Torsten Zimmermann
Fachkommunikation | Architektur
Stahlbau Verlag Shop

ILEK Exkursion Chicago 2016
Hochhäuser werden unweigerlich die Zukunft des innerstädtischen Bauens darstellen. Auf Grund des Anstiegs der Weltbevölkerung und des zunehmenden Wachstums der Millionenstädte wird dichtes Bauen notwendig und immer gefragter. Im Wintersemester 2016/17 werden 10 Studierende der Architektur am Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart einen Hochhaus Entwurf bearbeiten, um sich dieser Thematik anzunehmen. Da Chicago die Geburtsstätte der Gebäudetypologie Hochhaus darstellt, bietet es sich an, das Planungsgrundstück dort anzusetzen und die Recherchephase mit einer Exkursion zu verbinden. Das besondere dabei wird sein, dass auch Studierende des Bauingenieurwesens dabei sein werden, denn Interdisziplinarität ist besonders bei solch großen Bauprojekten essentiell. Zusammen mit der 17-köpfigen Studierendengruppe werden zwei Mitarbeiter des ILEK eine 9-tägige Exkursion im Oktober 2016 unternehmen. Dabei werden wir uns nicht nur der Geschichte des Hochhausbaus widmen, sondern auch neueste Entwicklungen erfahren, sowie die Beziehung zu der Architekturfakultät der Northwestern University weiter vertiefen. Gemeinsame Vorlesungen, Besprechungen sowie ein zusammen organisiertes Symposium werden dabei eine große Rolle spielen. Des weiteren sind Baustellenbesichtigungen und Besichtigungen einiger Architektur- und Ingenieurbüros geplant, wie z.B. zu Helmut Jahn, SOM oder Gill+Smith. Über den Verlauf der Exkursion werden wir auf diesem Blog live berichten und bedanken uns bereits vorab für die freundliche Unterstützung unserer Sponsoren, allen voran: Bauforumstahl.

Deutscher Stahlbau. Gut beraten.Deutscher Stahlbau. Gut beraten.

Sundsvall Brücke

Preisträger
Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues 2015
Kategorie Brückenbau

Stephan Lüttger (Max Bögl Stahl- und Anlagenbau GmbH & Co. KG)
Fertigung und Montage der Sundsvall Brücke

Laudatio

Das Fertigungs-, Montage- und Logistikkonzept der Sundsvall Brücke ist in seiner Größenordnung ein Meilenstein der Ingenieurbaukunst. Die Teilschüsse wurden auf einer halbautomatisierten Fertigungsstraße effizient in Serie hergestellt. Durch das abgestimmte Logistik- und Montagekonzept konnte die Montage in einem Sommer realisiert werden. Die Montage 40 Meter über Wasser ist eine hohe technische Leistung.
Wegen der logistischen Herausforderungen waren möglichst leichte Brückenteile erforderlich, die zu einem geschlossenen Querschnitt mit Innenaussteifungen und schlanken Blechen zusammengesetzt wurden. Die Brücke entspricht hohen architektonischen Ansprüchen. Der Überbau scheint trotz 23.000 Tonnen Gewicht über den aufgelösten Pfeilerköpfen zu schweben. Die durch die Stützenstellung horizontal gegliederte Brücke passt sich in einem in Grund- und Aufriss leichten Schwung gut in die hügelige Landschaft ein.
Das Brückenprojekt demonstriert, wie sich der Stahlbau durch moderne und ressourcenschonende Industriefertigung in Kombination mit den jüngsten Planungstechnologien hervorragend positionieren kann.

Erläuterungsbericht von Stephan Lüttger | Max Bögl Stahl- und Anlagenbau GmbH & Co. KG zur Einreichung beim Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues:


Aufgabenstellung

Im Zuge des Ausbaus der Europastraße E4 von Myre nach Skönsberg entstand in der schwedischen Hafenstadt Sundsvall ca. 400 km nördlich von Stockholm eine neue Großbrücke. Die 1.420 m lange und 23.000 Tonnen schwere Stahlbrücke mit Stützweiten zwischen 88 und 170 m überspannt den Bottnischen Meerbusen bei Sundsvall in einer Höhe von bis zu 33 m (siehe Anlage 01). Mit der im Grund- und Aufriss gekrümmten Brückengradiente und dem sich über die gesamte Brückenlänge ändernden Brückenquerschnitt entspricht die Brücke inmitten der Hafenstadt nicht nur den hohen architektonischen Anforderungen, sondern ihr Bau erfreute auch die moderne Ingenieurkunst.

