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Gleiten bis zum Anschlag
Mit seinem Bogen- und Pfeilersystem bietet das Sixth-Street-Viadukt einen beispiellosen Widerstand gegen Erdbeben. Projektleiter Michael Jones gibt Einblicke in die seismische Isolation und das Überlastkonzept der Brücke im Ernstfall.
Anfängliche Überlegungen zur Brückengestaltung gingen noch von einer über der Stadt schwebenden bandförmigen Konstruktion in Anlehnung an andere Bauten in Los Angeles aus. Sie scheiterten aber an den gebotenen Profil- und Steifigkeitsanforderungen. Die Designer um HNTB-Ingenieure und -Architekten, Michael Maltzan Architecture und der dänische Brückenarchitekt Poul Ove Jensen von Dissing + Weitling verfolgten daher ein zehnfeldriges Stabbogenkonzept aus Beton weiter. Die Bogenform entsprach eher der gewünschten architektonischen Ästhetik einer sich in die städtische Umgebung einfügenden Konstruktion. Gleichzeitig sollte der Entwurf die beiden Stahlbogenspannweiten der ursprünglichen Brücke über den Los Angeles River respektvoll andeuten. Die Gestaltung des Unterbaus blieb jedoch vorerst unbestimmt.
Auf X folgt Y
Unumstritten war, dass die Bogenrippen kontinuierlich durch das Brückendeck bis zum Boden geführt werden sollten, um die Brücke in die darunterliegende Umgebung zu integrieren. Die Architekten gaben zuerst sich überkreuzenden Bogenrippen den Vorzug, wodurch sich von der Seite gesehen ein X-förmiges Design unter der Fahrbahn ergab. Es gab jedoch Bedenken hinsichtlich der seismischen Leistungsfähigkeit dieser Pfeiler. Während eine solche Konfiguration in Gebäuden nicht ungewöhnlich ist, weil die X-Verstrebungen nur seitliche Lasten aufnehmen müssen, belasten bei einer Brücke auch alle vertikalen Lasten diese Elemente.
Als Alternative entwarf ein von Jensen geleitetes Team ein zweites Konzept, dem eine Y-förmige Pfeilerunterkonstruktion zugrunde lag. Beim Y-Pfeiler würden die Bögen auf einer im Boden eingespannten Stütze zusammengeführt.
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Eine Reihe von Herausforderungen blieb jedoch auch hier bestehen. Bei einer Länge von knapp 1000 m hätten die zehn Bogenspannweiten und neun Y-Bögen durch Dehnungsfugen unterbrochen werden müssen, damit sich die massive Struktur hätte ausdehnen und zusammenziehen können. Dehnungsfugen waren also notwendig, unterbrachen jedoch die angestrebte ästhetische Kontinuität der Struktur erheblich. Besorgniserregend waren Computermodelle, die Erdbebenbelastungen simulierten. Die Bogenrippen über der Fahrbahn verschoben sich deutlich, wenn sie seismischen Kräften ausgesetzt waren. Diese Reaktion wurde noch durch die aus ästhetischen Gründen angeordneten unverspannten und nach aussen geneigten Bogenrippen verschärft.
Seismische Isolation und Backup-System
Diese Probleme führten dazu, eine seismische Isolation der Brückenkonstruktion in Betracht zu ziehen. Aufgrund der Architektur des Viadukts konnten die seismischen Isolatoren jedoch nicht im Bereich der Fahrbahnplatte platziert werden, wie es in der Brückenpraxis üblich wäre. Die Bogenrippen mussten weiterhin kontinuierlich in den Y-Pfeiler münden. Die Isolationslager wurden daher innerhalb der vertikalen Stütze der Y-Pfeiler platziert, was im Brückenbau beispiellos war.
Während Isolationslager so bemessen sind, dass sie die erwarteten seismischen Verschiebungsanforderungen erfüllen, gibt es für sie keine Vorgaben bei einem Überschreiten des Bemessungserdbebens – einem Überlastfall.
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Das Planerteam wählte einen neuartigen Ansatz: Bei einem Überschreiten der maximalen Auslenkung am Lager sollte sich dieses schnell durch eine seitliche Einspannung versteifen. Die Brücke musste daher die Eigenschaften einer herkömmlich konzipierten, nicht isolierten Struktur mit eingebauten seismischen Gelenken in sich vereinen. Diese plastischen Gelenke werden nur nach der Überschreitung der vorbestimmten Verschiebung innerhalb des Isolators aktiviert. Ein solches Backup-System macht ein Lagerversagen oder ein Ablösen des Brückenaufbaus von der Stütze praktisch unmöglich.
Bei der Überprüfung der Duktilität während einer Überlast-Analyse wurde jedoch eine hohe Torsion in den Pfeilerarmen beobachtet. Und sobald sich das plastische Gelenk ausgebildet hatte, nahm die Torsion weiter zu. Es handelte sich also nicht um eine Gleichgewichtstorsion. Da eine zunehmende Torsion in einem duktilen seismischen Gelenk nicht tolerierbar war, entschied sich das Planerteam schliesslich dafür, das Gelenk innerhalb der gebohrten Schäfte anzuordnen, die die Struktur tragen. Der kreisförmige Querschnitt mit einem Durchmesser von 3 m weist eine ausgezeichnete Duktilität aufgrund guter Begrenzungsdetails und niedriger axialer Belastungsverhältnisse auf.
