-
Eingespannte Scheibenbogenbrücke aus Stahlbeton Flache, weitgespannte
Brücken mit nur einer Öffnung gehören zu den schwierigsten Ingenieurbauwerken sowohl
bezüglich der Ausbildung des Überbaues wie auch bezüglich der Übertragung der Lasten
auf die Bodenscheibe. Flache Bogenbrücken sind im allgemeinen nur bei gutem Felsboden
möglich. Ist dieser nicht vorhanden, so müssen die Fundamente außerordentlich schwer
gehalten werden, weil selbst bei gut gelagertem Kiesboden die lotrechten Lasten
a,5mal schwerer sein müssen als der Horizontalschub des Gewölbes. Aber selbst bei
Anordnung von derartig schweren Fundamentkörpern wird im allgemeinen und insbesondere
bei tiefliegender Fundarnentsohle die Resultierende weit rückwärts des Schwerpunktes
der Fundamentfläche einlaufen, womit eine weitere Vergrößerung des Fundaments verbunden
ist.
-
Ein anderes Extrem stellt die eingespannte Balkenbrücke dar, da bei
dieser infolge der großen Einspannmomente die Resultierende im Gegensatz zu der
Bogenbrücke nach der Brückenöffnung hin exzentrisch wirkt. Bei einer bekannten eingespannten
Stahlbetonbalkenbrücke ist das eine Auflager als festes Auflager ausgebildet, während
am anderen Ende der Brücke die Einspannung mittels zweier parallel gestellter Pendel
erfolgt.
-
Mit Rücksicht auf die Fundierungen sind eingespannte Scheibenbogenbrücken
von großer Bedeutung. Infolge der Bogenverkürzung durch die Gewölbedruckspannungen
wird der statisch bestiriimte
-S'eillinienschub ganz erheblich
herabgemindert. Während bei gewöhnlichen eingespannten Bogenbrücken diese Verminderung
nur rund o,5 bis r % beträgt, d. h. 99 bis 99,5 % des Eigengewichts durch Bogenwirkung
und nur o,5 bis r % durch Balkenwirkung nach den Auflagern übertragen werden, werden
bei der eingespannten Scheibenbogenbrücke rund 40% durch Balkenwirkung und nur 60%
durch Bogenwirkung getragen.
-
Bei den eingespannten Scheibenbogenbrücken ergeben sich ferner günstige
Verhältnisse für die Fundamente, da ihre Wirkungsweise zwischen denen eines eingespannten
Balkens und eines gewöhnlichen Gewölbes liegt. Aber sie haben den Nachteil, daß
bei ihnen die zusätzlichen Gewölbeschübe infolge Temperatur und infolge Schwindens
große Werte annehmen und daß hieraus große wechselnde Biegungsmomente entstehen,
die nicht aufgenommen werden können und zu denen noch die aus Verkehr hinzukommen.
-
Auch für die Widerlager sind diese Schwankungen sehr ungünstig, weil
diese die großen Schwankungen des Horizontalschubes nicht aufnehmen können. Die
großen Vorteile des eingespannten ,Scheibenbogens, die für Eigengewicht allein vorhanden
sind, werden demnach durch die Einwirkungen der Temperatur und des Schwindens vollständig
vernichtet.
-
Die Erfindung bezweckt, die Vorteile des eingespannten Scheibenbogens
nicht nur zu erhalten, sondern noch zu vermehren.
-
Die Erfindung, besteht darin, daß mehrere an sich bekannte Konstruktionselemente
zusammen angeordnet sind, daß nämlich bei einer eingespannten Scheibenbogenbrücke
zur Aufnahme der Einspannungsmomente an den Kämpfern auf Doppelpendeln gelagerte
Gegengewichte angeordnet sind, daß zur Regelung der Größe des Horizontalschubes
die Doppelpendel schräg gestellt und in dieser,Stellung verstellbar sind und daß
der Scheibenbogen mittels stählerner Zugglieder, vorzugsweise in Form von Hängewerken,
vorgespannt ist.
-
Die Einflüsse der Temperatur und des Schwindens auf den Gewölbeschub
werden bei einer Scheibenbogenbrücke nach der Erfindung nicht nur ganz ausgeschaltet,
sondern es wird zugleich der Horizontalschub bei Eigengewicht statisch bestimmt
-und kann so ermittelt werden, daß ein gewünschter Anteil des Eigengewichts der
Brücke durch Bogenwirkung und der Rest durch Balkenwirkung übertragen wird. Hierdurch
ist es möglich, für die Fundamente bei gegebenen Untergrundverhältnissen die günstigsten
statischen Verhältnisse zu erzwingen, so daß nur kleine Widerlager im Verhältnis
zur Gewölbespannweite erforderlich werden.
