Brückenlager: Arten, Funktionen, Installation und Wartung

Brückengelenke und Lagerspezifikationen sind wesentliche Aspekte des Brückenbaus und gewährleisten die Langlebigkeit und Funktionalität von Brücken. Dieser umfassende Leitfaden befasst sich mit der Bedeutung dieser Elemente, ihren verschiedenen Typen, Auswahlkriterien und Best Practices für Wartung und Installation.

Brückengelenke und Brückenlager verstehen

Unter Artikulation versteht man im Brückenbau die strategische Konstruktion und Platzierung von Stützen und Lagern, die notwendige Bewegungen und Drehungen ermöglichen. Dadurch wird eine übermäßige Belastung sowohl des Überbaus als auch des Unterbaus vermieden und sichergestellt, dass sich Brücken ohne Schäden an verschiedene Kräfte und Bewegungen anpassen können.

Wie funktioniert ein Brückenlager?

Brückenlager übertragen die Lasten vom Brückenüberbau auf den Unterbau und ermöglichen oder begrenzen relative Bewegungen. Diese Bewegungen können thermische Ausdehnung und Kontraktion sowie durch Verkehrslasten und Windkräfte verursachte Bewegungen umfassen. Lager ermöglichen es der Brücke, sich zu biegen und zu bewegen, ohne strukturelle Schäden zu verursachen, wodurch die Integrität und Langlebigkeit der Brücke erhalten bleiben.

Was ist eine freitragende Brücke?

Eine freitragende Brücke ist eine Art Brücke, bei der die Lager Bewegungen in mehrere Richtungen ohne nennenswerte Einschränkung ermöglichen. Diese Lager, häufig Elastomer- oder Gleitlager, ermöglichen es dem Brückenüberbau, sich als Reaktion auf Temperaturänderungen, Lastschwankungen und andere Kräfte frei auszudehnen, zusammenzuziehen und zu drehen. Diese Konstruktion wird normalerweise verwendet, wenn die Struktur große Bewegungen und Drehungen ohne nennenswerte Einschränkungen aufnehmen muss.

Welches Material wird für Brückenlager verwendet?

Brückenlager werden aus verschiedenen Materialien hergestellt, die je nach Lagertyp und den spezifischen Anforderungen der Brücke ausgewählt werden. Zu den üblichen Materialien gehören:

• Gummi und Stahl: Wird in Elastomerlagern verwendet und kombiniert Flexibilität und Festigkeit.
• Polytetrafluorethylen (PTFE): Ein reibungsarmes Material, das in Gleitflächen von Topf- und Kugellagern verwendet wird.
• Edelstahl: Wird aufgrund seiner Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit häufig in Gelenklagern verwendet.
• Bronze und Verbundwerkstoffe: Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften werden sie gelegentlich in Speziallagern verwendet.

Arten und Funktionen von Brückenlagern

Lager sind von entscheidender Bedeutung, um Lasten vom Brückenüberbau auf den Unterbau zu übertragen und gleichzeitig Relativbewegungen auszugleichen oder zu begrenzen. Es gibt verschiedene Lagertypen, die jeweils für unterschiedliche Brückenkonfigurationen und -anforderungen geeignet sind:

• Elastomerlager: Sie bestehen aus Gummischichten, die durch Stahlplatten getrennt sind und häufig in kleinen Strukturen verwendet werden. Sie bewältigen Bewegungen durch Scherverformung und sind wirtschaftlich effizient für Anwendungen mit geringen Längs-, Quer- und Drehbewegungen.
• Topflager: Sie bestehen aus einer Elastomerscheibe in einem Stahlzylinder und ermöglichen dadurch erhebliche Drehbewegungen. Mit einer Gleitfläche können sie auch Translationsbewegungen aufnehmen.
• Gelenklager: Diese Lager werden für große Rotationen verwendet und haben eine sphärische Oberfläche, die oft mit PTFE ausgekleidet und mit einer Edelstahloberfläche kombiniert ist. Sie sind aufgrund der erforderlichen Bearbeitung teurer und werden typischerweise in großen Strukturen verwendet.
• Kipphebellager: Kipplager ermöglichen die Drehung um eine einzelne Achse und bieten Torsionssteifigkeit um eine zur Kontaktlinie orthogonale Achse. Sie werden häufig in Eisenbahnbrücken eingesetzt, wo hohe Stoßbelastungen auftreten.
• Führungslager: Diese stellen sicher, dass die Struktur den richtigen Ausdehnungs-/Kontraktionspfad beibehält, ohne vertikale Lasten tragen zu müssen, was bei stark schiefen oder mehrfeldrigen Strukturen nützlich ist.

