Bogenbrücke

Grundprinzip und Einteilung

Die Bogenbrücke ist neben Balkenbrücke, Rahmenbrücke und seilverspannten Konstruktionen wie Hänge- und Schrägseilbrücke eine Grundform des Brückenbaus. In ihrem Bogen wirken vor allem Druckkräfte. Deshalb eignet sie sich besonders für Stein und Beton, denn diese Baustoffe haben eine hohe Druckfestigkeit. An den Widerlagern – den Endauflagen des Bogens – entstehen jedoch nicht nur senkrechte, sondern auch waagerechte Kräfte. Sie benötigt daher tragfähigen Baugrund und einen vergleichsweise hohen Gründungsaufwand.

Bogenbrücken lassen sich vor allem nach Material, Bogenform, Lage der Fahrbahn, Bauart und Errichtungsweise einteilen.

Baustoffe

Holzbogenbrücken sind selten: Holz ist vergänglich, und gerade Stämme sowie Balken werden eher für Jochbrücken oder Sprengwerke verwendet. Beispiele sind die Trajansbrücke auf steinernen Pfeilern, die vielfach erneuerte Kintai-Brücke, die Mathematical Bridge in Cambridge, die Ponte dell’Accademia mit einem weiten hölzernen Fachwerkbogen sowie die Kiso no ōhashi und die Montmorency-Brücke.

Steinbogenbrücken bestehen aus Werksteinen, im Inneren oft aus Bruchstein. Ihre Keilsteine werden fast nur auf Druck beansprucht. Ist der Bogen durch den Schlussstein geschlossen, kann er deshalb auch ohne Mörtel halten; schon die Römer verwendeten dennoch Opus caementicium. Meist wird ein Lehrgerüst benutzt. Römer bauten teils zweilagige Bögen: Ein erster Bogen auf einem leichten Lehrgerüst diente danach als Lehrgerüst für die zweite Lage und die übrige Brücke. Paul Séjourné (1851–1939) verwendete dieses Verfahren später erneut. Schiefe Brücken mit parallelogrammförmigem Gewölbe wurden wegen der schwierigen Steingeometrie erst im 19. Jahrhundert gebaut. Ziegelsteinbrücken dienten besonders als Eisenbahnviadukte; die Göltzschtalbrücke ist die größte dieser Art.

Beton ähnelt Stein: Er erträgt hohen Druck, aber kaum Zug. Neben Stampfbeton und unbewehrtem Beton werden weltweit Stahlbetonbogenbrücken gebaut. Bei der Melan-Bauweise wird ein Stahllehrgerüst einbetoniert; es bleibt als Bewehrung im Bauwerk und ermöglichte auch Freivorbau.

Gusseisen war nach der Industriellen Revolution der erste Baustoff für Eisenbrücken. Es ist druckfest, hat aber meist eine um den Faktor vier geringere Zugfestigkeit und ist spröde; gusseiserne Brücken entstanden daher nur bis Ende des 19. Jahrhunderts. Schmiedeeisen aus dem Puddelverfahren war elastischer und zugfester und prägte in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts den Eisenbogenbau. Stahl wurde in den 1890er Jahren allgemein zugelassen. Er ist sowohl bei Druck als auch Zug hoch belastbar, aber korrosionsanfällig. Fachwerkbögen können teilweise mit Beton ummantelt und mit einer Stahlbetondecke verbunden werden, etwa bei der Yachi-Eisenbahnbrücke. Bei der 2024 fertiggestellten Tian’e-Longtan-Brücke, derzeit der größten Bogenbrücke der Welt, wurden stählerne Fachwerkbögen anschließend mit Beton ummantelt.

CFST-Brücken (concrete filled steel tube bridges) werden seit 1990 in China häufig als große Bogenbrücken errichtet. Zuerst entsteht ein Segmentbogen aus Stahlrohren, die anschließend mit Beton gefüllt werden. Beispiele mit Spannweiten über 200 m sind die Wushan-Brücke mit 460 m, die Bosideng-Brücke mit 530 m und die Dritte-Pingnan-Brücke mit 575 m.

