Die Britannia Brücke

Llanfairpwllgwyngyllgogerychwyrndrobwllllantysiliogogogoch, Wales


Die Brücke mit den original "Tubes", bevor sie bei einem Brand zerstört wurden
Name: Britannia Bridge
Ort: Llanfairpwllgwyngyllgogerych-
wyrndrobwllllantysiliogogogoch
Land: Wales
Konstruktionstyp: Balkenbrücke
Fertigstellung: 1850
Beteiligte Personen: Robert Stephenson
William Fairbairn
Eaton Hodgkinson
Verkehrsart: Schiene
Material: Schmiedeeisen
Gesamtlänge: 432 m
Größte Spannweite: 140 m
Durchfahrtshöhe für Schiffe: 32 m
Höhe der Pylone: 70 m (67 m)
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Die Britannia Brücke in Wales war eigentlich als Hängebrücke geplant, wurde dann aber als Balkenbrücke gebaut und ist heute eine Bogenbrücke. Sie war die größte Leistung des berühmten Eisenbahn- und Brückeningenieurs Robert Stephenson.

Die Menai-Strait ist eine 25 km lange Wasserstraße, die im nördlichen Wales die Insel Anglesey vom Festland trennt. Auf den ersten Blick glaubt man einen großen Fluss vor sich zu haben, aber in Wirklichkeit ist sie ein 400 bis 1.100 m breiter gezeitenabhängiger Teil der Nordsee. Durch die Hafenstadt Holyhead war Anglesey schon immer eine wichtige Station für Personen- und Warentransporte zwischen den Wirtschaftszentren Dublin und London.

In Holyhead werden auch heute noch Waren und Reisende auf Schiffe verladen, um die letzten 100 km durch die Irische See zurückzulegen. Bis zum Anfang des 19. Jhd. war die Menai Strait das größte Hindernis für Kutschen und Pferdefuhrwerke auf dem Weg dorthin und konnte nur mit Fähren passiert werden. Allerdings war der Fährverkehr unzuverlässig, häufig überlastet und kostete viel Zeit. Besonders bei Sturm, starken Strömungen oder Eisgang konnte es zu erheblichen Verzögerungen kommen.

Thomas Telford und die Holyhead Road

Das Problem wurde von dem genialen schottischen Ingenieur Thomas Telford gelöst, als er im Zuge des Ausbaus der Holyhead Road (heute A5) die erste Brücke über die Menai Strait baute. Seine Kettenbrücke war eine technische Meisterleistung und hatte bei ihrer Fertigstellung die größte Spannweite der Welt. Sie besteht noch heute und wird nach wie vor vom Kraftfahrzeugverkehr genutzt.

Der heute noch vorhandene baugleiche Röhrenträger bei Conwy vermittelt
einen guten Eindruck vom früheren Aussehen der Britanniabrücke

1826, nach vielen Jahren der Planung und mühsam in Handarbeit ausgeführter Bauarbeiten, stellte Telford die Holyhead Road und die Menai Strait Brücke fertig. Aber die technische Entwicklung hatte nicht Halt gemacht, denn bereits ein Jahr zuvor war zwischen Stockton und Darlington die erste Eisenbahnlinie der Welt eröffnet worden. Dadurch wurden revolutionäre Änderungen im Transportwesen ausgelöst, und der damalige Straßenverkehr verlor schon wenige Jahre nach Vollendung der Holyhead Road erheblich an Bedeutung.

Schon bald zeigte sich die Überlegenheit der Eisenbahn beim Transport von Waren und Personen, denn sie war wesentlich schneller, zuverlässiger und billiger als Pferdefuhrwerke und Kutschen. Der Ausbau der Schienennetze wurde in Großbritannien zügig vorangetrieben, und erreichte nach wenigen Jahren die Städte im Norden Englands und die walisischen Bergbauregionen. Nun schien auch eine durchgehende Eisenbahnlinie zwischen London und Dublin unverzichtbar, zumal der Güterverkehr durch die einsetzende Industrialisierung ständig zunahm.

