Schrägseilbrücken

Die Severinsbrücke in Köln (1961)
© Falk Beckmann

Erste Ideen für seilverspannte Brücken

Claude Navier (1785 - 1836) Franz Dischinger (1887 - 1953) Fritz Leonhardt (1909 - 1999)

Der französische Physiker und Ingenieur Claude Navier veröffentlichte im Jahre 1823 mehrere neuartige Brückenentwürfe, die jedoch niemals zur Ausführung gelangten. Auch bei seinen eigenen Brückenprojekten wie z.B. der Pont des Invalides in Paris setzte er die Entwürfe nicht in die Tat um, sondern griff auf klassische Bauformen wie den Bogen zurück. Navier´s Entwürfe Seil verspannter Brücken ähneln jedoch auf verblüffende Weise den ersten modernen Schrägseilbrücken, die ab 1956 in Europa gebaut wurden.

Die Schrägseilbrücken (oder auch Schrägkabelbrücken) sind entwicklungstechnisch gesehen also der jüngste Brückentyp. Gelegentlich werden sie auch als Untergruppe der Hängebrücken beschrieben, was nicht ganz falsch ist, da sie vom Prinzip der Hängebrücken abgeleitet wurden. Die Brooklyn Bridge in New York ist zwar eine klassische Hängebrücke, verfügt aber zusätzlich über fächerförmig abgespannte Stahlseile, die direkt mit dem Überbau verbunden sind. Diese Besonderheit hatte sich bereits bei früheren Brücken ihres Erbauers John A. Roebling bewährt. In Bezug auf die Brooklyn Bridge behauptete er sogar, die Brücke würde auch ohne die Kabel gehalten werden, nur durch die schrägen Seile. Trotzdem kam Roebling wohl nie auf die Idee, eine Brücke zu bauen, die ausschließlich auf die Tragfähigkeit der "Schrägseile" vertraut.


Auftakt in Deutschland

Die Entwicklung moderner Schrägseilbrücken, wie sie heute in der ganzen Welt gebaut werden, begann etwa ab 1950 in Deutschland. An ihrer technischen Ausarbeitung waren insbesondere die beiden Ingenieure Fritz Leonhardt und Franz Dischinger beteiligt. Die erste Brücke dieses neuen Typs wurde 1956 im schwedischen Strömsund unter maßgeblicher Beteiligung von Franz Dischinger gebaut. Der Strömsundsbron sieht man die Herkunft von der Hängebrücke noch deutlich an und erst bei näherem Hinsehen erkennt man, dass die Kabel direkt von den Pylonen zum Träger gespannt sind.

Die zweite moderne Schrägkabelbrücke wurde 1957 in Düsseldorf über den Rhein fertig gestellt. Ursprünglich als "Nordbrücke" bezeichnet, heißt sie heute "Theodor-Heuss-Brücke" und ist eine wichtige Verkehrsader der Nordrheinwestfälischen Hauptstadt geworden.

Dischingers Brücke in Strömsund

Für die statische Konstruktion dieser Brücke war Fritz Leonhardt verantwortlich und für die Architektur Friedrich Tamms. Die Theodor-Heuss-Brücke war aber nur der Auftakt für eine ganze Reihe von Schrägseilbrücken, die in den folgenden Jahren am Niederrhein gebaut wurden. Nach dem Krieg waren fast alle Rheinbrücken zerstört und es mussten kostengünstige Lösungen gefunden werden, um eine so große Zahl an Brücken in kurzer Zeit zu errichten. In vielen Fällen fanden die Ingenieure die optimale Lösung im Bau einer Schrägseilbrücke und daher wurde in Deutschland ganz besonders intensiv an ihrer Entwicklung gearbeitet. Vor allem in Köln und Düsseldorf entstand bis 1979 eine große Formenvielfalt an Schrägseilbrücken, die ihren Höhepunkt schließlich im Bau der Fleher Rheinbrücke fand.


