Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues 2013

1. Einleitung

Belgrad erbringt als Hauptstadt Serbiens mit ca. 2 Millionen Einwohnern 35-40 % der Wirtschafts-leistung Serbiens. Seit Jahrzehnten führt die E 75 bekannt als „Autoput“ durch Belgrad und verbindet Mittel- mit Südosteuropa. Der steigende Verkehrsfluss ist eines der Hauptprobleme für weiteres Wachstum in der Region. Die bestehenden Straßenverbindungen über die Save sind ein Nadelöhr. Um die Verkehrsprobleme zu lösen und um die Infrastruktur der Umgebung zu verbessern wurde eine neue innerstädtische Ringstraße geplant, deren Hauptbauwerk eine neue Schrägseilbrücke ist. Vier Kilometer vor der Save Mündung in die Donau entsteht das größte Brückenbauwerk auf dem Balkan. Damit wird Neu Belgrad im Norden mit der Radnicka Straße im Süden verbunden.

Das neue Wahrzeichen der Stadt Belgrad wird ein nadelförmiger Pylon mit einer Höhe von 200 Metern werden. Er trägt mit je 40 Schrägseilen das Hauptfeld (Main Span) mit 376 Metern Länge und das rückwärtige Feld (Back Span) mit 200 Metern. Der Überbau ist außergewöhnliche 45 Meter breit. Die Gesamtlänge der Brücke wird mit den Vorlandfeldern 964 m betragen. Die Überbauten des Vorlandbereiches und der rückwärtigen Felder werden als Spannbetonüberbauten im Taktschiebeverfahren auf Hilfsstützen hergestellt. Das Hauptfeld ist als Stahlüberbau geplant und überquert im Freivorbau in 20 m Höhe die Save.

Im Frühjahr 2008 erhielt ein Konsortium von PORR, DSD und SCT unter Führung von PORR von der Stadt Belgrad einen FIDIC Vertrag zur Planung und Ausführung. Die Finanzierung erfolgt durch die europäische Wiederaufbaubank EBRD. Baubeginn war im Frühjahr 2009.

2. Planung
2.1 Entwurf

Im Jahr 2005 lobte die Stadt Belgrad einen internationalen Planungswettbewerb aus, um die beste gestalterische Lösung für eine neue Savequerung in Höhe der Insel Ada Ciganlija in Sichtweite der Altstadt zu finden. Als Sieger aus diesem Wettbewerb ging der Entwurf einer einhüftigen Schrägseilbrücke von Victor Markelj (Ingenieurbüro Ponting, Maribor, Slowenien) hervor, der mit Unterstützung des Architekten Peter Gabrijelcic die typische Form des sehr schlanken Pylons entwickelte. Trotz einer Überbaubreite von 45 m sollte der Entwurf leicht und die Brücke mit klaren Formen über die Save geführt werden. So wurden der Querschnitt, das Stützenraster und die Anzahl der Schrägseile festgelegt.

2.2 Ausschreibung

Dieser Entwurf gelang mit leichten Änderungen 2007 in die europaweite Ausschreibung. Der Überbau war mit seinen Dimensionen festgelegt, er sollte gemäß der Ausschreibung über die ganze Länge mit orthotroper Platte, im rückwärtigen Feld mit Ballast ausgeführt werden. Es stand den Bietern frei, innerhalb der geometrischen und architektonischen Vorgaben das Bauwerk hinsichtlich Gründung, Bauverfahren und Baumaterialien zu optimieren. Als Randbedingung waren die Schifffahrtsprofile der zwei Buchten sowie der Fluss Save von Rüstungen freizuhalten.

