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Bogenbrücken |
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Bogenbrücken gehören zu den ältesten Konstruktionsformen im Brückenbau. Über Jahrhunderte hinweg war die klassische Bogenbrücke die einzige Brückenform, die dauerhaft der Witterung und Erosion stand halten konnte. Somit gehören Bogenbrücken mit zu den ältesten noch erhaltenen Brücken.
In Bogenbrücken wirken ausschließlich Druckkräfte, die über den Bogen in die Fundamente umgeleitet werden. Die große Reibung an den Auflageflächen der Steine lässt sogar eine Errichtung ohne Verbindungsmittel wie etwa Zement zu. Eine besondere Rolle kommt dabei dem mittleren „Schluss-Stein“ zu. Er hält die Bogenform zusammen. Durch die Trapez-Form der einzelnen Brückensteine kann kein Stein in die Brückenmitte verrutschen.
Da in der Brücke ausschließlich Druckkräfte wirken, eignen sich für Bogenbrücken Baumaterialien mit hoher Druckfestigkeit. Hierzu gehören neben Natursteinen auch Beton.
Die optimale Form des Bogens entspricht einer Kettenlinie. Bei einer ausgehängten Kette wirken keine seitlichen Kräfte, da beim Aushängen nur Zugkräfte in der Kette wirken. Spiegelt man nun diese Form an einer Horizontalen, so hat man die optimale Bogenform. Bei Bögen in dieser Form wirken nun ausschließlich Druckkräfte. Da keine seitlichen Kräfte wirken, trägt sich der Bogen von selbst.
Welche Materialien eignen sich nun aber zum Bau von Bogenbrücken? Ist es Zufall, dass die uns bekannten Bogenbrücken, die Jahrhunderte nahezu unbeschadet überstanden haben, aus gehauenen Natursteinen bestehen? Welche Materialeigenschaften haben diese Steinblöcke?
Als Druckfestigkeit wird die Widerstandsfähigkeit eines Baumaterials bei Einwirkung von Druckkräften bezeichnet. Sind die Druckkräfte pro Querschnittsfläche größer als die Druckfestigkeit, so wird der Baustoff zerstört. Dabei können sich Materialien extrem in ihrer Druckfestigkeit unterscheiden. Wird beispielsweise Sand durch Holzbretter in eine feste Form gebracht, so können enorme Druckkräfte auf die freie Sandfläche wirken. Umgekehrt kann Schaumstoff kaum Druckkräfte aufnehmen.
Die Druckfestigkeit wird in Labors geprüft. Beim sogenannten Druckversuch werden die Materialproben mit einer stetig ansteigenden Kraft zwischen zwei parallelen Druckplatten so lange belastet, bis es zum Bruch der Probe kommt. Meistens verwendet man dabei zylindrische Materialproben. Ein Messwerterfassungssystem zeichnet dabei sowohl die aufgewendete Druckkraft als auch die Stauchung der Materialprobe auf (siehe Abbildung).
Die maximal aufgewendete Druckkraft FD,max, die zum Bruch der Materialprobe führt, kann nun aus dem Diagramm abgelesen werden. Diese ist jedoch noch nicht sehr aussagekräftig, denn die maximale Druckkraft hängt entscheidend von der Querschnittsfläche A der Materialprobe ab. Aus diesem Grund wird nun die Druckfestigkeit fD über den Quotienten aus maximaler Druckkraft und Querschnittsfläche bestimmt. Es gilt:
Die Tabelle zeigt die Druckfestigkeit ausgewählter Baumaterialien:
| Baumaterial | Holz | Beton | Granit | Marmor | Sandstein |
| Druckfestigkeit in N/mm2 | 40-80 | 5-100 | 150-250 | 80-180 | 30-170 |
Dabei kann die Druckfestigkeit je nach Baustoff und Zusammensetzung stark variieren; insbesondere bei natürlichen Baumaterialien.
Steine als Baustoff haben einen entscheidenden Vorteil: Sie sind beständig, vermodern nicht und halten „ewig“. Zahlreiche Bauwerke aus Stein haben die Jahrhunderte überstanden, man denke nur an die Pyramiden in Ägypten, die Aquädukte im Mittelmeerraum oder den Kölner Dom. Kaum vorzustellen, wie damals diese Bauwerke ohne Maschineneinsatz entstanden sind. Denn Steine haben als Baustoff auch einen gewichtigen Nachteil: Steine sind nur schwer zu bearbeiten und haben eine große Masse. Dabei ist es wichtig, gehauene Natursteine von künstlichen Steinen, etwa Ziegelsteinen zu unterscheiden.
Natursteine sind nahezu überall verfügbar. In Steinbrüchen wurden zuerst Steinblöcke unter unvorstellbarem Körper- und Materialeinsatz aus dem massiven Felsgestein herausgebrochen und anschließend in die gewünschte Form gebracht. Mit Eselkarren oder mit kleinen Booten wurden die geformten Steine dann an die Baustelle gebracht und dort aufeinander gemauert. Holzgerüste, die kurzfristig errichtet wurden, unterstützen die Baumeister bei der Konstruktion der Bauwerke. Als Verbindungsmittel zwischen den Steinen dienten Gemische aus Kalk oder Lehm. Erst durch die Bogenform könnten jedoch geräumige Hallen und Brücken mit größeren Spannweiten errichtet werden. Für den berühmten Kölner Dom etwa verwendete man hauptsächlich das vulkanische Gestein Trachyt, das beim Drachenfels im Siebengebirge gebrochen wurde und anschließend über den Rhein nach Köln verschifft wurde. Der Bau solcher Großbauten dauerte jedoch einige Jahrzehnte.
