Bogenbrücken


Die Drovers Bridge ("Viehtreiberbrücke") bei Malmsmead in Südengland und daneben
eine Furt, die nur bei niedrigem Wasserstand benutzt werden kann

Über Jahrhunderte war die klassische Bogenbrücke der einzige Brückentyp, mit dem sich größere Spannweiten erreichen liessen und der als wirklich dauerhaft bezeichnet werden konnte. Ihr mühevoller Bau aus sorgfältig behauenen Keilsteinen setzte jedoch ein großes technisches Verständnis und eine geschickte Logistik auf der Baustelle voraus.

Die statische Besonderheit einer (echten) Bogenbrücke besteht darin, dass alle Kräfte die über das Bauwerk abgetragen werden als Druckkräfte auftreten. Zugkräfte hingegen kommen in nennenswerter Größe nicht vor. Da alle spröden, nicht biegbaren Baumaterialien wie Stein, Beton oder Gusseisen keine großen Zugspannungen aufnehmen können, bietet sich die Verwendung dieser Materialien zum Bau einer Bogenbrücke geradezu an. Zugspannungen, wie sie in Balken-, Hänge- und Schrägseilbrücken auftreten, können hingegen nur von elastischen Baumaterialien wie Eisen oder Stahl abgetragen werden, in bescheidenem Umfang auch von Holz.

Vorbilder aus der Natur

Die Ovachomobrücke im "Natural Bridges Park"

Im Gegensatz zu Balken- oder Hängebrücken entwickelt die Natur nur selten Beispiele, die das besondere Tragverhalten einer Bogenbrücke veranschaulichen und die Menschen auf die Idee bringen konnten, die Bogenform für ihre Bedürfnisse nachzuahmen. Die bewusste Herstellung einer Bogenbrücke setzte daher schon ein gewisses Verständnis für die statischen Zusammenhänge und den Kräfteverlauf in einem Bogen voraus.

Ein paar von der Natur geschaffene Bogenbrücken gibt es aber doch, wie z.B. durch die beständige Kraft der Wellen geschaffene Felsformationen in der Nähe der Küste. Eine größere Anzahl natürlicher Bogenbrücken sind im "Natural Bridges Park" in Moab/ Utah zu finden. In diesem Naturpark befindet sich auch der Landscape Arch, mit einer Spannweite von ca. 90 m und einer Höhe von 75 m die größte Naturbogenbrücke der Welt. Die dreidimensionale Form des Bogens ist das Gewölbe, das wie in einer gotischen Kathedrale oder bei Kuppelbauten in alle Richtungen tragfähig ist. Auch für Gewölbe gibt es entsprechende Vorbilder in der Natur wie z.B. Felsüberhänge oder Höhlendecken.

Um eine Bogenbrücke aus Stein zu bauen, ist zunächst immer ein Lehrgerüst erforderlich, denn die Tragwirkung des Bogens kann sich erst entfalten, nachdem der letzte Stein, der so genannte "Schlussstein" gesetzt wurde. Die Herstellung eines solchen Gerüstes aus Holz stellt erhebliche Anforderungen an die handwerklichen Fähigkeiten der Zimmerleute, denn das gesamte Gewicht des Steinmaterials muss bis zu dem Moment in dem der Schlussstein gesetzt wird vom Gerüst getragen werden.

Der Bogen in der Architekturgeschichte

Bögen waren natürlich nicht nur für den Brückenbau von großer Bedeutung, sondern auch für alle anderen Bauwerke, bei denen eine größere Öffnung überbrückt werden musste. Dies beginnt mit Stürzen über Fenstern, Türen oder Grabeingängen und endet bei den Gewölben riesiger Kathedralen. Als Vorläufer des Bogens wurde teilweise auch der so genannte "Kragbogen" verwendet, bei dem der Bogen durch nach oben hin immer ein Stück weiter auskragende Steine geformt wurde.

Eine der ältesten historisch belegten Bogenbrücken war das Aquädukt von Jerwan aus dem 7 Jhd. v.Chr. im heutigen Irak. Diese immerhin ca. 280 m lange und 22 m breite Brücke bestand aus Mauerwerk und diente der städtischen Wasserversorgung. In Anbetracht der Größe dieses Bauwerkes ist zu vermuten, dass in dieser Region schon lange vorher Bogenbrücken gebaut wurden.

Noch älter sind die teilweise erhaltenen Brücken von Arkadiko in Griechenland. Die wuchtigen, noch etwas archaisch anmutenden Brücken bestehen aus nur wenig bearbeiteten Findlingen und wurden ca. 1300 v.Chr. errichtet. Vermutlich sind diese Bauwerke mit nur 2-3 m Spannweite die ältesten heute noch erhaltenen Bogenbrücken der Welt.

