Talbrücke Windelbach - Überbauerneuerung mit innovativem Montageverfahren

Laudatio der Jury:
Auszeichnung: Stephan Langer, Donges Steeltec, Darmstadt für das Montageverfahren zur Überbauerneuerung der Talbrücke Windelbach

Viele ältere Autobahnbrücken, oft mit Überbau in Spannbetonbauweise, müssen saniert werden. Der Ersatz der schweren Spannbetonträger durch leichtere und leistungsfähigere Stahl-Verbundüberbauten unter Weiternutzung der bestehenden Stützen und Fundamente ist eine wirtschaftliche Lösung. Sämtliche Arbeiten sollen von oben und unter Aufrechterhaltung des Verkehrs auf den benachbarten Fahrstreifen durchgeführt werden. Das innovative Montageverfahren nutzt die alten Spannbetonträger als Fahrweg, um diese mittels Schwerlastgleiswagen schrittweise durch Stahlträger zu ersetzen. Ein beindruckendes, zukunftsweisendes Montagekonzept.

Grundsätzlich wurde für den Abbruch und den Neubau des Überbaus der Windelbachtalbrücke ein innovatives Bauverfahren von Hessen Mobil – Straßen- und Verkehrsmanagement entworfen, welches im Kern vorsieht mittels schienengeführtem Schwerlastwagensystem sowohl die alten Brückenträger zu demontieren als auch die neuen Brückenträger zu montieren.

Im Amtsentwurf wurde als Hebezeug ein Portalkran entworfen, welcher die Hubaufgaben übernehmen sollte. Die beauftragte Baufirma - Donges Steeltec - hat die Idee des schienengeführten Wagensystems aufgegriffen und das Hubkonzept mittels Portalkranen gegen ein Hubkonzept mit Quertraversen und Litzenhebern ausgetauscht.
Die Änderungen wurden als Nachtragsangebot beauftragt.

Durch die gemeinsame Fortentwicklung des Baukonzeptes wurde ein sehr innovatives Montageverfahren genutzt um die geforderten Planungsziele so schonend wie möglich bei gleichzeitiger Wirtschaftlichkeit umzusetzen.
Dafür wurde diese Maßnahme mit dem Ingenieurpreis des dt. Stahlbaues 2013  ausgezeichnet.

Allen an Planung und Bau beteiligten Bauingenieuren der Straßenbauverwaltung, Ingenieurbüros und Baufirmen und ihren Mitarbeitern gebührt die Anerkennung, welche mit der Verleihung des Preises einhergeht.

Erläuterungsbericht von Stephan Langer, Donges Steeltec GmbH
zur Einreichung beim Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues 2013:

Aufgabenstellung
Die Windelbachtalbrücke – Überbauerneuerung mit innovativem Montageverfahren Dipl. Ing. Stephan Langer Donges Steeltec GmbH, Darmstadt

40 Jahre nach ihrer Erbauung wird die 302 m lange Talbrücke Windelbach einer Instandsetzung unterzogen, die eine Erneuerung der Überbauten auf zu sanierenden Talpfeilern erforderlich macht. Dabei kommt als Ersatzneubau für die bestehenden Spannbetonträger ein moderner Verbundüberbau zum Einsatz. Aufgrund der topographischen Verhältnisse und der Bedingungen zur Aufrechterhaltung eines 4+0 Verkehrs wurde ein innovatives Montageverfahren mit Schwerlastgleiswagen zur Montage der neuen Stahlverbundkästen und Demontage der bestehenden Spannbetonträger entwickelt.

