Trattenbachbrücke

Die Bahnbrücke über den Trattenbach stellt für den modernen Ingenieurbau ein Novum dar. Sie ist ein integrales Bauwerk mit monolithisch eingespannten Widerlagern. Durch diese Ausführungsart kann die Brücke sehr schlank ausgeführt werden und passt sich gut in das Tal der Trattenbachklamm ein. Die Belastungen aus Verkehr, speziell die Horizontallasten, werden durch das gewählte System sehr wirtschaftlich abgetragen. Als das erste Bahnbauwerk in Österreich wurde die Brücke komplett nach Eurocode gerechnet und durch ein Monitoring mit Probebelastung vor Verkehrsübergabe verifiziert.

Die Österreichischen Bundesbahnen rechnen mit Einsparungen von mindestens 15% über den gesamten Lebenszyklus gegenüber konventionellen Bauarten, die keine rahmenartige Konstruktion vorsehen.

Aufgabenstellung

Die eingleisige, elektrifizierte Bahnstrecke von Linz nach Selzthal wird in Spittal am Phyrn über den Taleinschnitt des Trattenbachs überführt. Das alte Tragwerk bestand aus gemauerten Bögen mit Stampfbeton. Das Flussfeld wurde mittels eines direkt befahrenen Stahlfachwerks mit einer Stützweite von 40 m überbrückt. Der Zustand der über hundert Jahre alten Brücke erforderte einen Komplettneubau.

In diesem Zuge wurden in einer Vorplanung mehrere Varianten der neuen Brücke entworfen. Als Varianten wurden ausgearbeitet:

• Ein monolithischer Rahmen aus Stahlbeton mit eingebundenen Widerlagern über vier Felder
• Eine Verbundbrücke über drei Felder
• Eine Dreifeldbrücke mit Fischbauchträger als Verbundtragwerk im Flussfeld
• Eine Spannbetonbrücke als Durchlaufträger mit vier Feldern

In einer Bewertung der Varianten, die neben den Herstellungskosten auch die Kosten während der Nutzungsdauer berücksichtigte, stellte sich der Stahlbetonrahmen über vier Felder als gestalterisch anspruchsvolle und zugleich über den Lebenszyklus wirtschaftlichste Lösung heraus.

Dem Bau der Brücke kam bauzeitlich entgegen, dass durch den Neubau eine Verbesserung der Trassierung durchgeführt wurde. Der Radius von 250 m im Bestand wurde auf 270 m für den Neubau erhöht. Die neue Brücke konnte neben der bestehende Brücke gebaut werden.

Beschreibung des Tragsystems

Die Wahl des Bauherrn der Brückenvariante fiel auf die monolithische Rahmenkonstruktion. Diese Konstruktion kam im Netz der Österreichischen Bundesbahnen erstmals mit einer Gesamtlänge von 100 m zur Ausführung. Seitens des Bauherrn wurde mit dieser Entscheidung Neuland betreten.

Hauptgründe für die Entscheidung waren die geringe Unterhaltungslast, die bei einem Rahmenbauwerk zu erwarten ist, und die massive Überbaukonstruktion, die die Schallimmission der nahen Wohnbebauung erheblich vermindert.

Die Pfeiler der Brücke wie auch die Widerlager binden monolithisch in den Überbau ein. Die Pfeiler sind auf zwei Reihen Bohrpfählen (Durchmesser 1,50 m) gegründet. Auch die Widerlager sind tief gegründet. Der große Vorteil dieser Konstruktion liegt in dem günstigen Abtragen der hohen Bremslasten aus dem Bahnverkehr. Bei Durchlaufträgersystemen, die auf Lagern ruhen, werden die Horizontalkräfte über die Längsfesthaltungen in die vergleichsweise steifen Widerlager abgetragen. Dadurch werden aufwändige Festhaltekonstruktionen, aber auch teure Gründungskonstruktionen notwendig. Durch die monolithische Ausführung werden die Bremskräfte der Bahn gleichmäßig auf Widerlager und Pfeiler verteilt, weil die Einspannung der Unterbauten in den Überbau eine sehr steife Bockwirkung erzeugt. Die Horizontalkräfte könnten wo sehr wirtschaftlich abgetragen werden. Deutlich wird dies anhand der Verformungsfigur in Abbildung 1.

