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?t H ä n g e b r U 0 k e Seit dem Bau der ersten weitgespannten Hängebrücke,
der Brooklyn-Brücke über den East River, kennt man das Problem der aerodynamischen
Stabilität. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß die Tragseile von Hängebrücken
unter der Einwirkung des Windes gegenläufige Schwingungen ausführen.
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.Dabei werden im wesentlichen zwei Systeme von Schwingungen beobachtet,
nämlich einmal reine Biegungsschwingungen und reine Torsionsschwingungen mit stationärer
Amplitude und zum anderen kombinierte Biegungs- und Torsionsschwingungen. Da die
kombinierte Biegungs- und Torsionsschwingung die gefährlichere ist, hat man, nachdem
Brückeneinstürze vorgekommenwaren, u.a, der Einsturz der Tacoma-Hängebrücke, diese
Schwingungen durch einen die Fahrbahn tragenden Versteifungsträger zu mildern oder
ganz zu beseitigen, Versucht. Zunächst hat man den Versteifungsträger als hohen
Kasten mit fachwerkartigen Wänden ausgebildet, um ihm eine hohe Torsionssteifigkeit
zu geben. In einzelnen Fällen hat man auch die Fahrbahn winddurchlässig gemacht,
z.B. durch eine Oitterrostabdeckung, um die angreifenden Windkräfte zu verringern.
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Ein großer Fortschritt im Bau von Hängebrücken wurde beim Bau der
Severn-Brücke erzielt, bei dem als Versteifungsträger für eine 1 000 m weit gespannte
Brücke erstmalig ein
vollwandiger Kasten von verhältnismäßig geringer
Konstruktionshöhe verwendet wurde, der die gleiche Torsionssteifigkeit besitzt wie
die früher verwendeten etwa dreimal so hohen Fachwerkträger. Diesem vollwandigen
Versteifungsträger wurde eine windschlUpfige Form gegeben, so daß er weniger Luftwiderstand
hat; durch seine Torsionssteifigkeit kann er neben der Stabiliesierung der im Wind
gegenläufig schwingenden Seile auch die in Bezug auf die Brückenachse einseitig
wirkenden Verkehrslasten zentrieren und die dadurch entstehenden Torsionsmomente
auf den Bereich der Pylone übertragen. Er wird in dieser Funktion durch die Seile
nur wenig unterstützt, da ein die Fahrbahn verdrehendes Moment etwa zu 7/8 durch
Torsion des Versteifungsträgers und nur zu 1/8 durch die unterschiedliche Durchbiegung
der Seik aufgenommen wird.
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Um die Gefahr gegenläufiger Schwingungen der beiden Tragseile zu
vermeiden, hat man auch innerhalb ihrer lotrechten Ebenen abwechselnd schräg angeordnete
Hänger verwendet, die durch Reckung eine Dämpfung der Schwingungen bewirken sollen
(GB-PS 911 550).
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Da bei Temperaturänderungen der Versteifungsträger insbesondere an
den Pylonen gegenüber dem Seil große Horizontalbewegungen ausrührt, während das
Seil auf Temperaturänderungen nur durch Vertikalbewegungen, also Vergrößerung bzw.
Verkleinerung des Durchhanges reagieren kann, entstehen in den schrägen Hängern
außer den Lastspannungen z.T. erhebliche Zusatzspannungen, so daß man gezwungen
ist, die Hänger aus Drahtseilen mit sehr hoher Festigkeit auszubilden. Trotzdem
übersteigen die aufatr genden Wechselbeanspruchungen von der Spannung Null bis zum
maximalwert die Schwingungsweite der Hänger.
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Zum gleichen Zweck ist auch schon vorgeschlagen worden (vgl.
