Balkenbrücken

auch "Jochbrücken" genannt


Eine "Clapper Bridge" bei Postbridge im Nationalpark Dartmoor / England. Sie ist eine der eher
seltenen Balkenbrücken aus Naturstein. Vermutlich stammt sie aus dem 14. Jahrhundert.
Ein Baumstamm wurde von einem Sturm über die Ohm bei Ginseldorf geworfen.
Mit seiner Hilfe und etwas Glück könnte man das andere Ufer trockenen Fußes erreichen.

Die Balkenbrücke ist sicherlich das älteste statische Prinzip, das von Menschenhand gezielt eingesetzt wurde, um ein Hindernis zu überbrücken. Das System ist in seiner einfachsten Form leicht verständlich, zumal schon die Naturkräfte hin und wieder eine Balkenbrücke entstehen lassen.

Ein entwurzelter Baum, der so über einen Fluss fällt, dass er sich zum Überqueren des Wassers eignet, ist sicherlich ein Vorbild das leicht nachgeahmt werden kann. Überall auf der Welt wurden seit Urzeiten in waldreichen Gegenden Holzbalkenbrücken gebaut und auch komfortabler gestaltet, als nur durch einen einfachen Baumstamm. Mehrere Baumstämme nebeneinander konnten durch Querhölzer miteinander verbunden werden und mit Erde und Laub besser begehbar gemacht werden.

Das statische Prinzip einer Balkenbrücke

Neben Holzbrücken gibt es aber auch frühe Beispiele für steinerne Balkenbrücken, etwa die sogenannten Clapper Bridges (Klapperbrücken) in Südengland. Allerdings ist die mögliche Spannweite solcher Brücken aus Natursteinen sehr begrenzt, weil dieses Material keine größeren Zugspannungen aufnehmen kann. In statischer Hinsicht beruht die Tragfähigkeit eines Balkens allein auf seiner Biegesteifigkeit, die von der Art des Materials und seiner Form abhängt. Anders ausgedrückt: dem inneren Widerstand des Trägers gegen die Zerstörung durch sein Eigengewicht und die aufgebrachte Verkehrslast.

Das statische System einer einfachen Balkenbrücke besteht aus einem horizontalen Träger auf zwei Lagern, dem sogenannten "Balken auf zwei Stützen". Das Eigengewicht eines solchen Trägers und die oben aufgebrachte Verkehrslast versuchen den Träger in der Mitte durchzubiegen. Dadurch entstehen an der Oberseite des Balkens Druckspannungen, weil er hier gestaucht wird und an der Unterseite Zugspannungen, weil er hier gedehnt wird.

Materialien die nur geringe Zugspannungen aufnehmen können wie z.B. Naturstein, unbewehrter Beton oder Gusseisen, stoßen bei einem solchen System sehr schnell an ihre Grenzen. Je mehr die Spannweite zunimmt, umso massiver muss der Träger ausgebildet werden damit er stabil genug ist. Schließlich wird ein Punkt erreicht, an dem der Balken schon allein auf Grund seines Eigengewichts einstürzen würde, ohne dass sich irgendeine Verkehrslast auf ihm befindet.

Balkenbrücken aus Holz

Auch aus ganz praktischen Gründen waren Balkenbrücken aus Naturstein eher die Ausnahme, denn es gibt nur selten natürlich geformte Steine, die den Anforderungen an ein solches Bauwerk genügen. Außerdem musste die Bearbeitung des Materials und der Transport zur Baustelle nur mit Muskelkraft bewerkstelligt werden, und war dadurch ausgesprochen mühsam. Bis zur industriellen Herstellung größerer Eisenmengen wurden Balkenbrücken bis auf wenige Ausnahmen aus Holz gebaut, weil es bis dahin das einzige biegesteife Baumaterial war, das nennenswerte Zugspannungen abtragen konnte.

Links: einfaches und doppeltes Hängewerk. Rechts: einfaches und doppeltes Sprengwerk.
Bei beiden Systemen werden die Streben (die schrägen Balken) auf Druck beansprucht.

Aber auch Balkenbrücken aus Holz stoßen in Bezug auf die erreichbare Spannweite schnell an ihre Grenzen, schon allein durch die Länge der vorhandenen Baumstämme. Theoretisch kann man die Länge einer Balkenbrücke beliebig vergrößern, indem man viele solcher "Balken auf zwei Stützen" hintereinander anordnet. Dafür benötigt man aber Zwischenpfeiler, deren dauerhafte Gründung (z.B. in einem Flussbett) eine technische Herausforderung ist, der man nicht zu allen Zeiten gewachsen war. Eine berühmt gewordene Holzbalkenbrücke mit vielen Einzelspannen ließ Julius Cäsar im Jahre 55 v.Chr. (vermutlich bei Neuwied oder Bonn) über den Rhein schlagen und wenige Tage später wieder abreißen.

