Osthafenbrücke

Aufgabenstellung

Mit der Osthafenbrücke baut die Stadt Frankfurt nach fast 20 Jahren eine neue Querung über Ihre Lebensader, den Main. Das Bauwerk befindet sich im Kontext eines Stadtentwicklungsprogramms, in dem die ehemaligen Industrie- und Hafenanlagen im Frankfurter Ostend neu erschlossen und für zeitgemäße Nutzung vorbereitet werden. Die neue Brückenverbindung stellt hierbei ein wichtiges stadträumliches Bindeglied für die zukünftige Verkehrsführung dar. Mit dem neuen Generalverkehrsplan und der Ansiedlung der Europäischen Zentralbank im Frankfurter Ostend auf dem Gelände der ehemaligen Großmarkthalle lobte die Stadt Frankfurt im Sommer 2006 einen interdisziplinären Realisierungswettbewerb für die “Neue Mainbrücke Ost und das Rampenbauwerk Honsellbrücke“ aus.

Die Brücke sollte einer Torsituation gerecht werden, da es sich, von Osten kommend, um die erste innerstädtische Brücke handelt. Weitere wichtige Anforderungen bezüglich lichten Abmessungen und Blendungsfreiheit wurden durch die stark genutzte Schifffahrtsstraße definiert. Außerdem sollte eine dauerhafte, nachhaltige und städtebaulich eingepasste Konstruktion gefunden werden, die auch für den intensiven Geh- und Radverkehr Lösungen anbietet. Ergänzt wurde der Brückenneubau durch den Umbau der Hochstraße über die Kohlenlagerplätze zu einer Rampe.

Beschreibung der Konstruktion

Der Brückenentwurf im interdisziplinären Realisierungswettbewerb wurde durch die Einpassung des Bauwerks in die vorhandene Umgebung geprägt. Zum einen wurden die historischen Bogenkonstruktionen der Honsellbrücke über der Hafeneinfahrt und deren Vorland-Hochstraße mit Betongewölben, der benachbarten Deutschherren-Eisenbahnbrücke und nicht zuletzt des Schalendaches der Elsässer-Großmarkthalle modern interpretiert und technisch weiterentwickelt. Zum anderen wurde erheblicher Wert auf die Gestaltung der Freiräume und Wegeverbindungen insbesondere im Bereich der südlichen, parkähnlichen Mainpromenade als attraktive Verbindung der Mainufer gelegt. Eine zentrale Rolle spielte auch die Erlebbarkeit der neu erschlossenen Aufenthaltsbereiche auf dem Molenkopf sowie in und um die Hochstraßen-Gewölbe am nördlichen Mainufer. Ein ganz wesentlicher Aspekt hierbei war beispielsweise die Inkaufnahme einer um etwa 20 m größeren Stützweite der Brücke zugunsten einer pfeilerlosen und damit blickfreien Mainpromenade.

Das Haupttragwerk der Osthafenbrücke wurde nach intensivem Variantenstudium als Langer’scher Balken ausgebildet, jedoch nicht mit den bei diesen Bauwerken üblichen senkrechten, parallelen Hängern, sondern mit schrägen, einfach gekreuzten Hängern aus Seilen mit beidseitigen Gabelköpfen. Der Stabbogen mit solchen gekreuzten Diagonalen vereint die wesentlichen Vorzüge eines Stützlinientragwerks mit denjenigen eines Fachwerks, wodurch es möglich wird, den Versteifungsträger sehr viel schlanker auszubilden. Außerdem wurden durch die Vielzahl relativ dünner Seile – insbesondere für Passanten – optisch prägnante Seilebenen geschaffen, die die Erlebbarkeit des oben liegenden Tragwerks weiter intensivieren. Es wurden vollverschlossene Seile mit beidseitig angeformten Gabelköpfen verwendet, die die Kräfte im Tragwerk sichtbarer gestalten als gängige Schweißverbindungen. Die leicht nach innen geneigten und mit lediglich drei architektonisch gestalteten Spangen querversteiften Hohlkästen der Bögen sowie die Versteifungsträger, Querträger und die beidseits außerhalb der Seilebenen angehängten Geh- und Radwege mit orthotropen Fahrbahnplatten wurden aus Baustahl S 355 J2 +N bzw. S 355 K2 +N geplant. Für die Stahlkonstruktion wurden ausnahmslos Hohlkästen verwendet - was gestalterischen Gesichtspunkten, aber auch der innerstädtischen Taubenproblematik geschuldet war. Durch die Untergliederung der Versteifungsträger in jeweils 2 Teilquerschnitte entstehen zwischen Fahrbahn und Geh- und Radwegen ca. 1,40 m breite Luftspalte unter den Seilebenen, die den Eindruck der Leichtigkeit der Brücke noch verstärken und eine wesentliche gestalterische Qualität darstellen.

