bogenbrücke über den fluß dziwna in wolin – entwurf und realisierung

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Fachthemen

© Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Stahlbau 74 (2005), Heft 9

Die neue Umgehungsstraße des historischen Zentrums von Wolin (Polen) wurde imDezember 2003 eröffnet. Wichtigster Teil der Umgehungsstraße ist die stählerne Bogen-brücke über den Fluß Dziwna mit einer Hauptspannweite von 165 m. Im Aufsatz werdendie Haupttragglieder, der Entwurf, die Montage und die Schlußfolgerungen aus derProbebelastung beschrieben. Es hat sich gezeigt, daß infolge eines exakten FE-Modellein Entwurf hoher Genauigkeit entstanden ist, der die wahre Struktur des Brückentrag-werks abbildet.

Bridge over the Dziwna River in Wolin – design and realisation. The new bypass of thehistorical city of Wolin has been opened for service in December 2003. The major part ofthe new road is a steel bridge over the Dziwna river with the main arch span of 165 m.The paper presents the principals of the structure, main results of investigations in thedesigning stage, erection, and the final conclusions resulting from the load tests on side.High accuracy of structural designing, representing the real structure, has been reach-ed by applying a precise FE theoretical model.

2 Konstruktion des bogenförmigenBrückenfeldes

Inspiration für die Konstruktion desBrückenfeldes war die Brücke überden Fehmarnsund in Deutschland.Trotz der architektonischen Ähnlich-keit ist die Brücke von Wolin anderskonstruiert. Die Länge des bogen-förmigen Brückenfeldes [1] beträgt170 m, die theoretische Spannweite165 m. Die Breite der Fahrbahn er-füllt die Normen für Hauptstraßenund beträgt zwischen den Absperr-geländern 12 m. Die Strombrücke be-steht aus zwei geneigten kastenförmi-gen Stahlbögen mit dem Bogenpfeilvon 24 m und aus der darunter an-gehängten Fahrbahnplatte als Ver-bundkonstruktion (Bilder 3 und 4).

Aus den in der Projektierungs-phase für verschiedene Lösungsvari-anten durchgeführten baustatischenAnalysen ergab sich die heutige Form

Krzysztof Żółtowski

Bogenbrücke über den Fluß Dziwna in Wolin –Entwurf und Realisierung

1 Einführung

Die Verkehrsprobleme, die in der Füh-rung der Hauptstraße Nr. 3 (Bild 1)durch das historische Zentrum derStadt Wolin (Wollin) bestanden, be-gründeten den Bau einer Umgehungs-

straße, deren Hauptbestandteil dieBrücke über dem Fluß Dziwna (Die-venow) ist. Die Strombrücke bildet einBogenfeld aus Stahl mit einer Fahr-bahnplatte aus Stahlbeton (Bild 2).Die restlichen Felder sind in Stahl-und Spannbeton ausgeführt.

Bild 1. Bundesstraße Nr. 3 und Lokalisierung der neuenÜberquerung über den Fluß Dziwna (Dievenow)Fig. 1. National road no. 3 and location of the new bridgeacross the Dziwna River

Bild 2. Bogenfeld über den StromlaufFig. 2. Main arch span of the bridge

der Konstruktion des Brückenfeldes.Das statische Modell bildet ein klassi-scher Stahlbogen mit einer an denschrägen Tragseilen aufgehängtenFahrbahnplatte. Beide Bögen sindschräge rechteckige Kastenträger mitden Außenmaßen von 1,8 m auf 1,0 m.Sie sind mit sieben Rohrquersteifenverbunden, so daß eine Rahmenkon-struktion entsteht. Statisch gesehendient die Fahrbahn auch als Zugbandfür den Bogen. Ihre Konstruktion(Bild 4) besteht aus einem stählernenRost, der kraftschlüssig mit der 0,24 mdicken Stahlbetonplatte verbunden ist.Der Rost besteht aus zwei Randbal-ken der Höhe 0,86 m, einem mittle-ren Längsträger der Höhe 0,64 m undQuerträgern der Höhe 0,90 m. DieQuerträger reichen über den Umrißder Platte hinaus. Am Ende der Quer-träger sind die passiven Verankerun-gen für die schrägen Hänger angeord-net (Bild 5).

Die Elemente der Konstruktiondes Brückenfeldes wurden aus Stahl-blechen (18G2A) hergestellt, derenDicke von 12 mm bis 30 mm variiert.Um die durch den Bogenschub verur-sachten Dehnungen im Beton der

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Fahrbahn zu eliminieren, wurden zu-sätzlich Spannglieder vom Typ Freys-sinet angeordnet. Für jeden Bogenwurden jeweils drei Kabel 37 ×15,5 mm eingesetzt. Die Bogenkämp-fer, welche die Verbindungen der Bö-gen mit der Fahrbahn und die Veran-kerung für die Außenspanngliederdarstellen, wurden in Stahlbeton aus-geführt (Bild 6).

