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Aug 03, 2023

Brücken

Die Brücke, die die M4 über den Fluss Usk in Newport, Südwales, führt, ist auf den ersten Blick unauffällig, das Gleiche gilt jedoch nicht für die Reparaturarbeiten. Die Brücke ist 143 m lang

Die Brücke, die die M4 über den Fluss Usk in Newport, Südwales, führt, ist auf den ersten Blick unauffällig, das Gleiche gilt jedoch nicht für die Reparaturarbeiten.

Die Brücke ist eine 143 m lange Stahlbetonkonstruktion mit fünf Feldern. Das in den 1960er Jahren erbaute Gebäude ist typisch für die damalige Zeit und verrät, dass es sich um eine der wichtigsten Brücken in Wales handelt.

Die Brücke liegt an der Hauptverkehrsader der Autobahn M4 nach Cardiff – sie für längere Zeit zu schließen, wäre politischer Selbstmord und würde zu ungeheuren Schäden im umliegenden örtlichen Straßennetz führen.

Fluss usk WP 002531

Die Doppeldeckerbrücke überquert den Fluss Usk

Als sich also herausstellte, dass sich Probleme mit der Struktur entwickelten, waren innovative Überlegungen der Berater WSP und des Hauptauftragnehmers Costain gefragt, um einen Weg zu finden, den Schaden einzudämmen.

Das Problem lag bei den Schubscharnieren der Brücke, einem proprietären Produkt, das vom Berater Sir Owen Williams & Partners entwickelt wurde. Die Gelenke wurden an Punkten der Kontraflexion platziert – Punkten, an denen es keine Momente gibt. Die Gelenke waren so konzipiert, dass sich das Deck biegen und biegen und gleichzeitig Schub und Scherung aufnehmen kann.

Zu diesem Zweck wurden beim Bau der Brücke 40 mm breite und 430 mm tiefe Schlitze in die Ober- und Unterseite des Decks geschnitten, wobei in der Mitte ein dünner Betonstreifen von 430 mm Dicke verblieb. Um die Scherung und den Druck aufzunehmen, wurde dieser Streifen dann mit Scherenstäben mit einem Durchmesser von 32 mm verstärkt: zwei Sechserpaare quer über die Verbindung – drei oben, drei unten – mit drei horizontalen geraden Stäben, die durch die Mitte verlaufen. Wenn das Deck durchhängt und durchhängt, wird die Bewegung theoretisch durch den Spalt ausgeglichen.

Aufgrund der mangelhaften Konstruktion war der Schlitz jedoch stellenweise nicht breit genug, und als sich das Deck bog, wurde der Beton oben und unten durch die Druckkraft der beiden zusammenkommenden Seiten zerdrückt. Dadurch kam es wiederum zu einer Delaminierung des Betons an der Bewehrungsebene.

Als sich das Deck bog, wurde der Beton oben und unten durch die Druckkraft der beiden zusammenstoßenden Seiten zerkleinert

Die daraus resultierende Freilegung dieser Bewehrung machte sie nicht nur anfällig für Witterungseinflüsse und Zersetzung, sondern – was noch wichtiger war – bedeutete, dass sie nicht sicher durch den Beton gehalten wurde, was dazu führte, dass sie herausgezogen werden konnte und die Verbindung in der Zukunft wahrscheinlich versagen würde .

Ingenieure von WSP führten eine Sensitivitätsanalyse zur Länge der erforderlichen Verankerungsverbindung durch. Es wurde festgestellt, dass im schlimmsten Fall die Kapazität der sich verjüngenden Deckträger, die sich zwischen den Pfeilern erstrecken, nach Erreichen einer kritischen Länge schnell abnahm.

„In der Analyse haben wir untersucht, was passiert, wenn man die Deckung oder die Verankerung an diesem Bewehrungsstab verliert“, sagt Richard Owen, leitender Ingenieur bei WSP für Bau-, Hoch- und Tiefbau. „Wir haben festgestellt, dass es aufgrund des Verlusts der Verankerung zu einem Scherversagen an der Rückseite des Schubscharniers kommen würde.

Neuer Insitu-Ankerblock und Aufhänger für Sehnen.jpg

Neuer Insitu-Ankerblock und Aufhänger für Spannglieder

„Obwohl das Schubscharnier an sich stark ist und die Balkenverstärkung ziemlich stark ist, ist es im Wesentlichen die Schnittstelle zwischen den beiden, um die wir uns Sorgen machen.“

Da diese Schwelle noch nicht erreicht war, beschloss die walisische Regierung, Maßnahmen zu ergreifen, um einen künftigen Einsturz der Brücke zu verhindern.

