Bogenbrücke

Römische Bogenbrücke, Vereinigtes Königreich

Die Bogenbrücke oder auch Gewölbebrücke gehört zur ältesten Konstruktionsform von Brücken. Sie ist gekennzeichnet durch eine Bogenform sowie durch eine unverschiebliche Lagerung der beiden Bogenenden, so dass der Abtrag horizontaler Kräfte sichergestellt ist.

Einteilung

Die Trennung der Bauarten Gewölbe- und Bogenbrücken erfolgt in der DIN 1075:1981-04 (Betonbrücken; Bemessung und Ausführung) nach dem Verhältnis der Pfeilhöhe f zur Stützweite l. Bei flachen Bögen mit einem Verhältnis f/l < 1/3 handelt es sich danach um Bogenbrücken, bei f/l > 1/3 liegt eine Gewölbebrücke vor.

Tragverhalten

Brückenbogen

Der Bogen wird unter Belastung vor allem durch Druckkräfte beansprucht. Sind die Bogenform und der Bogenquerschnitt so gewählt, dass die Stützlinien der auftretenden Lastfälle innerhalb des Kernquerschnittes verlaufen, so treten nur Druckspannungen und keine Zugspannungen auf. Daher war es schon im Altertum möglich, Bogenbrücken aus Natursteinen zu bauen. Es konnten größere Spannweiten erreicht werden als mit der Anwendung von Balken zum Tragen der Lasten.

Die erreichbare Spannweite bei einer Bogenbrücke ist nicht nur abhängig vom verwendeten Baumaterial, sondern auch von der Form des Bogens. Ausgehend vom halbkreisförmigen Brückenbogen entwickelte sich der Segmentbogen und eine Vielzahl anderer Bogenvarianten, wodurch die Brücken flacher wurden. Mit zunehmender Abflachung des Brückenbogens nimmt auch der von der Last erzeugte Horizontalschub zu und die Vertikalbelastung entsprechend ab. Die damit verbundene kompliziertere Bautechnik von Segmentbogenbrücken wurde erst ab dem Spätmittelalter sicher beherrscht. Halbkreisförmige Bogenbrücken wurden schon vor der christlichen Zeitrechnung erbaut.

Die Abflachung der Bögen einer steinernen Bogenbrücke wurde oft notwendig, da der halbkreisförmige Bogen entsprechend seiner Spannweite jeweils den halben Wert der Spannweite an Höhe besitzt. Das führte dazu, dass man bei dieser Bogenform oft größere Rampen bauen oder eine Erhebung auf der Brücke hinnehmen musste.

Mit Beginn der Industrialisierung wurde auch Gusseisen und Stahl als Baumaterial für Bogenbrücken verwendet. Durch die für den Brückenbau besser geeigneten Materialeigenschaften dieser Baustoffe können damit beim Bau von Bogenbrücken größere Bogenspannweiten erreicht werden. Da Stahl sowohl durch Druckkräfte, als auch durch Zugkräfte beansprucht werden kann, werden mit diesem Baumaterial die Bögen nicht nur unter der Brückentafel, wie bei einer Steinbogen-Brücke, sondern auch seitlich und über der Brückentafel angeordnet.

Statisches Prinzip

Das statische Prinzip der Bogenbrücke besteht darin, dass die vertikalen Lasten, die durch Eigenlast, Verkehr etc. entstehen, vor allem durch Druckkräfte im Bogen in den Baugrund geleitet werden. Die Widerlager/Fundamente müssen neben lotrechten Kräften insbesondere auch horizontale Kräfte aufnehmen; sie werden durch die Verformungen des Bogens und dem daraus resultierenden Bogenschub „auseinander gedrückt“. Bei mehreren Bögen nebeneinander heben sich diese Druckkräfte an den inneren Pfeilern auf und wirken dann nur an den äußeren Widerlagern.

