BRÜCKEN. Potenziale und Perspektiven

BRUCKEN Potenziale und Perspektiven

THORSTEN HELBIG MICHAEL KLEISER LUDOLF KRONTAL Edition ∂

Inhalt

Brücken — Potenziale und Perspektiven — Vorwort 3 Brückenbau gestern — heute — morgen Entwerfen von Brücken — Eine Königsdisziplin 6 Brücken für den langsamen Verkehr — Per pedes, per Pedale 14 Straßenbrücken — Verbindungen für den motorisierten Verkehr 22 Brücken für den Schienenverkehr — Spurgebunden rollen und schweben 32 Brücken und Verkehr — Mobilität im Fluss 44 Erhalten und Bewerten von Brücken — Weiternutzen oder Neubauen? 50 Anforderungen Einwirkungen — Innere und äußere Belastungen Funktion — Linienführung und Brückenausrüstung Wirtschaftlichkeit — Finanzielle Mittel verantwortlich einsetzen Nachhaltigkeit — Heute schon an morgen denken

58 66 74 78

Materialien Materialien — Eigenschaften, Konstruktion und Gestalt

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Konstruktionen Konstruktionen — Katalog der Möglichkeiten

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Brücken im Detail Zehnmal gut gelöst

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Anhang 156 Bildnachweis, Quellen, Autoren

Impressum

Autoren Thorsten Helbig, Michael Kleiser, Ludolf Krontal Co-Autoren Markus Friedrich, Martin Knight Redaktion Steffi Lenzen (Projektleitung), Cosima Frohnmaier (Projektbeispiele), Jana Rackwitz (Lektorat und Layout), Charlotte Petereit (redaktionelle Mitarbeit), Carola Jacob-Ritz (Endkorrektorat) Coverentwurf Wiegand von Hartmann GbR, München Zeichnungen Ralph Donhauser Herstellung /DTP Simone Soesters Reproduktion ludwig:media, Zell am See Druck und Bindung Grafisches Centrum Cuno GmbH & Co. KG, Calbe Papier: Surbalin glatt (Umschlag), Profibulk (Innenteil) Die für dieses Buch verwendeten FSC-zertifi­ zierten Papiere werden aus Fasern hergestellt, die nachweislich aus umwelt- und sozialver­ träglicher Herkunft stammen.

© 2020, erste Auflage DETAIL Business Information GmbH, München detail.de ISBN 978-3-95553-442-4 (Print) ISBN 978-3-95553-443-1 (E-Book) Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Zeichnungen, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten.

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Brücken — Potenziale und Perspektiven Martin Knight

Brücken gehören zum Alltag, Brücken sind gebaute Umgebung – und somit ist es nahe­ liegend, sich Gedanken über deren Materia­ lität und Konstruktion zu machen. Zunächst sollte man jedoch darüber nachdenken, warum Brücken notwendig sind und wem sie Nutzen bringen. Brücken stellen Verbin­ dungen her, ohne die unser heutiges Leben unvorstellbar wäre. Seit Jahrtausenden ver­ ändert der Brückenbau die Welt. Brücken schaffen Zugang zu Märkten und kreieren Zusammenhänge, auf die sich die Gesell­ schaft stützt.

Das durch eine Brücke geschaffene Poten­ zial einer neuen Verbindung befriedigt den urmenschlichen Drang, sich zu bewegen, die Umgebung zu erkunden und Grenzen zu überschreiten...

Eine Brücke bündelt Wege der Kommunika­ tion und der Fortbewegung und wird zum zen­tralen Angelpunkt, physisch wie emotio­ nal. Und mit dieser neuen Verbindung ver­ ändert sich gleichzeitig der Ort, an dem nun die Brücke steht, und wird zu einem neuen Ort, mit einem neuen Charakter. Eine Brü­ cke, die definitionsgemäß ein funktionales Ingenieurbauwerk darstellt, erhält so gleich­ zeitig eine tiefgreifende architektonische Bedeutung. Überall auf der Welt drücken Brücken ein Ortsgefühl aus, sind identitätsstiftend – das

erklärt die hohe Popularität des Brücken­ baus. Dies gilt gleichermaßen für elegante Alltagsbrücken, die unser Leben begleiten, als auch für die außergewöhnlichen, ikoni­ schen Kon­struk­tio­nen, die öffentlichkeits­ wirksam in den Print- und sozialen Medien präsentiert werden. Im besten Fall bildet der Brückenbau die ultimative Bühne für eine Ingenieurbaukunst, die Effizienz und Eleganz öffentlich sichtbar ver­eint – in Reinform, und nicht durch dekorative Bekleidung ver­ fälscht.

Großartige Brückenbauten scheinen eine magische Mischung aus Kunst und Natur­ wissenschaften darzustellen – die berühm­ testen Bauwerke fügen sich wie maßge­ schneidert in ihren örtlichen und kulturellen Kontext ein. Dies ist insofern von besonderer Bedeutung, da die lange Lebensdauer einer Brücke, die oft jahrzehnte- oder gar jahrhun­ dertelang vielen Generationen dient, ein star­ kes Identitätsgefühl erzeugt und die Bewe­ gungsmuster um sie herum prägt.

Die Popularität des Brückenbaus liegt viel­ leicht auch in der vermeintlichen Einfachheit ihrer Funktion, die Schwerkraft zu überwin­ den und den Verkehr sicher über ein Hinder­ nis hinwegzuführen. Betrachtet man die geschichtliche Entwicklung des Brückenbaus und die besten zeitgenössischen Entwürfe, lässt sich vielleicht erahnen, was auf diesem

Potenziale und Perspektiven

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Entwerfen von Brücken Eine Königsdisziplin

Die Brücke — Kulturdenkmal und Zeitzeuge Brücken überwinden Hindernisse, um Men­ schen und Gütern eine schnelle und sichere Passage zu ermöglichen.

Brücken sind Zweckbauten der Zivilisation, aber auch Teil der Geschichte und Kultur­ denkmale einer Gesellschaft. Sie bilden neben den technologischen Fähigkeiten einer Gesellschaft deren Wertvorstellungen und den Zeitgeist ab. Von Heiligen­skulp­ turen gesäumte, opulent anmutende Stein­ bogenbrücken wie die Karlsbrücke in Prag aus dem 14. Jahrhundert (Abb. 1) oder die 1883 fertiggestellte Brooklyn Bridge in New York mit den beiden großen Granittürmen und der erstmaligen Nutzung von Stahl für das Haupttragseil (Abb. 3) bis hin zu athle­ tisch wirkenden, flach gespannten Hänge­ brücken aus Stahlblechen und -seilen wie die Millennium Bridge von 2000 in London

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6

(Abb. 2) sind bedeutende historische Zei­ chen ihrer Zeit. Manchmal wirken sie sogar identitätsstiftend für den jeweiligen Ort. Brücken zeigen deutlich auf, welchen Wert eine Gesellschaft der von ihr geschaffenen, zivilisierten Umgebung und damit auch sich selbst beimisst. Brücken im öffentlichen Raum werden meist für eine lange Nutzungs­ dauer gebaut. Bei einer aktuell technisch angestrebten Lebensdauer von wenigstens 100 Jahren sind die heute errichteten Brü­ cken noch mindestens von den Urenkeln der Erbauergeneration nutzbar. Brücken können aber durchaus auch eine wesentlich längere Nutzung erfahren, wenn es sich bei ihnen um ortsbildprägende Bauwerke han­ delt, die mit Weitsicht geplant wurden. Sind die Brücken ästhetisch ansprechend ent­ worfen sowie klar und robust konstruiert, so werden sie auch von der Gesellschaft gepflegt und erhalten und damit lange für die Allgemeinheit verwendbar sein.

Brücken sind nur schwer umnutzbar. Einmal gebaut, können sie für höhere Lasten, brei­ tere Wege oder geänderte Randbedingun­ gen nur mit meist unverhältnismäßig hohem Aufwand umgerüstet werden. Die durch Form und Materialität geprägte Präsenz am Ort ist kaum mehr modifizierbar, schließlich bestimmt das Tragwerk die Gestalt.

Die alten Steinbrücken Roms oder auch die

1 Karlsbrücke in Prag (CZ) 14. Jahrhundert

2 Millennium Bridge, ­Lon­don (UK) 2000/2002, Norman Foster, Arup 3 Brooklyn Bridge, New York (US) 1883, John August Roebling

2

3

Entwerfen von Brücken

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10

Per pedes und per Pedale Nachdem Brücken zunächst für Verbindungsund Handelswege und für militärische Zwe­ cke (pontes longi) errichtet wurden, kamen Fußgängerbrücken seit Anfang des 19. Jahr­ hunderts auch als bewusst gestaltete Ele­ mente im Landschaftsgartenbau zum Ein­ satz. Das mit der industriellen Revolution erstarkende Bürgertum ließ zu dieser Zeit Brücken „nur“ zum Flanieren erbauen. So ist die Passerelle des Arts von 1804, eine der ersten Brücken aus Gusseisen in Frank­ reich, ausschließlich für Fußgänger konzi­ piert (Abb. 8, S. 10).

Ab dem Ende des 19. Jahrhunderts gewann der Verkehr per Pedale an Bedeutung. Mit dem 1884 von John Kemp Starley konzi­ pierten Sicherheitsniederrad, einer Weiter­ entwicklung der Tretkurbel-Hochräder, und der Erfindung des luftgefüllten Schlauch­ reifen durch John Boyd Dunlop 1888 wurde das Fahrradfahren sicher und komfortabel.

Erste Radrouten wurden angelegt. So, wie der 1900 eröffnete „Great California Cycleway“, der als Verbindung zwischen Los Angeles und Pasadena konzipiert war (Abb. 11). Der Radweg verlief in bis zu 15 m Höhe als Brückenkonstruktion über dem Gelände, wurde jedoch aus verschie­ denen Gründen bald wieder abgebaut.

Heute, ein Jahrhundert später, sind An­­

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sätze wie der „Cycleway“ wieder aktuell.

Ab der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wird der größere Spielraum beim Entwurf von Fuß- und Radwegbrücken gegenüber den strikten Anforderungen bei Eisenbahnund Straßenbrücken verstärkt als Chance für das Experimentieren und (teilweise expres­ sive) Gestalten wahrgenommen (Abb. 10).

Tragwerk, Konstruktionsdetails bis hin zum Handlaufmaterial – Fußgängerbrücken sind hinsichtlich Erfassbarkeit des Maßstabs und (auch im Wortsinn) „Begreifbarkeit“ der Kom­ ponenten ein Teil der alltäglich erfahrbaren Umgebung der Nutzer. So werden Fußgän­ gerbrücken als „Möbel der Stadt“ begriffen, täglich passiert, bewohnt und berührt. Seit den 2000er-Jahren gibt es vermehrt auf besondere Erlebniseffekte ausgerichtete Fuß­

10 Spannbandbrücke über den Main-DonauKanal bei Essing (DE) 1986, Richard Johann Dietrich, Heinz Brüninghoff

11 California Cycleway in Los Angeles (US) 1900, teilweise fertiggestellt, zu Beginn des 20. Jahr­ hunderts abgebaut

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12 12 Charles Kuonen Hänge­ brücke, Randa (CH) 2017, Swissrope 13 Fußgängerbrücke aus Glas über den Grand Canyon von Zhangjia­ jie, Zhangjiajie National Forest Park, Provinz Hunan (CN) 2016, Haim Dotan Ltd. Architects and Urban Designers

gängerbrücken, um bestimmte Orte und Regionen für Touristen attraktiver zu machen. Hängebrücken mit Spannweiten bis zu 500 m und einem Gehbelag aus trans­ parentem Glas ziehen täglich tausende Besucher an. Allein in China wurden bis 2020 annähernd 2300 Glasbodenbrücken und -stege gebaut (Abb. 13). Die Charles Kuonen Brücke im schweizerischen Randa ist Teil des Europawanderwegs und mit 494 m die weitspannendste Fußgängerbrü­

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cke der Welt (Abb. 12). Durch eine betont skulpturale Ausformung expressiv betonter Tragwerke werden Fußgängerbrücken als Attraktionen im Stadtraum und häufig auch als Katalysatoren städtischer Entwicklungen eingesetzt. Um den Preis hoher Kosten für Bau und Unterhalt entstehen spektakuläre eigenständige Objekte, die – zumindest erstaunlich für eine Infrastrukturkomponente – einen Bilbao-Effekt auslösen können (Abb. 14).

