Brückenverbreiterung mit Betonfertigteilträgern in Paarl/Südafrika

Ein unter der Leitung des Ingenieurbüros UDS Africa umgesetztes Vorhaben zum Ausbau des Berg River Boulevard und der Oosbosch Street in Paarl in der südafrikanischen Provinz Westkap war vom Bauherrn, der Gemeindeverwaltung Drakenstein, im Jahr 2013 in Auftrag gegeben worden. Die erste Phase, die den Ausbau des Berg River Boulevard von der Lady Grey Street bis zur Optenhorst/Oosbosch Street umfasste, wurde 2016 begonnen und 2018 abgeschlossen.

Diese Phase schloss auch die Herstellung der Widerlager und der Pfeiler für die spätere Verbreiterung der 100 m langen Brücke der Oosbosch Street über den Berg River ein. Für die Verbreiterung beider Brücken kommen vom
Betonproduzenten Cape Concrete hergestellte Betonfertigteilträger zum Einsatz. Das für die Verbreiterung der Brücken zuständige Expertenteam besteht neben dem Hauptauftragnehmer Martin and East aus den Firmen Aecom SA, Empa Structures und Mowana Engineers.

Cape Concrete liefert zwanzig Plattenbalken

Bei der Errichtung der ursprünglichen Flussbrücke
kamen mit nachträglichem Verbund vorgespannte Träger zum   Einsatz. Diese Bauweise wurde auch für das aktuelle Vorhaben in Erwägung gezogen. Letzten Endes genehmigte UDS jedoch die vom Auftragnehmer vorgeschlagenen mit sofortigem Verbund vorgespannten Fertigteilträger als die kosten- und zeiteffizientere Lösung und Cape Concrete erhielt den Auftrag zur Herstellung von 20 Plattenbalken mit einer Länge von jeweils 26 m.

Für die Verbreiterung der über die Bahnlinie führenden Brücke mussten vier jeweils 10 m lange Stahlbetonträger mit Geländer in einem Vollprofil hergestellt werden. Jeweils zwei der aus Träger und Geländer bestehenden Elemente wurden auf jeder Seite der Brücke montiert. Die Herstellung der Balken und Geländer in einer Einheit machte den Einsatz von Baugerüsten überflüssig und bedeutete eine enorme Zeitersparnis. Die Verwendung von Fertigteilen hatte darüber hinaus zur Folge, dass die Herstellung der Träger für beide Brücken sowie der vorgefertigten verlorenen Schalung für die über den Fluss führende Brücke bereits in einer frühen Projektphase und zeitgleich mit anderen Bautätigkeiten stattfinden konnte.

Beide Brücken wurden von Aecom SA geplant. Laut Bauingenieur Jacobus Kritzinger von Aecom SA konnte aufgrund der Tatsache, dass die verbreiterten Widerlager und Pfeiler der Flussbrücke bereits an Ort und Stelle waren, die Bauzeit noch einmal verkürzt werden.

„Ein weiterer Vorteil war, dass die gleichzeitige Ausführung mehrerer Bautätigkeiten den Druck auf das Vorhaben verringerte und Einsparungen für den Auftraggeber und alle an der Ausführung beteiligten Unternehmen ermöglichte. Um die Einheitlichkeit des neuen Brückenbauwerks über den Fluss zu gewährleisten, entschieden wir uns für das gleiche Querschnittsprofil wie im ursprünglichen Entwurf, setzten aber natürlich Träger ein, die mit sofortigem Verbund und nicht mit nachträglichem Verbund vorgespannt waren“, erklärt Kritzinger.

„Es war äußerst wichtig, dass das Tragverhalten der neuen Träger das Tragverhalten der vorhandenen, mit nachträglichem Verbund vorgespannten Träger möglichst genau widerspiegelte, da wir es mit sehr engen Bautoleranzen zu tun hatten. Das bedeutete, dass wir die Durchbiegungen und die eingeleiteten Momente der mit sofortigem Verbund vorgespannten Träger so abbilden und berechnen mussten, dass sie möglichst genau denen der vorhandenen Träger entsprachen. Da die Berücksichtigung des Kriech- und Schwindverhaltens bei dem vom Auftragnehmer vorgeschlagenen alternativen Entwurf der Träger spezielle Ingenieursleistungen erforderlich machte, wurde das Ingenieurbüro Mowana Engineers mit der Bemessung der mit sofortigem Verbund vorgespannten Träger beauftragt.“

Wärmebehandelte Träger für die Straßenbrücke

Laut Edward Smuts, dem Leiter der Brückenbautechnik bei Mowana Engineers, gibt es Belege dafür, dass im Laufe der 50jährigen Lebensdauer der Brücke signifikante
Kriecheffekte aufgetreten sind. „Da wir Kenntnis über die Beton- und Querschnittseigenschaften des alten Brückenbauwerks hatten, konnten wir theoretische Durchbiegungen simulieren, um das Verhalten der neuen Träger möglichst genau auf das Gebrauchsverhalten der ursprünglichen Träger abzustimmen. Dazu gehörte auch die Berechnung des sofortigen und des langfristigen Kriechverhaltens. Auf der Basis dieser Berechnungen haben wir einen Bericht erstellt, der zunächst Aecom und nach deren Freigabe dann Cape Concrete vorgelegt wurde“, erklärt Smuts.

