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Koppelfugen-Verstärkung mit CFK-Lamellen
Instandsetzung von Infrastrukturbauten
Mit carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) wird eine Überführung bei Spreitenbach instandgesetzt. Die Projektverfasser wählten diese unkonventionelle Lösung, um die schmale Hohlkastenplatte aus den 1970er-Jahren schonend zu verstärken.
Bei der Zustandserfassung der 1970 erstellten Sandacherbrücke stellten die Ingenieure ein problematisches Rissbild fest: Im Bereich der Spanngliedkopplungen entdeckten sie offene Einzelrisse von ca. 1 mm Breite in der Untersicht der Hohlkastenplatte und an den seitlichen Stegen. Dies sowie andere Gegebenheiten veranlassten eine Gesamtinstandsetzung, die die Tragsicherheit und Gebrauchstauglichkeit der Brücke für eine Restnutzungsdauer über 40 Jahren sicherstellen wird.
Die 377.5 m lange, mehrfeldrige Spannbetonbrücke wurde materialtechnologisch untersucht und statisch überprüft. Aufgrund der Zustandsbeurteilung wurden folgende Instandsetzungs- und Verstärkungsmassnahmen definiert: Abdichtung, Belag, Fahrbahnübergänge, Brückenentwässerung sowie Geländer und Leitplanken wurden ersetzt. Betonschäden wurden instandgesetzt, und der Korrosionsschutz der Lager wurde erneuert. Die gerissenen Koppelfugen wurden mit vorgespannten CFK-Lamellen verstärkt.
Neben diesen bautechnischen Aspekten wurden straffe Bauabläufe geplant, da das Bauwerk die stark befahrene Autobahn N1, die SBB-Streckengleise Zürich–Bern/Basel und den Rangierbahnhof Limmattal überspannt.
Problematik der Koppelfugen
Der Fahrbahnträger war 1970 in fünf Arbeitsetappen erstellt worden, wobei die Vorspannkabel in den vier Arbeitsfugen über Spanngliedkopplungen verbunden worden waren. Aufgrund der an dieser Stelle beobachteten Risse musste davon ausgegangen werden, dass sämtliche Schwankungen der Biegemomente infolge Verkehrslast ermüdungswirksam auf die Spanngliedkopplungen wirkten. Mit dieser Annahme konnten die Ermüdungsnachweise der Kopplungen nicht mehr erbracht werden.
Vorteile der CFK-Lamellen
Die Risse wurden vorgängig ausinjiziert und mittels einer externen Vorspannung wieder überdrückt. Die Verstärkung bringt die Spannungen infolge Nutzlast bei den Koppelfugen auf ein Niveau, wo die Ermüdung unproblematisch wird.
Für die externe Vorspannung kamen, wegen der günstigen Krafteinleitung im bestehenden Bauwerk, CFK-Lamellen zum Einsatz. Weil die Lamellen direkt an der Untersicht der Brückenplatte wirken, reduzieren sich die zusätzlichen Biegemomente infolge der Spanngliedexzentrizität. Zudem sind CFK-Lamellen weniger korrosionsanfällig als externe Spannglieder aus Stahl.
Mit dem ausgeführten System der externen Vorspannung und den mechanischen Stahlverankerungen konnten hohe Spannkräfte in die 14 cm dünne Hohlkastenplatte schonend eingeleitet werden. Das System konnte tagsüber sowie bei kurzen Nachteinsätzen und Gleissperrungen installiert werden, was sich vorteilhaft auf den Bauablauf auswirkte.
Die Ausführung wurde in vier Etappen 2014–2015 realisiert. Die Gesamtkosten der Instandsetzung betrugen ca. 5.3 Mio. Fr.
Spannsystem
Die vier Koppelfugen der Sandacherbrücke wurden jeweils lokal mittels 18 CFK-Lamellen und einer Spannkraft von insgesamt 3960 kN pro Fuge überdrückt. Jede Lamelle misst 60 × 2.6 mm und wurde mit sP0= 1410 N/mm2 vorgespannt. Zugfestigkeit und Elastizitätsmodul betragen ftk= 2900 N/mm2 respektive El= 165 kN/mm2. Die Spannglieder sind mittels mechanischer Verankerungen an der Unterseite der Hohlkastenplatte befestigt. Um die Krafteinleitung zu optimieren, wurden die Verankerungen in Längsrichtung versetzt angeordnet (vgl. Grundriss des Spannsystems). Die Bauherrschaft verlangte eine projektspezifische Genehmigung, um die Gruppenwirkung der Verankerungen zu überprüfen. Sie wurde mit einem Bauteilversuch in Anlehnung an die Norm ETAG 013 erfolgreich durchgeführt.