Baustatik-Baupraxis 11, © 2011, Universität Innsbruck / TU Graz
Die Rollbrücken der neuen Landebahn am Flughafen Frankfurt
Stephan Schmidt
Ingenieurbüro Dr. Binnewies, Hamburg
Zusammenfassung: Im Zuge des Neubaus der Landebahn Nordwest am Frankfurter Flug- hafen entstehen zwei Verbindungsrollbahnen. Über diese werden die Flugzeuge über Auto- bahn und ICE-Trasse sowie über Kreis- und Betriebsstraßen geführt. Dafür werden fünf unterschiedliche Rollbahnbrücken (kurz Rollbrücken) errichtet. Die Randbedingungen für deren Bauwerksentwürfe sind sehr komplex. Bereits vorliegende Entwurfskonzepte wurden überarbeitet und durch Sonderentwürfe ersetzt. Die größte dieser Rollbrücken hat einen Kreuzungswinkel von 30 Gon, ist ca. 90 m lang und 220 m breit. Der umgesetzte Bau- werksentwurf beinhaltet ein integrales Spannbetontragwerk als Ein- bis Dreifeldrahmen mit Einzelspannweiten von ca. 30 m unter Einsatz von Fertigteilen mit Ortbetonergänzung und Schlepp-Platten hinter den Widerlagern. Die Ausführungsplanungen für die Rollbrücken sind abgeschlossen. Die Rollbrücken werden derzeit gebaut. Es ist bereits abzusehen, dass sie ordnungsgemäß und termingerecht fertig gestellt werden.
1 EINFÜHRUNG
Die neue Landebahn Nordwest liegt nördlich der gebündelten Verkehrswege Bundesauto- bahn (BAB) 3 und ICE-Strecke Frankfurt-Köln, während sich die bestehenden Flugbe- triebsflächen südlich davon befinden. Die Verbindung erfolgt über zwei Rollbahnen, die auf Dämmen und Brücken geführt werden. Sie überqueren ICE-Strecke und BAB sowie eine Kreis- und eine Betriebsstraße des Flughafens. Die östliche Rollbahn beinhaltet drei Rollbrücken, die westliche zwei. Zu den einzelnen Brückenanlagen gehören neben den eigentlichen Rollbrückenbauwerken weitere Ingenieurbauwerke wie Straßenbrücken, Lei- tungsbrücken und Trogstrecken, auf die hier jedoch nicht weiter eingegangen wird. Die Randbedingungen für die Bauwerksentwürfe der Rollbrücken sind sehr komplex:
• Kreuzungswinkel sehr spitz, bis zu 30 Gon, Einzelspannweiten von bis zu 33 m
• große Brückenbreiten bis über 200 m, Brückenfelder deutlich breiter als lang
• hohe Nutzlasten aus Flugzeugbetrieb, 750-t-Bemessungsflugzeug
• begrenzte Bauhöhen von ca. 200 cm (Lichtraumprofile BAB, Rollbahngradienten)
• Komplexe Bauwerksgeometrie, alle fünf Brücken unterschiedlich
• Bauen über fließendem Verkehr und rollendem Rad, eng begrenzte Sperrpausen
• Ausstattung der überdeckelten Bereiche als Straßentunnel, schon während der Bauzeit
• Platzverhältnisse beengt, schwierige Zu- und Abfahrtsmöglichkeiten
Abbildung 1: Lageplan Neue Landebahn mit Standorten der Rollbahnbrücken Die Entwurfs- und Ausführungsplanungen für die Rollbrücken und zugehörige Ingenieur- bauwerke wurden durch das Ingenieurbüro Dr. Binnewies erbracht. Sie begannen im April 2008. Im Rahmen der Entwurfsplanung wurden bereits vorliegende Konzepte überarbeitet und schließlich durch Sonderentwürfe ersetzt. Eine besondere Herausforderung stellte dar- über hinaus die termingerechte Fertigstellung der Schal- und Bewehrungspläne für alle fünf Brückenanlagen mit einer Gesamtbrückenfläche von ca. 40.000 m² dar. Insgesamt wurden ca. 600 Schal- und 800 Bewehrungspläne rechtzeitig an die Baustelle geliefert. Baubeginn war im August/September 2009. Die fünf Baulose der Rollbrücken wurden an drei ver- schiedene Baufirmen vergeben. Die Bauarbeiten laufen derzeit termingerecht. Sie werden Anfang 2011 im Wesentlichen abgeschlossen sein. Alle fünf Brückenbauwerke sind als integrale Bauwerke ohne Lager und Fugen konzipiert und ausgeführt.
