Zahlreiche Brücken in ganz Deutschland sind derzeit in einem schlechten Zustand, vielerorts ist ein Ersatz dringend nötig. Damit dies künftig schneller, kostengünstiger und nachhaltiger geht, haben Forschende der HTW Dresden den Prototyp einer vorgespannten Straßenbrücke aus Carbonbeton in modularer Bauweise entwickelt. Im Bereich der Bundesstraße 173 wurde bereits ein erfolgreicher Praxistest durchgeführt.
„Eines der größten Probleme beim Bau neuer Brücken sind die langen Planungs- und Vorlaufzeiten sowie langwierige Baustellen“, sagt Professor Holger Flederer, Inhaber der Professur „Konstruktiver Ingenieurbau“ der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (HTWD) und Leiter der gleichnamigen Forschungsgruppe. „Modulare Systeme sowie die Verwendung von Fertigbauteilen bieten einen vielversprechenden Ansatz, schneller und kostengünstiger zu bauen.“ Forschende seines Fachbereichs beschäftigen sich daher im Projekt PAMB („Pilotanwendung modularer Brückenbau“) mit diesem Thema.
Schneller – günstiger – nachhaltiger
Der Fachbereich Konstruktiver Ingenieurbau arbeitet also an modularen Fertigteilsystemen, um Betonbrücken schneller und kostengünstiger errichten zu können. Indem man größere Einzelteile der Brücke bereits im Werk vorfertigt, sodass man sie später auf der Baustelle nur noch zusammenfügen muss, verringert sich die Bauzeit vor Ort erheblich. Das sonst übliche Verkehrschaos lässt sich dadurch auf ein Minimum reduzieren.
Im Fokus der HTWD-Forschenden stehen übrigens nicht primär die riesigen, talüberspannenden Konstruktionen, sondern vor allem kleinere Brücken mit Spannweiten von bis zu 30 m. Die machen nämlich den Großteil der Infrastruktur-Bauwerke aus, die in Deutschland aktuell dringend zu erneuern sind. Natürlich müssen neue Brücken – egal ob groß oder klein – vor allem standsicher und gebrauchstauglich sein. Aber auch Kosteneffizienz spielt eine Rolle. Hier verspricht ein höherer Vorfertigungsgrad Vorteile.
Und auch das Thema Nachhaltigkeit steht zunehmend im Fokus. Holger Flederers Team setzt daher für die einzelnen Brückenmodule nicht auf klassischen Stahlbeton , sondern überwiegend auf Beton mit Carbonbewehrung. Über diese mit textilen Gelegen aus Kohlenstofffasern (Carbonfasern) bewehrte Betonvariante haben wir bereits im BaustoffWissen-Beitrag „ Entwicklung von Carbonbeton “ ausführlicher informiert.
Carbonbewehrungen haben im Vergleich zur klassischen Stahlalternative den Vorteil, dass das Material nicht rostet. Eine häufige Ursache für Brückenschäden fällt damit weg. Hinzu kommt, dass sich die Carbonfasern durch ein geringes Gewicht bei gleichzeitig sehr hoher Festigkeit auszeichnen. In Summe sorgen die genannten Vorteile dafür, dass sich mit Carbonbewehrungen Betonbrücken konstruieren lassen, die einen schlankeren Querschnitt haben als mit Stahlbeton möglich. Die Bauweise hilft also Beton einzusparen – ein klares Plus in Sachen Nachhaltigkeit.
Brücken aus dem Katalog
Den ersten Prototyp seiner vorgespannten Straßenbrücke mit nichtmetallischer Carbonbewehrung in modularer Bauweise hat der HTWD-Fachbereich Konstruktiver Ingenieurbau gemeinsam mit dem Bauunternehmen Hentschke Bau entwickelt. An Teilen des Forschungsvorhabens wirkte das Institut für Massivbau der RWTH Aachen mit. Gefördert wurde das Projekt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.
Die vorgefertigten Brückenfertigteile werden auf der Baustelle mittels Vorspannung zusammengefügt. Dabei wird gänzlich auf Ortbeton oder Vergussmörtel im Fugenbereich verzichtet. Um die Fügezonen standsicher, gebrauchstauglich und dauerhaft zu gestalten, wurden nach Angaben des HTWD Versuche mit ermüdungsrelevanten Belastungen durchgeführt. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse flossen schließlich in die statische Bemessung des Pilotprojekts ein.
Der Brückenbau mit Fertigteilen verspricht weniger Kosten und mehr Tempo – auch deshalb, weil langwierige Planungen, Prüfungen und Genehmigungsverfahren in Zukunft nur noch einmalig im Vorfeld der Serienfertigung notwendig wären. Die Vision des HTWD beinhaltet, dass sich die Bauteile für eine neue Brücke künftig wie aus dem Katalog kurzfristig bestellen und produzieren lassen. Der Empfänger müsste dann nur noch die gewünschte Spannweite und die erforderliche Brückenbreite angeben.
Natürlich müssen die Bauteile so dimensioniert sein, dass der Transport zur Baustelle und der Einbau mit gebräuchlicher Technik zu bewältigen sind. Das geringe Gewicht von Carbonbewehrungen ist hier von Vorteil. Das HTWD räumt übrigens ein, dass eine vollständige Carbonbewehrung nicht in allen Fällen die beste Lösung sein muss. Auch eine Kombination von metallischer und nichtmetallischer Bewehrung sei möglich.
Erfolgreicher Praxistest
Die Gelegenheit für einen realen Praxistest im Rahmen des PAMB-Projekts ergab sich, als auf der vielbefahrenen Bundesstraße 173 zwischen Lichtenfels (Bayern) und Dresden eine Brückensanierung anstand. Dafür wurde eine Behelfsbrücke als zeitweise Umfahrung der Baustelle errichtet. Für dieses temporäre Bauwerk durften das HTWD und seine Praxispartner ihr Konzept der Carbonbeton-Fertigteil-Brücke einsetzen. Weil für die neuartige Bauweise noch kein bauliches Regelwerk existiert, waren für den Praxistest behördliche Sondergenehmigungen und gesonderte Prüfungen erforderlich.
Baustoff-Fachwissen verständlich erklärt: Jetzt Newsletter abonnieren!
Der BaustoffWissen-Newsletter bringt Sie thematisch immer auf den neuesten Stand. Sie erhalten die Branchen-News dann zwei Mal monatlich.
Im Bautzener Werk von Hentschke wurden schließlich fünf 16 m lange, mit Carbon bewehrte Brückenträger vorgefertigt – die ersten dieser Art in Deutschland. Per Tieflader gelangten die Module zur Baustelle nahe Freiberg, wo Monteure sie durch Quervorspannung zusammenfügten. Es dauerte nur einen Tag, dann war die Brücke einsatzbereit.
„Diese Lösung ist in mehrfacher Hinsicht innovativ und wegweisend“, sagt Projektleiter Holger Flederer. „Es handelt sich um einen kompletten Fertigbau ohne Betonieren vor Ort, die Längsfugen werden nicht verklebt oder vergossen. Zu den Besonderheiten zählen auch die ausschließlich nichtmetallische Bewehrung sowie der Verzicht auf eine Asphaltdecke.“ Begleitet von einem Permanent-Monitoring floss der Verkehr der Bundesstraße mehr als ein Jahr lang über die Behelfsbrücke. Es wurden keinerlei Auffälligkeiten festgestellt – die Brücke bestand den Test. Inzwischen hat sie ihren Zweck erfüllt und wird demnächst an anderer Stelle erneut zum Einsatz kommen.