Da Mittelpfeiler nicht immer und nicht überall möglich sind, war das nächste Entwicklungsziel die Vergrößerung der Spannweite über die reine Materiallänge hinaus. Eine der ersten Ideen in dieser Richtung war ganz sicher die Auslegerbrücke, die als Weiterentwicklung häufig mit zu den Balkenbrücken gezählt wird, hier jedoch als eigenständiger Konstruktionstyp behandelt werden soll.

Eine weitere Möglichkeit zur Vergrößerung der Spannweiten war die Anwendung von Hänge- und Sprengwerken, die beim Bau von Dächern und Gebäuden schon länger gebräuchlich waren. Die Strebebalken werden bei beiden Systemen auf Druck beansprucht. Aus der Überlagerung und Kombination dieser beiden Systeme entwickelte sich in einem langen Prozess schließlich der Fachwerkträger.

Fachwerkträger aus Holz und Eisen

Ein Fachwerkträger ist ein Balken der nicht massiv ist wie etwa ein Baumstamm, sondern dessen Masse in dünnere Einzelstäbe aufgelöst ist. Da in diesen Stäben entweder reine Druckkräfte oder reine Zugkräfte auftreten 1, lassen sich die komplexen Kraftverläufe innerhalb eines Fachwerkbalkens gut berechnen. Alle Stäbe bilden geschlossene Kraftdreiecke, die in sich stabil sind und dem ganzen Balken seine Tragfähigkeit geben.

Schon die Römer verwendeten Holzfachwerke und auch im Mittelalter gab es Theorien für Fachwerkbrücken aus Holz. Andrea Palladio veröffentlichte 1570 seine "Vier Bücher zur Architektur", in denen er verschiedene Fachwerksysteme vorstellte. Auch das berühmte Werk "Machinae Novae" von Faustus Verantius aus dem Jahr 1595 enthielt hölzerne Fachwerkbrücken in Parabel- und Linsenform. Trotz dieser theoretischen Ansätze wurden Fachwerke im Brückenbau kaum verwendet. Eine Ausnahme waren die Gebrüder Grubenmann, die um 1750 in der Ostschweiz weit gespannte Holzbrücken u.a. über den Rhein errichteten.

Grundsätzliche Formen von Fachwerkträgern

Erst nach der Erfindung des Schmiedeeisens,rückten Fachwerkbrücken wieder mehr ins Zentrum des Interesses, weil es im Gegensatz zum Gußeisen auch auf Zug beansprucht werden kann. Das durch ein verändertes Verfahren gewonnene Material führte aber zunächst zu einer ganz anderen Entwicklung, nämlich dem Röhrenträger. In Großbritannien war man Mitte des 19. Jhd. schon dazu in der Lage, durch Walzen große Bleche aus Schmiedeeisen herzustellen. Robert Stephenson vollendete mit diesem Material 1850 in Wales die erste "Tubular Bridge" für die Eisenbahnlinie London-Holyhead. Die Britannia Bridge bestand aus Winkelprofilen und vernieteten Eisenblechen, die zu vollwandigen Röhren zusammengefügt wurden. Stephenson führte umfangreiche Materialprüfungen durch und suchte lange nach dem optimalen Querschnittsprofil.

Der Materialverbrauch für eine solche Brücke war allerdings enorm und so wurden weltweit nur wenige Röhrenbrücken realisiert, die meisten davon in Großbritannien. Die letzte heute noch vorhandene vollwandige Röhrenbrücke ist die Conwy Castle Tubular Bridge, die ebenfalls von Robert Stephenson gebaut wurde.

Gitterbrücken und Fischbauchträger

Das Prinzip der Röhrenbrücke wurde aber weiterentwickelt und war für viele Jahrzehnte ein häufig verwendeter Brückentyp, vor allem für weit gespannte Eisenbahnbrücken. Allerdings wurden die Wände dieser Brücken nun nicht mehr in vollwandiger Bauweise ausgeführt, sondern waren aus Blechstreifen zusammengefügte Fachwerke. Die Tragfähigkeit einer solchen Gitterbrücke ist ähnlich hoch wie die einer vollwandigen Röhre, aber bei einem erheblich niedrigeren Materialverbrauch. Die ersten Brücken dieser Art waren die Weichselbrücke in Dirschau und die Nogatbrücke in Marienburg, die beide von Carl Lentze im Jahre 1857 fertiggestellt wurden. Natürlich hatten auch die Gitterbrücken Vorläufer aus Holz, wie z.B. den Town-Träger, der vor allem in Amerika gebräuchlich war.

