Die Einwirkungen, die auf Brücken wirken, sind komplex und eröffnen zahlreiche konstruktive Problemstellungen. Diese Einwirkungen können wie folgt charakterisiert werden:
„Bei Brücken mit großen Tragwerkslängen können nennenswerte Längenänderungen aus Temperaturschwankungen am Überbau resultieren. Zusätzliche Verformungen am Brückenende zwischen Widerlager und Tragwerk entstehen aufgrund last- und materialbedingter Verformungen. Beim Beton spielen in diesem Zusammenhang das Kriechen und das Schwinden eine große Rolle. Auch Verformungen durch das Anfahren und Bremsen von Fahrzeugen müssen berücksichtigt werden. Die Beschleunigung des Brückentragwerkes infolge eines Erdbebens führt ebenfalls zu relativen Bewegungen zwischen Baugrund und Bauwerk. Weiters sind auch Verformungen aufgrund von Anpralllasten zu erwähnen, welche teilweise trotz Maßnahmen bzw. Vorkehrungen berücksichtigt werden müssen. Die Durchbiegungen des Haupttragwerkes infolge der ständigen und veränderlichen Lasten können ebenso entsprechend den Lagerungsbedingungen im Bereich des Fahrbahnüberganges zu Verformungen führen. Bei Spannbetonbrücken mit interner Vorspannung im oder ohne Verbund bzw. mit externer Vorspannung oder teilweisen Kombinationen der Vorspannung entstehen Verkürzungen aufgrund der Vorspannkräfte bzw. Kriechverformungen im Beton. Unterschiedliche Senkungen der Gründungen führen zu Stützensetzungen und/oder -schiefstellungen. Ebenso können Pfeilerkopfverschiebungen auch infolge von Abtriebskräften, Imperfektionen und Verformungen gemäß Theorie II. Ordnung entstehen“ [1].
Aus diesen Einwirkungen ergeben sich bei festen Lagern konstruktive Probleme:
„Die konzentrierte Krafteinleitung an den Lagern bewirkt örtliche Spannungsspitzen und führt in den Betontragwerken zu Bewehrungskonzentrationen. Die dichten Bewehrungslagen können zu Problemen in der Ausführung bei der Betoneinbringung und -verdichtung führen“ [1].
Es liegt folglich auf der Hand, dass es gute Gründe gibt, auf feste Lager weitgehend zu verzichten und dass im Laufe der Geschichte die Tendenz in Richtung beweglicher Auflager führte. Die historisch vielfach eingesetzten Rollenlager, die zumindest in einer vorgegebenen Richtung Bewegungen zulassen, sind heute nicht mehr zeitgemäß. Rollenlager wirken nur in eine Richtung als bewegliches Auflager. Kommt es zu Bewegungen in der anderen Richtung, die bei gekrümmten Brücken oder bei einem torsionsweichen Aufbau entstehen, dann sind Rollenlager nicht mehr geeignet. Der Austausch solch historischer Auflager ist ein größeres Problem.
Auch moderne Lager und Fugen, die aus Kunststoffen hergestellt werden, um den komplexen Anforderungen zu entsprechen, bereiten allerdings zahlreiche Probleme. Brückenlager sind in der Folge Verschleißbauteile, müssen in regelmäßigen Abständen gewartet und ausgetauscht werden. Die erwartbare Lebensdauer des Lagers ist deutlich geringer als die erwartbare Lebensdauer der Brückenkonstruktion.
Während die Lager bestimmte Bewegungen zulassen und andere einschränken, gleichen die Übergangskonstruktionen einer Brücke die Verformungen und Bewegungen des Brückenüberbaus an den Brückenenden zwischen Brücke und Straße aus, die aus Längenänderung infolge Temperaturschwankungen und aus der Verkehrsbelastung resultieren.
Im Gegensatz zu konventionellen Brücken verzichten integrale Brücken auf Lager und Fugen, indem aus statischer Sicht Rahmentragwerke ausgeführt werden, die folglich hochgradig statisch unbestimmt sind. Dadurch sind zwar einerseits schlanke und ästhetische Konstruktionen möglich, die robust sind. Andererseits weckt die statische Unbestimmtheit durch die hohe Steifigkeit zusätzliche Schnittkräfte, die erst einmal durch die Konstruktion aufgenommen werden müssen können.
Die statisch unbestimmte Lagerung bedingt Zwangsschnittgrößen durch: Temperatur, zeitabhängiges Betonverhalten, Vorspannung, Auflagerverschiebungen. Folglich ist die Bauwerk-Baugrund-Interaktion wesentlich. Zwangschnittgrößen entstehen infolge behinderter Verformung, weil das statische System über mehr Auflager als nötig verfügt.
Vollintegrale Brücken funktionieren ohne Lager und ohne Übergangskonstruktionen. Semiintegrale Brücken nur mit Lager und ohne Übergangskonstruktion. Die Definition sowie der Einsatzbereich integraler sowie semiintergraler Brücken variiert allerdings von Land zu Land. Vielfach werden Brücken unter 70 Meter integral gebaut. „In den USA entstand das semiintegrale Konzept als Weiterentwicklung der integralen Brücken. Letztere sollten bei Bauwerkslängen über 90 m und/oder bei zu steifen Bodenverhältnissen eine weitere Alternative zu konventionell gelagerten Brücken darstellen“ [3].
