Brücken sind ein so alltäglicher Bestandteil unseres Lebens, dass wir sie oft als selbstverständlich ansehen. Ob wir mit dem Auto, zu Fuß oder mit dem Zug unterwegs sind, sie ermöglichen uns die Überquerung von Gewässern, Tälern, Straßen und anderen geologischen und vom Menschen geschaffenen Hindernissen. Ebenso wichtig ist, dass sie es ermöglichen, dass lebenswichtige Versorgungsleitungen, einschließlich Kabeln und Pipelines, diese Hindernisse ebenfalls überspannen.
Lassen Sie uns einen Blick auf einige gängige Brückenkonstruktionen werfen, wie sie sich im Laufe der Jahrhunderte entwickelt haben und welchen Zweck jede Konstruktion erfüllt. Und wenn wir schon dabei sind, können wir auch gleich ein paar bemerkenswerte Beispiele bewundern. Das könnte Ihnen und Ihren Kunden helfen, Brücken in einem neuen Licht zu sehen.
#1 – Balkenbrücke
Balkenbrücken gelten allgemein als die einfachste Form von Brücken. Wie einfach? Als Höhlenmenschen Baumstämme über Bäche legten, um sie zu überqueren, bauten sie die ersten Balkenbrücken.
Diese einfachen Brücken überspannen in der Regel relativ kurze Entfernungen. Um eine Balkenbrücke (auch Trägerbrücke genannt) zu bauen, braucht man nur eine starre horizontale Struktur (einen Balken) und zwei Stützen, eine an jedem Ende, auf denen er ruht. Diese tragen das Gewicht der Brücke und des Verkehrs, der sie überquert.
Die einfachste Balkenbrücke könnte ein Baumstamm, eine Holzplanke oder eine Steinplatte sein, die über einen schmalen Bach oder Fluss gelegt wird. Kompliziertere Brücken werden in der Regel aus Stahl oder Beton oder einer Kombination aus beidem gebaut. Die Betonelemente können bewehrt, vorgespannt oder nachgespannt sein.
Struktur einer typischen Balkenbrücke.
Beim Tragen des Gewichts ist eine Balkenbrücke sowohl Druck- als auch Zugspannungen ausgesetzt.
Um zu verstehen, wie das funktioniert, stellen Sie sich dieses einfache Modell vor oder probieren Sie es in Ihrer Garage aus. Stell dir vor, du nimmst ein Brett und legst es auf zwei Ziegelsteine. Dies ist eine einfache Balkenbrücke. Wenn Sie ein schweres Gewicht in die Mitte des Brettes legen, würde es sich biegen. Die Oberseite würde sich unter der Druckkraft nach innen und die Unterseite unter der Zugkraft nach außen biegen. Wenn man genug Gewicht hinzufügt, würde die „Brücke“ schließlich brechen. Die Oberseite würde einknicken und die Unterseite würde brechen.
Anhand dieses Beispiels können Sie die Faktoren verstehen, die ein Ingenieur beim Entwurf einer Brücke berücksichtigen muss.
Balkenbrücken werden im Allgemeinen zur Überbrückung relativ kurzer Entfernungen (in der Regel weniger als 250 Fuß) verwendet, da sie im Gegensatz zu anderen Brückentypen keine eingebauten Stützen haben. Die einzigen Stützen werden von Pfeilern gebildet. Je weiter die Stützen voneinander entfernt sind, desto schwächer wird eine Balkenbrücke. Das bedeutet nicht, dass Balkenbrücken nicht zur Überbrückung größerer Entfernungen verwendet werden können, es erfordert lediglich, dass eine Reihe von Balkenbrücken miteinander verbunden werden müssen, wodurch eine so genannte durchgehende Spannweite entsteht.
Lake Pontchartrain Causeway, Louisiana
- Überträgt: Vier Spuren für den Verkehr
- Überquert: Lake Pontchartrain
- Ort: Metairie und Mandeville, Louisiana
- Bauweise: Durchgehende Balkenbrücke
- Länge: 23,87 mi (38,442 km)
- Höhe: 15 ft
- Fertiggestellt: 1956 (in südlicher Richtung), 1969 (in nördlicher Richtung)
Längere, komplexere Balkenbrücken werden mit vielen nebeneinander angeordneten Trägern und einer darüber liegenden Fahrbahn gebaut. Bei den Hauptträgern kann es sich um I-Träger (auch H-Träger genannt), Fachwerke oder Kastenträger handeln. Sie können auf halber Länge oder über die gesamte Länge der Brücke verlaufen.
