andrä und Partner Beratende Ingenieure VBI AG zur Einreichung beim Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues:

Aufgabenstellung

Die Bundesautobahn A 6 zwischen Mannheim und Saarbrücken ist eine großräumige und leistungsfähige Ost-West-Verbindung zwischen dem Ballungsgebiet Ludwigshafen-Mannheim und dem Saarland bzw. Frankreich. Im Raum Kaiserslautern steht aufgrund der Sanierungsbedürftigkeit der Bauwerke und wegen des bislang nur vierstreifigen Querschnittes der Ausbau der A 6 an. Dabei muss zwischen der Anschlussstelle Kaiserslautern-West und dem Autobahndreieck Kaiserslautern die unter Mitwirkung des Architekten Paul Bonatz zwischen 1935 und 1937 errichtete und seit 1984 Denkmalschutz genießende Waschmühltalbrücke verbreitert und instandgesetzt werden.

Das Bauwerk, das heute noch fast im Originalzustand erhalten ist, besticht durch seine äußere Erscheinung, durch die Verwendung des landschaftstypischen Sandsteines und durch gute Proportionen: Die Waschmühltalbrücke gilt als eine gelungene Synthese aus Ingenieurleistung, Architektur und Landschaftsgestaltung. Sie überführt die vierstreifi ge Autobahn in einer Höhe von 32 m über das steil eingeschnittene Tal, ihre Gesamtlänge beträgt 263,40 m, die Öffnungen der zehn Bogenreihen weisen eine lichte Weite von 19,70 m auf, der Achsabstand misst 22,70 m.

Foto: Landesbetrieb Mobilität Rheinland-Pfalz

Nach 70 Jahren Lebensdauer ist nunmehr neben dem sechsstreifigen Ausbau der Bundesautobahn BAB A 6 auch eine Generalinstandsetzung des Bauwerkes erforderlich. Im Zuge einer umfangreichen Studie wurden mehrere Varianten zu seiner Verbreiterung untersucht. Als Vorzugslösung kristallisierte sich heraus, eine durchgehende Fahrbahnplatte über den beiden bestehenden Bogenreihen anzuordnen und ein neues Bauwerk parallel zur alten Brücke für die Gegenfahrbahn zu errichten.
Aufgrund der besonderen Situation und der Bedeutung der von Paul Bonatz entworfenen Waschmühltalbrücke wurde deshalb ein Einladungswettbewerb zur Formfindung der neuen Brücke ausgelobt. Bei der weiteren Planung musste also großes Augenmerk darauf gerichtet werden, dieses Zeugnis trotz veränderter Anforderungen zu erhalten und daneben gleichzeitig ein neues Ingenieurbauwerk mit eigener Identität zu schaffen, das sich sowohl in den Landschaftsraum einfügt als auch das passende Pedant zum Baudenkmal Waschmühltalbrücke bildet.

Lösungsweg

Im Mittelpunkt des Entwurfsprozesses stand die Auseinandersetzung mit der bestehenden Waschmühltalbrücke unter dem primären Wettbewerbsaspekt eines angemessenen Umgangs mit dem vorhandenen Bauwerk und der Beachtung der Qualität und Gestaltung der Brücke von Paul Bonatz.
Im Zuge einer breit angelegten Variantenuntersuchung sollten in einem 1.Schritt Grundsatzfragen wie oben- oder untenliegendes Tragwerk, Materialwahl und Stützenstellungen / Spannweiten in enger Abstimmung mit den Architekten geklärt werden.
Neben Handskizzen wurden in dieser frühen Phase auch bereits räumliche Darstellungen für die Entscheidungsfindung herangezogen.
Unter Abwägung sämtlicher Vor- und Nachteile der einzelnen Varianten kam das Entwurfsteam einvernehmlich zu der Entscheidung, eine Lösung mit obenliegendem Tragwerk weiterzuverfolgen, was nicht zuletzt auch durch entsprechende Arbeitsmodelle untermauert und bekräftigt wurde.

Mit der gewählten Vorzugslösung konnte das übergeordnete Ziel der Entwurfsverfasser, ein Ingenieurbauwerk mit eigener Identität zu schaffen, welches sich sowohl in den Landschaftsraum einfügt als auch das passende Pendant zu dem Baudenkmal „Waschmühltalbrücke“ bildet, am besten umgesetzt werden.

