Schrägseilbrücken

Entwicklung, Errungenschaften und Möglichkeiten

Schrägseilbrücken sind die jüngsten, sich am schnellsten entwickelnden und vielversprechendsten Brückensysteme.

Schrägseilbrücken sind eine Unterkategorie von Hängebrücken. Eine Schrägseilbrücke ähnelt einer Hängebrücke, da sie über Türme und einen von Seilen getragenen Fahrbahnträger verfügt; die diagonalen Seile übertragen jedoch die vertikalen Lasten vom Fahrbahnträger direkt auf die Türme. Somit wirkt der Hauptträger einer Schrägseilbrücke wie ein Durchlaufträger auf Kabelauflagen (flexibler als Pfeilerauflagen) mit zusätzlicher Druckkraft auf der gesamten Fahrbahn. Eine Schrägseilbrücke ist auch ein vorgespanntes System, da die Schrägseile zusätzlich vorgespannt werden, um einen großen Teil der vertikalen Lasten auf den Hauptträger auszugleichen.

Die Strömsundbrücke in Schweden, die 1956 mit einer Hauptspannweite von 182 Metern fertiggestellt wurde, gilt als die erste moderne Schrägseilbrücke. In den folgenden 65 Jahren hat die Zahl der Schrägseilbrücken sowohl bei den Neubauten als auch bei den großen Spannweiten dramatisch zugenommen. Bis 1995 gab es nur drei Schrägseilbrücken mit Spannweiten von mehr als 500 Metern; 25 Jahre später gibt es bereits 67 Schrägseilbrücken mit Spannweiten von mehr als 500 Metern (darunter drei mit Spannweiten von mehr als 1.000 Metern oder 3.280 Fuß). Weitere 29 mit Spannweiten von über 500 Metern, darunter einige mit über 800 Metern, befinden sich derzeit im Bau.

Das Leistungsspektrum von Schrägseilbrücken bewegt sich in Richtung noch größerer Spannweiten. Es gibt kein anderes Brückentragwerkssystem, das eine so rasante Entwicklung aufweist. Die meisten Schrägseilbrücken sind optisch schön, und einige gehören zu den beeindruckendsten Ingenieurleistungen.

Ursprünge und Vorläufer

Die Idee für das Schrägseilsystem wurde vielleicht von den Zugbrücken mittelalterlicher Burgen und den seilverspannten Masten großer Schiffe inspiriert. Die erste dokumentierte Abbildung einer Schrägseilbrücke findet sich in den Machinae Novae, einem Buch von Fausto Veranzio aus dem Jahr 1615.

Vorläufer der modernen Schrägseilbrücken entstanden im 19. Jahrhundert in Form verschiedener hybrider Kombinationen von Hängesystemen mit zusätzlichen diagonalen geraden Seilen, wie im Fall der Albert Bridge, Großbritannien (1873). Die bekannteste dieser Hybridkonstruktionen ist die Brooklyn Bridge, New York, 1883, mit einer Hauptspannweite von 486 Metern, für die John Roebling diagonale Seile zur Versteifung der Konstruktion verwendete.

In den 1960er und 1970er Jahren wurde das System weiterentwickelt, um viele der während des Zweiten Weltkriegs in Deutschland zerstörten Brücken zu ersetzen. In dieser Zeit wurde das System auch für Dachkonstruktionen eingesetzt, die lange, stützenfreie Räume in Gebäuden erfordern. Ursprünglich wurden Schrägseilkonstruktionen für Brückenspannweiten von 60 bis 250 Metern verwendet, aber heute überspannen sie viel größere Entfernungen und sind das einzige System, das Hängebrücken bei übergroßen Spannweiten herausfordert. Ihre Spannweiten wuchsen 1959 mit der Severinbrücke (Deutschland) auf 302 Meter, 1974 mit der Saint-Nazaire-Brücke (Frankreich) auf 404 Meter und 1995 mit der Normandie-Brücke von Michel Virlogeux (Frankreich) auf 856 Meter. Heute hat die Russkij-Insel-Brücke (Russland) die längste Spannweite dieses Systems, 1.104 Meter (3.622 Fuß), die 2012 erreicht wurde (Abbildung 1).

