Februar 2021
Februar 2021

Brücke mit höherfestem Stahl leicht gemacht

Brückenbau / Krane

Mit der Verdopplung der Southern Link Road wurde die Strasse in Worcester, England, an die aktuellen Erfordernisse angepasst. Mit der Stahlbaukonstruktion der 205 m langen Brücke wurde eines der führenden Unternehmen für derart anspruchsvolle Stahlbauwerke, Cleveland Bridge UK Ltd., beauftragt. Ausschlaggebend für die Auftragserteilung war der Vorschlag von Cleveland Bridge, statt des geplanten wetterfesten Stahls der Güte S355 den Markenstahl Diweten 460+M von Europas führendem Grobblechhersteller Dillinger einzusetzen. Hiermit liessen sich erhebliche Material-, Zeit- und Kosteneinsparungen realisieren.


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Installation der Stahlträger am finalen Standort. Bild: Cleveland Bridge
Installation der Stahlträger am finalen Standort. Bild: Cleveland Bridge

Brückenbau / Krane

Brücke mit höherfestem Stahl leicht gemacht

Mit der Verdopplung der Southern Link Road wurde die Strasse in Worcester, England, an die aktuellen Erfordernisse angepasst. Mit der Stahlbaukonstruktion der 205 m langen Brücke wurde eines der führenden Unternehmen für derart anspruchsvolle Stahlbauwerke, Cleveland Bridge UK Ltd., beauftragt. Ausschlaggebend für die Auftragserteilung war der Vorschlag von Cleveland Bridge, statt des geplanten wetterfesten Stahls der Güte S355 den Markenstahl Diweten 460+M von Europas führendem Grobblechhersteller Dillinger einzusetzen. Hiermit liessen sich erhebliche Material-, Zeit- und Kosteneinsparungen realisieren.

Text Dillinger, Bilder: Dillinger und Cleveland Bridge 

Das 1877 in Grossbritannien gegründete Stahlbauunternehmen Cleveland Bridge hat seinen Sitz in Darlington. Mit mehr als 250 Mitarbeitenden ist es spezialisiert auf Entwurf, Konstruktion, Fertigung und Bau von komplexen Stahlbaukonstruktionen für Brücken, Verkehrsinfrastruktur, Städtebau, Energie- und Rohstoffindustrie. Seiner hohen Innovationskraft und dem ausgeprägten technologischen Querdenken verdankt das Unternehmen seinen Ruf als Pionier des Brückenbaus: Viele Bau- und Montagetechniken wurden im Lauf der 150-jährigen Firmengeschichte hier entwickelt. Zu den bekanntesten Bauwerken von Cleveland Bridge gehören die Victoria Falls Bridge in Simbabwe, die Sydney Harbour Bridge in Australien, aber auch The Shard in London oder der Bogen des Wembley-Stadions. Insbesondere für scheinbar unlösbare bauliche Herausforderungen ist das Unternehmen daher gefragter Lösungspartner. Mit einem 22 Hektar grossen Gelände mit 27 000 m 2 überdachter Hallenfläche ist Cleveland Bridge für seinen nachhaltigen Ansatz bekannt. Als mehrfach ausgezeichneter Hersteller spiegelt sich sein Umweltengagement in den Fertigungsprozessen, Material- und Lieferantenwahl des Unternehmens wider. Seit 2000 ist das Unternehmen mit einer jährlichen Fertigungskapazität von 50000 t Teil der Al-Rushaid-Gruppe, eines vielfältigen internationalen Konglomerats und eines der grössten Stahlbaukonzerne der Welt mit Sitz in Saudi-Arabien, gruppenweit 35 000 Mitarbeitenden und 150 000 Tonnen Fertigungskapazität.

Enorme Einsparungen durch höher- und wetterfesten Stahl

Der Auftrag an Cleveland Bridge zum Bau der Carrington Bridge umfasste Fertigung, Lieferung und Errichtung der 873 Tonnen schweren Stahlbaukonstruktion sowie die während der Montage der Brücke erforderlichen temporären Arbeiten bei der Brückenmontage. Die neue Brücke in Worcester überquert den Fluss Severn und vollendet damit die Verdopplung der 1985 gebauten Southern Link Road. Diese südliche Verbindung zwischen der Anschlussstelle 7 der Autobahn M5 und dem Powick-Kreisverkehr war dem heutigen Verkehrsaufkommen der stark prosperierenden Wirtschaftsregion schon lange nicht mehr gewachsen. Der ursprüngliche Bauplan der Brücke sah eine Sechs-Feld-Konstruktion vor, wie sie auch die gleichnamige Vorgängerbrücke kennzeichnet. Schon bei einem sehr frühen Treffen mit Designern und Generalunternehmen schlug Cleveland Bridge jedoch den Einsatz des Dillinger-Markenstahls Diweten 460+M vor, um das Gewicht der Konstruktion und zugleich die Fertigungs- und Montagezeit zu verringern. Möglich macht dies der thermomechanisch gewalzte, wetterfeste Feinkornstahl durch seine – verglichen mit einem Stahl der Güte S355 – um 30 Prozent höhere Streckgrenze, die eine Verringerung der eingesetzten Blechdicken in analoger Höhe erlaubt.

