Die Bogenbrücke
Nach mehr als 2.000 Jahren architektonischer Verwendung ist der Bogen nach wie vor ein wichtiger Bestandteil von Brückenkonstruktionen, und das aus gutem Grund: Seine halbkreisförmige Struktur verteilt den Druck elegant über die gesamte Form und leitet das Gewicht auf die beiden Widerlager ab, also auf die Teile der Brücke, die den Druck direkt aufnehmen.
Die Zugkraft bei Bogenbrücken ist dagegen praktisch vernachlässigbar. Durch die natürliche Krümmung des Bogens und seine Fähigkeit, die Kraft nach außen abzuleiten, werden die Auswirkungen von Spannungen auf die Unterseite des Bogens stark reduziert.
Aber wie bei Balken und Fachwerken kann auch der mächtige Bogen die Physik nicht ewig überlisten. Je größer der Grad der Krümmung (je größer der Halbkreis des Bogens), desto größer sind die Auswirkungen der Spannung auf die Unterseite der Brücke. Wenn man einen ausreichend großen Bogen baut, wird die Spannung irgendwann die natürliche Stärke der Tragstruktur übersteigen.
Während es eine große kosmetische Vielfalt bei Bogenbrücken gibt, ändert sich die Grundstruktur nicht. Es gibt zum Beispiel römische, barocke und Renaissance-Bögen, die alle architektonisch unterschiedlich, aber strukturell gleich sind.
Es ist der Bogen selbst, der seiner namensgebenden Brücke ihre Stärke verleiht. Tatsächlich braucht ein Bogen aus Stein nicht einmal Mörtel. Die alten Römer bauten Bogenbrücken und Aquädukte, die heute noch stehen. Der knifflige Teil ist jedoch der Bau des Bogens, da die beiden zusammenlaufenden Teile des Bauwerks erst in der Mitte statisch stabil sind. Daher werden in der Regel zusätzliche Gerüste oder Stützsysteme benötigt.
Moderne Materialien wie Stahl und Spannbeton ermöglichen es uns, weitaus größere Bögen zu bauen als die alten Römer. Moderne Bögen überspannen in der Regel zwischen 61 und 244 Metern (200 und 800 Fuß), aber die New River Gorge Bridge in West Virginia misst beeindruckende 518 Meter (1.700 Fuß).
Die Hängebrücke
Wie der Name schon sagt, hängen Hängebrücken, wie die Golden Gate Bridge oder die Brooklyn Bridge, die Fahrbahn mit Kabeln, Seilen oder Ketten von zwei hohen Türmen ab. Diese Türme tragen den Großteil des Gewichts, da der Druck auf die Fahrbahn der Hängebrücke nach unten drückt und dann über die Kabel, Seile oder Ketten auf die Türme übertragen wird. Die Türme leiten den Druck dann direkt in die Erde ab.
Die Tragseile hingegen nehmen die Zugkräfte der Brücke auf. Diese Seile verlaufen horizontal zwischen den beiden weit auseinander liegenden Verankerungen. Bei den Brückenverankerungen handelt es sich im Wesentlichen um festen Fels oder massive Betonblöcke, in die die Brücke eingegraben ist. Die Zugkraft wird zu den Verankerungen und in den Boden geleitet.
Zusätzlich zu den Kabeln verfügen fast alle Hängebrücken über ein tragendes Fachwerksystem unter dem Brückendeck, das so genannte Deckbinder. Dadurch wird das Brückendeck versteift und die Neigung der Fahrbahn zum Schwanken und zur Welligkeit verringert.
Hängebrücken können problemlos Entfernungen zwischen 610 und 2.134 Metern überbrücken und damit Entfernungen überbrücken, die mit anderen Brückenkonstruktionen nicht möglich sind. Angesichts der Komplexität ihrer Konstruktion und der für ihren Bau benötigten Materialien sind sie jedoch oft auch die teuerste Brückenvariante.
Aber nicht jede Hängebrücke ist ein technisches Wunderwerk aus modernem Stahl. Die frühesten Brücken waren aus gedrehtem Gras gebaut. Als spanische Eroberer 1532 nach Peru vordrangen, entdeckten sie ein Inkareich, das durch Hunderte von Hängebrücken verbunden war, die eine Spannweite von mehr als 46 Metern über tiefe Bergschluchten erreichten. In Europa hingegen sollte die erste Hängebrücke erst fast 300 Jahre später entstehen.