Bogenformen und Fahrbahnlage

Der Rundbogen, dessen Linie einen Halbkreis von 180° beschreibt, dominierte den Steinbrückenbau von den Römern bis ins Spätmittelalter. Der polygonale Bogen wirkt rund, besteht aber tatsächlich aus mehreren geraden Balken oder Scheiben. Moderne Stahl- und Betonbrücken verwenden ihn oft, weil Träger nicht gebogen und Schalungen einfach ausgeführt werden müssen. Der Spitzbogen kommt im Brückenbau fast nur bei osmanischen und persischen Bogenbrücken vor.

Der Segmentbogen ist ein Kreisbogenabschnitt mit einem Durchmesser, der größer als die lichte Weite der Brücke ist. Er ist flacher als ein Rundbogen, erzeugt aber stärkeren seitlichen Schub. Die 605 n. Chr. gebaute An-Ji Qiao, auch Zhaozhou-Brücke genannt, ist ein elegantes Beispiel; Segmentbögen sind heute die häufigste Form der Bogenbrücken. Beim flachen Korbbogen nimmt die Krümmung vom Scheitel zu den Widerlagern hin zu. Die Ponte Santa Trinita verwendete ihn erstmals in der Renaissance.

Eine umgedrehte Kettenlinie wäre theoretisch der ideale Bogen konstanter Dicke je Bogenlänge, wenn keine weiteren Lasten wie eine Überschüttung für eine waagerechte Fahrbahn wirken. Praktisch blieb sie fast immer theoretisch. Die ähnliche, leichter herzustellende Parabel ist theoretisch bei konstanter Dicke je horizontaler Länge ideal, ebenfalls nur ohne solche weiteren Lasten. Gustave Eiffel setzte den von Théophile Seyrig stammenden parabelförmigen Fachwerkbogen erstmals bei der 1877 eröffneten Ponte Maria Pia ein. Sichelbögen sind Zweigelenkbögen aus zwei unterschiedlich großen Parabeln oder Kreisbögen, die sich in den Kämpfergelenken schneiden.

Bei älteren Steinbrücken lag die Fahrbahn auf dem Bogen; der Raum über den Bogenhüften war massiv verfüllt. Später sparte man durch Hohlräume, Sparbögen und offene Zwickel Gewicht. Heute ist besonders die oben liegende, aufgeständerte Fahrbahn verbreitet. Eine abgehängte Fahrbahn liegt etwa auf halber Bogenhöhe und ist teils abgehängt, teils aufgeständert. Eine unten liegende Fahrbahn befindet sich auf Höhe der Kämpfer und ist vollständig abgehängt. Sie bleibt dennoch Teil einer Bogenbrücke, nicht einer Hängebrücke. Viadukte haben meist oben liegende Fahrbahnen auf schmalen massiven Rundbögen.

Tragwerke und statische Einordnung

Der einheitliche, auf einem Lehrgerüst gemauerte Bogen war im Steinbrückenbau lange das tragende Element. Bei großen Stützweiten wurden Lehrgerüste jedoch teuer. Séjourné teilte bei der Adolphe-Brücke den Bogen erstmals in zwei schmale Doppelbögen, die nacheinander auf demselben schmalen Lehrgerüst gebaut wurden. Daraus entwickelten sich Betonbrücken mit zwei oder mehr Bogenrippen, schlanken Stützen und häufig spannbetonierten, aufgeständerten Fahrbahnplatten. Die Colorado Street Bridge ist ein Beispiel. Robert Maillart verband bei einem Dreigelenk-Kastenträger Bogen, Fahrbahnplatte und seitliche Wangen zu einem Tragwerk. Christian Menn entwickelte daraus polygonale Bogenbrücken mit aufgeständerter Spannbeton-Fahrbahn, etwa die Cascella- und Naninbrücke.

Fachwerkbögen aus Eisen oder Stahl werden seit der Ponte Maria Pia gebaut; Beispiele sind Hell Gate Bridge, Sydney Harbour Bridge und Bayonne Bridge. Große Bögen werden als Hohlkästen ausgeführt, weil massive Betonbögen mit wachsender Stützweite zu schwer werden. Eugène Freyssinet baute 1923 die Pont de Saint-Pierre-du-Vauvray mit Betonhohlkästen und stellte 1930 bei der Pont de Plougastel, später Pont Albert-Louppe, seinen Rekord ein. Auch stählerne Hohlkästen ersetzten wegen steigender Lohnkosten oft genietete oder verschraubte Fachwerke; die Rainbow Bridge unterhalb der Niagarafälle war eine frühe Brücke mit großen stählernen Hohlkastenbögen.