In den Vereinigten Staaten können wir die zweite Sunshine Skyway Bridge mit einer Spannweite von 366 Metern (1.200 Fuß) im Jahr 1987 (Florida), die Dames Point Bridge mit einer Spannweite von 396 Metern (1.300 Fuß) in Florida und die Arthur Ravenel Bridge mit einer Spannweite von 471 Metern (1.545 Fuß) im Jahr 2005 (South Carolina) nennen.

Systemspezifische Merkmale

Die Hauptelemente einer Schrägseilbrücke sind Türme oder Pylone, Fahrbahnträger, Schrägseile, Verankerungen und Fundamente. Die Begriffe Turm und Pylon sind austauschbar; leichtere, schlanke Türme werden oft als Pylone bezeichnet. Die klassischen Schrägseilbrücken sind symmetrisch mit einer Hauptspannweite, zwei Nebenspannweiten und zwei Türmen; dies sind die meisten Schrägseilbrücken mit Spannweiten über 600 Metern. Die Sicherungsseile können sich über mehrere Seitenfelder erstrecken.

Asymmetrische Schrägseilbrücken haben ein Hauptfeld und ein Seitenfeld mit einem einzigen Turm. Mehrfeldrige Schrägseilbrücken haben zwei oder mehr (meist gleiche) Hauptspannweiten. Mehrere Beispiele sind in Abbildung 2 dargestellt.

Einige Unterteilungen werden für Schrägseilbrücken verwendet: extradosed, unterspannt (under-deck), cradle, inverted Fink truss und tensegrity. Die Kabel an den Türmen können parallel (Harfe), fächerförmig, sternförmig oder gemischt angeordnet sein. Für die Türme werden verschiedene strukturelle Lösungen verwendet: einzelne Pylone, doppelschenklige Portale (vertikal, leicht abgewinkelt, freistehend oder als Portalrahmen miteinander verbunden, mit „A“-, „H“-, „Y“- oder umgekehrten „Y“-Bögen).

Die Türme können oberhalb und unterhalb des Decks durchgehend sein und sowohl das Deck als auch die Kabel tragen, oder der obere Teil kann nur die Kabel tragen, während der Deckträger direkt von Pfeilern getragen wird. Beispiele sind in Abbildung 3 dargestellt.

Die wichtigsten Konstruktionsmaterialien für Schrägseilbrücken sind:

• Für Fahrbahnen: Stahl- oder Spannbeton, Verbunddecken aus Beton und Stahl oder orthotrope Stahldecken;
• Für Fahrbahnträger: Träger aus Spannbeton oder Stahl, Kastenträger aus Spannbeton oder Stahl, ähnlich denen in modernen Hängebrücken;
• Für Türme: Stahl, Stahl- oder Spannbeton, Stahl-Beton-Verbund;
• Für Seile: hochfeste Stahldrähte, gewöhnlich der Güte 270 (270 ksi oder 1.860 MPa), aus 7-Draht-, ⅜-Zoll (9.5 Millimeter) Litzen gemäß ASTM A886, anderen höherwertigen Stahldrähten, kohlenstofffaserverstärkten Polymeren (CFK) oder Verbundwerkstoffen. Spannbeton wurde in der Vergangenheit verwendet, sollte aber vermieden werden, da er sich bei einigen Brüchen, wie z. B. der Morandi-Brücke, als unsicher erwiesen hat;
• für Pfeiler und Fundamente: Stahlbeton mit oder ohne Pfähle, je nach Boden.

Für Brücken mit großer Spannweite, Fundamente auf weichen Böden oder für Brücken in stark erdbebengefährdeten Gebieten ist es vorzuziehen, überwiegend Stahlkonstruktionen zu verwenden, um das Eigengewicht und die damit verbundenen Erdbebenkräfte zu verringern.

