Holz-Beton-Verbund im Brückenbau am Beispiel der ... - Quadriga

Holz-Beton-Verbundkonstruktion
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2/2011
Holz-Beton-Verbund im Brückenbau
am Beispiel der Chiemgau-Arena in Ruhpolding
In Deutschland sind – im Gegensatz zum europäischen Ausland
– Holz-Beton-Verbundbrücken trotz ausgereifter Sys -
temansätze bis heute nur äußerst selten vorzufinden. Mit den
Brücken in Johanngeorgenstadt (Fertigstellung 2004, [3]) und
Wippra (Fertigstellung 2008, [2]) existieren lediglich zwei
Brücken in dieser recht jungen Verbundbauweise. Eine weitere
vor Kurzem fertig gestellte HBV-Brücke in Ruhpolding
(Fertigstellung 2010, [1]) erweitert die Liste der erstellten
Brückenkonstruktionen um ein drittes Projekt. Die Besonderheit
bei dieser Brücke: Erstmals wurde in Deutschland eine
Verbundbrücke erstellt, bei der die Teilquerschnitte der Brücke
(Holz und Beton) über eingeklebte Streckmetalle (HBV-Schubverbinder)
miteinander verbunden sind. Die Brücke in Ruhpolding
ist insbesondere für Biathleten gedacht, somit aus statisch
konstruktiver Sicht vorwiegend ruhenden Einwirkungen
ausgesetzt. Holz-Beton-Verbundkonstruktionen mit eingeklebten
HBV-Schubverbindern sind aus technischer Sicht jedoch
auch bei Tragwerken unter nicht vorwiegend ruhenden
Einwirkungen einsetzbar. Hier zeigen wissenschaftliche Ergebnisse,
dass sich das Ermüdungsverhalten solcher HBV-Konstruktionen
sehr gut mit den vorliegenden DIN-Normen berechnen
lässt. Der folgende Beitrag stellt diese Berechnungsansätze
vor. Zudem wird der Neubau der Biathlonbrücke in
Ruhpolding thematisiert.
Autoren:
Prof. Dr.-Ing. Leander Bathon
Dipl.-Ing. Oliver Bletz-Mühldorfer
Hochschule RheinMain
Fachbereich Architektur und
Bauingenieurwesen,
Institut für Baustoffe und
Konstruktion,
Materialprüfanstalt für Bauwesen
(MPA), Wiesbaden
Stand der Technik zu
HBV-Brücken
Für Brückenbauwerke stellen
Holz-Beton-Verbundkons -
truktionen nach langjährigen
Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten
inzwischen
technisch ausgereifte Alterna-
tiven dar. Dabei werden die
Vorzüge des Holzbaus mit den
aus dem Verbundbau resultierenden
Vorteilen kombiniert.
Die explizite Beschreibung der
möglichen Ausführungsvarianten,
der technischen Eigenschaften
und der Vorteile
erfolgte durch die Autoren bereits
in HOLZBAU 5/2008 [3],
weswegen an dieser Stelle nur
eine Kurzdarstellung der wesentlichen
Merkmale und Vorteile
vorgenommen wird:
• Die Betonplatte der Verbundbrücke
übernimmt
gleichzeitig mehrere Funktionen.
Einerseits wird sie
als Fahrbahn genutzt. Durch
die Einbindung in das Verbundtragwerk
– über die
schubsteife Verbindung mit
dem Holz – wird sie andererseits
für den Lastabtrag
(hier: Übernahme der
Druckspannungen) herangezogen.
Innerhalb der Betonfahrbahn
lässt sich zudem
sehr leicht eine Querlastverteilung
herstellen. Die i.d.R.
seitlich über das Holztragwerk
auskragende Betonplatte
schützt weiterhin die
Holzkonstruktion vor direkter
Bewitterung und erhöht
somit die Dauerhaftigkeit.
• Das Holz übernimmt ebenfalls
gleichzeitig mehrere
Aufgaben. Aus statischer
Sicht trägt sie einen Großteil
der im Verbundquerschnitt
auftretenden Zugspannungen
ab, wodurch
Bewehrungszulagen in der
Betonplatte erheblich reduziert
werden können. Weiterhin
führt die Verwendung
des Werkstoffs Holz zu einer
erheblich größeren Ästhetik
und Natürlichkeit des Bauwerks.
