Moderne Brücken

Zwei technische Neuerungen des 19. Jahrhunderts haben den Brückenbau entscheidend beeinflusst: die Entdeckung des Portlandzements und die Entwicklung der Massenproduktion von Stahl. Zement ist ein wichtiger Bestandteil des Betons für den Bau von Brückenpfeilern, -auflagern und -bögen. Er kann als »künstlicher Stein« in jede beliebige Form gebracht werden. Während Beton nur auf Druck belastet werden kann, widersteht Stahl sowohl Druck als auch Zugkräften und eignet sich besonders für Tragwerke großer Spannweiten. Hoch belastbare Stahlseile tragen Hängebrücken riesiger Ausmaße. Stahlbetonbrücken
Die Eigenschaften von Beton und Stahl werden im sogenannten Stahlbeton günstig vereinigt: In Beton eingegossene Stahlteile nehmen die auftretenden Zugkräfte auf. Sie verhindern eine Zugbelastung des Betons und lassen der Konstruktion größeren Spielraum. Rissbildung des Betons durch Dehnung der Stahlbewehrung kann dadurch umgangen werden, dass der Bewehrungsstahl vor dem Abbinden des Betons soweit vorgespannt wird, dass auch im fertigen Bauteil bei Belastung nur Zugkräfte auftreten. Diese Erfindung geht auf den französischen Ingenieur Eugene Freyssinet (1879-1962) zurück. Die Verwendung dieses »Spannbetons« verbindet hohe Tragfähigkeit der Konstruktion mit geringem Eigengewicht und erweitert die Möglichkeiten und Grenzen architektonischer Entwürfe. Brückenarten
Die vier grundsätzlichen Brückentypen sind die Balkenbrücke, die Bogenbrücke, die Hängebrücke und die Klapp- oder Zugbrücke. Die Balkenbrücke hat einen horizontalen, auf Pfeilern ruhenden Oberbau. Diese Konstruktion muss im oberen Teil Druckkräfte und im unteren Teil Zugkräfte aufnehmen. Der Brückenbalken kann aus einer Kastenkonstruktion, einem Rahmenwerk oder einem massiven Tragbalken bestehen. Eine Bogenbrücke ist im allgemeinen so gestaltet, dass an keiner Stelle Zugkräfte auftreten. Beton ist deshalb besonders für diesen Brückentyp geeignet. Mit Stahlbeton können schön gestaltete und relativ preisgünstige Bogenbrücken gebaut werden. Bei der Hängebrücke ist die gesamte Fahrbahn mit meist senkrechten Tragseilen an zwei oder mehreren Stahlseilen aufgehängt, die über hohe Tragtürme (Pylone) laufen. Bei dieser Anordnung werden die Pylone ausschließlich auf Druck belastet. Die Stahlseile selbst sind hoch belastbar und können riesigen Zugkräften widerstehen. Klappbrücken besitzen im allgemeinen zwei klappbare Brückenbalken, die in hochgeklappter Stellung die Durchfahrt größerer Schiffe ermöglichen. Die Tragbalken müssen während des normalen Brückenbetriebs im oberen Teil Zugkräfte und im unteren Teil Druckkräfte aufnehmen. Zwischen diesen vier Brückentypen gibt es eine Vielzahl von Zwischenformen. Die Schrägseilbrücke beispielsweise ist eine Kombination zwischen Hängebrücke und Balkenbrücke. Bei dieser Konstruktion werden kragende Brückenbalken über Schrägseile an Pylonen abgespannt. Eine wesentliche Aufgabe fällt auch den Teilen einer Brückenkonstruktion zu, die für den Betrachter nicht sichtbar sind: den Fundamenten der Pfeiler und den Auflagern. Die meisten modernen Brücken stehen auf Betonfundamenten, die häufig tief in gewachsenen Fels reichen. Sie müssen starken Gezeitenkräften, Eisgang und oft auch Bodenbewegungen bei kleineren Erdbeben widerstehen können. Wenn gewachsener Fels nicht zur Verfügung steht, werden die Tragkonstruktionen in den meisten Fällen auf tief in den Boden gerammten Pfeilern gegründet. Spannweiten
Jede Brücke muss zwei Arten von Lasten tragen: die Nutzlast, d. h. den die Brücke überquerenden Verkehr, und das Eigengewicht, das um so höher ist, je größer die Spannweite der Brücke ist, das Eigengewicht setzt damit der Konstruktion je nach Material und Bautyp Grenzen. Die Stahlbogenbrücke mit größter Bogenspannweite ist gegenwärtig die Tatara-Brücke in Japan, deren Bogen 890 m überspannt. Die theoretisch ermittelten Grenzen für solche Stahlkonstruktionen liegen bei etwa 1000 m. Allerdings spielen bei Konstruktionsentwürfen auch die Baukosten eine wesentliche Rolle und begrenzen somit die Spannweiten. Vom Kostenpunkt her hat sich die Bogenbrücke aus Stahlbeton als die günstigste Lösung erwiesen. Die theoretisch größte Spannweite für Klappbogenbrücken liegt bei 750 m, die größte Brücke dieser Konstruktionsart ist die Lu-Pu-Brücke in Shanghai mit einer Spannweite von 550 m, die im Jahre 2003 eröffnet wurde. Die größten Spannweiten sind mit modernen Hängebrücken zu erreichen. Die längste bis jetzt gebaute Brücke dieser Art, die Akashi-Kaikyo-Brücke bei Kobe in Japan, hat eine Spannweite von 1990 m, gefolgt von der Storebelt-Brücke in Dänemark mit 1624 m Spannweite. Damit erreichen Hängebrücken unbestritten den Spannweitenrekord. Dennoch wird mit diesen Weiten die theoretische Grenze bei weitem nicht erreicht. Erfahrene Brückenbauingenieure rechnen mit möglichen Spannweiten von bis zu 3000 m unter Verwendung des heute zur Verfügung stehenden Materials, künftige Entwicklungen lassen noch weit größere Dimensionen erwarten.