2.3 Angebotsplanung

Hauptaugenmerk bei der Angebotsplanung lag in einer Optimierung der Gründung sowie der Überbauten. Für den Pylon wurde ein kombinierte Bohrpfahl/Schlitzwandgründung ausgearbeitet. Wegen den unterschiedliche großen Spannweiten der Hauptfelder wurde der Überbau optimiert. Das Gewicht des 376 m langen Hauptfeldes (Main Span) wird nun in zwei fächerförmigen Seilebenen mit 4 x 20 Schrägseilen über einen Pylon in das 200 m lange rückwärtige Feld (Back Span) zurückgehängt. Der längere Main Span ist als „leichter Stahlüberbau“ mit dem kürzeren „schweren Betonüberbau“ des Back Spans im Gleichgewicht, wodurch große abhebende Lasten am rückwärtigen Pfeiler vermieden werden. Auf der Südseite schließt sich ein Endfeld mit 50 m Spannweite zur Rampenanbindung an. Auf der Nordseite besteht der Vorlandbereich (Side Span) aus 4 Feldern mit Spannweiten von 70 – 108 – 80 - 80 m. Er wird wie der Back Span in Spannbetonbauweise ausgeführt. Der durchlaufende Überbau ist monolithisch mit dem Pylon verbunden. Großen Wert wurde bei der Angebotsplanung darauf gelegt, dass unabhängig vom Baustoff die Außenabmessungen des Überbaus und auch die Untersichten über die gesamte Brückenlänge einheitlich bleiben, um so die Akzeptanz des 2-maligen Übergangs von Beton auf Stahl dem Bauherrn leichter zu machen. Der Brückenquerschnitt besteht aus einem Hohlkasten mit 14,50 m Breite und 4,75 m Höhe. Die Gesamtbreite des Überbaus beträgt 45 m, wobei die außen liegenden Kragplatten alle 4 Meter durch stählerne Druckstreben gestützt sind. An jeder Druckstrebe sind ähnlich den Querträgern im Stahlquerschnitt Querrippen im Kragarmbereich des Betons in 4 m Abstand vorgesehen die auch zu einer einheitlichen Außenansicht beitragen. Damit bietet der Querschnitt Platz für zwei außen liegende Fuß- und Radwege, zwei dreispurige Richtungsfahrbahnen sowie zwei innen liegende Gleislinien für Metro oder Straßenbahn. Zur Verankerung der Schrägseile wird der Hohlkasten dreizellig ausgeführt, mit zwei kleinen Außenzellen, in denen die Kabel verankert werden, und einer großen Mittelzelle, die von umfangreichen Versorgungsleitungen belegt wird

2.4 Ausführungsplanung
2.4.1 Belastung

Als Ausschreibungsvorgabe waren Erdbeben- und Windlasten nach örtlichen Gegebenheiten zu bestimmen. Sowohl ein Seilausfall (Doppelseil) als auch ein Strebenbruch sind in der Bemessung zu berücksichtigen. Diese Ermittlung der Lasten sowie die gesamte Planung erfolgt nach Euro-Codes. Wurde dort auf nationale Anwendungsdokumente verwiesen, wurden normalerweise die DIN Fachberichte angewandt, da die serbischen Normen dafür meist noch nicht ausgelegt sind.

Belgrad befindet sich einer Erdbebenzone mit einer anzusetzenden Bodenbeschleunigung, die gemäß EC8 nur knapp oberhalb des Grenzwertes (0,08g) für geringe seismische Aktivität liegt. In den angrenzenden Ländern wie Griechenland, Albanien oder Rumänien kommt es hingegen immer wieder zu deutlich heftigeren Erdbeben. Magnituden von bis zu ca.VII wurden bereits gemessen.
Obwohl die Bodenbeschleunigungen am Fels gering sind, treten oberflächennah, infolge der Verstärkung durch die Bodenschichtung, deutlich höhere Beschleunigungen auf. Dies schlägt sich in sehr großen Bodenparametern S nieder, die deutlich über den größten empfohlenen Werten nach EC8 liegen. Hierdurch ergeben sich dann Beschleunigungen im Bereich der Fundamente von über 0,2g. Diese Größenordnung liegt damit über dem zweiten Kriterium gemäß EC8 für geringe Seismizität (ag•S<0,1g).

Als Erdbebensicherung erhalten die Pfeiler 1, 5, 7 und 8 eine Aussparung, die eine Querkraftkonsole des Überbaus aufnehmen kann. Um ein Abheben der Lager in Achse 7 sicher zu verhindern wurden vertikal angeordnete und vorgespannte Rückverankerungen angeordnet..

