Optimierung von Netzwerkbogenbrücken

Autor: Fabian Killer
Sprache: Englisch

Kurzfassung

Brücken spielen eine zentrale gesellschaftliche Rolle, da sie wichtige Verbindungen über natürliche und künstliche Hindernisse schaffen und eine effiziente Mobilität ermöglichen. Unter den verschiedenen Brückentypen stellen Netzwerkbogenbrücken eine besondere Bauwerksklasse dar, die sowohl funktionale als auch gestalterische Zwecke erfüllen kann. Ihre Auslegung erfolgt jedoch häufig eher erfahrungsbasiert als systematisch optimiert.

Netzwerkbogenbrücken zeichnen sich durch einen über dem Deck liegenden Bogen sowie durch geneigte Hänger aus, die sich mindestens zweimal kreuzen. Diese Anordnung erzeugt ein Fachwerkverhalten in der Bogenebene und führt zu einem steifen Tragwerk, selbst bei schlanken Einzelelementen. Zudem bietet sie Vorteile bei unsymmetrischer Belastung. Durch eine geeignete Vorspannung der Hänger können die Biegemomente im Bogen und im Zugband deutlich reduziert werden.

Die vorliegende Masterarbeit knüpft an vier Arbeiten aus den Jahren 2020 und 2021 zum Thema Netzwerkbogenbrücken an und ergänzt diese um bisher vernachlässigte Aspekte wie Baukosten, Stabilitätsverhalten, Decksysteme sowie wirtschaftliche Überlegungen für kurze Spannweiten. Dazu wurden die früheren Arbeiten kritisch ausgewertet und gezielt weiterentwickelt.

Für eine vergleichende Untersuchung wurde ein Vorentwurf zweier Netzwerkbogenbrücken mit einer Spannweite von 40 m mithilfe eines 3D-Modells in SAP2000 erstellt. Die beiden Entwürfe unterscheiden sich durch ihre Decksysteme: eine Variante nutzt eine konventionelle Betonfahrbahnplatte, die andere ein Stahl-Beton-Verbunddeck. Dies ermöglicht eine vertiefte Betrachtung des Einflusses verschiedener Decksysteme auf das globale Tragverhalten sowie eine Einschätzung offener Fragestellungen im Planungsprozess. 

Die Ergebnisse zeigen, dass die Baukosten erheblichen Einfluss auf die optimale Bogenform haben. Höhere Kosten für Arbeiten in größeren Höhen führen zu einem deutlich geringeren Stich-Höhen-Verhältnis als bei Entwürfen, die diese Effekte vernachlässigen. Auch der Einfluss von Zweitordnungs- und Stabilitätseffekten wird deutlich: Sie reduzieren zwar die Tragreserven des Bogens, beeinflussen die optimale Hängeranordnung jedoch nur teilweise. Eine ausgewogene Hängerkonfiguration muss sowohl die Minimierung der Gesamtkräfte als auch die Begrenzung der längsten ungestützten Bogenlänge berücksichtigen, wobei Verbesserungen in einem Bereich den anderen verschlechtern können. Insgesamt bleiben die bisherigen Empfehlungen zur Hängeranordnung weitgehend gültig, auch wenn einzelne Varianten unter projektspezifischen Randbedingungen vorteilhafter sein können.

Abschliessend zeigt der Vorentwurf den Materialbedarf der beiden Decksysteme. Verbunddecken bieten klare Vorteile hinsichtlich eines geringeren Eigengewichts—ein besonders wichtiger Aspekt bei breiten oder langen Brücken—und ermöglichen dadurch geringere Schnittkräfte sowie schlankere Tragwerkslösungen.