© Max Bögl Stahl- und Anlagenbau


Im Februar 2011 konnte die Firmengruppe Max Bögl als Partner im Joint Venture Sundsvallsbron durch einen Sondervorschlag im Design und Build Verfahren den Auftrag für den Neubau der Autobahn E4 Seequerung in Sundsvall, Schweden gewinnen. Ausschlaggebend für den Erfolg des Sondervorschlags war insbesondere das innovative Montagekonzept des Hauptüberbaus.

Nach der Vergabe durch das schwedische Trafikverket im Februar 2011 musste die komplette Stahlbaumontage der 23.000 Tonnen bis spätestens zum Winter 2013/14 abgeschlossen werden. Nur so konnte der vertragliche Gesamtfertigstellungstermin für die Brückenbauarbeiten inklusive Asphaltarbeiten bis zum Oktober 2014 sichergestellt werden.
Zu dem sehr engen Terminplan kam erschwerend hinzu, dass in den sehr kalten und langen Wintern in Mittelschweden das Meer im Sund regelmäßig unpassierbar zufriert. Es war also erforderlich ein Montagekonzept zu finden, welches die Herstellung des Stahlüberbaus über Wasser innerhalb der einen Sommerperiode in 2013 ermöglichte.

Zu dem Montagekonzept gehörte es auch, die Großbrücke so für die Montage zu unterteilen, dass größtmögliche, fix und fertige Bauteile zeitglich vorgefertigt werden konnten. Diese Großbauteile mit bis zu 160 m Länge und Einzelstückgewichten von bis zu 2.500 t mussten anschließend mit dem Ponton über die Ostsee zu ihrem Montageort in der schwedischen Hafenstadt Sundsvall transportiert werden.

Fertigung und Montage der Sundsvall Brücke

Aus der Planung

zur Bildgalerie

© Max Bögl Stahl- und Anlagenbau
Lösungsweg

Für die Montage der 1,4 km langen Brücke wurde der durchlaufende Brückenträger in Längsrichtung in elf Sektionen mit maximal 160 m Länge unterteilt. Im Bereich der beiden Ufer waren dies die beiden Landsektionen Nr. 1 und 11 und über dem Meer die neun Wassersektionen Nr. 2 bis 10. Als separate Bauteile kamen zusätzlich noch die zehn auf den Betonpfeilern zu platzierenden Pfeilerscheiben und die insgesamt 40 Streben hinzu.

Werksfertigung
Die 23.000 Tonnen schwere Stahlkonstruktion besteht zu 70 % aus Blechdicken von 15 mm und dünner. Die Anzahl der zu bearbeitenden Einzelbleche pro Tonne und somit auch der logistische Fertigungsaufwand war daher deutlich höher als bei vergleichbaren Brückenkonstruktionen. Aus diesem Grund war die erforderliche Fertigungsleistung nur durch eine neuartige, weitestgehend automatisierte Fertigungsstraße möglich. Am Hauptsitz der Firmengruppe Max Bögl in Sengenthal bei Neumarkt i.d.Opf. wurde daher mit Projektstart parallel auch an einer neuen Fertigungshalle geplant und gearbeitet. Eine besondere Herausforderung an die neu zu entwickelnden Fertigungsmaschinen war dabei der im Brückenbau übliche hohe Qualitätsstandart.
Die Haupttragkonstruktion des Brückenträgers mit der Hülle und den beiden Längsträgern besteht komplett aus orthotropen Platten. Bei der erforderlichen Fertigungsleistung von einem gesamten Brückenquerschnitt mit 24 m Länge pro Woche mussten somit auch pro Woche im Schnitt 16 orthotrope Platten hergestellt werden. Dies war mit der herkömmlichen Fertigungsweise logistisch nicht zu leisten und es musste eine spezielle Umlauffertigung entwickelt werden. Das Herzstück der Umlauffertigung ist die halbautomatisierte Linienfertigung der orthotropen Platten (siehe Anlage 09).

Zwischentransport
Nach der Werksfertigung wurden die einzelnen Elemente mit Abmessungen von bis zu 6,5 m Breite, 6,5 m Höhe, 24 m Länge und maximalen Einzelgewichten von bis zu 100 t mit Binnen- und Küstenmotorschiffen über Rotterdam verschifft. Die Elemente der beiden Landsektionen Nr. 1 und 11 wurden dabei direkt nach Sundsvall - Schweden geliefert. Die Elemente der neun Wassersektionen Nr. 2 bis 10 gingen vorerst zum Vormontageplatz in Stettin - Polen.