Nach den beiden Brücken von Lentze entstanden weitere Gitterbrücken, vor allem in Deutschland. Die Ingenieure waren dabei ständig bemüht, das Verhältnis zwischen dem eingesetzten Material und der damit erzielbaren Tragfähigkeit zu verbessern. Schon frühzeitig wurden aber auch die Schwächen von Gitterbrücken erkannt. Vor allem läßt sich der Kräfteverlauf in einem Gitterträger schwer berechnen, weil ein solches System statisch hochgradig unbestimmt ist.

Außerdem war die gleichmäßige Querschnittshöhe des Trägers nicht optimal, weil diese Form dem Kräfteverlauf innerhalb des Balkens nicht ausreichend Rechnung trägt. Bei einem Balken auf zwei Stützen ist das Biegemoment (das versucht den Balken zu zerstören) in Feldmitte am größten und im Bereich der Auflager am kleinsten. Es liegt daher nahe, die Mitte des Trägers stärker auszubilden als die Auflagerbereiche, denn dadurch kann mit der gleichen Materialmenge eine größere Tragkraft des Balkens erreicht werden.

Aus diesem theoretischen Ansatz entstand eine ganze Reihe von materialsparenden Trägerformen. Dabei wurde vor allem der Verlauf des Obergurtes variiert und es entstanden bogen-, parabel- oder trapezförmige Trägerformen. Sonderformen sind die sogenannten Fischbauch- und Linsenträger, bei denen der Untergurt gekrümmt ist.

Vor der Erfindung des Schweißens wurden die Fachwerkträger meistens vor Ort aus Eisenprofilen mit Nieten zusammengefügt. Allerdings ging man schon frühzeitig dazu über, möglichst große Bauteile oder gleich den ganzen Träger in einer Fabrik vorzufertigen und am Bestimmungsort einzubauen. Unter den Bedingungen einer trockenen und warmen Fabrikhalle lässt es sich schneller, genauer und sicherer arbeiten, als bei Wind und Wetter auf der Baustelle und dazu vielleicht auch noch in großer Höhe.

Deutsche Fachwerk- und Vollwandbalkenbrücken (z.T. heute nicht mehr auf deutschem Staatsgebiet)
Name Ort Jahr Spann-
weite
Typ Material Beteiligte
Weichselbrücke Dirschau 1857 131 m Gitterträger Schweißeisen Carl Lentze
Nogatbrücke Marienburg 1857 101 m Gitterträger Schweißeisen Carl Lentze
Isarbrücke Großhesselohe 1857 52 m Linsenträger Schweißeisen F.A. von Pauli
Kinzigbrücke Offenburg 1858 63 m Gitterträger Schweißeisen Carl Ruppert
Dombrücke Köln 1859 103 m Gitterträger Schweißeisen Friedrich W. Wallbaum
Hermann Lohse
Rheinbrücke Waldshut 1860 55 m Gitterträger Schweißeisen Robert Gerwig
Rheinbrücke Kehl 1861 59 m Gitterträger Schweißeisen Johann W. Schwedler
Altrheinbrücke Griethausen 1864 100 m Gitterträger Schweißeisen Emil Hermann Hartwich
Deutzer Brücke Köln 1948 /
1980
185 m Hohlkastenträger Stahl /
Stahlbeton
Gerd Lohmer
Fritz Leonhardt
Mangfallbrücke Weyarn 1960 108 m Fachwerkträger Stahlbeton Gerd Lohmer
Ulrich Finsterwalder
Moseltalbrücke Winningen 1972 218 m Hohlkastenträger Stahl Fritz Leonhardt
Kochertalbrücke Geißlingen 1979 138 m Hohlkastenträger Spannbeton Peter Bonatz
Fritz Leonhardt

Konkurrenzlos billig: Balkenbrücken aus Beton

Die Qualität des verwendeten Eisens verbesserte sich fortlaufend, bis hin zur Entwicklung hochfester Stähle. Außerdem führte die neue Schweißtechnik zu leichteren Tragwerken, weil dabei die einzelnen Bauteile aneinander gestoßen werden können. Im Gegensatz dazu müssen die Einzelteile bei der Niettechnik überlappt werden und sind dadurch in diesen Bereichen doppelt so stark.

Einen weiteren Innovationsschub erhielten die Balkenbrücken durch die Wiederentdeckung des Betons und die Erfindung des Eisenbetons. Besonders die Kombination von Beton und Eisen erlaubte plötzlich Bauwerke, die vorher weder mit Naturstein noch mit Eisen allein möglich gewesen wären. Beton hat ganz ähnliche physikalische Eigenschaften wie Naturgestein, d.h. er kann sehr große Druckkräfte aufnehmen aber nur verhältnismäßig kleine Zugspannungen. Der französische Gärtner Joseph Monier erfand um 1865 den Eisenbeton (heute Stahlbeton), der die Vorzüge beider Materialien in optimaler Weise kombiniert. Monier erkannte als erster die konstruktiven Möglichkeiten des Verbundwerkstoffes und löste mit seiner Erfindung eine Art Revolution im Bauwesen aus. Bereits 1873 ließ er sich ein Patent für eine Brücke aus eisenbewehrtem Beton erteilen.