Das neue Bauwerk erhält analog dem vorhandenen Überbau für beide Richtungsfahrbahnen getrennte Brückenüberbauten. Als System wird der Überbau als 6-feldriger Durchlaufträger mit einer Gesamtstützweite von 307 m ausgebildet. Die Breite zwischen den Geländern beträgt insgesamt 31,25 m. Die Überbaubreiten betragen für jede Fahrtrichtung 15,85 m, gemessen zwischen den AK Kappen. Als Überbauquerschnitt wurde ein Stahlbeton-Verbundquerschnitt mit je zwei einzelligen Stahltrapezkästen in S 355J2G3 und einer schlaff bewehrten Betonfahrbahnplatte in C35/45 gewählt. Die Konstruktionshöhe von alt 3,80 m wird mit neu 3,50 m etwas reduziert, um den erforderlichen Freiraum zwischen den Auflagerbänken und UK Überbau bei gleicher Gradientenhöhe zu gewährleisten. Die Breite der Stahltrapezkästen beträgt oben 3,00 m und verjüngt sich nach unten auf 1,90 m. Die Aussteifung der Stahlkästen in Brückenquerrichtung erfolgt durch Anordnung von innen liegenden Querrahmen im Abstand von ca. 5 m. Die Endquerträger werden in Beton ausgeführt. Die Dicke der Fahrbahnplatte ist in Querrichtung variabel und beträgt zwischen 25 und 50 cm. Für die Herstellung kommen dreiteilige Halbfertigteilplatten zum Einsatz; die Ortbetonergänzung erfolgt im Pilgerschrittverfahren. Kopfbolzendübel sichern den Verbund zwischen Fahrbahnplatte und Stahlkasten, wobei die beiden Obergurte der Innenseiten durchgehende Dübelanordnung vorsehen, während bei den äußeren Reihen aufgrund der Auflagerung der Kragarmplatten sog. Dübelnester zur Ausführung kommen. Die Lagerung der Brücke erfolgt jeweils über zwei Lager/Achse, die mittig unter den Hohlkästen angeordnet werden. In allen Pfeilerachsen kommen Verformungslager und an den beiden Widerlagern Kalottenlager zur Ausführung. In Längsrichtung wird die Brücke elastisch gelagert. Der Korrosionsschutz für den Stahlbau wird gemäß ZTV-ING, Teil 4, Abs. 3, Tabelle A.4.3.2 ausgeführt.

Randbedingungen für den Bauablauf
Das gesamte Bauwerkskonzept basiert auf den eng gesetzten Randbedingungen zur Umsetzung der Maßnahme. Neubau und Abbruch waren so zu koordinieren, dass der Eingriff in die Umwelt (FFH-Randzone) sowie Beeinträchtigungen der extrem nahen Bebauung vermieden bzw. minimiert und die Verkehrsführung möglichst wenig eingeschränkt werden. Eine Besonderheit bei der Umsetzung der Baumaßnahme stellt daher das Bauverfahren für die Windelbachtalbrücke dar. 

Vorgabe aus der Planung und Ausschreibung des Projektes waren unter anderem:

• Abbruch der alten Spannbeton-Fertigteilträger und Neubau der neuen Stahlverbundkonstruktion nur von oben
• wegen der zu hohen Lärmbelastung kein Zerkleinern der vorhandenen Längsträger im Tal
• Abtransport der Abbruchmassen erfolgt über die BAB
• Kein An- und Abtransport von Großbauteilen durch das im Tal liegende Wohngebiet
• Aufrechterhaltung von 4 Fahrsteifen auf der BAB (4+0) während der gesamten Bauzeit.
• Fertigung der Stahlverbundträger mit kompletter Feldstützweite (bis 54m) im Werk und Transport auf die Baustelle

Montage-/Demontageverfahren
Ziel war es, die alten Spannbetonträger und neuen Stahlkästen mit einem kombinierten Verfahr- und Hubwagen auf möglichst niveaugleicher Lage ein- bzw. auszufahren. Dabei sollten die Träger möglichst in Höhe ihrer Endlage transportiert und stabilitätsrelevante, sowie kritische Vorgänge und Abspannungen vermieden werden. Auf den Einsatz von Großkränen und schwerem Gerät sollte gänzlich verzichtet werden.

Lösungsweg

Aufgrund der Vorgaben des Bauvertrages war es erforderlich ein Montagesystem zu entwickeln, welches auf Basis der engen Randbedingungen eine sichere und wirtschaftliche Lösung bot. Ein bereits im Zuge des Verwaltungsentwurfes vorgeschlagenenes System mit auf den Bestandspfeilern aufgestellten und über 60 m zum benachbarten Pfeiler abgespannten ca. 15 m hohen Hubportalen wurde durch alle Beteiligte verworfen und die nachfolgende durch die ARGE entwickelte Lösung im Zuge eines Nachtrages zur Ausführung beauftragt.