Gleiten auf drei Ebenen
Im Projekt fanden Dreifach-Pendel-Isolationslager Verwendung. Dieses neue Isolationskonzept würde die Wahrscheinlichkeit eines Lagerausfalls im Wesentlichen eliminieren und die Zuverlässigkeit der Lager erheblich erhöhen, unabhängig von der während der Planungsphase angenommenen Bodenerschütterung.
Die verwendeten Dreifach-Pendellager wurden nach vielen Prototypentests modifiziert: Der äussere Gleiter weist nun einen doppelten Radius auf und der innere Gleiter ist derart angepasst, dass ein reibungsloser Übergang zwischen den beiden Radien möglich ist. Infolgedessen haben die für die Sixth-Street-Brücke hergestellten abgeänderten Lager das höchste Verhältnis von Seitenfestigkeit zu vertikaler Belastung (ungefähr 55 %), das jemals vom Hersteller EPS gefertigt wurde. Zum Vergleich: Bei den Lagerverschiebungen eines 1000-jährlichen seismischen Bemessungsereignisses variieren die seitlichen Lagerkräfte, die auf die Unterkonstruktion übertragen werden, zwischen 15 % und 20 % der vertikalen Last.
Der Hersteller führte auch eine Quantifizierung der seismischen Leistungsfaktoren von Bauwerken (FEMA P695) durch. Die Analyse des Lagerversagens ergab eine Wahrscheinlichkeit gegen Zusammenbruch von 99.99 %. Kein früheres Projekt mit vergleichbaren Lagern kann mit einer so hohen Zuverlässigkeit aufwarten.
Testgelände für Innovation
Das Konzept der seismischen Isolation bot einen signifikanten Vorteil. Da die Brücke über den Isolationslagern frei verschieblich gelagert ist, konnte auf Dehnungsfugen verzichtet und das Viadukt über seine gesamte Länge von fast 1000 m durchgehend konstruiert werden. Aufgrund praktischer Einschränkungen bei der Bauabfolge, etwa Längenbeschränkungen bei der Nachspannung der Bauteile, musste das Viadukt jedoch in diskreten Abschnitten gebaut werden, die abschliessend vergossen wurden.
Als Stabbogen kommt jedem Randträger des Viadukts eine besondere Bedeutung zu. Die Randträger müssen den Bogenschub der zehn Durchlaufbögen aufnehmen. Auch die Arme der Y-Stützen werden über die Randträger entlastet. Im Zwischenbereich der Arme übersteigen die auftretenden Kräfte sogar den Bogenschub. Der Spezialist für Spannsysteme schlug vor, Vorspannkupplungen zu verwenden, um die zehn Randträgerspannglieder mit einem Durchmesser von 4.5 Zoll (entspricht 11.43 cm) mit denen zwischen den Y-Armen zu verbinden.
Bei vollständiger Durchgängigkeit des Oberbaus waren Dehnungsfugen nur noch an jedem Widerlager erforderlich. Die Planer entschieden sich für eine wartungsarme Erdbebendehnfuge in Form einer Stahlplattenverbindung. Da zwischenliegende Dehnungsfugen immer ein Wartungsproblem darstellen, minimierte die Begrenzung der Dehnungsfugen auf jedes Ende des Viadukts und die Verwendung wartungsarmer seismischer Stahlplatten-Dehnungsfugen die erforderliche langfristige Wartung der Struktur.
Auch weitere Projektdetails wurden aufgrund des Bedürfnisses nach Nachhaltigkeit und struktureller Langlebigkeit entwickelt. Beispielsweise spezifizierte das Team nachgespannte Bodenträger in Querrichtung, was zu einer Vorspannung der Struktur in zwei Richtungen führte. Zusammen mit einer schwindarmen Betonmischung für den Oberbau wird dies letztlich die Rissbildung reduzieren und die Lebensdauer des Bauwerks verlängern. Der Deckbeton enthält zudem eine faserverstärkte Betonmischung. Positiv auf die Nutzungsdauer wirkt sich auch die Feuerverzinkung aller Baustähle und Brückengeländer aus. Die Bogenabhänger werden zusätzlich mit einer Beschichtung aus einer Zink-Aluminium-Legierung und einer Schmier- und Sperrmasse geschützt, die während des Verseilens aufgetragen wurde. All diese Massnahmen reduzieren die Instandhaltungskosten und erhöhen die Lebensdauer der Konstruktion.
Die ausführliche Version dieses Artikels ist erschienen in TEC21 2/2024 «Starbesetzung für L.A.».
Auszug aus dem Artikel Michael Jones, «Sixth Street Viaduct, Replacement Project, A case study», in: Structure magazine, Oktober 2022.
Übersetzung: Peter Seitz, Redaktor Bauingenieurwesen