Vormontage in Stettin
Für die fix und fertige Vormontage der insgesamt neun Wassersektionen wurde der firmeneigene Vormontageplatz in Stettin vorab weitreichend umgebaut. Das direkt an der Oder gelegene Gelände wurde hierfür mit zwei jeweils 210 m langen Verschubbahnen, einer Schiffsanlegestelle und einer Pontonanlegestelle ausgestattet.
Die aus Rotterdam ankommenden Küstenmotorschiffe konnten dadurch direkt am Vormontageplatz anlegen und wurden mittels Raupenkran entladen. Auf einem Leergerüst erfolgte dann die Vormontage der neun Sektionen in der spannungslosen Werkstattform im acht Wochentakt. Nach der stahlbautechnischen Fertigstellung einer Sektion wurde diese im Bereich der Verschubbahnen hydraulisch angehoben und aus dem Leergerüst freigesetzt. Abgesetzt wurden die Sektionen dann mit vier Verschubschlitten auf den beiden Verschubbahnen. Auf der Verschubbahn konnte dann Sektion für Sektion in Richtung der Pontonanlegestelle geschoben werden. Dabei wurde noch der Korrosionsschutz komplettiert, sowie der innenliegende Wartungssteg, die Fernwärmeleitungen und die Brückengeländer montiert.

Landmontage in Sundsvall
Parallel zu der laufenden Vormontage in Stettin wurden im Spätsommer 2012 auch die Elemente der beiden Landsektionen in Sundsvall angeliefert. Für die Entladung ankerten die Küstenmotorschiffe in der Bucht innerhalb des Baustellenbereiches und wurden dort mittels Schwimmkran entladen. An Land wurden die Elemente dann mit einem Raupenkran in bis zu 26 m Höhe auf Traggerüsten aufgelegt und anschließend verschweißt. Zu diesem Zeitpunkt waren durch den Ingenieurbau auch die beiden Widerlager und landseitigen Pfeiler hergestellt. Die acht wasserseitigen Pfeiler befanden sich noch im Bau.

Vormontage der Pfeilerscheiben
Für die im Sommer 2013 anstehende Wassermontage wurden dann auch die acht Pfeilerscheiben für die wasserseitigen Pfeiler benötigt. Die Bauteile der Pfeilerscheiben wurden gemeinsam mit den Streben in Küstenmotorschiffen nach Sundsvall transportiert. Die Vormontage der Pfeilerscheiben erfolgte in unmittelbarer Baustellenähe auf einem Vormontageplatz mit Anlegestelle.
Da die an die Vormontage anschließende Hubmontage der acht Pfeilerscheiben im 2,5 Wochen Rhythmus eingeplant war, wurden immer zwei bis drei Pfeilerscheiben zeitgleich vorgefertigt. Nach Fertigstellung wurden die Pfeilerscheiben dann zur Abholung auf einer kurzen Verschubbahn Richtung Wasser geschoben.



Pontontransport von Stettin nach Sundsvall

Im Juni 2013 standen sieben der neun Wassersektionen in Stettin zur Abholung bereit (siehe Anlage 05). Außerdem waren die beiden Landsektionen in Sundsvall fertiggestellt und alle Vorbereitungen für die große Wassermontage waren getroffen.
Von Stettin begann zu dieser Zeit die Auslieferung aller neun Sektionen im 2,5 Wochen Rhythmus nach Sundsvall. Die Sektion Nr. 10 wurde als erstes ausgeliefert. Nach der Ankunft des 100 m langen Transportpontons und seinem Schlepper wurde das Ponton als erstes geflutet, um es unter die Sektion ziehen zu können. Mittels Lenzen des Pontons lagerte sich die Sektion dann langsam von den Verschubbahnen auf das Ponton um. Danach wurde die Sektion noch für den Seetransport auf dem Ponton fixiert, um die 1.150 km lange Fahrt über die Ostsee nach Sundsvall sicher durchführen zu können (siehe Anlage 06). Die reine Fahrzeit nach Sundsvall betrug dabei unter guten Seebedingungen ca. fünf Tage.

