Brücken aus Eisen und Stahl


Die erste Weichselbrücke in Dirschau (1857)
Meilensteine im Eisen- und Stahlbau
Jahr Bauwerk Ort Beteiligte
1779 Iron Bridge Coalbrookdale (GB) Abraham Darby III
Thomas F. Pritchard
1827 Kettenbrücke Malapane Karl Schottelius
1850 Britannia Bridge Bangor (GB) Robert Stephenson
1851 Kristallpalast London Joseph Paxton
1857 Weichselbrücke Dirschau Carl Lentze
1863 Schwedlerkuppel Berlin Johann Wilhelm Schwedler
1867 Mainbrücke Haßfurt Heinrich Gerber
1884 Garabit Viadukt St. Flour (F) Gustave Eiffel
1886 Observatorium Nizza Gustave Eiffel
1889 Eiffelturm Paris Gustave Eiffel
1890 Firth of Forth Bridge Queensferry (GB) Arrol/Baker/Fowler
1909 Kuppel der Festhalle Frankfurt Friedrich von Thiersch
1931 Empire State Building New York Shreve, Lamb & Harmon

Kein anderes Material ist so sehr mit der industriellen Revolution und dem technischen Fortschritt im 18. und 19. Jahrhundert verbunden, wie das Eisen. Mit seinem hervorragenden Verhältnis zwischen Tragfähigkeit und Eigengewicht revolutionierte es auch den Brückenbau und machte ganz neue Bauweisen möglich.

Im Anschluss an die Bronzezeit, in der Waffen und Schmuck vorwiegend aus diesem relativ weichen Metall gefertigt wurden, begann um 1000 v.Chr., ausgehend von Ost-Anatolien, die so genannte Eisenzeit. Allerdings war das Eisen in Ägypten und Mesopotamien schon weitaus länger bekannt. Die Schätzungen für die früheste Herstellung und Verwendung von Eisen schwanken zwischen 4000-2000 v.Chr. In Mitteleuropa (genauer gesagt in der Eifel) sind erste Schmelzöfen zur Eisenerzeugung, sogenannte "Rennöfen", seit etwa 2000 Jahren nachweisbar.

Mühsame Eisenerzeugung im Rennofen

Die Herstellung von Eisen war Anfangs eine sehr beschwerliche Prozedur und entsprechend wertvoll war das Material. In seiner Bedeutung stand es zeitweise auf einer Stufe mit Silber und Gold und wurde ausschließlich für Waffen und Schmuck verwendet. Für die klassische Eisengewinnung wurde zunächst aus Ton ein runder, ca. 1 m hoher Zylinder über einer Erdmulde hergestellt. Unten wurde Holzkohle eingefüllt und ein kleines Loch für einen Blasebalg gelassen. Dieser Rennofen wurde nun von oben mit aufgesammeltem erzhaltigem Gestein gefüllt. Es war nicht allzu schwierig solches Material zu finden, denn Eisen ist überall eines der am häufigsten vorkommenden Elemente.

Die erste vollständig aus Eisen gebaute Brücke der Welt: die Iron Bridge (1779)
im gleichnamigen Ort in der Grafschaft Shropshire / England

Der Ofen wurde dann auf ca. 800°C aufgeheizt, um das Gestein zum Schmelzen zu bringen und von dem Eisen zu trennen. Der Schmelzpunkt von Eisen liegt allerdings deutlich höher, nämlich bei 1536°C. Das Eisen wurde in einem solchen Ofen also nicht wirklich flüssig. Aber das nicht verwendbare Material schmolz und konnte durch eine weitere Öffnung im unteren Bereich des Ofens abgezogen werden. Zurück blieben so genannte "Luppen", poröse Eisenstücke, die aber noch stark mit Gestein und Holzkohle verunreinigt waren. Durch mechanische Bearbeitung mit dem Hammer wurde das Rohmaterial dann zu gebrauchsfähigen Stücken verarbeitet. Man kann sich ungefähr vorstellen, welchen Aufwand es bedeutete, auf diese Art ein Schwert oder womöglich eine Ritterrüstung herzustellen. In Anbetracht dieses mühsamen Herstellungsverfahrens war an den Bau einer Brücke unter Verwendung von Eisen eigentlich gar nicht zu denken. Trotzdem gibt es schon sehr frühe Quellen, die uns über "Eisenbrücken" berichten.