Abbildung 1: Rahmenbrücke mit monolithisch eingespannten Widerlagern unter Bremsbelastung

Die Brücke wurde als erstes Bauwerk für die Österreichischen Bundesbahnen nach dem damals neu eingeführten Eurocodes berechnet. Für den Nachweis der Verformungen wie auch der Ermüdungsbeanspruchung wurden Vouten zu den Stützen und Widerlagern hin notwendig. Die Vouten wurden harmonisch zum Pfeiler über die Höhe abgestuft. Im Übergang zum Dammbereich wird eine Schleppplatte angeordnet, die auf einem Magerbetonkeil liegt. Diese Konstruktion verhindert Setzungen und gleicht die Horizontalbewegungen aus Temperatur und Bremslasten aus. Die rechnerisch Verformung am Übergang zum Damm wurde auf 5 mm begrenzt.

Zur Sicherstellung der Annahmen in den Standsicherheitsnachweisen wurde seitens des Bauherrn eine Probebelastung mit Verformungsmessungen durchgeführt. Für die Messungen wurden vier Dieselloks mit je 88t Gewicht verwendet. Mit statischen Belastungen, dynamischen Überfahrten und Bremsfahrten wurde die berechneten Verformungen und Setzungen den gemessenen Werten gegenübergestellt. Dabei kam es zu deutlich geringeren Messwerten, die gegenüber den theoretischen Werten im Bereich 1/10 bis maximal 1/5 lagen (siehe hierzu Abbildung 2).

Abbildung 2: Auszug aus dem Ergebnisbericht zur den Verformungsmessungen bei der Probebelastung

Wahl der Baustoffe

Die Brücke wird mit vier Feldern über den relativ schmalen Taleinschnitt geführt und die Stützweiten sind mit maximal 29,00 m im Mittelfeld vergleichsweise klein. Die Materialwahl fiel bei diesen Randbedingen auf „einfachen“ Stahlbeton. Eine Stahlbetonbrücke ist mit Schlankheiten von 29,00/1,30 = 22 und 29,00/2,55 = 11 unter der notwendigen Verformungsbeschränkung ausführbar. Eine Vorspannung des Betons würde bei der Trattenbachbrücke die horizontalen Verformungswege vergrößern und damit zusätzliche Schienenauszüge erforderlich machen.

Folgende Baustoffe wurden verwendet:

• Überbau: C35/45
• Widerlager: C30/37
• Pfeiler: C35/45
• Pfahlkopfbalken: C30/37
• Bohrpfähle: C30/37
• Bewehrungsstahl: BST 550, hochduktil

Erläuterungen zur Gestaltung

Das sanfte, relativ schmale Tal des Trattenbachs wird von der Bahnlinie aus einem Tunnel kommend in einem Bogen überführt. Der Radius verleiht dem sich aufweitendem Tal eine gewisse Spannung. Auf den Taleinschnitt wird mit veränderlichen Stützweiten reagiert. Bei der Rahmenbrücke betragen die Stützweiten 16,50+22,00+29,00+21,50 = 89 m. Das Verhältnis zwischen Öffnungsweite zwischen den Unterbauten und lichter Höhe im Feld ist bei allen Feldern nahezu gleich wodurch sich die Brücke sehr homogen in den Taleinschnitt einfügt. Das Flussfeld wir durch die größte Stützweite betont. Ein horizontaler Versatz von 5 cm zwischen der Unterkante des Überbaus und der Oberkante der Pfeiler in Querrichtung bewirkt eine optische Durchlaufwirkung des Überbaus über die gesamte Brückenlänge. Für den Entwurf (siehe Abbildung 3) wurden zwei Varianten untersucht. Gerade Vouten zweifach abgestuft und eine Voutung in Form eines Kreisradius. Aufgrund der klareren Form und der einfacheren Herstellung der Vouten wurde die Rahmenbrücke mit geraden Vouten ausgeführt.

Abbildung 3: Visualisierung der Varianten mit polygonalen Vouten (oben) und radialen Vouten (unten)

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