Entwickelt wurde ein schienengebundenes System aus Schwerlastgleiswägen und Hubvorrichtungen welches mittels hydraulischen Litzenhebern auf Quertraversen, sowie Verschubbahnen sowohl die Bestands- als auch die neuen Träger ihrer Bestimmung zuführen kann. Zum besseren Verständnis wird neben den folgenden Erläuterungen zum Ablauf und den einzelnen technischen Hilfsmitteln auf die beiliegenden Phasenpläne und Skizzen/Fotos verwiesen.

Grobablauf/Logistik:

• Einrichtung des 4+0 Verkehrs
• Entfernen Kappen und Belag auf gesamter Überbaulänge
• Abbruch der Fahrbahnplatte zwischen inneren und äußeren Längsträgern durch Längsschnitt zwischen den Spannbetonträgern und Aushub mittels Kran
• Querverschub der äußeren Längsträger an die inneren Längsträger
• Aufbau Schienensystem über die gesamte Bauwerkslänge auf den Innenträgern des Bestands
• Sanierung der Pfeilerköpfe/Lagersockel
• Aufnahme der beiden 54 m langen Stahlkästen je Feld mittels 2 Schwerlastgleiswagen und entsprechenden Traversen/Hubvorrichtung hinter dem WL Giessen
• Paarweises Einfahren der Stahlkästen je Einzelfeld über Schienensystem in Endposition
• Absenken der Stahlkästen auf Pfeiler/WL mittels hydraulischem Litzensystem
• Fortlaufendes Schließen der Montagestöße und Verschweißen, sowie Korrosionsschutzarbeiten
• Umbau und Ergänzung des Schienensystems von den 2 Innenträgern auf die 4 Obergurtflansche der neuen Stahlverbundkästen
• Fortlaufender Abbruch der restlichen Fahrbahnplatte und Herausheben/Ausfahren der Innenlängsträger mittels Schwerlastwagen und Verfahren über das Schienensystem hinter die WL zur Zerkleinerung
• Querverschub der Hohlkastenachse und Montage/Verschweißen der Pfeiler-Querträger
• Verlegen der Halbfertigteile der Fahrbahnplatte
• Herstellung der kompletten Fahrbahnplatte (Ortbetonergänzung) im Pilgerschrittverfahren
• Abdichtung, Kappen, Belag, letzte Deckbeschichtung, Ausbau
• Verkehrsumlegung und Erneuerung der 2. Fahrtrichtung entsprechend

Schwerlastgleiswagen
Die 4 Schwerlastgleiswagen wurden speziell für dieses Projekt entwickelt und haben eine Tragkraft von je 120 to. 2 Wagen sind mit Antrieb versehen (MASTER), die beiden anderen ohne (SLAVE). Der Antrieb erfolgt über Elektromotoren mit Batteriebetrieb, sowie Ladestation und einer eingebauten Bremsanlage. Die Länge der Plattformwagen beträgt 4920 mm, die Breite 3300 mm. Aufgrund der unterschiedlichen Spurweite beim Einfahren der Stahlkästen und beim Ausfahren der Betonträger sind die Abstände der Radsätze in Längsrichtung und Querrichtung auf die verschiedenen Spurweiten ausgelegt. Für den Transport der Stahlbauteile werden 2 Fahrzeuge (1*MASTER, 1*SLAVE) im Verbund eingesetzt, die über eine Steuerflasche gemeinsam gesteuert werden können. Werden hingegen die Betonträger ausgefahren, kommen 4 Fahrzeuge (2*MASTER, 2*SLAVE) zum Einsatz. Die Fahrgeschwindigkeit ist auf 20m/min beschränkt.

Traversen für Trägereinbau 
Die Traversen auf den Schwerlastgleiswagen wurden derart konzipiert, dass hiermit sowohl die neuen Stahlkästen eingefahren, als auch die Betonträger ausgefahren werden konnten. Beim Einfahren der Träger lagerte die Traverse mittig auf dem Schwerlastgleiswagen und ermöglichte so ein Anhängen der Stahlkästen an den beiden seitlichen Kragarmen. Litzenhubsysteme ermöglichten die horizontalen Bewegungen der Bauteile. Aufgrund des Höhenunterschiedes zwischen der Antransportlage auf der bestehenden BAB und der tieferen Einbaulage der Stahlkästen erfolgte das Anschlagen der Bauteile mittels Konsolträgern auf den unteren Querrahmen des Bodenbleches und späterem Ablassen der Träger in die Einbaulage. Dadurch war kein Ausheben eines“ Taktkellers“ hinter dem WL Giessen erforderlich.