Die dreispurige Fahrbahn wurde als Verbundplatte ausgebildet; zum einen um durch ihr Gewicht die erforderliche Zugspannung in den Seilen auch bei asymmetrischen Lasten zu gewährleisten, zum anderen um die wirtschaftlichen Vorteile gegenüber der sehr aufwändig herzustellenden orthotropen Fahrbahnplatte zu erzielen. Zu guter Letzt wird für den Einschwimmvorgang das zu bewegende Gesamtgewicht reduziert, da die Platte erst in Endlage betoniert wird und nicht als orthotrope Platte mit eingeschwommen werden muss.

Die Stützweite des Bauwerks beträgt 175 m, das Baustahlgewicht beläuft sich auf ca. 2.300 t, und insgesamt werden 96 Seilhänger eingesetzt. Die Breite zwischen den äußeren Geländern beträgt 23,85 m, die auf beiden Brückenseiten je 4,10 m breite Geh- und Radwege enthalten.

Für die Gestaltung der Tagansicht der Brücke wurde als Farbe Anthrazit zur kontrastreichen Betonung der Tragkonstruktion gewählt. Bei Nacht hingegen sollten als wesentliche Konzeptelemente hell beleuchtete, filigrane Seilscharen und ein dünnes Lichtband auf Höhe des Brückendecks sichtbar sein und die sonst dominierenden Stahlbögen weitgehend im Dunkel verschwinden.

Wahl der Baustoffe

Als Hauptbaustoff des Überbaus wurde Stahl der Güte S 355 J2 +N bzw. S 355 K2 +N verwendet. Die Seile wurden aus S 1770/1550 als vollverschlossener Seilquerschnitt mit Gabelköpfen aus Stahlguss ausgebildet. Der Verbundbau stellt eine sehr nachhaltige Konstruktion dar, da gute Verstärkungs- und Erweiterungsmöglichkeiten, sowie vollständige Recyclingfähigkeit gegeben ist. Der CO2-Ausstoß des Stahltransports vom Stahlwerk bis zu Baustelle wurde als Wertungskriterium in die Vergabe aufgenommen. Als ökologisch positives Ergebnis erfolgte der Stahltransport per Bahn und Binnenschiff. Die massiven Unterbauten wurden mit Sandsteinen entsprechend der meisten anderen Frankfurter Brücken verkleidet.

Besondere Ingenieurleistung

Die Bauart einer Stabbogenbrücke mit vollverschlossenen Seilhängern mit Gabelköpfen ist in Deutschland bei Straßenbrücken bisher nicht geregelt und bedurfte daher einer Zustimmung im Einzelfall. Zudem befand sich die Normung der vollverschlossenen Seile zum Zeitpunkt der Planung auf einem von der technischen Entwicklung überholten Stand. Infolgedessen wurden die Seile im Entwurf besonders intensiv bearbeitet. Neben dynamischen Untersuchungen der Seile wurde durch Seilversuche die bessere Kerbgruppe 150 gegenüber der konservativen Abschätzung der Kerbgruppe 112 im DIN-Fachbericht 103 nachgewiesen. Hierdurch konnten für den Nachweis der Ermüdung Seildurchmesser unter 70 mm gewählt werden, wodurch keine Nachweise zu den Regen-Wind-induzierten Querschwingungen erforderlich wurden. Zum Einsatz kamen vollverschlossene Seile aus S 1570/1770 mit Durchmesser 62 mm. Zur Verbesserung des Schwingungsverhaltens und zur Vermeidung von Beschädigungen des Korrosionsschutzes durch gegenseitiges Berühren der Seile aus theoretischen, asymetrischen Lastfällen, wurden Verbindungskonstruktionen an den Seil-Kreuzungspunkten entwickelt.

