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Zur Planung und Prüfung von Gesimskappenkonsolen und deren Verankerung

13. September 2016

Unten laufende Konstruktion: Die Gesimskappenbahn ist mit Schienen und Rollen an der Brückenunterseite befestigt, die Brücke ist frei zugänglich. Oben laufende Konstruktion: Beim Gesimskappenwagen werden die Horizontallasten über Reibung abgetragen; Verankerungen sind nicht notwendig. Eine Alternative sind unverschiebliche Konsolen. Schnitt durch eine unverschiebliche Gesimskappenkonsole. Einfluss der Brückenquerneigung αQ;N und Vz sind die Reaktionsgrößen aus αQ am Lasteinleitungsmittel Abtriebskraft Fll infolge Längsneigung αL; F ist die Vertikalkraft aus dem Eigengewicht des Frischbetons und aus Verkehrslast. Zusatzlasten aus Brückenquerneigung Zusatzlasten aus Brückenlängsneigung M(αL)  = Moment aus Abtriebskraft F MT(αL, αQ)  = Torsion im Vertikalstiel Aufhängeschuh (rot = zusätzliche Lasten infolge Brückenquerneigung; blau = zusätzliche Last infolge Brückenlängsneigung)

Presse Set

13. September 2016
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Faktoren für den Lastabtrag bei Brückenneubau und Sanierung

In Deutschland ist in den nächsten Jahren mit einem erhöhten Bedarf an Neubauten und Sanierungen von Brücken zu rechnen. Damit wird auch die Anzahl der zu fertigenden Gesimskappen zunehmen. Für deren Rückbau und Herstellung werden üblicherweise Konsolgerüste verwendet, die an der Brücke verankert werden. Nachfolgend werden einige für den Lastabtrag wesentliche Faktoren beschrieben, die bei Brückenbauwerken auftreten und die bei der Planung und der Prüfung von Konsolen und ihrer Verankerung zu beachten sind.

1 Einleitung

In Deutschland existieren etwa 106.000 Straßenbrücken für den öffentlichen Kraftfahrzeugverkehr. 67.000 Brücken befinden sich in kommunaler Baulastträgerschaft [1], 39.500 gehören zum Bundesfernstraßennetz, dem Netz der Autobahnen und Bundesstraßen [2]. Ein Großteil aller Brücken ist älter als 40 Jahre.

Der hohe Investitionsrückstand bei den kommunalen Brücken, bedingt durch Haushaltsdefizite in vielen Gemeinden, ist bekannt. Im Bericht des Deutschen Instituts für Urbanistik wird ein Investitionsbedarf von 10,7 Mrd. Euro bis zum Jahr 2030 genannt. Brücken unter Baulast der Länder und des Bundes sind im Schnitt erheblich größer als kommunale Brücken. Der Investitionsbedarf dürfte hier eher noch höher sein. Die Straßenbauverwaltung schätzt den Ertüchtigungsbedarf allein für die rund 400 großen Brücken im Verlauf von Bundesfernstraßen in Nordrhein-Westfalen auf 4,5 Mrd. Euro in den nächsten 10 Jahren.

Über 70 % der bundesdeutschen Brücken für den öffentlichen Kraftfahrzeugverkehr bestehen aus Beton. Die zu erwartenden Investitionen in den nächsten Jahren werden vor allem in die Sanierung dieser Brücken und damit auch in die Sanierung ihrer Gesimskappen fließen.

2 Allgemeines zur Herstellung und zur Planung von Gesimskappen

Gesimskappen – auch Brückenkappen genannt – bilden den seitlichen Abschluss einer Brücke. Sie haben keinen direkten statischen Nutzen. Ihre Hauptaufgabe ist neben dem Schutz der Brückenabdichtung die Gewährleistung eines optisch attraktiven seitlichen Abschlusses. Kappen gleichen Bauwerksungenauigkeiten aus, die während der Bauphase entstanden sind. Darüber hinaus bieten sie Platz für Fußgänger zur Überquerung der Brücke und für die Befestigung einer seitlichen Absturzsicherung.