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"Baumeister" 1960, Seite 363 ff.), die Fahrbahn an einem einzigen
Tragseil aufzuhängen und die am Rand der Fahrbahn angreifenden zum Brückenquerschnitt
schräg angeordneten und sich in ihren Ebenen kreuzenden Hänger mit der Fahrbahn
zu einem räumlichen
Fachwerk zu verbinden. Dadurch entsteht ein
im Querschnitt dreieckiger Kasten, der eine derartige Torsionssteifigkeit besitzen
soll, daß auf eine biegungs- und torsionssteife Konstruktion der Fahrbahn verzichtet
werden kann. Aber auch bei dieser Anordnung müssen die Hänger aus den erwähnten
Gründen aus Drahtseilen mit sehr hoher Festigkeit bestehen.
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In gleicher Richtung geht der durch die bekanntgemachten Unterlagen
der deutschen Patentanmeldung D 11 335 V/19d bekannt gewordene Vorschlag, die Tragglieder
einer Hängebrücke aus Stahlbeton auszubilden. Dort wurde hervorgehoben, daß durch
die Anwendung von aus Spannbeton bestehenden Traggliedern die Steifigkeit von Hängebrüeken
derart verbessert wird, daß ebenfalls auf einen Versteifungsträger verzichtet werden
kann.
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en Bei einer kürzer/verhältnismäßig steifen, in sich verankerten
Hängebrücke mit einem als Stahlbetonhohikasten ausgebildeten Versteifungsträger
ist es auch schon bekannt geworden, eine lotrechte Tragwand aus einem in der Mittelebene
der Brücke angeordneten Tragseil und lotrechten Hängern anzuordnen. Aerodynamische
Probleme traten hierbei aber nicht auf.
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Schließlich ist nochai erwähnen, daß für die Tragseile von Hängebrücken
bisher fast -ausschließlich im Luftspinnverfahren hergestellte Bündel aus 5 mm dicken
galvanisierten Drähten (St 165 Auflager 1/20 mm dick) ausgeführt wurden. Die Drähte
bis zu 20 000 Stück in einem Seil, sind endlos, d.h. die einzelnen Stücke werden
nach üblichem Verfahren verbunden und haben dort einen schwachen Punkt. Sie werden
auf deii Pylonen über Sättel und an den Widerlagern über Augenstäbe geführt, wobei
sie starke Biegung und, wegen der vielen übereinander liegenden Lagen, erheblichen
Querdruck erhalten. Diese Beanspruchungen verringern die Festigkeit der Drähte in
der Längsrichtung, so daß derart ausgeführte Kabel nur mit maximal 44 der Bruchfestigkeit
des Einzeldrahtes beansprucht werden können. Des Weiteren ist es nötig, die
Drahtbündel
mit besonderen hydraulischen Pressen zu einem runden Querschnitt zusammenzu-pressen
und in diesem Zustand mit einem hochgespannten Draht zu umwickeln. Bei diesem Verfahren
abge quetschte Drähte bzw. schwachen Stellen im laufenden Draht werden durch die
Vielzahl der auSellnander gedrückten, nicht beschädigten Drähte überbrückt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Konstruktion für eine Hängebrücke
zu finden, die sowohl von ihrer äußeren Gestaltung her als auch von der Wahl der
verwendeten Materialien die Möglichkeit bietet, den Einfluß vor allem der kombinierten
Biegungs-Torsionsschwingungen auf den Bestand der Brücke zu verringern.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einer solchen weitgespannten
Hängebrücke mit einem durch Hänger an Tragseilen aufgehängten, 415 vollwandiger
Kastenträger von windschlüpfiger Form ausgebildeten Versteifungsträgern dadurch,
daß der Versteifungsträger wie an sich bekannt, durch lotrechte Hänger an einem
in der lotrechten Mittelebene der Brücke angeordneten Tragseil aufgehängt ist und
daß die Hänger an dem Versteifungsträger in Querrichtung gelenkig angeschlossen
sind.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung einer Hängebrücke besteht
darin, daß die überkommene Bauform der Hängebrücke auf das Wesentliche konzentriert
und dadurch technisch verbessert und verbilligt wird. Das eine, in der Mittelebene
der Brücke angeordnete Tragseil hat gegenüber zwei seitlichen Tragseilen den Vorteil,
daß bei Torsionsschwingungen des Versteifungsträgers die Masse des Seils nicht mitschwingt.
