Grubentalbrücke

Ausgangssituation für die Planung

Die Grubentalbrücke gehört zu den besonderen Eisenbahnbrücken der neuen Hochgeschwindigkeitsstrecke Nürnberg- Erfurt–Halle–Leipzig–Berlin (Verkehrsprojekts der Deutschen Einheit 8 - VDE 8), die in einer neuen Bauart, in integraler bzw. semiintegraler Bauweise errichtet wurden. Mit der Grubentalbrücke wurde abermals das Bestreben der Deutschen Bahn AG zum Ausdruck gebracht, durch die Errichtung neuartiger Brückenbauwerke technologischen Fortschritt und Innovation, mit gleichzeitig verstärktem Augenmerk auf die Gestaltung dieser Bauwerke, umzusetzen. Die als Bogenbrücke geplante Grubentalbrücke liegt im Streckenabschnitt 8.1 und überquert inmitten des Thüringer Waldes im Anschluss an den 1,1 Kilometer langen Goldbergtunnel, etwa fünf Kilometer westlich der Gemeinde Goldisthal das tief eingeschnittene Grubental in einer Höhe von ca. 35 Meter über dem Talboden mit einer Gesamtlänge von 215 Meter. Vom Amtsentwurf abweichend, der eine nach der DB-Rahmenplanung Talbrücken geplante Bogenbrücke mit aufgelagertem Überbau vorsah, wurde die Grubentalbrücke als Sondervorschlag als ein semiintegrales Brückenbauwerk mit monolithischer Verbindung von Pfeilern bzw. Bogen und dem Überbau geplant und ausgeführt.

Gestaltung und Tragwerkskonzept

Der Entwurf des Sondervorschlages war stark motiviert von der Absicht, durch die Ausführung der Grubentalbrücke als semi-integrale Betonbrücke, eine robuste, dauerhafte und wartungsarme, moderne Eisenbahnbrücke zu erschaffen. Bei der Erarbeitung des Entwurfs wurde außerdem angestrebt, im Rahmen der u.a. durch den planfestgestellten Amtsentwurf abgesteckten Randbedingungen, mit der integrale Bauweise in Form einer monolithischen Verbindung von Unterbauten und Überbau und einem zwischen den Widerlagern fugenlosen Überbau, ein filigraneres Bauwerk mit verbesserter Durchsicht in Talrichtung zu realisieren. Das semiintegrale Brückentragwerk des Ausführungsentwurfs ist durch den sprengwerkartigen, über 90 Meter weit gespannten Zweigelenkbogen mit ausgeprägtem Scheitelbereich gekennzeichnet. Dieser führt zu annähernd gleichen, durchlaufenden Überbauspannweiten und ermöglicht den Wegfall der Bogenständer. Der biegesteif mit dem Überbau verbundene, massive Bogen stellt in konstruktiver Hinsicht eine ideale Lösung zur Aufnahme der hohen Längskräfte dar, da diese - ohne den Umweg über mechanische, alternde und verschleißanfällige Bauteile - auf direktestem Wege in den Baugrund abgetragen werden können. Der Bogen als weitestgehend unverschieblicher Festpunkt in Brückenmitte und die lagerlose Bauweise erlauben, insbesondere bei Größen- bzw. Maßstabsverhältnissen wie denen der Grubentalbrücke, die Ausführung von sehr schlanken, einfach herzustellenden Pfeiler- und Bogenquerschnitten ohne Zugänglichkeitserfordernis. Insbesondere durch den Verzicht der massiven Trennpfeiler auf den Kämpfern des Amtsentwurfs, konnte mit den sehr viel schlankeren Pfeilern dem Bogen, als wesentlichem Element der Brücke, visuell deutlich mehr Ausdruckskraft zugewiesen werden.