Ein Träger aus Beton, der im unteren Bereich durch die Einlage von Stahlstäben oder -gittern verstärkt wird, kann erheblich größeren Belastungen standhalten als ein reiner Betonbalken. Da die Zugkräfte an der Unterseite vom Stahl aufgenommen werden, muss der Beton nur den Druckkräften standhalten. Im Vergleich zu Stahl ist Beton ein kostengünstigeres Baumaterial und die Stahleinlagen machen nur einen kleinen Teil des Gesamtquerschnitts aus.

Beton ist ein flexibler und vielseitig einsetzbarer Baustoff mit dem man beliebig geformte Bauteile herstellen kann. Aber gerade für Balkenbrücken bietet er sich geradezu an, weil man dafür nur ein horizontales Lehrgerüst benötigt. In diese vorbereitete Schalung kann man die Bewehrungseisen einlegen und den Träger gießen. Für Brücken kleinerer Spannweiten sind Stahlbeton und Spannbeton heute eindeutig die kostengünstigsten Baumaterialien und werden entsprechend häufig verwendet. Mit Abstand die meisten Brücken die wir heute täglich befahren oder begehen sind daher massive Balkenbrücken aus Stahlbeton.

Renaissance des vollwandigen Röhrenträgers

Durch die Einführung der Fachwerkbrücken schien der von Stephenson erfundene vollwandige Röhrenträger schon nach wenigen gebauten Exemplaren überholt zu sein. Aber durch die Fortschritte bei der Stahlerzeugung, die Erfindung des Schweißens und die neuen Möglichkeiten des Betons, erlebte er eine überraschende Renaissance.

Die Moseltalbrücke bei Winningen (1972) ist die größte deutsche Balkenbrücke. Der Hohl-
kastenträger besteht aus Stahl und hat eine Höhe von 6 bis 8,5 m. Die größte Spannweite
des Durchlaufträgers beträgt 218 m und die Höhe der Fahrbahn über der Mosel 136 m.

Vollwandige Röhrenträger sind biegesteif und haben dadurch eine große Tragkraft. Sie werden heute sowohl aus Stahl als auch aus Stahlbeton hergestellt. Reine Stahlbrücken sind zwar teuer aber leicht und können segmentweise vorgefertigt werden. Durch die Schweißtechnik ist der Einbau vor Ort außerdem schneller und damit auch billiger geworden.

Aber in vielen Fällen sind vollwandige Röhrenbrücken aus Stahlbeton und Spannbeton noch ökonomischer. Sie kommen vor allem bei weitgespannten Talbrücken zum Einsatz, die im Taktschiebeverfahren gebaut werden können. Im Gegensatz zu Stephensons Britannia Bridge befinden sich die Verkehrswege -ob Schiene oder Straße- heute aber fast immer auf dem Träger und nicht mehr in seinem Inneren.

Mit Balkenbrücken aus Beton lassen sich wirtschaftliche Spannweiten von bis zu 200 m erzielen, mit Stahlträgern sogar über 300 m. Wirkliche Rekorde erzielen Balkenbrücken aber vor allem bei den erreichten Gesamtlängen, die durch die Aneinanderreihung vieler Einzelbalken zustande kommt. Die zurzeit längste Brücke dieser Art ist der Bang Na Expressway in Bangkok, mit einer Gesamtlänge von über 50 km. Die aufgeständerte Autobahn wurde zwischen 1955 und 2000 von einer deutschen Baufirma in Kooperation mit einem thailändischen Unternehmen errichtet.

1 außerdem gibt es noch sogenannte "Nullstäbe" die nicht statisch wirksam werden, die aber aus konstruktiven Gründen erforderlich sind.

Quellen:
  • Sven Ewert: "Brücken - Die Entwicklung der Spannweiten und Systeme"
  • Gerhard Mehlhorn: "Handbuch Brücken - Entwerfen, Konstruieren, Berechnen, Bauen und Erhalten"
  • Dirk Bühler: "Brückenbau - Deutsches Museum München"
  • Georg Mehrtens: "Der deutsche Brückenbau im XIX. Jahrhundert"
  • Karl-Eugen Kurrer: "Geschichte der Baustatik"
  • David J. Brown: "Brücken - Kühne Konstruktionen über Flüsse, Täler, Meere"
  • Charlotte Jurecka: "Brücken - Historische Entwicklung, Faszination der Technik"
  • Oliver Czapalla: "Fachwerkträger"
  • u.a.
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© Dipl.Ing. Bernd Nebel