Brücken aus Beton und Stahlbeton


Die erste Betonbrücke Deutschlands auf der Kunst- und Gewerbeausstellung 1880 in Düsseldorf.
Errichtet von Eugen Dyckerhoff und den Zementwerken Dyckerhoff & Söhne

Beton ist ein formbarer und vielseitig einsetzbarer Baustoff für alle erdenklichen Verwendungszwecke. Auf den ersten Blick scheint es sich um ein sehr modernes Material zu handeln, das erst im industriellen Zeitalter zur Anwendung kam. In Wirklichkeit gab es Beton mit Kalk als Bindemittel aber schon vor tausenden von Jahren.

Römisches Mauerwerk aus "Opus caementicium".
"Grotten des Catull", Sirmione/ Italien

Die Ägypter verwendeten schon zu pharaonischen Zeiten Kalkmörtel beim Bau der Pyramiden und für andere Bauwerke. Die Römer übernahmen die Technik von den Griechen und brachten sie mit ihrem "Opus caementicium" zur Perfektion. Etwa im 1 Jhd. vor Christus setzte sich die Verwendung des Betons im römischen Imperium durch und führte zu einer Blüte der römischen Architektur und Bautechnik. Der römische Beton wurde für Zweckbauten wie Amphitheater, öffentliche Bäder, Wasserleitungen und natürlich auch Brücken verwendet. Opus Caementicium bezeichnet genau genommen ein Herstellungsverfahren, bei dem zwischen zwei gemauerten Außenschalen ein Gemenge aus Kalk, Wasser, Sand und Bruchsteinen unterschiedlicher Größe eingebracht wird. Je nach Verwendungszweck wurde die gemauerte Schalung durch eine Holzschalung ersetzt, die nach dem Abbinden entfernt wurde, sodass es also auch schon römischen "Sichtbeton" gab.

Die ersten Meister des Betonbaus

Eines der herausragenden Bauwerke antiker Architektur und Baukunst, bei dem der römische Beton zum Einsatz kam, kann noch heute in Rom besichtigt werden: das Pantheon. Der "Tempel aller Götter" hat ein halbkugelförmiges Dach mit einem Durchmesser von 43 m und übertrifft damit sogar die Kuppel des Petersdoms. Die Kuppel besteht ausschließlich aus unbewehrtem Beton und war ursprünglich von innen mit schweren Kupferplatten verkleidet. Um das Gewicht der Betonkonstruktion zu verringern, wurden die mineralischen Grobstoffe durch Tuff und Bimsstein ersetzt; der erste "Leichtbeton" der Geschichte. Das Meisterwerk der Ingenieurbaukunst wurde von 118 bis 125 n. Chr. unter Kaiser Hadrian von einem unbekannten Baumeister errichtet und war für fast 1800 Jahre der größte Betonbau seiner Art. Erst im Jahre 1913 wurde ihre Spannweite durch die Jahrhunderthalle in Breslau (heute Polen) übertroffen. Der Kuppelbau mit 65 m Durchmesser wurde von der Fa. Dyckerhoff & Widmann in Stahlbetonbauweise errichtet.

Eine weitere technische Meisterleistung der Römer war die Weiterentwicklung des Kalkmörtels zu einem wasserfesten Beton. Dieser Schritt war die Voraussetzung für Gründungen im Wasser, also z.B. für die Anlage von befestigten Hafenanlagen wie etwa in Ostia. Aber auch für den Bau von dauerhaften Brücken über breite Flüsse war der Unterwasserbeton unerlässlich. Zur Herstellung dieses Betons setzten die Römer dem üblichen Kalkmörtel noch einen Anteil vulkanischer Aschen zu, die sie in der Nähe der süditalienischen Stadt Pozzuoli (am Vesuv) abbauten. Dieses Material, das ja beim Ausstoßen aus dem Vulkan bereits "gebrannt" wurde, wird bis heute Puzzolanerde genannt und entspricht in etwa einem Traßzement. Später suchten die Römer auch an anderen Orten nach den vulkanischen Aschen und fanden sie z.B. in der Eifel.

Der Ausbau der Infrastruktur durch Anlagen wie Häfen und Brücken war für die Römer sehr wichtig, um die militärische und wirtschaftliche Vormachtstellung zu sichern und weiter auszubauen. Ein Fundament im offenen Wasser wurde mit Hilfe des römischen Kastendammes hergestellt, bei dem zunächst eine zweischalige Spundwand aus Holz in das Flussbett eingetrieben, und der Zwischenraum mit einem wasserdichten Ton verfüllt wurde. Danach konnte man Wasser, Schlamm und Geröll aus dem Innenraum des Kastendammes entfernen und das Flussbett bis auf eine tragfähige Schicht abgraben. Auf der so vorbereiteten Gründungssohle konnte man mit Steinen und dem Unterwasserbeton das eigentliche Pfeilerfundament errichten. Brücken mit solchen Fundamenten gab es in vielen Städten des römischen Imperiums.