Die erste Energiekrise

Von der Geschichtsschreibung über die Kreuzzüge ist z.B. bekannt, dass es im Jahre 1097 eine Schlacht bei der "Eisernen Brücke" in Antiochia gab. Welche Teile dieser Brücke aus Eisen waren, ist (mir) nicht bekannt aber der Name lässt darauf schließen, dass bereits wesentliche Bestandteile der Brücke aus diesem Material bestanden haben müssen. Das 1615 veröffentlichte Werk "Machinae novae" von Faustus Verantius enthält bereits die Darstellung einer Hängebrücke aus Eisenketten. Auch in dem Buch "China Illustrata" von Athanasius Kircher (1667) werden eiserne Brücken in Asien erwähnt. Bei all diesen Berichten handelt es sich vermutlich um Kettenbrücken. Auf jeden Fall müssen wir zur Kenntnis nehmen, dass in anderen Gegenden der Erde schon Brücken unter Verwendung von Eisen gebaut wurden, als in Europa die Techniken der Metallverarbeitung bei weitem noch nicht so weit vorangeschritten waren.

Die Verfahren zur Eisenherstellung wurden im Laufe der Zeit ständig verbessert und immer größere Mengen von Eisen wurden hergestellt. Das Material fand zu vielen Bereichen des täglichen Lebens Zugang, und es entstanden ganz neue Gewerbezweige. Aber gerade im waldarmen England wurde die Holzkohle immer teurer, weil die Eisenhütten riesige Mengen des Heizmaterials benötigten. Schließlich mussten einige Eisenhütten sogar ihren Betrieb einstellen, zumal der boomende Schiffsbau die Holzknappheit weiter verstärkte. Es kam zur ersten Energiekrise, die sich zu einer Bedrohung für die fortschreitende Industrialisierung auszuweiten begann.

Aber wie so häufig in der Geschichte der Technisierung führte dieser Druck zu verstärkten Anstrengungen und ganz neuen Innovationen. Anfang des 18. Jahrhunderts gelang es erstmalig aus Kohle Koks herzustellen und als Ersatzstoff für die Holzkohle zu verwenden. Mit Hilfe von Koks konnte auch eine wesentlich höhere Temperatur im Ofen erzeugt werden, so dass es jetzt möglich wurde das Eisen bis zum Schmelzpunkt zu erhitzen. Dadurch konnte das flüssige Eisen in Sandformen gegossen werden und stand nun für völlig neue Verwendungszwecke zur Verfügung. Diese Entdeckung gelang Abraham Darby in Coalbrookdale (Grafschaft Shropshire) in England. Es ist sicher kein Zufall, dass dessen Enkel Abraham Darby III beim Bau der ersten ganz aus Gusseisen bestehenden Brücke beteiligt war und dass diese Brücke in eben diesem Ort gebaut wurde. Ihr Name ist "Iron Bridge" (Eisenbrücke) und sie führt über den Fluss Severn. Sie wurde im Jahre 1779 fertig gestellt und ist noch heute als Fußgängerbrücke in Betrieb.

Die 'Hohe Brücke' im Schloßpark Charlottenburg in Berlin (1802)
wurde in der Königlichen Eisengiesserei in Malapane gegossen

Wie in England entstanden auch in Deutschland die ersten Eisenbrücken meist in der Nähe der Hütten, in denen das Material hergestellt wurde. Als erste Gusseisenbrücke in Deutschland entstand 1791 eine verkleinerte Nachbildung der Iron Bridge im Schlosspark von Wörlitz. Eines der Zentren der deutschen Eisenherstellung befand sich Anfang des 19. Jhd. in Ober-Schlesien. Hier wurde 1796 die erste auch von Kutschen und Fuhrwerken befahrbare Eisenbrücke nach dem Vorbild der Iron Bridge gebaut. Sie befand sich bei Laasan (heute Lazany/Polen) und führte über das Striegauer Wasser. Leider wurde sie -wie so viele andere historische Brücken- 1945 von Soldaten der deutschen Wehrmacht gesprengt. Ebenfalls in Schlesien entstand 1827 die erste Kettenbrücke Deutschlands, die auch für Fahrzeugverkehr geeignet war. Karl Schottelius errichtete sie in Malapane (heute Ozimek/Polen) über den gleichnamigen Fluss. Die Brücke mit einer Spannweite von 31 m wurde im zweiten Weltkrieg stark beschädigt, anschließend wieder aufgebaut und existiert noch heute.

