Bachelorarbeit Pascal Stöckli

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Diplomand
Pascal Stöckli
Betreuer
Prof. Dr. Ing. Harald Schuler
Experte
Dipl. Bauingenieur ETH NDS BWL Martin Bussmann
Disziplin
Massivbau
Jahr
2012
Eine hochwassersichere Brücke planen
Ersatzneubau der Emmenbrücke in Biberist
Alle 100 Jahre wiederkehrende Hochwasserereignisse in der Emme sind für Biberist katastrophal: Die alte Emmenbrücke würde der Macht des Wassers nicht standhalten. Eine neue Emmequerung soll Sicherheit schaffen. Das Besondere an dieser Brücke, die als Bogen­konstruktion ausgeführt wird: Die Hänger sind nicht vertikal, sondern schräg.

Die Bachelorthesis umfasst im Wesentlichen zwei Elemente: das Finden einer geeigneten Gründung inklusive Vorbemessung und die statische Berechnung aller relevanten Bauteile des Überbaus. Ein besonderes Augenmerk liegt ­dabei auf den zwei Stahlbetondruckbögen, die über die schrägen Hänger und die Fahrbahnplatte gegen horizontales Ausknicken stabilisiert werden müssen.

Gründung über Pfähle
Wie bei der bestehenden Brücke wird auch die neue Brücke über eine Pfahlgründung fundiert. Die Pfähle stehen auf der unverwitterten Molasse, womit die Setzungen gering gehalten werden.
Die Vorbemessung ergab je Widerlager 12 Pfähle mit einem Durchmesser von 90 cm und einer Einbindetiefe in die Molasse von 1.5 m. Sie werden in Längsrichtung und teilweise in Querrichtung geneigt angeordnet – 5° bzw. 10° –, um eine horizontale Stabilisierung zu gewährleisten.

Bogen mit schrägen Hängern
Als Tragsystem für den Überbau wird eine Bogenkonstruktion mit einer Stützweite von 75 m gewählt, an der die Fahrbahnplatte über schräge Hänger befestigt ist. Die Bögen verursachen einen Horizontalschub, den seitlich der Fahrbahn angebrachte vorgespannte Zugelemente abfangen.
Für die Hänger wurden mehrere Anordnungsmöglichkeiten analysiert. Konkret kann man die Brückenplatte an jeweils einem oder alternativ an jeweils zwei Zugstäben aufhängen. Entscheidet man sich für jeweils zwei Zugstäbe, wird die Stützweite des Zuggurtträgers kleiner. Dadurch vermindern sich die maximalen Beanspruchungen der einzelnen Bauteile, die entsprechend filigraner ausgeführt werden können. Aus diesen Gründen fiel die Entscheidung schliesslich für die Variante mit jeweils zwei Zugstäben.

Stabilisierung und Materialwahl
Eine grosse Herausforderung lag darin, den Druckbogen in der Horizontalen zu stabilisieren. Der Bogen kragt frei nach oben aus, folglich muss er über die seitlichen Hänger und die horizontale Betonplatte stabilisiert werden. Als statisches System entsteht ein U-Rahmen, für den oben an der Stelle des Druckbogens die ­horizontale Federsteifigkeit ermittelt wird (vgl. Abb. 04). Damit kann ein einfaches Modell im Grundriss aufgesetzt werden, bei dem die horizontale Stabilisierung des Bogens im Bereich der Hänger durch Federn abgebildet wird. Mithilfe dieses Modells wurden schliesslich die Geometrie von Druckbogen, Hänger und Fahrbahnplatte bestimmt und geeignete Materialien ausgewählt.

Äussere Vorspannung
Die Zugkräfte im Untergurt, die durch den Horizontalschub des Bogens entstehen, werden durch ein vorgespanntes Zugglied abgefangen. Dafür wurden zwei Varianten der Vorspannung geprüft: Bei der ersten wird gegen 80 % der ständigen Lasten (Eigenlast und Auflast) vor­gespannt; bei der zweiten wird gegen 80 % der Grenzlast vorgespannt, was einer ca. 30 % stärkeren Vorspannung entspricht. Für beide Va­rianten wurden schliesslich das Verformungs­verhalten und die Spannungszustände im Riegel untersucht. Weil die zweite Variante weniger schlaffe Bewehrung erfordert und die Verformungen der Fahrbahn kleiner werden, entschied man sich dafür, die Vorspannkabel auf 80 % der Grenzlast zu spannen.

 
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