Und auch diesmal war die Menai Strait das größte Hindernis auf dem Weg nach Holyhead. Nachdem schon jahrelang über mögliche Lösungen nachgedacht worden war, vereinigten sich 1844 die Chester & Holyhead Eisenbahngesellschaften und fassten den Entschluss, eine Eisenbahnlinie über die Menaistraße zu führen. Der naheliegendste Gedanke, nämlich Telfords Kettenbrücke zu verwenden, wurde schnell wieder fallengelassen, als man auf der Strecke Stockton-Darlington schlechte Erfahrungen mit Hängebrücken für Eisenbahnen machte. Wegen ihrer fehlenden Steifigkeit hielt man gewöhnliche Hängebrücken generell für ungeeignet, Eisenbahnlinien zu tragen.

Robert Stephenson übernimmt die Aufgabe

Für eine derartige Herkulesarbeit benötigte man auch einen erstklassigen Ingenieur, den man schließlich mit Robert Stephenson fand. Er war der Sohn des legendären "Eisenbahnvaters" George Stephenson und neben Isambard Kingdom Brunel damals der angesehenste Brücken- und Eisenbahnbauer Großbritanniens.

Als Standort für die Brücke entschied Stephenson sich für eine Stelle etwa 1,6 km westlich von Telfords Kettenbrücke, bei der sich heute der Ort mit dem unaussprechlichen (walisischen) Namen "Llanfairpwllgwyngyllgogerychwyrndrobwllllantysiliogogogoch" befindet (zumindest die Engländer nennen den Ort allerdings der Einfachheit halber "Gogogoch"). An dieser Stelle gab es etwa in der Mitte der Meeresstraße einen Felsen, der bei Ebbe einige Meter aus dem Wasser ragte und sich als Fundament für einen Pfeiler eignete. Das Inselchen wurde Britanniafelsen genannt und gab später der Brücke ihren Namen.

Da eine Hängebrücke ausschied, kam von den damals gebräuchlichen Systemen eigentlich nur noch eine eiserne Bogenbrücke in Frage. Stephenson entwarf daher entsprechend den gestellten Vorgaben eine gusseiserne Bogenbrücke mit zwei Hauptspannweiten von 450 Fuss (137 m) und einer freien Höhe über dem Flutpegel von 105 Fuss (32 m). Dieser Vorschlag fand aber vor der mächtigen britischen Admiralität keine Zustimmung, weil die vorgeschriebene Höhe auf der ganzen Länge der Brücke freigehalten werden sollte und nicht nur im Bereich der Bogenscheitel. Außerdem hätte Stephenson beim Bau einer Bogenbrücke Leergerüste aufstellen müssen, was ebenfalls abgelehnt wurde.

Die Erfingung des röhrenförmigen Versteifungsträgers

Damit waren die bewährten Möglichkeiten zum Bau einer so großen Eisenbahnbrücke ausgeschöpft, aber Stephenson war ein kreativer und experimentierfreudiger Mann. Er kehrte gedanklich zum System der Hängebrücken zurück und überlegte sich, wie er sie für die Ansprüche der Eisenbahn modifizieren könnte. Das Problem war die weiche Struktur und die fehlende Steifigkeit der Hängebrücken, die sich nicht gut mit der schweren und stoßweisen Belastung einer Lokomotive vertrug.

Abschnitt einer original Röhre, der auf der
Südwestseite der Brücke besichtigt werden kann

Schließlich kam er auf den neuartigen Gedanken, einen Träger an Ketten aufzuhängen der von sich aus schon völlig steif und unbiegsam ist. Aus statischen Gründen kam dafür nur ein Hohlkörper in Frage, denn ein massiver Träger wäre viel zu schwer geworden. Er war sich zunächst unschlüssig, ob er einen kreisförmigen, rechteckigen oder gar elyptischen Querschnitt wählen sollte. Offenbar ging er aber von Anfang an davon aus, dass die Züge im Inneren der Röhre fahren sollten und nicht etwa auf der Oberseite.