Doch die Reparatur der Gelenke brachte ganz neue Herausforderungen mit sich.

Ein Teil des Problems war auf die einzigartige Form der Brücke zurückzuführen. In England gibt es rund 100 Schubgelenkbrücken und in Wales 15. Die Fahrbahnplatte dieser Bauwerke wurde aus einer flachen Platte geformt, wobei die Bewehrung für die Verbindungen gleichmäßig über die Breite verteilt war. In diesem Fall spannt sich die Fahrbahnplatte zwischen sich verjüngenden Trägern, die sich zwischen den Pfeilern erstrecken, sodass die Scharniere auf die Trägerbreiten beschränkt waren.

Perspektivische Ansicht der Flussusk-Scharnierbewehrung

Computergeneriertes Bild der Scharnierverstärkung

Um die Verbindungsstelle der Usk-Brücke ordnungsgemäß zu reparieren, musste der den beschädigten Bereich umgebende Beton entfernt und wieder eingesetzt werden. Dies hätte jedoch die Festigkeit der Verbindung beeinträchtigt und ohne zusätzliche Unterstützung zum Einsturz der Brücke geführt.

Mit zwei Scharnierlinien im Mittelfeld und jeweils einer im zweiten und vierten Feld musste die Herausforderung gemeistert werden, die Unterseite der Brücke für die Reparaturarbeiten zu erreichen und gleichzeitig die Brücke offen zu halten.

Normalerweise wäre die Reparatur der Balken relativ einfach gewesen. Eine Reihe provisorischer Stützen könnte aus dem darunter liegenden Boden gebaut werden, um dem Deck eine alternative Stütze zu bieten, und dann könnten die Schäden an den Verbindungen repariert werden.

Dies war jedoch auf der Usk-Brücke nicht möglich, da sie über ein geschütztes Gebiet von besonderem wissenschaftlichem Interesse (SSSI) führt. Der Bau von Stützen im Fluss galt als zu gefährlich und aufdringlich. Das Team musste eine andere Reparaturmethode finden.

Da die Dringlichkeit der Arbeiten noch komplizierter wurde, wurden herkömmliche Zeitvorgaben für den Entwurf außer Acht gelassen. Eine Arbeitsgruppe bestehend aus der walisischen Regierung und einem Team von WSP-Bauingenieuren wurde gebildet, um die Machbarkeit der verschiedenen technischen Lösungen zu prüfen. Während des gesamten Prozesses sorgte Berater Atkins für die behördlichen Prüfungen des Entwurfs.

Das Team entwickelte einen Plan, um die Brücke vorzuspannen, um eine zusätzliche Kompression auf die Träger auszuüben und die Tragfähigkeit der Verbindungen zu erhöhen, während die Reparaturarbeiten im Gange waren.

„Wie reparieren wir den Balken, ohne ihn abzustützen?“ fragt Owen. „Wie erhöhen wir die Tragfähigkeit der Träger an den Gelenken und erhöhen gleichzeitig die Scherfestigkeit?

Wir untersuchten, wie sich die von den Verankerungen ausgehenden Kräfte auf die Struktur auswirken würden, wenn wir enorme Kräfte in lokalisierte Bereiche einleiteten, und wie diese sich in den Belag und die Platte zerstreuen würden

Richard Owen, WSP

„Möglicherweise können wir das erreichen, wenn wir die Streben- und Verbindungskomponente dieser [Verbindung] viel flacher machen, sodass wir die kritische Länge des Bewehrungsstabs verringern. Dadurch können wir die traditionelle Methode der Betonentfernung und -reparatur übernehmen.

„Die einzige Möglichkeit, dies zu erreichen, war die Einführung einer externen Pfostenspannung.“

Mit dieser Lösung gingen jedoch noch weitere Probleme einher, die berücksichtigt werden mussten. Zu diesem Zeitpunkt kam der französische Spezialist Freyssinet an Bord.

Das erste Problem bestand darin, dass die Vorspannung des Pfostens die Struktur möglicherweise verbiegen könnte. „Nachdem wir uns jedoch verschiedene Modi angesehen hatten, kamen wir zu dem Schluss, dass dies kein Problem darstellte“, sagt Owen. „Dann untersuchten wir die Obergrenze der Druckspannung über dem Scharnier und ob wir es zerdrücken oder platzen lassen würden.