Indem die neue Brücke jeweils drei Bogenachsen überspannt und dazwischen auf Pfeiler, die nur stören würden, verzichtet, gewährleistet sie im wesentlichen die ungestörte Wahrnehmung des denkmalgeschützten Bestandes.
Um die größeren Spannweiten überbrücken zu können, wurde als statisches System“ der überspannte Durchlaufträger“ gewählt, der durch seinen über dem Pfeiler angeordneten Mast und den flach ausgeführten Zuggliedern eine schlanke Ausbildung des Überbaus ermöglicht.
Die Unterkante des neuen Überbaus kann somit oberhalb des Scheitels der alten Bogenreihen angeordnet werden – die Ansicht der Bonatz-Brücke bleibt völlig ungestört.
Dieser Eindruck wird durch die sehr schlanken Einzelstützen noch verstärkt. 
Somit entstand insgesamt ein sehr filigranes und modernes Bauwerk, das sich bei allem nötigen Respekt vor der alten Brücke zum einen durch eine sehr sachliche und schlicht elegante Zurückhaltung auszeichnet, gleichzeitig aber auch ein hohes Maß an eigenständiger Integrität aufweist.

Im Januar 2009 wurde die Arbeitsgemeinschaft Leonhardt, Andrä und Partner / AV1-Architekten mit der Entwurfsbearbeitung des „Wettbewerbssiegers“ sowie der Vorbereitung der Vergabe beauftragt, die im Oktober 2009 abgeschlossen werden konnte.
Der Entwurfsprozess erfolgte in enger Abstimmung mit dem Auftraggeber, Vertretern der Straßenbauverwaltung Rheinland-Pfalz und dem BMVBS, was sich als sehr zielführend erweisen sollte, insbesondere vor dem Hintergrund, dass mit dem in (semi-) integraler Bauweise konzipierten neuartigen Tragwerkstyp des überspannten Durchlaufträgers („extra-dosed bridges“) an verschiedenen Stellen nicht alltägliche Lösungsansätze erforderlich waren.
Das Hauptmerkmal des vorliegenden Entwurfes liegt in seiner, bis auf die Widerlagerbereiche, lagerlosen Bauweise.
Die Vorteile dieser auch als „integrale Brücken“ bezeichneten Bauwerke liegen hauptsächlich in ihrer großen Robustheit (Dauerhaftigkeit, Unterhaltung, Tragsicherheit, Redundanz) und ihren neuen Möglichkeiten hinsichtlich der Gestaltung und des Entwurfes.