Bogenbrücken leiten auch die fahrdynamischen horizontalen Kräfte, die durch Beschleunigen und Bremsen der Fahrzeuge auf der Brücke entstehen, in Form von Zug- und Druckkräften ab. Auf Balkenbrücken erzeugen solche Kräfte ungünstigere Biegemomente auf die Stützen.

Die auf die Widerlager (Kämpfer) wirkenden Horizontalkräfte sind umso größer, je flacher der Bogen ist. Solche flachen Bögen sind zwar sehr elegant, aber sie setzen sehr massive seitliche Widerlager voraus. Balkenbrücken mit dem statischen System „Balken auf zwei Stützen“ haben dagegen bei vertikalen Lasten nur vertikale Auflagerkräfte.

Bauelemente

Es gibt mehrere Konstruktionsformen von Bogenbrücken:

Obenliegende Fahrbahn
Untenliegende Fahrbahn
Aufgefüllter Bogen
alte Steinbrücke

Fahrbahn

Der eigentliche Bogen ist zumeist nicht befahrbar und für den allgemeinen Verkehr nicht begehbar. Die Fahrbahn befindet sich deshalb an Hängern unterhalb des Bogens oder ist aufgeständert über der Brücke. Sie kann auch in der Mitte dazwischen angebracht sein (wie bei der neuen Svinesundbrücke).

Danach lassen sich die Bauformen von Bogenbrücken nach der Lage der Fahrbahn wie folgt bezeichnen.

Unten liegende Fahrbahn
Oben liegende Fahrbahn
In der Mitte liegende Fahrbahn

Beispiel

Das Bild der Bogenbrücke in Wehlen (Sächsische Schweiz) zeigt sie während des Baus. Die Sandsteinquader werden ohne Mörtel halten und sich selbst tragen, weil die Druckkräfte nur innerhalb des Bogens verlaufen. Man sieht auch die kräftigen Widerlager an den Seiten. Tatsächlich aber sind die Steine in Beton eingebettet. Die Brücke würde sonst unter einzelnen oder unsymmetrischen Lasten zusammenbrechen. Außerdem fehlt bei dieser Brücke noch die Fahrbahn. - Im Hintergrund ist eine ältere Bogenbrücke zu sehen.

Im Bau befindliche Bogenbrücke in Wehlen

Unechte Bogenbrücken

Bogen mit Zugband (unechter Bogen, Regelfall)

Im Gegensatz zu den klassischen Bogenbrücken werden bei „unechten“ Bogenbrücken, mit unten liegender Fahrbahn auch Langerscher Balken genannt, die Horizontalkräfte des Bogens nicht über die Widerlager in den Baugrund abgetragen. Der Bogen stützt sich vielmehr am Fahrbahnträger ab, der als Zugband für die Horizontalkräfte das Gleichgewicht herstellt. „Unechte“ Bogenbrücken können deshalb auch bei weniger tragfähigem Baugrund gebaut werden. Sie bestehen meist aus Stahl oder Spannbeton, weil das Material auch Zugkräfte aufnehmen kann. Technisch gesehen ist eine solche Brücke ein Balken auf zwei Lagern, welcher durch einen bogenförmigen Rahmen verstärkt wird, also ein versteifter Träger.

Sonderformen der unechten Bogenbrücke sind die Nielsen-Lohse-Brücke und die Netzwerkbogenbrücke. Burr Truss-Brücken verbinden Bogenbauweise mit Fachwerkbau. Diese Bautechnik wurde vor allem bei den überdachten Holzbrücken Nordamerikas verwendet.

CFST-Brücken

Eine moderne Bauart der Bogenbrücken sind die seit 1990 in China häufig gebauten CFST-Brücken (concrete filled steel tube bridges), bei denen der tragende Bogen zunächst aus leeren Stahlrohren hergestellt wird, die anschließend mit Beton verfüllt werden.