„Dann haben wir untersucht, wie sich die von den Verankerungen ausgehenden Kräfte auf die Struktur auswirken würden, wenn wir enorme Kräfte in lokale Bereiche einleiten, und wie diese sich in den Belag und die Platte zerstreuen würden.“

Wir haben uns dafür entschieden, dass alles im Inneren bleibt, es für die Außenfassaden unsichtbar ist, vor Witterungseinflüssen geschützt ist und der Schifffahrt nicht im Weg steht

Richard Owen, WSP

Aufgrund der Anzahl der zu errichtenden Verankerungspunkte und der Gefahr, dass aufgrund der Steifheit der Pfeiler unerwünschte Spannungen in die Träger einwirken, scheidet eine lokale Positionierung der Spannglieder im Bereich der Verbindungsstellen aus.

Deshalb beschloss das Team, die Spannglieder fast über die gesamte Länge der Brücke von Pfeiler eins bis Pfeiler vier zu verlegen. In den drei Lücken, die zwischen den konischen Unterträgern an der Unterseite der Brücke entstehen, werden Kabelpaare verlegt. Der Bedarf an Spanngliedern an der Außenseite der Struktur wurde vermieden, indem in den äußeren Lücken (390 t) eine höhere Kraft auf das Paar ausgeübt wurde als in der mittleren Lücke (240 t).

„Wenn wir sie an der Außenseite [Rand der Struktur] anbringen würden, hätten wir einige Konsolen an der Außenseite bauen müssen, und um dann die Verankerung für die Konsolen zu erhalten, müsste man wahrscheinlich quer durch den Balken spannen, was das wäre „Es war eine völlig neue Designlösung“, sagt Owen.

Usk-Brücke

„Wir haben uns dafür entschieden, dass alles im Inneren bleibt, es für die Außenfassaden unsichtbar ist, vor Witterungseinflüssen geschützt ist und der Schifffahrt nicht im Weg steht.“

Um die Festigkeit der erforderlichen Kräfte zu gewährleisten, mussten Bereiche rund um die neuen Verankerungsblöcke herausgebrochen und neue Bewehrungen in die Struktur eingebunden werden.

Der Ablauf beim Spannen der Seile wurde zusätzlich dadurch erschwert, dass es sich bei der Ost- und der Westfahrbahn um zwei getrennte Überbauten handelt, die aber auf dem gleichen Unterbau aufliegen. Wenn daher eine Seite vor der anderen beansprucht würde, wären Torsionskräfte entstanden, die zu einem möglichen Versagen des Decks führen könnten.

Doch bevor die Sehnen beansprucht werden konnten, stieß das Team auf ein weiteres Hindernis.

Das Problem besteht darin, dass wir die Nachspannung bis auf einen Zentimeter ihrer Lebensdauer aufbringen, ohne dass sie platzt

Richard Owen, WSP

Auch eine Dehnungsfuge zwischen der Brückenfahrbahn und der vom Zufahrtsviadukt getragenen Fahrbahn reichte nicht aus, um die thermischen Bewegungen der Brücke aufzunehmen. Bis zu diesem Zeitpunkt kam der zusätzliche Druck, der durch den Kontakt zwischen den beiden Decks auf die Brücke ausgeübt wurde, der Struktur zugute und hatte den gleichen Effekt wie die Vorspannung des Pfostens. Aber mit der zusätzlichen Kraft durch die Vorspannung des Pfostens hätte der Beton in der Fuge zerquetscht werden können.

„Einige der Überwachungsarbeiten, die wir vor einigen Jahren durchgeführt haben, haben uns gezeigt, dass sich die Struktur bei bestimmten Temperaturen nicht mehr frei bewegen kann“, sagt Owen.

„Das Problem besteht darin, dass wir die Vorspannung bis auf einen Zentimeter ihrer Lebensdauer aufbringen, ohne dass sie platzt. Dann erleben wir den herrlichen Sommer, den wir immer haben, die Temperaturen steigen und die Struktur blockiert, und wir bekommen diese zusätzliche Längskompression in das Deck eingebracht, und plötzlich platzt es.“

Die Aufgabe, die Dehnungsfuge zu verbreitern, war eine Aufgabe für sich. Da die Bewehrung anscheinend zu nahe an der Kante des Decks gegossen wurde, musste sie abgeschnitten und zurückgebogen werden, um eine neue Kante zu schaffen. Um aber genügend Halt zu bekommen, damit es gebogen werden konnte, mussten am Ende 250 mm Beton abgeschnitten werden, so dass in der Fahrbahn darüber ein großes Loch entstand.

„Wenn man das alles auf den Punkt bringt, entsteht ein großes Loch im M4“, sagt Owen. „Freyssinet hat einige clevere Ideen ins Spiel gebracht, um einige sehr kostspielige temporäre Arbeiten zu vermeiden, die sonst den Verkehr beeinträchtigen würden.“

Der Einsatz von Wasserabbrucharbeiten für die Ausbruchsarbeiten bedeutete, dass die Auftragnehmer ausschließlich auf Nachtarbeiten beschränkt waren. Dieses Programm zum Entfernen des Betons und zur Wiederherstellung der Fuge fügte der ohnehin schon technisch anspruchsvollen Aufgabe eine weitere Ebene der Komplexität hinzu.