Die durch die Nutzung
des Holzes zu erzielenden
Nachhaltigkeitsaspekte
(CO 2 -Speicherung, geringer
Primärenergiebedarf, ...) sollen
an dieser Stelle ebenfalls
erwähnt werden.
• Bei Holz-Beton-Verbundkonstruktionen
müssen stets
Maßnahmen ergriffen werden,
um den Verbund zwischen
den Teilquerschnitten
Holz und Beton herzustellen.
Hier werden i.d.R. spezielle
Verbindungsmittel
eingesetzt. Diese übertragen
die zwischen den Holzquerschnitten
und der Betonplatte
auftretenden Schub-
Abb. 1:
Stadion und Tribüne der Chiemgau-
Arena in Ruhpolding – Stahlbeton
und Holz als dominierende Baustoffe.

2/2011
Da schleift sich
was zusammen!
Abb. 2:
Blick vom Stadion in Richtung der
Langlauf-Hütten und der Holz-Beton-
Verbundbrücke.
kräfte und aktivieren damit
die Verbundwirkung zwischen
Holz und Beton. Als
mögliche Verbindungsmittel
für die Anwendung im
Brückenbau haben sich insbesondere
eingeklebte HBV-
Schubverbinder, eingeklebte
Stahlstangen sowie Dübelleisten
bewährt.
• Im Vergleich zu massiven
Stahlbetonbrücken weisen
Holz-Beton-Verbundbrücken
ein deutlich geringeres Eigengewicht
auf, was sich
u.a. in reduzierten Kosten
widerspiegelt (geringere Materialkosten,
geringere Kos -
ten für Widerlager,...).
• Im Vergleich zu Holzbrücken
reduzieren sich durch
den gewählten Verbundansatz
bei HBV-Brücken auftretende
Verformungen, die
Schwingungsanfälligkeit sowie
die Konstruktionshöhe
der Brücke.
Projekt Neubau der
Chiemgau-Arena
In Ruhpolding wird derzeit
die Chiemgauarena für die im
Jahr 2012 stattfindende Biathlon-Weltmeisterschaft
umgebaut.
Die an der Bundesstraße
von Ruhpolding nach Reit
im Winkl liegende Chiemgau-
Arena wird dabei nahezu komplett
verändert (im Bereich
des Stadions ist von den alten
Gebäuden nicht mehr viel übrig
geblieben und auch die eigentlichen
Wettkampfstrecken
wurden modifiziert). Herzstück
der Anlage ist das neu
erbaute mehrstö ckige Funktionsgebäude
(für die Sanitärund
Aufenthaltsräume der
Sportler, das Pressezentrum,
den Verpflegungsbereich und
die Technik räume) mit der davor
angeordneten Tribüne.
Stahlbeton und Holz dominieren
diese beiden Bauwerke.
Blickt man von der Rückseite
des Stadions in Richtung
des Besuchereingangs, sieht
man in der Nähe der Langlaufhütten
eine neu errichtete
Brücke, unter der die Besucher
zum Stadion bzw. den Streckenbereich
gelangen können.
Holz und Beton dominieren
ebenfalls diese Konstruktion
(Widerlager aus Stahlbeton,
Abstrebungen und Mittelauflager
aus Holz, Brücke aus
Holz und Stahlbeton), wobei
im Bereich der eigentlichen
Brücke beide Materialien für
den statischen Lastabtrag herangezogen
werden. Der Grund
hierfür: Es handelt sich um
eine Holz-Beton-Verbundbrücke.
Technische Daten
der Brücke
Die von der Bauingenieur-
Gemeinschaft Trauntal GmbH
[9] geplante und von der Fa.
Schaffitzel GmbH [10] hergestellte
Brücke ist mit einem
Stich versehen und besitzt
eine Spannweite von ca.
16,20 m. Diese teilt sich in
zwei Felder mit Einzelspannweiten
von ca. 10,60 m bzw.
5,60 m auf. Die Breite des
Brücken bauwerks beträgt ca.
14,60 m. In Längsrichtung der
Brücke sind in einem Achsabstand
von 1,50 m insgesamt
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Holz-Beton-Verbundkonstruktion
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2/2011
Abb.3: Ansicht der HBV-Brücke
(Quelle: Bauingenieur-Gemeinschaft Trauntal
GmbH, Ruhpolding; aus [1])
Abb. 4: Grundriss der HBV-Brücke
(Quelle: Bauingenieur-Gemeinschaft Trauntal
GmbH, Ruhpolding; aus [1])
Abb. 5:
HBV-Brücke in der Bauphase vor dem
Betonieren – Holzträger mit oberseitig
eingeklebten HBV-Schubverbindern,
den mit Bitumenbahnen versehenen
KERTO-Verschalungen sowie aufgelegten
Bewehrungsmatten.