Den fugenlosen Überbau bildet ein vorgespannter, zweistegiger Plattenbalken mit einer konstanten Bauhöhe von 2,40 Meter, sowie mit Stegvouten zu den Pfeilerscheiben bzw. zum Bogenscheitel hin. Der Plattenbalkenquerschnitt stellt bei den vorgesehenen Spannweitenverhältnissen aufgrund der nicht erforderlichen Innenschalung eines Hohlkastens eine sehr wirtschaftliche Bauweise dar. Die Spannweiten des Überbaus sind gleichbleibend 25 Meter und 24 Meter in den Endfeldern und entsprechen den Seitenfeld-Spannweiten des Amtsentwurfs. Der sprengwerkartige Bogen besteht aus beidseitig je zwei massiven Bogenbeinen mit einer Dicke von ca. 1,70 Meter an den Kämpfern, die sich kurz unterhalb des Scheitels bei einer Dicke von ca. 3,30 Meter vereinen und mit dem als Vollquerschnitt ausgeführten Bogenscheitel monolithisch verbunden werden. Die Trennpfeiler und Aufständerungen auf dem Bogen des Amtsentwurfs erforderten u.a. auch eine höhere Torsionssteifigkeit des Bogens zur Vermeidung von abhebenden Lagerkräften an den Trennpfeilern bei eingleisigem Verkehr.

Durch die Torsions-Einspannung des zweistegigen Plattenbalkens in die Pfeilerscheiben der Kämpferpfeiler und den Verzicht auf die Aufständerungen auf den Bogenbeinen des Amtsentwurfs, konnten die Bogenbeine des Sondervorschlags deutlich schlanker und in wirtschaftlicher Massivbauweise realisiert werden. Darüber hinaus konnte durch den Wegfall der Aufständerungen auf den Bogenbeinen eine annähernd gerade verlaufende Stützlinie ‚eingestellt‘ werden, was zusätzlich erlaubte, die Bogenbeine in Querrichtung aufzulösen und leicht zu spreizen. Die massiven Pfeilerscheiben haben an der Unterkante des Überbaus eine einheitliche Breite von 5,90 Meter und verbreitern sich in Querrichtung mit einem Anzug von 1:70 nach unten bis auf eine Breite von ca. 6.40 Meter (Kämpferpfeiler). Der integralen Bauweise Rechnung tragend, wurden die Pfeiler mit unterschiedlichen Dicken zwischen 60 cm (Achse 120) bis 90 Zentimeter (Kämpferpfeiler) ausgeführt, um für eine entsprechende Nachgiebigkeit für Zwangsbeanspruchungen z.B. infolge konstanter Temperatureinwirkungen zu sorgen.

Die Widerlager wurden gegenüber der Rahmenplanung reduziert und als Kastenwiderlager mit vorgesetzter, begehbarer Auflagerbank ausgeführt. An den Widerlagern ist der sonst fugenlose Überbau unter den End-Querträgern gelenkig und in Längsrichtung verschieblich gelagert, wobei Maurer Kalotten-Gleitlager mit sehr hoher Lebensdauer aufgrund der Gleitpaarung MSM-MSA vorgesehen wurden. Alle Unterbauten wurden in gewachsenem Fels (gering geklüfteter Tonschiefer) flach gegründet, womit gute Bedingungen für eine integrale Bauweise gegeben waren.

Besonderheiten bei der Planung

Die semiintegrale Bauweise bringt eine Reihe von Besonderheiten bei der Planung und Genehmigung mit sich. Vorrangig zu nennen sind die Berücksichtigung der Interaktion mit dem Baugrund, die Ausführung der monolithischen Knotenbereiche, die Schienenspannungsberechnung, die dynamische Berechnung sowie die Nachweise gegen Ermüdung der monolithisch angeschlossenen Pfeiler. Für die Diskontinuitätsbereiche der Knoten Pfeilerkopf-Überbau bzw. der Anschlüsse der Bogenbeine wurden umfangreich räumliche Fachwerkmodelle für die Bemessung ausgearbeitet. Zur Sicherstellung, dass Resonanzphänomene ausgeschlossen werden können wurde eine dynamische Berechnung im Geschwindigkeitsbereich 160 km/h bis 360 km/h (GZT) in 5 km/h-Schritten durchgeführt. Die Umsetzung der neuen Bauweise erforderte mehrere unternehmensinterne Genehmigungen (UiG) der DB AG, sowie eine Zustimmung im Einzelfall (ZiE) des Eisenbahnbundesamtes (EBA) für die gesamte Brücke. Basierend auf einer detaillierten Planung wurden sämtliche Nachweise regelkonform erfüllt und die entsprechenden Zustimmungen erteilt.