Die Aufhängung besteht aus um-hüllten Seilen (∅ = 41 mm). Die Hän-ger liegen in zwei zueinander versetz-

ten Ebenen, so daß ein unmittelbareKontakt an ihren Kreuzungsstellenausgeschlossen ist (s. Bild 5). DasBrückenfeld ruht auf Doppelpfeiler-Stahlbetonstützen, die mit einer Stahl-schwelle verbunden sind. Die Stützentragen ihre Last in einen Pfahlrostein, der aus 43 Pfählen mit je 1,20 mDurchmesser und mit der Länge von15,0 m für den rechten Pfeiler bzw.22,0 m für den linken bestehen.

3 Baustatische Analyse

Der Festlegung der endgültigen Kon-struktion des Brückenfeldes ging einekomplexe baustatische Analyse voran.Es wurden zwei Arten von Fahrbahn-platten und drei Aufhängungsvarian-ten untersucht. Das numerische Mo-dell der Konstruktion wurde aufGrundlage der FEM erstellt. Die Bö-gen und der stählerne Fahrbahnrostwurden mit Stabelementen auf räum-lichen Exzentern abgebildet, die Fahr-bahnplatte mit Hilfe oberflächiger4-Knoten-Elemente und die Hängersowie die Spannglieder wurden alsStrangelemente modelliert. Zusätz-lich wurden die folgenden Annahmengetroffen:– Es wurde angenommen, daß sichdie Konstruktion elastisch verhält.– Die Aufteilung in finite Elementewurde unter Berücksichtigung der tat-sächlichen Geometrie der Konstruk-tion und der Randbedingungen vor-genommen.– Die FE-Netze wurden so angenom-men, daß sie das Konvergenzkrite-rium für die Aufteilung in die finitenElemente erfüllen und gleichzeitigden direkten Vergleich der Ergebnisseverschiedener Modelle ermöglichen(Kompatibilität).

Bild 4. Typischer QuerschnittFig. 4. Typical cross-section

Bild 5. Fahrbahnplatte und Verankerung der HängerFig. 5. The deck and anchorage of hangers

Bild 3. Konstruktion und QuerschnitteFig. 3. Structure and cross-sections

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– Berücksichtigt wurden Bauphasendurch das Zusammenlegen von Vor-spannzuständen und Deformationenwährend der einzelnen Etappen.– Analysiert wurden Spannungszu-stände unter charakteristischer Bela-stung.

Bild 7 zeigt das numerische Mo-dell der projektierten Brücke. Die Re-chenergebnisse sind in Bild 8 dar-gestellt. Zusammengestellt sind diewichtigsten Schnittkräfte und Span-nungen, für die drei untersuchtenVarianten des Aufhängungssystems.Ausgewählt wurde die Lösung mitsich kreuzenden schrägen Hängern,

obwohl Netzwerkbogenbrücken imEntwurf und in der Konstruktionschwieriger sind. Dafür kann mit ei-ner derartigen Stahlkonstruktion dasGewicht signifikant reduziert undeine steife und gegen hohe Punktlastunempfindliche Konstruktion ge-schaffen werden.

Aus der numerischen Analyse las-sen sich die folgenden Schlüsse zie-hen: – Entscheidend für die Tragfähigkeitdes Brückenfeldes ist die asymmetri-sche bewegliche Last.– Die Anwendung von schrägen Hän-gern vermindert signifikant die Bie-

gung im Bogenträger. Die besten Er-gebnisse werden bei mehrfachgekreuz-ten Hängern erreicht.– Eine optimale Wahl des Gewichtesder Fahrbahnplatte erlaubt die Einlei-tung der Vorspannung in die Hänger,ohne daß ein Hänger bei beweglicherLast unwirksam wird; diese Eigen-schaft schließt die untersuchte Vari-ante einer leichten Fahrbahnplatte inForm einer orthotropen Stahlplatteaus.– Das Eigengewicht der Fahrbahn-platte bewirkt, daß sich die Konstruk-tion unter beweglicher Belastung wieein Fachwerk mit parabolischen Ober-gurten verhält.– Die Längsvorspannung der Fahr-bahn ist in den Bogenkämpfern ver-ankert, dadurch wird die für den Be-ton ungünstige und durch die Verfor-mung des Bogens verursachte Deh-nung vollständig eliminiert.– Einen wichtigen Einfluß auf dieendgültige Spannung in den Elemen-ten des Brückenfeldes hat letztlichder Bauprozeß. Von großer Bedeu-tung war die Sicherung der gelenki-gen Verbindungen des Bogens mit derFahrbahnplatte bis zur letzten Phasedes Betonierens bei gleichzeitiger Kon-trolle der horizontalen Deformationendurch die stufenweise Steigerung derVorspannung. Dadurch ließen sich dieBiegemomente in den Bogenträgerndeutlich reduzieren.