-
Die Kombination nach der Erfindung ermöglicht es, eingespannte flache
Scheibenbogen von großer Spannweite auszuführen, bei denen-der Horizontalschub aus
Eigengewicht statisch bestimmt und frei wählbar ist und bei denen die Eigengewichtslas.ten
im wesentlichen nur durch zentrische Druckspannungen unter Wegfall von Biegungsmomenten
übertragen werden. Ein weiteres Merkmal dieser neuartigen Scheibenbogen besteht
darin, daß der Horizontalschub im Gegensatz zu den bisherigen Bogenbrücken nicht
konstant ist, sondern von dem Kämpfer nach dem Scheitel hin abnimmt, wodurch das
Gewölbe im Scheitel leicht gehalten werden kann. Hieraus folgt eine wesentliche
Verminderung des Gewölbeschubes und damit eine weitere Abminderung des Eigengewichts.
-
Durch die Anordnung von auf Doppelpendeln gelagerten Gegengewichten
ist die Aufnahme der Einspannungsmomente an der Kämpfern gewährleistet. Diese Art
der Einspannung ist bei eingespannten Balkenbrücken zwar schon mehrfach angewendet
worden, nicht aber bei eingespannten Scheibenbogenbrücken.
-
Die Schrägstellung der Doppelpendel bewirkt, daß ein statisch bestimmter
Horizontalschub erzeugt wird und daß damit die Biegungsmomente aus den Temperaturschwankungen
und dem Schwinden des Betons ausgeschaltet werden. Durch die Wahl der Schräge kann
die Größe des Horizontalschubes geregelt und damit ein beliebiger Teil der Eigengewichtslasten
der Gewölbe- und der Balkenwirkung zugeteilt werden. Dieser Gedanke, einen statisch
bestimmten Horizontalschub zu erzeugen, wurde bei Zweigelenkbogen- und Zweigelenkrahmenbrücken
schon zur Anwendung gebracht, aber noch nicht bei eingespannten Scheibenbogenbrücken,
bei denen außerdem noch Doppelpendel benötigt werden.
-
Die Vorspannung der Scheibenbogen mittels stählerner Zugglieder, die
vorzugsweise in Form von Hängewerken angeordnet sind, bezweckt die Beseitigung der
großen Biegungsmomente infolge Eigengewicht. Bei eingespannten Scheibenbogenbrücken
mit auf schräg gestellten Doppelpendeln gelagerten Gegengewichten zur Aufnahme der
Einspannungmomente an den Kämpfern wird ein Teil der Eigengewichtslasten durch die
Bogenwirkung, der restliche Teil durch Balkenwirkung übertragen. Bei großen Spannweiten
sind die sich aus der Balkenwirkung ergebenden Biegungsmomente und Biegungszugspannungen
nicht nur sehr schädlich, sondern auch nicht mehr aufnehmbar. Sie werden dann gemäß
der Erfindung durch die vorgespannten Zugglieder beseitigt. Hierbei wird zweckmäßig
ein Strang der Zugglieder über die gesamte Brückenlänge durchgeführt; die übrigen
Stränge endigen zwischen dem Scheitel und dem Kämpfer. Damit wird ein abgestufter,
von dem Kämpfer nach dem Scheitel zu abnehmender Horizontalschub erhalten, der eine
wesentliche Verringerung des Eigen-, gewichts der Brücke ermöglicht.
-
Durch die Wahl der Neigung der Pendel kann nicht nur die Verteilung
der Eigengewichtslasten auf die Bogen- und Balkenwirkung reguliert werden, sondern
es kann damit auch zugleich erreicht werden, daß die Resultierende aller lotrechten
und waagerechten Lasten genau durch die Fundamentmitte hindurchgeht, so daß der
Fundatnentkörper möglichst klein gehalten werden kann.
Diese Lage
der Resultierenden wird auch durch die Verkehrslast kaum beeinflußt, weil durch
die Neigung der Pendel das Verhältnis der neu hinzukommenden lotrechten Lasten zu
dem Schub aus Verkehrslast festgelegt ist. Da durch die geschilderte Konstruktion
zugleich auch der Einfluß der Temperatur und des Schwindens so gut wie vollständig
.ausgeschaltet ist, werden damit für alle Belastungsfälle eine nahezu zentrische
Pressung und damit sehr kleine Widerlager im Verhältnis zur Brückenspannweite erhalten.
Der Einflu3 des Kriechens und Schwindens kann sich nur in einer geringfügigen Veränderung
der Pendelneigung bemerkbar machen. Diese ist aber bedeutungslos und kann ganz ausgeschaltet
werden, wenn Rollenlager benutzt oder Pendel verwendet werden, die aus einem Zylinder
herausgeschnitten sind.
