Binnenhafenbrücke (U-Bahn)

Das hier vorgestellte Brückenbauwerk A(20) – Stahlviadukt Binnenhafen liegt in exponierter Lage am nördlichen Hafenrand der Hansestadt Hamburg vor historischer Kulisse der Hamburger Speicherstadt und in Sichtweite der zurzeit noch im Bau befindlichen neuen Elbphilharmonie.Das Bauwerk überführt die zweigleisige U-Bahn-Linie U3 der Hamburger Hochbahn AG über den Binnenhafen. Der Binnenhafen bildet das Mündungsgewässer des durch die Innenstadt Hamburgs verlaufenden Alsterflusses in die Elbe.

Der zweigleisige Viaduktzug überspannt den Binnenhafen und verläuft dabei in Insellage zwischen den Richtungsfahrbahnen der ebenfalls über den Binnenhafen verlaufenden mehrspurigen Straßen Vorsetzen und Baumwall. Mit dem Verlauf der Straße Vorsetzen biegt die Hochbahntrasse mit einem Radius von ca. 125 m über dem Binnenhafen in den Rödingsmarkt ein und übt dabei eine Richtungsänderung von ca. 34,8 gon aus.

Anlass und Notwendigkeit der Baumaßnahme

Das vorhandene, stählerne U-Bahn-Bauwerk A(20) wurde 1912 als äußerst fi ligrane Fachwerkbrücke bestehend aus drei einfeldrigen Fachwerküberbauten mit Stützweiten von 37,40 m – 38,18 m – 38,18 m mit offener Fahrbahn erstellt. Die leichte Bauweise des Bauwerkes verbunden mit einem hohen Anstieg der Lastwechselzahlen aus der dichten Zugfolge des U-Bahn-Betriebes führten zu einer starken Beanspruchung der Konstruktion hinsichtlich der Dauerfestigkeit. So wurden immer wieder Verstärkungsmaßnahmen – insbesondere an der Fahrbahn des Bauwerks – erforderlich, die ihren Schwerpunkt in einer im Jahre 1986 auf ca. 25 Jahre ausgelegten Grundinstandsetzung fanden, mit dem Ziel, das Bauwerk im Jahre 2010 zu erneuern.

Über die Problematik der Restnutzungsdauer hinaus dokumentierten Prüfbefunde schwere konstruktive Mängel und Schäden an der filigranen Konstruktion, die eine Einschränkung der Gebrauchstauglichkeit in naher Zukunft erwarten ließen.

Beschreibung des Bauwerkes

Der eigentliche Brückensprung über den Binnenhafen wurde als 5-feldrige stählerne Deckbrücke mit Einzelstützweiten von 24,80 m – 44,50 m – 44,50 m – 23,40 m – 12,60 m, die sich zu einer Gesamtlänge von ca. 149,80 m ergeben, ausgeführt. Die für das Bauwerk vorgesehene Deckbrücke wurde in den Vorlandbereichen mit zwei Hauptträgern als Hohlkästen ausgeführt.

Durch die Ausführung in Stahlbauweise ist es möglich, die notwendigen Vouten im Bereich der Pfeiler beidseitig des Hafenbeckens sowie über dem Wasserpfeiler als äußerst fi ligrane Fachwerkkonstruktion auszubilden, die eine größtmögliche Transparenz in der Ansicht des Bauwerkes erlaubt. Die Ausfachung besteht aus diagonalen Streben mit Doppel-T-Querschnitten. In der Bauwerksansicht sind die Untergurte des Fachwerks als Bogen ausgeführt, die sich in den Feldmitten jeweils mit den Obergurten wieder zu einem Vollwand-Querschnitt vereinigen. Die Bogenform verdeutlicht den Sprung über den Binnenhafen und akzentuiert den Mündungsbereich der Alster in die Elbe.

In den Vorlandbereichen beträgt die Bauhöhe der Hauptträger ca. 1,1 m, in den Bogenscheiteln über dem Hafenbecken ca. 1,6 m, wodurch – insbesondere für eine Eisenbahnbrücke - eine sehr große relative Schlankheit von 35 realisiert wird. In den Stützbereichen der Achsen 50 bis 70 beträgt die Bauhöhe des Fachwerks ca. 4,2 m. Der Hauptträgerabstand beläuft sich einheitlich auf ca. 4,0 m. Aus der gekrümmten Trassierung im Grundriss resultieren im Tragwerk Fliehkräfte, die aber durch die in der Ebene der Auflagerdiagonalen der Pfeiler liegenden Verbände ohne merkliche Einbußen der Eleganz des Bauwerkes abgetragen werden können. Alle Hauptträgerbleche sind in dem Bereich der Linkskurve der Trasse räumlich gekrümmt, was sehr hohe Anforderungen an Planung und Ausführung stellte.

Die Fahrbahnplatte wurde als orthotrope Platte bestehend aus dem Fahrbahnblech, den Längsrippen aus Flachstählen sowie den Querträgern ausgeführt. Die gewählte Konstruktionshöhe der Querträger ermöglicht es, die Untergurte aus schmalen Blechstreifen herzustellen. Auf Vogelabweisbleche konnte daher an den Querträgeruntergurten verzichtet werden.

Beidseitig der Hauptträger kragen die Querträger über die Hauptträger aus. Daran sind Konsolen für die Dienstgehstege auf beiden Seiten des Überbaues angeschlossen. Die Lauffl ächen bestehen aus Gitterrosten mit einer nutzbaren Breite von 700 mm. Die darunter angeordneten Kabelwannen bestehen aus abgekanteten Lochblechen, die mit den Randträgern verschweißt werden.