Bauverfahren

Die Brücke wurde mit konventionellen, bewährten Bauverfahren hergestellt. Die Pfeilerscheiben konnten trotz höherer Bewehrungsgehalte einfach mit Kletterschalungen betoniert werden. Die Herstellung des Überbaus erfolgte feldweise auf stationären Tragerüsten. Der Überbau wurde jeweils von den Widerlagern zum Bogen hin feldweise betoniert. Die unmittelbar an den Bogenscheitel anschließenden Überbaufelder wurden simultan betoniert, da die Traggerüste bzw. Schalung bogen-seitig auf den Bogenbeinen aufgelagert wurden und somit ungünstige Beanspruchungen der Bogenbeine (einseitige Betonierlast) vermieden wurden. Besondere Aufmerksamkeit verdient die Betonage der Bogenbeine, die bei einer Steigung von annähernd 60° ohne Deckelschalung betoniert wurden. Hierbei konnten Erfahrungen der Baufirma Züblin von der Seidewitztalbrücke hinsichtlich Betonrezeptur und Betonierverfahren erfolgreich genutzt werden.

Eine weitere Besonderheit im Zuge der Herstellung war das Zurückziehen des Überbaus, unmittelbar vor der Betonage der Schlußfelder an den Bogen. Durch das Zurückziehen der Überbauten vor dem Lückenschluss wurden Biegemomente in den monolithisch angeschlossenen Pfeilerköpfen und Pfeilerfüssen eingeprägt, die bei den kritischen äußeren Pfeilern zu den Zeitpunkten t=0 und t=∞ betragsmäßig gleich groß sind, jedoch mit unterschiedlichem Vorzeichen. Auf diese Weise konnten die Bemessungs- Biegemomente in den Knoten Pfeilerkopf-Überbau bzw. an den Pfeilerfüssen auf die Hälfte der Werte ohne Zurückziehen reduziert werden.

Innovation

Für die DB AG bedeutet der Bau integraler Brücken im Hochgeschwindigkeitsverkehr eine grundsätzliche Abkehr von den überkommenen Entwurfsgrundsätzen für Talbrücken aus der DB-Rahmenplanung. Gleichzeitig knüpft die DB AG mit der Grubentalbrücke an die große Tradition der historischen fugen- und lagerlosen Eisenbahnviadukte an und setzt mit der semi-integralen Bauweise moderne, innovative Entwurfs und Bemessungskonzepte im Brückenbau um. Die Grubentalbrücke gehört damit zu der Reihe der Pilotprojekte für integrale bzw. semi-integrale Bauwerke der DB AG, die fertiggestellt oder sich noch in der Ausführung befinden (z.B. Unstruttalbrücke, Gänsebachtalbrücke, Scherkondetalbrücke und Aurachtalbrücke).

Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit

Die Überbauten und Pfeiler der Grubentalbrücke wurden ausschließlich als Vollquerschnitte entworfen. Damit verbunden ist eine sehr einfache und effektive Herstellung dieser Tragwerksteile. Aufgrund der verbesserten Einspannverhältnisse für die monolithisch angeschlossenen Pfeiler (ca. 50 % Biegemoment eines frei auskragenden Pfeilers) konnte die Ausführung der Flachgründungen optimiert werden. Das Bauwerk ist aufgrund der Vollquerschnitte äußerst robust und nahezu wartungsfrei. Diese Robustheit in Verbindung mit der minimierten Anzahl von Lagern und Fugen lässt geringere Unterhaltskosten für diesen Bauwerkstyp erwarten. Nachhaltig ist das Bauwerk, da aufgrund der Robustheit von einer deutlich längeren Lebensdauer als bei konventionellen Bauwerken ausgegangen wird.

Die Brücke ist fertiggestellt. Es erfolgt noch der Einbau der Festen Fahrbahn, planmäßig ca. 3 Jahre nach Fertigstellung des Überbaus, um einen großen Teil der Kriech- und Schwindverformungen abklingen zu lassen.

Erläuterungsbericht der DB ProjektBau GmbH zur Einreichung beim Ulrich Finsterwalder Ingenieurbaupreis 2015