Wissensverlust im Mittelalter

Die Kenntnis von der Herstellung eines wasserfesten Betons ging im Mittelalter verloren, wie so vieles andere römische Wissen, und es wurde nur noch wasserlöslicher Kalk verwendet. Für mehrere Jahrhunderte war es daher nicht möglich, Brücken zu bauen, die mit den römischen Bauwerken vergleichbar gewesen wären.

Erst um 1755 gelang dem Engländer John Smeaton die Wiederentdeckung des wasserfesten Betons, als er mit den Planungen für den Bau des Eddystone-Leuchtturmes an der Küste von Cornwall beschäftigt war. Bei den Vorbereitungen für die Gründung experimentierte er mit gebranntem Kalk und Ton und stellte dabei das erste wasserfeste, selbsterhärtende Bindemittel der Neuzeit her. Der Leuchtturm nahm 1759 seinen Betrieb auf und bestand bis 1877.

Der Glenfinnan-Viadukt in Schottland (1897)

Der Begriff Beton ist eigentlich französischen Ursprungs und geht auf Bernard Belidor zurück, der den Fachausdruck erstmals in seinem Werk "Architecture hydraulique" verwendete. Die weitere Entwicklung des Zement zu "Romanzement" und "Portlandzement" geht auf die aus England stammenden Forscher Aspdin, Parker und Johnson zurück.

Die ersten Stampfbetonbrücken der Neuzeit

Die Eigenschaften eines unbewehrten Betons sind denen von Natursteinen sehr ähnlich, d.h. er kann große Druckkräfte aufnehmen aber vergleichsweise nur sehr geringe Zugkräfte (Verhältnis etwa 1/10). Anfangs wurde Beton daher nur als preiswerter Ersatz für Natursteine angesehen und im Brückenbau nur für Bogenbrücken aus Stampfbeton verwendet. Manchmal wurde der Beton auch in Formen gegossen und zu künstlichen Mauersteinen geformt, die wie Natursteine verarbeitet werden konnten. Eine bekannte Brücke aus solchen Betonsteinen ist der Wiesener Viadukt im Kanton Graubünden / Schweiz. Häufig wurde der Beton anschließend mit Natursteinplatten verkleidet, sodass die Bauwerke dann nicht mehr als Betonbrücke erkennbar waren.

Die erste Betonbrücke in Deutschland wurde 1880 auf dem Gelände der Kunst- und Gewerbeausstellung in Düsseldorf von Eugen Dyckerhoff errichtet (siehe Bild ganz oben). Es handelte sich dabei um eine Fußgänger-Bogenbrücke mit einer Spannweite von 12 m. Diese Brücke diente keinem eigentlichen Verkehrszweck, sondern war als reines Ausstellungsobjekt angelegt. Der Gehweg führte mit Treppen über den halbkreisförmigen Bogen, der in der Mitte einen pavillonartigen Aufbau besaß. Zwei Jahre später baute Dyckerhoff bei Seifersdorf die erste Stampfbetonbrücke für die Eisenbahn mit einer Spannweite von 10 m.

Die beiden ersten deutschen Stampfbetonbrücken für den Straßenverkehr wurden im Jahre 1893 in Rechtenstein und Munderkingen über die Donau errichtet. Letztere hatte einen 50 m weit gespannten flachen Bogen und wurde unter der staatlichen Regie von Karl von Leibbrand errichtet. Am 22. April 1945 wurde dieses historische Bauwerk von deutschen Soldaten gesprengt.

Eine der bekanntesten, heute noch bestehenden und benutzten Stampfbetonbrücken ist der Glenfinnan-Viadukt in Schottland. Die Brücke, über die eine einspurige Eisenbahnlinie führt, ist besonders durch die "Harry Potter"- Verfilmungen bekannt geworden. Der Viadukt wurde im Jahre 1898 von Robert McAlpine errichtet, hat 20 Bögen und führt mit einer Gesamtlänge von 380 m über das Tal.

Zu den ältesten, heute noch existierenden Stampfbetonbrücken in Deutschland, gehören die Illerbrücken bei Kempten im Allgäu. Die drei praktisch baugleichen Eisenbahnbrücken wurden in den Jahren 1904 - 1906 in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander errichtet und haben Hauptspannweiten von jeweils 65 m.

Auch die Dresdner Augustusbrücke aus dem Jahre 1910 ist eine Stampfbetonbrücke, der man dies aber nicht so ohne weiteres ansieht. Sie ersetzte eine Steinbogenbrücke aus dem Jahre 1727, die den gestiegenen Verkehrsanforderungen nicht mehr gewachsen war und abgetragen wurde. Die neue Augustusbrücke wurde in Anlehnung an den Vorgängerbau gestaltet, dessen Steine sogar für die Verkleidung des Stampfbetons verwendet werden konnten.