Die "industrielle Revolution" nimmt ihren Lauf

Die Erfindung des Gusseisens unter Verwendung von Koks gilt heute als eine der Initialzündungen für die von England ausgehende industrielle Revolution. Ganze Wirtschaftszweige die voll und ganz vom Eisen abhängig waren, wie z.B. die Eisenbahn, begannen sich nun zu entwickeln und zu expandieren. Allerdings gab es im Laufe der Zeit noch viele weitere Erfindungen und Verbesserungen bei der Stahlherstellung.

Gusseisen ist ein sehr hartes und sprödes Material, das sich hervorragend zum Bau einer Bogenbrücke eignet, weil bei diesem Brückentyp fast ausschließlich Druckkräfte auftreten. Gusseisen ist aber weder besonders elastisch noch zugfest und kann daher auch nicht auf Biegung beansprucht werden. Der Bau einer Brücke aus Gusseisen die in dieser Weise belastet wird, wie etwa Hänge- oder Balkenbrücken, war daher noch nicht möglich.

Obwohl die Übergänge zwischen den verschiedenen Eisenepochen fließend sind, kann man die Hauptverwendungszeit des Gusseisens im Bauwesen etwa auf die Zeit zwischen der Fertigstellung der Iron Bridge (1779) und dem Bau der Britannia Bridge (1850) festlegen. Denn spätestens mit dem Bau dieser Brücke durch Robert Stephenson begann die große Zeit des Schmiedeeisens. Schmiedeeisen hat einen wesentlich niedrigeren Kohlestoffanteil als Gusseisen und ist dadurch nicht ganz so hart. Dafür ist Schmiedeeisen aber mechanisch verformbar (schmiedbar), gleichzeitig elastisch und kann auf Zug beansprucht werden. Nun war es möglich Brücken zu bauen, bei denen die Hauptlasten über Zug abgetragen wurden (z.B. über Ketten) oder die auf Biegung beansprucht wurden. Schmiedeeisen hat gegenüber Gusseisen außerdem den Vorteil, dass es sich im erwärmten Zustand sehr gut weiter verarbeiten lässt. Es war nun möglich Bleche zu walzen, Bauteile wie Träger und Eisenbahnschienen herzustellen oder Drähte zu ziehen.

Im Brückenbau wurde das Schmiedeeisen erstmalig beim Bau der Britannia-Eisenbahnbrücke über die Menai-Meeresstraße zwischen England und Wales eingesetzt. Das Tragwerk der Brücke bestand aus zwei parallelen, rechteckigen Röhren, die jeweils ca. 9 m hoch und 4,50 m breit waren. Durch diese Röhren fuhr die Eisenbahn. Die Röhren wurden aus Blechen, Winkeln und T-Trägern komplett vorgefertigt, mit Schleppkähnen zur Baustelle geschwommen und mit Winden in die richtige Position gehoben. Die Herstellung eines solchen Trägers aus vielen Einzelelementen verlangte aber auch nach neuen Fügetechniken. War die Brücke in Coalbrookdale noch nach alter Zimmermannstradition wie eine Holzkonstruktion miteinander verbunden worden, so kam beim Bau der Britannia Bridge erstmalig die Niettechnik zum Einsatz.

Dabei werden in die beiden zu verbindenden Bauteile Löcher gebohrt oder gestanzt und dann mit dem Niet verbunden. Der Niet besteht aus einem Eisenschaft mit Kopf, der auf ca. 1000°C glühend erhitzt wird. In diesem Zustand wird er durch die übereinander liegenden Löcher gesteckt und mit einem speziellen Nietgerät, dem "Döpper", auf der anderen Seite ebenfalls ein Kopf geformt. Beim Erkalten zieht sich der Niet zusammen und verbindet die beiden Bauteile unlösbar miteinander.