Um die optimale Querschnittsform für die Röhre zu finden und statische Gesetzmäßigkeiten für das völlig neuartige Tragwerk aufzustellen, beteiligte Stephenson zwei anerkannte britische Fachleute. Einer davon war der schottische Ingenieur und Materialexperte William Fairbairn, der eigentlich aus dem Schiffsbau kam. Er war ein alter Freund seines Vaters und hatte sich schon seit längerem mit dem Tragverhalten schmiedeeiserner Bauteile beschäftigt. Eaton Hodgkinson hingegen war Mathematiker und hatte die Aufgabe, die theoritsch aus Versuchen gewonnen Erkenntnisse in mathematische Gesetzmäßigkeiten zu fassen.

Fairbairn und Hodgkinson suchen nach dem optimalen Querschnitt

Im Vorfeld der Bauarbeiten führten Fairbairn und Hodgkinson umfangreiche Materialversuche durch. Zunächst ging es darum, die richtige Form für die Röhre zu finden. Ein Rechteckquerschnitt der höher war als breit, zeigte sich am tragfähigsten und wurde daher für die Brücke ausgewählt. Die Versuche wurden an Modellen im Maßstab 1:6 durchgeführt und ergaben noch ein weiteres, durchaus überraschendes Ergebnis: es zeigte sich nämlich schon bald, dass eine solche Röhrenbrücke auch ohne die Aufhängung an Ketten ausreichend tragfähig sein würde.

Nach einer Anekdote gab der missglückte Stapellauf der "Prince of Wales" den letzten Ausschlag zum Verzicht auf die Ketten. Das eiserne Schiff geriet dabei in eine missliche Lage, bei der es nur noch an den Endpunkten auflag und die gesamte Länge von 50 m frei überbrückt wurde. Das Schiff überstand diese Prozedur ohne jeglichen Schaden und bewies damit die Stabilität von eisernen Röhren.

Aus der geplanten Hängebrücke wurde also eine Balkenbrücke, aber es spricht für die Umsichtigkeit Stephensons, dass er trotz der gewonnenen Erkenntnisse die Brücke so baute, dass die Möglichkeit zum Nachrüsten von Ketten erhalten blieb. Aus diesem Grund wurden die Pfeiler viel höher als notwendig und verfügten über Aussparungen, die zum Einbau von Kettensätteln vorgesehen waren.

Die weiteren Versuche ergaben, dass eine Materialverdichtung sowohl am Boden als auch an der Decke der Röhre zu einer Steigerung der Tragfähigkeit führen. Stephenson ordnete im oberen Bereich des Trägers acht Hohlkammern und im unteren derer sechs an. Da die Strecke doppelgleisig ausgebaut werden sollte, waren allein für die beiden Hauptfelder insgesamt vier gewaltige Röhren erforderlich. Hinzu kamen noch vier weitere etwas kürzere Träger für die Seitenabschnitte.

Vollendung in nur vier Jahren Bauzeit

Die Bauarbeiten an der Brücke begannen am 21. September 1846 mit der Grundsteinlegung für den Pfeiler auf dem Britanniafelsen. Dieser zentrale Pylon hat eine Höhe von 70 m über dem Fundament, während die beiden seitlichen Pfeiler nur 67 m hoch sind. Die Widerlager an den Ufern sind noch niedriger, sodass sich ein streng symmetrisches Gesamtbild ergibt. Das Mauerwerk besteht im Inneren aus Kalkstein und außen aus Sandsteinen, deren Sichtflächen nur grob behauen wurden. Optisch wurde die gesamte Brücke, und insbesondere die drei Pylone, im damals beliebten ägyptischen Stil gehalten. Dazu gehörten auch vier große Steinlöwen, die jeweils links und rechts der Portale aufgestellt wurden.

Die Herstellung und Montage der gewaltigen Röhren war allein schon eine technische Meisterleistung. Jede der vier Hauptröhren hatte eine Länge von ca. 144 m, eine Höhe von 8,23 m und eine Breite von 4,47 m. Mit dem erforderlichen Zubehör betrug das Einzelgewicht dieser Röhren ca. 1800 Tonnen. Da die Admiralität Leergerüste in den Fahrrinnen verboten hatte, musste man die vier Hauptträger am Südufer der Menaistraße vorfertigen und jeweils komplett zur Baustelle transportierten. Die seitlichen Röhren hingegen konnten direkt an ihrem Bestimmungsort auf Leergerüsten herstellt werden. Zum Bau der Röhren benötigte man dampfbetriebenes Hebezeug, Blechscheren, eine Stanzmaschine für die Nietlöcher und Nietapparate. Insgesamt mussten für alle Röhren 1.764.000 Niete geschlagen werden, die aus 1 Zoll starkem Rundeisen hergestellt wurden.