Foto: René Legrand

Bei dem für den Überbau angewendeten Tragprinzip handelt es sich um einen „überspannten Durchlaufträger“ mit Spannweiten von 45,05 m, 2 x 68,10 m, 45,55 m, bestehend aus einem biegesteifen Haupt- und Versteifungsträger, der im Bereich der Auflagerachsen eine zusätzliche Überspannung aus Stahlzuggliedern und einem Stützenmast erhält.
Die beiden Hauptträger als dichtgeschweißte Hohlkästen bestehen ebenso wie die Stahlkonstruktion des Mastes aus Baustahl der Güte S 355.
Die Zugglieder werden durch Parallellitzenbündel gebildet (St 1570/1770), die an ihrem oberen Ende an dem Stützenmast fest und am unteren Ende an den Hauptträgern nachspannbar verankert sind. Die Parallellitzenbündel sind als Schrägkabelsystem auszuführen.
In Querrichtung wurden in einem Abstand von 3,24 m Querträger (S 355) vorgesehen, auf denen eine 35 cm dicke Ortbeton-Fahrbahnplatte aufliegt, die im Verbund mitwirkt. Die Querträger wurden mit den Überbau-Längsträgern biegesteif verschweißt.
Die Betonplatte wirkt nur in Querrichtung im Verbund. Somit ist problemlos jederzeit ein Austausch der Fahrbahnplatten ohne große Eingriffe möglich.
Die Kappen und die dort zu integrierende Spritzschutzwand wurden nach Richtzeichnung LS1 bzw. Kap1 hergestellt.
Die Untersicht des Überbaus wird hauptsächlich durch die kassettenförmige Ausbildung des Trägerrostes bestimmt, welcher sich aus den beiden am äußeren Ende befindlichen Längsträgern und den sich in einem Abstand von 3,24 m angeordneten Querträgern zusammensetzt.
In der Seitenansicht sind jeweils die Längsträger zu erkennen, deren ohnehin schon schlanke Ansichtsfläche durch zusätzliche diagonale Vogelschutzbleche weiter reduziert werden.
Die Stahlbetonstützen bilden sowohl in Längs- als auch in Querrichtung zusammen mit dem Überbau einen biegesteifen Rahmen. Auf Lager konnte somit verzichtet werden. 
Durch die biegesteife Verbindung wurde eine Reduzierung der Knicklänge der Stützen erreicht, was eine entsprechend schlanke Ausbildung der Stützen zuließ.
Die unterhalb des Überbaus aus Stahlbeton ausgeführten Stützen setzen sich oberhalb des Überbaus als stählerne Maste fort. Durch diese Materialtrennung wird die Funktionsweise des „überspannten Durchlaufträgers“ deutlich, die aus einem biegesteif durchlaufenden Hauptträger besteht, der durch Zugglieder aus Stahl, die an dem Stützenmast verankert sind, zusätzlich unterstützt und gehalten wird. Konsequent wird diese Einheit – Hauptträger, Mast, Seile – aus demselben Material (Stahl) gefertigt.
Der Mast besteht aus zwei versteiften Blechen, die sich in der Ansicht in ihrer Dimension nach unten verjüngen. Der Pendelstabartige Charakter des Mastes wird durch diese Ausbildung zusätzlich unterstrichen.
Die aus der Überspannung resultierenden Kräfte werden direkt in die beiden Bleche abgeleitet. Diese benötigen zur Stabilitätssicherheit und zur besseren Krafteinleitung in den Beton zusätzliche Beulsteifen.
Diese Versteifungsbleche wurden bewusst nach außen gelegt, was ebenfalls deutlich die Transparenz der Tragwirkung erhöht und die Oberflächen in der Ansicht vorteilhaft gliedert.
Der Mastkopf hat am oberen Ende eine Breite von 2,45 m, so dass die Zugänglichkeit von oben für die Montage und für die Wartung möglich ist. Unterhalb des Überbaus wurden die Stützen aus Stahlbeton entworfen, neben den oben dargelegten gestalterischen Gründen nicht zuletzt auch um eine wirtschaftliche Lastabtragung zu erreichen.
Die Stützen weisen dabei in Querrichtung einen konstanten Querschnitt von 1,60 m auf, während der Querschnitt in Längsrichtung variabel ist. Diese Variation orientiert sich an der bestehenden „Waschmühltalbrücke“, die im oberen Bereich ebenfalls konstant ist und nach unten hin in ihrer Dimension zunimmt. Diese Querschnittszunahme findet ihre Begründung auch in der zunehmenden Momentbeanspruchung zur Einsparung hin.
Die biegesteife Verbindung des stählernen Überbaus mit den Stützen erfolgt über zwei Ankerbleche. Diese sind im unteren Teil mit Verbundmitteln zur Kraftein- bzw. –ausleitung aus den Stützen versehen. Als Verbundmittel dient eine Kombination von Betondübeln und Kopfbolzendübeln. Beim statischen Nachweis waren nur die Kopfbolzendübel zu berücksichtigten. Die konstruktiv zusätzlich vorgesehenen Betondübel wurden in einem Durchmesser ausgeführt, der eine ähnliche Verbundmittelsteifigkeit gewährleistet. Ziel der zusätzlichen Betondübel ist, eine Laststeigerung des Überbaus über die derzeitigen Bemessungsvorschriften an diesem nicht verstärkbaren Bereich zu gewährleisten.
Nach der Montage des Überbaus erfolgte ein Verschweißen der Ankerbleche mit dem Überbau. Anschließend wurde eine 40 cm hohe Vergußfuge zwischen der Stütze und dem Überbau eingebracht.
Die Stützen sind aus Beton C 35 / 45, bewehrt mit Betonstahl BSt 500S.
Die Gründung der Pfeiler erfolgte gemäß der Gründungsempfehlung als Tiefgründung auf Großbohrpfählen von 1200 mm Durchmesser. Dadurch konnten Unsicherheiten bezüglich der endgültigen Tiefenlage des tragfähigen Fels ausgeschaltet werden. Die Tiefe der Verbauten reduziert sich. Mitnahmesetzungen, die die bestehende Brücke beeinträchtigen, wurden ausgeschlossen.

Herstellung | Bauzeit
Der Überbau wurde in Kranmontage vor Ort hergestellt. Die Stahlkonstruktion wurde vorab auf Hilfsunterstützungen montiert und die Fahrbahnplatte im Nachgang betoniert.
Die Stahlträger weisen Abmessungen auf, die einen Straßentransport ermöglichen. Auf einem Vormontageplatz konnten die Stahlkästen zu großen Schüssen verschweißt werden.
Mit Hilfe von Mobilkränen wurden die vorgefertigten Längsträger, Querträger und Stahlmaste auf Hilfsstützen abgesetzt und vor Ort miteinander verschweißt.
Nach Herstellung des Stahltragwerkes wurde die Ortbeton-Fahrbahnplatte hergestellt. Anschließend wurden die Litzenspannglieder vom Überbau eingezogen und auf die erforderliche Vorspannkraft gespannt (kraftgesteuerte Herstellung).
Die Bauzeit für die Herstellung des Brückenbauwerks betrug ca. 20 Monate.