Balkenbrücken werden für den Transport von Fußgängern, Autos, Lastwagen und Eisenbahnlinien über begrenzte Strecken verwendet. Sie werden häufig für Einschienenbahnen und Hochbahnsysteme verwendet. Sie eignen sich auch für den Transport von Versorgungskabeln und Pipelines über kurze Entfernungen zu Häusern, abgelegenen Gemeinden und Wohnsiedlungen.
Hinweis: Viele Balkenbrücken sind historische Bauwerke, und es gibt Beschränkungen, wie Versorgungseinrichtungen über sie transportiert werden können. Der Bundesstaat Connecticut, in dem es viele solcher historischen Brücken gibt, bietet Richtlinien für den Umgang damit.
#2 – Fachwerkbrücke
Francis Scott Key Bridge – Baltimore, Maryland
- Trägt: Vier Spuren für den Verkehr
- Überquert: Patapsco River
- Ort: Baltimore, Maryland
- Konstruktion: Stahlbogenförmige durchgehende Fachwerkbrücke
- Länge: 8.636 Fuß
- Höhe: 185 Fuß
- Fertigstellung: 1977
Eine Fachwerkbrücke zeichnet sich durch einen markanten Fachwerkträger aus, der eine Struktur aus miteinander verbundenen Elementen ist, die dreieckige Einheiten bilden. Ein Fachwerk wird verwendet, weil es eine sehr starre Struktur ist, die die Last von einem einzigen Punkt auf der Brücke auf einen viel größeren Bereich überträgt. Fachwerkbrücken können größere Spannweiten überbrücken als einfache Balkenbrücken.
Struktur einer typischen Fachwerkbrücke.
Fachwerkbrücken tauchten schon sehr früh in der Geschichte der modernen Brücken auf. Sie sind relativ wirtschaftlich zu bauen, weil sie das Material effizient nutzen.
Fachwerkbrücken wurden in den frühen 1800er Jahren hauptsächlich aus Holz gebaut und gingen in der Mitte des Jahrhunderts langsam zur Eisenkonstruktion über. In den 1880er Jahren wurde Stahl zum Standard. Einige Bundesstaaten bauten noch bis in die 1930er Jahre Fachwerkbrücken aus Stahl, während andere sie schon früher aufgaben und stattdessen Betonbrücken mit Trägern und Balken bauten.
Beispiele dieser Brücken gibt es noch überall in den Vereinigten Staaten, aber ihre Zahl nimmt ab, da sie abgerissen und durch modernere Brückentypen ersetzt werden. Einige Fachwerkbrücken sind sehr schlicht und zweckmäßig, während andere aufwändigere Konstruktionsdetails aufweisen.
Im Laufe der Geschichte haben Ingenieure mit verschiedenen Formen von Fachwerkbrücken experimentiert und versucht, bessere Lösungen für bestimmte Probleme zu finden. Eine Fachwerkbrücke kann ein Deck oder eine Fahrbahn oben (Deckfachwerk), in der Mitte (Durchlauffachwerk) oder unten am Fachwerk haben. Wenn die Seiten des Fachwerks über die Fahrbahn hinausragen, aber nicht miteinander verbunden sind, spricht man von einem Pony-Fachwerk oder einem Halbdurchbruch-Fachwerk.
Fachwerkbrücken werden von Fußgängern, Autos, Lastwagen, Stadtbahnen und schweren Eisenbahnen überquert. Sie überspannen normalerweise eher Flüsse als Straßen. In der Vergangenheit wurden Fachwerkbrücken verwendet, um Wasser und Abwasser durch Rohre über die Spannweiten zu leiten. Im Laufe der Jahre wurden auch Strom- und Kabelleitungen verlegt. Ein Großteil dieser Versorgungsinfrastruktur ist veraltet, und selbst wenn die Brücke nicht ersetzt wird, müssen die Versorgungsleitungen oft erneuert werden.
Hinweis: Bei der Erneuerung veralteter Versorgungsinfrastruktur unter Fachwerkbrücken ist es wichtig, sichere Geräte zu verwenden, die speziell für die Instandhaltung unter Brücken entwickelt wurden. Sehen Sie sich diese Beispiele an.