Die Flansch- und Stegbleche werden zu einem I-Träger zusammengeschweisst. Bild: Cleveland Bridge
Die Flansch- und Stegbleche werden zu einem I-Träger zusammengeschweisst. Bild: Cleveland Bridge

 

Stumpfnähte werden aus ästhetischen Gründen bündig geschliffen. Bild: Cleveland Bridge 
Stumpfnähte werden aus ästhetischen Gründen bündig geschliffen. Bild: Cleveland Bridge 

Dauerhaft wartungsfrei

Die entsprechend dünneren Bleche erfordern kleinere Schweissnähte und senken dadurch nicht nur das Schweissvolumen und den Verbrauch an Schweisszusätzen, sondern auch den Fertigungs- und Prüfaufwand. Durch seine chemische Zusammensetzung bietet Diweten 460+M zudem erhöhten Widerstand gegen atmosphärische Korrosion, sodass er dauerhaft wartungsfrei ist und weder einen Erst- noch Instandhaltungsanstriche benötigt. Dank des geringeren Gehalts an Legierungselementen paart er diese «Wetterfest»-Eigenschaften mit sehr guter Schweissbarkeit. So erfordert dieser Markenstahl durch den geringen Kohlenstoffäquivalentwert (CEV ~ 0,43) deutlich weniger Vorwärmtemperatur und -zeit als normalisierte wetterfeste Stähle gleicher Festigkeit. Damit sinkt neben den Aufheiz- und Abkühlzeiten auch die gesamte Dauer der Vorfertigung. Zusätzlich wirkt sich eine niedrige Vorwärmtemperatur positiv auf die Arbeitsbedingungen und die Arbeitssicherheit auf der Baustelle aus.

Bei Cleveland Bridge hergestellter wetterfester Stahl. Bild: Cleveland Bridge
Bei Cleveland Bridge hergestellter wetterfester Stahl. Bild: Cleveland Bridge

 

Die Summe der Vorteile – höherer Durchsatz, bessere Verarbeitbarkeit, weniger Kosten für Energie und Fertigungslohn sowie schlankere und nachhaltigere Konstruktionen – spricht für sich. Für Dean Baker, Schweissfachingenieur bei Cleveland Bridge, der allein für dieses Unternehmen bereits über 30 Brückenbauten betreut hat, machte aber auch eine geringere Fehlerrate beim Schweissen diesen Markenstahl zur ersten Wahl: «Der niedrige CEV senkt das Rissrisiko bei den Schweissnähten!» Das qualifiziert Diweten 460+M aus seiner Sicht gerade für anspruchsvolle Stahlkonstruktionen wie Brücken oder Hochhäuser, wo besonders hohe Anforderungen an Schweisseignung und Festigkeit gelten. Bei der Konstruktion der Carrington Bridge konnte durch den Einsatz dieses Markenstahls das Gewicht um 15 Prozent verringert, die Anzahl der Pfeiler von fünf auf zwei reduziert und auf den Einsatz von Dopplerblechen sogar vollständig verzichtet werden. Die Gewichtseinsparungen ermöglichten grössere und schnellere Montageeinheiten, mit der Folge, dass auch weniger Transporte erforderlich waren. Das wirkte sich wiederum positiv auf Energieverbrauch und Umwelt aus.

Durch seine höhere Festigkeit und durch analoge Schweisseigenschaften ermöglicht der wetterfeste Stahl Diweten 460+M von Dillinger erhebliche Material-, Zeit- und Kosteneinsparungen. Bild: Dillinger
Durch seine höhere Festigkeit und durch analoge Schweisseigenschaften ermöglicht der wetterfeste Stahl Diweten 460+M von Dillinger erhebliche Material-, Zeit- und Kosteneinsparungen. Bild: Dillinger

Stahl in ganz Europa zugelassen

Die von Dillinger bereits vor Jahren entwickelten thermomechanisch gewalzten Diweten-Stähle sind durch die 2019 erschienene überarbeitete Version der Normenreihe EN 10025-2 bis 6:2019 mittlerweile in ganz Europa für den Stahlbau zugelassen. Das erste Projekt, bei dem Diweten 460+M im Vereinigten Königreich eingesetzt wurde, war der Bau der Carrington Bridge von Cleveland Bridge. Dies war ein bahnbrechendes Projekt, das auch einige Herausforderungen mit sich brachte, wie Dean Baker erklärt: «Die Wahl des richtigen Schweisszusatzes ist bei höherfesten Stählen immer kompliziert. Da der Schweisszusatz die Festigkeit des Stahls übertreffen muss, um Risse in der Schweissnaht zu verhindern, waren für uns mit dem neuen Stahl sehr aufwendige Verfahrensprüfungen im Vorfeld verbunden.» Zudem galt es, die Schweisszertifizierung für das Material zu bekommen, was rund 15 verschiedene Qualifizierungen erforderte. «Das war ein wirklich aufregendes Projekt», erinnert sich auch Dan Sowerby, verantwortlicher Projektmanager für die Carrington Bridge. «Für Prüfungen erhielt Cleveland Bridge von Dillinger ein zusätzliches Blech vorab, was uns geholfen hat, den sehr engen Zeitplan einzuhalten und die umfangreiche Verfahrensqualifizierung innerhalb der vorgegebenen acht Wochen erfolgreich abzuschliessen», so Dan Sowerby. 