Viel praktischer war als Baustoff Lehm. Schon in der Jungsteinzeit wurden Lehmblöcke mit der Hand geformt und in der Sonne getrocknet. Bekannt sind Ziegelsteine, die einige Jahrhunderte vor Christus in Mesopotamien gefunden wurden. Das kräfteraubende Hauen in den Steinbrüchen entfiel. Allerdings haben getrocknete Ziegelsteine auch einen Nachteil: Wasser! Zu viel Wasser weicht die luftgetrockneten Bausteine auf, sei es durch Regen oder durch Hochwasser. Aus diesem Grund finden sich alte Bauwerke aus Ziegelsteinen in wasserarmen Regionen. Eine entscheidende menschliche Errungenschaft war jedoch das Brennen der Backsteine. Durch Temperaturen über 1000°C entstehen in Öfen auch witterungsbeständige Ziegel, die sich auch für Außenmauern eignen. Gebrannte Ziegelsteine waren handlicher, leichter und leichter zu transportieren. Durch die chemische und mineralogische Zusammensetzung der Grundstoffe und die vereinheitlichte Quaderform der Ziegel konnten nun größere Bauwerke realisiert werden. So konnte die Hagia Sofia in Istanbul mit ihren Kuppeln aus gebrannten Ziegelstein die zahlreichen Erdbeben in der Bosporus-Region überstehen.
Heutzutage werden Natursteine vor allem im Gartenbau und im repräsentativen Innenausbau von Gebäuden etwa als Fassadenverkleidung, Treppenstufen oder Bodenbelag verwendet. Den Reiz machen dabei Unebenheiten, Einschlüsse und Farbunterschiede. Dabei können Natursteine mit ähnlicher Optik durchaus in ihren technischen Eigenschaften Unterschiede aufweisen. Eisenhaltige Steine können rosten, Kalksteine sind säureempfindlich und neigen zu Verfärbungen. Nicht zu vergessen sind die ökologischen Eigenschaften von Natursteinen. Der geringe Energieaufwand bei der Gewinnung und Verarbeitung, die lange Beständigkeit und die unproblematische Entsorgung sind dabei vorteilhaft.
Die Göltzschtalbrücke im sächsischen Vogtlandkreis ist die derzeit größte Ziegelsteinbrücke der Welt. Im Jahre 1846 begann der Bau der ca. 80m hohen Bogenbrücke, die als zweigleisige Einsenbahnbrücke auf der Bahnstrecke Leipzig – Hof das etwa 580m breite Tal der Göltzsch überspannt. Da in der Region der Region große Lehmvorkommen vorhanden waren und somit Ziegelsteine kostengünstig und schnell beschafft werden konnten, sahen die Planer als hauptsächlichen Baustoff gebrannte rotgefärbte Backsteinziegel als hauptsächliches Baumaterial vor, was damals sehr außergewöhnlich war. Nur an einigen sehr beanspruchten Stellen kam gebrochener Granit als Naturstein vor. Insgesamt geht man von etwa 26 Millionen verbauten Ziegelsteinen für die noch heute genutzte Eisenbahnbrücke aus. Die einmalige Bauweise mit ihren zahlreichen Rundbögen führten dazu, dass die Brücke 2009 zum Historischen Wahrzeichen der Ingenieurbaukunst erklärt wurde.
Kleinformatige Ziegel haben heute als tragendes Mauerwerk nur noch eine geringere Bedeutung. Im Neubau finden man vor allem größere Ziegel, die zur Gewichtseinsparung durchlöchert wurden. Bei gleicher Stabilität ermöglichen die Hohlräume größere, aber dennoch handhabbare Formate. Im Zuge der energetischen Sanierung von Bauwerken kommt den Hohlräumen noch eine weitere günstige Funktion hinzu. Die Freiräume sorgen für eine höhere Wärmedämmung. Zahlreiche Formate, Farbtönungen und Oberflächenbeschaffenheiten sind kostengünstig erhältlich.
Zeichne einen Bauplan einer Rundbogenbrücke im Maßstab 1:1 und baue anschließend die Rundbogenbrücke aus Gasbeton-Steinen oder Hartschaumplatten. Die vorgegebenen Steine mit den Maßen 10cm x 20cm x 30cm können dazu mit Sägen oder Styroporschneidern bearbeitet werden. Auf Grund des Maßstabs 1:1 kann der Bauplan anschließend zugeschnitten werden und als Schablone verwendet werden.
Skizze:
• Was war für den Bau der Bogenbrücke hiflsreich?
• Was hat den Bau der Bogenbrücke erschwert oder behindert?
• Was würde man bei einem erneuten Bau der Brücke besser machen?
Aufgaben zum Konstruktionsprinzip Bogenbrücke:
Aufgabe 1: Konstruktion BogenbrückeAufgaben zur Druckfestigkeit:
Aufgabe 4: Bogenbrücke aus SandsteinAufgaben zum Baumaterial Stein:
Aufgabe 7: GasbetonVermischte Aufgaben:
Aufgabe 9: Rundbogenstein