Beispiele bekannter Bogenbrücken

Adolphe-Brücke in Luxemburg-Stadt, seinerzeit größte Steinbogenbrücke der Welt (1904)
Bayonne Bridge, New York, USA
Chaotianmen-Yangtse-Brücke, Chongqing, China Bridge, 552 m Spannweite, momentan weltweit größte Bogenbrücke
Dreibogenbrücke in Eschweiler (Nordrhein-Westfalen) über Wasser, Bahn und Straße (1864)
Dreiländerbrücke zwischen Weil am Rhein und Huningue (Frankreich), weltweit längste freie Spannweite (230 m) (2006)
Elstertalbrücke Pirk (503 m, 60 m hoch), größte Quadersteinbogenbrücke Europas, begonnen 1937-1940 und 1990-1993 fertiggestellt
Fehmarnsundbrücke, Schleswig-Holstein (1963)
Göltzschtalbrücke im Vogtland, Sachsen, größte Ziegelbrücke der Welt und erste statisch berechnete Brücke der Welt (1851)
Hackerbrücke in München, sechs Bogenträger mit einer Stützweite von 28,4 m, Bogenhöhe 8 Meter, Straßenbrücke über die Gleisanlagen im Vorfeld des Münchner Hauptbahnhofs
Hohenzollernbrücke in Köln
The Iron Bridge, England
Alte Lahnbrücke, steht in Wetzlar und ist eine der ältesten noch erhaltenen Brücken in Hessen
Landwasserviadukt, Graubünden, Schweiz, Teil der Albula-Bahn (UNESCO-Weltkulturerbe), 1903
Langwieser Viadukt, Graubünden, Schweiz, 284 m Länge, bei Eröffnung weltgrößte Eisenbahnbrücke (1914)
Lingenauer Hochbrücke Bogenspannweite 210 m, Höhe 90 m, Länge 370 m (1969)
London Bridge
Lupu-Brücke in Shanghai, China, 550 m Spannweite, momentan weltweit zweitgrößte Bogenbrücke
Müngstener Brücke zwischen Solingen und Remscheid (1897)
New River Gorge Bridge, West Virginia, USA, drittlängste Bogenbrücke (518 m), zweithöchste Brücke der Welt (267 m über Grund)
Ponte da Arrábida, Porto, Portugal (1963)
Alte Brücke von Mostar, Bosnien-Herzegovina, osmanisches Meisterwerk aus 1566, kriegszerstört 1993, wiedererrichtet 2004, Weltkulturerbe
Salcanobrücke (1906), Bahnstrecke Jesenice–Trieste, Slowenien
Salginatobelbrücke, Graubünden, Schweiz (1930), seit 1991 ein offizielles „World Monument“
Svinesundbrücke in Norwegen/Schweden (2005)
Sydney Harbour Bridge, Sydney, Australien
Friedensbrücke in Plauen, Sachsen, größter Steinbogen (90 m) der Welt (1903-1905)
Teufelsbrücke, Uri, Schweiz, historische Brücke am Gotthardpass (1830/1958)
Soliser Viadukt, Graubünden, Schweiz, 89 m hoch, höchste Brücke der Rhätischen Bahn (1903)
Teufelstalbrücke, Thüringen, an der Bundesautobahn 4 zwischen Gera und Jena (1938/2002)
Talbrücke Wilde Gera an der A 71 zwischen den Anschlussstellen Oberhof und Gräfenroda (Thüringen)
Waalbrücke bei Nimwegen, Niederlande, bekannt aus dem Film Die Brücke von Arnheim
Wiesener Viadukt, Graubünden, Schweiz, grösste Steinbrücke der Rhätischen Bahn (1909)

Bogenbrücke mit in der Mitte liegender Fahrbahn über den Eisenbahnhafen von Duisburg-Ruhrort
Gaoliang-Brücke im Sommerpalast von Peking
Vier der sechs Bögen der Hackerbrücke in München
Elstertalbrücke bei Pirk
Dreiländerbrücke, Weil am Rhein
Talbrücke Wilde Gera