Zur Montage der Röhren wurden Streifen aus Schmiedeeisenblech (wrought-iron) verwendet, welches zwar weicher ist als Gusseisen, dafür aber elastischer und zur Aufnahme von Zugspannungen geeignet. Außerdem lässt es sich walzen und zu Winkeleisen biegen, was mit Gusseisen nicht möglich ist. Zur damaligen Zeit war Schmiedeeisen ein sehr teures Material und es wäre sicherlich kaum ein anderes Land der Welt dazu in der Lage gewesen, nur für eine einzige Brücke eine solch gewaltige Menge an Schmiedeeisen zu produzieren. Bis dahin wurden schmiedeeiserne Bleche -ebenso wie die Niettechnik- vorwiegend im Schiffsbau eingesetzt und kamen nun zum ersten Mal bei einer Brücke zum Einsatz.

An der Menaistraße sind in Ufernähe noch einige der der steinernen Poller zu finden,
die zum Fixieren der Pontons gebraucht wurden

Die Stärke des verwendeten Blechs (11-14 mm), die Überlappung der Blechstreifen und die Anzahl der Niete pro Quadratmeter variieren. Generell sind die Auflagerpunkte und die Mitte der Röhren stärker ausgebildet als der Rest. Auch die Trägerhöhe ist in Feldmitte etwas größer als am Rand. Um die Stabilität gegen Zusammendrücken zu erhöhen, wurden die Seitenwände mit T-förmigen Eisen verstärkt und die Ecken zusätzlich ausgesteift.

Transport und Einbau der Tubes

Alle Röhren wurden gleichzeitig hergestellt und innerhalb eines Jahres zwischen den Pfeilern montiert. Schon der Einbau der ersten Röhre am 20. Juni 1849 wurde von einer großen Menschenmenge an beiden Ufern beobachtet. Für den Transport und das Einsetzen jeder Röhre waren 8 Pontonschiffe, 380 Matrosen, 270 Arbeiter und zwei Dampfboote incl. Besatzung erforderlich. Im mittleren Pfeiler auf dem Britanniafelsen waren Hohlkehlen belassen worden, in die das eine Ende des Trägers eingeschoben wurde. Die äußeren Pfeiler hatten diese Hohlkehle auch, allerdings waren sie auf einer Seite offen, damit man den Träger von der Seite her einschwenken konnte. Während des Einsetzens der Röhren wurden die Pontons an festen Punkten des Ufers vertäut, um trotz der starken Strömung möglichst ruhige Arbeitsbedingungen zu gewährleisten. Für die Verladung und das Einschiffen machte man sich auch den Tidenhub in der Meeresstraße zunutze. Nachdem die Röhre in der richtigen Position war, wurde die Lücke im Mauerwerk geschlossen und das Aufziehen des Trägers konnte beginnen.

Dazu wurden auf den Pfeilerspitzen dampfbetriebene Pressen montiert, mit denen die Röhren wechselseitig jeweils 1,82 m angehoben wurden. Dies geschah allerdings in winzigen Einzelschritten von wenigen cm. Dabei wurde der Träger an beiden Enden mit einer Kettenvorrichtung gesichert, damit er in seiner Lage blieb, während der Presskolben wieder heruntergefahren wurde. Das Anheben der ersten Röhre dauerte von Juni bis Oktober 1849 aber für den zweiten Träger benötigte man nur knapp einen Monat.

Im August 1850 war der letzte Träger an seinem Platz. Um eine noch bessere Steifigkeit zu erreichen, wurden die Röhren sowohl in Längs-, als auch in Querrichtung miteinander verbunden. Dazu wurden kurze Trägersegmente in das Innere der Pfeiler eingeschoben und mit den Enden der Röhren vernietet. Die Verbindung der parallelen Träger erhöhte das Gewicht der gemeinsam wirkenden Konstruktion und verringerte die Vibrationen bei der Durchfahrt der Züge.