14 Gateshead Millennium Bridge, Gateshead (GB) 2001, WilkinsonEyre, Gifford and Partners

14

Brücken für den langsamen Verkehr

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Straßenbrücken Verbindungen für den motorisierten Verkehr

Charakter Straßenbrücken sind im Gegensatz zu Fuß­ gängerbrücken durch die höheren Lasten aus dem motorisierten Verkehr und den erhöhten Sicherheitsüberlegungen gegen Anprall und Absturz von Fahrzeugen cha­ rakterisiert und daher durch massivere Trag­ werke geprägt. Ein entscheidender Faktor in nordischen und alpinen Ländern ist der erforderliche Winterdienst, der durch die Salzstreuung eine Chloridbelastung der Straßen und deren Brücken erzeugt. Im Unterschied zu Eisenbahnbrücken können Straßenbrücken komplexen Trassierungs­ vorgaben folgen und in Form von mehr­ spurigen Autobahnen auch große Breiten erreichen. Durch die fehlende Spurgebun­ denheit der Fahrzeuge sind eine Vielzahl von Laststellungen und -konfigurationen zu berücksichtigen. Auch unterschiedlichste Verkehrsführungen beim Bauen im Bestand stellen große Herausforderungen dar.

Trotz dieser Rahmenbedingungen lässt im Vergleich zu den eng gesteckten Verfor­ mungskriterien und extremen Lasterforder­ nissen bei Eisenbahnbrücken der Entwurf von Straßenbrücken noch viele Freiheiten zu. Unter Abwägung der örtlichen Begeben­ heiten, der projektierten Trassierung, des zweckmäßigen und sparsamen Materialund Systemeinsatzes sowie der behördli­

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chen Anforderungen und Auflagen ist auch ein Feingefühl für die optimale Konzeption vonnöten, um eine Brücke gelungen in die Umgebung einzubetten (Abb. 1).

Archetypen Die Entwicklung der Brücken von einfachen fußgängertauglichen Steinplatten-, Holzbzw. Filigrankonstruktionen für den leichten, nicht motorisierten Verkehr (siehe „Brücken für den langsamen Verkehr“, S. 14ff.) hin zu massiveren Tragwerken ist der Revolu­ tionierung des Straßenverkehrs durch die Erfindung des Wagens geschuldet. Durch den rasanten Ausbau funktionierender ­Handelsrouten konnten immer größere ­Lasten über weitere Strecken transportiert werden. Da sich die Lasten der Fuhrwerke und Karren stetig und willkürlich erhöhten, legten die Römer schon um 50 v. Chr. erst­ mals eine Lastregulierung mit einer Höchst­ last von zunächst 250 kg fest [1], um die Standfestigkeit der Straßenbeläge und damit auch der Brückenbauten zu gewähr­ leisten.

Die ersten Brücken für höhere Lasten wur­ den anfangs mit dem bewährten Baustoff Holz gefertigt (siehe „Holzbrücken“, S. 14f.).

Nicht zuletzt aus Gründen der Dauerhaftig­ keit setzten sich bald jedoch andere Bau­ stoffe wie Stein und Ziegel als vorrangiges

1 1 Brücken als Bindeglieder in der Landschaft und im Straßenzug.

Storseisundet-Brücke, Atlantikstraße (NO) 1989 2 zwei römische Brücken in Mérida (ES) a über den Albaregas b über den Guadiana

a

Material der Massivbrücke durch. Nach den ersten Massivkonstruktionen über Kanäle und kleinere Bäche aus Kragsteinbögen mit einer Spannweite von 3 bis 4 m ab dem 4. Jahrhundert v. Chr. in Griechenland, ver­ feinerten die Römer die Ingenieurtechnik zu einem für die damalige Zeit einzigartigen Standard mit einer enormen Vielzahl und Vielfalt an Brückenbauwerken. Durch die unter den Etruskern schon entwickelte und durch die Römer perfektionierte Gewölbe­ technik konnten Spannweiten von 35 – 38 m

b

2

erreicht werden [2]. Die römische Stein­ gewölbebrücke als erster echter Arche­ typus einer Massivbrücke überzeugt durch ihre Nachvollziehbarkeit der einzelnen Funk­tions­elemente. Deutlich ersichtlich ist nach außen die Trennung der Tragfunktion des Steinbogens anhand der radialen Stein­ anordnung und der Funktion der waage­ rechten Steinschichtung als Ballast in den Zwickelbereichen, die durch die statisch nicht optimale Form des Kreisbogens erfor­ derlich war. Das abgesetzte Gesims oder eine Brüs­tung auf der Brücke verdeutlichen auch visuell deren Funktion als tragwerks­ unab­hängige, seitliche Wegabgrenzung (Abb. 2). In den Zwickelbereichen geringer Lastkonzentration wurden meistens Öffnun­ gen für den Hoch­wasserabfluss vorgesehen oder es gab Raum für ornamentale Stein­ metzkunst. Hingegen ist bei Bauteilen mit großen inneren Kräften — ähnlich dem anti­ ken Tempelbau — ersichtlich, dass diese sich selbst genügen und keinen zusätzli­ chen Schmuck vertragen [3].

Straßenbrücken

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Beherrschung der aerodynamischen Effekte aus Windanregung möglich wurde, erzeugt eine außerordentliche Gestaltqualität. Wie die Brücke über den Großen Belt in Däne­ mark zeigt (Abb. 15), schafft der Schwung des Tragkabels und der leicht nach oben gebogene, extrem schlanke Streckträger auch wahrnehmungspsychologisch eine spezielle Dynamik durch das Spiel der gegensätzlich gerichteten Krümmungen [9].

Autobahnbrücken Die Entwicklung des Automobils Anfang des 20. Jahrhunderts und die Notwendig­ keit von immer schnelleren Verkehrsverbin­ dungen führte zur Trennung von Fahrbah­ nen und der Entwicklung niveaufreier Ver­ kehrsknoten. Die erste autobahnähnliche Straße wurde 1908 nahe New York in Form des Long Island Motor Parkway realisiert.

In Europa hatte die Berliner Automobil-­ Verkehrs- und Übungsstraße, kurz AVUS, und das italienische Projekt Autostrada Milano-Laghi die Vorreiterrolle inne [10].

Der rasante Ausbau der Autobahnnetze ins­ besondere in der zweiten Hälfte des 20. Jahr­ hunderts förderte jedoch die Anonymisie­ rung und Ausdruckslosigkeit von Brücken.

Ziel war es, mit geringen Mitteln Straßen und Brücken am Fließband aus dem Boden zu stampfen, um dem Wirtschaftsaufschwung der Nachkriegszeit, der neuen Massentaug­ lichkeit des Kraftfahrzeugs und den erweiter­ ten Mobilitätsansprüchen gerecht zu werden.

Im Gegensatz zu Brücken mit großen Spann­ weiten oder hoher Ortsprägnanz, die schon allein durch ihre Größe oder Öffentlichkeits­ wirksamkeit die Aufmerksamkeit auf sich ziehen, haben heute beim Autobahnbau für viele Brücken jedoch Funktionalität, Zweckmäßigkeit und eine schnelle Umset­ zung Priorität. Stellvertretend für viele „ver­ gessene“ Brücken mit kleinen und mittleren Spannweiten steht die Überführungsbrücke, auf die im Folgenden eingegangen wird, um Ausdruckspotenziale auszuloten und „seelenlose“ Brücken zu vermeiden.

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Überführen Kennzeichnend für die Autobahn ist die Überführungsbrücke, die nicht zuletzt des­ wegen sogar im entsprechenden Verkehrs­ zeichen abgebildet ist. In regelmäßigen Abständen werden Überführungen vom Autofahrer schon von Weitem visuell erfasst und befinden sich lange in dessen direktem Blickfeld. Sie sind somit als wiederkehrende Signaturen die Visitenkarte einer Autobahn und sollten daher im Entwurf eine große – sogar den trassengebundenen Tragwer­ ken übergeordnete – Sorgfalt erfahren. Die Gestaltung von Überführungen wird vor­ rangig von der Streckencharakteristik, der Landschaftseingliederung und vom Wahr­ nehmungserlebnis aus Fahrerperspektive und weniger vom unmittelbaren Ort des Bauwerks und dessen Anwohnern bestimmt.

Experten wie die frühen Autobahnarchitek­ ten Paul Bonatz und Wilhelm Tiedje bevor­ zugen blickoffene Typenbrücken anstelle von barriereerzeugenden [11]. Stützenlose Überführungen unterstützen auch wahrneh­ mungspsychologisch die Vorwärtsbewe­ gung [12]. Daraus lässt sich ein Varianten­ reichtum von der licht­raum­umschließenden klassischen Zweifeldbrücke bis zur stützen­ freien Leichtkonstruktion ableiten (Abb. 17), der abhängig von der Entwurfsintention unterschiedliche Ausdrucksmöglichkeiten

15 Storebæltsbroen, Brücke über den Großen Belt, Nyborg / Korsør (DK) 1998, COWI, Dissing+Weitling

15

16 Verkehrsknoten in Los Angeles (US) 17 Überführungsvarianten

von stringenten bis hin zu expressiven Form­en beinhaltet [13].

Vernetzen — Verweben Brücken als namenlose Massenbauwerke treten vor allem bei den immer verwobe­ neren Autobahnknoten in Erscheinung.

Um den Verkehrsfluss zu beschleunigen, werden Verflechtungsbereiche der Fahrspu­ ren vermieden und somit für jede Relation eigene Rampenbauwerke errichtet. Die Brü­ cken türmen sich zu vielstöckigen Gebilden und gehen in komplexen Stützen- und Trag­ werkssystemen unter (Abb. 16). Sanierun­ gen dieser Knoten sowie Umbauten für

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Kapazitätserhöhungen werden sicherlich zu einer der Herausforderungen der Zukunft.

Öffnung und Dynamik

Ausblick Analog zu der gesellschaftlichen Entwick­ lungen in Richtung eines beschleunigten, flexiblen und weitgehend unabhängigen – und daher unvorhersehbaren – Mobilitäts­ verhaltens zeichnen sich heute entspre­ chende Trends für Straßenbrücken ab.

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Resistieren Die derzeit hohen Aufwendungen für Instand­ haltung befördern einen Trend zur Verwen­ dung von Hochleistungsmaterialien, die eine geringe Materialdegradation und dadurch geringere Lebenszykluskosten aufweisen.

Insbesondere Straßenbrücken, die entweder in alpinen Regionen häufigem Frost-TauWechsel und hohen Chlorideinwirkungen durch den Einsatz von Tausalz ausgesetzt sind oder in Küsten- oder Industrienähe hohen aggres­siven Umgebungsbedingun­ gen unterliegen, sind davon betroffen. Es gibt aktuell eine Reihe von Forschungsvor­ haben und Pilotanwendungen von Zugele­ menten aus nicht korrosiven und chemisch resistenten Materialien, die auf eine regel­ hafte Umsetzung warten. Aktuell werden beispielsweise Vorspannglieder und Bau­ weisen mit Kohlenstofffasern unter dem Schlagwort „Carbonbeton“ in Kombination mit höherfesten Feinkornbetonen entwickelt.

