Beton unter den Stahlträgern: Diese Brückentechnik soll 60 % CO₂ sparen
Eine 320 m lange HS2-Brücke nutzt Beton über und unter den Stahlträgern. Wie Double Composite funktioniert und warum der Entwurf 60 % CO₂ sparen soll.
Die 320 m lange Westbury Viaduct führt die HS2-Strecke über die Flussaue des River Great Ouse. Die Double-Composite-Konstruktion kombiniert Stahlträger mit Betonplatten ober- und unterhalb des Tragwerks.
Foto: HS2
320 m lang, sieben Pfeiler und 2695 t Stahl: In Großbritannien ist eine neue Eisenbahnbrücke für die Hochgeschwindigkeitsstrecke HS2 fertig. Ungewöhnlich ist ihr Tragwerk. Beton liegt nicht nur über den Stahlträgern, sondern abschnittsweise auch darunter. Das spart Stahl, erhöht die Steifigkeit – und soll den CO₂-Fußabdruck gegenüber dem ursprünglichen Entwurf um rund 60 % senken.
Von oben wirkt die Westbury Viaduct zunächst wie eine gewöhnliche moderne Eisenbahnbrücke. Das Interessante steckt darunter. Zwischen der oberen Fahrbahnplatte aus Stahlbeton und einer zweiten Betonlage verlaufen zwei große Stahlträger. Ingenieurinnen und Ingenieure sprechen von einer „Double-Composite“-Konstruktion, also einer doppelten Stahl-Beton-Verbundwirkung.
Das Prinzip stammt nicht von HS2. Entsprechende Konstruktionen wurden bereits in mehreren Ländern eingesetzt und spielen insbesondere bei europäischen Hochgeschwindigkeitsstrecken eine Rolle. Für Großbritannien ist ihre Anwendung in dieser Größenordnung dagegen noch ungewöhnlich. HS2 übernahm Erfahrungen unter anderem von französischen Hochgeschwindigkeitsstrecken.
Die Westbury Viaduct gehört zu fünf HS2-Brücken, die nach diesem Prinzip geplant wurden. Sie überspannt östlich der englischen Stadt Brackley die Flussaue des River Great Ouse. Mit 320 m ist sie die längste HS2-Brücke in diesem Abschnitt.
Inhaltsverzeichnis
- Warum Beton unter den Stahlträgern liegt
- Weniger Stahl trotz zusätzlichem Beton
- Ursprünglich sollte die Brücke aus massiven Betonträgern bestehen
- Woher kommen die 60 % weniger CO₂?
- Ein zusätzlicher Betonquerschnitt hat auch Nachteile
- 2695 t Stahl wurden über die Pfeiler geschoben
- Die Fahrbahnplatte entstand in 42-m-Etappen
- CO₂ sparen durch Konstruktion statt nur durch neue Baustoffe
Warum Beton unter den Stahlträgern liegt
Bei einer normalen Stahlverbundbrücke liegt eine Betonplatte auf Stahlträgern. Beide Werkstoffe übernehmen unterschiedliche Aufgaben und wirken über Verbundmittel gemeinsam. In der Mitte eines Brückenfeldes funktioniert diese Kombination besonders gut. Vereinfacht gesagt wird die obere Betonplatte dort auf Druck beansprucht, während der darunterliegende Stahl einen großen Teil der Zugkräfte übernimmt.
Über den Zwischenstützen ändert sich die Situation. Dort kehrt sich das Biegemoment um. Die obere Betonplatte gerät stärker auf Zug und neigt zur Rissbildung. Gleichzeitig wird der untere Bereich der Stahlträger auf Druck beansprucht. Damit steigt dort unter anderem die Gefahr, dass schlanke Stahlbauteile ausbeulen oder andere Stabilitätsprobleme auftreten.
Bei der Double-Composite-Bauweise kommt deshalb über den Pfeilern eine zusätzliche Stahlbetonplatte an der Unterseite hinzu. Sie liegt auf den unteren Flanschen der Stahlträger und wird mit diesen verbunden. Der Beton sitzt also nicht zufällig unter der Brücke. Er wird dort eingesetzt, wo er Druckkräfte besonders gut aufnehmen kann.
Gleichzeitig stabilisiert die Platte die unteren Stahlflansche. Zusätzliche Stahlsteifen und Verbände können dadurch teilweise entfallen. Aus den beiden offenen Stahlträgern entsteht außerdem ein deutlich steiferer kastenähnlicher Querschnitt.