Wassermontage in Sundsvall
Für den Einhub der bis zu 2.500 t schweren Wassersektionen in deren Einbaulage in Höhen von bis zu 40 m über dem Meer war projektbegleitend ein neues Einhubequipment zu planen und zu fertigen. Auf dem Kragarm der je Ufer bereits montierten Sektion war dies je eine Derrickkonstruktion ausgerüstet mit jeweils zwei 650 t Litzenhebern. Am freien Ende der einzuhebenden Sektion war es ein auf einem Ponton schwimmendes Einhubportal ausgerüstet mit zwei 850 t Litzenhebern. Das Schwimmportal war dabei zusätzlich mit einem seitlichen Ausleger ausgestattet, so dass es mit einer Seilwinde auch die bis zu 160 t schweren Pfeilerscheiben auf die wasserseitigen Betonpfeiler setzen konnte.
Bei der mit einem Ponton maximal möglichen Transportumlaufzeit von 2,5 Wochen und bei der wechselseitigen Montage vom Nord- und Südufer aus ergab sich für jede Sektion inklusive der dazugehörigen Pfeilerscheibe und Streben ein zur Verfügung stehendes Montagefenster von nur fünf Wochen. Alle Montageabläufe mussten entsprechend so optimiert werden, dass dieser Rhythmus realisiert werden konnte.
Vor dem Eintreffen der Sektion Nr. 10 musste im Juni 2013 auch die erste der vorgefertigten Pfeilerscheiben auf den wasserseitigen Betonpfeiler aufgesetzt werden. Die Pfeilerscheibe war hierzu auf der kurzen Verschubbahn am baustellennahen Vormontageplatz bis an die Kaimauer geschoben. In dieser Position konnte die Pfeilerscheibe mit dem seitlichen Ausleger des Schwimmportals aufgenommen werden. Mit der Pfeilerscheibe am Haken wurde das Schwimmportal mit Schleppern und Seilwinden so im Sund positioniert, dass die Pfeilerscheibe auf dem Betonpfeiler abgesetzt werden konnte (siehe Anlage 07). Die Pfeilerscheiben mit maximal 12 m Höhe, 11 m Breite und einem Gewicht von bis zu 160 t wurden dabei jeweils erst einmal als Kragstütze auf dem Betonpfeiler gelagert.
Nach dem Setzten der Pfeilerscheibe konnte dann auch die Sektion 10 für den Einhub vorbereitet werden. Das Ponton wurde dazu im Sund mit Schleppern und Seilwinden in die Nähe des Pfeilers manövriert. Das dem Ufer zugewandte Sektionsende wurde dabei so positioniert, dass die von dem auf der vorangehenden Sektion stehenden Derrick heruntergelassenen Litzen am Sektionsende angeschlagen werden konnten. An dem vom Ufer abgewandten Sektionsende konnte sich währenddessen das Schwimmportal über dem Sektionsende positionieren.
Mit den an beiden Enden angeschlagenen Litzen konnte die im Grundriss noch verschwenkte Sektion nun vom Ponton abgehoben werden. Das Ponton selbst kam dabei immer weiter aus dem Wasser, bis die Sektion schließlich komplett freigesetzt war. Unter ständiger Kontrolle der einzelnen Litzenheberkräfte und Messung der Litzenschiefstellungen wurde die Sektion Hub um Hub in die Höhe gezogen. Um beim daran anschließenden seitlichen Einschwenken der Sektion eine Kollision mit dem vorangehenden Sektionsende und der Pfeilerscheibe zu vermeiden, wurde die Sektion vorerst in Längsrichtung schräg hochgezogen. Das dem Ufer zugewandte Sektionsende wurde dabei nur bis kurz unter die vorangehende Sektion gezogen und das dem Ufer abgewandte Sektionsende über die Pfeilerscheibe hinaus. In dieser Position konnte der Eindrehvorgang durchgeführt werden (siehe Anlage 08).
Nach dem Eindrehen der Sektion mit Drehpunkt am Derrick konnte die Sektion in ihre endgültige Höhenlage abgelassen bzw. hochgezogen werden. Mit Erreichen der endgültigen Höhenlage erfolgten dann Schritt für Schritt auch die temporären Montageverschlosserungen. Am Sektionsstoß wurde die eingehobene Sektion dabei in Längs- und Querrichtung fixiert. Am Stoß zwischen Sektion und Pfeilerscheibe erfolgte neben der Längs- und Querfesthaltung zusätzlich auch eine Einspannung der Pfeilerscheibe an der Sektion. Um bei der nachts abkühlenden Brückenkonstruktion keine Zwängungen im System zu erzeugen, musste zeitgleich zur Einspannung an der Sektion auch die Einspannung und Längsfesthaltung am Fuß der Pfeilerscheibe gelöst werden.
Innerhalb von einem Tag war die erste Sektion eingehoben und das Ponton konnte die Rückfahrt nach Stettin beginnen. In Sundsvall begannen darauf die Schlosser- und Schweißarbeiten am Sektionsstoß und dem Stoß zur Pfeilerscheibe. Direkt im Anschluss daran mussten dann auch die vier Streben mit Längen von bis zu 35 m, Rohrdurchmessern von bis zu 2 m und Einzelgewichten von bis zu 54 t eingehoben und vorgespannt werden. Nur so konnte fünf Wochen nach dem Einhub der Sektion Nr. 10 auch die Sektion Nr. 9 eingehoben werden. Während all dieser Arbeiten am nördlichen Ufer liefen auch die Vorbereitungen am Südlichen Ufer auf Hochtouren. Dort sollte 2,5 Wochen nach dem Einhub der Sektion Nr. 10 auch die Sektion Nr. 2 eingehoben werden.
In dieser Art und Weise wurde in 2013 dann wechselseitig im 2,5 Wochentakt Sektion für Sektion eingehoben und montiert, bis nur noch der Lückenschluss mit der Sektion Nr. 6 verblieb.