2 RANDBEDINGUNG: ROLLBAHN
2.1 Planfeststellung
Wesentliche Randbedingungen, wie Lage und Gradientenverlauf der Rollbahn, sind durch die Planfeststellung vorgegeben. Daraus ergeben sich, insbesondere für die beiden größten Rollbrücken Ost 1 und West 1 (über BAB und ICE-Strecke) aber auch für die Rollbrücke Ost 2 (über Kreisstraße), sehr spitze Kreuzungswinkel von 30 bzw. 64 Gon.
2.2 Breite der Rollbahn
Die Mindestbreite der Rollbahn auf der Brücke beträgt - senkrecht zur Rollbahnachse - 44 m. Darüber hinaus fordern die Sicherheitsbestimmungen der Luftfahrt beidseitig die Anlage von Seitenfahrbahnen mit Breiten von 6,50 m zur Gewährleistung einer Umfahrt von havarierten Luftfahrzeugen. Sowohl zwischen Rollbahnbereich und Seitenfahrbahnen als auch am äußeren Rand der Seitenfahrbahnen werden 2 m breite Kappen vorgesehen.
Mit der sich daraus ergebenden Mindestbreite des Rollweges von 65 m ist gewährleistet, dass Luftfahrzeuge mit Spannweiten bis 65 m die Brücke berollen können, ohne das Bau-
werk zu überragen. Die erforderliche Rollwegbreite führen bei den vorhandenen spitzen Kreuzungswinkeln zu beachtlichen Brückenbreiten von bis zu 220 m.
Abbildung 2: Visualisierung Roll-
brücken Ost 1 (hinten) und Ost 2 Abbildung 3: Rollbrücke Ost 1, Betonage der Ortbetonergänzung
2.3 Lasten aus Flugzeugbetrieb
Maßgebender Lastfall ist der Flugzeugverkehr. Dafür ist auf der gesamten Rollbahnbreite ein 750-t-Bemessungsflugzeug in ungünstigster Stellung anzusetzen. Das Lastbild bildet Hauptfahrwerk (zwei Blocklasten von 150 kN/m² auf 4,90 x 4,90 m) und Bugfahrwerk (Blocklast von 152 kN/m² auf 1,25 x 4,0 m) mit einem Achsabstand von 30 m ab. Für loka- le Nachweise sind darüber hinaus Radlasten einzelner Flugzeugtypen maßgebend. Die Lasten sind mit Schwingbeiwerten von φ = 1,3 am Haupttragwerk bzw. φ = 1,8 am Bug- fahrwerk zu berücksichtigen. Für Bremsen und Anfahren sind 30 % der vertikalen Lasten als Horizontallast in beiden Fahrtrichtungen anzusetzen (H = 2.250 kN).
