Brücken: Die verschiedenen Konstruktionsformen
Unsere Vorfahren wurden vermutlich durch an Ufern gewachsene und über den Wasserlauf gestürzte Bäume zum Brückenbau inspiriert. Bis zur Antike hatten es die Brückenbauer bereits zu einer erstaunlichen Kunstfertigkeit gebracht, die nach einer langen Phase der Stagnation im Mittelalter erst in der Neuzeit wieder erreicht und übertroffen wurde. Der Bau von Brücken war und ist insofern ein Zeugnis für den Stand der Kultur, in der sie entstanden.
Welche Bedeutung der Brücke in der Menschheitsgeschichte zuzumessen ist, wird schon dadurch deutlich, dass kaum ein anderes bauliches Objekt — außer vielleicht dem Haus — derart symbolträchtig ist. Als Beispiel sei hier nur die Bezeichnung Pontifex Maximus, größter Brückenbauer, für den Papst angeführt.
Aufbau von Brücken
Im Laufe der Zeit bildeten sich für den Brückenbau unzählige Spielarten heraus. Bis ins 17. Jahrhundert ging man beim Entwurf und Bau von Brücken empirisch vor; erst nach der Entwicklung baustatischer Methoden konnten die Bauwerke genauer berechnet werden.Erste Ansätze dazu lieferte Galileo Galilei (1564—1642), weiterentwickelt wurde die Theorie von Charles Augustin de Coulomb (1736—1806) und Louis Marie Henri Navier (1785—1836) und zur vollen Reife gebracht von Karl Culmann (1821—1881), James Clerk Maxwell (1806—1873) und William John Macquorn Rankine (1820—1872).
Fast alle Brücken bestehen heute aus einem Unter- und einem Überbau. Der Überbau, auch Tragwerk genannt, umfasst den waagerechten Bauteil der Brücke, meist die Fahrbahntafel und die darunter befindlichen Hauptträger. Gestützt wird der Überbau vom Unterbau, der die Lasten über Lager, Widerlager, Pfeiler und Fundamente auf den Baugrund abträgt. Brückenpfeiler werden in der Regel aus Mauerwerk, Stahl- oder Spannbeton oder aus Stahl hergestellt und oft mit Stein verkleidet. Eine besondere Herausforderung stellt die Errichtung von Brückenpfeilern dar, wenn sie in tiefem, reißendem Wasser erfolgt und tragfähiger Baugrund erst in tieferen Bodenlagen vorhanden ist. Sofern man den Fluss nicht umleiten kann, müssen dann Pfahlgründungen oder Caissongründungen verwendet werden. Die Brückenlager unter dem Haupttragwerk sorgen durch Roll- und Kippelemente dafür, dass dieses bei allen Bewegungen und Formänderungen aus Belastung und Wärmeschwankungen einwandfrei auf dem Widerlager aufliegt. Werkstoff für die Herstellung von Brückenlagern ist vergüteter Stahl von sehr großer Härte.
Von ihrer Konstruktionsweise her lassen sich Balken-, Bogen- und Hängebrücken sowie Varianten und Mischformen dieser Grundtypen unterscheiden.
Balkenbrücken
Die ersten, primitiven Vorläufer der Brücke in Gestalt von über Flüsse gelegten Baumstämmen gehören zum Typ Balkenbrücke. Dieser Brückentyp dürfte bereits in der Altsteinzeit, vor etwa 12 000 Jahren, bekannt gewesen sein. Im Laufe der Zeit kamen technische Verfeinerungen hinzu, beispielsweise behauenes Holz zum Bau der Träger und gemauerte Abstützungen. Eine Variante stellen die Ausleger- oder Schwebebrücken dar, mit denen sich größere Stützweiten (Abstände zwischen den Stützen) erreichen lassen. Unter einem Ausleger versteht man einen über einer Stütze frei herausragenden Balken, der am anderen Ende von einem Gewicht balanciert wird. Zur Brückenkonstruktion kann man immer längere Holzbalken auf benachbarte Stützen auflegen, sodass sich die Ausleger Schicht für Schicht immer weiter entgegenragen, bis die obersten Balken zusammenstoßen und durch einen Balken aneinander befestigt werden. Mit Holz als Baumaterial lassen sich Stützweiten von etwa 50 Metern erreichen.
Man versuchte, das Balkenbauprinzip auf Stein als dauerhafteren Baustoff zu übertragen, musste dazu aber die Stützweiten auf etwa ein Zwanzigstel verringern. Die Pfeiler standen allerdings nun so dicht nebeneinander, dass sie die Flussströmung stark behinderten und bei Hochwasser, besonders, wenn einmal die Fundamente unterspült waren, leicht umstürzten.