Die starke Behinderungsdehnung weckt große Längskräfte: „Wegen der starken Verformungsbehinderung des Überbaus werden diese Dehnungsanteile nahezu vollständig durch spannungsinduzierende Dehnungen kompensiert. Deshalb entstehen im Überbau erhebliche Längskräfte. Monolithisch angeschlossene Zwischenstützen bleiben dagegen horizontal nahezu unverformt und biegespannungsfrei. Im Gegensatz dazu werden bei semiintegralen Brücken die Zwangsspannungen im Überbau weitgehend durch Anordnung mindestens einer Bewegungsfuge im Überbau verhindert. Dadurch kann sich der Überbau in Längsrichtung nahezu frei verlängern bzw. verkürzen. Die monolithisch angeschlossenen Pfeiler müssen dieser Bewegung folgen, da ihre Biegesteifigkeit nur einen Bruchteil der Dehnsteifigkeit des Überbaus ausmacht. Durch die Stützenkopfverschiebung entstehen bei semiintegralen Brücken sehr große Zwangsbiegemomente in den Stützen, die umso größer sind, je weiter die Stütze vom Verformungsruhepunkt des Überbaus entfernt und desto gedrungener und steifer die Stütze ist. Die maximale Dehnlänge des Überbaus wird aus diesem Grund durch die maximalen Kopfverschiebungen der schlanken Pfeiler und durch die Momentenbeanspruchung in Pfeilerfuß und -kopf beschränkt“ [3].
Zur Frage der Größenordnung dieser unterschiedlichen potentiellen Dehnungen, die aus Temperatur, Hydratationswärme, Vorspannung, Kriechen und Schwinden resultieren, bleibt natürlich festzuhalten, dass diese stark von Betonalter, Betonrezeptur, Tragwerkstyp und den klimatischen Bedingungen abhängen: „Die Längenänderung des Überbaus entsteht bei Spannbetonbrücken etwa zur Hälfte aus Vorspannung, Kriechen und Schwinden, wobei diese unidirektional ausschließlich eine Verkürzung des Überbaus bewirken und zur Inbetriebnahme des Bauwerks bereits zu einem großen Teil abgeklungen sind“ [3]. Demgegenüber kann die Temperatur sowohl eine Verkürzung als auch eine Ausdehnung bewirken.
Der Tragwerkstyp ist natürlich wesentlich: „Im Vergleich zu integralen Brücken werden bei semiintegralen Bauwerken hohe Zwangsnormalkräfte im Überbau vermieden, welche im Sommer zu höheren Relaxationsdehnungen und im Winter zum Reißen des Betons führen könnten. Ebenso werden die zyklischen Längenänderungen des Überbaus nicht in den Hinterfüllbereich eingeleitet, was zu einer Beschränkung der Erddrücke und zu einer Verringerung der Bodenverformungen im Übergangsbereich vom Widerlager zum Erdbauwerk führt“ [3].
Grundsätzlich können Bauwerke in der Regel bis 30 Meter integral ausgeführt werden. Darüber sollten Vor- und Nachteile einer integralen mit einer herkömmlichen Bauweise analysiert werden, wobei eine semiintegrale Bauweise eine Kompromisslösung darstellen kann. Umso tiefer das Tal, umso verformbarer sind die Stützen bei einer monolithischen Bauweise und umso länger kann die Überbaulänge ausfallen.
Bei einem weichen Boden fallen die Zwangsschnittgrößen folglich geringer aus als bei sehr steifen Baugründen. Sowohl integrale als auch semiintegrale Brücken setzen einen setzungsarmen Baugrund voraus. Durch die monolithische Bauweise können Setzungen nicht unterfüttert werden. Es können folglich zusätzliche, nicht reversible Zwangsschnittgrößen entstehen [3].
Die Bemessung integraler Brücken muss folglich ganzheitlich erfolgen und das Bauwerk als Ganzes mit dem Baugrund erfassen. Die komplexen Belastungen müssen durch das Bauwerk voll aufgenommen werden. Eine intensive Zusammenarbeit zwischen Objekt- und Tragwerksplaner sowie Geotechniker und Geologen ist notwendig, um die wechselseitigen Beeinflussungen zwischen Bauwerk und Baugrund zu erfassen. Zwangsläufig muss folglich auch die Planung als „integrale Planung“ erfolgen.
Die Anforderungen sind nämlich hochgradig widersprüchlich: „Der entwerfende Ingenieur muss bei der Konzeption einer semiintegralen Brücke eine Optimierungsaufgabe lösen, bei welcher mehrere, teils widersprüchliche Entwurfsziele erfüllt werden sollen. Das Tragwerk muss in Brückenlängsrichtung möglichst weich sein, um die Auswirkungen von Zwangsbeanspruchungen zu reduzieren. Gleichzeitig muss das Tragwerk steif genug sein, sodass horizontale Kräfte sicher und verformungsarm abgetragen werden können. Deshalb spielen die Wahl des statischen Systems und die Ausbildung des Festpunkts beim Entwurf von semiintegralen Brücken eine maßgebende Rolle“ [3].
Die horizontale Nachgiebigkeit kann durch eine Pfeilerfußverschiebung oder -verdrehung eingerichtet werden. Interessant ist dazu vor allem die Ausführung einer Pfahlgründung.
Durch die statische Unbestimmtheit ist eine hohe Sensitivität gegenüber Änderungen in den Steifigkeiten gegeben. Grundsätzlich sind die Bemessungsparameter sehr komplex.
Literatur:
[1] Erwin Pilch: „Integrale Brücken – Interaktion Bauwerk Baugrund”, Technische Universität Graz, Graz 2016
[2] Tobias Block, Helmut Eggert, Wolfgang Kauschke: „Lager im Bauwesen“, Ernst und Sohn Verlag, Hoboken 2013
[3] Gerhard Mehlhorn & Manfred Curbach: „Handbuch Brücken – Entwerfen, Konstruieren, Berechnen, Bauen und Erhalten“, Springer Vieweg, Wiesbaden 2014
Demanega 
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