Natürlich halten Hängebrücken aus gedrehtem Gras nicht so lange und müssen immer wieder ersetzt werden, um eine sichere Überquerung der Lücke zu gewährleisten. Heute gibt es nur noch eine solche Brücke, die 27 Meter (90 Fuß) in den Anden misst.
Schrägseilbrücke
Auf den ersten Blick mag die Schrägseilbrücke wie eine Variante der Hängebrücke aussehen, aber lassen Sie sich nicht von den ähnlichen Türmen und hängenden Fahrbahnen täuschen. Schrägseilbrücken unterscheiden sich von ihren Vorgängern, den Hängebrücken, dadurch, dass sie keine Verankerungen und auch keine zwei Türme benötigen. Stattdessen verlaufen die Kabel von der Fahrbahn bis zu einem einzigen Turm, der allein das Gewicht trägt.
Der Turm einer Schrägseilbrücke ist für die Aufnahme und den Umgang mit Druckkräften verantwortlich. Die Seile sind auf verschiedene Weise an der Fahrbahn befestigt. Bei einer radialen Anordnung verlaufen die Seile von mehreren Punkten auf der Fahrbahn zu einem einzigen Punkt am Turm, ähnlich wie zahlreiche Angelschnüre an einem einzigen Mast. Bei einer parallelen Anordnung sind die Kabel sowohl an der Fahrbahn als auch am Turm an mehreren separaten Punkten befestigt.
Ingenieure bauten die ersten Schrägseilbrücken in Europa nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs, aber das grundlegende Design geht auf das 16. Jahrhundert und den kroatischen Erfinder Faust Vrancic zurück. Vrancic, ein Zeitgenosse der Astronomen Tycho Brache und Johannes Kepler, fertigte die erste bekannte Skizze einer Schrägseilbrücke in seinem Buch „Machinae Novae“ an.
Heute sind Schrägseilbrücken eine beliebte Wahl, da sie alle Vorteile einer Hängebrücke bieten, aber bei Spannweiten von 152 bis 853 Metern weniger kosten. Sie benötigen weniger Stahlseile, sind schneller zu bauen und enthalten mehr Betonfertigteile.
Nicht alle Brücken erfordern jedoch große Mengen an Stahl und Beton. Manchmal genügen ein oder zwei Baumwurzeln.
Die lebenden Brücken
Während die ersten Brücken wahrscheinlich nur aus Baumstämmen bestanden, die über Bäche gestürzt wurden, ist der größte Teil des menschlichen Brückenbaus eine Geschichte künstlicher Strukturen, die aus den Elementen geschaffen wurden. Eine der bemerkenswertesten Ausnahmen von dieser Regel finden wir jedoch in der Region Meghalaya in Nordindien.
Während der Monsunzeit müssen die Menschen hier einige der feuchtesten Bedingungen der Erde ertragen, und die steigenden Fluten zerschneiden das Land in einzelne Fragmente. Wenn man eine Brücke aus geflochtenen Ranken oder behauenen Brettern baut, wird sie von der Feuchtigkeit des Regenwaldes unweigerlich in Kompost verwandelt. Wie Sie auf dem Foto sehen können, haben die Einheimischen eine recht elegante Lösung für dieses Problem entwickelt: Sie bauen ihre Brücken aus natürlicher Vegetation an. Auf diese Weise übertragen sie einen großen Teil der Wartungsarbeiten an der Brücke auf die Brücke selbst.
Der Bau einer lebenden Brücke erfordert natürlich Geduld. Die Dorfbewohner planen ihre Konstruktionen ein Jahrzehnt oder mehr im Voraus. Die War-Khasis zum Beispiel bauen aus den ausgehöhlten Hälften alter Betelnussstämme Wurzelleitsysteme, um die Wurzeln der Würgefeige in die gewünschte Richtung zu lenken. Sie richten die Wurzeln einfach über einen Bach oder Fluss aus, überspannen ihn und lassen die Wurzeln nur am gegenüberliegenden Ufer in die Erde eintauchen. Die größeren lebenden Brücken haben eine Länge von bis zu 30 Metern, können das Gewicht von 50 Menschen tragen und halten bis zu 500 Jahre
Bislang haben wir uns mit den beiden wichtigsten Kräften beim Brückenentwurf befasst: Druck und Zug. Aber es gibt noch Dutzende weiterer Kräfte, die die Funktionsweise von Brücken beeinflussen. Diese Kräfte sind in der Regel spezifisch für einen bestimmten Ort oder eine bestimmte Konstruktion.