Laut Johan Nel, Werksleiter von Cape Concrete, machten die von Mowana angestellten Berechnungen bei der Betonierung der Träger für die Flussbrücke einige zusätzliche Detailausbildungen erforderlich, die von Mowana übernommen wurden. „Wir haben bei der Umrechnung von nachträglichem zu sofortigem Verbund schon häufig mit Mowana Engineers zusammengearbeitet, die sich um das Aufbringen der Vorspannung und um die Prüfverfahren kümmern. Für die Träger der Flussbrücke sollte laut Spezifikation ein Beton der Festigkeitsklasse W40MPa und für die Träger der Brücke über die Bahnlinie ein Betongemisch der Festigkeitsklasse W50MPa zum Einsatz kommen. Wir haben das W50-Betongemisch jedoch auch für die Träger der Flussbrücke verwendet, weil damit zugleich Dauerhaftigkeitsprobleme infolge einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion abgedeckt waren. Diese Betonrezeptur haben wir in der Vergangenheit auch schon bei anderen Brückenbauvorhaben mit sehr zufriedenstellenden Ergebnissen eingesetzt. Die Träger der Straßenbrücke wurden wärmebehandelt und hatten die geforderte Entspannfestigkeit nach 18 Stunden erreicht. Wir haben allerdings erst am dritten Tag entspannt, weil ein früheres Entspannen größere Probleme mit Aufwölbungen und Durchbiegungen zur Folgegehabt hätte. Es war wichtig, die Durchbiegung der Träger sehr sorgfältig zu steuern, um sie auf die Gefälleausbildung der vorhandenen Brückenträger abzustimmen“, erklärt Nel.

Anders als bei der Flussbrücke musste bei der über die Bahnlinie führenden Brücke die Verbreiterung der Widerlager und des Mittelpfeilers unter extrem beengten Bedingungen stattfinden. Nach Abschluss dieser Arbeiten wurden die vorgefertigten, aus Träger und Geländer bestehenden Elemente auf den Auflagern platziert und mit dem bestehenden Brückenbauwerk verbunden. Zu den zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Beitrags noch ausstehenden Arbeiten gehören der Abriss der beiden ursprünglichen Brückengeländer, der Bau neuer Gehwege sowie die Erneuerung des Fahrbahnbelages.

Träger der Flussbrücke wurden auf die Auflager gesetzt

Jose Dos Reis von Empa Structures erläutert, dass die Träger der Flussbrücke mit zwei Montagekranen auf die Auflager gesetzt wurden. „Da die Brücke einen hohen Mittelpunkt hat, wurden die Widerlager und Pfeiler abgeschrägt, um Niederschlagswasser abzuleiten. Das bedeutete, dass beim Einbau der Auflager ein Ausgleich mit Epoxidharz erfolgen musste, um eine ebene Auflagefläche zu erreichen.

Nachdem alle Fertigteilträger eingehoben waren, wurde mit der Herstellung der aus Ortbeton bestehenden Querträger begonnen. Die Flussbrücke hat 28 Querträger mit sieben Trägern pro Spannweite, sodass ein massives und extrem tragfähiges monolithisches Brückenbauwerk entstand. Die Hauptquerträger wurden an den Enden der Widerlager und an jedem Pfeiler angebracht. Da jeder Querträger aus sechs Segmenten besteht, waren für die Brücke 168 Betoniervorgänge erforderlich.

Zwei Spannweiten liegen über dem Fluss und wir mussten sehr strenge Umweltauflagen erfüllen. Ein Laufgang unter den Querträgern wurde mithilfe langer Zuganker abgestützt. Sobald die Querträger für alle Spannweiten fertiggestellt waren, wurden zwischen den Fertigteilträgern verlorene Betonschalungen installiert. Wir hatten 1.500 Schalungen vor Ort betoniert, die zum Teil noch eingepasst werden mussten, da wir es mit sehr geringen Toleranzen zu tun hatten. Alle Zwischenräume mit einer Breite von 3 mm oder darüber wurden mit Epoxidharz versiegelt, um Mörtelverluste beim Betonieren der Fahrbahnplatte zu vermeiden.

Sobald die Fahrbahnschalung an Ort und Stelle war, wurde die Stabbewehrung für die Fahrbahnplatte eingelegt. Diese Arbeiten nahmen ungefähr sieben bis zehn Tage in Anspruch. Anschließend wurden die Nivellierschienen eingesetzt und die Betonierung der Fahrbahnplatte erfolgte in einer Dicke von 125 mm. Pro Spannweite wurden jeweils 40 m³ Beton benötigt und nach Abschluss der Abzieh- und Glättarbeiten wurde die Fahrbahnplatte über einen Zeitraum von sieben Tagen feucht gehalten. Der Vorgang wurde für jede Spannweite wiederholt“, erklärt Dos Reis.