Die Römer, die Meister des Bogenbrückenbaus

Die Römer griffen die Technik des Steinbrückenbaus von den Griechen und Etruskern auf und brachten sie zu einer bis dahin ungekannten Perfektion. Der legendäre Ponte Salario über den Teverone (heute Aniene) gilt als die erste römische Steinbogenbrücke. Sie wurde ca. 600 v.Chr. unter König Tarquinius Priscus errichtet und bestand über 1000 Jahre, bevor sie 544 von den Goten zerstört wurde. Sie wurde aber wenige Jahre später wieder erneuert und ist in Überresten heute noch erhalten. Das bekannte Bild von Giovanni Battista Piranesi (1720-1778) zeigt den Zustand der Brücke im 18. Jhd.

Der Ponte Salario (ca. 600 v.Chr.) gilt als die erste römische Steinbogenbrücke.
Der berühmte Stich von Piranesi erweckt den Eindruck, der Turm stünde direkt
auf der Brücke. In Wirklichkeit befand er sich aber ca. 50 m dahinter.

Durch eine andere technische Entdeckung die allen früheren Kulturen unbekannt war, gelang den Römern ein entscheidender Schritt bei der Weiterentwicklung des Brückenbaus. Gemeint ist ihr wasserfester Beton, den sie "opus caementitium" nannten und der es ihnen ermöglichte auch Gründungen im offenen Wasser auszuführen. Nachdem die Wölbtechnik weitgehend beherrscht wurde, war die Fundamentierung von Zwischenpfeilern das größte Problem, um einen breiten Fluss zu überbrücken. Doch die Römer lösten auch dieses Problem und bauten mit Hilfe ihres Kastendammes mächtige Steinbogenbrücken über die breitesten Flüsse ihres Imperiums.

Durch ihre hoch entwickelten technischen Fähigkeiten wurden die Römer zu wahren Meistern im Bau von Steinbogenbrücken. Sie haben uns nicht nur ca. 300 bis zum heutigen Tage genutzte Straßenbrücken hinterlassen, sondern auch gewaltige Aquädukte, die der Wasserversorgung ihrer Städte dienten.

Sehr gut erhaltene römische Steinbogenbrücken finden wir heute z.B. noch in Alcantara, Salamanca, Cordoba (alle in Spanien) und natürlich in Rom. Die schönsten und größten Aquädukte befinden sich in Südfrankreich (Pont du Gard), Zentralspanien (Segovia) und in Merida (Südspanien). Die römischen Brücken wurden in der Regel von Militäringenieuren geplant und gebaut. Die körperliche Arbeit musste dabei meistens von Sklaven, manchmal aber auch von Soldaten verrichtet werden.

Halbkreisbogen, Segmentbogen und Korbbogen

Über Jahrhunderte vertrauten die Römer bei ihren Steinbrücken in aller Regel auf den halbkreisförmigen Bogen. Erst in der Endphase des römischen Imperiums wurden kleinere Segmentbogenbrücken gebaut. Der Vorteil des Halbkreisbogens liegt darin, dass er bautechnisch verhältnismäßig leicht zu beherrschen ist, weil er praktisch von Allein steht. Statisch ausgedrückt treten beim Halbkreisbogen keine horizontalen Schubkräfte auf, die massive seitliche Widerlager erfordern würden.

Allerdings hat der halbkreisförmige Bogen auch einen entscheidenden Nachteil: die Höhe des Bogens ist nämlich immerhin halb so groß wie seine Spannweite. Hinzu kommt noch der Aufbau über dem Bogenscheitel, so dass der Verkehrsweg über der Brücke sehr steil werden kann. Dies belegt auch Piranesis Stich vom Ponte Salario. Man konnte dem steilen Anstieg nur durch lange Rampen begegnen, die aber selbst wiederum einen erheblichen Aufwand und Materialverbrauch erforderten.

Eine Segmentbogenbrücke besteht nur aus einem Teil (einem Segment) des Halbkreises. Dadurch wird der Bogen flacher und wirkt auch eleganter. Allerdings müssen für eine solche Brücke auch die örtlichen Voraussetzungen gegeben sein, denn die Kräfte wirken nicht nur vertikal in das Fundament, sondern zum Teil auch seitlich auf die Widerlager. Dabei ist der horizontale Kraftanteil umso größer, je flacher der Bogen ausgebildet wird. Da die horizontalen Kräfte versuchen die Widerlager auseinander zu drücken, muss ein entsprechender Baugrund vorhanden sein, der dies verhindert. Im optimalen Fall kann eine Segmentbogenbrücke zwischen die Felsen einer Schlucht eingespannt werden.

