Erdbebenisolation für Viadukt in kritischer ­Gebirgslage

Kolumbien. Manche Brücken liegen in so schwierigem Gebiet, dass schon der Bau eine Herausforderung ist. Steile Hänge, immer wieder Erdrutsche, ein Gebirgsfluss und hohe seismische Aktivität waren die Zutaten beim ­ K58-Viadukt an der Straße von ­ Bogotá nach ­ Villavicencio. ­ MAURER SIP®-DR Gleitpendellager tragen die 720 m lange K58-Brücke nicht nur, sie ermöglichten kleinere Gründungen, eine schlankere Bauweise und sichern den Verkehrskorridor auf Jahrzehnte. Die Lager nehmen hohe Auflasten von bis zu 70 MN auf und können sich im Erdbebenfall um bis zu 528 mm verschieben.

Die K58 hat ihren Namen von „Kilometer 58“ der Staatsstraße (­ Ruta Nacional 40) von ­ Bogotá nach ­ Villavicencio. Dort liegt das geologische Nadelöhr einer der wichtigsten Straßenverbindungen ­ Kolumbiens. Sie verlief an einem Steilhang über dem ­ Río Negro und war über Jahrzehnte immer wieder wegen Erdrutschen, instabilen Böschungen und Erdbeben gesperrt.

Die Schlüsselstelle vereint steile Topografie, die Querung eines Wildflusses, durch aktive Störungen geprägtes Gelände und eines der höchsten seismischen Gefährdungsniveaus des Landes mit Spitzenbeschleunigungen von über 1 g. Einer der Gründe dafür ist die aktive Guayuriba-Verwerfung, die sich 131 km am Ostrand der Anden entlangzieht und nur rund 18 km von der Brücke entfernt verläuft.

Die Antwort darauf ist nun ein 720 m langes, fünffeldriges, gekrümmtes Viadukt über dem Tal, das auch den Río Negro überbrückt. Dabei waren nicht nur Spann weiten, Tragfähigkeit, Verkehrssicherheit und langfristige Standsicherheit ein Thema, sondern schon der Bau unter eingeschränkten Randbedingungen eine Herausforderung.

Viadukt mit Gleitpendellagern
Nach Untersuchung verschiedener Varianten entschied sich das Planungsteam von ­ PEDELTA LATAM für eine Erdbebenisolierung mit Gleitpendellagern. Das Tragwerk besteht aus einem durchlaufenden, verschieden hohen Spannbeton-Hohlkasten. Er liegt auf vier Pfeilern mit je zwei Gleitpendellagern und an den beiden Widerlagern auf konventionellen Elastomerlagern. Das Viadukt wurde so konzipiert, dass Überbau und Unterbau im Erdbebenfall im Wesentlichen elastisch bleiben, während die nichtlineare Antwort der Isolatoren das Viadukt vor den Erdbebenkräften schützt.

Um die Lageranforderungen möglichst realitätsnah zu formulieren, wurden zwei Analyseverfahren kombiniert: modale Antwortspektrenanalysen und nichtlineare Zeitverlaufsanalysen mit skalierten Erdbebenaufzeichnungen für das maximal zu erwartende Erdbeben (MCE – Maximum Credible Earthquake) mit 2.500 Jahren Wiederkehrperiode. Für den Langperiodenbereich wurde ein verfeinertes Verschiebungsspektrum angesetzt, um unrealistisch konservative Ergebnisse zu vermeiden und das physikalische Verhalten isolierter Strukturen besser abzubilden.

Erdbeben-Speziallager SIP®-DR
Das Herz des Isolierungssystems sind acht ­ MAURER Gleitpendellager vom Typ SIP®-DR (SIP = Sliding Isolation Pendulum). D (Double) signalisiert, dass die Lager statt einer zwei konkave Flächen haben. Damit können D-Lager kleiner und leichter gebaut und einfacher montiert werden. Das R steht für Rotation. Die Rotationen im Bereich von 0,01 rad ergeben sich aus der wechselnden Gewichtsverteilung des Überbaus im Lauf der Bauphasen. Denn obwohl das Viadukt aus Beton gebaut wurde, ist es vergleichsweise „bewegungsfreudig“. Das liegt vor allem an den großen Spannweiten von bis zu 180 m.

Isolieren, dissipieren, zentrieren, ableiten
Die SIP®-Lager erfüllen vier Aufgaben:

• Sie isolieren das Brückendeck von den Pfeilern und verlängern damit die Schwingungsperiode des Tragwerks (effektive Periode: 4 sek).
• Sie leiten die seismische Energie durch Reibung ab (Dissipation, 3 % nominaler dynamischer Reibungskoeffizient) und schützen Pfeiler und Fundamente durch diese Kraftreduzierung (äquivalente viskose Dämpfung ca. 20 %).
• Sie erlauben eine horizontale Verschiebung der Lager um 528 mm und zentrieren die Brücke nach einem Erdbeben wieder in ihre ursprüngliche Position.
• Sie übertragen sehr hohe vertikale Lasten von bis zu 70 MN.

Gegenüber einer konventionell monolithischen Lösung verringern die SIP®-DR-Lager die seismischen Schubkräfte an den Pfeilerköpfen im Mittel um 44 %. Dadurch konnte der Unterbau noch effizienter ausgelegt werden, einschließlich optimierter Fundamentabmessungen und des Einsatzes großdimensionierter Senkkästen. Die Lager haben einen Durchmesser von ca. 1.800 mm und sind 445 mm hoch.

Insbesondere die Kombination aus hohen Auflasten und großen Verschiebungen im Erdbebenfall war für das Lagerdesign eine Herausforderung. Deshalb wurden die SIP®-Lager sowohl als Prototyp als auch nach der Produktion getestet, gemäß den AASHTO Guide Specifications for Seismic Isolation Design und der EN 15129.

Die Geometrie des Viadukts und seine Lage gestalteten den Bau anspruchsvoll. Aufgrund des schwierigen Geländes und der Talquerung wurde es im Freivorbauverfahren errichtet.

Bereits in der frühen Gründungsphase beeinträchtigte ein ­ Murgang des Río Negro die Arbeiten an Pfeiler 2 und der Bauverlauf musste angepasst werden. Der Bauprozess wurde in mehrere Phasen unterteilt, Hilfskonstruktionen blieben so lange stehen bis der Hauptüberbau fertig und die Pendellager eingebaut und aktiviert waren.

Die K58-Brücke zeigt, dass SIP®-Lager mehr können als Erdbebenschutz: Sie ermöglichten eine schlankere Planung, damit bessere Realisierbarkeit und langfristige Leistungsfähigkeit in hoch anspruchsvoller Umgebung.

Die Lager wurden im November 2024 eingebaut. Das Viadukt wurde am 12. Februar 2025 für den Verkehr freigegeben. Die ausführende Baufirma war­ OHLA LATAM, Bauherr war ­ INVÍAS (Instituto Nacional de Vías), eine Behörde des kolumbianischen Verkehrsministeriums.