Text von Grassl Ingenieure

Mit dem Bau der Stadtbahnlinie U81 soll der Flughafen Düsseldorf an das bestehende Stadtbahnnetz angebunden und dadurch der öffentliche Nahverkehr verbessert werden. Zentraler Bestandteil des ersten Bauabschnitts ist die Querung des hochfrequentierten Verkehrsknotenpunkts über den Nordstern. Als Ergebnis der Aufgabenstellung entwickelt sich eine Brücke, die in einer 90°-Kurve mit einem Radius von 245,5 Metern und einer Gesamtlänge von 441,2 Metern über den Knotenpunkt führt. Durch die Konzeption als „Atmende Brücke“ wurde ein gleichermaßen attraktives wie innovatives Bauwerk realisiert – eine Besonderheit im Eisenbahnbrückenbau.

Die zweigleisige Trassierung verläuft in einem großen Bogen über die A44 und die B8 sowie den Verteilerknoten Nordstern. Aufgrund der frei zu haltenden Verkehrsflächen unterhalb des Bauwerks entwickelt sich eine Stahlkonstruktion mit mittig obenliegendem Tragwerk als Fachwerkträgerkonstruktion über sechs Felder. Die Konstruktionshöhe des Mittelfachwerks verläuft konstant über die gesamte Brückenlänge. Die Pfeilerstandorte der Brücke ergeben sich dabei ausschließlich aus der Positionierung in den Flächen zwischen den vorhandenen Verkehrswegen. Die Stützweiten des Bauwerks betragen zwischen den Widerlagern in Achse 10 und in Achse 70 knapp 63 bis 82 Meter. Die Einspannung des Fachwerks für die großen Endfelder erfolgt jeweils über ein komplettes zusätzliches Fachwerkfeld im Widerlagerbereich. Zur Abtragung der großen vertikalen sowie horizontalen Kräfte des Überbaus in die schwergewichtigen Widerlager werden diese auf räumlich angeordneten Pfählen tief gegründet. Die Gründung der Pfeiler in den Achsen 20, 30 und 40 erfolgt über Flachgründungen. Die Nähe zum vorhandenen Trogbauwerk der A44 erfordert für die Pfeiler in den Achsen 50 und 60 eine Tiefgründung auf Großbohrpfählen.

Der Querschnitt der stählernen Fahrbahnebene mit schräg geneigten Unterseiten reduziert ihre Höhe von der Mitte zu den breit auskragenden Kappen auf eine minimale Konstruktionshöhe. Die Geometrie der geneigten Kappen wurde bei der Gestaltung des Obergurtes aufgenommen. Auch die Diagonalen des Fachwerks wurden mit veränderlichen Querschnittsbreiten entworfen. Zudem weisen die Diagonalen in der Ansicht eine flache Neigung von etwa 40° auf. Diese Konstruktionen führen zu schlanken Ansichtsflächen der tragenden Konstruktion. Die Dynamik des Bauwerks wird durch die Gestaltung der Geländer und Lärmschutzwände weiter unterstrichen. Grundelement ist dabei ein Geländer mit drei deutlich vor den Pfosten vorstehenden Querholmen, welche die horizontale Ausrichtung der Brücke betonen. Bei der Farbgestaltung werden insbesondere die Gesimsbereiche des Überbaus mit einer hellen Farbe hervorgehoben. Zusätzlich heben sich die dunkleren Lärmschutzwände etwas vom weiteren Überbau ab. All diese konstruktiven Details führen zu einem modernen und dynamischen Erscheinungsbild des außergewöhnlichen Bauwerks in Kurvenlage.

Angepasst an die komplexen Randbedingungen, die großen Stützweiten und die Kurvenlage wurde ein leistungsfähiger Stahlüberbau mit oben liegendem Tragwerk entworfen. Die Einspannung des Stahlüberbaus in die massiven Widerlager erfolgt über einbetonierte Stahlbleche und Kopfbolzendübel. Die eckigen Betonpfeiler in Rhombusform wurden mit einem oberen gevouteten, und für die untenliegenden Verkehrsflächen platzsparenden, Pfeilerkopf aus Stahl ausgeführt. Dabei wurde der Stahlpfeilerkopf mit einem vorher einbetonierten Stahlkranz verschraubt und lärmmindernd mit Leichtbeton verfüllt.