Die Dirschauer Weichselbrücke

Die Warm-Niettechnik

Eine auf den gleichen Grundprinzipien wie die Britannia Bridge beruhende Eisenbahnbrücke wurde in Deutschland erstmals im Jahre 1857 in Pommern mit der Dirschauer Weichselbrücke (heute Tczew/Polen) fertig gestellt. Diese bestand allerdings nicht mehr aus vollwandigen Röhren, sondern aus einem engmaschigen Gitterfachwerk (s. Bild ganz oben). Damit war sie gegenüber der Britannia Bridge bereits ein erheblicher Fortschritt, weil durch die Fachwerkbauweise eine beträchtliche Material- und Gewichtseinsparung erzielt wurde. Außerdem konnte der Rauch der Lokomotive frei nach oben entweichen, ohne die nachfolgenden Passagierwagen zu beeinträchtigen. Die Reisenden hatten nun auch nicht mehr das Gefühl, durch einen Tunnel zu fahren. Die Dirschauer Weichselbrücke wurde von Carl Lentze (1801-1883) entworfen und bestand aus 6 Feldern mit Spannweiten von jeweils 131 m. Zu Beginn des Zweiten Weltkrieges, am 1.9.1939, wurde die Brücke durch polnische Truppen gesprengt und es blieben nur drei Felder der historischen Brücke erhalten. Die zerstörten Felder wurden nach dem Krieg zum Teil als parallelgurtiger Fachwerkträger und zum Teil als Fischbauchträger rekonstruiert, sodass von dieser historischen Brücke heute leider nur noch eine Art "Patchworkensemble" vorhanden ist.

Die "Schmiedeeisenperiode" wurde ca. 1900 von der "Stahlperiode" abgelöst. Abgeleitet von seiner Verarbeitbarkeit wurde das Material in Deutschland allerdings zunächst "Schweißeisen" genannt, bis sich auch hier der Name Stahl durchsetzte. Der Brite Henry Cort erfand bereits 1783 die Herstellung des Stahls durch das so genannte Puddelverfahren (engl. von "to puddle": umrühren). Dies war jedoch ein sehr mühsamer Herstellungsprozess und nicht für die Massenproduktion geeignet. Erst durch das "Windfrischverfahren" von Henry Bessemer und G. Thomas (Bessemerstahl und Thomasstahl) sowie das "Herdfrischverfahren" von Siemens und Martin (Siemens-Martin-Stahl), waren große Mengen des begehrten Materials herstellbar. Der Kohlestoffanteil des Stahls liegt mit ca. 1,8% genau zwischen dem des Gusseisens und des Schmiedeeisens. Mit seiner sehr großen Schlagfestigkeit bei gleichzeitiger Zähigkeit und Zugfestigkeit vereint der Stahl die Vorzüge der beiden früheren Eisensorten und ist daher bis zum heutigen Tage eines der meistverwendeten Baumaterialen. Ein weiterer Vorzug des Stahls ist seine Schweißbarkeit, ein erheblicher Vorteil gegenüber der zeitraubenden Niettechnik.

Das große Zeitalter des Stahls

Einige Ingenieure und Brückenbauer ließen sich ganz besonders von dem neuen Material inspirieren. Hier muss an erster Stelle Gustav Eiffel, der "Eisenzauberer" erwähnt werden, aber auch dessen Mitarbeiter und spätere Konkurrenten Maurice Koechlin, Theophile Seyrig und Emile Nougier. In Deutschland sind als Pioniere des Eisenbaues vor allem Friedrich August Pauli (1802-1883), Hermann Lohse (1815-1893), Johann Wilhelm Schwedler (1823-1894) und Heinrich Gerber (1832-1912) zu nennen. Vorwiegend in Amerika tätig war der aus Brünn (heute Tschechien) stammende Gustav Lindenthal (1850-1935), der unter anderem die Hell Gate Bridge (1916) baute, damals die größte Stahlbogenbrücke der Welt. Wichtige Vertreter des Eisenbaus in England waren neben den bereits erwähnten Abraham Darby III (1750-1791) und Robert Stephenson (1803-1859) auch Joseph Paxton (1803-1865) und Isambard Kingdom Brunel (1806-1859).