Abb. 6:
Zum Betreten der Arena werden
Besucher unter der HBV-Brücke hindurch
geleitet.
Abb. 7:
Unteransicht der HBV-Brücke mit 9
nebeneinander angeordneten Trägern
aus Brettschichtholz sowie dem
hölzernen Mittelauflager.
Abb. 8:
Detailansicht der Längsträger aus
Brettschichtholz, die in einem Achsabstand
von 1,50 m angeordnet sind.
9 gebogene Brettschichtholzträger
verlegt. Die statischen
Berechnungen der HBV-
Brücke, die von der Fa. Ti-
ComTec GmbH [11] durchgeführt
wurden und eine Überfahrt
eines Pisten-Pullys 600
W berücksichtigen, haben
dazu geführt, dass die Randträger
(GL28c – b/h = 32/72
cm) etwas größe-re Dimensionen
im Vergleich zu den mittleren
Längsträgern (GL28c –
b/h = 26/72 cm) aufweisen. In
alle Längsträger sind – als
Verbindungsmittel für die
Herstellung der Verbundwirkung
– an der Oberseite jeweils
drei bzw. vier durchgehende
Reihen an HBV-Schubverbindern
mit einer Höhe
von 120 mm eingeklebt. Als
Schalung liegen auf den
Längsträgern Furnierschichtholzplatten
(KERTO-S) mit einer
Dicke von 33 mm auf.
Oberseitig sind diese mit einer
Schweißbahn vor möglichen
Wasserschädigungen im Bauzustand
geschützt. Auf die geschützte
Schalung wird während
der Bauphase der Ortbeton
gegossen, sodass nach
dem Aushärten des Betons
letztlich eine 20 cm dicke Betonplatte
als Druckgurt vorliegt.

2/2010 –49–
Holz-Beton-Verbundkonstruktion
Mittelauflager
Für das Mittelauflager liegen
zwei Betonsockel vor, von
den jeweils v-förmig zwei
quadratische Brettschichtholzstützen
(GL32c – b/h =
35/35 cm) abgehen, auf denen
letztlich der Querträger
(GL32c – b/h = 35/92 cm)
aufliegt. Dieser Querträger
dient als Auflager für die 9
Längsträger. Bedingt durch
das statische Zweifeldsystem,
die vergleichsweise großen
Achsabstände der Längsträger,
die relativ hohen vorliegenden
Einwirkungen (aus Eigengewicht
des Überbaus und
Schneelast sowie den hohen
Radlasten des der statischen
Berechnung zugrunde liegenden
Pistenbullys) entstehen
insbesondere am Mittelauflager
große Kräfte, die das Holz
quer zur Faser beanspruchen.
Gelöst wird diese Herausforderung
über die Anwendung
der Holz-Stahl-Klebetechnologie:
Durch das Einkleben von
Stahlstäben ins Holz werden
Teile der Auflagerkräfte in das
Innere der Holzträger geleitet
und auf diese Weise die Abmessungen
der Stahlplatten
im Bereich der Knotenpunkte
deutlich minimiert.
Abb. 10:
Detailansicht der geneigt angeordneten Stützen im
Bereich des Mittelauflagers.
Abb. 9:
Detailansicht des Mittelauflagers mit
Querträger und v-förmig angeordneten
Rahmenstützen.
Abb. 11:
Auflagersituation Randlängsträger –
Querträger mit angedeuteter Position
der eingeklebten Stahlstäbe.
(Quelle: Ticomtec GmbH, Haibach; aus [1])
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Holz-Beton-Verbundkonstruktion
–50–
2/2011
Abb. 12:
Detailskizze der Auflagerung der
Längsträger.
(Quelle: Ticomtec GmbH, Haibach; aus [1])
Abb. 13:
Detailansicht der Auflagerung der
Längsträger mit der Hinterlüftung der
Stirnseite.
Abb. 14:
Detailansicht des Knotenpunktes
Stütze / Querträger im Bereich des
Mittelauflagers.
Weitere konstruktive
Ausführungen
Bei der HBV-Brücke liegen
weiterhin folgende Merkmale
vor:
• Die Auflagerung der HBV-
Brücke erfolgt an den Randauflagern
über die Holzquerschnitte.