Überlegungen zu Wirtschaftlichkeit, Dauerhaftigkeit und Robustheit
Das Brückenbauwerk wurde nach dem geltenden Regelwerk bemessen. Damit wurden Betriebsfestigkeitsnachweise für alle Bauteile geführt.
Die Betonfahrbahnplatte wirkt nur in Brückenquerrichtung als Verbundplatte. Sie kann damit sehr einfach ohne Zusatzmaßnahmen und Risiken hinsichtlich der Bauwerksgeometrie ersetzt werden.
Die Stahlkonstruktion der Haupt- und Querträger kann durch Verstärkungen mittels Laschen völlig unproblematisch geänderten Erfordernissen in Zukunft angepasst werden.
Die Abspannkabel wurden mit größeren Ankern ausgebildet, um eine Verstärkung der Kabel durch zusätzliche Litzen zu ermöglichen. Die Lastfälle Kabelbruch und Kabeltausch werden analog zu Schrägseilbrücken berücksichtigt.
Einen hinsichtlich nachträglicher Verstärkung etwas komplexeren Punkt stellt der Übergang vom Überbau zu den Stützen dar. Hier wurde eine Überbemessung durch die Ausbildung zusätzlicher Betondübel vorgenommen, um das Ertüchtigungspotential des Bauwerks über die derzeitigen Lastannahmen hinaus zu gewährleisten.

Zusammenfassung

Das Gestalten von Brücken im Sinne eines Beitrages zur Baukultur hat im Denken und Handeln der verantwortlichen Bauherren schon immer eine große Rolle gespielt.
Dieses Ziel auf dem Wege eines interdisziplinären Gestaltungswettbewerbes anzustreben ist Ausdruck eines hohen Verantwortungsbewusstseins des Auslobers.
Im vorliegenden Wettbewerbsverfahren konnte sich eine Entwurfslösung durchsetzen, die eine Auseinandersetzung mit dem vorhandenen Baudenkmal auf „Augenhöhe“ gesucht hat.
Die harmonische Symbiose wurde nicht auf dem Weg einer Unterordnung, sondern vielmehr im Sinne einer der Baukultur verpflichtenden gemeinsamen inneren Haltung erreicht.
Bei aller Gegensätzlichkeit in der Gestaltung und der Tragwerksform ergibt sich im Ergebnis ein hohes Maß an sich ergänzendem Gleichklang.
Die neue Brücke bildet ein klares und überzeugendes Pendant zum bestehenden Bauwerk, was in vielerlei Hinsicht deutlich wird:
- Die neue Brücke wurde stabförmig aufgelöst und wirkt dadurch leicht und filigran. Sie entspricht damit dem Konstruktionsprinzip der Waschmühltalbrücke von Paul Bonatz, der eine für eine Bogenbrücke leichte und filigrane Konstruktion erschaffen hatte.
- Einem druckbeanspruchten Bogen, dessen Tragkonstruktion sich unter der Fahrbahn befindet, steht eine zugbeanspruchte Konstruktion gegenüber, deren Tragkonstruktion über die Fahrbahn gelegt wurde.
- Den verschiedenen Tragprinzipien entsprechend wurden auch unterschiedliche Materialien gewählt. Die druckbeanspruchte Konstruktion wurde seinerzeit unter Verwendung von Stampfbeton und Sandsteinen hergestellt, während die zugbeanspruchte Konstruktion mit hochfesten Zuggliedern arbeitet.
- Die bestehende Waschmühltalbrücke ist ein Bauwerk, welches sich in das Landschaftsbild einbindet, dieses aber auch klar besetzt. Die neue Brücke stellt insofern einen deutlichen Kontrast dar, als sie das Tal bewusst freihält.

Urteil des Preisgerichtes über den Siegerentwurf:
Der Entwurf setzt sich in Form und Konstruktion von der bestehenden historischen Bogenbrücke deutlich ab. Er greift aber gleichzeitig die Gliederung des vorhandenen Bauwerkes auf und unterstreicht dessen Rhythmus und Gestaltung. Durch die geringe Zahl der Stützen und den durch die Überspannung schlanken Überbau wird ein weitgehend unverstellter Blick auf das bestehende Bauwerk ermöglicht.
Die gewählte Konstruktion lässt eine weitgehend problemlose Herstellung erwarten, durch die Wahl von wetterfestem Stahl können die Erhaltungskosten minimiert werden. Allerdings sind die Herstellungskosten gegenüber alternativen Spannbetonlösungen deutlich höher zu veranschlagen.
Der Entwurf setzt sich insgesamt positiv von den anderen eingereichten Entwürfen ab. Da einerseits die Anpassung an das vorhandene Bauwerk in herausragender Weise gelungen ist und andererseits das neue Bauwerk eine eigenständige markante Konstruktion moderner Bauweise darstellt.