Brückenbau mit dünnwandigen Fertigteilträgern und Fahrbahnplattenelementen

Abstract

Während sich das Bauen mit Fertigteilen im Hochbau als gängige Praxis etabliert hat, sind Fertigteile im Brückenbau noch weniger verbreitet. Viele Brückentragwerke leiden unter Dauerhaftigkeitsproblemen oder sind den stetig steigenden Verkehrslasten nicht mehr gewachsen und müssen in Zukunft verstärkt oder erneuert werden. Das Bestreben, die Bauzeit bei gleicher Qualität und Dauerhaftigkeit zu verkürzen, erfordert ein Umdenken der traditionellen Brückenbauweisen. Gleichzeitig muss die Wirtschaftlichkeit gegeben sein während die umwelttechnischen Aspekte immer weiter in den Vordergrund rücken. Im Zuge dieser Diplomarbeit wird das LT-Bauverfahren des Instituts für Tragkonstruktionen (Forschungsbereich Stahlbeton- und Massivbau) zum Bau von mehrfeldrigen Spannbetonbrücken aus Fertigteilen für das Längs- und Quersystem der Brücken vorgestellt und analysiert. Für das Längssystem kommen dünnwandige, vorgespannte Fertigteile aus hochfesten Betonen zum Einsatz, die mittels Kranmontage, Versetzgeräten oder dem Taktschieben auf der Baustelle in ihre Endposition versetzt werden. Das Quersystem wird mit schlaff bewehrten oder vorgespannten Halbfertigteilen hergestellt, die nach dem Einbau auf der Baustelle mit einer Aufbetonschicht ergänzt werden. Die sogenannten Fahrbahnplattenelemente dienen im Bauzustand als verlorene Schalung und als sichere Arbeitsplattform zum Verlegen der restlichen Bewehrung. Nachdem die Fertigteile auf das Frischbetongewicht bemessen sind, ist keine Unterstellung für das Einbringen des Aufbetons erforderlich. Im Endzustand wirken sie als tragendes Bauteil des Gesamtsystems mit. Diese ressourcenschonende Bauweise erfüllt die Anforderungen hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und Qualität während die Bauzeit, durch den hohen Vorfertigungsgrad, auf das Minimum reduziert wird. Die Auslagerung des Großteils der zeitintensiven Schalungs- und Bewehrungsarbeiten in das witterungsunabhängige Fertigteilwerk verspricht eine hohe Ausführungsqualität bei hoher Zeiteffizienz durch Serienfertigung. Die Erstanwendung des LT-Bauverfahrens bei einer eingleisigen Bahnbrücke im Südosten Österreichs konnte die Leistungsfähigkeit des innovativen Bauverfahrens mit dünnwandigen Fertigteilträgern und Fahrbahnplattenelementen beweisen. Einen wesentlichen Entwicklungsschritt des neuen Brückenbauverfahrens stellten trogförmige Längsträger mit Füllbeton dar. Im Rahmen der Diplomarbeit hat sich bei statischen Vergleichsberechnungen der Bauzustände sowie einer Umweltbilanzierung unterschiedlicher Trägervarianten einer Rahmenbrücke gezeigt, dass die hohlkastenförmigen Längsträger den trogförmigen Längsträgern vorzuziehen sind. Speziell im Hinblick auf den Ressourceneinsatz bietet die Form eines Hohlkastens bei geringem Gewicht eine hohe Tragfähigkeit. Das vollständige Füllen der trogförmigen, dünnwandigen Fertigteilträger mit Füllbeton ruft im Bauzustand unverhältnismäßig große Schnittgrößen hervor, wodurch mit einem hohen Mehraufwand in der Vorspannung und Bewehrung der Tragstruktur zu rechnen ist. Anhand einer Vorstatik wurden zudem die erforderlichen Spannstahlmassen einer mehrfeldrigen, zweigleisigen Eisenbahnbrücke in LT-Bauweise ermittelt und einer Ortbeton-Variante gegenübergestellt. Aus den Berechnungen geht hervor, dass mit der Fertigteilbauweise etwa die Hälfte des Betonvolumens und 84% der Spannstahlmasse eingespart werden können.

The use of prefabricated elements is common practice in the construction of buildings, however, it is still uncommon in bridge construction. Many bridge structures suffer from durability issues or are no longer able to withstand the continuously increasing traffic loads, thus requiring reinforcement or renewal in the future. The endeavor to reduce construction time while maintaining quality and durability requires to rethink traditional bridge construction methods. At the same time, economic viability must be ensured while environmental aspects are getting increasingly important day by day. This thesis aims to present and analyze the LT construction method developed at the Institute for Structural Engineering to build multi-span prestressed concrete bridges using prefabricated elements for the longitudinal and transverse systems of bridges. The longitudinal system is made of thin-walled, prestressed prefabricated elements using high-strength concrete and is assembled by cranes, erection devices, or incremental launching. The transverse system uses reinforced or prestressed semi-prefabricated elements, which are supplemented with an additional in-situ concrete layer on the construction site. These elements serve as lost formwork and a safe working platform for laying the remaining reinforcement during construction. Since the prefabricated elements are designed to bear the load of the wet concrete, no support during pouring is required. In the final state, the precast deck slab element act as load-bearing components of the overall system. This resource-efficient construction method meets the requirements regarding economic viability and quality while reducing construction time to a minimum due to the high degree of prefabrication. Outsourcing the majority of time-consuming formwork and reinforcement work to the weather-independent precast plant promises high quality while maintaining time efficiency through serial production. The first application of the LT construction method in a single-track railway bridge in southeastern Austria demonstrated the performance of the innovative construction method with thin-walled prefabricated longitudinal girders and deck slab elements. A major step during the development of the new bridge construction method was the introduction of trough-shaped longitudinal grinders filled with concrete. In the context of this thesis, both static comparison calculations of the construction and an environmental assessment of different girder variants of a portal frame bridge showed that hollow-box-shaped longitudinal grinders are preferable to trough-shaped ones. This is especially true regarding resource utilization, the shape of a hollow box offers high load capacity while ensuring low weight. Filling the trough-shaped, thin-walled prefabricated girder with concrete results in disproportionately large internal forces during construction, necessitating additional effort in prestressing and reinforcing the structure. Additionally, based on a preliminary static calculation, the required quantities of prestressing, steel for a multi-span, double-track railway bridge in LT construction were determined and compared to an in-situ concrete variant. The calculations reveal that with the prefabricated construction method, approximately half of the concrete and 84% of prestressing steel mass can be saved.