Die aus ul­trahoch­festem Beton mit Stahl­ faserbewehrung hergestellte Wildbrücke in

Straßenbrücken

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Luftliniengeschwindigkeit Luftliniengeschwindigkeit [km/h] [km/h]

50 100 40 90 30 80

B C

10 60 0 50

D

20 70

40

E 0

50

100

150

200

250

300

350 400 450 F500 Luftlinienentfernung [km]

0

50

100

150

200

250

300

350 400 450 500 Luftlinienentfernung [km]

100

150

200

250

300

350 400 450 500 Luftlinienentfernung [km] 4

100

150

200

250

300

350 400 450 500 Luftlinienentfernung [km]

30 20 10 0

a 2,50 F

2,25 2,00

E

1,75 2,50

D

1,50 2,25

F C B

1,25 2,00 1,00 1,75

E A 0

b 1,50

1,00

D50 C B

1,25

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4 Bewertung der Angebotsqualität einer Relation mithilfe der Kenngrößen Luftlinien­ geschwindigkeit (a) und Umwegfaktor (b) in Bezug auf die Luft­ linienentfernung. Die Angebotsqualität wird A durch sechs Qualitätsstufen A (sehr guteB Qualität) bis F (unzuC reichende Qualität) D beschrieben.

E F A

Umwegefaktor

Diese Anforderungen führen zu einem Ziel­ konflikt. Hier geht es beispielsweise um den Nutzen eines zusätzlichen diagonalen Ver­ kehrswegs (Abb. 5). Um die Bau- und Unter­ haltungskosten, aber auch den Flächenver­ brauch zu minimieren, ist eine Bündelung der Verkehrsströme auf wenige leistungsfä­ hige Straßen wünschenswert. Das führt aber dazu, dass Fahrten zwischen zwei Orten nicht direkt abgewickelt werden können. Die Fahrleistung und damit der Energieverbrauch steigen. Eine höhere Fahrleistung wird in vielen Fällen auch zu mehr Unfällen führen.

Gleichzeitig erhöht sich mit der sogenann­ ten Umwegigkeit der Zeitaufwand für die Kfz-Fahrer. Diese Abwägung zwischen einer Bündelung der Verkehrsnachfrage auf wenige Verkehrswege und einer angemes­ senen Umleitung ist eine grundlegende Auf­ gabe der Verkehrsnetzplanung. Der Konflikt

wird in den Richtlinien für die Netzgestal­ tung [6] dadurch gelöst, dass Vorgaben für zwei zentrale Kenngrößen gemacht werden, mit denen die Qualität eines Verkehrsange­ bots zwischen zwei Orten quantifiziert wer­ den kann, die Luftliniengeschwindigkeit und die Umwegigkeit: Die Luftliniengeschwindig­ keit ist definiert als der Quotient von Reise­ zeit und Luftlinienentfernung. Die Luftlinien­ entfernung beschreibt so den zeitlichen Aufwand einer Ortsveränderung. Die Luft­ liniengeschwindigkeit soll mit zunehmender Luft­linien­entfernung zunehmen. Die Umwe­ gigkeit wird als der Quotient von Reise­ 100 weite und Luftlinien­entfernung angegeben 90 (Umwegfaktor). Die Umwegigkeit beschreibt den80räumlichen Aufwand einer Ortsverän­ 70 derung.

Sie soll mit zunehmender Luftlinien­ entfernung abnehmen.

60

Umwegefaktor

Brücken als Element der Verkehrsnetz­ gestaltung Verkehrsnetze verbinden und erschließen Orte. Sie ermöglichen, dass sich Personen bewegen und Güter transportiert werden können. Aufgabe der Verkehrsnetzplanung ist es, die Verkehrswege so zu gestalten, dass die Anforderungen der Netzbetreiber, der Netzbenutzer und der Umwelt möglichst gut erfüllt werden: • Anforderungen des Netzbetreibers - minimale Baukosten - minimale Unterhaltungskosten • Anforderungen des Netzbenutzers ­(Kfz-Fahrer, ÖV-Fahrgast) - minimaler Zeitaufwand - minimale Betriebskosten bzw. Fahrpreise - hohe Unfallsicherheit - hohe Zuverlässigkeit • Anforderungen der Umwelt - minimaler Flächenverbrauch - minimaler Kraftstoffverbrauch - minimale Zerschneidung des Raums in Teilflächen - U mfahrung sensibler Bereiche (z. B. Landschaftsschutzgebiete)

A 0

50

5 Verkehrsnetzgestaltung: Bauen oder nicht bauen?

Abb. 4 zeigt je ein Diagramm für die Luft­ liniengeschwindigkeit und die Umwegigkeit, mit denen die Angebotsqualität einer Rela­ tion bewertet werden kann. In Abhängigkeit der Luftlinienentfernung ergeben sich jeweils andere Anforderungen, die mit den Quali­ tätsstufen A (sehr gute Qualität) bis F (unzu­ reichende Qualität) bewertet werden.

Aus dem in Abb. 5 dargestellten Netz ist erkennbar, dass die Entscheidung einen zusätzlichen diagonalen Verkehrsweg zu bauen von der Länge l der Netzmasche abhängen sollte. Bei einer kleinen Länge, wie sie in städtischen Netzen üblich ist, ist ein Umweg zumutbar, weil der zusätzliche Zeitaufwand bezogen auf die Gesamtfahr­ zeit kaum ins Gewicht fällt. In Netzen für den Fernverkehr werden die Verkehrswege so gestaltet, dass höhere Geschwindigkei­ ten möglich sind. Deshalb sind auch hier Umwege vertretbar. Sofern es keine beson­ deren Anforderungen aus der Verkehrs­ nachfrage gibt, wird bei der Netzgestaltung im Fernverkehr eine Netzverdichtung – z. B. durch eine Diagonale – ab einer Länge von etwa 100 km in Erwägung gezogen.

Z Z

zentraler Ort vorhandener Verkehrsweg (mit Brücke)

l

Z

möglicher neuer Verkehrsweg (mit Brücke) l

Ziel

Verkehrsweg bauen?

geringer Zeitaufwand

ja

niedrige Umwegigkeit

ja

geringer Kraftstoffverbrauch

ja

hohe Robustheit des Netzes

ja

geringer Flächenverbrauch

nein

geringe Zerschneidung

nein

geringe Bau- und Unterhaltungskosten

nein 5

Brücken haben als Element der Verkehrs­ netzgestaltung aus mehreren Gründen eine besondere Bedeutung: • Verkehrswege müssen natürliche Hinder­ nisse wie Flüsse und Täler, aber auch andere Verkehrswege überwinden. Hier­ für sind Brücken erforderlich.

• Verkehrswege sollen möglichst direkt geführt werden, dabei Steigungen mini­ mieren und mit einer vorgegebenen Ent­ wurfsgeschwindigkeit befahrbar sein.

Eine Trassierung, die diese Vorgaben erfüllt, benötigt Brücken und Tunnel.

• Brücken sind besonders teure Verkehrs­ wege. Deshalb ist hier eine Bündelung der Verkehrsnachfrage mehrerer Relatio­ nen besonders wichtig. Das Bauwerk ist wirtschaftlicher, wenn es von möglichst vielen Verkehrsteilnehmenden genutzt wird.

• Die Bündelung vieler Relationen in einem Brückenbauwerk führt dazu, dass Brücken besonders vulnerable Bauwerke sind. Der Ausfall eines Objekts kann die Verbin­ dungsfunktion des Verkehrswegenetzes erheblich beeinträchtigen.

Die Bedeutung eines Brückenbauwerks in einem Verkehrswegenetz lässt sich mit Ver­ kehrsnachfragemodellen bestimmen. Dazu wird eine Nachfragematrix, die die Verkehrs­ nachfrage zwischen den Quellen und Zielen eines Untersuchungsraums enthält, auf das Verkehrswegenetz umgelegt. Diese Ver­ kehrsumlegung bildet das Routenwahlver­ halten der Verkehrsteilnehmenden ab und ermittelt so Verkehrsstärken für jedes Netz­ element. Die Ergebnisse einer Umlegung bilden die Grundlage für Nutzen-KostenUntersuchungen eines neuen Verkehrs­ wegs, wie sie beispielweise in Deutschland bei der Bundesverkehrswegeplanung durch­ geführt werden. Umlegungen können aber auch genutzt werden, um die verkehrlichen Wirkungen einer Vollsperrung abzuschät­ zen, die beim Versagen eines Brückenbau­ werks notwendig wird. Abb. 6 (S. 48) zeigt

Brücken und Verkehr

47

a

b

c

8

Dauerhaftigkeit ingenieurmäßig zu bewerten. Erforderlichenfalls müssen spezielle Prüfanweisungen einschließlich der Angabe von Detektionsbereichen für erwartete Schädigungen (z. B. Risse) für das Bauwerk erstellt werden. Gegebenenfalls sind auch Sofortmaßnahmen zur Sicherstellung der Stand­sicherheit anzuordnen (z. B. verkehrsbeschränkende Maßnahmen).

Belastungsversuche Bei der Bewertung bestehender Bauwerke kann Unkenntnis über das Innenleben der Tragwerke allerdings auch zu konservativen Modellen und Annahmen führen, eine Nach-

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rechnung ist dann oft wenig aussagekräftig.

Daher hat sich in einigen europäischen Ländern für die Bewertung von Bestandstragwerken die experimentell gestützte Nachweisführung etabliert (Stufe 3 der NRR), die durch gezielt aufgebrachte Einwirkungen direkt am Bauwerk sowie durch die messtechnische Erfas­sung und Auswertung der Bauwerksreaktionen erfolgt. Mit diesen experimentell ermittelten Werten können die theoretischen Modelle oder Rechenannahmen verbessert und die Tragsicherheit zuverlässiger beurteilt werden. Durch die verbesserten Erkenntnisse kann man häufig Tragreserven erschließen, mit denen sich aufwendige Verstärkungen oder gar ein Ersatzneubau vermeiden lassen [12]. Bei Bestandsbrücken gibt es unterschiedliche Aufgabenstellungen für Belastungsversuche (Abb. 8): • Stufe 3 der Nachrechnungsrichtlinie als Systemmessung und für die Modellkali­ brierung • Ermittlung von statischen oder dynamischen Eigenschaften des Bauwerks • Bremslastversuche an langen Eisenbahnbrücken • dynamische Belastungsversuche mit verschiedenen Erregern (ambiente Einwirkung, Fallgewicht, Schwingungserreger, Zugüberfahrt) • Nachweis einer ausreichenden Tragsicherheit gegenüber definierten Einwirkungen Monitoring — prädiktive Instandhaltung — digitaler Zwilling Monitoring ist die systematische und kontinuierliche Überwachung von einwirkenden Größen oder von Bauwerksreaktionen mittels elektronischer Messsysteme. Analog zum medizinischen Monitoring können auch Bau­werke für 24 Stunden an 7 Tagen in der Woche überwacht werden, bei Störungen erfolgen nach festgelegten Prozess­ ketten entsprechende Benachrichtigungen (Abb. 10). Dazu werden vorab kritische Zustände (Warn- und Schwellwerte) festgelegt. Je nach Aufgabenstellung ergeben

8 verschiedene Belastungsversuche a Belastungsversuch mit hydraulischen Pressen zur Ermittlung der Unterbau­ steifigkeiten an der Itztalbrücke, ICE Neubaustrecke Ebensfeld– Erfurt (DE) von 2004 b Belastungsversuch mit schweren Autobetonpumpen zur Messung der Hängerkräfte und Spannungen im Tragwerk, Köhlbrandbrücke, Hamburg (DE) von 1974 c Bremsversuch auf der Eisenbahnbrücke Stöbnitztal, ICENeubaustrecke Erfurt—Leipzig/Halle (DE) von 2013

Anmerkungen: [1] BASt Heft B 68 [2] 2020 ARTBA Bridge Report (USA) [3] Arbeitshilfe 2020, S. 14 [4] Marx 2020 [5] ÖNORM B 40082:2019-11-15 [6] ebd.