#3 – Freitragende Brücke
Ed Koch Queensboro Bridge – New York City
- Trägt: Zehn Fahrspuren, vier obere, sechs untere, plus Fahrspuren für Fußgänger & Radfahrer
- Überquert: East River
- Ort: New York City (Manhattan bis Queens)
- Bauweise: Doppelstöckige Freischwingerbrücke
- Länge: 3.724 Fuß
- Höhe: 130 Fuß
- Fertiggestellt: 1909
Diese Brückentypen werden mit Auslegern gebaut, d.h. mit Strukturen, die horizontal in den Raum ragen und nur an einem Ende gestützt werden. Bei kleinen Fußgängerbrücken können die Ausleger einfache Balken sein. Größere Auslegerbrücken, die für den Straßen- oder Schienenverkehr ausgelegt sind, verwenden Fachwerke aus Baustahl oder Kastenträger aus Spannbeton.
Struktur einer Auslegerbrücke.
Kragarmbrücken aus Stahl waren in den 1800er Jahren ein großer technischer Durchbruch, da sie Entfernungen von mehr als 1.500 Fuß überspannen können und an schwierigen Kreuzungen wie Autobahnen, tiefen Gewässern oder besiedelten Gebieten leichter zu konstruieren sind, da sie wenig oder gar keine Bodenabstützung benötigen.
Ingenieure bauen längere Kragarmbrücken, indem sie mehr Stützen hinzufügen. Dadurch wird die Last auf die Stützen verteilt, was zu einer größeren Länge beiträgt.
Kragarmbrücken können ohne Stützpfeiler unten und Stützpfeiler und Kabel oben gebaut werden. Diese Einfachheit der Konstruktion ist einer ihrer großen Vorteile. Außerdem sind sie sehr stabil, so dass sie relativ große Lasten tragen können, einschließlich Eisenbahnlinien, was ein häufiger Verwendungszweck für diese Brücken ist.
Viele dieser Brücken tragen Versorgungsleitungen über ihre Spannweiten in dichten städtischen Gebieten. Sehen Sie sich dieses Beispiel eines Großprojekts an, bei dem die Installation einer Vielzahl von Versorgungseinrichtungen, einschließlich Glasfasernetzen, Gas, Wasser, umfangreichem Regenwasser, Abwasser und staatlich gesicherten Kommunikationsleitungen in einem einzigen Projekt koordiniert wurde.
#4 – Bogenbrücke
Steinbogenbrücke – Minneapolis, Minnesota
- Transportiert: Fußgänger und Radfahrer
- Überquert: Mississippi
- Ort: Minneapolis, Minnesota
- Konstruktion: 21 Steinbögen und ein Stahlfachwerk
- Länge: 2.100 Fuß
- Breite: 28 Fuß
- Fertigstellung: 1883
Die Bogenbrücke ist einer der häufigsten Brückentypen. Sie kamen vor über 3.000 Jahren in Gebrauch und blieben bis zur industriellen Revolution beliebt. Damals half die Erfindung von Stahl, Beton und anderen fortschrittlichen Materialien den Ingenieuren, andere moderne Brückenkonstruktionen zu entwickeln. Bogenbrücken werden jedoch auch heute noch verwendet, und mit Hilfe moderner Materialien können sie größer gebaut werden als in der Vergangenheit.
Eine Bogenbrücke hat an beiden Enden Widerlager und ist als gebogener oder spitzer Bogen geformt. Die Konstruktion von Bogenbrücken beruht darauf, dass das Gewicht der Brücke und ihre Lasten teilweise in einen horizontalen Schub übertragen werden, der von den Widerlagern auf beiden Seiten der Brücke zusammengedrückt wird. Eine längere Brücke kann aus einer Reihe von Bogenbrücken bestehen, obwohl heute in der Regel wirtschaftlichere Optionen verwendet werden.
Aufbau einer einfachen Bogenbrücke.
Wussten Sie das? Es ist der Bogen selbst, der der namensgebenden Brücke ihre Stärke verleiht. Ein Bogen aus Stein braucht keinen Mörtel.
Glauben Sie es oder nicht, Stein- und Holzbogenbrücken waren während des Römischen Reiches sehr beliebt. Römische Ingenieure bauten über 1.000 Steinbogenbrücken in Europa, Asien und Nordafrika. Viele dieser Brücken sind auch heute noch erhalten und zeugen von ihrer Stärke und Haltbarkeit. Ähnliche brückenähnliche Bauwerke gehörten zu den ersten, die eine Nutzfunktion erfüllten. Sie dienten dazu, Wasser von außerhalb der Städte in städtische Gebiete zu leiten, ähnlich wie heute Brücken Rohre tragen, um Wasser von einem Ort zum anderen zu transportieren.