3 ROLLBRÜCKE OST 1
3.1 Baubeschreibung
Die zwei mittleren Pfeilerwände sind zwischen BAB und ICE-Strecke und zwischen den BAB-Richtungsfahrbahnen nahezu parallel zueinander und zu den Widerlagerwänden an- geordnet. Die Gründung von Pfeiler- und Widerlagerwänden erfolgt auf eingespannten Bohrpfählen (Durchmesser 120 cm, Regelabstand 3 m, Pfahllängen 8 bis 17 m, Pfahlkopf- balken b/h = 180/120 cm). Darauf werden die fugenlosen Widerlager- und Pfeilerwände mit Dicken von 120 cm errichtet. Im Wandkopfbereich sind die Rahmenwände auf 170 cm (Pfeilerwände) bzw. 185 cm (Widerlagerwände) aufgeweitet. Der Überbau besteht aus vorgespannten Fertigteilen, Ortbetonergänzung und Kontinuitätsvorspannung. Zunächst werden - während kurzer nächtlicher Sperrpausen - die Fertigteilträger verlegt. Sie sind als T-Träger mit Breiten von 50 cm, Bauhöhen von 140 cm und Flanschbreiten von 223 cm konzipiert. Im Auflagerbereich sind die Trägerquerschnitte gevoutet (Breiten bis 120 cm, Höhen bis 160 cm). Werkseitig erhalten die Träger bereits eine Vorspannung mit nachträg- lichem Verbund sowie Hüllrohre für die Herstellung der späteren Kontinuitätsvorspannung.
Die Anschlussbewehrungen von Wänden und Fertigteilen sind exakt aufeinander abge-
stimmt und erfordern eine sehr präzise Montage. Für die Rollbrücke Ost 1 werden 275 Fertigteilträger mit Einzelgewichten von bis zu 95 t montiert.
Abbildung 4: Rollbrücken Ost 1, Draufsicht und Schnitt
Aufgrund der sehr komplexen Bauwerksgeometrie ist jedes Fertigteil für sich ein Unikat mit geringfügigen Abweichungen in seinen Abmessungen. Nach deren Montage und vor Aufbringen der Ortbetonplatte ist die Rahmenwirkung der Gesamtkonstruktion zu realisie- ren. Dafür werden die Bereiche an den Wandköpfen vorab bewehrt und betoniert. Erst daraufhin erfolgt die Betonage der 40 bis 75 cm dicken Ortbetonplatte. Die Brückenfläche wird in einem Abschnitt betoniert (ca. 10.000 m³ Beton innerhalb von ca. 60 Stunden).
Nach Fertigstellung werden die Kontinuitätsspannglieder eingeschossen und gespannt.
Überbau und Auflagerwände bilden ein- bis dreifeldrige Rahmen mit Einzelstützweiten von 26 bis 33 m und Längen von ca. 90 m. Die schiefe Länge der Rollbrücke - in Rollbahnach- se und zwischen den Widerlagerinnenkanten gemessen - beträgt ca. 195 m. Die Rollbrücke Ost 1 hat eine Brückenfläche von ca. 20.000 m².
Das ursprünglich vorliegende Entwurfskonzept sah eine Ortbetonkonstruktion mit massiver 200 cm starker Überbauplatte vor. Der Abstand zwischen Überbau und Lichtraumprofil lässt jedoch für Schalkonstruktionen keinen Platz. Außerdem sind für eine Ortbetonscha- lung Abstützungen und Gründungsmaßnahmen im BAB-Bereich erforderlich, was mit erheblichen Einschränkungen im Straßenverkehr verbunden ist. Das nunmehr ausgeführte Entwurfskonzept ist realistisch umsetzbar und spart dem Bauherrn auch in beachtlichem Maße Baukosten und Bauzeit ein. Dieses Entwurfsprinzip (vorgespanntes integrales Spannbeton-Rahmenbauwerk mit Fertigteilen mit T-Querschnitt und Ortbetonergänzung) wird auch auf die Rollbrücken West 1 und Ost 2 übertragen.
3.2 Erddruck auf die Widerlagerwand
Die Erddruckbelastung auf die Widerlagerwand - insbesondere bei temperaturabhängiger Ausdehnung und Verkürzung des integralen Bauwerks - erfordert besondere Überlegungen.