4 Bau

Die Montage des bogenförmigenBrückenfeldes über den Fluß Dziwnaerfolgte mit Geräten, die schon beimBau von Brücken in Stettin [3] ein-gesetzt worden waren. Die in [3] ge-sammelten Erfahrungen bildeten eineGrundlage für die Montage der Strom-brücke.

In der ersten Phase wurden Pfahl-fundamente und Stützenschäfte er-stellt. Die Bauphasen sind in den Bil-dern 9 und 10 dargestellt. Zuerst wur-den die aus Stahlbeton gefertigten, aufGummitopflagern aufgesetzten Bogen-kämpfer gegründet (vgl. Bild 6). An-schließend wurden zwei Montage-türme mit hydraulischen Hebeanlagenaufgestellt. Die Elemente der Bogen-konstruktion wurden vom Kai inStettin über den Wasserweg zur Bau-stelle gebracht. Vor Ort wurden diedrei Teile miteinander verbunden(Bild 9, Nr. 2 bis 4). Anschließend be-


Bild 6. Bogenkämpfer des Brückenfeldes aus StahlbetonFig. 6. Arch springer and details of the prestressing elements

Bild 7. Drei Varianten des numerischen Modells des bogenförmigen Brücken-feldes, erstellt mit der Software SOFiSTiK FEM [2]Fig. 7. Numerical FEM model in 3 variants created with SOFiSTiK software [2]

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Bild 9. Phasen der Montage des BrückenfeldesFig. 9. Erection stages

Bild 8. Zusammenstellung der Ergebnisse der statischen Analyse des Brückenfeldes für drei Lösungsvarianten der HängerFig. 8. Summary of static investigations of arch span structure for 3 variants of hangers

MAXIMALE VON-MISES-SPANNUNGEN IN DEN QUERSCHNITTEN

BIEGEMOMENTE

NORMALKRÄFTE

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gann der Bau des Fahrbahnrostes.Die einzelnen Rostsegmente wurdenauf einem Ponton auf einer Arbeits-bühne transportiert, so daß sie mitden schrägen Hängern montiert wer-den konnten (Bild 9, Nr. 5 und 6).Nachdem alle Segmente positioniertwaren, wurden sie ausgerichtet undmiteinander verbunden. Alle Stoß-flächen der Bogenträger und des Fahr-bahnrostes wurden geschweißt. DieVerbindungen der Bogen- und Längs-träger konnten mit dem Bogenkämp-fern verschraubt werden. Vor dem Be-tonieren wurden die äußeren Spann-glieder eingezogen.

Die letzte Phase der Bauausfüh-rung war das Betonieren der Fahr-bahnplatte (Bild 9, Nr. 7 bis 9). DieserProzeß wurde in einzelne Abschnitteaufgeteilt, wobei die Abschnitte beiden Stützen zuletzt betoniert wurden.Während des Betonierens wurde dieKraft in den Spanngliedern kontrol-liert und erhöht, so daß im Frisch-beton infolge des steigenden Eigen-gewichts keine Zugkräfte auftretenkonnten.

5 Probebelastung

Untersuchungen zur Überprüfung desKonstruktionsentwurfs und der Aus-führungsarbeiten wurden von derTechnischen Universität Danzig durch-

geführt [4] (Bild 11). Bestandteile derAbnahmeuntersuchungen sind dastheoretische Modell der Brücke, auf-gestellt an Hand der durch den Bau-herrn gelieferten Zeichnungsunterla-gen, sowie die Ermittlung der Ersatz-

belastung, die derA-Klasse gemäß derPolnischen Norm (PN-85/S-10030)entsprach. Die Untersuchungen vorOrt umfaßten: – statische und dynamische Probe-belastung


Bild 10. Bau des bogenförmigen Brückenfeldes von der Montage der Bögen bis hin zur ProbebelastungFig. 10. Erection phases from the lifting of arch elements up to the test load

Bild 11. Ergebnis der statischen Belastung des BrückenfeldesFig. 11. Result of static test load

– die Begutachtung der Brücke vorund nach der Prüfung.

Die statischen Untersuchungengliedern sich in Messungen zur Be-stimmung der Durchbiegungen, derKräfte in ausgewählten Hängern, derSpannungen in den Bogen- und in denLängsträgern des stählernen Brücken-rostes, der Verschiebung der Lagerund des Absinkens der Pfähle. Beiden Untersuchungen unter dynami-scher Belastung wurde zusätzlich dieBeschleunigung der ausgewähltenPunkten auf den Bögen und auf demFahrbahnrost geprüft. Die Abnahme-untersuchungen bestätigten die in derProjektierung getroffenen Annahmenund die Ausführungsarbeiten.

