Bogenbrücken

Von der "Old Bridge of Carr" in Schottland (1717) steht seit einem Hochwasser
vor über 250 Jahren nur noch der tragende Bogen
© Barbara Kellner

Die klassische Bogenbrücke war für Jahrhunderte der einzige Brückentyp, der als wirklich dauerhaft bezeichnet werden konnte. Ihr mühevoller Bau aus behauenen Steinen 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 der Natur

Die Ovachomobrücke im "Natural Bridges Park" © Susanne Kallenberg

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.

Dennoch gibt es natürlich einige Naturbogenbrücken. In größerer Zahl findet man sie z.B. im "Natural Bridges Park" in Moab/ Utah. In diesem Park 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 Bauform des Bogens ist das Gewölbe, für das es natürliche Vorbilder z.B. in Form von Felsüberhängen oder Höhlendecken gibt.

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 einfachen 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.

Der Ponte Salario (ca. 600 v.Chr.) gilt als die erste römische Steinbogenbrücke

Eine der ältesten historisch belegten Bogenbrücken war das Aquädukt von Jerwan im heutigen Irak aus dem 7 Jhd. v.Chr. 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 Arkadio 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 Anio) gilt als die erste römische Steinbogenbrücke. Sie wurde ca. 600 v.Chr. unter dem etruskischen König Tarquinius Priscus errichtet und bestand über 1000 Jahre, bevor sie 544 von den Goten zerstört wurde. Das bekannte Bild von Giovanni Battista Piranesi (1720-1778) entstand erst ca. 1200 Jahre nach der Zerstörung und dürfte daher relativ frei erfunden sein.

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, setzten die fehlenden Möglichkeiten eine massive Gründung in einem Flussbett herzustellen der weiteren Entwicklung zunächst Grenzen. 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.

Der römische Aquädukt in Segovia / Zentralspanien aus dem Jahre 80 n.Chr. © Bernd Nebel

Sehr gut erhaltene römische Steinbogenbrücken finden wir außer in Rom heute z.B.noch in Alcantara, Merida und Cordoba (alle in Südspanien), in Trier und in vielen anderen Städten des einstigen römischen Machtbereiches. Die schönsten und größten Aquädukte befinden sich in Südfrankreich (Pont du Gard), Zentralspanien (Segovia) und in Südspanien (Merida). Die römischen Brücken wurden in der Regel von Militäringenieuren konstruiert und die Arbeit musste meistens von Sklaven, manchmal aber auch von Soldaten verrichtet werden.


Halbkreisbogen, Segmentbogen und Korbbogen

Die Römer vertrauten bei ihren Steinbrücken in aller Regel auf den halbkreisförmigen Bogen. Allerdings gibt es auch einige erhaltene Beispiele, bei denen sie sich am Segmentbogen versuchten. 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 wird. 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 nach unten ins 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.

Der Ponte Santa Trinità (1569) in Florenz war die erste Brücke mit Korbbögen. Im Hintergrund: Ponte Vecchio © Rodrigo Larrabure

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.

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 in den Bereich des technisch Möglichen rückte. Zunächst wurde jedoch nur Gusseisen hergestellt, das sehr spröde ist und daher ähnliche physikalische Eigenschaften wie ein Gestein besitzt, nämlich hohe Druckfestigkeit bei geringer

Der "Ponte Dom Luis I" in Porto ist eine unechte Bogenbrücke, weil die untere Fahrbahn als Zugband wirkt. Die Brücke, die auch "Schwarze Brücke" genannt wird, stammt aus dem Jahre 1886 und wurde von Théophile Seyrig, einem ehemaligen Mitarbeiter Gustave Eiffels gebaut. © Doris Gaulke

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 der tragenden Konstruktion war nun deutlich geringer als das einer Steinbrücke. Dadurch waren die Anforderungen an den Baugrund und die Fundamente nicht mehr ganz so hoch wie vorher. Die erste Bogenbrücke aus Gusseisen, die "Ironbridge", wurde 1779 im Coalbrookdale in der englischen Grafschaft Shropshire errichtet.

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, denn es konnten Konstruktionen gewählt werden, bei denen auch Zugkräfte auftreten. Eine der wichtigsten Entwicklungen in diesem Zusammenhang sind die Stahl-Fachwerkbrücken die zu einer großen Formenvielfalt der Balkenbrücken führten.

Ein solcher Fachwerkbalken kann daher auch wie ein Bogen aussehen, jedoch auf anderen statischen Grundsätzen beruhen. Bei einer solchen Brücke spricht man von einem "unechten Bogen". Im Unterschied zum "echten Bogen" treten in einem solchen Träger auch Zugkräfte auf, vor allem im unteren Gurt. 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 aber auch Bauweisen, die mit Stein oder 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, das bis heute im Brückenbau meist erste Wahl ist. Der Nachteil einer Bogenbrücke aus Beton oder Stahlbeton ist aber, dass normalerweise wie bei den Steinbogenbrücken 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 meist viel zu wenig 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, zu dem es beim Bau eines Lehrgerüstes gekommen wäre.

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

Die New River Gorge Bridge bei Fayetteville / USA war mit ihrer Spannweite von 518 m von ihrer Fertigstellung im Jahre 1978 bis 2003 die größte Bogenbrücke der Welt © Stefan Kammerl

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 bei Bogenbrücken werden heute 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 neuen 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 2012 ein gigantisches Projekt, 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 12 Fahrspuren Platz bieten.

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