[7] Fingerloos / Marx / Schnell 2015 [8] wie Anm. 5 [9] ebd.

[10] Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung Abteilung Straßenbau 05/2011 [11] DB Netz AG, Richtline Ril 805, 2012 [12] DAfStb-Richtlinie für Belastungs­ versuche 2020 [13] DBV-Merkblatt 08/2018

reales Bauwerk

digitaler Zwilling

Geometrie + Daten

BIM

Zustand

Monitoring + Bauwerksprüfung

9 9 Vom Bestand zum digitalen Zwilling zur Visualisierung realer Bauwerkszustandsdaten der Köhlbrand­brücke in Hamburg (DE) von 1974

10 Mit einem Schallemis­ sionsmonitoring an der spannungs­riss­kor­ ro­sionsgefährdeten Stennertbrücke in Hagen (DE) von 1959 wird nachgewie­sen, dass unter Dauerbelastung keine Spann­stahl­ brüche auftreten und eine weitere Nutzung auch ohne Ankündigungsverhalten möglich ist.

sich sehr unterschiedliche Anforderungen an die Technik, an den Zeitraum und an die Auswertung [13].

Das Bauwerksmonitoring hat sich in den ver­ gangenen Jahren zu einem zuverlässigen und anerkannten Verfahren zur Messung des Bauwerksverhaltens und dessen Veränderungen entwickelt. Durch neue Sensorund Auswertungstechnik sowie durch die Digitalisierung ist die Bedeutung des Brückenmonitorings und das Potenzial für die Brückenbewertung in den letzten Jahren stark gestiegen. Typische Anwendungsfälle für Brückenmonitoring sind: • Sicherheitserhöhung bei Bauarbeiten neben Brücken in Nutzung • Bestätigung des Bauwerksverhaltens bei der Einführung neuer Bauarten oder Komponenten • Verlängerung der planmäßigen Nutzungsdauer einer Brücke • Erhöhung der Nutzungsanforderungen (Verkehrslasterhöhungen, Geschwindigkeitsanhebungen auf Eisenbahnstrecken) • messwertgestützte Nachweisführung bei Überschreitung von rechnerischen Grenzwerten

lung eines digitalen, prädiktiven Instandhaltungskonzepts für Brücken geforscht, das auf Basis von Struc­tural Health Monitoring (SHM) und der gesamten Datenintegration in einem digitalen Bauwerks­modell nach der BIM-Methode einen direkten Überblick über den Bauwerkszustand in unterschiedlicher Datendetailtiefe gibt. Die zentrale Datenerfassung und -auswertung über die Sensorik im Bauwerk wird erweitert um die Verarbeitung von Daten der Fahrzeugsensorik, der Verkehrs­erfassung, den Klimadaten usw.

Die Zusam­menführung aller Daten erfolgt in einem digitalen Zwilling des Brücken­ bauwerks und die Auswertung über künstliche Intelligenz (KI) und Zustandsanzeigen („condition indicators“; Abb. 9). Damit sollen am Tragwerk über Mustererken­nung ­Veränderungen festgestellt werden, bevor Schäden sichtbar sind. Die Entwicklung, Test­phase und Einführung der prädiktiven Instandhaltung („predictive main­ten­ance“) in Verbindung mit maschinellem Lernen („machine learning“) wird ein neues Zukunfts­ feld der Brückeninstandhaltung werden.

Eine prädiktive, also vorausschauende, lang­ zeit­­liche Überwachung, wie sie in vielen anderen industriellen Bereichen bereits etabliert ist, ermöglicht eine Senkung der Wartungs- und Instandhaltungskosten und führt zu einer Steigerung der Betriebs- und Ausfallsicherheit. Derzeit wird an der Entwick-

10

Erhalten und Bewerten von Brücken

57

Einwirkungen Innere und äußere Belastungen

Objekteigene Einwirkungen Einwirkungen auf das Objekt treten durch das Eigengewicht der Konstruktion auf, im Lastverhältnis [gK /(gA+p)]

100 80

Eisenbahnbrücken Straßenbrücken Fußgängerbrücken

60

Wesentlichen durch die Rohwichte der verwendeten Baustoffe (z.B. Stahl, Beton, Holz) und die auftretenden materialspezifischen Eigenschaften bei Verformungs­behinde­ rungen sowie durch die Vorspannung in Spannbetonquerschnitten.

Eigengewicht und Ausbaulasten Brücken werden im Wesentlichen durch ihr Eigengewicht beansprucht. Je länger die Stützweite der Tragkonstruktion, desto größer ist das Verhältnis von Eigengewicht zu allen anderen einwirkenden Lasten und desto kleiner ist die Schlankheit (Abb. 1). Das Eigengewicht bestimmt sich aus den Rohwichten der Materialien und deren Volumina Schlankheit [λ = L/d]

Zur Festlegung der Bauteildimensionen einer Brücke müssen alle absehbaren Einwirkungen auf das Bauwerk sicher abgeschätzt werden. Diese von der spezifischen Nutzung, geografischen Lage und den Umweltbedingungen abhängigen Faktoren werden auf Basis der in den Ländern gültigen Regelwerke individuell bestimmt. Die anzusetzenden Lasten sind zur statischkonstruktiven Dimensionierung des Brückentragwerks noch mit entsprechenden Sicherheitsbeiwerten zu beaufschlagen.

35 30

Eisenbahnbrücken Straßenbrücken Fußgängerbrücken

25 20 15

40

10 20 0

a

58

5 0 10 20 30 40

50 60 70 80 90 100 Spannweite [m]

0

b

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Spannweite [m] 1

1 Vergleich eines einfeldrigen Rechteckbalkens aus Beton unter Fußgänger-, Straßen- und Eisenbahnverkehr a Verhältnis von Kon­ struktionslasten (gK) und der Summe aus Aus­baulasten (gA) und Verkehrslasten (p) in Ab­hängigkeit von der Spannweite L von Brücken. Dabei wird die erforderliche Trägerhöhe d unter Annahme eines Bewehrungsgehalts von 0,8 % im Grenz­ zustand der Tragfähigkeit (Zustand II) näherungsweise berechnet. b Schlankheiten λ = L/d in Abhängigkeit von der Spannweite. Bei kurzen Spannweiten (ca. bis 15 m) ist der Einfluss der anzusetzenden Einzellasten bei Straßenbrücken auf die Trägerbemes­ sung gut ersichtlich.

im Bauwerk. Auch die Lasten der für die spezifische Funktion der Brücke notwendigen Ausbauten müssen berücksichtigt werden.

Zwang Materialabhängig treten Kräfte aus innerem Zwang auf, die aus Kriech-, Schwind-, Quelloder Hydratationsvorgängen des Baustoffs über die Lebensdauer des Tragwerks entstehen. Diese Zwangsspannungen können jedoch durch Rissbildung – insbesondere bei Verwendung von Stahlbeton – abgebaut werden und spielen deshalb für den Grenzzustand der Tragfähigkeit meistens eine untergeordnete Rolle.

Vorspannung Eine Vorspannung kann den Spannungs­ zustand in einem Tragsystem positiv durch Einleitung von Zug- oder Druckkräften beeinflussen. Eine mögliche Rissbildung wie im Stahlbeton wird damit verhindert und so die Dauerhaftigkeit gesteigert. Es tritt auch eine Versteifung des Systems auf, was wiederum z. B. bei Seiltragwerken genutzt werden kann, um schlaffe Zugglieder zu vermeiden. Die Vorspannung bleibt systemimmanent und stellt daher auch eine objekteigene Einwirkung dar.

Lasten aus Verkehr Die Verkehrslasten als die zu überführenden Lasten des Brückenbenutzers sind ebenfalls für die Berechnung und Bemessung der Brücke von großer Bedeutung. Durch die dem Verkehr innewohnende Lastbewegung über die Brücke treten auch dynamische Effekte, Brems- und Anfahrkräfte sowie Fliehkräfte auf.

2 Belastungsdichten für unterschiedliche Verkehrslasten durch Radfahrer und Fuß­gänger auf einer Brücke (Darstellung maßstabslos und nicht auf 1 m2 bezogen)

Radfahrer 1kN/m2

Fußgänger 1 kN/m2

Vertikale und horizontale Verkehrslasten Neben der Eigenlast sind die vertikalen Last­anteile aus Verkehr für die Dimensionierung des Tragwerks entwurfsbestimmend.

Die angesetzten Lasten sollen dabei aus­ reichend sicher zukünftige Entwicklungen berücksichtigen, jedoch auch eine wirtschaftliche Bemessung ermöglichen.

Während bei Fuß- und Radwegbrücken die verstärkte Tendenzen zur Entkopplung von Fußgänger- und Radverkehr eine jeweils spezifisch abgestufte Lastannahme und somit auch teilweise Reduzierung der Verkehrslasten in Zukunft ermöglichen könnte, ist bei den anderen Verkehrsformen eher ein weiteres Anwachsen der zu berücksichtigenden Belastung zu erwarten. Neben dem erwarteten Anstieg des realen Straßenverkehrs (siehe „Anforderungen an zukünftige Brückenbauwerke“, S. 48f.), wird auch beim schienengebundenen Verkehr über Zuglängen nachgedacht, die über die derzeit in Europa gültige Zuglängengrenze von 740 m hinausgehen. So werden in europaweit agie­ renden Organisationen z. B. schon Zuglängen von bis zu 1500 m mit Ladelasten von bis zu 5000 t und 25 t Achslast diskutiert, während in der Golfregion Schienennetze für bis zu 2000 m lange Güterzüge als Containertragwagen mit Doppelstockbeladung mit bis zu 32,4 t Achslast angedacht sind.

Fuß- und Radwegverkehr Bei Fuß- und Radwegbrücken (Abb. 2) sind entsprechend jeweiliger nationaler Normung Flächenlasten von ca. 3,5 bis 5 kN/m2 anzusetzen, die in einigen Ländern bei zunehmender Brückenlänge reduziert werden

Fußgänger 1,5 kN/m2

Fußgänger 2 kN/m2

Einwirkungen

2

59

Wirtschaftlichkeit Finanzielle Mittel verantwortlich einsetzen

Die Frage der Kosten ist seit jeher von Bedeu­tung für die Typenauswahl einer Brü­ cke, da diese in der Neuzeit als Bauwerk des öffentlichen Interesses in der Regel vom Gemeinwesen finanziert wird. Es zieht sich wie ein ungeschriebenes Gesetz durch die Geschichte, dass die finanziellen Mittel für Infrastrukturmaßnahmen unabhängig von der Staatsform seit jeher limitiert waren und daher sparsam sowie zweckmäßig einge­ setzt werden mussten. Schon der römische Architekt und Ingenieur Vitruv verlangte neben seinen Hauptanforderungen an die Architektur: Firmitas, Utilitas und Venustas (siehe „Technische und gestalterische Her­ ausforderungen“, S. 12), dass der Architekt

die Kosten genau einteilen und über­schla­ gen solle [1]. Im 19. Jahrhundert bezeich­ nete der deutsche Bauingenieur, Stadtplaner und Hochschullehrer Reinhard Baumeister die „Geldmänner“ als wich­tige Entschei­ dungsträger, die neben den „Utilitariern“ als Vertreter des ausschließlich Nützlichen und den „Kunstaristokraten“ als Hüter des Schönen den Brückenbau beeinflussten [2].