Die Torsion zum Beispiel ist für Ingenieure, die Hängebrücken entwerfen, ein besonderes Problem. Sie tritt auf, wenn starker Wind die hängende Fahrbahn in Rotation versetzt und sie wie eine rollende Welle verdreht. Wie auf der nächsten Seite beschrieben, wurde die Tacoma Narrows Bridge in Washington durch Torsion beschädigt, die wiederum durch eine andere starke physikalische Kraft verursacht wurde
Die natürliche Form von Bogenbrücken und die Fachwerkstruktur von Balkenbrücken schützt sie vor dieser Kraft. Hängebrückeningenieure hingegen haben sich für Deckversteifungen entschieden, die, wie bei Balkenbrücken, die Auswirkungen der Torsion wirksam beseitigen.
Bei Hängebrücken von extremer Länge reicht die Deckversteifung allein jedoch nicht aus. Ingenieure führen Windkanalversuche an Modellen durch, um den Widerstand der Brücke gegen Torsionsbewegungen zu ermitteln. Auf der Grundlage dieser Daten setzen sie aerodynamische Fachwerkstrukturen und diagonale Hängeseile ein, um die Auswirkungen der Torsion zu verringern.
Scherung: Scherspannungen treten auf, wenn zwei befestigte Strukturen (oder zwei Teile einer einzelnen Struktur) in entgegengesetzte Richtungen gezwungen werden. Unkontrolliert kann die Scherkraft Brückenmaterialien buchstäblich in zwei Hälften reißen. Ein einfaches Beispiel für Scherkraft wäre, einen langen Pfahl halb in den Boden zu treiben und dann eine seitliche Kraft gegen die Seite des oberen Teils des Pfahls auszuüben. Mit genügend Druck könnte man den Pfahl in zwei Hälften brechen. Das ist Scherkraft in Aktion.
Mehr Brückenkräfte: Resonanz
Resonanz kann man sich als das Schwingungsäquivalent eines Schneeballs vorstellen, der einen Hügel hinunterrollt und zu einer Lawine wird. Es beginnt mit einer relativ kleinen, periodischen Anregung eines mechanischen Systems, wie z.B. dem Wind, der an einer Brücke rüttelt. Diese Schwingungen stehen jedoch mehr oder weniger im Einklang mit den natürlichen Schwingungen der Brücke. Unkontrolliert können sich die Schwingungen drastisch verstärken und zerstörerische Resonanzschwingungen in Form von Torsionswellen durch eine Brücke schicken.
Das bemerkenswerteste Beispiel für Resonanz ereignete sich 1940, als Resonanzschwingungen die Tacoma Narrows Bridge in Washington zerstörten. Der Vorfall war damals besonders schockierend, da das Bauwerk für Windgeschwindigkeiten von bis zu 193 Kilometern pro Stunde ausgelegt war und bei einem Wind von nur 64 Kilometern zum Einsturz kam.
Eine genaue Untersuchung der Situation ergab, dass die Deckversteifung der Brücke für die Spannweite unzureichend war, aber das allein konnte ein solches Bauwerk nicht zum Einsturz bringen. Wie sich herausstellte, hatte der Wind an diesem Tag genau die richtige Geschwindigkeit und traf die Brücke in genau dem richtigen Winkel, um die tödlichen Schwingungen auszulösen. Weitere Winde verstärkten die Schwingungen, bis die Wellen so groß und heftig wurden, dass sie die Brücke auseinander brachen. Der Effekt ist vergleichbar mit dem einer Sängerin, die mit ihrer Stimme ein Glas zerschmettert.
Wind ist jedoch nicht die einzige potenzielle Bedrohung. Wenn eine Armee über eine Brücke marschiert, „brechen“ die Soldaten oft den Schritt, damit ihr rhythmisches Marschieren nicht auf der ganzen Brücke widerhallt. Eine ausreichend große Armee, die genau in der richtigen Kadenz marschiert, könnte die tödliche Vibration in Gang setzen.