Im Laufe der Jahrhunderte verbesserten mittelalterliche Architekten frühere Entwürfe und schufen Bogenbrücken mit schmaleren Pfeilern, dünneren Bogentrommeln, Spitzbögen und größeren Spannweiten. Die Architekten der Renaissance bauten nicht nur einige der strukturell solidesten Brücken der Geschichte, sondern auch einige der schönsten. Die Rialto-Brücke in Venedig ist ein solches Beispiel. In den letzten 150 Jahren wurden größere und anspruchsvollere Bogenbrücken aus Eisen, Stahl und Beton gebaut.
Die Festigkeit und Haltbarkeit von Bogenbrücken ermöglicht es, dass sie für den Transport von Fußgängern, Fahrzeugen, Straßenbahnen und schweren Zügen verwendet werden können, und wie bereits erwähnt, wurden einige ausschließlich für den Transport von Wasser von einem Ort zum anderen gebaut. Wenn es darum geht, moderne Versorgungseinrichtungen zu tragen, sind Bogenbrücken oft nicht effektiv. Es ist unmöglich, die erforderliche Infrastruktur innerhalb des Bogens zu stützen, und die Anbringung an der Seite einer Brücke kann unansehnlich sein und sie der Witterung aussetzen.
In der Tat bieten die meisten Staaten Richtlinien an, wie Versorgungseinrichtungen an Brücken aufgehängt werden sollten, und es ist schwer, welche zu finden, die Ratschläge geben, wie dies auf einer Bogenbrücke zu tun ist, mit Ausnahme dieses Beispiels aus dem Staat Washington.
#5 – Hängebrücke
Golden Gate Bridge – San Francisco, Kalifornien
- Trägt: Sechs Fahrspuren für den Verkehr, Fußgänger und Radfahrer
- Verbindet: San Francisco und Marin County, Kalifornien
- Konstruktion: Hängewerk, Fachwerkbogen und Fachwerkdamm
- Länge: 8.981 Fuß
- Höhe: 746 Fuß
- Fertiggestellt: 1933
Dieser Brückentyp hat Hängekabel zwischen den Türmen und an den Türmen hängende Tragseile, die das Deck halten. Die Hängeseile sind an jedem Ende der Brücke verankert und tragen den Großteil der Last.
Struktur einer Hängebrücke.
Die heutigen komplexen Hängebrücken entwickelten sich aus einfachen Versionen, die auf das fünfzehnte Jahrhundert zurückgehen. Sie hatten tragende Seile, aber keine Türme. Zu den einfachsten Hängebrücken gehören Seil-, Netz- und andere gewebte Brücken.
Die erste moderne Hängebrücke in den Vereinigten Staaten wurde 1801 in Pennsylvania gebaut. Im Laufe der Jahre wurden Hängebrücken immer beliebter, weil sie große Lücken überspannen, die andere Brücken nicht überbrücken konnten. Außerdem sind sie billiger zu bauen, weil sie weniger Material benötigen als die meisten anderen Brücken.
Hängebrücken sind erdbebensicherer als praktisch alle anderen Brückentypen. Außerdem ist es einfach, sie zu modernisieren, um Platz für breitere Fahrzeuge oder zusätzliche Fahrspuren zu schaffen. Es ist auch relativ einfach, Versorgungskabel und Stromleitungen über weite Strecken an einer Hängebrücke aufzuhängen.
Die Nachteile: Die Konstruktion ist in der Regel sehr starr, damit sie starken Winden standhält, und die meisten können das schwere Gewicht von Zügen nicht tragen. Oft sind spezielle Aufhängungen erforderlich, um die Versorgungsinfrastruktur von komplexen Hängebrücken zu stützen.
#6 – Fesselbogenbrücke
Fremont Bridge – Portland, Oregon
- Trägt: Vier Fahrspuren, zwei Decks für den Verkehr
- Überquert: Willamette River und Straßen
- Ort: Portland, Oregon
- Bauweise: Stabbogenbrücke
- Länge: 2.154 Fuß
- Höhe: 381 Fuß
- Fertiggestellt: 1973
Eine Stabbogenbrücke (auch Bogenbrücke oder Bogenbrücke genannt) ist ein Brückentyp mit einer Bogenrippe auf jeder Seite der Fahrbahn (Deck) und je einem Zugträger auf jedem der Bögen, die das Deck tragen. Vertikale Zugbänder, die mit den Bögen verbunden sind, stützen die Fahrbahn von oben.