-
An sich wäre es zur Erzielung dieses statisch unbestimmten Horizontalschubes
nicht notwendig, den eingespannten Bogen auf beiden Widerlagern mittels Pendeln
zu lagern; hierfür würde eine Lagerung auf Doppelpendelli an einem Widerlager genügen.
Es erscheint aber vorteilhaft, während des Bauzustandes an beiden Widerlagern Pendel
anzuordnen, damit das Schwinden und Kriechen des Betons ganz ungestört vor sich
gehen kann. Allerdings ist dabei zu beachten, daß das beiderseits auf Pendeln gelagerte
System nicht stabil ist und deshalb während dieser Zeit durch einen Puffer in waagerechter
Richtung stabilisiert werden muß. Vor Inbetriebnahme des Bauwerks werden zweckmäßig
die Pendel des einen Widerlagers einbetoniert, wodurch der Puffer überflüssig und
das System stabil wird. Die weiteren Einwirkungen der Temperatur, des Schwindens
und des Kriechens machen sich jetzt in einer Zwängung in lotrechter Richtung bemerkbar,
da hierbei das noch auf Pendeln gelagerte Brückenende infolge der Neigung der Pendel
sich um geringe Abmessungen hebt und senkt. Diese Zwängungsspannungen sind aber
im Verhältnis zu denen aus einer horizontalen Zwängung bei Weglassen der Pendel
ganz verschwindend gering und können noch weiter vermindert Werden, wenn den späteren
Einwirkungen des Schwindens und Kriechens nach Einbetonieren der Pendel des einen
Widerlagers durch eine geringe Verschiebung des Überbaues nach der Seite jenes Widerlagers,
bei dem die Pendel erhalten bleiben, entgegengewirkt wird.
-
Durch die Neigung der Pendel wird der Anteil des Brückengewichts festgelegt,
der durch Balkenwirkung bzw. durch Bogenwirkung übertragen wird. Werden die Pendel
sehr schräg gestellt, so ergeben sich ein großer Horizontalschub und damit zugleich
große zentrische Druckspannungen im Überbau, die groß genug sind, um die Biegungsspannungen
aus der Balkenwirkung so zu überlagern, daß keine oder nur so geringe Biegungsspannungen
auftreten, daß Haarrisse im Beton nicht entstehen können.
-
Ein solcher großer Horizoiltalschub hat aber bei Kies- und Sandboden
den Nachteil, daß schwere @@'iderlager erforderlich sind, um nicht die zulässige
Reibungszahl zu überschreiten. Mit Rücksicht auf die Gründungskosten wird man demnach
gezwungen sein, einen größeren Anteil des Überbaugewichts der Balkenwirkung zuzuweisen,
womit dann aber die Bieguligszugspannungen rasch anwachsen. Diese lassen sich erfindungsgemäß
durch das sich über die ganze Brückenlänge erstreckende, vorgespannte Zugband oder
durch mehrere vorgespannte Zugbänder, von denen nur eines sich über die ganze Brückenlänge
erstreckt, während die übrigen nur für die Deckung der großen Momente in der Nähe
der Kämpfer dienen, beseitigen. Da das Gewölbe an den Widerlagern eingespannt ist,
verlaufen die Biegungsmomente wie die eines eingespamiten Balkens.
-
Für das Vorspannen eignen sich -am besten hochwertige Stähle, weil
der Spanliungsabfall in den Spannankern infolge des Schwindens und Kriechens des
Betons um so geringer ist, je höher die verwendete spezifische Spannung ist. Am
meisten sind hierfür hochwertige Brückenseile geeignet, bei deren Verwendung mit
einer zulässigen Spannung von 5ooo bis 8ooo kg/cm2 gerechnet werden kann, die aber
vor allem auch den Vorteil haben, daß sie in unbeschränkter Länge geliefert werden
können, während bei hochwertigen Rundstählen der Stoß durch Schweißen oder durch
Spannschlösser hergestellt werden muß. Gegenüber Rundstählen haben diese Seile noch
den weiteren Vorteil, daß sie erst nach Betonieren und Erhärten des Stahlbetoniiberbaues
eingezogen werden können, während die Rundstähle vor dem Betonieren verlegt «-erden
müssen und dadurch den Arbeitsvorgang behindern. Die Hängewerke aus Seilen sind
im Verhältnis zu den steifen Stahlbetonbalken weich, so daß bei Verkehrslasten das
Hängewerk den Balken nur -in geringem Maße entlastet. Da durch die echten und die
unechten Horizontalschübe infolge der Eigengewichtsbelastung in dem Tragwerk hohe
zentrische Druckspannungen vorhanden sind, können diese Biegungsmomente aus Verkehr
nur durch eine -Umlagerung der Druckspannungen unter' Vermeidung von Zugspannungen
aufgenommen werden. Auch bei Verwendung von hochwertigen Brückenseilen ergibt sich
ein gewisser Spannungsabfall durch das nachträgliche Schwinden und Kriechen des
Betons, der zwar nicht von großer Bedeutung bezüglich der dadurch ausgelösten Biegungsmomente
ist.