Wichtige Überlegungen zur Konstruktion von Brückenlagern und Gelenkverbindungen

Umwelt- und Belastungsfaktoren

1. Temperaturänderungen: Sowohl gleichmäßige als auch unterschiedliche Temperaturänderungen können erhebliche Bewegungen und Spannungen in Brückenkonstruktionen verursachen.
2. Schwinden von Beton: Das Schwinden von Betonbauteilen, beispielsweise der Fahrbahnplatte, muss ausgeglichen werden, um unzulässige Spannungen zu vermeiden.
3. Dauerhafte Maßnahmen: Eigenlasten und aufgelagerte Eigenlasten üben kontinuierlich Kräfte aus, die beherrscht werden müssen.
4. Variable Aktionen: Verkehrslasten sind eine primäre variable Einwirkung, die von Lagern aufgenommen werden muss.
5. Vertikale und horizontale Lasten: Beide Belastungsarten haben Einfluss auf die Auswahl und Auslegung der Lager.
6. Unterstützungssiedlungen: Jede Bewegung oder Setzung der Stützen kann zusätzliche Kräfte und Bewegungen hervorrufen, die von den Lagern ausgeglichen werden müssen.
7. Unbeabsichtigte Aktionen: Stöße durch Fahrzeugkollisionen oder andere Unfälle müssen bei der Lagerkonstruktion berücksichtigt werden.

Bewegungsaufnahme in Brückenlagern

Lager müssen sowohl permanente (irreversible) als auch vorübergehende (reversible) Bewegungen aufnehmen. Dadurch wird sichergestellt, dass sich die Brücke an verschiedene Bedingungen anpassen kann, ohne dass sich Spannungen ansammeln, die zu Schäden führen könnten.

Rotationsmanagement in Brückenlagern

Rotationen um Längs- und Querachsen an Stützen müssen berücksichtigt werden. Diese Rotationen können entweder in den Lagern aufgenommen oder von ihnen aufgefangen werden. In einigen Fällen muss auch die Rotation um eine vertikale Achse, die mit einer Planbiegung verbunden ist, berücksichtigt werden, obwohl diese normalerweise minimal ist.

Horizontale Verschiebungen in Brückenlagern

Horizontale Verschiebungen entstehen durch Gesamtänderungen der Strukturlänge und Biegung. Die richtige Platzierung der Lager ist entscheidend, um diese Verschiebungen zu bewältigen, übermäßige Belastungen zu vermeiden und die strukturelle Integrität sicherzustellen.

Optimierung von Gelenkanordnungen mit Brückenlagern

Begrenzungslager und Dehnungsfugen

Durch die Reduzierung der Lageranzahl und die Minimierung der durch Dehnungsfugen aufzunehmenden Bewegungen verringert sich der Wartungsaufwand. Dieser Ansatz vereinfacht die Struktur und erhöht ihre Lebensdauer.

Vermeidung von Auftrieb in Brückenlagern

Das Verhindern von Auftrieb an Lagerstellen, insbesondere bei schrägen Strukturen, ist von entscheidender Bedeutung. Auftrieb kann die Konstruktion erschweren und die Kosten erhöhen, daher sollte er nach Möglichkeit vermieden werden.

Mechanische Beschränkungen in Brückenlagern

Mechanische Begrenzungen sind notwendig, um horizontale Kräfte zu bewältigen und sicherzustellen, dass thermische Ausdehnung und Kontraktion korrekt erfolgen. Diese Begrenzungen sollten strategisch platziert werden, um Bewegungen effektiv zu kontrollieren.

Flexibilität bei Mehrfeldbrücken mit Brückenlagern

Die Verwendung schlanker Pfeiler, die eine Lastverteilung und Flexibilität ermöglichen, verhindert Bewegungseinschränkungen bei mehrfeldrigen Strukturen. Diese Konstruktionsüberlegung verbessert die Anpassungsfähigkeit der Struktur an verschiedene Kräfte und Bewegungen.