In der Ruhruniversität Bochum wurden Windkanalversuche zur Überprüfung der aerodynamischen Stabilität durchgeführt, sowohl an einem Teilmodel des Überbaus als auch an einem Vollmodell des Pylons im Maßstab 1: 200.

2.4.2 Besonderheiten

Die Herstellung des Seitenfelds und der Vorlandfelder im Takschiebeverfahren stellte die Planer vor ganz besondere Herausforderungen.

• Die Balance zwischen Hauptfeld (Stahl) und Seitenfeld (Beton) ist sehr sensibel und ein Ungleichgewicht würde erst nach Ablassen der Hilfsstützen im Seitenfeld bemerkt werden- viel zu spät für Korrekturmaßnahmen. Stahlgewichte können relativ genau vorherberechnet werden , während betonüberbau doch erfahrungsgemäß ziemlich große Toleranzen im Eigengewicht unterliegen (Stegdicke, Plattendicke, Wichte des Beton) Deshalb wurde dein zusätzlicher Lastfall „+/- 2.5%unetrschiedliches Eigengewicht“ eingeführt
• Im Seitenfeld besteht der überbau aus einem 3-zelligen Hohlkasten ,wobei die Außenstege 3m Abstand vom Innnesteg habe , da im Endzustand alle 4 Stege ungefähr dieselben Lasten aufnehmen müssen, sind alle 4 mit 60 cm dicke ausgelegt wurden, zu dünn als dass man nur auf den äußeren 2 schieben kann. Deshalb wurde eine Wippe entwickelt, die ohne kompliziertes hydraulisches Pressensystem die Lasten ganz einfach und sicher 50/50 verteilt.
• Wegen der relativ großen Anzahl von Hilfsstützen sind die Verformungen von Bauzustand und Endzustand sehr unterschiedlich. Die erforderliche Überhöhung mit unterschiedlichen Steghöhen oder „Scheiben auf der Welle“ auszugleichen, erwies sich als unmöglich. Deshalb wurde für die Vorlandfelder die sogenannte Verschiebeleiste entwickelt, ein Betonstreifen unter dem Steg, der nach Endverschub ausgebaut wurde. Im Seitenfeld konnte mit langwierigen Iterationberechnungen eine kreisförmige Ersatzgradiente gefunden werden, die nur wenige Zentimeter von der Sollgradiente abweicht.

3. Ausführung
3.1 Überbau Seitenfeld

Der Spannbetonüberbau überquert mit 200 m einen kleinen Seitenarm der Sava. Der Überbau wurde im Taktschiebeverfahren hergestellt und von der Südseite her 20 m über Grund von einer aufgeständerten Feldfabrik über drei im Abstand von 50 m abgespannte Hilfsstützen Richtung Pylon eingeschoben. Wegen den großen Abmessungen des 45 m breiten Überbaus wurde für die Taktherstellung die Feldfabrik in drei Abschnitte eingeteilt.

3.2 Überbau Hauptfeld

Die 7800 Tonnen Stahl in der Güte S355 J2+N für den Überbau wurden in China mit entsprechendem Vorlauf vorgefertigt und kamen in 7 Transporten zu je ca. 1000 Tonnen in geeigneten Elementgrößen auf dem Seeweg nach Amsterdam / Rotterdam. Sie werden dort umgeschlagen und gelangen schließlich über den Rhein Main Donau Kanal nach Belgrad, wo sie direkt an der Baustelle entladen werden. Auf der Halbinsel Ada Mala im Bereich des Side Spans wurde ein 200 m langer Vormontageplatz hochwassersicher eingerichtet. Das Brückensegment wurde auf einen Ponton verladen und mit Winden unter der Einbaustelle positioniert. Ein Derrick am Kragarmende zog die Elemente mit Hilfe zweier Litzenheber a 200 t Kapazität hoch, wo sie ausgerichtet und dann mit dem bestehenden Kragarm verschweißt werden. Das Gewicht der Elemente betrug bis zu 360 Tonnen.