Eine Ausbildung der Widerlagerwand als Stützwand gegen den Erddruck (z.B. durch Rückverankerung) ist nicht realisierbar. Wegen des spitzen Kreuzungswinkels scheidet eine horizontale Stützung durch die Brückenkonstruktion ebenfalls aus. Erforderlich ist eine Konzeption zur Vermeidung einer Erdruckbelastung auf die Widerlagerwand. Geplant und ausgeführt wird ein geogitterbewehrter Hinterfüllungskörper als "Erddruckfänger". Er be- wirkt, dass der Erdkörper ohne stützende Wirkung der Widerlagerwand standsicher ist.
Zwischen Widerlagerwand und Hinterfüllung wird eine kompressible Schicht (EPS- Schaum) als Puffer eingebaut. Erddrücke aus Eigengewicht und Verkehrsbelastung werden so weitgehend vom Widerlager abgeschirmt. Die Aktivierung des passiven Erdwiderstan- des infolge Temperaturausdehnung wird durch die Anordnung der Weichschicht verhindert.
Im Übergang zwischen Widerlagerwand und Hinterfüllung wird im Bereich von Rollbahn und Seitenfahrbahn eine Schlepp-Platte mit wasserdichter Dehnfuge angeordnet.
Abbildung 5: Rollbrücke Ost 1, Rahmenecken Rollbahnbereich
3.3 Bemessung, Statik
Wegen der sehr komplexen Bauwerksgeometrie sowie der integralen Bauweise können Berechnungen und Bemessungen ausschließlich an vereinfachten Teilmodellen in Brücken- längsrichtung nicht als hinreichend genau angesehen werden. Parallele Berechnungen am Gesamtsystem sind erforderlich, um insbesondere das Tragverhalten in Brückenquerrich- tung zutreffend zu erfassen. Die statischen Nachweise werden mit Hilfe der Berechnungs- programme von RIB und Infograph geführt, wobei mit keinem der Programme alle erfor- derlichen Nachweise geführt werden können. Die Berechnungen werden laufend durch gegenseitige Vergleichsrechnungen und vergleichende Handrechnungen begleitet. Die sta- tischen Berechnungen sind unter anderem gekennzeichnet durch:
• Ergebnisübergaben zwischen Programmen, Einzel- und Gesamtsystemen
• Erfassung Temperatur, Kriechen, Schwinden, Umlagerungen im Betonverbunddträger (Querschnittsumlagerungen) sowie im Tragwerk (Systemumlagerungen)
• Berücksichtigung Bauablauf, Bauzustände, Betonierreihenfolgen
• Erfassung der Längsrichtung: Fertigteilträger mit und ohne Ortbetonplatte, Berücksichtigung unterschiedlicher Dicken Ortbetonplatte (40 bis 75 cm)
• Erfassung der Querrichtung
• Schnittgrößenermittlung Rahmenecken mit unterschiedlichen Schubsteifigkeiten der Ortbetonplatte sowie unterschiedlichen Bettungsmoduln der Pfähle
• Rahmenecken: Nachweise mit Stabwerksmodellen
• Brandschutznachweise (Straßentunnel) mit Simulationsberechnungen
4 DIE WEITEREN ROLLBRÜCKEN 4.1 Rollbrücke West 1
Abbildung 6: Rollbrücke West 1, Schnitt und Visualisierung
Der Kreuzungswinkel unterscheidet sich mit 64 Gon von dem der Rollbrücke Ost 1 (30 Gon). Dies führt trotz etwa gleicher Breiten der Verkehrswege zu unterschiedlichen Haupt- abmessungen. Für die Rollbrücke West 1 ergeben sich folgende Parameter:
• Einzelstützweiten und Brückenlänge ca. 30 m + 25 m + 25 m = 80 m
• Rollbahnlänge auf der Brücke ca. 94 m, Brückenbreite ca. 82 m
• Brückenfläche ca. 7.200 m², Anzahl der Fertigteilträger 107
• neben der Rollbrücke sind separat eine Straßen- und eine Leitungsbrücke angeordnet
4.2 Rollbrücke Ost 2
Die Rollbrücke Ost 2 überführt den östlichen Rollweg über eine bestehende vierspurige Kreisstraße mit einem Kreuzungswinkel von 30 Gon. Dadurch ergibt sich eine sehr große Brückenbreite von 201 m (bei Brückenlänge 26 m). Das Entwurfskonzept folgt dem der Rollbrücken Ost 1 und West 1 (hier Einfeldrahmen, 92 Fertigteilträger, Brückenfläche ca.