Detaillierte Artikulationsschemata für Brückenlager

Einfeldbrücken

1. Schwebende Artikulation: Bei kleinen Brücken mit geringen Horizontalkräften kann die Fahrbahnplatte auf Elastomerlagern „schweben“. Diese Lager gleichen alle Bewegungen durch Scherverformung aus.
2. Fixpunktartikulation: Die meisten Brücken erfordern mechanische Begrenzungen, um horizontale Kräfte aufzunehmen. Topflager und geführte (unidirektionale) Lager werden zur Bewegungssteuerung verwendet, während Festlager Längskräfte aufnehmen.

Durchgehende Mehrfeldträger

Bei längeren Spannweiten nimmt das Ausmaß der Bewegungen zu. Durch die Platzierung des Festlagers in der Mitte der Brücke wird sichergestellt, dass die Wärmeausdehnung gleichmäßig verteilt wird, wodurch die Belastung der Struktur verringert wird. Bei der Pfeilerkonstruktion müssen horizontale Kräfte berücksichtigt werden, die durch Brems- und Beschleunigungsvorgänge entstehen.

Gebogene Brückendecks mit Brückenlagern

Gebogene Decks können entweder radial von einem festen Punkt oder tangential zum Krümmungsradius geführt werden. Die radiale Führung erfordert eine präzise Geometrie der Lager, während die tangentiale Ausrichtung das Deck effektiv um Kurven führt und horizontale Kräfte mit speziellen Führungslagern aufnimmt.

Dehnungsfugen in Brückenlagern und -gelenken

Moderne Brücken verwenden Dehnungsfugen, um Bewegungen zu regulieren, lokale Risse zu verhindern und die strukturelle Integrität aufrechtzuerhalten. Die richtige Spezifikation dieser Fugen ist, ähnlich wie bei Lagern, entscheidend, um eine effektive Bewegungsaufnahme und Wartungsminimierung zu gewährleisten.

Spezifikation und Installation von Brückenlagern

Lagerplanerstellung für Brückenlager

Der Brückenkonstrukteur muss einen detaillierten Lagerplan erstellen, in dem Kräfte, Bewegungen und Leistungsmerkmale aufgeführt sind. Diese Informationen helfen dem Lagerkonstrukteur bei der Bestimmung der Konstruktionswerte und vollständigen Spezifikationen.

Überlegungen zur Installation von Brückenlagern

Lager müssen mit präziser Ausrichtung und Temperatureinstellungen eingebaut werden, um die volle Ausdehnungs- und Kontraktionsbewegung zu ermöglichen. Möglicherweise sind Kegelplatten erforderlich, um die Lagerflächen an die endgültige Geometrie der Brücke anzupassen.

Wartung und Inspektion von Brückenlagern

Zugänglichkeitsorientiertes Design von Brückenlagern

Lager müssen so konstruiert sein, dass sie leicht zu prüfen, zu warten und auszutauschen sind. Dazu gehört, dass sie zugänglich sind, Mittel zur Entlastung bieten und genügend Platz zum Einsetzen und Herausnehmen neuer Lager haben.

Widerlagerstollen für Brückenlager

An Widerlagern erleichtern Galerien die Inspektion und Wartung der Lager. Diese Galerien bieten den notwendigen Zugang und Platz, um ohne wesentliche strukturelle Änderungen an den Lagern zu arbeiten.

Abschluss

Brückengelenke und Lagerspezifikationen sind für die Funktionalität und Langlebigkeit von Brücken von grundlegender Bedeutung. Durch das Verstehen und Umsetzen optimierter Konstruktionen und Wartungspraktiken können Ingenieure sicherstellen, dass Brücken auch in den kommenden Jahren sicher, langlebig und effizient bleiben. Durch die richtige Gelenkigkeit können sich Brücken an verschiedene Kräfte und Bewegungen anpassen, während gut ausgewählte Lager Lasten effektiv übertragen und notwendige Verschiebungen und Drehungen ausgleichen. Durch sorgfältige Konstruktion, Installation und Wartung können die Integrität und Leistung von Brückenstrukturen erheblich verbessert werden.