Die Konstruktionshöhe des Mittelfachwerks beträgt konstant 6,60 Meter über die gesamte Brückenlänge. Die Fachwerkbreite variiert von 1,20 Meter am Untergurt bis 0,60 Meter am Obergurt. Der Obergurt erhält zur Steifigkeitserhöhung in Querrichtung beiderseitig eine Verbreiterung von je 0,50 Metern. Die Höhe des Untergurtes misst 2,05 Meter und der Obergurt hat eine konstante Höhe von 0,60 Meter. Am Untergurt des Fachwerks schließen auf beiden Seiten die auskragenden, in orthotroper Stahlbauweise konzipierten Fahrbahnplatten an. Aufgrund des geringen Radius konnten nur Flachsteifen eingebaut werden. Die Auskragung beträgt dabei jeweils 5,33 Meter. Die komplette Stahlkonstruktion wurde luftdicht verschweißt ausgeführt. Dies stellte insbesondere für die Fertigung, aber auch für die Montage aufgrund der nicht begehbaren niedrigen Querschnitte, eine besondere Herausforderung dar. Die Innenflächen wurden nicht beschichtet. Die beidseitige Entwässerung verläuft im Übergang von der Fahrbahn zu den Gehwegen, wobei die Längsleitung direkt unterhalb des Fahrbahnbleches verdeckt angeordnet wird. Die Zugänglichkeit ist über eine abnehmbare Gitterrostabdeckung im Bereich des Bodenbleches gewährleistet.

Aufgrund der großen Stützweiten und des in Brückenquerrichtung geringen Abstands der Verschublager sah die ursprüngliche Planung in den Feldern weitere Hilfsstützen für den Vorschub vor. Durch Optimierungen der Bauhilfskonstruktionen wurde durch die bauausführende Arbeitsgemeinschaft ein Konzept erarbeitet, bei dem auf den Einsatz der zusätzlichen Hilfsstützen in den Feldern verzichtet werden konnte. Dies wurde durch den Einsatz eines zusätzlichen „leichten“ 40 Meter langen Vorbauschnabels ermöglicht. Das Taktschiebeverfahren und der Verzicht auf Hilfsstützen vermieden eine starke Reduzierung der nutzbaren Fahrstreifen, großräumige Umleitungsstrecken oder baubedingte Stauaufkommen während der Herstellung des Überbaus. Die Transportgrößen für die Stahlkonstruktion wurden auf Basis der Parameter Konstruktion, Transport und Vormontage festgelegt. So wurden die Fachwerkgurte zu je 24 Bauteilen hergestellt, die Diagonalen als Einzelteile und die Fahrbahn in Längsrichtung in 24 Abschnitten und in Querrichtung je Seite in zwei Elementen vorgefertigt und mit Lkw Sondertransporten zur Baustelle gefahren. Aufgrund der beengten Verhältnisse im Vormontagebereich wurden statt der üblichen Mobilkräne zwei Portalkräne aufgebaut, die das Abladen, ein eventuelles Zwischenlagern und das Positionieren aller Bauteile ermöglichten.

In insgesamt neun Sequenzen wurden auf dem Vormontageplatz zwei bis vier Schüsse vormontiert und anschließend endbeschichtet. Da eine Beschichtung über den Verkehrswegen unterhalb der Brücke nicht möglich war, wurde auf dem Vormontageplatz eine korrosionsschutzgerechte Einhausung errichtet, in der die letzte Deckbeschichtung aufgebracht wurde. Mit Hilfe von hydraulischen Litzenpressen wurde die Konstruktion dann längs eingeschoben. Die bis zu 4 Meter langen Verschublager wurden als Wippe ausgebildet. Für die gleichmäßige Beanspruchung über die Wippenlänge wurden zusätzliche Elastomerkissen eingebaut. Diese Ausführung gewährleistete eine einwandfreie Lasteinleitung in die Stege des Fachwerkuntergurtes, wobei zusätzliche Vertikal- und Horizontalführungen in den Verschubachsen die Lagesicherheit während der kompletten Verschubphase sicherstellten.

Da die komplette Brücke aus dichtgeschweißten Hohlkästen mit niedrigen Bauhöhen besteht, kam der Herstellfolge sowohl im Werk als auch auf der Baustelle eine besondere Bedeutung zu. Nur eine detailgenaue und gut geplante Reihenfolge gewährleistete im Werk eine technisch umsetzbare Schweißkonstruktion. Besonderes Augenmerk bei der Herstellung galt der Einspannung des jeweils letzten Fachwerkfeldes in die Widerlager, da es während des Abbindeprozesses keine Bewegungen der Stahlstruktur im Widerlager geben durfte.