In Europa wurden erst im Mittelalter vermehrt Segmentbogenbrücken gebaut, während in China schon 617 die außerordentlich elegante Anjibrücke entstand. Zu den frühesten mittelalterlichen Segmentbogenbrücken gehören die Rhonebrücke bei Avignon, der Ponte Vecchio in Florenz, die Rialtobrücke in Venedig und die Fleischbrücke in Nürnberg. Letztere wurde der Rialtobrücke nachempfunden und besticht durch ihren außerordentlich flachen Bogen.

Der Ponte Santa Trinità (1569) in Florenz war die erste Brücke mit Korbbögen.

Eine nochmalige optische und technische Weiterentwicklung war der besonders flache "Korbbogen", der erstmals von dem Künstler und Techniker Bartolomeo Ammanati (1511-1592) beim Ponte Santa Trinità in Florenz verwendet wurde. Ein Korbbogen besteht nicht wie Kreis, Halbkreis und Segment aus nur einem gleichmäßigen Radius, sondern wird aus verschiedenen Radien und mehreren Mittelpunkten konstruiert.

Eine technisch und architektonisch herausragende Korbbogenbrücke war der Pont de Neuilly, den Jean-Rodolphe Perronet von 1768-1774 vor den Toren von Paris erbaute. Die Seine-Brücke hatte eine Gesamtlänge von 220 m und bestand aus fünf Bögen mit Spannweiten von jeweils 40 m. Perronet konstruierte jeden Korbbogen aus 11 verschiedenen Mittelpunkten, für den ein exaktes und kompliziertes Lehrgerüst erforderlich war. Angesichts der technischen und historischen Bedeutung dieses Bauwerkes ist es heute nicht mehr nachvollziehbar, dass die Brücke erst 1939 wegen des zunehmenden Autoverkehrs abgebrochen wurde. Heute befindet sich eine recht langweilige Betonbrücke an dieser Stelle und der flüchtige Paristourist erinnert sich bei dem Namen "Pont de Neuilly" allenfalls an eine Metrostation der Linie 1.

Bogenbrücken aus Eisen und Stahl

Gegen Ende des 18. Jahrhunderts war die Technik der Eisenerzeugung so weit fortgeschritten, dass auch der Bau von Eisenbrücken möglich wurde. Zunächst wurde jedoch nur Gusseisen hergestellt, das sehr spröde ist und ähnliche physikalische Eigenschaften wie Gestein besitzt, nämlich hohe Druckfestigkeit bei geringer Biege-/Zugfestigkeit. Auch mit einem solchen Material konnte man daher vor allem Bogenbrücken bauen. Dennoch war die Verwendung von Eisen ein großer Entwicklungsschritt, denn das Eigengewicht einer Eisenbrücke ist deutlich geringer als das einer Steinbrücke. Dadurch wurden der Baugrund und die Fundamente weniger belastet als durch eine massive Steinbrücke. Die erste Bogenbrücke aus Gusseisen war die Ironbridge von Abraham Darby. Sie wurde 1779 im englischen Coalbrookdale (Grafschaft Shropshire) errichtet und besteht noch heute.

Das Herstellungsverfahren für Roheisen wurde ständig verbessert und etwa Mitte des 19. Jahrhunderts wurde das Gusseisen vom Schmiedeeisen verdrängt, welches bereits gute elastische Eigenschaften besitzt. Schmiedeeisen kann dadurch erheblich größere Zugkräfte aufnehmen und auch auf Biegung beansprucht werden. Für den Brückenbau bedeutete dieser Schritt und die spätere Weiterentwicklung zum Stahl eine echte Revolution, denn fortan konnten auch Balkenbrücken und Hängebrücken aus Eisen gebaut werden.

Aber auch neuartige Formen von Bogenbrücken waren nun möglich, weil jetzt Zugkräfte auftreten durften. Eine der wichtigsten Entwicklungen in diesem Zusammenhang sind die Stahl-Fachwerkbrücken die -unterstützt durch die Niet- und Schweisstechnik- zu einer großen Formenvielfalt bei den Balkenbrücken führten. Ein stählerner Fachwerkbalken kann wie ein Bogen geformt sein, jedoch auf anderen statischen Grundsätzen beruhen. In diesem Fall spricht man von einem "unechten Bogen". Im Unterschied zum echten Bogen treten in einem solchen Träger auch Zugkräfte auf, vor allem im unteren Gurt, dem Zugband. Der Träger als Einheit überträgt dadurch keine nennenswerten Horizontalkräfte auf die Widerlager, selbst wenn es sich dabei um einen flachen Segmentbogen handelt.

Die Verwendung von Materialien wie Stahl oder Stahlbeton, die auch Zugkräfte aufnehmen können, ermöglicht Bauweisen, die mit Stein oder unbewehrtem Beton nicht realisierbar wären. Verlief bei einer klassischen Steinbogenbrücke der Verkehrsweg grundsätzlich über dem Bogen, konnte er nun auch unter dem Bogen liegen (abgehängte Fahrbahn) oder sogar mitten durch den Bogen führen.