Umfangreiche Vorbereitungsarbeiten

Im Anschluss an den Abbau des alten Außengeländers, das während der Bauarbeiten als Sicherheitsleitwand diente, wird über die gesamte Länge der Brücke ein Träger aus Ortbeton hergestellt, der das Fundament für die Mittelleitwand bildet. Die Leitwand und ein neues Außengeländer werden in Ortbetonbauweise mit umfangreicher Bewehrung hergestellt.

Dos Reis zufolge flossen umfangreiche Vorbereitungsarbeiten in die Verbreiterung des Mittelpfeilers und der Widerlager, ehe die Träger der über die Bahnlinie führenden Brücke eingehoben werden konnten. „Die Arbeit wurde dadurch erschwert, dass wir über und unter zwei 3-kV-Stromleitungen und drei aktiven Glasfaserleitungen arbeiten mussten, die unmittelbar neben einem der
Widerlager verliefen. Hinzu kam, dass wir die Gründung drei Meter unter Bodenniveau und in nur einem Meter Abstand von der befahrenen Strecke herstellen und anschließend den neuen aus Widerlager und Pfeiler bestehenden Unterbau mit dem vorhandenen Bauwerk verbinden mussten.

Wir mussten Arbeitsgenehmigungen beim Eisenbahnbetreiber Transnet beantragen, die uns für die Ausführung der Arbeiten nur sehr wenig Zeit ließen. Für die Erweiterung der Widerlager und des Mittelpfeilers waren etwa 30 Arbeitsgenehmigungen erforderlich. Das stellte eine enorm große Herausforderung dar. So mussten wir beispielsweise die 3 m tiefe Gründungssohle an nur einem Wochenende herstellen. Die Arbeiten konnten am Freitagabend beginnen und mussten am Sonntagnachmittag abgeschlossen sein. Um das zu bewerkstelligen und auch andere Zielvorgaben einzuhalten, mussten wir sowohl die Zahl unserer Maschinen und Geräte als auch unsere Personalkapazitäten verdoppeln.

Der Gründungsgraben musste abgestützt werden. Wir mussten die Bewehrung einlegen, die Schalung herstellen und den Beton einbringen, der innerhalb des uns eingeräumten Zeitfensters von 72 Stunden erhärten musste. Dann folgten der Aufbau des Gerüsts und die für das Einlegen der Stabbewehrung erforderlichen Bohrarbeiten im bestehenden Bauwerk. Alle diese Arbeiten wurden mit
Arbeitsgenehmigungen durchgeführt, deren Erteilung etwa 28 Tage dauerte. Wenn wir also beispielsweise aufgrund eines starken Gewitters oder eines anderen Ereignisses in Verzug geraten wären, hätten wir einen neuen Antrag stellen und weitere 28 Tage warten müssen, bevor wir die Arbeiten wieder aufnehmen konnten.

Glücklicherweise hat Empa ein großartiges Team und wir konnten die Herausforderung bewältigen, indem wir an vielen Fronten gleichzeitig gearbeitet haben. Wir haben auf der Brückenseite mit der Arbeit begonnen, auf der keine Arbeitsgenehmigungen erforderlich waren. Das war eine sehr wertvolle Lernkurve, die uns in die Lage versetzt hat, genaue Arbeitspläne für die ‚unter Spannung stehende‘ Seite zu erstellen. Wir haben Zeitstudien durchgeführt und unsere Ziele bei allen Baustellenarbeiten sogar tatsächlich übertroffen. Während eines Arbeitsfensters gab es einen schweren Sturm mit 90 mm Regen an nur einem Tag. Wir mussten unsere Gerüste provisorisch überdachen, damit unsere Leute weiterarbeiten konnten“, sagt Dos Reis.

Nach dem Ablegen der Fertigteilträger auf den Auflagern wurden sie mit Richtstützen in Position gehalten, bis sie fest mit der über die Bahnlinie führenden Brücke verbunden waren. Dazu wurden Löcher in die bestehende Brücke gebohrt, in die Stabbewehrung eingelegt und anschließend mit der freiliegenden Stabbewehrung des neuen Trägers verbunden wurde. Nach dem Erhärten des in die Stabbewehrung eingebrachten Betons wurden die Richtstützen wieder entfernt. Im Anschluss daran wurden die alten Geländer abgebaut und es wurden neue erhöhte Gehwege aus Fertigbeton von Martin and East hergestellt.

Dos Reis schloss mit der Feststellung, dass die erfolgreiche Durchführung aller Arbeiten trotz der Herausforderung, die das Vorhaben darstellte, vor allem der hervorragenden Zusammenarbeit aller beteiligten Fachleute zu verdanken war.