Weniger Stahl trotz zusätzlichem Beton
Zunächst klingt es widersprüchlich: Zusätzlicher Beton soll Material sparen? Betrachtet werden muss jedoch das gesamte Tragwerk. Bei einer Untersuchung für die ebenfalls zu HS2 gehörende Small Dean Viaduct kamen die Planer zu dem Ergebnis, dass eine Double-Composite-Lösung gegenüber einer vergleichbaren konventionellen Stahlverbundkonstruktion etwa 10 bis 15 % weniger Baustahl benötigen kann.
Diese Zahl lässt sich nicht eins zu eins auf Westbury übertragen. Sie zeigt aber, wo ein Teil des Potenzials der Bauweise liegt: Beton stabilisiert die Bereiche, für die andernfalls stärkere Stahlquerschnitte, Steifen oder zusätzliche Verbände erforderlich wären. Hinzu kommt die höhere Steifigkeit. Bei der untersuchten HS2-Konstruktion reduzierten sich die vertikalen Verformungen der längeren Felder um rund 5 %. Auch die Torsionssteifigkeit nahm zu.
Für eine Hochgeschwindigkeitsstrecke ist das mehr als eine rechnerische Randgröße. Züge belasten eine Brücke dynamisch. Ein steiferes Tragwerk kann Schwingungen und Verformungen reduzieren und damit auch das dynamische Verhalten verbessern.
Ursprünglich sollte die Brücke aus massiven Betonträgern bestehen
Westbury war zunächst anders geplant. Der Überbau sollte aus massiven Betonträgern entstehen. Nach Erfahrungen mit der ebenfalls für HS2 entwickelten Wendover Dean Viaduct änderte das Projektteam den Entwurf und übertrug das Double-Composite-Prinzip auf Westbury und weitere Brücken.
Die neue Konstruktion erlaubt größere Spannweiten. Dadurch reichen bei Westbury sieben Pfeiler für die 320 m lange Brücke. Sie sind bis zu 9,2 m hoch. Gerade in einer Flussaue ist jeder eingesparte Pfeiler interessant. Weniger Stützen bedeuten weniger Fundamente und weniger Arbeiten im Gelände.
Der Ansatz passt zu einem generellen Trend im Brückenbau: Nicht nur emissionsärmere Baustoffe können die CO₂-Bilanz verbessern. Auch die Tragwerksoptimierung bietet erhebliche Einsparpotenziale. Ein Algorithmus des MIT beispielsweise optimiert Brückenkonstruktionen gezielt nach Materialeinsatz und CO₂-Emissionen. Bauingenieur schreibt Algorithmus für klimafreundlichere Brücken
Woher kommen die 60 % weniger CO₂?
Nach Angaben der Planer soll die Westbury Viaduct rund 60 % weniger gebundenes CO₂ verursachen als der ursprüngliche Entwurf mit massiven Betonträgern. Dabei geht es nicht um die Emissionen des späteren Zugbetriebs und auch nicht um eine pauschale Lebenszyklusbilanz. Gemeint ist das sogenannte „embodied carbon“: Treibhausgasemissionen, die vor allem mit Herstellung, Transport und Einbau der verwendeten Baustoffe verbunden sind.
Die 60 % gehen zudem nicht allein auf die Betonplatte unter den Stahlträgern zurück. Laut Moxon Architects kommen mehrere Veränderungen zusammen: der materialeffizientere Überbau, größere Spannweiten mit weniger Pfeilern, Änderungen an den Fundamenten sowie emissionsärmere Beton- und Stahllösungen. Für die fünf Double-Composite-Viadukte von HS2 nennt die Projektgesellschaft Einsparungen beim gebundenen CO₂ von 52 bis 66 % gegenüber den jeweiligen konventionelleren Vergleichslösungen.
Wie stark allein eine andere Betonrezeptur die Bilanz beeinflussen kann, zeigt auch ein Beitrag der VDI nachrichten über CO₂-reduzierten Beton. Dort geht es unter anderem um klinkerärmere Zemente und konstruktive Optimierung als zwei unterschiedliche Wege zur Emissionsminderung. Beton nachhaltig nutzen: So gelingt CO₂-Reduktion im Bau
Ein zusätzlicher Betonquerschnitt hat auch Nachteile
Double Composite ist allerdings nicht automatisch die bessere Lösung für jede Brücke. Die untere Betonplatte bringt zusätzliches Gewicht in die Konstruktion. Dadurch steigen die Lasten auf Lager, Pfeiler und Fundamente. Auch der Bauablauf wird aufwendiger, weil eine weitere Betonplatte hergestellt werden muss.
