Birskopfsteg

Am 5. März 2012 ist in Basel, an der Mündung der Birs in den Rhein, der neue Birskopfsteg eröffnet worden. Die Fussgängerbrücke beeindruckt durch ihre äusserst schlanke Konstruktion. Um problematische Schwingungen, die bei dieser Bauweise auftreten können, zu verhindern, haben ZPF Ingenieure das statische Sytem optimiert, bis die Eigenfrequenzen unkritisch wurden.

Konzept

Lage

Die neue Fussgängerbrücke liegt unmittelbar an der Mündung der Birs, zwischen der Grünanlage «Birskopf» auf der Basler Seite und dem sogenannten «Birsfelder Rheinpark». Das Gebiet in welchem sich die Brücke befindet ist ein Naherholungsort der Stadt Basel und ist im Sommer stark besucht.

In einem sanften Bogen führt der schlanke Steg über den Fluss. Um die beiden Ufer mit einer möglichst klaren und dünnen Linie zu verbinden, musste die Tragkonstruktion unter der Belagsfläche angeordnet sein. Aufgrund der zulässigen Brückensteigung und der Höchstwasserkote, die sich fast auf Terrainhöhe befindet, schlossen die Ingenieure eine Druckbogenkonstruktion und eine Spannbandbrücke aus. Aus der Differenz zwischen der Höchstwasserkote und den bestehenden Wegen ergab sich eine zulässige Konstruktionshöhe von lediglich etwa 70 cm. Zudem strebte das Planerteam an, das Hauptfundament unter dem ursprünglichen Pylon weiterhin zu nutzen, um die Kosten zu reduzieren (TU Wettbewerb). Deshalb durfte die neue Brücke nicht schwerer werden als ihre Vorgängerin, obwohl die nutzbare Fahrbahnbreite von 4,5 m jetzt beinahe doppelt so viel misst wie die 2,7 m bei der alten Brücke. Als statisches System wählte das Planerteam einen Zweifeldträger mit Spannweiten von 50,5 m und 25,0 m.

Konstruktion: Geschlossener Stahlkastenträger

Die 75,5 m lange Brücke hat eine Konstruktionshöhe von lediglich 68 cm, sodass die Spannweite dem 72-fachen der Konstruktionshöhe entspricht. Möglich wurde diese Schlankheit durch die leichte und gleichzeitig steife orthotrope Brückenplatte aus Stahl – eine Konstruktion mit richtungsabhängigen Elastizitätseigenschaften, die man sich als Kassettenstruktur vorstellen kann, deren rechteckige Kammern oben und unten mit einer Stahlplatte verbunden sind.

Der Brückenquerschnitt besteht aus einem polygonalen Stahlkastentragwerk von 4.90 m Breite und 0.68 m Höhe. Der Kasten ist luftdicht verschlossen, was zwei Vorteile hat: Er muss nicht für Unterhaltsarbeiten zugänglich sein und kann daher sehr schlank gebaut werden; zudem ist die Ausführung kostengünstig, da auf den Korrosionsschutz einer Fläche von 980m² auf der Innenseite des Kastens verzichtet werden konnte (Kosteneinsparung). Um die hohen Anforderungen an die Schweissarbeiten zu erfüllen, wurden die Brückenelemente im Werk vorfabriziert.

Extreme Schlankheit und Schwingungen

Bereits während der Entwurfsphase war es das Ziel, die Eigenfrequenzen der Brücke aus dem kritischen Bereich zu verschieben, indem einerseits die Spannweiten beziehungsweise die Steifigkeiten der Brückenabschnitte variiert wurden.

Die kurze Spannweite wurde schliesslich mit 25 m so gewählt, dass die erste Eigenfrequenz weniger als 1 Hz beträgt – also ausserhalb des kritischen Bereichs von 1 bis 4 Hz liegt, der durch Personen angeregt werden kann. Die zweite Eigenfrequenz ist jedoch mit 2.87 Hz kritisch. Die Schwingungen werden mittels Dämpfern eingeschränkt. Die Schwingungsdämpfer (Tilger) befinden sich in den Viertelspunkten der grösseren Spannweite.

Fundament

Da die neue Brücke wesentlich breiter ist als die alte, mussten die beiden Widerlager neu erstellt werden. Sie bestehen je aus einem Stahlbetonriegel, der auf sechs Mikropfählen fundiert ist. Dafür mussten keine neuen Fundamentgruben ausgehoben werden. Das Lager auf Seite Basel ist fest und dasjenige auf der Seite Birsfelden beweglich ausgebildet. In Querrichtung ist die Brücke durch diese Lager gehalten.

Die sich nach unten verjüngende Mittelstütze aus 10 cm starkem Vollstahl ist auf dem bestehenden Pylonfundament abgestellt (Abb. D). Sie steht senkrecht zur geneigten Brückenuntersicht und ist monolithisch mit der Brückenplatte verbunden. Ein Lager zwischen der Brückenplatte und der Stütze ist nicht erforderlich, weil die Stütze so weich ausgebildet ist, dass sie Bewegungen der Brückenplatte durch elastische Verformung aufnehmen kann. Die neuen ständigen Lasten sind kleiner als die bisherigen, sodass während des Baus nur minimale Setzungen auftraten.

Der Ansatz, eine Tragkonstruktion zu realisieren, die wegen ihres optimierten statischen Systems nur eine geringe kritische Eigenfrequenzen aufweist und deshalb mit möglichst wenig Schwingungstilgern funktioniert, ermöglichte diese äusserst schlanke und dennoch effiziente Tragstruktur.

Erläuterungsbericht der ZPF Ingenieure AG zur Einreichung beim Ulrich Finsterwalder Ingenieurbaupreis 2015