Zeit- und geldsparende Bauverfahren

Das Lehrgerüst der Teufelsbrücke im Zuge
der Autobahn Gera - Jena (1937)

Nach der großen Zeit der Stahlbrücken kam mit dem Beton bzw. Stahlbeton bald ein kostengünstigeres Material auf den Markt, das bis heute im Brückenbau meist erste Wahl ist. Der Nachteil einer Bogenbrücke aus Beton oder Stahlbeton ist aber, dass normalerweise wie bei einer Steinbogenbrücke ein Lehrgerüst erforderlich ist. Mit der Größe der Brücken und dem Anstieg der Spannweiten wurden auch diese Lehrgerüste immer aufwändiger und teurer. Ein Lehrgerüst für eine große Bogenbrücke ist ein technisches und handwerkliches Meisterwerk, das auf Grund seiner Kurzlebigkeit kaum gewürdigt wird.

Die kostspieligen Lehrgerüste zwangen die Ingenieure dazu, sich für den Bau von Bogenbrücken neue, billigere Bauverfahren einfallen zu lassen. Bei Mehrfeldbögen wurde z.B. versucht, dasselbe Lehrgerüst nacheinander für alle Bögen zu verwenden. Ein besonders intelligentes Verfahren ist die "Bauweise Melan", benannt nach dem österreichischen Ingenieur Josef Melan (1853-1941), der auch als Professor an den Technischen Hochschulen in Prag, Wien und Brünn lehrte. Dabei wird zunächst eine massive Bewehrung aus Stahl im freien Vorbau errichtet. Der untere Bereich der Bewehrung dient gleichzeitig auch als Boden der Schalung und verbleibt später im Bauwerk. Die Seitenwände der Schalung hingegen werden nach dem Aushärten des Betons entfernt.

Ein weiteres Beispiel für kostengünstige Alternativen zum Lehrgerüst ist das sogenannte "Bogenklappverfahren", das erstmals beim Bau der Argentobelbrücke zwischen Isny und Oberstaufen in Bayern zum Einsatz kam. Bei dieser Bauweise wird jeweils eine Hälfte des Bogens im Bereich des Widerlagers mit Hilfe von Kletterschalungen senkrecht in die Höhe betoniert. Nach Abschluss der Betonierarbeiten werden die Bogenhälften unter Verwendung von Spannkabeln abgelassen, bis sie sich über dem Tal treffen und miteinander verbunden werden können. Beim Bau der Argentobelbrücke konnten durch die Anwendung dieses Verfahrens nicht nur Kosten eingespart werden, sondern auch ein Eingriff in das unter der Brücke befindliche Naturschutzgebiet vermieden werden.

Aus Asien kommt ein weiteres Verfahren zum Bau kostengünstiger Bogenbrücken, welches vor allem in China schon seit ca. 1975 angewendet wird. Es nennt sich "concret filled tubular" (CFT) und beruht auf der Idee, den Beton nach innen und den Bewehrungsstahl in Form von Röhren nach außen zu verlegen. Dabei wird der Bogen zunächst aus Stahlsegmentrohren im freien Vorbau geschweißt und anschließend mit Beton verfüllt.

Die Zukunft der Bogenbrücken

Die größten Spannweiten werden heute auch bei Bogenbrücken mit Stahlbauwerken erreicht. Besonders in China wurden in den letzten Jahren sehr große Stahlbogenbrücken gebaut. Als Beispiel seien hier nur die Lu-Pu-Brücke in Shanghai aus dem Jahre 2003 und die Chaotianmen-Brücke in Chongqing genannt. Letztere wurde 2008 fertig gestellt und hat eine Bogenspannweite von 552 m. Mit diesem Weltrekord verdrängte sie die LuPu-Brücke auf den zweiten und die New River Gorge Bridge in den USA auf den dritten Platz.

Allerdings sind bereits noch größere Stahlbogenbrücken in Planung. So soll z.B. im Emirat Dubai am persischen Golf schon bald ein großes Bauwerk, bestehend aus zwei hintereinander liegenden Bogenbrücken fertig gestellt werden. Der größere Bogen soll dabei eine Spannweite von 667 m haben und mit 205 m auch enorm hoch sein. Die Brückentafel soll 65 m breit werden und insgesamt für 12 Fahrspuren Platz bieten.

Quellen:
  • 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"
  • Klaus Stiglat: "Brücken am Weg"
  • Fritz Leonhardt: "Brücken - Ästhetik und Gestaltung"
  • Hans Wittfoht: "Triumph der Spannweiten"
Haben sie noch weitere Informationen zu diesem Thema? Oder sind sie im Besitz von Fotos, die sie für dieses Internetangebot zur Verfügung stellen würden? Dann senden sie mir bitte eine Mail:


www.bernd-nebel.de

© Dipl.Ing. Bernd Nebel