3.3 Schrägseile

Die bis zu 373 m langen Schrägseile bestehen aus parallelen Litzenbündeln. Jede Litze ist aus Korrosionsschutzgründen galvanisiert, gewachst und PE-ummantelt. Die Litzenbündel laufen durch ein HDPE Rohr mit bis 300 mm Durchmesser. Es wurde für die 80 Seile in Summe 1280 to Spannstahl eingebaut. Je Seil werden bis zu 88 Litzen eingezogen. Der Vorteil dieses Seiltyps ist die Möglichkeit zur Auswechslung von einzelnen Litzen. Durch gezielte Führung und Umlenkung der Litzen im Ankerkörper werden Winkeländerungen vor der Verkeilung aufgenommen was die Biegespannungen maßgeblich reduziert.

Zum Einbau wurde ein umfangreiches Messprogramm durchgeführt. So werden Pylonbewegungen sowie Achslage und Gradiente des Überbaus nach jeder wesentlichen Laständerung überprüft und mit dem Ausführungsplaner die eventuell notwendigen Anpassungen erörtert

Zur Vermeidung von Seilschwingungen erhält jedes Seil am Seilausgang auf dem Überbau einen Reibungsdämpfer.

3.4 Überbau Vorlandfeld

Nach dem Herstellen des Seitenfelds wurde der Vorbauschnabel zum Vorlandfeld umgesetzt. Der 358 m lange Überbau wird gegen eine Längsneigung von 2 % in 19 Takten mit einer Regellänge von 20 m eingeschoben. Zwischen den Bauwerkspfeilern stehen Hilfsstützen, die die Spannweite für den Verschub auf 36 bzw. 40 m verringern. Der Überbau ist als einzelliger Spannbetonhohlkasten ausgebildet und erhält neben der zentrischen Primärvorspannung auch eine girlandenförmige Sekundärvorspannung in den 1,20 m breiten Stegen, die erst nach dem Verschub eingefädelt und vorgespannt wurden. Eine besondere Herausforderung ist die erforderliche Überhöhung von ca. 25 cm für das 108 m lange zweite Feld, sowie kleinere Überhöhungen für die 80m Felder, was einen Verschub auf bis zu 30 cm dicken Überhöhungsleisten aus bewehrtem Beton erforderlich macht. Die gesamte Schalung ist dafür höhenverstellbar ausgebildet. Für den ca. 30.000 Tonnen schweren Überbau sind unter den zwei Stegen zwei hydraulische Zwillingsverschubanlagen mit einer Gesamthubkapazität von 4.400 to eingesetzt. Für den Lückenschluss zum Hauptfeld wird das Stahlschlusssegment eingehoben und mit dem Kragarm des Freivorbaus verschweißt. Über eine temporäre Verschlosserung wird der Side Span an den Main Span gekoppelt und die Lücke ausbetoniert und vorgespannt.

4. Baubeteiligte

Bauherr:
City of Belgrade, Land Development Agency

Bauüberwachung, Bauoberleitung:
Louis Berger Group Inc. (Washington, DC)

Bauausführung:
Konsortium der Firmen PORR (Österreich, Wien), DSD (Deutschland, Saarlouis) und SCT (Slowenien, Lubjana), die Ogranak Sava Most. PORR ist kaufmännisch und technisch federführend und verantwortlich für die Gründung, den Back Span, den Pylon und die Seile. DSD führt die Stahlbauarbeiten und Montage des Main Spans aus, SCT erstellt den Side Span und die Brückenausrüstung.

Angebots- und Ausführungsplanung:
Leonhardt, Andrä und Partner (Stuttgart)

Aerodynamik/Seismik:
Eusani-Hortmanns-Zahlten EZI Ingenieurgesellschaft m.b.H, (Solingen)

Windkanalversuche:
Ruhruniversität Bochum

Gründungsplanung:
IBBS-ZT / ste.p / Prof. Adam (Wien)

Vorentwurf und Prüfung:
Ing. büro Ponting (Maribor)

Vermessung:
Noack Ingenieurgesellschaft mbH (Passau)

Gründungsausführung:
PORR Grundbau (Wien)

Schalung:
DOKA (Amstetten)

Vorspannung Back Span:
BBV Vorspanntechnik GmbH (Bobenheim-Roxheim)

Vorspannung Side Span:
DSI DYWIDAG-Systems International (München)

Schrägseile:
VT Vorspanntechnik GmbH & Co. KG. (Salzburg)