Ein Gärtner erfindet den Stahlbeton

Die drei baugleichen Illerbrücken bei Kempten (1906)
gehören zu den ältesten Stampfbetonbrücken Deutschlands

Die Herstellung von Stampfbeton war billiger als das Brechen und Bearbeiten von Natursteinen und erfreute sich Anfang des 20. Jahrhunderts großer Beliebtheit. Die entscheidende Initialzündung beim Aufstieg zum Baumaterial Nummer Eins erhielt der Beton allerdings durch eine Erfindung, die überraschenderweise von einem Gärtner gemacht wurde. Der Franzose Joseph Monier stellte Blumentöpfe aus Beton her, die ihm jedoch immer wieder sehr leicht zerbrachen. Zur leichteren Formgebung und um die Haltbarkeit zu verbessern, legte er etwa ab 1849 vor dem Gießen ein entsprechend gebogenes Drahtgeflecht in die Form. Monier erkannte schon bald, dass diese Erfindung weit über die Herstellung von Blumentöpfen hinaus von Bedeutung sein könnte. In den Jahren 1866 bis 1877 meldete er mehrere Patente zunächst für seine Töpfe, dann aber auch für Bauteile wie Stützen und Balken an. Im Jahre 1873 ließ er sich das Patent auf eine mit Eisen bewehrte Brücke erteilen und baute nur zwei Jahre später die erste Brücke aus Eisenbeton. Dieses Bauwerk im Schlosspark des Marquis de Tilliere bei Chazelet in Frankreich besteht noch heute. Die Fußgängerbrücke hat eine Spannweite von 15,50 m und eine Breite von 4 m.

Es dauerte aber noch einige Jahre, bis die Verwendung von Eisenbewehrungen Eingang in den alltäglichen Baubetrieb und insbesondere in den Brückenbau finden sollte. Dann aber zeigte es sich, dass Moniers Erfindung das Baugeschehen in allen Bereichen revolutionieren sollte. Die Bewehrungseisen wurden -auch in Deutschland- zunächst nach ihrem Erfinder "Moniereisen" genannt. Heute wird diese Bezeichnung allerdings kaum noch verwendet.

Conrad Freytag erwarb 1884 Moniers Patent für Deutschland und trat es zwei Jahre später für den norddeutschen Bereich an Gustav Adolf Wayss ab. Die beiden Firmen schlossen sich 1893 zu Wayss & Freiytag zusammen und förderten in den nächsten Jahren die theoretische und praktische Weiterentwicklung des Eisenbetonbaus entscheidend. Anfang des 20. Jahrhunderts nahmen sich viele Ingenieure ganz dem neuen Material an und experimentierten mit der Menge und der Anordnung des verwendeten Eisens, bzw. Stahls. Führende Eisenbetonbauer der ersten Stunde waren der Österreicher Joseph Melan, der Schweizer Robert Maillart, der deutsche Emil Mörsch und der Franzose Francois Hennebique.

Nach Moniers Eisenbetonbrücke in Chazelet dauerte es einige Jahre, bis weitere Brücken aus diesem Material gebaut wurden. In Wildegg / Schweiz bauten die Juracement-Werke 1890 auf ihrem Gelände eine flache Bogenbrücke mit einer Spannweite von 37,20 m. Eine der ersten Eisenbetonbrücken die tatsächlich für den Verkehr gebaut wurde, war die Stauffacherbrücke in Zürich (1899). Sie war das Erstlingswerk von Robert Maillart, hat eine Spannweite von knapp 40 m und besteht noch heute. Auch die nächsten Brücken Maillarts, nämlich die Innbrücke bei Zuoz (1901) und die Rheinbrücke bei Tavanasa (1905), gehören zu den allerersten Eisenbetonbrücken Europas. Letztere hatte eine Spannweite von 51 m und wurde leider bei einem Erdrutsch im Jahre 1927 zerstört.

Die erste bedeutende Eisenbetonbrücke in Deutschland war die Grünwalder Brücke über die Isar und den Isarkanal aus dem Jahre 1904. Der große deutsche "Eisenbetonbauer" Emil Mörsch (1872 - 1950), der für die Fa. Wayss & Freytag tätig war, plante und baute sie mit Spannweiten von 2 x 70 m. Gegen Ende des zweiten Weltkrieges wurde sie gesprengt und 1949 wieder aufgebaut.

Noch tragfähiger: Spannbeton

Für das Taktschiebeverfahren vorbereitete Bewehrung eines Hohlkastenträgers.
Segment der Talbrücke Wallersbach bei Suhl im Zuge der A 73.