Zum Bau neuzeitlicher Balkenbrücken verwendete man ab Mitte des 19. Jahrhunderts Pfeiler und Gitterträger aus Gusseisen; einige Jahrzehnte später kamen Stahl und Stahlbeton hinzu. Beton allein ist, ebenso wie gewachsener Stein, aufgrund der geringen Zugfestigkeit als Trägermaterial ungeeignet. In den Beton eingebettete Stahlstäbe als Armierung (Bewehrung) verleihen dem Stahlbeton Biegefestigkeit. Ein Baustoff, der noch stärker durch Zug belastbar ist, wurde um 1900 mit dem Spannbeton gefunden. Darunter versteht man einen Stahlbeton, an dessen Armierung noch im flüssigen Beton eine Zugspannung angelegt wird. Diese Vorspannung wirkt den Zugkräften entgegen, durch die das fertige Bauteil belastet werden soll, und verhindert die Bildung von Rissen. Die Spannglieder, die aus Drähten, Litzen (geflochten Drähten) oder Stäben bestehen, können bei der Herstellung des Bauelements einbetoniert oder in Kanälen oder Hüllrohren verlegt werden, die anschließend mit Zementmörtel ausgefüllt werden. Die Vorspannung muss hinreichend groß gewählt werden, da sie zum Teil durch den Schwund beim Abbinden des Zements sowie durch unvollkommene elastische Verformung des Stahls verloren geht.
Große Fortschritte gab es auch im Aufbau und in der Formgebung der Träger der Balkenbrücken. Im Mittelalter wurden hölzerne Fachwerkträger entwickelt, die nahezu ebenso stabil wie massive Vollwandträger sind, aber wesentlich leichter und billiger. Besonders beliebt war diese Bauweise in den USA des frühen 19. Jahrhunderts, als das Eisenbahnnetz Richtung Westen in den waldreichen Regionen ausgebaut wurde. In heutigen Fachwerkbrücken ist das Holz meist durch Stahl ersetzt. Eine Erhöhung der Stabilität konnte aber auch durch den Bau von Kastenträgern erreicht werden, also durch ein Tragwerk, das aus einer oder mehreren Röhren von rechteckigem Querschnitt besteht. Die erste solchermaßen gebaute Brücke war die im Jahr 1950 vollendete Britannia-Brücke über die Menai-Meeresenge in Nordwales. Sie wurde damals aus Holz gezimmert. Moderne Kastenträgerbrücken haben als Hauptträger stählerne Kastenröhren, auf welche die Fahrbahn aufgesetzt ist. Die Fahrbahn kann aus einer an den Träger angedübelten Stahlbetonplatte (Verbundbau) oder ebenfalls aus Stahl (orthotrope Platte, durch Rippen versteift) bestehen, die mit einer Verschleißschicht, meist aus Hartgussasphalt, abgedeckt sind. Bei heutigen Kastenträgerbrücken sind Stützweiten von 200 Meter (Stahl- und Spannbeton) oder sogar 500 Meter (Stahl) nicht ungewöhnlich.
Zum Bau einer Balkenbrücke verwendet man heute bei kleineren Brücken meist Fertigteile in Form von Stützen, Riegeln, Winkelstützmauerelementen und Auflagerbänken. Überbauten aus Stein und Ortbeton (vor Ort gegossener Beton) werden in der Regel in Trag- und Schalungsgerüsten aus Holz oder Stahl hergestellt, die auf der Erdoberfläche gegründet sind. Der Bau einer Mehrfeldbrücke erfolgt feldweise nacheinander, wobei das Gerüst für den Überbau nach Erhärten des Mörtels oder Betons mit einem Kran umgesetzt oder als Ganzes verschoben wird. Dazu dienen oft große, freitragende Vorschubrüstungen aus Stahl, die auf den Pfeilerköpfen aufliegen und nach Fertigstellung eines Überbauabschnitts auf den Pfeilerköpfen ins nächste Feld vorgeschoben werden. Häufig lässt sich stattdessen auch der gerüstlose Freivorbau anwenden (Taktschiebeverfahren). Anstelle dieser Längseinschiebeverfahren wird in manchen Fällen auch quer eingeschoben, indem die Hauptträger oder der Überbau neben der Einbaustelle auf ganze Länge fertig montiert oder betoniert und danach auf Verschubbahnen quer verschoben und auf die Widerlager und Pfeiler abgesetzt werden. Quer- und Längseinschieben lassen sich auch kombiniert anwenden. Bei Brücken über schiffbaren Gewässern können Überbauteile mittels Schwimmkränen herantransportiert und platziert werden. Zu diesem Einschwimmen genannten Verfahren benötigt man große Kähne oder Pontons.
Nach der Fertigstellung des Rohüberbaus schließen sich die Komplettierungsarbeiten an: Justieren der Lager, Einbau der Entwässerungsanlagen, der Fahrbahnübergänge und der Dichtung, Montage von Geländern, Leiteinrichtungen und Masten, Herstellen der Fahrbahnen und Gehwege, Verlegen von Gleisen und Abdeckungen, Aufbringen von Korrosionsschutzanstrichen und weitere abschließende Maßnahmen.