Ausstattung/Unterbauten

Der Überbau wird auf Kalottenlagern gelagert. Der Festpunkt der Brücke ist auf dem Pfeiler Achse 70 angeordnet. In den übrigen Achsen wurden querfeste bzw. allseits bewegliche Lager vorgesehen. Zur Ableitung des Regenwassers erhielten die Fahrbahnplatten ein Quergefälle zur Fahrbahnmitte hin. Dort sind Entwässerungseinläufe angeordnet. Das anfallende Wasser wird in geschlossenen Entwässerungsleitungen gesammelt und über Längsleitungen abgeführt. An den Bewegungsfugen in den Achsen 40 und A sowie in der Fuge Achse 80 wurden wasserdichte Übergänge eingebaut.

Die neuen Unterbauten wurden als Stahlbetonkonstruktionen mit einer Mischgründung aus Großbohrpfählen und verpressten Mikropfählen hergestellt.

Herstellung

Für die eigentlichen Demontage- und Montagearbeiten an den Überbauten standen lediglich ca. 18 Wochen zur Verfügung, um den öffentlichen Nahverkehr an dieser Hauptschlagader des Netzes der Hamburger Hochbahn nur so kurz wie möglich einzuschränken.

Nach der Demontage der alten Überbauten wurden die Unterbauten in folgenden Schritten hergestellt:

• Herstellung der Tiefgründungen, Fundamente und Pfeiler in den Achsen 20, 70 und 80 von der Geländeoberfl äche aus nach Teilabbruch vorhandener Altbausubstanz
• Abbruch des Pfeilers Achse 60, teilweise unter Wasser, von einem Ponton aus
• Durchführung einer Grundräumung unter Einsatz von Tauchern
• Herstellung der Tiefgründung für Pfeiler Achse 60 von einem Ponton aus. Beim Einbringen der Großbohrpfähle mussten vorhandene Holzpfähle überbohrt und gezogen bzw. alte hölzerne Spundwandreste ausgebaut werden
• Einspundung des Baubereiches
• Ausheben der Baugrube mit weiterem Rückbau der vorhandenen Holzgründung, Herrichten der Pfahlköpfe und Einbau einer Unterwasserbetonsohle
• Herstellung des Pfeilers 60 in einer trockenen Baugrube

Nach Fertigstellung der Unterbauten erfolgte die Montage der neuen Überbauten. Hier konnte aufgrund der Stahlbauweise des Überbaus eine Montage mittels Autokranen und Anlieferung der acht Montageeinheiten über den Wasserweg stattfi nden.

Nach dem Ausrichten der Montageeinheiten erfolgten dann:

• Verschweißen der Montagestöße
• Prüfung der Schweißnähte
• Ergänzung des Korrosionsschutzes
• Einbau von Dienstgehwegen
• Einbau von Lagern und Fahrbahnübergängen
• Einbau von Seiten- und Unterschottermatten

Durch die relativ kurzen Endfelder im Übergang zu den anschließenden Bauwerken treten aus Eigengewicht der Stahlkonstruktion und zusätzlich aus bestimmten Laststellungen Kräfte an den Bauwerksenden Achse 40 und 80 auf, die ein Abheben der Endaufl ager zur Folge hätten.

In der Bauwerksachse 80 konnte durch ein Aufl egen des anschließenden einfeldrigen Überbaus eine ausreichende Ballastierung erfolgen. An der Achse 40, welche der westlichen Endaufl agerachse des Hauptbauwerkes entspricht, war dies nicht möglich. Hier konnte aber, ermöglicht durch die reine Stahlbauweise, eine Stützenhebung um 120 mm erfolgen.

Um die angestrebte Form des Bauwerkes im Endzustand zu erreichen, wurde dieser Montagevorgang bei der Berechnung und Fertigung der spannungslosen Werkstattform durch eine entsprechende Vorverformung der Konstruktion nach unten berücksichtigt.

Mit der Fertigstellung des Oberbaues sowie der Kabel- und signaltechnischen Anlagen wurde Mitte September begonnen, so dass der U-Bahn-Betrieb auf der Linie U3 am 02.10.2010 plangemäß in vollem Umfang wieder aufgenommen werden konnte.

Vorteile des Werkstoffes Stahl im Hinblick auf diese Maßnahme

Durch die Ausbildung des Überbaus als Stahlkonstruktion in S 235 konnten hier wesentliche Vorteile in gestalterischer, bautechnischer und wirtschaftlicher Sicht genutzt werden:

• Ästhetische und gleichzeitig dynamische Gestaltung mit nachvollziehbarem Abtrag der Kräfte
• Große Transparenz und Schlankheit
• Schnelle Montage mittels Autokran, dadurch geringe Sperrzeiten
• Vorverformung des Systems in Achse 40 dauerhaft möglich (kein Kriechen)
• Langlebige Konstruktion durch ermüdungssicheres Konstruieren
• Durch kurze Ausfallzeiten der U-Bahn geringere wirtschaftliche Verluste beim Betrieb der U-Bahn
• Nachhaltigkeit des Bauwerkes durch den Einsatz von Stahl als nahezu zu 100% recycelbarer Werkstoff sowie der Ausbildung der Hauptträger als luftdicht verschweißte Hohlkästen ohne innenliegenden Korrosionsschutz besonders hoch

Erläuterungsbericht der Ingenieurbüro Grassl GmbH zur Einreichung beim Ingenieurbau-Preis 2013