Nicht zuletzt aus Verantwortung der Öffent­ lichkeit gegenüber verbanden viele Ingeni­ eure wie unter anderem Fritz Leonhardt, Pier Luigi Nervi oder Eduardo Torroja wie Vitruv und Reinhard Baumeister ansehnli­ ches und zweckmäßiges Bauen auch mit ökonomischen Erfordernissen [3]. Insbeson­

1

74

1 schlichte Eleganz als Ausdruck von Effizienz und Ökonomie. Eine der Autobahnbrücken des Infrastrukturpro­ jekts A11–Via Brugge, Brügge (BE) 2017, schlaich bergermann partner

Herstellungskosten [pro m2]

abgespannte Konstruktion

gevouteter Freivorbau Balkenbrücke

0

100

2 Herstellungskosten in Abhängigkeit der Spann­weite nach Alfred Pauser

200

300

400

500 Spannweite [m] 2

dere beim Brücken- und Ingenieurbau führt heute kein Weg mehr an einer nachvollzieh­ baren Wirtschaftlichkeitsberechnung vorbei, die einen maßvollen Einsatz von finan­ziellen Mitteln nicht nur in der Errichtungsphase, sondern auch darüber hinaus bescheinigt. Überlegungen zur Wirtschaftlichkeit dürfen nicht mit billigem Bauen als Kurzzeiteffekt verwechselt werden, das den sogenannten Bauwirtschaftsfunktionalismus [4] der Nach­ kriegsära mit dem Ziel einer schnellen und günstigen Errichtung nach der Formel „Länge mal Breite mal Höhe mal Geld“ [5] prägte und einen gesichtslosen Brückenbau voran­ trieb (siehe „Autobahnbrücken“, S. 28).

Brücken brauchen Qualität entsprechend den Anforderungen Vitruvs, und Qualität for­ dert ihren reellen Preis, speziell wenn eine positive Außenwirkung und eine nachhaltige Verwendung berücksichtigt werden sollen.

Es stellt sich nun die Frage, wieviel die gute Gestaltung einer Brücke der Gesellschaft wert sein soll? Bei dem vorrangigen Ziel, Orte zu verbinden (siehe „Entwerfen von Brücken“, S.6ff.), genügt ein Grundmaß an ästhetischer Qualität, das bei Einhaltung einer Formlogik als Einheit von Tragwerk und Gestalt keine oder nur geringe Mehrkos­ ten gegenüber den üblichen Richtwerten mit sich bringt. Dies trifft insbesondere auf

Straßen- und Eisenbahnbrücken zu, deren zweckbestimmter Verbindungscharakter im Vordergrund steht (Abb. 1). Christian Menn empfiehlt einen Mehrkostenansatz für die gestalterische Feinabstimmung von ca. 5 % bei großen Brücken [6], bei kleineren Brü­ cken auch mehr; also Prozentsätze, die sich ohnehin innerhalb der Angebotsschwan­ kungsbreite bei der Vergabe der Bauleis­ tungen bewegen.

Insbesondere bei Eisenbahnbrücken sind Mehrkosten für Bauzustände und Hilfseinrich­ tungen zur Aufrechterhaltung des Bahnver­ kehrs möglich, die oft die Baukosten um das Drei- bis Zehnfache erhöhen. Zusätzliche Kosten für einen Mindestanspruch an Gestal­ tung fallen hier praktisch nicht ins Gewicht.

Im Gegensatz zu den betrieblichen Mehrkos­ ten, die für die Kurzfristigkeit der Baumaß­ nahme unter Bahnbetrieb (von der Gesell­ schaft) fraglos hingenommen werden, bleibt der Gestaltungsmehrwert jedoch über die gesamte Lebensdauer der Brücke als erleb­ bares Bauwerk oder baukulturelles Gut sichtbar bestehen.

Richtwerte Für die Errichtungsphase zählen vordergrün­ dig die Kosten pro Brückenflächeneinheit (Brückenbenchmark) als wirtschaftliche Richt­marke. Bei Straßen- und Eisenbahn­ brücken besteht immer eine Abhängigkeit von der Spannweite, wenn von Regelkon­ struktionen und -bauweisen ausgegangen wird. Der Brückenbauer Alfred Pauser ver­ suchte, mit einer Grafik die qualitativen Abhängigkeiten der Herstellungskosten zur Spannweite je nach Ausführungsart ­darzustellen (Abb. 2). Je größer die Spann­ weite, desto höher die Kosten pro m2 Brü­ ckenfläche bzw. desto wirtschaftlicher sind gevoutete bzw. aufgelöste Kon­struktionen.

Daraus wird ersichtlich, dass die Wahl eines falschen Tragsystems schon in der Entwurf­ sphase zu einer Verfehlung des ökonomi­ schen Ziels führen kann. Abb. 2 zeigt jedoch genauso wie auch Kostenanalysen von

Wirtschaftlichkeit

75

Konstruktion und Gestalt Holzbrücken müssen werkstoff- und wartungsgerecht konstruiert sein. Der in den letzten Jahren zu beobachtende Trend hin zu robusten, masseintensiven Holzbrückentragwerken führt nicht nur zu höherer Dauerhaftigkeit, sondern verweist auch auf eine veränderte neue Sicht auf den Urbaustoff.

Anders als bei allen anderen Materialien ist bei Holz eine massivere Ausführung auch nachhaltiger, da die höhere CO2-Einspeicherung im großen Holzvolumen und die geringere technologische Verarbeitungstiefe zu einem vergleichsweise niedrigen, bei alleiniger Betrachtung des Überbaus häufig negativen Wert des Treibhauspotenzials führen.

Kompakte, einfach herstellbare Blockträgerquerschnitte lassen sich mit wenigen oder sogar ohne exponierte Verbindungselemente ausführen. Eine kraftflussgerechte Gestaltung kann durch differenzierte Ausformung der horizontal oder vertikal angeordneten, blockverklebten Brettschichtholzlagen erfolgen.

Stein Der aus der Erdkruste gewonnene Stein war aufgrund des weltweiten Vorkommens, der mechanischen Eigenschaften und der großen Dauerhaftigkeit für viele Kulturen schon immer ein wichtiger Brückenbaustoff (siehe „Steinbrücken“, S. 16 und „Gewölbebrücken“, S. 37). Weltweit wurden bis ins 20. Jahrhundert Natursteinbrücken errichtet, und viele historische Bauwerke bezeugen, wie dauerhaft diese sein können. Die mächtigen Pfeiler der Brooklyn Bridge wurden aus Granitblöcken zusammengesetzt, da das hochfeste, sehr homogene und feinporige Tiefengestein die hohen Auflagerkräfte der Haupttragkabel sicher und dauerhaft abzuleiten vermag.

Eigenschaften und Verwendung Im Gegensatz zum emporstrebenden Holz ist Stein bodenständig, wie Lehm und Ziegel erdverwandt und erdverbunden. Historisch

86

wurde Stein für kurze Platten- oder für Bogen­ brücken verwendet. Der aus Natursteinen oder aus Ziegeln zusammengesetzte Bogen visualisiert den Kraftfluss im Tragwerk und offenbart zugleich die sehr hohe Druckfestigkeit (Abb. 9). Die Steine sind in der Regel im Mörtelbett versetzt, die Fugen geben den Bauwerken dabei ein strukturelles Raster.

Der auf die Steinfestigkeit abgestimmte Mörtel gleicht die Steinunebenheiten aus und sorgt für eine flächige Kraftübertragung über den gesamten Querschnitt. Wegen der sehr geringen Zugfestigkeit des Materials wurden steinerne Bögen so kon­struiert, dass keine Zugkräfte im Tragwerk auftreten. Ergänzungen durch stählerne Einbauten zur Zugübertragung waren in der Regel nicht üblich.

Das ist ein wesentlicher Grund dafür, dass Bogen- und Gewölbebrücken unverwüstlich sind: Nur der Stein kann korrodieren – und diese Prozesse sind zeitlich nicht vergleichbar mit der Stahlkorrosion. Natursteinbrücken leben stark von ihrer geometrischen Form und vom Detail der Steinverarbeitung.

Da Naturstein kein homogener Baustoff ist, variieren die Festigkeits- und Dauerhaftigkeitseigenschaften in Abhängigkeit von

5

6

5 Eine von vier Fußgängerbrücken mit vorgespanntem Granitüberbau und einer Spann­­ weite von 10,30 m, Kurpark Bad Herren­alb (DE) 2016, Ausführung: Kusser Granitwerke, Entwurf: bbzl — böhm benfer zahiri landschaften städtebau 6 Spannbandbrücke mit 40 m Öffnung. Die Geh­wegplatten aus Granit sind über unten liegende Stahlbänder vorgespannt. Pùnt da Suransuns, Viamala (CH) 1999, Conzett Bronzini Partner

a

b

7

8

7 Die innerstädtische Fuß­ gängerbrücke hängt an 16 Zugstäben, die ihre Lasten an einen baum­ artigen Mast aus ein­ zelnen Natursteinblöcken weiterleiten. Bad Homburg (DE) 2002, schlaich bergermann partner 8 Bahrmühlenviadukt, Chemnitz (DE) 1872, 2010 instandgesetzt, Marx Krontal Partner 9 Druckfestigkeiten verschiedener, für den Mas­sivbrückenbau relevanter Baustoffe

Gesteinsart und Vorkommen stark. Zahlreiche Gesteine wie z. B. Granit, Porphyr, Diorit, Sandstein, Basalt, Muschelkalk, Marmor und Travertin sind im Brückenbau als tragende Bauteile oder als Verblendungen verbaut.

Naturstein ist in der Regel ein sehr witterungsbeständiger Baustoff und besitzt eine hohe Abriebfestigkeit gegen Wasser- sowie Sanderosion und wurde aufgrund der Dauerhaftigkeit gern für Vormauerungen von Flusspfeilern ver­wendet.

be­brücken aus den letzten Jahrhunderten, die durch Witterung, Verkehr und Umbauten stark sanierungsbedürftig sind (Abb. 8). Weil bei diesen Instandsetzungen das Wissen um alte Konstruktionsprinzipien, Material und Schädigungsprozesse erforderlich ist, stellt die Planung und Umsetzung eine besondere Ingenieur- und Bauaufgabe dar.

Material

Druckfes­ tigkeit [N/mm²]

Marmor, Granit

bis 300

Sandstein

bis 150

Kalkstein

bis 90

Vollklinker

bis 80

Vollziegel

bis 48

Beton

> 20

hochfester Beton

bis 150

ultrahoch- über 150 fester Beton 9

Naturstein im heutigen Brückenbau Heute konzentriert sich das Wissen der Ingenieure im Massivbau ausschließlich auf indus­ triell herstellbare Baustoffe, und die Erfahrungen im Natursteinbrückenbau sind fast völlig verloren. Im Neubau werden Natursteine derzeit nahezu ausschließlich für Verblendungen zur optischen Aufwertung und Erhöhung der Dauerhaftigkeit verwendet. Das wird dem Baustoff als Konstruktions­ma­terial nicht gerecht. Die heute bei vielen Fach­betrieben verfügbare 3-D-gestützte Natursteinbearbeitung ist auch für moderne Brückentragwerke mit hoher Nachhaltigkeit und geringer CO2Emission wirtschaftlich denkbar. In den letzten Jahren wurden einige Fußgängerbrücken als Hybridtragwerke mit Natursteinen und interner Vorspannung oder externen Traggliedern mit extrem hohen Schlankheiten errichtet (Abb. 5 und Abb. 6).

Der Fokus liegt heute jedoch vielmehr auf dem Erhalten und Sanieren der vielen Gewöl­­

Eisen und Stahl Schon seit mehr als 3000 Jahren werden ­verarbeitete Eisenerze als Rohstoff für Werkzeuge, Schmuck und in der Waffenschmiede verwendet. Später nutzten z. B. die Römer Eisen für Beschläge und Klammern als Verbindungselemente von Steinquadern auch im Brückenbau [1]. Der Durchbruch des Eisens für den kon­struk­tiven Brücken- und Ingenieurbau erfolgte erst im 18. Jahrhundert durch die verbesserten Möglichkeiten der großmaßstäblichen Produktion von Roheisen mit dem Einsatz von Koks statt Holzkohle und der Weiterentwicklung des Hochofens. Durch die dem Steinbau über­legene Eigenschaft von Eisenkonstruktionen, große Kräfte im Vergleich zum verbauten Kon­ struktionsgewicht aufzunehmen, ließen sich Kosten senken und die Bauzeit erheblich verkürzen. Von Coalbrookdale in Mittelengland aus­gehend, prägte der Werkstoff Eisen das indus­trielle Zeitalter wie kein anderer mit den damit verbundenen gesellschaftlichen Umwälzungen und Errungenschaften (Abb. 7, S. 16).