Hierzu werden
Stahlplatten auf die Betonwiderlager
aufgesetzt und
Brückenlager vom Typ
GUMBA-Elastomerlager Typ
1 angeordnet.
• Die Betonplatte wird über
die Enden der Längsträger
fortgeführt und – auf Abstand
– an den Stirnseiten
der Träger heruntergezogen
(der Abstand zwischen Holz
und Beton gewährleistet die
stetige Umlüftung des Stirnholzes).
• Durch die auskragende Betonplatte
und das abgeschrägte
Ende des mittleren
Querträgers ist das Hirnholz
gut vor Witterungseinflüssen
geschützt. Das Bauteil
ist so der Nutzungsklasse 2
zuzuordnen.
• Das Geländer besteht aus
einem verzinkten Metallrahmen
mit hölzernen Füllstäben.
Die Befestigung
des Metallrahmens erfolgt
seitlich an der Betonplatte.
Abb. 15:
Detailansicht des angebrachten Geländers.
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Holz-Beton-Verbundkonstruktion
Abb. 16:
Blick auf die HBV-Brücke mit den
Ruhpoldinger Skisprungschanzen im
Hintergrund.
Abb. 17:
Brückengenerationen in der Biathlonarena
Ruhpolding – herkömmliche
hölzerne Trogbrücke im Vordergrund
sowie neu erstellte HBV-Brücke im
Hintergrund.
Ausblick: Straßenverkehrsbrücken
in HBV-Bauweise
T d,max T fad,d
für HBV-Schubver-
mit k fat = Beiwert für die
Die HBV-Brücke in der
Biathlonarena Ruhpolding
wurde für vorwiegend ruhen -
de Einwirkungen dimensioniert.
Grundsätzlich besteht
jedoch auch die Möglichkeit,
Brücken in Holz-Beton-Verbundbauweise
T k
Festigkeitsminderung
infolge der
Anzahl der Belas -
tungszyklen
= Charakteristische
(Kurzzeit-)Schubtragfähigkeiwiegend
bei nicht vor-
ruhenden Einwirkungen
einzusetzen. Hierfür kann
das in DIN 1074:2006 [6] gezeigte
vereinfachte Nachweisverfahren
g M,fat = 1,0 (Teilsicherheitsbeiwert
für
Baustoffe für den
Ermüdungsnachweis)
angewendet werden
(siehe auszugsweise Gleichung
1 bis 3).
Erforderlich ist hierbei insbesondere
die Ermittlung der
Gleichung 2: Bemessungswert
der Ermüdungstragfähigkeit
in Anlehnung an DIN
1074:2006, Anhang C
Ermüdungsbeiwerte a und b
für die eingesetzten Verbindungsmittel.
Mit diesen Beiwerten
wird die Abminderung a(b–R)
k fat = 1–R log(b·N obs·t l );
der charakteristischen Tragfähigkeit
jedoch k fat 0,15
des Verbindungs-
mittels in Abhängigkeit der
aufgebrachten Spannungsspiele
(Schwingspiele) beschrieben.
mit R = s d,min /s d,max (entspricht
dem in [5]
verwendeten Para -
meter k gemäß DIN
50100:1978 [7])
a = Ermüdungsbeiwert
mit T d,max = maximale Bemessungs-Schubtragfähigkeit
infolge
ermüdungswirksamer
Einwirkungen
T fat,d = Bemessungswert
der Ermüdungstragfähigkeit
Gleichung 1: Kriterium des
Ermüdungsnachweises für
Einwirkungen mit konstanter
Amplitude in Anlehnung an
DIN 1074:2006, Anhang C
T fat,d = k fat· T k
g M,fat
b
N obs
t l
binder
= Ermüdungsbeiwert
für HBV-Schubverbinder
= Anzahl der Spannungsspiele
gemäß
DIN Fachbericht
101:2003 [8]
= Bemessungswert
der vorgesehenen
Nutzungsdauer in
Jahren
Gleichung 3: Beiwert der Fes -
tigkeitsminderung gemäß
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Holz-Beton-Verbundkonstruktion
–52–
2/2011
Abb. 18:
Holz-Beton-Verbundkonstruktionen
mit eingeklebten Streckmetallen
(HBV-Schubverbindern) – Ermüdungsnachweis
in Anlehnung an DIN
1074:2006 für k = 0,09 (aus [5])
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Bild 18 und Bild 19 zeigen
in Anlehnung an DIN
1074:2006, Anhang C grafische
Darstellungen der in [5]
erzielten aktuellen Untersuchungsergebnisse
unter Berücksichtigung
des dort vorgeschlagenen
Nachweisverfahrens
bei nicht vorwiegend
ruhenden und damit ermüdungsrelevanten
Einwirkungen
(die Diagramme sind als
Ergänzung zu den in HOLZ-
BAU 3/2009 [4] gezeigten
Abbildungen zu sehen). Für
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die Bemessung von Holz-Beton-Verbundkonstruktionen
mit eingeklebten HBV-Schubverbindern
wird vorgeschlagen,
die Ermüdungsbeiwerte
a = 5 sowie b = 2,1 anzusetzen.