Hänge- und Bogenbrücken
Fast ebenso alt wie die Balkenbrücke ist die Hängebrücke, die in ihrer einfachsten Form aus drei parallel aufgespannten Seilen besteht, von denen zwei als Geländer dienen und eines, etwas tiefer und mit den anderen verknüpft, als Laufsteg. Befestigt sind die Seile meist an Bäumen oder an in den Boden gerammten Pfählen. Noch heute findet man solche Hängebrücken beispielsweise im Himalaja. In neuerer Zeit verwendete man statt der Handseile eiserne Ketten, noch später Stahlkabel, die rückwärtig in starken Betonfundamenten verankert sind. Der ursprüngliche Steg wurde durch eine versteifte Fahrbahn zur Verminderung der Schwingungen ersetzt. An die Stelle der Bäume oder Pfähle traten turmartige Pfeiler, die Pylone, welche meist so angeordnet sind, dass sich unter der Hängebrücke eine große Mittelöffnung und zwei kleinere Seitenöffnungen ergeben. Mit Hängebrücken aus Stahl lassen sich Stützweiten von mehr als 1000 Metern erreichen.
Bogenkonstruktionen bestehen aus keilförmig zulaufenden Bauelementen (früher Steine, heute Beton oder Stahl), die aneinander gesetzt und im vollendeten Bogen durch den gegenseitigen Druck zusammengehalten werden. Während des Baus müssen sie durch Hilfskonstruktionen an ihrem vorgesehenen Platz gehalten werden, bis das Schlusselement am Bogenscheitel gesetzt ist. Um den Bau von Bogenbrücken machten sich vor allem die Römer verdient. Zwar wurden bereits um 3000 vor Christus in Mohendjo-Daro (Pakistan) für Be- und Entwässerungskanäle erstmals Bögen zur Überbrückung gebaut, doch wurde der Bogen in der Folgezeit vorwiegend zum Bau von Toren, Fenstern und Dachgewölben verwendet. Erst die Römer setzten diese Konstruktionsform im großen Umfang auch zum Brückenbau ein. Auf sie geht auch die Verwendung von hölzernen Lehr- oder Traggerüsten zurück; zuvor dienten zur Abstützung gemauerte Gerüste. In der Blütezeit des römischen Reiches, zwischen 200 vor Christus und 400 nach Christus, entstanden zahlreiche Brücken und Aquädukte, von denen noch heute viele erhalten sind.
Bögen können eine unterschiedlich spitze oder flache Wölbung aufweisen, was sich auf die Größe der an den Bogenenden auftretenden, seitwärts gerichteten Schubkräfte auswirkt. Diese sind umso geringer, je größer das Pfeilverhältnis ist. Darunter versteht man das Verhältnis von Bogenstich, also Höhe des Scheitels, zur Spannweite. Die Römer bauten Rundbögen, deren Wölbung einen Halbkreis umschrieb, während die Brücken der Renaissance Flachbögen in Gestalt von Kreissegmenten oder Ovalen aufweisen. So ließen sich bei relativ geringer Höhe des Bauwerks größere Spannweiten überbrücken, wobei man allerdings einen stärkeren seitlichen Schub in Kauf nehmen und baulich auffangen musste. Die aus dem arabischen Raum stammenden und später im gotischen Baustil beliebten Spitzbögen sind wegen zu geringen Spannweiten für den Brückenbau ungeeignet.
Mit der Einführung neuer Baumaterialien, die um 1700 mit dem Gusseisen begann, wurden neue Bauweisen möglich. Der Brückenbogen oder Teile davon konnten vorgefertigt und am geplanten Standort aufgestellt und zusammengesetzt werden. Fachwerkbögen aus Stahl lassen sich auch ohne Traggerüst errichten, indem man die Bogenhälften von beiden Seiten her freitragend, von rückwärts verankerten Stahlkabeln gehalten, voranbaut, bis sich die Brückenhälften in der Mitte treffen.
Bei Bogenbrücken kann die Fahrbahntafel an den Bogen angehängt oder auf den Bogen aufgeständert sein. Besteht die Bogenbrücke aus Stahl, so bietet eine angehängte Fahrbahntafel den Vorzug, dass sie als Zugband die Horizontalkräfte des Bogens aufnehmen kann. Bogenbrücken aus Stahl erhalten in der Regel zwei Kämpfergelenke, auf der die Bogenenden sitzen, und in besonderen Fällen auch noch ein Scheitelgelenk. Bei eingespannten Bogenbrücken, meist aus Stahlbeton, ist für die Fahrbahntafel die aufgeständerte Bauart zu bevorzugen. Solche Brücken können nur dort errichtet werden, wo eine Gründung auf stabilem Fels möglich ist.