Materialien

87

5

1

4

2

3

1 Bogen 2 Aufständerungen 3 Kämpfer 4 Stirnwand 5 Brüstung

20 Steinbogenbrücke Anji Qiao, Zhao Xian (CN) 605 n. Chr., Li Chun

21 klassisches Viadukt

Bögen

22 Stabbogen als Durchlaufträger

23 Stabbogen als Unterstützung der Fahrbahn

24 Bogen mit Rückhängung der Zugkraft in der Fahrbahn

25 Langerscher Balken

26 Netzwerkbogen

98

Der Bogen ist nach dem Balken das älteste Trag­ system. Schon früh wurde ein Nutzen darin erkannt, Steinblöcke radial aufzuschichten und den Bogen­ schub als Kraftabtrag ausschließlich über Druck­ kräfte zu aktivieren (Abb. 20). Steinviadukte als ­Eisenbahnbrücken, die die Bauform der Viadukte und Aquädukte des Römischen Reichs wieder auf­ nehmen, sind imposante Zeitzeugen eines robus­ ten, jedoch nicht mehr modernen Brückentyps (Abb. 21). Bei gleichmäßiger vertikaler Belastung entfaltet der Bogen seine volle Wirksamkeit. Halb­ seitige Lasten aus Verkehr müssen durch Biegemo­ mente abgetragen oder durch hohes Eigengewicht überdrückt werden. Aus diesem Grund ist der Ein­ satz von Bogentragwerken bei größeren Spannwei­ ten nur sinnvoll, wenn die Verkehrslasten im Ver­ hältnis zur Eigenlast klein sind und der Baugrund sehr steif ist (z. B. Fels).

Ausgehend vom gevouteten Balken (Abb. 9, S. 95) über das aufgelöste Fachwerk (Abb. 17, S. 97) wird bei Stabbogenkonstruktionen die Voute nach un­ ten weiter aufgeweitet und gegliedert, sodass die Druckkraft nicht über Füllstäbe hoch gehängt, son­ dern über Bogenwirkung direkt zum Auflager als Stabbogen geführt werden kann (Abb. 22).

Die einwirkenden Kämpferkräfte an den Auflagern müssen entweder direkt in den Untergrund ein­ geleitet (Abb. 23) oder wieder in das Brückendeck zurück­gehängt bzw. dort kurzgeschlossen werden, wie das Beispiel des Stabbogens in Abb. 22 zeigt.

Der Stabbogen in Abb. 23 wirkt als unterstüt­ zende Konstruktion des Brückendecks, das vom Bogen abgesetzt ist und die Biegemomente aus halbsei­tigen Lasten übernimmt. Das Tragverhalten ist anhand der Bauteildimensionen klar nachvoll­ ziehbar.

Für Fahrbahnen mit geringer Höhe über dem Ge­ lände eignen sich Bogentragwerke, die über der Fahrbahn angeordnet sind und die Horizontalkraft in die Fahrbahn zurückführen (Abb. 24). Beim soge­ nannten Langerschen Balken verläuft der Bogen

gänzlich über der Fahrbahn, und dessen Kämp­ ferkräfte werden durch den in die Fahrbahn ­integrierten Streckträger als Zugband verbunden (Abb. 25). Durch die vertikalen Hänger muss vor­ wiegend ­dieser Streckträger die halbseitigen Las­ ten über Biegung aufnehmen und in der Regel größer als der Bogenquer­schnitt dimensioniert.

Im Gegensatz dazu funktioniert der Netzwerk­ bogen durch die diagonal und überkreuzt ange­ ordneten Zugelemente ähnlich wie ein Biege­ träger (Abb. 26). Das Tragwerk stellt hier eine Symbiose zwischen Bogen und Fachwerk dar und ist äußerst steif im Verhältnis zum reinen ­Stabbogen. Asymmetrische Verkehrslasten wer­ den durch die Hängeranordnung effektiv auf den Bogen und den Versteifungsträger verteilt, wodurch sich die Biegebeanspruchungen dort ­reduzieren und das Tragwerk sehr schlank aus­ geführt werden kann.

In Analogie zum Sprengwerk (Abb. 11 ganz oben, S. 95) und zum Stabbogen (Abb. 22) zeigen Abb. 27 und Abb. 28 zwei Varianten, bei denen der Bogenscheitel mit dem Deck verschmilzt. Im Gegensatz zur Durchlaufwirkung (Abb. 27) leitet hier der Bogen die Kräfte in die Felsflanken ein.

Es ist dabei ein eindeutigerer Zen­trumsbezug zur Scheitelachse feststellbar, der den Bogen als geeignetes, dynamisch wirkendes Tragwerk über Hindernisse wie tiefe Schluchten kennzeichnet.

Abb. 29 zeigt den klassischen, echten Bogen mit aufgeständerter Fahrbahn, der im Gegensatz zum Stabbogen in Abb. 23 als dominierendes Bauteil auftritt. Er stemmt sich kraftvoll gegen den Felsen, übernimmt die Biegemomente aus halbseitiger Last und hebt sich aus diesem Grund in den Dimen­ sionen entsprechend hervor.

Als Fußgängerbrücken können Bogenbrücken auch in unterschiedlichen Variationen wie z. B. mit aufliegendem Spannband, das die Bogenhorizon­ talkraft wieder kurzschließt, ausgeführt werden (Abb. 30).

27 Bogen als Durchlaufwirkung

28 Bogen mit ausgeprägtem Zentrumsbezug

29 klassische (echte) Bogenbrücke

Bogen mit Gegengewicht (z. B. Dyckerhoft-Brücke, Wiesbaden, 1967)

Bögen mit aufliegenden Spannbändern (z. B. Überführung bei Olmütz, 2007) 30 Bogenvariationen für Fuß- und Radwegbrücken

Konstruktionen

99

Brücken im Detail

Fuß- und Radwegbrücken »Stuttgarter Holzbrücke« in Weinstadt (DE)

Knippers Helbig Advanced Engineering /Cheret Bozic Architekten Kettenbrücke in Weimar (DE)

Marx Krontal Partner (Sanierung) Tintagel Castle Bridge (GB)

Ney & Partners / William Matthews Associates

104 110 114

Straßenbrücken Queensferry Crossing bei Edinburgh (GB)

Jacobs Arup Joint Venture / L eonhardt Andrä und Partner / Rambøll Group / Rambøll UK / Sweco UK Taminabrücke im Kanton St. Gallen (CH)

Leonhardt Andrä und Partner / dsp Ingenieure + Planer / Smolczyk & Partner A5.Ü20 bei Wilfersdorf (AT)

Asfinag Bau Management / Öhlinger und Partner / Mayer Ingenieurleistungen Lower Hātea River Crossing in Whangarei, Neuseeland (NZ)

Knight Architects / Peters & Cheung (heute Novare Design)

120 125 132 136

Eisenbahnbrücken Scherkondetalbrücke bei Krautheim (DE)

DB ProjektBau / Steffen Marx, Ludolf Krontal Zweite Hinterrheinbrücke bei Reichenau (CH)

Dissing+Weitling, WaltGalmarini, Cowi UK Getwingbrücke in Zermatt (CH)

schlaich bergermann partner / SRP Schneider & Partner Ingenieur-Consult / mls architekten

142 146 152

103

Eisenbahnbrücke auf schlankem Fuß Scherkondetalbrücke bei Krautheim, Deutschland

„Eine geradlinige und stringente Brücke im gleichmäßigen Duktus, die dem Zweck einer Hochleistungs­ strecke entspricht und Ingenieurhöchstleistung in sich trägt. Die Fugen und Lager auf ein absolutes Mini­ mum reduziert, wartungsarm und detailtreu von der Gesamtkomposition bis zur Entwässerung, überzeugt das Bauwerk durch Kompaktheit und die feinen Formakzente der Vouten und Pfeileranzüge.“

Michael Kleiser

Die 2015 in Betrieb genommene Scherkondetalbrücke befindet sich im Landkreis ­Weimarer Land und ist Teil der ICE-Hochgeschwindigkeitsstrecke Erfurt – Leipzig / Halle. Sie führt nördlich von Krautheim über den kleinen Fluss Scherkonde, der hier zu einem See aufgestaut ist.

Gestaltung und Tragkonzept Eisenbahnhochgeschwindigkeitsbrücken müssen im Vergleich zu herkömmlichen Straßen- oder Eisenbahnbrücken deutlich höhere Anforderungen hinsichtlich der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit erfüllen. Die Gewährleistung der dynamischen Stabilität und die Begrenzung der Bauwerksverformungen erfordern extrem steife Konstruktionen, was sich durch sehr massive Bauteilgeometrien äußert.

Im Gegensatz zu den bisher üblichen Einfeldträgerketten geht die Scherkondetalbrücke mit ihrem semiintegralen Tragwerk neue Wege: Wie bei semiintegralen Bauwerken üblich, ist der Überbau monolithisch mit den Entwurf und Kon­ struktion: DB ProjektBau, DE-Leipzig, Steffen Marx, Ludolf Krontal Ausführungsplanung: Büchting + Streit,

142

DE-München Prüfingenieur: Curbach Bösche ­Ingenieurpartner, DE-Dresden Bauherr: DB Netz, DE-Leipzig

00

01a

01

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Schnitt Maßstab 1:2000

Scherkondetalbrücke bei Krautheim (DE)

143

Pfeilern und teilweise mit den Widerlagern verbunden. Mit dem Tragkonzept erfüllt die Brücke alle statischen und dynamischen Anforderung und ist dabei extrem schlank und transparent.

Längskraftabtrag Die Ableitung der großen Horizontalkräfte, die durch die Kombination von Brems-, Anfahr- und Zwangskräften entstehen, stellten im Entwurfsprozess eine besondere Herausforderung dar. Die Planer untersuchten zahlreiche Varianten hinsichtlich der Festpunktwahl und kamen zu dem Ergebnis, dass der Überbau an das Widerlager West und an elf Pfeiler (von 01a bis 10) monolithisch angeschlossen werden muss.

Die hohen Kräfte werden verformungsarm am Widerlager West über zwei nahezu starre, in Bauwerkslängsrichtung angeordnete Bohrpfahlwände in den Baugrund abgeleitet.

Da der Abstand zwischen dem Festpunkt und dem letzten angeschlossenen Pfeiler mit 452 m sehr groß ist, treten in den monolithisch angeschlossenen Pfeilern sehr hohe Zwangsbeanspruchungen aus Temperatur, Kriechen und Schwinden auf. Um diese zu minimieren, sind die Pfeiler und ihre Gründungen in Tragwerkslängsrichtung sehr

nachgiebig und schlank ausgeführt. Die Pfeiler ruhen auf einreihigen, vertikal sehr steifen Pfahlgründungen, die ebenfalls Zwangsbeanspruchungen aufnehmen.

Durch die gezielte Auswahl der Zuschlagstoffe des Betons wurde das E-Modul so gesteuert, dass die Pfeiler weichere und der Überbau hohe, effektivere Steifigkeiten aufweist.

Die Reduzierung von Lagern und Fugen ermöglicht eine verbesserte Dauerhaftigkeit und dadurch eine erhebliche Reduzierung der Wartungskosten.