Struktur einer Stabbogenbrücke.
Diese Art von Brücke kann als eine Kreuzung zwischen einer Bogen- und einer Hängebrücke betrachtet werden. Die kombinierte Bauweise ermöglicht es, die Brücke mit weniger sperrigen Fundamenten als Bogenbrücken zu bauen, was bedeutet, dass sie eine gute Option für schwierige Standorte ist, die erhöhte Pfeiler erfordern oder an Orten, an denen der Boden instabil ist. Die Bogenkonstruktion ist ideal für Situationen, in denen eine Brücke außerhalb der Baustelle gebaut, angeliefert und vor Ort eingeschoben werden muss. Dies ist bei Hängebrücken nicht möglich.
Gewölbebrücken haben zwar viele Vorteile, aber sie sind nicht perfekt. Sie erfordern Schweißnähte an der Verbindung zwischen der Bogenrippe und den Zugträgern sowie an der Verbindung zwischen dem Bogen und den vertikalen Schwellen. Diese Schweißnähte müssen regelmäßig repariert werden, was kostspielig, zeitaufwendig und unpraktisch sein kann. Konstruktion und Design dieses Brückentyps sind nicht redundant, d. h. wenn auch nur einer der beiden Brückenträger versagt, stürzt das gesamte Bauwerk ein. Schließlich sind Stabbogenbrücken im Vergleich zu anderen Brückentypen gleicher Länge teurer zu bauen.
Die einfache Konstruktion dieses Brückentyps macht sie gut geeignet, um Versorgungsrohre und Kabel zu tragen.
#7 – Schrägseilbrücke
Bob Graham Sunshine Skyway Bridge – Tampa Bay, Florida
- Trägt: Vier Fahrspuren
- Überquert: Tampa Bay, Florida
- Konstruktion: Durchgehende Spannbeton-Schrägseilbrücke
- Länge: 1,1 Meilen
- Höhe: 430 Fuß
- Fertiggestellt: 1987
Auf den ersten Blick mag eine Schrägseilbrücke wie eine Variante einer Hängebrücke aussehen, aber sie sind strukturell verschieden. Im Gegensatz zu Hängebrücken sind bei Schrägseilbrücken keine Verankerungen und keine zwei Türme erforderlich. Stattdessen können die Kabel von der Fahrbahn bis zu einem Turm verlaufen, der das gesamte Gewicht trägt.
Struktur einer Schrägseilbrücke.
Die Grundkonstruktion der Schrägseilbrücke geht fast 500 Jahre zurück. Moderne Versionen wurden in Europa nach dem Zweiten Weltkrieg als kostengünstiger Ersatz für kriegsbeschädigte Brücken gebaut.
Der Turm einer Schrägseilbrücke nimmt alle Druckkräfte der Brücke auf und verteilt sie. Die Kabel können in verschiedenen Mustern an der Fahrbahn befestigt werden. Bei einer radialen Anordnung verlaufen die Seile beispielsweise von mehreren Punkten auf der Fahrbahn zu einem einzigen Punkt am Turm. Bei einer parallelen Anordnung sind die Kabel sowohl an der Fahrbahn als auch am Turm an mehreren separaten Punkten befestigt.
Heute sind Schrägseilbrücken eine beliebte Wahl, da sie alle Vorteile einer Hängebrücke bieten, aber bei kürzeren Spannweiten weniger kosten. Sie benötigen weniger Stahlkabel, sind schneller zu bauen und enthalten mehr Betonfertigteile. Die Entwürfe für einige dieser Brücken können einen erheblichen „Wow-Faktor“ bieten.
Abschluss
Jeder Brückentyp dient einem anderen Zweck und kann zur Überbrückung verschiedener Arten von Lücken und Hindernissen eingesetzt werden. Brücken sind jedoch mehr als nur Gebrauchsgegenstände. Sie sind auch ein Wunderwerk der Technik und etwas Schönes. Wir hoffen, dass dieser Überblick Ihnen hilft, die Details der Brücken, die Sie jeden Tag überqueren, besser zu verstehen.
Wenn Sie noch mehr über Brücken erfahren möchten, lesen Sie unseren Beitrag über die größten amerikanischen Brücken.