Variationsmöglichkeiten

Schrägseilbrücken lassen dem Ingenieur bzw. dem Architekten einen relativ großen Spielraum bei der Gestaltung des Überbaus. Bestand die Theodor-Heuss-Brücke noch aus vier Pylonen, wurden später auch Brücken mit zwei oder nur einem Pylon gebaut. Weitere

Die verschiedenen Seilanordnungen

Variationsmöglichkeiten ergeben sich durch Anzahl und Anordnung der Seilebenen. Bei vier Pylonen verlaufen die Seilebenen unmittelbar zu den Rändern des Tragwerks. Bei zwei Pylonen kommen entweder zwei schräg angeordnete Seilebenen (ebenfalls direkt zum Rand des Trägers) in Frage, oder nur eine Seilebene, die in der Mitte des Tragwerks zwischen den Fahrbahnen verläuft.

Das gleiche trifft prinzipiell auch auf Schrägseilbrücken mit nur einem Pylon zu. Unter ästhetischen Gesichtspunkten spielt die geometrische Anordnung der Kabel eine nicht zu unterschätzende Rolle. Hier unterscheidet man zwischen "Harfen-", "Büschel-" oder "Fächeranordnung". Meistens wird heute wegen ihres optischen Reizes die Fächeranordnung bevorzugt. Die ebenfalls sehr gefällige Büschelanordnung hat den Nachteil, dass sich alle Seile in einem Punkt der Pylonspitze treffen, was zu Schwierigkeiten beim Auswechseln einzelner Seile führen kann.

Es fällt auf, dass die ersten Schrägseilbrücken nur an wenigen Einzelkabeln befestigt waren. Bei der Brücke in Strömsund sind auf jeder Seite der Pylone zur zwei Kabel gespannt. Bei der Theodor-Heuss-Brücke sind es schon drei Kabel je Pylon und die ebenfalls von Leonhardt konstruierte Kniebrücke in Düsseldorf hat vier Kabel. Durch diese Anordnung entstehen am Träger jedoch sehr große Biegemomente, da die Eigenlast des gesamten Überbaus nur an wenigen Punkten gehalten wird. Die weitere Entwicklung führte daher zu einer größeren Anzahl von Kabeln, an denen sich die Last des Trägers besser verteilen liess. Dadurch konnten größere Spannweiten erzielt werden und der Träger konnte schlanker, windschnittiger und damit auch eleganter konstruiert werden. Die einzelnen Kabel wurden dadurch dünner, was den optischen Reiz der Schrägkabelbrücken zusätzlich erhöht. Auch der Austausch einzelner Kabel wurde erleichtert, weil das vorübergehende Fehlen eines einzelnen Kabels bei einer größeren Gesamtzahl eher zu verkraften ist.


Vorteile gegenüber anderen Systemen

Die Loirebrücke St. Nazaire im Département Loire-Atlantique

Schrägseilbrücken haben gegenüber den Hängebrücken den Vorteil, dass die aufwändige Rückverankerung mit einem so genannten Ankerblock entfallen kann. Bei der Schrägkabelbrücke werden die Rückhalteseile außerhalb des Hauptfeldes einfach wieder am Träger befestigt. Die Masse des Trägers im Bereich der Vorlandbrücke liefert dann das Gegengewicht für das Hauptfeld. Der Ankerblock einer großen Hängebrücke ist ein gewaltiger Monolith aus Beton und Stahl, der in der Regel nur auf dem Festland hergestellt werden kann und das Gewicht der gesamten Brücke halten muss. Eine Schrägseilbrücke dagegen kann auch auf offener See als Hauptöffnung einer wesentlich längeren Mehrfeldbrücke gebaut werden. Solche Brücken sind z.B. die Sunshine Skyway Bridge in Florida oder die Loirebrücke in der Normandie. Auch eine Aneinanderreihung mehrerer Schrägseilbrücken hintereinander ist möglich. Eine solche Multi-Schrägseilbrücke mit gewaltigen Dimensionen ist der Viaduc de Millau, der 2004 in Frankreich fertig gestellt wurde. Der fehlende Ankerblock und die einfachere Konstruktion sind die Gründe dafür, warum Schrägseilbrücken im Allgemeinen billiger sind als Hängebrücken.

