Integrale Bogenbrücke mit Zugband: Alternativentwurf für eine mehrfeldrige Vorlandbrücke

Abstract

ger: Zur Gewährleistung der Tragsicherheit von langen, mehrfeldrigen Bogenbrücken ist auf die Lastabtragung der zufolge des Bogenschubs entstehenden Horizontalkräfte besonderes Augenmerk zu legen. An einer fertiggestellten Brücke dieser Bauart heben sich über den Pfeilern zweier angrenzender Felder diese Beanspruchungen gegenseitig auf, lediglich an den beiden Enden des Bauwerks werden massive Widerlager erforderlich. Als problematisch erweist sich jedoch die feldweise Herstellung solcher Brücken, sowie außergewöhnliche Situationen, wie die Zerstörung einzelner Bögen. In diesen Zuständen kommt es, aufgrund des einseitig wirkenden Bogenschubs, zu großen Biegemomentenbeanspruchungen der Brückenpfeiler. Sind diese auf derartige Lastfälle nicht dimensioniert, kann es in Extremfällen zu einem progressiven Versagen des gesamten Bauwerks führen. Um solche Versagensszenarien zu verhindern, wird am Institut für Tragkonstruktionen - Forschungsbereich Stahlbetonund Massivbau der Technischen Universität Wien, eine neue Technologie zur Herstellung solcher Brücken entwickelt. Als wesentlicher Unterschied zu konventionellen Bauweisen erfolgt der Einbau von Zugbändern zwischen den Bogenfußpunkten der einzelnen Brückenfelder. Neben der Möglichkeit des Vorspannens und somit der Vorwegnahme von Durchbiegungen, erlauben sie durch Aufnahme eines großen Anteils des Bogenschubs eine feldweise Herstellung der Brücke, bieten Sicherheit vor progressivem Versagen der gesamten Struktur und benötigen dafür geringere Abmessungen der Brückenpfeiler, als sie bei einer herkömmlichen Bauweise erforderlich wären. Um ein besseres Verständnis für das Tragverhalten langer, mehrfeldriger Bogenbrücken zu erhalten, wird die niederländische Brücke De Oversteek der Stadt Nijmegen untersucht. Anhand dieser 637,50 m langen, in integraler Bauweise ausgeführten Vorlandbrücke wird der Lastabtragungsmechanismus solcher Bauwerke zunächst am Gesamtmodell, sowie für die Katastrophensituation mit Ausfall eines Brückenfeldes, erläutert. Im Zuge dessen wird das charakteristische Merkmal von Bogenbrücken, das sogenannte Atmen der Bögen unter klimatischen Einwirkungen, bei welchem es zu einer Hebung beziehungsweise Senkung der Bogenscheitel kommt, veranschaulicht. In weiterer Folge wird das erarbeitete statische Modell der Brücke De Oversteek, unter Beibehaltung der Bauteilabmessungen, für die Bauweise der neuen Technologie im Sinne eines Alternativentwurfes modifiziert. Eine Untersuchung der einzelnen Bauphasen soll hierfür die Vorteile des Einbaus von Zugbändern im Hinblick auf die feldweise Herstellung aufzeigen. Anhand der Gegenüberstellung von numerischen Ergebnissen für verschiedene Lastfälle werden anschließend die Unterschiede im Tragverhalten dieses Modells mit jenem des Originalentwurfes demonstriert. Dabei wird insbesondere die Wirkung des Zugbandes in dem außergewöhnlichen Lastfall, bei welchem es zu einem Ausfall eines Brückenfeldes kommt, hervorgehoben. Abschließend werden die Ergebnisse von durchgeführten Parameterstudien vorgestellt, um den Einfluss wesentlicher Planungskriterien, wie beispielsweise der Steifigkeit der Zugbänder, auf die numerischen Ergebnisse deutlich zu machen.

To ensure structural safety of long, multi-sectioned archbridges, the load transference of horizontal thrust originated by the arches has to be carefully considered. Above the piers of two adjacent segments of a completed bridge, built using this structural design, these loads cancel each other out, although massive abutments at the end on both sides of the structure are required. However, problematic proves to be the step by step construction of the sections, as well as extraordinary situations such as the destruction of individual arches. In these circumstances, the load has to be transfered by increased bending moments in the piers, because the horizontal thrust of the demolished section is missing. In extreme cases, if the design of the piers turns out to be too slim, a progressive collapse of the whole bridge is possible. To avoid such scenarios of failure, a new technology for construction of this bridge type is currently being developed by the Institute of Structural Engineering at the TU Wien. In comparison to conventional construction techniques, the main difference applied in the new method is the use of tendons between base points of the arches. Besides the possibility of post-tensioning and therefore preemptively reducing deflections, the use of tendons, which take in a large amount of the horizontal thrust, allows step by step construction of bridge sections, provides increased safety from progressive collapse of the whole bridge and makes the use of more slender piers, compared to the original bridge, possible. To obtain a better understanding for the load-bearing behavior of long, multi-sectioned bridges, the Dutch bridge De Oversteek is being examined. With the help of the 637,50 m long integral foreshore bridge, the load transfer mechanisms of such constructions are elucidated for the whole bridge, as well as for the extreme situation in form of desctruction of a section. In course of this examination, the signature characteristic of arch bridges, namely Breathing of Arches, in which the segements are subjected to lifting and lowering during different climate conditions, will be discussed. Subsequently, the developed model of the bridge De Oversteek is being modified in form of an alternative design using the new construction method. For this step, the physical dimensions of each element will be kept the same. An examination of different construction states shall highlight the advantages of using tendons in the step by step building process. With the use of several load cases, the numerical outcomes of the calculations will be compared for both bridge construction types to emphasize the difference in load transfer behavior. In particular, the effect of using tendons in the case of a destroyed bridge section will be pointed out. Lastly, the numerical findings of carried out paramater studies are presented to highlight the influence of important design criteria such as the stiffness of tendons.