Konzeptentwurf

Der wichtigste Teil des Brückenentwurfs ist das Gesamtkonzept für das Bauwerk und seine Elemente: die Auswahl des geeigneten Tragwerkssystems für die Brücke unter Berücksichtigung ihrer spezifischen Funktion, des Standorts und der erforderlichen Spannweiten. Ein gut gewähltes Konzept bestimmt die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Brücke, spart Material, Kosten und Bauzeit. Gute Entwurfskonzepte minimieren Probleme und zukünftige Schwierigkeiten sowohl im Entwurfsbüro als auch auf der Baustelle.

Beim Entwurf früher Schrägseilbrücken verwendeten die Ingenieure eine relativ geringe Anzahl von Seilen. Mit zunehmender Erfahrung und der Einführung von Statiksoftware konnten die Ingenieure eine größere Anzahl von Schrägseilen verwenden, was die Belastung der Fahrbahnträger verringerte und zu größerer Effizienz und längeren Spannweiten führte.

Die Grundlagen der Schrägseilbrückenkonstruktion sind wie folgt: Die vertikalen Lasten auf der Fahrbahn werden von diagonalen Schrägseilen getragen, die diese Lasten auf die Türme übertragen. Am Turm sind die horizontalen Komponenten der Seile aus der Hauptspannweite mit denen aus den seitlichen/benachbarten Spannweiten im Gleichgewicht. Die Türme stützen und leiten die vertikale Last auf die Fundamente ab. In ähnlicher Weise sind die kumulativen horizontalen Druckkomponenten der Lasten aus der Hauptspannweite mit den Drucklastkomponenten der seitlichen Spannweiten im Gleichgewicht. Somit ist das gesamte Brückensystem im Gleichgewicht mit den vorherrschenden Druckkräften in den Türmen und dem Fahrbahnsystem sowie den Zugkräften in den Seilabspannungen. Das System ist selbst ausbalanciert, vorausgesetzt, dass alle Elemente korrekt entworfen werden, um die maximale Beanspruchung durch die höchstmögliche Kombination von Lasten aufzunehmen.

Die Herausforderung für den Konstrukteur besteht darin, eine geeignete Kombination aus den zahlreichen möglichen Varianten von Türmen, Schrägseilanordnungen und Fahrbahnsystemen auszuwählen. Wie alle Hängekonstruktionen sind Schrägseilbrücken empfindlich gegenüber Verformungen, und es ist notwendig, den verformten Zustand des Systems für alle Lastkombinationen zu überprüfen, einschließlich derjenigen während der verschiedenen Bauphasen.

Die heutige Statiksoftware unterstützt die Ingenieure bei der Berechnung von Schrägseilbrücken erheblich. Nach der Auswahl der Hauptparameter des Systems ist es wichtig, die Anfangsabmessungen und -querschnitte des Fahrbahnträgers, der Kabel und der Türme festzulegen. Ein einfacher Entwurfsansatz hilft bei der Festlegung dieser Abmessungen.

Zunächst kann der Konstrukteur einen einfach gestützten Ersatzträger verwenden, um die ungefähren Biegemomente für den Hauptträger zu bestimmen. Die aufwärts gerichtete Vorspannung der Schrägseile kann den größten Teil der Momente aus den ständigen Lasten auf dem Deck ausgleichen. Dies wird durch zusätzliches Spannen der Seile nach der Errichtung der Hauptelemente erreicht, um den ständigen Lasten entgegenzuwirken, was zu einer minimalen vertikalen Biegung des Decks-Trägers führt. Die Seile sollten zusätzlich so gespannt werden, dass sie 50 % der kombinierten temporären abwärts gerichteten Lasten (Verkehrslasten, Wind, Schnee, Eis und Erdbeben) entgegenwirken. Auf diese Weise schwanken die Arbeitsbiegemomente des Deckträgers während des Betriebs ungefähr zwischen 50 % der positiven Momente (aus der ungünstigsten temporären Lastkombination) und 50 % der negativen Momente aus temporären Lasten. Dieser „erste Schritt“ bestimmt die Bemessungsmomente für den Deckträger der Hauptspannweite. Die Druckkraft in der Fahrbahnträgerplatte aufgrund der horizontalen Komponenten der Schrägseilkräfte ist die kumulative Summe dieser Komponenten, etwa 55 bis 65 % der gesamten vertikalen Lasten auf der Hauptspannweite, abhängig von der Spannweite, der Anzahl der Seile und der Höhe der Seilverbindungen am Turm. Die kumulative Druckkraft (ΣPc) im Deck-Träger ist gleich der Summe aller Druckkräfte Pci an den Kabelanschlüssen (Abbildung 4) auf dem Deck: Die Zugkabelkraft Pcable = Pv/sin α,