Der Einhub der Sektion Nr. 6 erfolgte dann abweichend von den vorherigen Sektionen nur mithilfe der beiden Derricks (siehe Anlage 11). Hierfür musste der nördliche Derrick von seiner bisherigen Einpunktlagerung zur Zweipunktlagerung umgebaut werden. Direkt nach dem Lückenschluss musste dann auch das Lagerungssystem der gesamten Brücke angepasst werden. Während bei der Montage jede Brückenhälfte an ihrem jeweiligen Widerlager in Längsrichtung fixiert war, musste direkt nach dem Lückenschluss die Änderung des Festpunktes zum mittleren Brückenpfeiler in Achse Nr. 6 durchgeführt werden.

Zusammenfassung

Das bei der Sundsvall Brücke durchgeführte Fertigungs-, Montage- und Logistikkonzept ist in seiner Größenordnung auch für den modernen Deutschen Stahlbau ein Meilenstein der Ingenieurkunst. Um den hohen technischen Anforderungen und dem sehr engen Gesamtterminplan gerecht zu werden, wurden bei diesem internationalen Großprojekt alle Bereiche des modernen Stahlbaus gefordert.

Angefangen mit der umfangreichen und komplexen 3D Planung des Bauwerks, der Fertigungs-, Logistik- und Montageabläufe mit interaktiv verknüpfter Prozesssteuerung. Der modernen Werksfertigung, die so automatisiert und optimiert wurde, dass ein kompletter Brückenquerschnitt (bis zu 38 m Breite und bis zu 6,5 m Höhe) mit einer Länge von 24 m pro Woche gefertigt und ausgeliefert werden konnte (siehe Anlage 09). Die Logistikkette zwischen den einzelnen Produktionsorten, die just in time und Hand in Hand mit Binnen-, Küstenmotorschiffen und Hochseepontons funktionierte. Die Serienvorfertigung in Stettin von fix und fertigen Großbauteilen mit Einzellängen von bis zu 160 m und Einzelgewichten von bis zu 2.500 t. Bis hin zur technisch hoch anspruchsvollen Hubmontage über dem Meer, mit ständig wechselnden statischen Systemen und dies bei einem 2,5 Wochenrhythmus.

Die Sundsvall Brücke ist somit ein gutes Beispiel dafür, dass der deutsche Stahlbau auch für den internationalen Wettbewerb mit Übersee sehr gut gerüstet ist. Durch ständige Innovationen und dem Mut zu neuen Herausforderungen kann der deutsche Stahlbau damit auch international bestehen. Dabei wird aus dem Stahlbau viel mehr als nur die herkömmlichen Schlosser- und Schweißleistungen. Der Stahlbau entwickelt sich vielmehr zur modernen und ressourcenschonenden Industriefertigung. In Kombination mit den jüngsten Planungs- und Fertigungstechnologien kann sich der Stahlbau damit selbst ganz neu auf dem Markt positionieren und bietet auch neue Möglichkeiten für die moderne Ingenieurkunst. Dies ermöglicht eine Realisierung von großen und anspruchsvollen Bauwerken in immer kürzeren Zeiträumen auch unter schwierigsten Randbedingungen.

zurück zu 'Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues 2015 - Kategorie Brückenbau'


Fertigstellung

2014

Ingenieur
Stephan Lüttger
Max Bögl Stahl- und Anlagenbau GmbH & Co. KG

Weitere Projektbeteiligte
Rüdiger Schidzig, Michael Pfeiffer

Architekt
Rundquist Arkitekter AB
www:rundquist.se

Weitere Fachingenieure

Tragwerksplaner
ISC Consulting Engineers A/S
www.isc.dk

Stahlbau
Max Bögl Stahl- und Anlagenbau GmbH & Co. KG
www.max-boegl.de

Bauherr
Trafikverket
E4 Sundsvall

Foto Seitenkopf (Ausschnitt)
© Max Bögl Stahl- und Anlagenbau