Für die Herstellung von Gesimskappen in Ortbetonbauweise kommen je nach Kappengeometrie, Brückenlänge und Brückenart unterschiedliche Bauhilfskonstruktionen aus Holz oder Stahl zum Einsatz. Die herstellende Firma kann neben der klassischen zimmermannsmäßigen Lösung auf eine Reihe von Systemlösungen unterschiedlicher Anbieter zurückgreifen.

Bei längeren Brücken werden häufig verfahrbare Systeme mit unten oder oben laufender Konstruktion verwendet (Bild 1; Bild 2). Die Betonage erfolgt hierbei abschnittsweise. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Konsolgerüsten, die über die gesamte Länge an der Brücke befestigt werden können (Bild 3). Die Gesimskappe kann in diesem Fall in einem Stück betoniert werden.

Der Anschluss dieser Systeme an das Brückentragwerk muss mit bauaufsichtlich zugelassenen Verankerungen erfolgen. Bei Neubauten können die Anker als Einbauteil, unter Beachtung der erforderlichen Betondeckung, im Zuge der Brückenherstellung mit einbetoniert werden (Bild 4).

Ihre Tragfähigkeit ist meist sehr hoch und die Montage unproblematisch. Für den Sanierungsfall ist es ungleich schwieriger geeignete Verankerungen zu realisieren. Die dem verantwortlichen Tragwerksplaner zur Verfügung stehenden Produkte sind häufig sehr teuer, arbeits-intensiv in der Montage und Demontage oder sie haben nicht die notwendige Tragfähigkeit.

Für Konsolen zur Herstellung von Brückenkappen gibt es bisher nur wenige „geschlossene Systemlösungen“. Unter einer „geschlossenen Systemlösung“ wird in diesem Zusammenhang eine typengeprüfte Konsole mit aufeinander abgestimmten Bauteilen verstanden. Dabei deckt die Typenprüfung nicht nur einen Sonderfall ab, sondern betrachtet die baustellentypischen Randbedingungen. Die wichtigste Komponente einer „geschlossenen Lösung“ ist die Verankerung im Beton. Idealerweise gehören hierzu eine Einbaulösung für den Neubau und eine nachträgliche Verankerung z. B. für den Sanierungsfall.

3 Besonderheiten bei der Planung mit Gesimskappenkonsolen

3.1 Querneigung der Kragarmunterseite und Brückenlängsneigung

Bei Konstruktionen, die an der Unterseite der seitlichen Brückenkragarme befestigt werden, haben die Querneigung der Kragarmunterseite αQ und die Brückenlängsneigung αL einen erheblichen Einfluss auf die Schnittgrößen im Konsolgerüst und vor allem auf die Verankerungskräfte.

Bei der Querneigung gibt es keinen „Vorzugswinkel“, der auf Baustellen üblicherweise angetroffen wird. Mit zunehmendem αQ erhöht sich die Horizontalkraft Vz am Aufhängeschuh (Bild 5).

Ungleich aufwändiger zu ermitteln und von größerer Bedeutung für den Lastabtrag ist der Einfluss der Brückenlängsneigung. Oft beträgt sie über 2 % und kann damit nicht vernachlässigt werden. Vertikallasten aus Verkehrslast und vor allem aus dem Eigengewicht des Betons erzeugen in Höhe der Belagsebene eine laterale Abtriebskraft Fll (Bild 6). Über den Belag wird diese Kraft an die Konsole abgegeben. Infolge des horizontalen und vertikalen Abstands zur Verankerung werden zusätzliche Kräfte sowie Biege- und Torsionsmomente im System erzeugt. Diese zusätzlichen Lasten können durch geeignete vertikale und horizontale Aussteifungen und Verbände reduziert, aber nicht gänzlich vermieden werden, wie im folgenden Kapitel gezeigt wird. Bei fehlenden Aussteifungen besteht die Gefahr, dass die Schalungskonsole tordiert.