Eine weiterer Schritt zu noch höher belastbaren Bauteilen aus Beton war die Erfindung des Spannbetons, die sich der deutsche Ingenieur C.F.W. Döhring bereits 1890 patentieren ließ. Allerdings hatte es vier Jahre vorher in Amerika bereits ein ähnliches Patent gegeben. Bei der Herstellung von Spannbeton werden die Stahldrähte entweder in einer Blechröhre vorgespannt, bevor mit dem Betoniervorgang begonnen wird, oder der Beton wird direkt auf die vorgespannten Stähle gegossen. Der Spannvorgang wirkt der späteren Belastung entgegen und führt zu einer höheren Belastbarkeit des Bauteils. Die Wirkung vorgespannter Stähle kann man sich anhand eines Seiles vorstellen. Einem Seiltänzer fällt es natürlich umso leichter über ein Seil zu laufen, je stärker dieses gespannt wird. Ein schlaffes Seil kann viel leichter zur Seite hin ausweichen. Durch das Anspannen wird das Seil "steifer", genauso wie der vorgespannte Stahl ein Bauteil aus Beton versteift.

Führende Ingenieure bei der Entwicklung des Spannbetonbaus waren vor allem der Franzose Eugène Freyssinet (1879 - 1962) und der Österreicher Karl Mautner (1881 - 1949), der für die Firma Wayss & Freytag tätig war. Besondere Beachtung fanden die fünf Brücken über die Marne, die Eugène Freyssinet in den Jahren 1948 bis 1950 baute. Diese außerordentlich schlanken und leicht wirkenden Rahmenbrücken hatten im Scheitelpunkt nur eine Stärke von einem Meter und zeigten eindrucksvoll die neuen Möglichkeiten des Spannbetons. Freyssinets Brücken beeinflussten nachhaltig weltweit das Baugeschehen, nicht nur was den Bau von Brücken angeht.

Die Entwicklung des Spannbetonbaus in Deutschland wurde maßgeblich von Franz Dischinger und Ulrich Finsterwalder beeinflusst. Dischinger baute 1936 in Aue/ Sachsen die erste Spannbetonbrücke der Welt. Die größte Spannweite der über das Bahnhofsgelände führenden Straßenbrücke betrug 69 m.

Gegenwart und Zukunft des Betons

Stahlbeton und Spannbeton als preiswerte und flexibel einsetzbare Baustoffe sind heute für das moderne Baugeschehen unverzichtbar. Bauwerke wie etwa Fernsehtürme, weit gespannte Dächer und Kuppeln, hoch belastete Brücken und Fundamente sind wirtschaftlich ohne Beton meist nicht realisierbar. Der Konkurrent und die Alternative für Beton sind in manchen Anwendungsfällen reine Stahlbauwerke, die jedoch häufig aus finanziellen Gründen nur zweite Wahl sind.

Beton und Stahlbeton eröffneten gerade auch im Brückenbau eine Fülle von bis dahin ungeahnten technischen Möglichkeiten, die durch neue Bauverfahren stetig weiterentwickelt wurden. Die Anstrengungen der Ingenieure gingen vor allem dahin, auf die äußerst aufwändigen Leergerüste verzichten zu können und die Betonbauweise dadurch wettbewerbsfähiger zu machen. Zu diesen innovativen Verfahren gehören zum Beispiel die "Bauweise Melan", das Bogenklappverfahren, das Taktschiebeverfahren oder neuerdings auch das Verfüllen von Stahlröhren mit Beton. Bei diesem in Asien entwickelten Verfahren ist der Stahl im Gegensatz zum klassischen Stahlbeton nun also außen und der Beton innen.

Aber auch der Beton selbst unterliegt einer ständigen Weiterentwicklung und der Suche nach technischen Verbesserungen. Im Laufe der Jahrzehnte wurden für alle möglichen Anwendungsbereiche Spezialbetone entwickelt. So gibt es unter anderem: Leichtbeton, Schwerbeton, schnell oder langsam erhärtenden Beton, wärmedämmenden-, feuerfesten- und lichtdurchlässigen Beton, Pump-, Schütt,- und Walzbeton, Fließ- und Transportbeton, Strahlenschutzbeton und in allen Farben kolorierten Beton.

Die Möglichkeiten der erfolgreichen Verbindung aus Stahl und Beton scheinen damit jedoch keineswegs ausgeschöpft zu sein. Stahlbetonbauteile beachtlicher Größe werden heute witterungsunabhängig im Betonwerk hergestellt und müssen nicht mehr auf der Baustelle unter schwierigen Bedingungen betoniert werden. Dies hat den Baubetrieb schneller, billiger und sicherer gemacht.

Quellen:
  • Heinz-Otto Lamprecht: "Opus Caementitium"
  • Herbert Kupfer: "Stahlbetonbrücken von Emil Mörsch"
  • 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"
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© Dipl.Ing. Bernd Nebel