Traversen für Trägerausbau
Der Ausbau der Bestandsträger erfolgte mit der gleichen Traverse wie beim Einfahren der Stahlkästen. Nunmehr wurde die Traverse jedoch als Einfeldträger auf den beiden äußeren Schwerlastgleiswagen gelagert und übernahm die Betonträger aus ihrer Bestandslage. Nach dem Aufnehmen der Träger wurden diese mit Hilfe eines auf der Traverse befindlichen Schlittensystems in die mittige Position verfahren, um so beim Ausfahren der Träger über die Stahlkästen gleichmäßige Lastverteilungen zu gewährleisten.

Schienensystem
Als Schienensystem kamen klassische „S49“ Schienen zum Einsatz, die in Querrichtung im Abstand von 3,2m durch Querträger (U-Profile) verbunden waren. Dabei wurden die Träger auf dem Bestandsüberbau direkt auf dem Beton mit einer Spurweite von 3750 mm gelagert, während auf den Stahlobergurten der Verbundkästen die Schienen aufgrund der vorhandenen Dübelnester der Kopfbolzendübel im Abstand von 600 mm auf Konsolen (HEB 200 bzw. 240) aufgelagert wurden. Die Spurweite betrug hier entsprechend der Stahlobergurte 2980 mm.

Zusammenfassung

Das aus den besonderen Randbedingungen der Talbrücke Windelbach entwickelte Verfahren zum Austausch der Überbauten hat sich, neben der Eingangs beschriebenen Betrachtung der Sicherheitsaspekte, als wirtschaftlich bestätigt. Im Vergleich zum ausgeschriebenen Verfahren mit Portalkran und Abspannungen wurde neben dem erhöhten Sicherheitsniveau und den wirtschaftlichen Aspekten vor allem auch eine deutliche Beschleunigung der Bauarbeiten erreicht, da auf die umfangreichen und zeitintensiven Umbauarbeiten der Portalkräne in den einzelnen Montage- und Demontagephasen verzichtet werden konnte. Insgesamt wurde hier ein Verfahren entwickelt, welches gänzlich auf den Einsatz von Mobilkranen und Großgeräten im Bauwerksbereich verzichtet und damit immer dort zum Einsatz kommen kann, wo die Topografie, bzw. sonstige Zwangspunkte einen solchen Einsatz von schwerem Gerät verbietet.

Der komplette Neubau von größeren Talbrücken im Bundesautobahnnetz gehört nach derzeitigem Stand in Deutschland in den kommenden Jahren eher zur Ausnahme. Die meisten der geplanten Neubaustrecken sind mittlerweile realisiert und der Bedarf an neuen Überbauten, der in den vergangenen 20 Jahren besonders in den neuen Bundesländern für interessante Aufgaben gesorgt hat, ist eher gering. Der Fokus liegt daher derzeit und in den kommenden Jahren auf der Sanierung und dem Ersatzneubau, wobei sich die A45 hier in besonderem Maße als „Sorgenkind“ herauskristalisiert hat. Da insbesondere bei den Talbrücken der BAB 45, aber auch bei vielen weiteren mittleren und größeren Autobahnbrücken, die damals noch nicht ausgereifte Spannbetonbauweise mit den bekannten Problemen der Dauerhaftigkeit zum Einsatz kam, sind gerade auf dieser Strecke die Großzahl der vorhandenen Talbrücken durch Neubauten zu ersetzen. 

Die derzeit laufenden Verstärkungsmaßnahmen dienen lediglich zur Aufrechterhaltung des Verkehrs für die bereits laufende Planungs- und Genehmigungsphase der Ersatzneubauten. Dabei wird man an diversen weiteren Talbrücken voraussichtlich auf ähnliche Verhältnisse wie bei der Windelbachtalbrücke stoßen, die eine Erhaltung der Unterbauten bei gleichzeitiger Erneuerung der Überbauten vorsehen. Da auch hier dann der Einsatz von Spannbetonträgern aus Gewichtsgründen in Bezug auf die vorhandenen und zu erhaltenden Pfeiler ausscheidet, werden vermehrt Stahlverbundträger zum Einsatz kommen und ein verwandtes, teilweise identisches Montage- und Demontageverfahren zum Einsatz kommen können.

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