Pci ist die Druckkraft im Deckträger aus der horizontalen Komponente der Kabelkraft,

Pvi ist die vertikale DL + LL-Kraft, die an der Kabelverbindung am Deckträger angreift, plus die vertikale Komponente der zusätzlich aufgebrachten Zugkraft,

Li ist der horizontale Abstand von dieser Verbindung zum Turm, und

Ht ist die Höhe dieser Kabelverbindung am Turm über dem Deck.

Eine vereinfachte erste Berechnung für die kumulative Druckkraft ergibt sich aus:

wobei:

ΣPc ist die kumulative Druckkraft im Deck-Träger, maximal an den Türmen,

ΣPv ist die Summe aller nach unten gerichteten vertikalen Kräfte auf dem Deck der Hauptspannweite,

Lmax ist die Länge der Hauptspannweite,

Ht ist die Höhe der Kabelanschlüsse am Turm über dem Deck, wie in Abbildung 4 für Fächer- oder Harfenkabelkonfiguration dargestellt, und

Lgr ist die Gesamtlänge der Kabelgruppe für Harfenkonfiguration.

Die Summe der horizontalen Kräfte aller Kabel am Turm (von der Hauptspannweite aus) ist gleich der kumulativen Druckkraft im Deckträger der Hauptspannweite, ausgeglichen durch eine gleiche Kraft auf der gegenüberliegenden Seite.

Durch diese Berechnungen kann der Konstrukteur die anfänglichen Konstruktionsmaße für die Seile, den Deckträger und den Turm festlegen, die im Computermodell für weitere Anpassungen und Verfeinerungen des Systems verwendet werden. Der Fahrbahnträger muss für die Druck- und Biegebeanspruchung durch das Schrägseilsystem und die typische Brückenkonstruktion für vertikale Eigen- und Nutzlasten ausgelegt werden. Der oben beschriebene Ansatz wird dazu beitragen, das gewünschte Endziel schneller zu erreichen.

Effizienz und Wirtschaftlichkeit

Schrägseilbrücken sind effizient in Bezug auf Kosten, Material und Bauzeit. Sie sind effizienter als andere Brückensysteme, deren einziger Konkurrent die Hängebrücken sind, und ermöglichen eine einfachere Bauweise. Ein weiterer Vorteil von Schrägseilbrücken ist ihre größere effiziente Spannweite von 100 Metern bis zu über 1.000 Metern.

Die vielfältigen Möglichkeiten des Systems bieten Ingenieuren und Architekten viele Gestaltungsoptionen. Die „mittelgroßen“ Bauwerke erlauben mehr Kreativität, Originalität und Möglichkeiten für innovative Arbeiten. Eine Schrägseilbrücke muss nicht extravagant sein. Die einfachste Brücke mit einer „ehrlichen“ Struktur ist oft die beste und ist in der Regel elegant und attraktiv.

Schrägseilbrücken haben eine Kombination aus Eleganz, Schlankheit und einem Gefühl von Robustheit. Der Bedarf der nationalen Infrastruktur an mehr Brücken erfordert die Priorität von Effizienz und Wirtschaftlichkeit.

Die Kunst des Ingenieurs erfordert Kreativität und Fantasie, aber Ingenieure sollten sich wiederholende und unlogische Formen vermeiden. Kreativität ist unerlässlich, aber „übertriebene Originalität“ sollte nur in begründeten Ausnahmen vorkommen (z.B., Christian Menn und Michel Virlogeux).