Je nach Bauwerk können deshalb größere Lager oder stärkere Unterbauten notwendig werden. Ob die Vorteile überwiegen, hängt von Spannweiten, Geometrie, Belastung und Bauverfahren ab. Die Technik lohnt sich vor allem dort, wo sich die zusätzliche Verbundwirkung konstruktiv ausnutzen lässt.
2695 t Stahl wurden über die Pfeiler geschoben
Auch die Montage der Westbury Viaduct war ungewöhnlich. Die Stahlkonstruktion wurde am nördlichen Widerlager zusammengesetzt und anschließend schrittweise über die Pfeiler geschoben. Die Arbeiten liefen zwischen März und Oktober 2024.
Beim ersten Vorschub bewegten die Bauleute rund 1145 t Stahl über 135 m. Das Tempo lag bei lediglich rund 9 m/h. Beim letzten Einschub hatte der inzwischen montierte Stahlüberbau ein Gewicht von 2695 t erreicht. Während des Vorschubs glitt die Konstruktion über temporäre Lager. Reibungsarme, beschichtete Gleitplatten reduzierten dabei die erforderlichen Kräfte.
Ein ähnliches Grundprinzip kommt auch bei großen deutschen Brückenprojekten zum Einsatz. Bei der neuen Rader Hochbrücke wurden große Teile des Stahlüberbaus von beiden Widerlagern aus vorgeschoben. Das 1250 t schwere Mittelstück über dem Nord-Ostsee-Kanal musste anschließend separat eingehoben werden. Wärme bremst Brückenschluss: Warum das Mittelteil noch gekürzt werden musste
Die Fahrbahnplatte entstand in 42-m-Etappen
Nachdem die Stahlträger ihre Position erreicht hatten, betonierten die Bauleute die obere Fahrbahnplatte. Dafür kam eine wandernde Schalung zum Einsatz. Jeweils rund 42 m der Platte wurden hergestellt, danach wurde die Schalung zum nächsten Abschnitt gezogen. Zum Schluss montierte das Team die vorgefertigten Brüstungselemente.
Der Bau vom Widerlager aus reduziert Arbeiten und Hilfskonstruktionen direkt unter der Brücke – ein Vorteil insbesondere über Verkehrswegen, Gewässern oder ökologisch sensiblen Bereichen. Bei der Westbury Viaduct spielte das eine besondere Rolle, weil die Konstruktion über der Flussaue des Great Ouse verläuft.
CO₂ sparen durch Konstruktion statt nur durch neue Baustoffe
Westbury verfolgt damit einen anderen Ansatz als Brücken, bei denen vor allem emissionsärmere Materialien im Mittelpunkt stehen. Bei einer neuen Fußgängerbrücke im nordrhein-westfälischen Hückelhoven kommt beispielsweise wetterfester Stahl zum Einsatz, dessen Herstellung laut Projektangaben rund 60 % weniger CO₂ verursacht als konventionell erzeugter Stahl. Fußgängerbrücke aus CO₂-reduziertem und wetterfestem Stahl
Bei Westbury beginnt die Optimierung einen Schritt früher: beim Tragwerk selbst. Die zusätzliche Betonplatte erhöht zwar zunächst das Gewicht. Dafür kann sie Stahl ersetzen, die Stahlträger stabilisieren und den gesamten Querschnitt steifer machen. Zusammen mit größeren Spannweiten, weniger Pfeilern und angepassten Fundamenten soll so der Materialbedarf des gesamten Bauwerks sinken.
Quellen
- HS2 Ltd.:
„HS2 completes 320m-long Westbury viaduct“
– aktuelle Projektmeldung zur Fertigstellung der Westbury Viaduct. - HS2 Learning Legacy:
„Benefits of steel-concrete bridges with double composite action“
– technische Grundlagen zu Tragwirkung, Steifigkeit, Stahlersparnis und Grenzen der Double-Composite-Bauweise. - HS2 Ltd.:
„Double composite viaducts“
– Übersicht über die fünf HS2-Brücken und die angegebenen CO₂-Einsparungen von 52 bis 66 %. - Moxon Architects:
„Westbury & Turweston Viaducts“
– Entwurf, Umplanung und Angabe von rund 60 % weniger gebundenem CO₂ gegenüber dem ursprünglichen Westbury-Entwurf. - HS2 Ltd.:
„Double milestone for HS2’s Brackley viaducts“
– Details zum Einschub des Stahlüberbaus und zum Gewicht von bis zu 2.695 t.
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