Deshalb ist die Eigenschwingungsdauer des Vers teifungs trägers für Torsion kürzer
und die kritische Windgeschwindigkeit entsprechend höher, Bei der reinen Biegungsschwingung
Jedoch schwingt die Masse des
Seils mit, wodurch eine günstig irkende
Verstimmung von Biegungs- und Torsionsschwingung-entsteht. Nach der Erfindung läßt
sich daher mit nur einem Seil und ohne die aussteifende Wirkung von schrägen Hängern
eine kritische Windgeschwindigkeit erzielen, die weit über der vorkommenden Windgeschwindigkeit
liegt. Es lassen sich somit auch anstelle schräger Hänger mit extrem hoher Festigkeit
und entsprechend hoher Anfälligkeit gegenüber Spannungsrißkorrosion normale Stähle,
z.B, St 52, einbauen, die in dieser Hinsicht keine Anfälligkeit zeigen.
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Eine bevorzugte Aus führungs form der erfindungsgemäßen Hängebrücke
zeichnet sich weiterhin noch dadurch aus, daß die Pylone A-förmig ausgebildet sind,
aus Stahlbeton bestehen und landseitig durch Rückhalteseile verankert sind, die
in der Projektion auf die Mittelebene der Brücke wesentlich steiler als das Tragseil,
vorzugsweise unter 450 gegen die Horizontale geneigt, verlaufen und ferner dadurch,
daß sowohl das Tragseil, als auch die Rückhalteseile aus eng aneinanderliegenden
mit Beton umhüllten Spanngliedern bestehen, die im Kopf der Pylone gekreuzt und
verankert sind, während der Versteifungsträger im Pylon auf Biegung und Torsion
festgehalten ist. Dabei sind zweckmäßig Jeweils zwei Rückhalteseile verhanden, die
etwa in der durch die Stiele der Pylone bestimmten schrägen Ebene verlaufen.
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Schließlich ist es zweckmäßig, die Tragseile aus höherwertigem und
die Rückhalteseile aus geringerwertigem Stahl vorzusehen.
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Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Hängebrücke reichen die Rückhalteseile
wesentlich weniger weit ins Land hinein als die über die Pylonen geführten Tragseile
herkömmlicher Hängebrücken. Das ermöglicht wiederum die Anordnung der Pylone in
größerer Ufernähe, wo im allgemeinen eine geringerè Wassertiefe herrscht und tragfähiger
Baugrund in geringerer Tiefe ansteht.
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Durch die Kreuzung von Tragseil und Rückhalteseilen und ihrer Verankerung
im Kopf der Pylone werden dLè an den Umlenksätteln auftretenden
zusätzlichen
Beanspruchungen dieser Bauglieder vermieden; die Bruchfestigkeit der Spannglieder
kann deshalb höher ausgenützt werden. Durch die Ausbildung sowohl des Tragseils
als auch der Rückhalteseile aus eng aneinanderliegenden mit Beton umhüllten Spanngliedern
wird das Gewicht der Seile erhöht. Dadurch werden die Verformungen der Brücke unter
der Verkehrslast vermindert. Außerdem sind die für den Bestand der Brücke wichtigen
Bauglieder dur-ch die Einbetonierung gegen Korrosion geschützt und bedürfen keiner
Unterhaltung.