Um den Resonanzeffekt in einer Brücke vollständig abzuschwächen, bauen Ingenieure Dämpfer in die Brückenkonstruktion ein, um die Resonanzwellen zu unterbrechen und zu verhindern, dass sie sich ausbreiten.
Eine andere Möglichkeit, die Resonanz zu stoppen, besteht darin, ihr weniger Raum zum Ausleben zu geben. Wenn eine Brücke eine feste Fahrbahn hat, kann eine Resonanzwelle leicht die gesamte Länge der Brücke durchlaufen und Schaden anrichten. Besteht die Fahrbahn einer Brücke jedoch aus verschiedenen Abschnitten mit sich überlappenden Platten, dann überträgt sich die Bewegung eines Abschnitts über die Platten auf einen anderen und erzeugt Reibung. Der Trick besteht darin, genügend Reibung zu erzeugen, um die Frequenz der Resonanzwelle zu verändern. Die Änderung der Frequenz verhindert, dass sich die Welle aufbaut.
Wetter, Zerstörer von Brücken
Während Wind sicherlich zerstörerische Resonanzwellen hervorrufen kann, entfesselt das Wetter als Ganzes eine Vielzahl von zerstörerischen Angriffen auf die von uns gebauten Brücken. Tatsächlich wird die unerbittliche Arbeit von Regen, Eis, Wind und Salz unweigerlich jede Brücke zum Einsturz bringen, die Menschen errichten können.
Die Konstrukteure von Brücken haben ihr Handwerk gelernt, indem sie die Misserfolge der Vergangenheit studiert haben. Eisen hat Holz ersetzt, und Stahl hat Eisen ersetzt. Spannbeton spielt heute eine wichtige Rolle beim Bau von Autobahnbrücken. Jedes neue Material und jede neue Konstruktionstechnik baut auf den Lehren der Vergangenheit auf. Torsion, Resonanz und schlechte aerodynamische Entwürfe haben zu Brückenversagen geführt, aber die Ingenieure kommen immer wieder mit Innovationen zurück, um Konstruktionsprobleme zu lösen.
Das Wetter ist jedoch ein geduldiger und unberechenbarer Gegner. Die Zahl der wetterbedingten Brückenversagen übersteigt die Zahl der konstruktionsbedingten Versagen. Dieser Trend kann nur darauf hindeuten, dass wir noch keine wirksame Lösung gefunden haben. Bis heute kann kein bestimmtes Baumaterial oder Brückendesign diese Kräfte ausschalten oder auch nur abschwächen. Schließlich handelt es sich um dieselben Kräfte, die ganze Gebirgszüge zerstören und tiefe Abgründe in die Erde reißen. Im Vergleich dazu ist eine von Menschenhand errichtete Brücke ein Nichts.
Wie bei den alten Hängebrücken der Inkas ist die einzige Abschreckung die ständige vorbeugende Wartung.
Spannen Sie die Lücke zwischen dieser und der nächsten Seite, um noch mehr über Brücken zu erfahren.
Quellen
- Blockley, David. „Bridges“ Oxford University Press. 2010.
- „Build a Bridge.“ NOVA. October 2000. (Mai 17, 2011)http://www.pbs.org/wgbh/nova/bridge/build.html
- Foer, Joshua. „The Last Incan Grass Bridge.“ Slate. Feb. 22, 2011. (May 17, 2011)http://www.slate.com/id/2286002/
- Merchant, Brian. „Lebende Brücken in Indien wachsen seit 500 Jahren.“ TreeHugger.com. Sept. 28, 2010. (17. Mai 2011)http://www.treehugger.com/files/2010/09/living-bridges-india-grown-500-years-pics.php
- „Flüsse.“ Human Planet Explorer. 2011 (May 17, 2011)http://www.bbc.co.uk/nature/humanplanetexplorer/environments/rivers
- Wilford, John Noble. „How the Inca Leapt Canyons“ (Wie die Inka Schluchten übersprangen). New York Times. May 8, 2007. (17. Mai 2011)http://www.nytimes.com/2007/05/08/science/08bridg.html