Aufgrund der örtlichen Randbedingungen führten konventionelle Brückenlösungen zu keiner in wirtschaftlicher oder gestalterischer Hinsicht befriedigenden Lösung, da sich hierbei große Querverschiebungen im Gleis oder große Zwangskräfte ergeben hätten. Daher wurde im Rahmen der Planung eine innovative Lösung für die Verformungsproblematik entworfen, die ein gestalterisch höchst ansprechendes Tragwerk ermöglicht. Dazu ist der Stahlüberbau jeweils an den beiden Widerlagern als semi-integrales Bauwerk fest eingespannt. Auf den fünf Pfeilerachsen wurden allseitig bewegliche Lager angeordnet, sodass sich die Längsbewegungen des Überbaus aufgrund von Temperatureinwirkungen durch ein seitliches Ausweichen des Überbaus in Querrichtung zeigen. Die aus Zwängungen resultierenden Spannungen werden reduziert und die verbleibenden Kräfte durch die Widerlager aufgenommen. Neben der komplexen Planung der Stahlkonstruktion und den umfassenden Anforderungen hinsichtlich Bauablauf und Baulogistik im hochbelasteten Projektumfeld zur Aufrechterhaltung der Verkehre war die Planung der Gründungen direkt neben den vorhandenen Bestandsbauwerken eine große Herausforderung. Hier ist zum einen der im Grundwasser stehende Autobahntrog der A44 zu nennen. Weiterhin liegen in unmittelbarer Nähe zum Widerlager in Achse 70 große Bestandsleitungen im Untergrund. Zusatzbelastungen auf Bestandsbauwerke mussten ausgeschlossen und Mitnahmesetzungen auf ein Minimum reduziert werden. Ein weiteres besonderes Augenmerk lag auf der Integration des Oberbaus in das Brückenbauwerk. Als Ergebnis der umfangreichen nichtlinearen Berechnungen der Gleis-Tragwerk-Interaktion, mussten an allen Betonschwellen auf der Innenseite des Gleises Sicherungskappen eingebaut werden, welche die Lagesicherheit des Gleises entsprechend ausreichend erhöhen.

Die semi-integrale Bauweise bietet mehrere Vorteile. Die Anzahl der Verschleißteile wird auf ein Minimum reduziert, indem Lager, Fahrbahnübergänge und Schienenauszüge an den Widerlagern entfallen. Horizontale Auflagerkräfte entstehen an den Pfeilern nur aus Reibung und sind daher gering, welches die Ausführung schlanker Unterbauten auf den nur begrenzt zur Verfügung stehenden Flächen ermöglicht.

Für eine nachhaltige Bewertung des Bauwerks und insbesondere der Stahlkonstruktion, wurde zur Überwachung bereits mit dem Neubau ein aufwendiges Monitoringsystem für die permanente Messung von Dehnungen, Temperaturen und Verformungen geplant. Durch dieses Structural-Health-Monitoring erfolgt ein wichtiger Beitrag zur prädiktiven Erhaltung des besonderen Brückenbauwerks.

Die neu errichtete Linie U81 verbindet den Düsseldorfer Flughafen mit dem Stadtbahnnetz, verbessert so die Anbindung an den ÖPNV und stellt so einen bedeutenden Baustein für die Mobilität in Düsseldorf dar.  

In unmittelbarer Nähe zum Flughafen wird die Stadtbahn über den Knotenpunkt Nordstern geführt, und das unter anspruchsvollen geometrischen Bedingungen. Dies geschieht in einem 90 Grad Bogen mit einem Radius von nur 245 m. Aufgrund der überführten Verkehrswege ist der Raum für die Positionierung von Pfeilern sehr beengt und stellte die Planung vor erhebliche Herausforderungen. 

Die komplexe Aufgabenstellung wurde durch die Entwicklung eines innovativen Überbaus gelöst. Das obenliegende Stahltragwerk besticht durch die Anordnung von nur einer mittigen Fachwerkebene, welche trotz des ausgeprägten Bogens eine ruhige und ästhetische Ansicht erzeugt.  

Besonders hervorzuheben ist die materialgerechte Umsetzung als „atmendes" Tragwerk mit monolithischen Verbindungen zu den Widerlagern sowie die Herstellung mittels Taktschiebeverfahren. Bei dieser Umsetzung greifen Planung und Ausführung nahtlos ineinander und stellen so eine herausragende Ingenieurleistung im Bereich des Stahlbrückenbaus dar. 

Die Jury würdigt diese herausragende Leistung mit einer Anerkennung beim Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues.