Campusbrücke Opladen

Eine neue Brückenfamilie aus wetterfestem Stahl

1 Tragwerkskonzept: Restriktion und Varianz

Brückentragwerke über Bahnanlagen müssen sehr restriktiven Randbedingungen gerecht werden. So erfordert die Überquerung elektrifizierter Gleisstrecken relativ hohe freizuhaltende Lichtraumprofile. Unten liegende Tragwerke würden das Niveau des Decks und damit die erforderlichen Anrampungslängen noch zusätzlich erhöhen. Bei dem gewählten Konzept der Trogbrücke wird die notwendige statische Höhe auch als gestalterisches Element eingesetzt. Die Geometrie der Seitenwangen wird affin zum Biegemoment ausgeführt, dabei variiert die maximale Höhe in Feldmitte entsprechend der jeweiligen Spannweite; das Tragverhalten wird ablesbar.

Die Montage der Überbauten über in Betrieb befindlichen Bahngleisen kann nur in kurzen und mit langem Vorlauf abgestimmten Streckensperrzeiten erfolgen. Tragwerkskonzepte, die eine temporäre Stützung für Zwischenzustände erfordern, erhöhen somit den Montage- und Sicherungsaufwand erheblich. Die Brückenfelder sind daher als vollständig vorgefertigte Einfeldträgersegmente konzipiert.

2 Geometrieentwicklung

Die Brückensegmente sind basierend auf vorab festgelegten gestalterisch-funktionalen und statisch-konstruktiven Aspekten mit Hilfe parametrisch gesteuerter Geometriemodelle entwickelt worden.

Aufgebaut wurden die 3D Modelle in der Software Rhino 4 von Mc Neal bzw. mithilfe des Plugins Grasshopper. Alle Elemente wurden, aufbauend auf der Brückengradiente, mit mathematischen Definitionen hinterlegt, welche durch die Systempunkte der Widerlager, die Lichtraumprofile und der maximal zulässigen Längsneigung definiert sind. Die Stützenpositionen, welche sich mittig in den schmalen Korridoren zwischen den Gleisen befinden, unterteilen die Längsachse der Brücke in Einzelfelder unterschiedlicher Länge. Aus den jeweiligen Spannweiten ist die statisch notwendige Höhe der Seitenwangen abgeleitet.

Neben der Geometrie des tragenden Trogquerschnittes wurden Formstudien zu Höhe und Neigung der Lamellen erstellt. So konnten in kürzester Zeit durch Änderung einzelnen Parameter eine Vielzahl an Modelle mit unterschiedlichen Lamellenabständen, –höhen und Neigungen, Wellenformen etc. erstellt und verglichen werden.

Die Geometriemodelle wurden über eigens programmierte Schnittstellen zur Statiksoftware (Sofistik) übergeben; wo mithilfe von FEM Flächenmodellen das Tragverhalten weiter untersucht wurde. In einem iterativen Prozess konnten somit durch die Anpassung einzelner Parameter im Geometriemodell das Tragverhalten durch die statischen Berechnungen optimiert werden.

Die Geometrieübergabe an die ausführenden Firmen erfolgte zu einem späteren Zeitpunkt; hierbei wurden die Systemgeometrie als Koordinatentabelle definiert und an die ausführenden Unternehmen übergeben. Somit bildet der parametrisch entwickelte Datensatz Grundlage der CNC-gesteuerten Fertigung.

3 Konstruktion

3.1 Überbau

Der Brückenüberbau besteht aus zwei Hauptträgern, welche durch Querrippen und Fahrbahnplatte zu einem Trogquerschnitt verbunden sind. An den Auflagern weisen die als geschweißte Z-Profile ausgeführten Hauptträger eine lotrecht gemessene Höhe von 550 mm und in Feldmitte von maximal 1200 mm auf. Der Oberflansch hat eine statische Breite von 220mm und eine Dicke von 12mm. Als Unterflansch wirkt eine 8 mm dicke Fahrbahnplatte. Ober- und Unterflansch werden mit einem 10 Grad nach außen geneigten 8 mm dicken Stegblech verbunden. Für die Bemessung des Baustoffes „wetterfester Stahl“ für den Überbau wird in den Berechnungen eine Abrostrate von 1mm umlaufend für die Querschnitte angesetzt. Die Nachweise erfolgen dann jeweils für den kritischen Netto- oder Bruttoquerschnitt. Es wird ausschließlich Flachstahl S355 J2 W +N (warm gewalzt) nach DIN EN 10025-5 verwendet.

Um ein Ausbeulen der Stegbleche zu verhindern und den Oberflansch gegen seitliches Ausweichen zu stützen sind die markant in Erscheinung tretende Versteifungsrippen in regelmäßigem Abstand vorgesehen, welche zudem unter der Brücke durchlaufen und die Querrippen der orthotropen Fahrbahnplatte bilden. Die Dicke des Bleches beträgt 10 mm. Der für die einzelnen Brückenfelder variierende Abstand der Querrippen beträgt maximal 620 mm. An den Auflagern und Brückenübergängen werden die Querrippen mit einem horizontal eingefügten Blech zu einem Hohlprofil verbunden, um die höheren Beanspruchungen als Endquerträger aufzunehmen und in das Auflagerpaar abzugeben.

3.2 Unterbau

Die Lagerung des Überbaus erfolgt durch Elastomerlager auf den Brückenpfeilern und Widerlagerwänden. Als Mittelstützung des Überbaus dienen Stahlbeton- Wandscheiben mit Abmessungen von 4,00m x 1,20m. Die Abmessungen ergeben sich aus den beengten Verhältnissen im Gleisbereich und den daraus resultierenden zu berücksichtigenden hohen Zuganprallkräften für Hochgeschwindigkeitszüge. Die Pfeiler werden jeweils rechtwinklig zu den Hauptträgern ausgerichtet und sind auf Bohrpfählen gegründet.

4. Brückenzugänge

4.1 Stadtbalkon Bahnhofsbrücke

Die nördliche Brücke wird im Bereich des Opladener Bahnhofgebäudes scheinbar orthogonal „abgeschnitten“. Die Brücke endet auf einer Höhe von rund sieben Metern über dem Niveau der darunterliegenden Straße. Dieses auffällige Ende – eine offensichtlich unvollendete Verbindung - wird zum Symbol des begonnenen Wandels der Stadt.

Im jetzigen Zustand entsteht ein „Stadtbalkon“ der einlädt, dem Treiben rund um den Opladener Bahnhof und der Innenstadt zuzuschauen. Nach dem Rückbau der jetzigen Gütergleise soll direkt an die Brücke ein öffentliches Gebäude anschließen, welches die Funktion der Vertikalverbindung übernimmt. Bis dahin schließt eine Rampenkonstruktion sowie ein Treppenturm mit Aufzug an die Brücke seitlich an. Im Turm wendelt sich eine stählerne Treppenkonstruktion um einen Aufzugskern aus Stahlbeton. Gevoutete Rechteckhohlprofile kragen vom Stahlbetonkern nach außen und tragen die spiralförmig verlaufenden Treppenholme und den Gehbelag.

Vom innen wird der Treppenraum effektvoll beleuchtet und damit die funktional benötigte Helligkeit gewährleistet, gleichzeitig erscheint das vertikale Erschließungsbauwerk bei Dunkelheit als markanter Auftakt der Querung.

4.2 Rampenbauwerk Campusbrücke Ost

Die für die Rampe zur Verfügung stehende Fläche liegt in direkter Verlängerung der lokalen Parkanlage "Grünes Kreuz", daher war die Umsetzung der Auffahrt als Aufenthalsqualitäten bietendes Landschaftsbauwerk naheliegend. Es wurde eine stufenartig angeordnete, nach Osten hin sanft abfallende Grünfläche aufgeschüttet, die in drei Richtungen von Gabionen bzw. Stützmauern gefasst wird.

4.3 Temporärer Brückenzugang Campusbrücke West

Am westlichen Ende der Campusbrücke sind weitere Zwischenzustände zu berücksichtigen. Nach der Gütergleisverlegung wird lediglich die geplante Bahnallee, eine in Nord-Süd Richtung verlaufende Straße mit einem niedrigen Lichtraumprofil zu queren sein. Im heutigen Zustand müssen jedoch die westlich des Widerlagers verlaufenden Gütergleise mit gut sieben Meter hohem Lichtraumprofil überquert werden. Gelöst wurde das Problem durch einen technischen Kniff in der Gestaltung der Brücke. Das westliche Widerlager bildet ein Plateau auf zirka fünf Metern über Straßenniveau, also der Höhe im Endzustand nach Verlegung der Güterstrecke. Das westlichste Brückenfeld soll im Endzustand mit 6% Gefälle zu diesem Widerlager abfallen. Im Interimszustand wird dieses Feld allerdings um 180 Grad gedreht eingebaut, das Gefälle wird damit zum Anstieg, und die Westschwelle des Feldes endet auf einer temporären Plattform 6,50m über dem Widerlagerplateau. Von dort führt eine kurze Rampe und ein temporäres Brückenfeld über die bereits genannten Gütergleise und endet in einer ebenfalls temporären Spiralrampe aus Baugerüsten, die auf einem Parkplatz errichtet wurde.

Erläuterungsbericht von Knippers Helbig zur Einreichung beim Ulrich Finsterwalder Ingenieurbaupreis 2015