Die Bogenspannweiten von stählernen Bogenbrücken liegen meist zwischen 100 und 500 Metern, bei Verwendung von Stahl- oder Spannbeton zwischen 100 und 300 Metern.
Mischformen
Eine Zwischenstellung zwischen Balken- und Bogenbrücken nimmt die Stabbogenbrücke ein. Es handelt sich hierbei um eine Balkenbrücke mit darüber gespanntem Bogen. Die Lasten werden durch die Bogenwirkung und durch die Balkenwirkung des Fahrbahnhauptträgers, des Versteifungsträgers, der zugleich auch die Funktion des Zugbands übernimmt, übertragen, sodass an die Auflagerflächen einer Stabbogenbrücke keine horizontalen Kräfte abgeben werden. Die Verbindung zwischen Bogen und Versteifungsträger wird durch Hängestangen hergestellt.
Ebenfalls eine Mischform zwischen Balken- und Bogenbrücken stellen die Rahmenbrücken dar, bei denen Widerlager und Pfeiler biegesteif mit dem Überbau verbunden sind. Man erhält so ein rahmenartiges Tragwerk. An den Stützungen treten wie beim Bogen Horizontalschübe auf. Rahmenbrücken werden zur Aufhebung dieser Schubkräfte meist aus Spannbeton gefertigt.
Schrägkabelbrücken besitzen sowohl mit Balken- als auch mit Hängebrücken Gemeinsamkeiten. Dabei ist der Balken an schräg über einen Pylon geführten Kabeln aufgehängt und zudem an den Widerlagern unterstützt. Die Kabel können längs an beiden Seiten der Brücke oder in der Brückenmitte befestigt sein. Der Pylon muss sich nicht in der Mitte der Brücke befinden, auch eine unsymmetrische Kabelführung ist möglich.
Bewegliche Brücken
Die bisher beschriebenen Brücken besitzen einen festliegenden Überbau. Wenn die lichte Höhe einer Fluss-, Kanal- oder Hafenbrücke nicht ausreicht, um auch hohe Schiffe passieren zu lassen, baut man bewegliche Brücken. Unter vorübergehender Unterbrechung des über die Brücke führenden Verkehrs werden Teile einer solchen Brücke angehoben, gedreht oder verschoben. Man unterscheidet dementsprechend Klapp-, Hub- und Dreh- und Rollbrücken. Bei Klappbrücken wird der Überbau nach oben geklappt, bei Hubbrücken als Ganzes mithilfe von Gegengewichten oder hydraulisch angehoben, bei Drehbrücken um einen Königsstuhl genannten Zapfen gedreht und bei Roll- oder Schiebebrücken in Längsrichtung der Brücke verschoben.
Wahl des Brückentyps
Die Wahl des Brückensystems wird im Wesentlichen bestimmt durch das vorhandene Geländeprofil, die Baugrundverhältnisse, die geforderte lichte Weite und lichte Höhe des als Brücke geführten Verkehrswegs, den Verwendungszweck und, gegebenenfalls, durch die Verfügbarkeit der Baumaterialien. Auch sind für die Gestaltung ästhetische Gesichtspunkte maßgebend, denn ein Brückenbauwerk soll sich harmonisch in die Landschaft einfügen. Zur Bemessung einer Brücke ist die Kenntnis der zu erwartenden Lasten und Momente wichtig. Brücken werden in der Hauptsache durch Eigengewicht, Verkehrslast, Fliehkräfte, Bremskräfte, Wind und Wärmespannungen belastet. Eine Brücke wird auf eine bestimmte maximale Verkehrslast ausgelegt, wobei diese Last noch mit einem Stoßzuschlag multipliziert wird.
Dipl.-Ing. Dieter Stein
Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:
Schifffahrtskanäle und Talsperren
Literatur:
Bonatz, Paul / Leonhardt, Fritz: Brücken. Königstein im Taunus 1965.
Brown, David J.: Brücken. Kühne Konstruktionen über Flüsse, Täler, Meere. Aus dem Englischen. München 1994.
Dietrich, Richard J.: Faszination Brücken. Baukunst - Technik - Geschichte. München 1998.
Leonhardt, Fritz: Brücken. Ästhetik und Gestaltung. Stuttgart 1982.
Roig, Joan: Neue Brücken. Aus dem Spanischen. Stuttgart 1996.
Sadler, Heiner: Brücken. Dortmund 31991.
Studer, Jost A. / Koller, Martin G.: Bodendynamik. Grundlagen, Kennziffern, Probleme. Berlin u. a. 21997.
Wittfoht, Hans: Triumph der Spannweiten. Vom Holzsteg zur Spannbetonbrücke. Düsseldorf 1972.