Der Bau der Fred Hartman Bridge in Texas

Die größten Spannweiten werden weltweit aber immer noch mit Hängebrücken erreicht. Allerdings holen die Schrägseilbrücken deutlich auf. War man in den sechziger Jahren noch der Meinung, dass mit Schrägseilbrücken Spannweiten von höchsten 300 - 400 m zu erzielen seien, scheinen heute bis zu 1.500 m und mehr im Bereich des Möglichen zu liegen. Die größte bisher realisierte Schrägkabelbrücke der Welt ist die Sutong Brücke in China mit einer Hauptspannweite von 1.088 m. Der begrenzende Faktor bei der Entwicklung noch größerer Spannweiten und der entscheidende Nachteil der Schrägseilbrücken, sind die schwierigen statischen Verhältnisse während der Bauphase.

Schrägseilbrücken werden in der ganzen Welt im "freien Vorbau" hergestellt, unabhängig davon, ob es sich um einen reinen Stahlquerschnitt oder um Stahlbeton handelt. Bei dieser Bauweise wird der Überbau von den Pylonen ausgehend in beide Richtungen gleichmäßig Stück für Stück entweder angeschweißt oder betoniert. Besteht das Tragwerk aus zwei Pylonen, wird von beiden Seiten aus gleichzeitig gearbeitet, bis sich die freien Enden des Trägers in der Mitte treffen. Je größer die Hauptspannweite der Brücke und je weiter der frei auskragende Träger schon fertig gestellt ist, umso anfälliger wird der Überbau gegen Seitenwind. Tatsächlich besteht während der Bauphase ständig die Gefahr, dass der halb fertige Träger durch einen Sturm beschädigt wird. Und auch ein weniger starker Wind kann das freie Ende so zum Schwingen bringen, dass er ernsthaft gefährdet ist.


Die Zukunft der Schrägseilbrücken

Eine der größten Schrägseilbrücken der Welt: die Tatara Brücke in Japan

Natürlich versuchen die Ingenieure diesen Effekt durch verschiedene Maßnahmen in den Griff zu bekommen, besonders wenn das Bauwerk an einem Wind exponierten Standort errichtet wird. Jeder fertig gestellte Abschnitt wird sofort durch die Stahlkabel mit dem Pylon verbunden. Dies reicht jedoch häufig nicht aus um den Träger zu stabilisieren, besonders wenn nur eine Seilebene vorgesehen ist. Dann ist der Träger auch besonders torsionsempfindlich (Verdrehung in der Längsachse) und es muss in der Regel ein Überbau aus Stahlhohlzellen gewählt werden. Beim Bau der Pont de Normandie wurden an der vordersten Spitze des Trägers große Gewichte angebracht, die zur Stabilisierung des Trägers während des Baus beitragen sollten. Wenn die Ingenieure diese Probleme während der Bauphase noch besser in den Griff bekommen, werden die Schrägkabelbrücken den Hängebrücken vielleicht auch bei den ganz großen Spannweiten noch ernsthaft Konkurrenz machen können.

Die größten Schrägseilbrücken der Welt wurden in den letzten 10 Jahren in Asien gebaut. Die Tatarabrücke in Japan aus dem Jahre 1999 hat eine Spannweite von 890 m und war damit für einige Jahre die größte Schrägseilbrücke der Welt. Sie wurde 2008 und 2009 zuerst von der Sutong Brücke in Suzhou und dann von der Stonecutters Brücke in Hong Kong, beide in China, übertroffen. Speziell in China sind für die kommenden Jahre weitere Schrägseilbrücken dieser Größenordnung zu erwarten.

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