Die nächste Herausforderung bestand darin, zur Durchführung der Arbeiten Zugang zur Unterseite der Brücke zu erhalten. Das Team plante, Zugangsgerüste an der Brücke aufzuhängen, doch die Analyse der Brücke ergab, dass für die Arbeiten keine freie Tragfähigkeit vorhanden war. Noch besorgniserregender für die walisische Regierung war, dass sich herausstellte, dass die Brücke technisch gesehen nicht in der Lage war, die schwersten Fahrzeuglasten zu tragen.

Auch hier musste das Team zu den Grundprinzipien zurückkehren und beweisen, dass die Sicherheitsfaktoren und die auf die Materialien angewendeten Faktoren reduziert werden konnten und somit mehr Tragfähigkeit freigesetzt werden konnte.

Mithilfe einer dynamischen Verstärkungsanalyse, die die Reaktion der Struktur unter bestimmten beweglichen Lastfällen untersuchte, zeigte WSP, dass der Lastfaktor reduziert werden konnte. Um zu beweisen, dass die Materialfaktoren gesenkt werden konnten, nahm WSP Kernproben und maß deren Eigengewicht und Druckfestigkeit. Außerdem wurde eine umfassende Untersuchung der Abmessungen der Brücke durchgeführt, um sicherzustellen, dass sich die Elemente nicht wesentlich von den in der Analyse verwendeten unterscheiden. Darüber hinaus führte das Team eine statistische Analyse durch, um zu beweisen, dass der Stichprobensatz robust und zuverlässig war.

Fluss Usk Deck Nachtansicht 1

Die Arbeiten mussten nachts durchgeführt werden

Die harte Arbeit hat sich gelohnt und das Team konnte nachweisen, dass der Faktor von 1,15 auf 1,05 reduziert werden konnte, wodurch genügend Kapazität für die schwerste Autobahnbelastung frei wurde und genug übrig blieb, um ein Gerüstsystem daran aufzuhängen.

Trotz der zusätzlichen Kapazität waren die Grenzen der Struktur immer noch äußerst eng. WSP hat das Gerüstsystem so konzipiert, dass es verschiedene Zonen mit separaten strengen Gewichtsbeschränkungen aufweist.

„Die durchgeführte Bewertung erforderte einen strengen Managementplan“, sagt Owen. „Das Gerüst wird in sorgfältig kontrollierten Zonen aufgebaut. Einige dienen nur dem Personal, andere befinden sich direkt über den Pfeilern, sodass der Lastpfad nicht durch die Aufbauten verläuft und dort Materialien gelagert werden können.“

Da nun die Reparaturen am Beton unter den Fugen durchgeführt wurden, musste das Team sicherstellen, dass die Fugen wieder in ihrem ursprünglichen Design hergestellt wurden. Obwohl der Schlitz über die Breite der Fahrbahn oben und unten im Fahrbahnbelag nun geöffnet wurde, konnten flexible Dichtstoffe, die das Eindringen von Wasser in die Fuge verhindern sollen, immer noch nicht eingebaut werden.

„Beim Bau des Decks wurde kaum darauf geachtet, den Spalt gerade, glatt oder vertikal zu halten“, sagt Owen. „Wir hätten gerne eine vergrabene Fuge, aber Kurven oder Höhenunterschiede tolerieren sie nicht. Sie benötigen eine schöne quadratische Kante.

„Deshalb müssen wir es in einer akzeptablen Qualität rekonstruieren.“

Da die Brücke tagsüber nicht geschlossen werden konnte und aufgrund der Nähe des Brynglas-Tunnels unmittelbar westlich der Brücke kein Gegenstrom zulässig war, mussten alle Arbeiten über dem Deck während der Nachtsperrungen von 20:00 bis 6:00 Uhr durchgeführt werden.

Beim Bau des neuen Slots gelten strenge Grenzen und eine strenge Überwachung, um sicherzustellen, dass sich die Fehler der ursprünglichen Bauarbeiten nicht wiederholen. Die Arbeiten sollten parallel zu anderen geplanten Arbeiten an den angrenzenden Brynglas-Tunneln stattfinden. Dort führt Costain in Zusammenarbeit mit Capita derzeit ein großes zweijähriges Programm durch, um mechanische und elektrische Systeme auf den neuesten Stand zu bringen. Diese Arbeiten sollen im Januar 2018 enden. N