Fallstudie

Lagertausch am Weyermannshaus-Viadukt

Bern | Switzerland | Emch+Berger AG Bern

Beton

Detail 2D

SIA (Switzerland)

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Infrastrukturprojekte in dichten städtischen Umgebungen erfordern häufig hochoptimierte Stahlbetonstrukturen, bei denen Lastübertragung, Detaillierung und Ausführbarkeit sorgfältig aufeinander abgestimmt werden müssen. Dies gilt insbesondere für Strukturen, die architektonische Anforderungen mit strengen Sicherheits- und Dauerhaftigkeitsanforderungen verbinden, wie z. B. verkehrsbezogene Betonelemente, die hohen Lasten und langfristigen Nutzungsbedingungen ausgesetzt sind. In Bern, Schweiz, war EMCH+BERGER AG an der tragwerksbezogenen Bemessung einer Betonstruktur beteiligt, bei der die genaue Beurteilung der Kraftübertragung und der Bewehrungsdetaillierung entscheidend war. Das Projekt erforderte einen zuverlässigen Ansatz zur Überprüfung komplexer Betonbereiche, die mit Standard-Handberechnungen oder vereinfachten analytischen Methoden nicht ausreichend beurteilt werden konnten.

Über das Projekt

Das Projekt umfasste die Bemessung und Überprüfung eines tragwerksbezogenen Betondetails als Teil eines größeren Infrastruktursystems.

Das Viadukt (erbaut 1974–1977) besteht aus vorgespannten Hohlkastenträgern (Spannweiten von 26,5 bis 38 Metern) mit massiven vorgespannten Querträgern über den Pfeilern. Diese Pfeiler werden während der Bauarbeiten abschnittsweise ersetzt. Dazu wird das Viadukt mithilfe eines temporären Unterfangungssystems (massive geschweißte Stahlträger auf Rüsttürmen) und Hydraulikpressen angehoben. Die bestehenden Pfeiler werden entlastet und abgebrochen, anschließend werden neue, längere Pfeiler errichtet, damit das Gelände abgesenkt werden kann.

Ursprüngliche Anordnung

Neue Anordnung

Isometrische Ansicht und Querschnitt der temporären Unterfangung (Auszug aus dem Plan: Frutiger AG)

Die Struktur war erheblichen konzentrierten Kräften ausgesetzt, was zu komplexen Spannungsverteilungen im Betonvolumen führte. Die Betonelemente wurden gemäß Eurocode 2 bemessen, mit besonderem Augenmerk auf:

Lokale Krafteinleitungsbereiche
Verankerung und Lastübertragung zwischen den Bauteilen
Bewehrungsführung in gestörten Bereichen (D-Bereiche)

Aufgrund der Geometrie und der Belastungsbedingungen konnte das tragwerksbezogene Verhalten nicht mit einfacher Balkentheorie beschrieben werden. Stattdessen war ein auf dem Strebe-und-Zugband-Prinzip basierendes Verständnis des Kraftflusses erforderlich, um sicherzustellen, dass sowohl die Betondruckfelder als auch die Bewehrungszugglieder ausreichend bemessen wurden.

Querschnitt des Brückenträgers mit einem Vergleich der Kraftverteilung im Bestandsbauwerk (oben) und während der Bauphase (unten)

Ingenieurtechnische Herausforderungen

Eine der größten Herausforderungen des Projekts war die Überprüfung komplexer Spannungszustände in Stahlbetonstrukturen, insbesondere in Bereichen, in denen:

Kräfte über verhältnismäßig kleine Flächen eingeleitet wurden
Mehrere Lastpfade innerhalb eines begrenzten Betonvolumens zusammenwirken
Bewehrungsanhäufungen potenzielle Ausführbarkeitsprobleme verursachten

Herkömmliche Bemessungsansätze auf Basis vereinfachter Strebe-und-Zugband-Modelle lieferten ein erstes konzeptionelles Verständnis, reichten jedoch für die abschließende Überprüfung nicht aus. Die manuelle Entwicklung verfeinerter Strebe-und-Zugband-Modelle wäre äußerst zeitaufwendig und anfällig für konservative Annahmen gewesen, was möglicherweise zu ineffizienten Bewehrungsanordnungen geführt hätte.
Ein weiteres kritisches Thema war die Notwendigkeit, die Einhaltung der Eurocode-Anforderungen klar nachzuweisen. Angesichts der Bedeutung der Struktur musste die Bemessung transparent, nachvollziehbar und für alle Projektbeteiligten leicht überprüfbar sein.

Lösungen und Ergebnisse

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, setzte EMCH+BERGER AG Bern IDEA StatiCa Concrete ein und nutzte das Kompatible Spannungsfeldverfahren (CSFM), um das reale Verhalten des Stahlbetondetails zu analysieren.
Der Ansatz ermöglichte es den Ingenieuren:

Die genaue Geometrie des Betonelements zu modellieren
Realistische Lastkombinationen direkt auf das Modell anzuwenden
Bewehrungsanordnungen zu definieren, die praktische Ausführungsrandbedingungen berücksichtigen

Anstatt sich auf idealisierte Kraftpfade zu stützen, lieferte die auf der Methode der finiten Elemente basierende Analyse eine klare Visualisierung von:

Hauptdruckspannungstrajektorien im Beton
Ausnutzung einzelner Bewehrungsstäbe
Rissbreiten und Spannungsniveaus unter Gebrauchstauglichkeits- und Grenzzuständen der Tragfähigkeit

Dies ermöglichte eine iterative Verfeinerung der Bewehrungsanordnung und führte zu einer Bemessung, die sowohl tragwerksbezogen effizient als auch ausführbar war. Kritische Bereiche konnten gezielt dort verstärkt werden, wo es erforderlich war, ohne unnötige Überbewehrung an anderer Stelle.
Die Software erzeugte außerdem klare und umfassende Ausgaben, einschließlich Ausnutzungsnachweisen und grafischen Spannungsdarstellungen, was den Überprüfungsprozess und die Kommunikation mit den Prüfern erheblich vereinfachte.

Fazit

Durch den Einsatz von IDEA StatiCa Concrete konnte EMCH+BERGER AG Bern vereinfachte Bemessungsannahmen hinter sich lassen und kritische Entscheidungen auf einer realistischen Darstellung des Tragverhaltens basieren. Die Methode lieferte Sicherheit hinsichtlich der Tragfähigkeit und Leistungsfähigkeit des Betondetails bei gleichzeitig effizienter und wirtschaftlicher Bemessung.
Dieses Projekt zeigt, wie fortschrittliche numerische Werkzeuge Ingenieure bei der Bewältigung komplexer Stahlbetonaufgaben unterstützen können, insbesondere bei Infrastrukturprojekten, bei denen Genauigkeit, Transparenz und die Einhaltung von Normen unerlässlich sind.