Fazit
Brücken in Holz-Beton-Verbundbauweise
stellen aus
technischer Sicht ausgereifte
Konstruktionen dar. Die vor
Kurzem im Biathlonstadion
Ruhpolding erstellte HBV-
Brücke belegt dies eindrucksvoll.
Grundsätzlich bleibt zu
hoffen, dass die Akzeptanz für
die Holz-Beton-Verbundbauweise
im Brückenbau durch
die ausgeführten Brückenbauwerke
in Deutschland und
dem europäischen Ausland
steigt und Entscheidungsträger
dazu ermutigt werden,
künftig häufiger Brücken in
Holz-Beton-Verbundbauweise
zu planen und umzusetzen.
Unterstützung kommt hierbei
aus der Forschung: Es liegen
Forschungsergebnisse zum Ermüdungsverhalten
von Holz-
Beton-Verbundkonstruktionen
mit eingeklebten Streckmetallen
(HBV-Schubverbindern)
vor, mittels der sich auf einfache
Art und Weise ein Ermüdungsnachweis
gemäß DIN
1074:2006 führen lässt. Somit
sind die Voraussetzungen geschaffen,
damit in Zukunft
auch Straßenverkehrsbrücken
in Holz-Beton-Verbundbauweise
erstellt werden können.
Abb. 19:
Holz-Beton-Verbundkonstruktionen
mit eingeklebten Streckmetallen
(HBV-Schubverbindern) – Ermüdungsnachweis
in Anlehnung an DIN
1074:2006 für k = 0,50 (aus [5])
Literatur
[1] Bahmer, R. (2010): „Holz-Beton-
Verbundbrücke Chiemgauarena Ruhpolding“,
Tagungsband zum 16. Internationalen
Holzbauforum 2010
[2] Barthl, J.; Simon, A. (2009):
„Entwicklung und Planung einer innovativen
Systemlösung für hölzerne
Straßenbrücken in Holz-Beton-Verbundbauweise“,
Abschlussbericht über
ein Entwicklungsprojekt gefördert unter
dem Aktenzeichen 26380/01-21/0
von der deutschen Stiftung Umwelt
[3] Bletz, O.; Bathon, L. (2008),
„Holz-Beton-Verbund-Verkehrsbrücken“,
HOLZBAU – die neue quadriga
5/2008, Seite 43 – 48
[4] Bletz, O.; Bathon, L. (2009)
„Zum Ermüdungsverhalten von Holz-
Beton-Verbundbrücken“, HOLZBAU –
die neue quadriga 3/2009, Seite 13 –
20
[5] Bletz-Mühldorfer, O.: „Beitrag
zur Entwicklung von Holz-Beton-Verbundkonstruktionen
mit eingeklebten
Streckmetallen“, Dissertation in Arbeit,
TU Darmstadt, Institut für Stahlbau
und Werkstoffmechanik
[6] DIN 1074:2006, „Holzbrücken“,
DIN Deutsches Institut für Normung,
2006
[7] DIN 50100:1978, „Werkstoffprüfung,
Dauerschwingversuch, Begriffe,
Zeichen, Durchführung, Auswertung“,
DIN Deutsches Institut für Normung,
1978
[8] DIN-Fachbericht 101:2003,
„Einwirkungen auf Brücken“, DIN
Deutsches Institut für Normung, 2003
[9] Fa. Bauingenieur-Gemeinschaft
Trauntal GmbH, 83324 Ruhpolding,
www.bg-trauntal.de
[10] Fa. Schaffitzel GmbH, 74523
Schwäbisch-Hall, www.schaffitzel.de
[11] Fa. TiComTec GmbH, 63808
Haibach, www.ticomtec.de