Bauprozess Die Erstellung des Überbaus erfolgte bauabschnittsweise mithilfe einer auf Konsolen gelagerten Vorschubrüstung vom Widerlager Ost aus, wo für die Überbauherstellung der temporäre Längsfestpunkt lag. Durch den Festpunktwechsel auf das Widerlager West während des Herstellungsprozesses konnten die Zwängungen im Bauzustand wesentlich minimiert werden. Jeder Überbauabschnitt wurde ohne Arbeitsfuge in einem Zug betoniert.

Nach diesem innovativen, semiintegralen Konstruktionsprinzip sind bereits weitere Eisenbahnhochgeschwindigkeitsbrücken der Deutschen Bahn entstanden.

2

3

4

1

5

5

92,44 13,90

36,36 44,00

144

Längsschnitt • Quer­ schnitte Überbau Maßstab 1:250

Ansicht Vorschub­ rüstung Maßstab 1:600 1 Rüstträger U 3000 2 Schalungsträger HEB 550 3 Koppelfuge 4 Aufhängung 5 Einrüstung am Pfeiler

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ScherkondetalbrĂźcke bei Krautheim (DE)

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Bildnachweis Allen, die durch Überlassung ihrer Bildvor­ lagen, durch Erteilung von Reproduktions­ erlaubnis und durch Auskünfte am Zustande­ kommen des Buches mitgeholfen haben, sagen Autoren und Verlag aufrichtigen Dank.

Sämtliche Zeichnungen in diesem Werk sind eigens angefertigt. Trotz inten­siver Bemü­ hungen konnten wir einige Urheber der Abbildungen nicht ermitteln, die Urheber­ rechte sind aber gewahrt. Wir bitten um ­dementsprechende Nachricht.

Zeichnung auf dem Cover: Taminabrücke im Kanton St. Gallen (CH) Leonhardt Andrä und Partner, dsp ­ Ingenieure + Planer, Smolczyk & Partner Entwerfen von Brücken 1 By Estec GmbH, Billig Hotel in Prag — Own work, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index. php?curid=7053219 2 form PxHere 3 Ludolf Krontal 4 Ralph Feiner 5 Von Ezzeldin.Elbaksawy — Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index. php?curid=92099689 6 https://pixabay.com/de/photos/ paris-br%C3%BCcke-pont-neuf-seine­368384/ 7 A. Liebhart/pixelio.de 8 Von Dinkum — Eigenes Werk, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index. php?curid=20742587 9 By Behrad09 — Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index. php?curid=52072141 10 Jean-Luc Deru/ Photo-daylight.com 11 By Mike Lehmann, Mike Switzerland — Own work, CC BY-SA 2.5, https://de.wikipe­ dia.org/w/index.php?curid=3891352 12 a ETH-Bibliothek Zürich, Bildarchiv 12 b ETH-Bibliothek Zürich, Bildarchiv/­ Fotograf: Boissonnas, François-Frédéric / Hs_1085-1935-36-1-24/Public Domain Mark Brücken für den langsamen Verkehr 1 Von Axel Hindemith, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index. php?curid=80287773 2 Von Vinayak Hegde — Flickr: A double decker living bridge, CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index. php?curid=18808200 3 Lothar Henke / pixelio.de 4 wikipedia Ochsenklavier_Pfrimmpark_CC BY-SA 4.0_Goldener Käfer.jpg 5 Von Davepark — Eigenes Werk, CC BY-SA

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3.0, https://commons.wikimedia.org/w/ index.php?curid=17874542 6 wikipedia CC BY-SA 3.0_Davepark 7 www.bernd-nebel.de 8 Petra Egloffstein 9 Von MOSSOT — Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/ index.php?curid=9403804 10 Von Pufacz — Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/ index.php?curid=21782053" 11 Junkyardsparkle Wikimedia Commons, Public Domain, https://upload.wikimedia. org/wikipedia/commons/ 8/8e/California_ Cycleway_1900.jpg 12 Von Theo lauber — Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia. org/w/index.php?curid=77913620 13 By Sunyiming — Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index. php?curid=80878228 14 A.Windmüller / pixelio.de 15 Rasmus Hjortshøj — COAST 16 ipv Delft – Beeldtaal 17 Foster + Partners / Exterior Architecture 18 visualization Dissing+Weitling / POSCO, Engineering Division Straßenbrücken 1 iStock photo, Foto: Lukas Bischoff 2 a aus: Merckel, Curt: Die Ingenieurtechnik Im Alterthum. Berlin 1899, S. 301, Abb. 108 2 b agefotostock /Alamy Stock Foto, Foto: Tono Balaguer 3 https://structurae.net/de/fotos/76196seinebruecke-neuilly 4 Tak /Adobe Stock Foto 5 a Gesellschaft für Ingenieurbaukunst/ Clementine Hegner-van Rooden 5 b Eugen Brühwiler 6 Michael Kleiser 7 aus Pauser, Alfred: Entwicklungsgeschichte des Massivbrückenbaues. Österreichischer Betonverein, 1987, S. 89, Abb. 96; Zeichnung: Michael Kleiser 8 ASFINAG / Zeichnung: Michael Kleiser 9 Daten nach PIARC 2017 10 Ralph Feiner 11 By Michael from Germany — originally posted to Flickr as Skarnsundbrua, CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/ index.php?curid=11460269 12 Photo by Maarten de Vries from FreeImages 13 Von HK Arun — Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/ index.php?curid=14202705 14 Michael Kleiser 15 By Storebæltsbroen.jpg: Alan Francis­ derivative work: pro2 — Storebæltsbroen. jpg, CC BY-SA 3.0, https://commons.wiki­

media.org/w/index.php?curid=15320759 16 Bildagentur PantherMedia / iofoto 17 Michael Kleiser 18 Lutz Sparowitz 19 Walo 20 Michael Kleiser 21, 22 Sparowitz, Lutz; Freytag, Bernhard; Oppeneder, Johannes; Tue, Viet Nguyen: Quickway – smart mobility for the liveable city of the future. Proceedings, 25th Czech Concrete Days. 2018 Brücken für den Schienenverkehr 1 form PxHere, https://pxhere.com/de/ photo/663341 2 a, b www.letchworthparkhistory.com 2 c Von Andre Carrotflower — Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia. org/w/index.php?curid= 82896860 3 Nicolas Janberg 4 Vincent Le Quéré 5 a Von Andreas Passwirth, Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://de.wikipedia.org/wiki/ Langwieser_Viadukt#/media/Datei: ­Langwieser_Viadukt_Unterseite.jpg 5 b By a, https://commons.wikimedia.org/w/ index.php?curid=22012846 6 Marx Krontal Partner 7 Steffen Marx 8 nach Datenbasis der DB Netz AG 9 HyperloopTT 10 Firmengruppe Max Bögl 11 Knight Architects 12 Hanno Thurnher Fotografie 13 Nicolas Janberg 14 Ludolf Krontal 15 SSF Ingenieure 16 Marx Krontal Partner 17 Nicolas Janberg 18 Marx Krontal Partner 19 SSF Ingenieur AG: Brücken mit VerbundFertigteil-Trägern. VFT-Bauweise. Projekt­ broschüre 20 Marx Krontal Partner Brücken und Verkehr 1 Lindsay Corporation 2 Markus Friedrich 3 (S. 45) verschiedene Quellen: — Netzlänge: nach BMVI: Verkehr in Zahlen.

Berlin 2018 und Abschätzungen des Autors — Anzahl der Brücken: ÖV-Fern: DB Netze 2018; Pkw Bundesfernstraßen: BASt 2019; Pkw Landes-, Kreis- und sonstige Straßen, Fuß und Rad: Arndt 2013 und Difu 2015 (siehe Anm. 4; Brücken und Verkehr, S. 159) — Personenkilometer: Berechnungen des Autors basierend auf BMVI: Mobilität in Deutschland — MiD. Ergebnisbericht. Bonn/ Berlin 2019 und Bäumer, Marcus u. a.: Fahr­

leistungserhebung 2014. Bundes­anstalt für Straßenwesen. Bergisch Gladbach 2017 4 FGSV-Nr. 121 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (Hrsg.): Richt­ linien für integrierte Netzgestaltung (RIN).

Köln 2008 5, 6 Markus Friedrich 7 ASFINAG, Statistik Austria Erhalten und Bewerten von Brücken 1 nach BASt Heft B 68: Auswirkungen des Schwerlastverkehrs auf die Brücken der Bundesfernstraßen. S. 36 2 Marx Krontal Partner 3 nach Mark, Peter: Erhalt unserer Bausubs­ tanz. In: Betonkalender 2015. Band 1. Berlin 2014, S. 8 4 Auswertung der Daten der Deutschen Bahn AG, Forschungsprojekt: Digitale Instandhaltung von Eisenbahnbrücken – DiMaRB, Leibniz Universität Hannover 2019 5 a Ludolf Krontal 5 b ZKP 5 c Laumer Bau 6 – 8, 10 Marx Krontal Partner 9 wtm-engineers, Marx Krontal Partner Einwirkungen 1 Michael Kleiser 2 Thorsten Helbig 3 nach Eurocode 1 DIN EN 1991-2:2010-12 4 nach historischen Quellen und aktuellen Normen, z. B. DIN EN 1991-2:2010 5 nach Eurocode 1 DIN EN 1991-2:2010-12 6 nach Krontal, Ludolf: Zum Entwurf von Eisenbahnbrücken. In: structurae Projektbei­ spiele Eisenbahnbrücken. Berlin 2014, S. 3 7 Wacker-Ingenieure.de 8 Thorsten Helbig 9 Nahrath, Niklas: Modellierung Regen-Windinduzierter Schwingungen. Dissertation.

TU Braunschweig, 2004, S. 34 10 nach Richtlinien für den Entwurf, die ­konstruktive Ausbildung und Ausstattung von Ingenieurbauten (RE-ING) 2017 11 nach Wenk, Thomas: Erdbebensicherung bestehender Bauwerke. Vorlesungsunter­ lagen. Zürich 2000 12 Thomas L. Rewerts, of Thos. Rewerts & Co., LLC 13 a aus: Varela, Sebastian; Saiidi, Mehdi: Resilient deconstructible columns for acce­ lerated bridge construction in seismically active areas. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2017, Vol. 28 (13), Abb. 1 (C) Funktion 1 David Boureau 2 Marx Krontal Partner 3, 4 wesentlich nach Eichwalder, Bernhard: Fugenlose Fahrbahnübergangskonstruktion für lange integrale Brücken. Dissertation.

Institut für Tragkonstruktionen, Forschungs­ bereich für Stahlbeton- und Massivbau.

Technische Universität Wien, 2017, S. 27, Zeichnung Michael Kleiser 5 mageba 6 a ASFINAG 6 b Michael Kleiser 7 nach Ril 804.5202 8, 9 Michael Kleiser nach RVS (AT), BASt Richtzeichnungen, Astra (CH), Deutsche Bahn, SSF, ÖBB, Kantbalk Typ 8 KTH, The Illinois State Toll Highway Authority 10 Michael Kleiser 11 schlaich bergermann partner / Michael Zimmermann 12 Marx Krontal Partner 13 Schréder Wirtschaftlichkeit 1 Kris Provoost 2 nach Pauser, Alfred: Eisenbeton in der ersten Jahrhunderthälfte. In: 100 Jahre Beton- und Bautechnik. Vom Beton-Eisen zum Spann­ beton. Österreichische Vereinigung für Beton- und Bautechnik. Wien 2007, S. 127 3 nach Kessler, Anne; Marx, Steffen: Ingeni­ eurwettbewerbe im Brückenbau. Eine Pro­ jektanalyse über Aufwand und Qualität. In: Deutsches Ingenieurblatt 10/2018, S. 36ff.

