Lange mehrfeldrige integrale Bogenbrücke mit Zugband

Abstract

Die integrale Bauweise erlebte in den letzten Jahren im Massivbrückenbau einen enormen Aufschwung.Es können damit dauerhafte Tragwerke erstellt werden, die unter anderem aufgrund der geringen ErhaltungskostenVorteile bringen. Besonders bei kurzen und mittleren Brückenlängen hat diese Bauweisemittlerweile eine hohe Bedeutung. Bei längeren Tragwerken kann es aufgrund der durch Temperaturänderungenund durch das Langzeitverhalten des Betons verursachten Längenänderungen zu Problemen in denWiderlagerbereichen kommen. Eine Verhinderung dieser Verformungen führt jedoch bei geraden Überbautenzu großen Zwangsbeanspruchungen. Gekrümmte Tragwerke und somit auch Bogenbrücken weisen einweitaus günstigeres Tragverhalten bei derartigen Einwirkungen auf. Steife Widerlager bedingen hierbeiVerformungen des Bogens in radialer Richtung. Bei einer Erwärmung kommt es zu einer Hebung und beieiner Abkühlung zu einer Absenkung des Bogenscheitels. Dieses zwängungsarme Verformungsverhalten,das oftmals als „Atmen“ bezeichnet wird, ermöglicht durch die Aneinanderreihung von mehreren Bögenden Bau von langen integralen Brücken.Dieses Potential wurde als Grundlage für eine am Institut für Tragkonstruktionen, ForschungsbereichStahlbeton- und Massivbau der TU Wien entwickelte neue Technologie für eine mehrfeldrige integraleBogenbrücke in beliebiger Länge genutzt. Kernelement der neuen Technologie ist die Verwendungeines Zugbands, welches an den Bogenfußpunkten mit dem Tragwerk in Verbindung steht und an denWiderlagern verankert wird. Dieses Zugband hat mehrere Aufgaben und bringt Vorteile für die Herstellungund den Endzustand mit sich. Mehrfeldrige Bogenbrücken werden in der Regel feld- oderabschnittsweise hergestellt. Zur Aufnahme des Bogenschubs sind hierzu oftmals aufwendige Bauhilfsmaßnahmenerforderlich. Die neue Technologie sieht vor, dass das Zugband nach der Herstellung einesBauabschnitts zwischen den Bogenfußpunkten eingebaut und angespannt wird, um den Bogenschubaufzunehmen. Für den nächsten Bauabschnitt wird das Zugband gekoppelt und das Vorgehen wiederholtbis alle Bögen fertiggestellt sind und das Zugband an beiden Widerlagern verankert ist. Im Endzustandverbessert es das Tragverhalten bei einer feldweisen Verkehrsbelastung und im Katastrophenfall beimAusfall eines oder mehrerer Felder kann ein fortschreitendes Versagen der Konstruktion verhindert werden.Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung der neuen Technologie von der Idee ausgehendhin zu einem Wissensstand, der als Basis für die Anwendung bei einem realen Brückenobjekt dient.Hierzu werden, nach einer Erläuterung von Grundlagen zu integralen Brücken und Bogenbrücken, dasTragverhalten und die maßgebenden Entwurfsparameter einer nach der neuen Technologie errichtetenBrücke aufgezeigt. Im Rahmen eines dreifeldrigen Prototyps, der als Ausschnitt aus einem theoretischunendlich langen Tragwerk zu verstehen ist, wurde die Umsetzbarkeit demonstriert. Ebenso konntenhieran zwei verschiedene Varianten des Bogenaufbaus experimentell untersucht werden. Die Erkenntnissedaraus dienten als Basis für die Weiterentwicklung der Aufbauten unter Anwendung von nichtlinearennumerischen Untersuchungen. Abschließend wird das Potential der neuen Technologie, insbesondereim Hinblick auf die Einsparung von Ressourcen, aufgezeigt. Hierzu erfolgt ein Vergleich von unter derAnwendung der neuen Technologie erstellten Alternativentwürfen mit einer konventionell gelagertenBalkenbrücke und einer herkömmlich hergestellten mehrfeldrigen Bogenbrücke ohne Zugband.

Integral construction methods have gained in popularity in regard to solid bridge construction in recentyears, especially for short and medium span bridges. They result in durable structures with lowmaintenance costs. With longer structures, problems can arise in the abutment areas due to changes inlength caused by annual temperature fluctuations as well as creep and shrinkage of the concrete. Forlinear structures, preventing these deformations leads to high constraining forces. Curved structuresand thus also arch bridges show a more favourable load-bearing behaviour. The fixed abutments causedeformations of the arch crown in radial direction, more specifically a rising and lowering due to warmand cool temperatures respectively. This movement, often called „breathing“ of the arches, enables theconstruction of long integral bridges by arranging several arches in a row and eliminating all longitudinalstrains.Based on this idea, a new bridge construction technology was developed at the Institute of StructuralEngineering of TU Wien allowing the construction of very long integral bridges. The key element of thepresented method is a tendon which connects the springers of the arches and is anchored in the abutments.It has several tasks bringing not only advantages during the construction period but also when the bridgeis finished. Since multi-span arch bridges are usually constructed in sections, complex temporary bracingsare often required to absorb the arising horizontal thrust. Using the new construction method, the installedand stressed tendon, which is anchored at the springers of the arches, absorbs the horizontal thrust. Inthe following construction stages, the tendon is coupled and the procedure is repeated until all arches arecompleted and the tendon is anchored to both abutments. In the final state, the tendon not only improvesthe load-bearing behaviour for traffic loads positioned in a single span but also the redundancy of theentire structure by avoiding a progressive collapse.This thesis describes the development of the new construction technology starting from the idea to a state ofknowledge that serves as a basis for the application to a real bridge. Based on basic explanations concerningintegral bridges and arch bridges, the load-bearing behaviour and the decisive design parameters of abridge built according to the new technology are shown. The feasibility of the presented technology wasdemonstrated by building a prototype with three spans, representing a segment of a theoretically infinitelong arch bridge. Thereby two different variants of the arch structure were experimentally investigated.The findings from the prototype constructions served as a basis for further development of the structureusing non-linear numerical calculations. Finally, the potential of the new technology, especially regardingresource efficiency, is shown. For this purpose, a comparison between alternative designs using the newtechnology and a conventionally built girder bridge as well as a conventional built multi-span arch bridgewithout tendons is presented.