ConcreteReinforced concretePrestressed concreteDetail 2DSIA (Switzerland)

Lagertausch am Weyermannshaus-Viadukt

Bern

Infrastrukturprojekte in dichten städtischen Umgebungen erfordern häufig hochoptimierte Stahlbetonstrukturen, bei denen Lastübertragung, Detaillierung und Ausführbarkeit sorgfältig aufeinander abgestimmt werden müssen. Dies gilt insbesondere für Strukturen, die architektonische Anforderungen mit strengen Sicherheits- und Dauerhaftigkeitsanforderungen verbinden, wie z. B. verkehrsbezogene Betonelemente, die hohen Lasten und langfristigen Nutzungsbedingungen ausgesetzt sind. In Bern, Schweiz, war EMCH+BERGER AG an der tragwerksbezogenen Bemessung einer Betonstruktur beteiligt, bei der die genaue Beurteilung der Kraftübertragung und der Bewehrungsdetaillierung entscheidend war. Das Projekt erforderte einen zuverlässigen Ansatz zur Überprüfung komplexer Betonbereiche, die mit Standard-Handberechnungen oder vereinfachten analytischen Methoden nicht ausreichend beurteilt werden konnten.

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Über das Projekt

Das Projekt umfasste die Bemessung und Überprüfung eines tragwerksbezogenen Betondetails als Teil eines größeren Infrastruktursystems.

Das Viadukt (erbaut 1974-1977) besteht aus vorgespannten Hohlkastenträgern (Spannweiten von 26,5 bis 38 Metern) mit massiven vorgespannten Querträgern über den Pfeilern. Diese Pfeiler werden während der Bauarbeiten abschnittsweise ersetzt. Dazu wird das Viadukt mithilfe eines temporären Unterfangungssystems (massive geschweißte Stahlträger auf Rüsttürmen) und Hydraulikpressen angehoben. Die bestehenden Pfeiler werden entlastet und abgebrochen, anschließend werden neue, längere Pfeiler errichtet, damit das Gelände abgesenkt werden kann.

Ursprüngliche Anordnung

Neue Anordnung

Isometrische Ansicht und Querschnitt der temporären Unterfangung (Auszug aus dem Plan: Frutiger AG)

Die Struktur war erheblichen konzentrierten Kräften ausgesetzt, was zu komplexen Spannungsverteilungen im Betonvolumen führte. Die Betonelemente wurden gemäß Eurocode 2 bemessen, mit besonderem Augenmerk auf:

$Lokale Krafteinleitungsbereiche$
$Verankerung und Lastübertragung zwischen den Bauteilen$
$Bewehrungsführung in gestörten Bereichen (D-Bereiche)$

Aufgrund der Geometrie und der Belastungsbedingungen konnte das tragwerksbezogene Verhalten nicht mit einfacher Balkentheorie beschrieben werden. Stattdessen war ein auf dem Strebe-und-Zugband-Prinzip basierendes Verständnis des Kraftflusses erforderlich, um sicherzustellen, dass sowohl die Betondruckfelder als auch die Bewehrungszugglieder ausreichend bemessen wurden.

Querschnitt des Brückenträgers mit einem Vergleich der Kraftverteilung im Bestandsbauwerk (oben) und während der Bauphase (unten)

Ingenieurtechnische Herausforderungen

Eine der größten Herausforderungen des Projekts war die Überprüfung komplexer Spannungszustände in Stahlbetonstrukturen, insbesondere in Bereichen, in denen:

$Kräfte über verhältnismäßig kleine Flächen eingeleitet wurden$
$Mehrere Lastpfade innerhalb eines begrenzten Betonvolumens zusammenwirken$
$Bewehrungsanhäufungen potenzielle Ausführbarkeitsprobleme verursachten$

Herkömmliche Bemessungsansätze auf Basis vereinfachter Strebe-und-Zugband-Modelle lieferten ein erstes konzeptionelles Verständnis, reichten jedoch für die abschließende Überprüfung nicht aus. Die manuelle Entwicklung verfeinerter Strebe-und-Zugband-Modelle wäre äußerst zeitaufwendig und anfällig für konservative Annahmen gewesen, was möglicherweise zu ineffizienten Bewehrungsanordnungen geführt hätte. Ein weiteres kritisches Thema war die Notwendigkeit, die Einhaltung der Eurocode-Anforderungen klar nachzuweisen . Angesichts der Bedeutung der Struktur musste die Bemessung transparent, nachvollziehbar und für alle Projektbeteiligten leicht überprüfbar sein.

Lösungen und Ergebnisse

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, setzte EMCH+BERGER AG Bern IDEA StatiCa Detail ein und nutzte das Kompatible Spannungsfeldverfahren (CSFM), um das reale Verhalten des Stahlbetondetails zu analysieren. Der Ansatz ermöglichte es den Ingenieuren:

$Die genaue Geometrie des Betonelements zu modellieren$
$Realistische Lastkombinationen direkt auf das Modell anzuwenden$
$Bewehrungsanordnungen zu definieren, die praktische Ausführungsrandbedingungen berücksichtigen$

Anstatt sich auf idealisierte Kraftpfade zu stützen, lieferte die auf der Methode der finiten Elemente basierende Analyse eine klare Visualisierung von:

$Hauptdruckspannungstrajektorien im Beton$
$Ausnutzung einzelner Bewehrungsstäbe$
$Rissbreiten und Spannungsniveaus unter Gebrauchstauglichkeits- und Grenzzuständen der Tragfähigkeit$