Die Bemessungsunterlagen, die der Anbieter der Konsolen dem Anwender zur Verfügung stellt, sollten Angaben darüber enthalten, wie sich die Längs- und die Querneigung auf die Konsole und auf die Verankerungskräfte auswirken. Fehlen diese Angaben, muss der Tragwerksplaner jeden Einzelfall gesondert nachweisen. Hierbei können erhebliche Kosten entstehen.

3.2 Zusatzlasten auf die Verankerung infolge von Brückenneigungen

Durch die Brückenquer- und die Brückenlängsneigung werden nicht nur zusätzliche Lasten innerhalb der Konsole, sondern vor allem auch in der Verankerung generiert. Die Neigungen haben maßgeblichen Einfluss auf die maximalen Einflussbreiten und damit auf die maximal zulässigen Konsolabstände.

Infolge der Längsneigung werden laterale Abtriebskräfte Fll erzeugt, die näherungsweise in Höhe der Belagsebene wirken. Damit die Konsolen nicht tordieren, muss die Belagsebene als Scheibe ausgebildet werden (Bild 6). Die Abtriebskraft baut bis zur Ankerstelle das Moment M(αL) auf. Dort kann das Moment MZ ans Bauwerk abgegeben werden. Über Vektoraddition ergibt sich das resultierende Torsionsmoment MZL, αQ), das über den Vertikalstiel zurück in den Gehbelag der Konsole geführt wird. Diese zusätzliche Torsionslast verringert die Tragfähigkeit der Konsole, muss aber auch beim Nachweis des Belags berücksichtigt werden.

Ein weiterer Effekt der Brückenneigungen sind zusätzliche Ankerzugkräfte (ΔZ1+ΔZ2). Diese sind oft größer als die Zugkraft, die sich bei Vernachlässigung der Neigungen ergeben würde (Bild 7 bis 9).

3.3 Zugelassene Verankerungen für Gesimskappenkonsolen

„Der Grundsatzausschuss für fachübergreifende Fragen der Brauchbarkeits- und Verwendungsnachweise (GA 1) des DIBt hat in seiner Sitzung vom 5. September 2001 beschlossen, dass der Nachweis der Verwendbarkeit für die Verankerung von Klettergerüsten (bestehend aus Kletterschalung und Arbeitsbühne) durch eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung oder eine Zustimmung im Einzelfall zu erbringen ist“ [4].

Unter dem Begriff „Verankerung von Klettergerüsten“ ist die temporäre oder ständige Verankerung von Konsolgerüsten zu verstehen, darunter fallen auch Kletterschalungen, Gesimskappenschalungen und sonstige Spezialgerüste.

Lasteinleitungsmittel, wie z. B. Einhängeringe oder Aufhängeschuhe, leiten die Last von der Konsole in die Verankerung. Dabei sind Exzentrizitäten zu berücksichtigen, durch die die inneren Lasten erheblich größer werden können als die äußeren Lasten. In einigen Ankerzulassungen wird daher vorgeschrieben, welche Konsolgerüste und welche Lasteinleitungsmittel mit der jeweiligen Verankerung kombiniert werden dürfen. Weiterhin enthalten sie Angaben u. a. über den zulässigen Anwendungsbereich, die Mindestbetonfestigkeit zum Zeitpunkt der Belastung, die erforderlichen Randabstände und Einbindetiefen sowie Angaben zur Montage und Demontage.