4 Alan Karchmer 5 nach FSV: RVS 13.05.11 — Lebenszyklus­ kostenermittlung für Brücken. Richtlinie. Österreichische Forschungsgesellschaft Straße — Schiene — Verkehr 2017 Nachhaltigkeit 1 Von AngMoKio — Eigenes Werk, CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/ index.php?curid=1253561 2 Daten nach ÖKOBAUDAT 3 a Hansjörg Lipp, CC BY-SA 2.0, http://geo.hlipp.de/photo/87371 3 b wilfried-dechau.de 3 c Burkhard Walther 4 — 6 Daten von Thorsten Helbig, Jana Nowak 7 aus RVS 13.05.11: Lebenszykluskosten­ ermittlung für Brücken 8 aus Van Eygen, Emile; Fellner, Johann: Ökobilanzierung im Brückenbau. Eine ­vergleichende Lebenszyklusanalyse einer Spannbeton- und einer Verbundbrücke.

Studie. Technische Universität Wien, 2019 Materialien 1 nach Neuhaus, Helmuth: Ingenieur­ holzbau. Wiesbaden 2017 2 Ronald Knapp 3 Thorsten Helbig 4 Schaffitzel Holzindustrie GmbH + Co. KG 5 Kusser Granitwerke GmbH 6 Conzett Bronzini Partner AG 7 schlaich bergermann partner 8 Marx Krontal Partner 9 nach Natursteindatenbanken, DIN EN 771-1, DIN EN 1992-1-1:2011 und DIN EN 206 10 Zusammenstellung Michael Kleiser 11 aus Marti, Peter; Monsch, Orlando;

Schil­ling, Birgit: Ingenieur-Betonbau.

Gesellschaft für Ingenieurbaukunst. Zürich 2005, Abb. S. 47 12, 13 Michael Kleiser 14 schlaich bergermann partner 15 BridgeDesign2 by Joris Laarman Lab 16 Marc Lins, M+G INGENIEURE 17 ETH-Bibliothek Zürich, Bildarchiv / ­Fotograf: Unbekannt /Hs_1085-1933-2-18/­ Public Domain Mark 18 Lisa Ricciotti 19 Tsinghua University (School of Architecture)-Zoina Land Joint Research Center for Digital Architecture (JCDA) 20 nach Bau-Überwachungsverein – BÜV e.V. (Hrsg.): Tragende Kunststoffbauteile.

Heidelberg/Berlin 2014 21, 23 www.solidian.com 22 wilfried-dechau.de Konstruktionen 1— 40 Michael Kleiser Projektbeispiele S. 102 Hufton+Crow S. 105, 106 Burkhard Walther S. 107 oben MPA Stuttgart S. 107 Mitte, unten Schaffitzel Holzindustrie S. 109 oben Wilfried Dechau S. 109 unten Burkhard Walther S. 111, 113 Alexander Burzik S. 112 Marx Krontal Partner S. 114 —115 Hufton+Crow S. 115 Ney & Partner, Laurent Ney S. 116, 118, 119 oben Hufton+Crow S. 119 unten Ney & Partner, Laurent Ney S. 120—122 oben Transport Scotland S. 122 unten Bastian Kratzke / LAP Consult S. 123, 124 links PA Images S. 124 rechts, 125 Lukas Kohler / LAP Consult S. 126 Bastian Kratzke / LAP Consult S. 127, 128 oben Tiefbauamt Kanton

St. Gallen S. 128 Mitte oben, Mitte unten, unten

Leonhardt, Andrä und Partner S. 129, 130 Tiefbauamt Kanton St. Gallen S. 131 Leonhardt, Andrä und Partner S. 132 — 135 Michael Kleiser, Mayer ­Ingenieurleistungen S. 136 — 137 Patrick Reynolds S. 138 oben, Mitte Knight Architects S. 138 unten, 140 Patrick Reynolds S. 141 oben Peters & Cheung Ltd. S. 141 unten Knight Architects S. 142—143 Alexander Burzik S. 144, 145 unten Ludolf Krontal S. 145 oben Alexander Burzik S. 146 Walt Galmarini S. 147 Stephane Braune S. 148 oben, Mitte Roman Sidler S. 148 unten Andreas Ludin S. 149, 151 Roman Sidler S. 150 Andreas Galmarini S. 152 David Hannes Bumann S. 154 —155 schlaich bergermann partner

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Quellen Entwerfen von Brücken [1] Lipps 1897 Lipps, Theodor: Raumästhetik und geometrisch-optische Täuschungen.

Nachdruck der Ausgabe Leipzig 1897.

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Berlin 2014 [8] ÖNORM B 4008-2, wie Anm. 5 [9] ebd.

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[13] DBV-Merkblatt 08/2018 DBV-Merkblatt Brückenmonitoring, ­Planung, Ausschreibung und Umset­ zung, 08/2018 Einwirkungen [1] DIN EN 1991-2:2010-12 Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke – Teil 2: Verkehrslasten auf Brücken [2] Taferner 2009 Taferner, Josef; Keuser, Manfred; ­Bergmeister, Konrad: Integrale Kon­ struktionen aus Beton. In: Betonkalender 2009, Teil 2. Berlin 2008 [3] Poston 1998 Poston, R. W.: Cable-stay conundrum, Journal of Civil Engineering, 8/1998, Vol. 68, S. 58 — 61 [4] Nahrath 2004 Nahrath, Niklas: Modellierung RegenWind-induzierter Schwingungen. ­Dissertation. Technische Universität Braunschweig, 2004 [5] ASTRA 2005 Bundesamt für Strassen ASTRA: Beurtei­ lung der Erdbebensicherheit bestehen­ der Straßenbrücken. Dokumentation.

Bern 2005 [6] Varela/Saiidi 2017 Varela, Sebastian; Saiidi, Mehdi: Resili­ ent deconstructible columns for accele­ rated bridge construction in seismically active areas. Journal of Intelligent Mate­ rial Systems and Structures. 13/2017, Vol. 28, S. 1751— 1774 Funktion [1] Merckel 1899 Merckel, Curt: Die Ingenieurtechnik im Althertum. Berlin 1899, S. 280 [2] ebd., S. 286 [3] FSV: RVS 15.04.81, 2017 FSV: RVS 15.04.81: Lärmschutzwände auf Kunstbauten — Ausbildung und Dimen­sionierung. Forschungsgemein­ schaft Straße Schiene Verkehr, Richt­ linie 2017 [4] Eichwalder 2017 Eichwalder, Bernhard: Fugenlose Fahr­ bahnübergangskonstruktion für lange integrale Brücken. Dissertation. Institut für Tragkonstruktionen, Forschungs­ bereich für Stahlbeton- und Massivbau.

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[3] Kleiser 2017 Kleiser, Michael: Formlogik und Form­ dynamik am Beispiel von integralen Überführungsbrücken. Dissertation.

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München 2012, S. 81 [8] FSV: RVS 13.05.11 2017 FSV: RVS 13.05.11: Lebenszykluskosten­ ermittlung für Brücken. Österreichische Forschungsgesellschaft Straße — Schiene — Verkehr. Richtlinie. 2017 [9] Highway England u. a.: CD 355, 2019 Highway England u. a.: CD 355 Applica­ tion of whole-life costs for design and maintenance of highway structures: Design Manual for Roads and Bridges (DMRB), 2019 Nachhaltigkeit [1] Brundtlandt-Kommision, S. 57, Abs. 15 [2] Life Cycle in Practice www.lifelcip.eu (aufgerufen am 27.03.2020) [3] Geißler 2014 Geißler, Karsten: Handbuch Brücken­ bau. Berlin 2014 [4] European Commission2010 European Commission; Joint Research Centre. ILCD Handbook: General Guide for Life Cycle Assessment: Detailed Guidance; Publications Office of the European Union: Luxembourg 2010 [5] Van Eygen 2019 Van Eygen, Emile; Fellner, Johann: Öko­ bilanzierung im Brückenbau. Eine ver­ gleichende Lebenszyklusanalyse einer Spannbeton- und einer Verbundbrücke.

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Berlin 2003

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Autoren Thorsten Helbig 1967 in Nordhausen geboren 1984 –1990 Maurerlehre und Montage­ tätigkeit in Erfurt 1990 –1994 Diplom Bauingenieurwesen an der FH Bielefeld / Campus Minden 1994 – 2001 Tragwerksplaner bei schlaich bergermann partner, Stuttgart seit 2001 Gründungspartner von Knippers Helbig mit Niederlassungen in Stuttgart, Berlin und New York seit 2018 Associate Professor an der Irwin S. Chanin School of Architecture, The Cooper Union, New York seit 2020 American Society of Civil Engi­ neers, Aesthetics in Design Committee

Michael Kleiser 1967 in Wien geboren 1994 Diplom Bauingenieurwesen an der TU Wien 1994 –1997 Forschungstätigkeiten an der TU Wien, TU Aalborg und der University of California, San Diego 1998 – 2011 Tragwerksplanung schlaich bergermann partner, Stuttgart und Inge­ nieurbüro Pauser / PCD-ZT, Wien seit 2011 Brückenexperte bei der ASFINAG Bau Management GmbH, Wien seit 2014 Lehrauftrag an der FH Campus Wien, Department Bauen und Gestalten 2017 Dissertation an der TU Wien: Formlogik und Formdynamik am Beispiel von integralen Überführungsbrücken seit 2017 Lehrauftrag an der TU Wien, Institut für Tragkonstruktionen u. a. Vorle­ sung: „Ingenieurformkunst“

Ludolf Krontal 1969 in Osterburg geboren 1985 –1988 Lehre als Zimmermann und Mitarbeit beim VEB Denkmal­

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pflege ­Magdeburg 1991–1998 Studium Bauingenieurwesen an der Bauhaus-Universität Weimar und der Universitat Politècnica de València 1999 – 2002 Büroleiter Ingenieurbüro für Brückenbau in Dessau 2002 – 2011 DB ProjektBau Leipzig, Leiter Arbeitsgebiet Konstruktiver Ingenieurbau seit 2011 Geschäftsführer und Gesell­ schafter von Marx Krontal Partner mit Sitz in Hannover und Weimar

Markus Friedrich 1967 in München geboren 1983 –1989 Studium Bauingenieurwesen an der TU München 1994 Promotion zum Dr.-Ingenieur Thema: Rechnergestütztes Entwurfsver­ fahren für den ÖPNV im länd­lichen Raum 1989 –1995 Wissenschaftlicher Assistent am Lehrstuhl für Verkehrs- und Stadtpla­ nung, TU München 1995 – 2003 Bereichsleiter Planungssys­ teme Verkehr bei der Planung Transport Verkehr AG (PTV), Karlsruhe seit 2003 Professor an der Universität Stuttgart, Lehrstuhl Verkehrsplanung und Verkehrsleittechnik

Martin Knight geboren 1967 seit 2006 Direktor von Knight Architects, international bekannt für den Entwurf von Brücken verschiedene Lehrtätigkeiten an Schulen und Universitäten im Vereinigten König­ reich und in Europa, unter anderem an der TU Delft seit 2017 Gastprofessor an der TU Graz hält regelmäßig Vorträge über Brücken­ design

Brücken prägen Landschaften und Städte, es sind Bauwerke mit hohem Wert für die Gesellschaft. Brücken dokumen­tieren fast immer das technisch Machbare — und sind damit auto­ma­tisch Zeitzeugen von Mobilität und Materialität.

Wie haben sich Verkehr und Brückenbau entwickelt? Wo ­stecken Potenziale? Diese Publikation qualifiziert den Leser, Brücken ko­mplex beurteilen zu können und regt an, über ­Brücken und Brückenbau neu nachzudenken: mit Essays zur Geschichte, zu Besonderheiten der Materialwahl, zu ­Ent­wurfs­ansätzen, Konstruktionsarten, Instandsetzungsmög­lich­­keiten und Ideen z­ ur Infrastrukturplanung von morgen. ­Beein­druckende Projektbeispiele zeigen auf, wie es im ­Kleinen und im Großen gelingt, den Bogen zu spannen zwischen ­Technik und Baukunst, Wissen und innovativen Lösungen.

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