6.300 m²). Aufgrund der geringen Längenausdehnung konnte bei diesem Bauwerk auf den
"Erddruckfänger" verzichtet und eine konventionelle Hinterfüllung ausgeführt werden.
Abbildung 7: Rollbrücke Ost 2, Draufsicht und Schnitt 4.3 Rollbrücke West 2
Abbildung 8: Rollbrücke West 2,
Schnitt und Visualisierung Abbildung 9: Rollbrücke Ost 3 (Be- triebsstraßentunnel), Visualisierung Die Brücke (Kreuzungswinkel 90 Gon, Brückenfläche 2.000 m²) ist als flachgegründete, schlaffbewehrte, zweifeldrige Rahmenkonstruktion mit Einzelstützweiten von ca. 13 bzw.
14 m ausgebildet. Neben der Rollbrücke sind separat eine Straßen- und eine Leitungsbrücke angeordnet. Die unterführten Straßen werden abgesenkt und in Trogbauwerken neu erstellt.
4.4 Rollbrücke Ost 3 (Betriebsstraßentunnel)
Der Rollbahndamm Ost wird zwischen Parkhaus und Betriebsgebäude mit einem Kreu- zungswinkel von ca. 50 Gon über eine Betriebsstraße geführt. Der flachgegründete Tunnel (Rahmen, Regelspannweite 13 m, Ortbeton, schlaff bewehrt) erstreckt sich mit einer Brü- ckenfläche von 3.300 m² über eine Länge von ca. 160 m. Aufgrund der komplexen Geo- metrie ergeben sich unterschiedliche Deckenstärken von ca. 90 bis 120 cm. Am westlichen Tunnelportal wird eine verkehrliche Anbindung betrieblicher Lagerflächen als Straßenein- mündung unterhalb der Tunneldecke realisiert. Dort entsteht ein trompetenförmig aufge- weiteter Einmündungssbereich, der auf acht schlanken Rundstützen aufgelagert ist.
Abbildung 10: Rollbrücke Ost 3 (Betriebsstraßentunnel), Draufsicht und Schnitt
5 AM BAU BETEILIGTE
• Bauherr: Fraport FBA, Frankfurt
• Bauwerksvorplanung,
Planfeststellungsverfahren: Dorsch Consult, Frankfurt
• Generalplanung, Tragwerksplanung, Objektplanung Ingenieurbauwerke,
Bauoberleitung und -überwachung: Ingenieurbüro Dr. Binnewies, Hamburg
• Objektplanung Verkehrsanlagen: Masuch + Olbrisch, Oststeinbek
• Planung Technische Ausrüstung: RMN Ingenieure, Norderstedt
• Bodengutachten: ELE Erdbaulaboratorium, Essen
• Bautechnische Prüfung: Krebs und Kiefer, Darmstadt
• GU Rollbrücken West 1, Ost 1: Max Bögl, Sengenthal
• GU Rollbrücken West 2, Ost 3: Ed. Züblin, Frankfurt
• GU Rollbrücke Ost 2: Leonhardt Weiß, Satteldorf
6 BILDNACHWEIS
• Abb. 2, 6b, 8b, 9: Visualisierungen Fraport-AG, FBA-R, Frankfurt, H. Amann
• Weitere Abb.: Ingenieurbüro Dr. Binnewies, Hamburg