Belastungsproben beweisen die Stabilität der Brücke

Vor der Freigabe der Brücke mussten noch umfangreiche Belastungstests durchgeführt werden, die damals generell eine viel größere Bedeutung hatten als heute. Allerdings war die Nervosität aller Beteiligten bei der Prüfung der Britanniabrücke ganz besonders groß. Die notwendigen Materialstärken waren ja nicht mit bewährten statischen Formeln berechnet worden, sondern man hatte sich durch Versuche und neuartige Berechnungsmethoden daran angenähert. In der Praxis war aber noch nie bewiesen worden, dass sich die theoretischen Erkenntnisse auch bewähren würden.

Umso größer war daher die Erleichterung, als alle Tests zur vollsten Zufriedenheit Stephensons und seiner Mitarbeiter verlaufen waren. Die Durchbiegungen der Röhren waren minimal, selbst bei gleichzeitiger Belastung beider Fahrtrichtungen auf der gesamten Länge mit Lokomotiven und schweren Wagen. Mit modernen Berechnungsverfahren wurde später nachgewiesen, dass die Britanniabrücke in ihren wesentlichen Teilen erheblich überdimensioniert ist. Teilweise war von von einer 20-fach überhöhten Sicherheit die Rede.

Am Montag, dem 21. Oktober 1850 wurde die Brücke feierlich eingeweiht und dem Eisenbahnverkehr übergeben. Schon zwei Jahre vorher hatte Stephenson für die gleiche Eisenbahnlinie bei Conwy eine baugleiche Röhrenbrücke fertiggestellt, die in ihrer Spannweite allerdings deutlich kürzer war. Die Conwy Tubular Bridge besteht noch heute und wird trotz ihres Alters von mehr als 160 Jahren immer noch von Zügen durchfahren. Ihr Träger vermittelt einen guten Eindruck vom ursprünglichen Erscheinungsbild der Britanniabrücke. Und auch die Britannia Bridge versah ihren Dienst 120 Jahre lang ohne nennenswerte Zwischenfälle, obwohl in dieser Zeit die Eisenbahnen immer schwerer und schneller wurden.

Einer der vier monumentalen Löwen, die auf beiden Seiten der Brücke aufgestellt
wurden. Sie fristen heute ein weitgehend unbeachtetes Dasein, weil die Straße
einige Meter höher liegt und sie für den Autofahrer nicht sichtbar sind.

Am 23. Mai 1970 kletterten einige Jugendliche -natürlich verbotenerweise- in eine der Röhren, um nach Fledermäusen zu suchen. In der Röhre war es stockdunkel und sie zündeten Zeitungspapier an um es als Fackel zu verwenden. Da der Boden der Röhre als Unterkonstruktion für die Gleise weitgehend mit Holz bedeckt war, entfachte sich ein Feuer das schnell um sich griff. Im Laufe der Jahre waren verschiedene Teile der Brücke mit brennbaren Materialien wie Dachpappe und durch Teeranstriche vor der Witterung geschützt worden. Hinzu kam, dass die Röhren wie ein Kamin wirkten, in deren Innerem sich das Feuer rasch ausbreiten konnte.

Die Brücke brannte neun Stunden, bevor die Feuerwehren aus Caernarvon und Anglesey das Feuer löschen konnten. Schließlich war die Brücke so stark zerstört, dass sie nicht mehr zu reparieren war und das Abstürzen der Träger befürchtet werden musste. Ein kurzer Dokumentarfilm über die Umstände des Brandes ist auf einer Internetseite der BBC zu sehen.

Gegenwart und Zukunft des historischen Bauwerks

Da eine rasche Wiederherstellung der Brücke ausschied, nahm man sich die Zeit um grundsätzlich über die Verkehrsverhältnisse zur Insel Anglesey nachzudenken, denn auch die schmale Menai Strait Brücke konnte den Straßenverkehr kaum noch bewältigen. Schließlich einigte man sich darauf, die Britanniabrücke sowohl für den Schienenverkehr, als auch für den Straßenverkehr umzubauen. Zum Glück war nun etwas möglich, was die Admiralität 130 Jahre vorher entschieden bekämpft hatte, nämlich der Bau einer Bogenbrücke.