Die Biegung unter statischerBelastung in Brückenmitte betrug84,9 mm – das sind 87 % des theore-tischen Wertes. Für die Belastung imViertelspunkt des Brückenfeldes er-gab sich eine Biegung von 80,8 mm,was 92 % des theoretischen Wertesentspricht. Die statischen und dyna-mischen Prüfungen zeigten, daß sichdie Konstruktion elastisch verhält.Darüber hinaus wurden die Reso-nanzfrequenzen der Konstruktion ge-messen, die mit den theoretisch ermit-telten Eigenfrequenzen übereinstimm-ten. Die Eigenfrequenz des Brücken-feldes beträgt 0,92 Hz und beziehtsich auf die Querschwingungen derBögen. Die erste Frequenz der verti-kalen Schwingungen beträgt 1,15 Hz.

Die weitgehende Übereinstim-mung des theoretischen Modells mitden gemessenen Werten ist das Resul-tat einer präzisen Beschreibung derStruktur (Angaben der Querschnitte,Finite-Elemente-Verteilung, Massen-verteilung) und genauer Kenntnisseüber die Materialeigenschaften. Be-

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sondere Bedeutung hatte dabei deran Hand der Untersuchungen ermit-telte tatsächliche Elastizitätsmodul desBetons.

6 Schlußfolgerungen

Die in der vorliegenden Arbeit darge-stellte Brücke über dem Fluß Dziwnain Wolin (Polen) ist ein Beispiel fürdie gute Zusammenarbeit zwischenPlaner, Bauherr und Forschungsein-richtung. Die angewandten Konstruk-tionslösungen und die Qualität derAusführungsarbeiten wurden währendder Abnahmeuntersuchungen bestä-tigt.

Die Netzwerkbogenbrücke wurdeim Dezember 2003 in Betrieb genom-men und hat folgende technische Da-ten [1]: Beton B 30 und B 40 0,341 m3/m2

Bewehrungsstahl 66,6 kg/m2

Stahlkonstruktion 356 kg/m2

Spannglieder37 ∅ 15,5 mm 18,9 kg/m2

Hänger ∅ 41 mm (ummanteltes Seil) 7,58 kg/m2

Fläche des Brückenfeldes 2228 m2

Am Bau Beteiligte:Bauherr: Generaldirektion der ÖffentlichenStraßen und Autobahnen – Nieder-lassung StettinPlaner: Planungsbüro für Straßen und Brük-ken Transprojekt GdańskProjektverfasser: Mgr.-Ing. Krzysztof Topolewicz undDr.-Ing. Krzysztof ŻółtowskiGeneralunternehmen: Konsortium NECSO – MostostalWarszawa

Montage der Stahlkonstruktion: MONTOSTAL SzczecinAbnahmeuntersuchungen: Technische Universität Danzig, Lehr-stuhl für Brückenbau

Literatur

[1] Topolewicz, A., Topolewicz, K.: Pro-jekt nurtowego przęsła mostu w Wo-linie (Projekt des Brückenfeldes überdem Stromlauf für die Brücke in Wolin).Inżynieria i Budownictwo, 60 (2004),S. 18–20.

[2] SOFiSTiK – Statik und Dynamik Soft-ware, SOFiSTiK AG, www.sofistik.com

[3] Gąsior, J., Żółtowski, K.: Aspekte derMontage von Stahlkonstruktionen inder Gegend von Szczecin. Stahlbau 72(2003), H. 8, S. 581–587.

[4] Chróścielewski, M., Dudek, M., Koza-kiewicz, A., Malinowski, M., Sitarski, A.,Szafrański, M., Żółtowski, K.: Obiektymostowe obwodnicy miasta Wolin wświetle badań podczas próbnego obcią-żenia (Brückenobjekte in der Umge-hungsstraße der Stadt Wolin in Verbin-dung mit der Probebelastung). Pięćd-ziesiąta Konferencja Naukowa Komi-tetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PANi Komitetu Nauki PZiTB. Problemynaukowo-badawcze budownictwa „Kry-nica 2004“(Die 50. wissenschaftlicheKonferenz des Ausschusses für dasLand- und Wasserbauwesen der polni-schen Wissenschaftsakademie und desWissenschaftskomitees PZiTB. Pro-bleme der Wissenschaft und For-schung).

Autor dieses Beitrages:Dr.-Ing. Krzysztof Żółtowski, Gdańsk Universityof Technology, Fakultät für Bauingenieurwesen,Lehrstuhl für Brückenbau, ul. Narutowicza 11/12, 80-952 Gdańsk, Polen

bogenbrücke über den fluß dziwna in wolin – entwurf und realisierung

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