-
Wenn erreicht werden soll, daß die durch ihr Eigengewicht belastete
Konstruktion frei von Biegungsmomenten ist, d. h. nur durch zentrischen Druck beansprucht
wird, so muß dafür gesorgt werden, daß in den ersten Jahren nach Ilibetriebnahme
des Bauwerks die Seile nachgespannt werden können. Hierzu ist es notwendig, die
Seile an den Knickpunkten des Hängewerks gegenüber den Querträgern des Stahlbetontragwerks
auf Rollen oder Pendeln zu lagern. Hierdurch wird auch die Möglichkeit geschaffen,
im Laufe der Zeit die Seile einzeln nacheinander ohne Störung des Brückenverkehrs
auszuwechseln.
-
Das geschilderte Verfahren zur Herstellung eines statisch bestimmten
Horizontalschubes und zur Beseitigung
der Zwängungsspannungen aus
Temperatur, Schwinden und Kriechen läßt sich in gleicher Weise auch auf eingespannte
Scheibenbogen mit mehreren Üffnungen anwenden.
-
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt. Fig. i zeigt eine Brückenkonstruktion, bei der die die Einspannung
bewirkenden Gegengewichte h des Scheibenbogens a auf den beiderseitigen Widerlagern
b auf parallelen Doppelpendeln c gelagert sind und bei der die Biegungsmomente aus
der Balkenwirkung durch einen Seilstrang h in Form eines Hängewerks d beseitigt
sind. Das Hängewerk ist gegenüber den Querträgern e des Stahlbetontragwerks mittels
Rollen oder Pendeln f längs verschieblich gelagert und an den Widerlagern in den
Punkten g rückverankert. Von dem Gesamthorizontalschub des Gewölbes, der sich aus
dem unechten Schub und dem echten Schub zusammensetzt, wird nur der echte Schub
von den Widerlagern nach der Bodenscheibe weitergeleitet.
-
Fig. 2 zeigt eine Brücke nach der Erfindung, bei der für die Beseitigung
der Biegungsmomente aus der Balkenwirkung drei Seilstränge H1, H2 und H3 verwendet
sind.
-
Fig. 3 zeigt den vom Kämpfer nach dem Scheitel des Gewölbes entsprechend
den vorhandenen Betonquerschnittsflächen abnehmenden Horizontalschub, der von Ho,
H1, H2, H3 am Kämpfer auf Ha, H1 am Scheitel abnimmt.
-
Fig. q. zeigt an einem Widerlager die Lage der Resultierenden R bei
Verwendung der erfindungsgemäßen Konstruktion mit kombinierter Bogen-und Balkenwirkung
und die Lage R1 bei einem gewöhnlichen Gewölbe und R2 bei einem eingespannten Bogen.
-
Die vorstehenden Darlegungen beziehen sich in gleicher Weise auf alle
an den Kämpfern eingespannte Scheibenbögen, d. h. sowohl auf den gelenklosen wie
auch auf den Scheibenbogen mit Scheitelgelenk. Infolge der Vorspannung des durchgehenden
Stranges H1 können auch bei Anordnung eines ,Scheitelgelenkes die Balkenmomente
im Scheitel infolge Eigengewichts wie bei der gelenklosen Scheibe aufgenommen werden,
da die Spannkraft H1 gegenüber dem Gelenk einen Hebelarm besitzt. Für Verkehrslast
dagegen sind die Seile zu weich, so daß sie nur einen verschwindend geringen Teil
dieser Balkenmomente aus Verkehrslast übernehmen können, womit das Gelenk wirksam
wird. Bei dem erfindungsgemäßen System wirkt also der Scheitelbogen für Eigengewicht
wie ein gelenkloser Bogen; für Verkehrslast dagegen ist das Gelenk wirksam. In Sonderfällen,
insbesondere bei kleineren Spannweiten kann man auch darauf verzichten, den Strang
H über den Scheitel hinwegzuführen, d. h. man kann ihn vor dem Scheitelgelenk verankern.
In diesem Falle ist das Scheitelgelenk sowohl für die Lasten aus Eigengewicht wie
aus Verkehr wirksam.