Für die Gabelköpfe war als Material kaltzäher Stahlguss nach Stahl-Eisen-Werkstoffblatt SEW 685 gemäß den technischen Lieferbedingungen für vollverschlossene Brückenseile einzusetzen. Es gibt jedoch keinen namhaften Seillieferanten, der die Gabelköpfe nach diesem Werkstoffblatt herstellen lässt. In Abstimmung mit der Bundesanstalt für Straßenwesen konnte für die Vergussgabeln das Material GS 18NiCrMo3-6 nach Stahl- Eisen-Werkstoffblatt SEW 520 eingesetzt werden. Dieses Material erfüllt ebenso die erforderlichen Kerbschlagwerte und hat mittlerweile Eingang in die Normung gefunden.

Der Korrosionsschutz der Seile wurde zunächst nach RKS-Seile, Ausgabe 1983 vorgesehen. Nach Gesprächen mit der Bundesanstalt für Straßenwesen wurden der Planung der Mainbrücke Ost die Entwürfe der ZTVING Teil 4, Abschnitt 5 „Korrosionsschutz von Brückenseilen“ und der TL/TP-KOR-VSS zugrunde gelegt und damit dem Stand der Technik angepasst. Gleiches erfolgte für die Ausführung der Seile nach den Entwürfen der ZTV-ING Teil 4, Abschnitt 4 „Brückenseile“ und TL/TP VVS anstelle der noch gültigen TL Seile in der Ausgabe von 1994.

Da der Einbau stationärer Befahreinrichtungen zur Bauwerksprüfung nach DIN 1076 wirtschaftlich nicht vertretbar ist, wurden die Einwirkungen eines mobilen Brückenuntersichtgeräts, einschließlich der erforderlichen geometrischen Anforderungen beim Aufbau des Geräts, in der Konstruktion berücksichtigt. Hierfür musste die Geräteaufstellung auf den außenliegenden Geh- und Radwegen eingeplant werden, da ein Durchgreifen der Seilebene nicht realisierbar war.

Ein wesentliches Element des Wettbewerbsentwurfs lag in der Beleuchtung des Bauwerks, die sich in die gesamte Mainuferbeleuchtung eingliedern sollte. Idee des Wettbewerbs war die Erzielung des Effekts „helle Seile und dunkler Bogen“ in der Fernansicht. Im Zuge der Planung wurde ein Beleuchtungsversuch an einer ähnlichen Brücke vorgenommen und die bestmögliche Konzeptumsetzung mit alternativen Leuchtmitteln ausprobiert und optimiert. Die Lichtpunkte der Straßenbeleuchtung wurden in den Hohlkasten der Stahlbögen versenkt, um Blendeffekte auf Schiffsführer und die Brücke überquerende Fahrzeuge zu unterbinden.

Der Wettbewerbsentwurf sah zur Oberflächenentwässerung der zu Gunsten eines schlanken Brückendecks nach außen geneigten Geh- und Radwege durchgehende Rinnen an den Brückenrändern vor. Dieses architektonische Detail bedurfte im Entwurf genauerer Betrachtung, da es für den Einbau in einer orthotropen Stahlplatte keine fertigen Entwässerungs-Rinnensysteme, wie z. B. im Straßenbau, gibt. Als Ergebnis wurde ein handelsüblicher Gussrost mit Längsstegen vorgesehen, der durch eine individuell gefertigte Zargenkonstruktion und eine Edelstahlblechrinne ergänzt wurde. Zu beachten war hierbei die konstruktive Verbindung des Gesimshohlkastens, der das Geländer trägt, mit dem restlichen Brückentragwerk unter Berücksichtigung des trennenden Elements Entwässerungsrinne. Die Verbindung wurde durch Bleche unterhalb der Rinnenroste im Bereich der ausgeklinkten Querträger und Rostschlösser realisiert, um sowohl die Übertragung des Biegemoments aus dem Geländer als auch die (horizontal) schubfeste Verbindung zwischen Randträger und Resttragwerk zu gewährleisten.

Die Osthafenbrücke zeigt, dass durch interdisziplinäre Wettbewerbe für Brücken in städtebaulich bedeutsamem Umfeld sowohl gut gestaltete als auch tragwerksplanerisch prägnante Bauwerke entstehen können, die die Baukultur in Deutschland fördern und unsere Städtebilder nachhaltig positiv beeinflussen.

Erläuterungsbericht von Grontmij GmbH zur Einreichung beim Ulrich Finsterwalder Ingenieurbaupreis 2015