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Die Wahl von Materiaiinterschiedlicher Festigkeit für die Tragseile
im inneren Bereich der Brücke und die Rückhalteseile in deren äußeren Bereich hat
den Vorteil, daß durch das höherwertige Material im inneren Bereich der Brücke eine
größere Elastizität und Weichheit der Brücke in Verbindung mit geringerem Gewicht
erzielt wird, während die Anordnung geringerwertigen Materials für die Rückhalteseile
dort eine größere Steifigkeit bewirkt, die sich darin niederschlägt, daß der Pylon
mit den RUckhalteseSen gewissermaßen einen steifen Verankerungsbock für das Tragseil
darstellt.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungemäßen Hängebrücke besteht in ihrer
äußeren Erscheinungsform. Die Ansicht der Brücke zeichnet sich dadurch aus, daß
die bisherigen unvermeidbaren unschönen Verschneidungen der beiden Seile und der
Hänger vermieden werden. Dur-ch die Anordnung der Hänger in der Mittelebene der
Brücke besteht für die Verkehrsteilnehmer nach außen freie Sicht, während die Fahrbahnen
selbst durch die Hänger getrennt sind.
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Weitere Merkmale und vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben
sich aus der nachstehenden Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten Hängebrücke.
Es zeigen: Fig. 1 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Hängebrücke, Fig. 2 einen Querschnitt
entlang der Linie II-II der Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III
der Fig. 1,
Fig. 4 einen Querschnitt IV-IV in Brückenmitte in vergrößertem
Maßstab.
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Bei der erfindungsgemäßen Hängebrücke spannt sich zwischen den beiden
Pylonen 1 das Tragseil 2, an dem mit lotrechten Hängern 3 der Versteifungsträger
4 aufgehängt ist.
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Das Tragseil 2 besteht aus einer großen Anzahl dicht nebeneinander
angeordneter Spannglieder aus einer Stahlqualität, wie sie im Spannbetonbau üblich
ist, die allseitig von Beton eingehüllt und innerhalb eines kastenartigen Gebildes
aus Blech, Kunststoff od.dgl. angeordnet sind. Das Tragseil 2 läuft etwa mittig
in den Kopf 5 der Pylone 1 ein (Fig. 2), wo die Spannglieder einzeln durch Auffächern
verankert sind. Die Spannglieder des Tragseils 2 werden im Kopf 5 der Pylone von
den seitlich in diesen einlaufenden Spanngliedern von RUckhalteseilen 6 gekreuzt,
die dort ebenfalls einzeln in im Spannbetonbau üblicher Weise verankert sind. Diese
Rückhalteseile übertragen die Seilzugkräfte des Tragseils 2 auf kurzem Wege in den
Baugrund. Sie bilden mit dem Pylon einen Bock, um Bewegungen desselben, die Biegungsspannungen
hervorrufen, weitgehend zu verhindern. Dem gleichen Zweck dient es auch, wenn für
das Tragseil höherwertigen Stahl, beispielsweise ST 160 und für die Rückhalteseile
geringerwertigen Stahl beispielsweise ST 105 verwendet wird. Die Rückhalteseile
sind zweckmäßig in den durch die beiden Stiele 7 der Pylone 1 gebildeten schrägen
Ebenen angeordnet, um eine möglichst zentrische Beanspruchung der Pylonstiele 7
zu gewährleisten.
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Der Versteifungsträger 4 ist als geschlossener Kastenträger ausgebildet.
Er besitzt eine obere Deckplatte 8, welche die Fahrbahn 9 tragt, sowie eine untere
Deckplatte 10; die Seitenwände sind keilförmig ausgebildet. In einer durchgehenden
Längskante 11
sind Gehwegkonsolen 12 angesetzt, die seitlich ein
Geländer 13 tragen. Die Fahrbahnen selbst sind zur Mitte und zu den Außenrändern
hin durch Leitplanken 14 begrenzt, die zur Verringerung des Luftwiderstandes aus
Stahlseilen bestehen. Die Hänger 3 sind am Versteifungsträger 4 in Querrichtung
der Brücke gelenkig aufgehängt, um Zusatzspannungen in den Hängern beim Verdrehen
des Versteifungsträgers infolge Torsion zu vermeiden.