Vor- und Nachteile

Die wichtigsten Systemvorteile sind:

• schnelle und relativ einfache Konstruktion mit geringem Zeitaufwand
• weniger Kosten
• vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten
• großer effizienter Spannweitenbereich
• starke und belastbare Strukturen
• attraktives Aussehen

Die Hauptnachteile des Systems sind:

• Bei überlangen Spannweiten immer noch schlechter als Hängebrücken
• Erforderlich ist die Kontrolle der Verformungen unter allen Bedingungen
• Erforderlich ist Erfahrung sowohl bei der Planung als auch beim Bau

Weiterentwicklung

Wie alle anderen Brückensysteme werden auch Schrägseilbrücken durch die Entwicklung hochfester Materialien und neuer Bautechniken ständig verbessert. Wertvoller für Ingenieure sind die Modifikationen bewährter Tragwerkssysteme und neuerer Teilsysteme. Neben der zunehmenden Zahl von Schrägseilbrücken mit größeren Spannweiten (über 600 Meter oder etwa 2.000 Fuß) wird das System zunehmend für Fußgängerbrücken eingesetzt. Die geringeren Lasten und kürzeren Spannweiten ermöglichen es den Ingenieuren, neue Ansätze zu erforschen, wodurch der Bau dieser Brücken zu einem Testlabor für Innovationen wird. Als solche können wir die extradosed, under-spanned und inverted Fink truss sub-bridge Systeme in Betracht ziehen, die alle auf verbesserte Effizienz ausgerichtet sind.

Ein Bereich der weiteren Entwicklung ist das Streben nach Kombinationen/Hybriden von Schrägseil- und Hängebrückensystemen zur Erreichung superlanger Spannweiten. Die Idee ist, die Länge der Hängespannweite zu verringern, indem die Aufhängepunkte entlang der Spannweite nach innen verlegt werden. Dadurch wird nicht nur die Länge der Hängespannweite, sondern auch die erforderliche Turmhöhe verringert und gleichzeitig eine größere freie Spannweite ermöglicht. Dies wird mit „auskragenden Schrägseil-Alternativen“ an den Brückentürmen erreicht, bei denen Schrägseil-Pylone auf dem Deck hinzugefügt werden (Abbildung 5). Mit 500 Meter langen Auslegern und Schrägseilpylonen auf beiden Seiten einer freien Spannweite von insgesamt 3.000 Metern reduziert sich die Länge der Aufhängung auf 2.000 Meter. Eine solche Reduzierung würde es ermöglichen, Haupttragseile von der Größe und Art der bereits bei Brücken wie der Akashi-Kaikyo mit 1991 Metern Länge verwendeten Seile für eine viel längere Hauptspannweite zu verwenden.

Schlussfolgerungen

Aufgrund des derzeitigen technischen Fortschritts und der raschen Entwicklung könnten Schrägseilbrücken in Kürze Spannweiten von 2.400 bis 2.600 Metern erreichen; für eine solche Konstruktion sind Türme mit einer Höhe von 500 bis 570 Metern erforderlich, was in Anbetracht der bereits fertiggestellten Hochhauskonstruktionen durchaus realisierbar ist. Damit wird der Leistungsbereich für Schrägseilbrücken auf sehr lange Spannweiten von über 2.000 Metern erweitert. Ein hybrides Schrägseil- und Hängesystem würde sogar noch längere Spannweiten von bis zu 3.000 bis 3.400 Metern ermöglichen, wobei eine „reine“ Hängebrücke „nur“ 2.200 bis 2.400 Meter lang wäre.

Aufgrund der Effizienz und der Vorteile von Schrägseilkonstruktionen sollten amerikanische Ingenieure und Verkehrsbehörden bei der Planung neuer Projekte mehr Schrägseilbrücken in Betracht ziehen. Ein verstärkter Einsatz von Schrägseilbrücken könnte die Infrastruktur mit diesen effizienten, schnelleren und eleganten Bauwerken aufwerten. Eine stärkere Verbreitung von Schrägseilbrücken könnte auch dazu beitragen, dass unser Berufsstand der Brückenbauer wieder eine führende Position bei der Planung und dem Bau von weitgespannten Brücken einnimmt.■