Um die erforderliche Durchfahrtshöhe für zwei übereinander liegende Verkehrsebenen zu schaffen, mussten auch die drei Pfeiler umgebaut werden. Die Eisenbahn blieb auf der Ebene auf der sie immer war, während die Straße darüber angeordnet wurde.

Im Zuge der vierspurig ausgebauten A55 ist die Brücke heute allerdings ein Nadelöhr, weil sie nur über eine Fahrspur je Richtung verfügt. Seit einigen Jahren wird daher in Fachkreisen und in der Öffentlichkeit diskutiert, wie man diesen Zwangspunkt beseitigen kann. Neben dem Bau einer dritten Brücke über die Menaistraße wird nun auch der erneute Umbau der Britanniabrücke erwogen. Mit einer dritten Fahrbahnebene über der jetzigen A55 könnte man für jede Richtung zwei Fahrspuren zur Verfügung stellen. Die wuchtigen Pfeiler der Brücke würden auch diese Last sicherlich ohne Probleme bewältigen.

Der "vollwandige Brückenträger" aus Schmiedeeisen, so wie Stephenson ihn beim Bau der Britannia Bridge kreiert hatte, wurde weltweit nur vier Mal ausgeführt. Dennoch wurde das Prinzip der "Tubes" auch auf dem Kontinent übernommen und weiterentwickelt. Carl Lentze erhielt Ende der 1840er Jahre den Auftrag, bei Dirschau eine Eisenbahnbrücke über die Weichsel zu bauen. Nachdem er die Baustelle an der Menaistraße besichtigt und einige Vorträge darüber gehört hatte, änderte er seine Pläne und baute ebenfalls eine Balkenbrücke. Allerdings wurde Schmiedeeisen in Deutschland in weit geringeren Mengen produziert und war entsprechend teuer. Lentze machte daher aus dem Vollwandträger ein engmaschiges Gitterfachwerk, das nicht nur billiger, sondern auch wesentlich leichter war. Die Dirschauer Weichselbrücke wurde 1857 vollendet und war selbst Vorbild für unzählige weitgespannte Eisenbahnbrücken.

Vollwandige Brückenquerschnitte erlebten fast 100 Jahre später doch noch eine Renaissance, allerdings mit einigen wesentlichen Unterschieden. Stahlbrücken wurden nun in kurzen Segmenten vorgefertigt und im freien Vorbau angeschweißt. Gleichzeitig wurden Vollwandträger aber auch aus Stahl- oder Spannbeton hergestellt. Außerdem fuhren die Fahrzeug, ob Eisenbahn oder Kraftfahrzeug, nun AUF dem Träger und nicht mehr in seinem Inneren.

Quellen:
  • Friedrich Kohl: "Beschreibung der Göltzsch- und Elsterthal-Überbrückung..."
  • Edwin Clark: "General Description of the Britannia and Conway Tubular Bridges"
  • George Drysdale Dempsey: "Tubular and other iron girder bridges..."
  • Allgemeine Bauzeitung, Wien: verschiedene Ausgaben 1846-1850
  • Polytechnisches Journal, Stuttgart: verschiedene Ausgaben 1848-1850
  • Sven Ewert: "Brücken - Die Entwicklung der Spannweiten und Systeme"
  • David J. Brown: "Brücken - Kühne Konstruktionen über Flüsse, Täler, Meere"
  • Dirk Bühler: "Brückenbau - Deutsches Museum München"
  • Charlotte Jurecka: "Brücken - Historische Entwicklung, Faszination der Technik"
  • Walter Kaiser / Wolfgang König: "Geschichte des Ingenieurs"
  • www.robertstephensontrust.com
  • www.cottontimes.co.uk/robstephenso.htm
  • http://www.prosiectmenai.co.uk
  • u.a.
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www.bernd-nebel.de

© Dipl.Ing. Bernd Nebel