Joseph Paxton baute zwar keine Brücken, setzte aber mit seinem Kristallpalast die ganze Welt in Erstaunen. Die riesige Ausstellungshalle aus Eisen und Glas entstand anlässlich der ersten Weltausstellung 1851 in London. In nur 17 Wochen wurde das Gebäude mit den Außenabmessungen von 615 x 150 m im Hyde Park errichtet. Nach der Weltausstellung wurde es demontiert und in London/Sydenham wieder aufgebaut. Leider wurde der Kristallpalast bei einem verheerenden Brand am 30. November 1936 vollständig zerstört.

Im Brückenbau entwickelten sich ab 1857 vor allem variantenreiche Fachwerksysteme, die zum Teil schon aus dem Holzbau bekannt waren und in Eisenausführung weiterentwickelt wurden. Besonders für die dynamische Belastung der Eisenbahn wurden zahlreiche Trägersysteme, meist Balkenbrücken aber auch Bogen- und Auslegerbrücken gebaut. In Deutschland sind von diesen Brücken heute leider nur noch sehr wenige zu finden, denn ihre größte Verbreitung fanden sie vor Beginn des zweiten Weltkrieges. Im Laufe der Kriegshandlungen wurden fast alle Eisen-Fachwerkbrücken zerstört, meist nicht vom Kriegsgegner, sondern von Soldaten der Wehrmacht auf dem Rückzug. Natürlich wurden auch in vielen anderen Ländern unzählige Brücken zerstört, aber in Deutschland gab es nach dem zweiten Weltkrieg keine einzige intakte Rheinbrücke mehr und auch alle Weser- und die Donaubrücken waren gesprengt worden.

Stahl in allen Bereichen des Brückenbaus

In der Aufbauphase nach dem Krieg war die große Zeit der Eisenfachwerkbrücken aber eigentlich schon wieder vorbei. Sie wurden im Wesentlichen nur noch für die Eisenbahn gebaut, wie z.B. die Eisenbahnbrücke Hamm. Für den Bau von Straßenbrücken wendeten sich die Bauingenieure nun aber einem billigeren und noch flexibler einsetzbaren Material zu: dem Beton. Dennoch ist Stahl im Brückenbau auch heute noch in vielen Fällen erste Wahl. Für große Spannweiten werden meistens Stahlsegmente bevorzugt, vor allem wenn ein elastischer, schlanker und leichter Träger erforderlich ist.

Die Eisenbahnbrücke Düsseldorf/Hamm (1987)

Die Erfindung und Weiterentwicklung der Schweißtechnik sorgte dafür, dass die Stahlbauweise im Brückenbau weiterhin attraktiv blieb. Einige der neuesten europäischen Großbrücken, wie z.B. die Harilaos Trikoupis Brücke und der Viaduc de Millau haben einen Stahlträger, während ihre Unterbauten größtenteils aus Beton hergestellt wurden. Die Träger dieser Brücken bestehen in der Regel aus Stahlhohlkästen, die im Prinzip direkte Nachfolger der Britannia Bridge sind. Allerdings befindet sich die Fahrbahn heute grundsätzlich auf dem Hohlkasten und nicht mehr im inneren des Trägers.

Bei allen Hänge- und Schrägseilbrücken bestehen die Kabel und meistens auch die Pylone aus Stahl. Aber auch bei "reinen" Betonbrücken kann nicht auf Stahl verzichtet werden, weil jedes Bauteil aus Beton heute natürlich auch eine Menge Stahl als Bewehrung enthält. Insofern ist es sicher nicht übertrieben zu sagen, dass heute keine einzige größere Brücke ohne die Verwendung von Stahl gebaut wird, obwohl er manchmal nicht auf den ersten Blick zu sehen ist.

Die aktuelle Situation auf dem weltweiten Stahlmarkt ist geprägt durch den zunehmenden Bedarf Asiens und Indiens. Besonders die chinesische Wirtschaft verlangt nach unglaublichen Mengen an Stahl und Schrott, wodurch auch in Europa ein starker Anstieg des Rohmaterialpreises zu verzeichnen ist.

Quellen:
  • Klaus Stiglat: "Brücken am Weg"
  • 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