«Die Wahl des richtigen Schweisszusatzes ist bei höherfesten Stählen immer kompliziert.» Dean Baker

Hochbelastete Stahlträger am laufenden Band

Die 205 Meter lange Brücke setzt sich aus drei Spannweiten – 64 und 72 m über Land sowie 69 m über den Fluss – zusammen. Ihre Breite beträgt zwischen 12,35 m am westlichen Ende und 16,5 m am östlichen Ende, wo eine Zubringerspur vom Kreisverkehr die beiden je 3,65 m breiten Fahrspuren ergänzt. Vier Gurtreihen aus zwei miteinander verspannten befestigten und mit Versteifungselementen verstärkten Stahlträgerpaaren bilden die Tragkonstruktion für die Stahlbetondecke auf der Oberseite der Brücke. Die vier Hauptträger trennen die beiden Betonpfeiler vom Deck. Für die Fertigung der Hauptträger, Membranträger und Versteifungselemente verarbeitete Cleveland Bridge insgesamt 825 Tonnen Diweten 460+M. Lediglich für Querträger- und Diagonalverstrebungen sowie für die Verbindungslaschen kam wetterfester S355 zum Einsatz. Dillinger lieferte 60 Bleche Diweten 460+M in Dicken von 16 bis 50 mm, bis zu 3,43 m breit und 21,31 m lang. Cleveland Bridge teilte dann die Gesamtkonstruktion in zwölf transportfähige Fertigungsabschnitte mit sechs unterschiedlichen Längen auf. Im ersten Schritt wurden die Träger, Flansche und Stege geschnitten und anschliessend T-förmig zu Einzelträgern automatisiert zusammengeschweisst. Diese in Länge und Gewicht variierenden Einzelträger wurden sodann mit Verstrebungen verbunden. Rund einen Monat dauerte die Fertigung pro Träger. Cleveland Bridge produzierte allerdings in den gewaltigen Fertigungshallen, in denen bis zu 90 Tonnen schwere Elemente bewältigt werden können, bis zu drei dieser Träger gleichzeitig. Der längste Träger der Carrington Bridge war rund 42 Meter lang, der schwerste hatte ein Gewicht von 42 Tonnen – für das Team von Dan Sowerby fast schon Tagesgeschäft. Die riesigen Krananlagen manipulierten die Träger in die jeweils erforderliche Bearbeitungsposition, sodass der Fertigungsprozess beispielsweise durch abwärts geneigte Schweisspositionen der Komponenten deutlich beschleunigt wurde.  

Die letzten Trägerpaare werden über den Fluss Severn gehoben. Bild: Cleveland Bridge
Die letzten Trägerpaare werden über den Fluss Severn gehoben. Bild: Cleveland Bridge

 

Megakran für die Montage

Für die Installation der Brücke hat das Expertenteam empfohlen, zwei 500 t Raupenkrane durch einen 1200 t Strebenauslegerkran zu ersetzen, um sicherzustellen, dass die letzten Trägerpaare mit einem Gewicht von 123 t in einem Radius von 82 m über den Fluss gehoben werden können. «Der Plan, die Brücke mit den beiden kleineren Kranen gleichzeitig anzuheben, hätte eine Reihe von Nachteilen wie aufwendige Strassensperren zur Folge gehabt», begründet Dan Sowerby diesen Vorschlag. «Also haben wir eine bessere Alternative gesucht und den Megakran gebucht.» Angesichts räumlicher Standortbeschränkungen und der in unmittelbarer Nähe zur Brücke verlaufenden Hochspannungsleitungen ist bei der Positionierung und Bedienung des Krans aus der Sicht von Dan Sowerby allerdings besonders viel Fingerspitzengefühl gefragt. Zudem erfordert die Verschraubung der Elemente mitten über dem Fluss in 25 m Entfernung vom Land von Cleveland Bridge eigens entwickelte Logistiklösungen wie ein Ponton und mobile Hebebühnen. Doch gerade solche Herausforderungen sind für den Brückenbauexperten willkommene Möglichkeiten, seine führende Innovationskraft bei der Installationstechnik einmal mehr unter Beweis zu stellen.  ■

Bautafel / Panneau de chantier

Objekt:

Carrington Bridge Worcester (UK)

Brückenbauer:

Cleveland Bridge UK Ltd (UK)

Stahllieferant:

AG der Dillinger Hüttenwerke Dillingen/Saar (D)

Bezeichnung Stahl:

Diweten 460+M von Dillinger

Das Fachregelwerk Metallbauerhandwerk – Konstruktionstechnik enthält im Kap. 1.4.5 wichtige Informationen zum Thema «Ausführung von Stahlbauten».