Statisch können Bögen an beiden Enden fest eingespannt und damit dreifach statisch unbestimmt sein. Ein gelenkig gelagerter Zweigelenkbogen ist einfach statisch unbestimmt; ein Dreigelenkbogen mit zusätzlichem Scheitelgelenk ist statisch bestimmt. Historische Steinbogenbrücken lassen sich wegen ihrer vielen Mauerwerksfugen nicht vollständig mit diesen einfachen Begriffen erfassen. Emil Mörsch legte 1908 mit der Gmündertobelbrücke Grundlagen für integrale Betonbrücken, bei denen die Tragwerksteile monolithisch verbunden sind.

Errichtung und unechte Bogenbrücken

Stein- und Betonbogenbrücken entstanden lange auf Holz-, später Stahllehrgerüsten. Beim Freivorbau werden Bogenhälften von den Widerlagern aus ohne durchgehendes Lehrgerüst zur Mitte geführt. Weil bei der Eads Bridge von 1874 über den Mississippi River Lehrgerüste die Schifffahrt gestört hätten, wurde sie an rückverankerten Kragträgern im Freivorbau errichtet. Auch Ponte Maria Pia und Garabit-Viadukt wurden so gebaut; bei der Sydney Harbour Bridge erfolgte dies sogar ohne Rückverspannung. Weitere Verfahren sind abschnittsweise betonierte Hohlkästen mit vorverlegten Abspannungen, senkrecht betonierte und anschließend zur Mitte abgesenkte Bogenhälften – etwa bei Storms River Bridge (Paul Sauer Bridge) von 1956, Puente de Bacunayagua von 1959 und Argentobelbrücke von 1986 – sowie das Drehen oder Heben einer am Ufer vorgebauten Gesamtbrücke.

Der Langersche Balken oder die Stabbogenbrücke ist eine in sich verankerte, also „unechte“ Bogenbrücke. Der Fahrbahnträger wirkt als Zugband und nimmt den Längsschub des Bogens auf. Dadurch treten an den Auflagern im Wesentlichen nur senkrechte Kräfte auf; diese Bauart eignet sich daher für Untergrund, der den Horizontaldruck eines echten Bogens nicht tragen könnte. Weil Bogen und Fahrbahnträger erst gemeinsam die Horizontalkräfte ausgleichen, ist kein Freivorbau möglich. Üblich ist das Einheben oder Einschwenken eines vollständig vorgefertigten stählernen Trägers. Die Bogenform ist meist annähernd parabolisch, da dies bei gleichmäßig über die Spannweite verteilten Lasten statisch günstig ist.

Bei der 1926 von Octavius F. Nielsen patentierten Nielsen-Brücke sind die Hängestangen schräg angeordnet und verteilen Lasten gleichmäßiger. Eine Netzwerkbogenbrücke besitzt mehrfach gekreuzte Hänger und erreicht eine noch gleichmäßigere Lastverteilung; die 2002 eröffnete Goshikizakura Ōhashi ist die erste doppelstöckige Netzwerkbogenbrücke der Welt. Beim in China häufigen Vogelflug-Bogen verlängern vogelähnliche Streben eine Bogenbrücke mit mittig abgehängter Fahrbahn und verbinden sie mit dem Zugband-Fahrbahnträger. So wird der seitliche Schub ähnlich wie beim Langerschen Balken neutralisiert; die Chaotianmen-Yangtse-Brücke ist ein Beispiel.

Abgrenzung verwandter Bauformen

Große Fachwerkbrücken können als Durchlaufträger ausgeführt sein und Elemente von Ausleger- und Bogenbrücken verbinden. Die Lake Champlain Bridge von 1929 war das erste Beispiel. Die Julien Dubuque Bridge wird als „continuous steel-arch truss bridge with a suspended deck“ bezeichnet; auch die Francis Scott Key Bridge war ein Beispiel.

Linsenträger, Fischbauchträger, Parabelträger, Halbparabelträger und Schwedlerträger besitzen zwar gekrümmte Gurte. Sie zählen trotzdem zu den Balkenbrücken: Ihre Tragwirkung beruht auf dem Fachwerk und nicht auf dem Bogen, und an den Auflagern wirken im Wesentlichen nur senkrechte Kräfte.