Besonderes Augenmerk ist auf die Einbindetiefe zu richten, da diese nach dem Einbau oftmals nicht mehr zu kontrollieren ist. Ein geeignetes Verankerungssystem verringert die möglichen Fehlanwendungen und ermöglicht Kontrollen. Am Ende der Montagearbeiten werden die Anker meist nur teilweise wieder ausgebaut und die Ankerlöcher verschlossen. Hierbei ist zu beachten, dass die im Beton von Brückentragwerken verbleibenden Stahlteile die Mindestbetondeckung cmin von 40 mm bzw. 50 mm nicht unterschreiten dürfen.

Gerüstkonsolen werden üblicherweise mit Schrauben oder Ankerstabstählen an den einbetonierten Ankern befestigt. Bei korrekter Betondeckung werden die Querkräfte über die Länge der Betondeckung von der Konsole in den Anker geleitet. Die auftretenden Querkräfte können je nach Kappengeometrie und nach Längs- und Querneigung der Brücke sehr hoch sein. Hinzu kommt, dass viele Ankerstabstähle keine Zulassung haben, die es erlaubt Querkräfte zu übertragen oder sogar Momente aufzunehmen. Häufig werden auch zugelassene Anker eingesetzt, die für andere Anwendungsbereiche ausgelegt sind.

Auf dem Markt gibt es nur wenige Verankerungssysteme, die für den Sanierungsfall geeignet sind, die alle Vorschriften, die statischen Erfordernisse, die Wünsche des Bauherrn und nicht zuletzt die Wünsche der ausführenden Firma berücksichtigen. Kostengünstige Lösungen erfüllen zumeist nicht die Anforderungen an die Betondeckung oder an die Tragfähigkeit. Lösungen, die die Anforderungen an die Korrosion und die Tragfähigkeit erfüllen, sind zumeist teuer oder sie erfordern einen erhöhten Montage- oder Demontage Aufwand.

4 Fazit

Die Ermittlung des Lastabtrags bei Gesimskappenschalungen und -konsolen ist sehr aufwändig. Schon kleine Änderungen der Randbedingungen und der inneren und äußeren Exzentrizitäten haben einen großen Einfluss auf die Schnittgrößen im Tragsystem und letztendlich auf die Ankerlasten. In einer Statik bzw. in einer Typenprüfung müssen, neben der Kappengeometrie, vor allem die Brückenquer- und Brückenlängsneigung berücksichtigt sein. Ein Extrapolieren von einem Sonderfall auf die tatsächlichen Bedingungen vor Ort ist nicht möglich.

Das Versagen einer einzelnen Konsole oder einer einzelnen Verankerung kann zum Totalversagen des gesamten Systems führen mit erheblichen Risiken für die sich auf und unter der Brücke befindenden Personen. Zur Erhöhung der Sicherheit auf Brückenbaustellen werden daher Verankerungen mit Zulassung gefordert.

Für den Anwender ist es sowohl aus wirtschaftlichen wie auch aus rechtlichen Gründen von Vorteil ein „geschlossenes System“ zu verwenden. Die wirtschaftlichen Vorteile kommen daher, dass die einzelnen lastabtragenden Komponenten aufeinander abgestimmt und auch die Brückenneigungen berücksichtigt sind. Weiterhin sind alle lastabtragenden Bauteile typengeprüft bzw. zugelassen. Dadurch ist der Anwender rechtlich abgesichert.

Literatur

[1]    Arndt, Wulf-Holger u. a.: Ersatzneubau Kommunale Straßenbrücken, Endbericht Deutsches Institut für Urbanistik (DIfU), Berlin, 20.9.2013
[2]    Brücken an Bundesfernstraßen, Brückenstatistik, Bundesanstalt für Straßenwesen (bast), Bergisch Gladbach, 1.3.2015
[3]    Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING), Gesamtfassung ), Bundesanstalt für Straßenwesen (bast), Bergisch Gladbach, März 2015
[4]    Scheller, Eckehard: Konsolgerüst-Verankerungen brauchen bauaufsichtliche Zulassung, Allgemeine Bauzeitung, Ausgabe Nr.10, 11. März 2005

 

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