Bogenbrücke

mini|hochkant=1.2|Römische Rundbogenbrücke, Penkalasbrücke mini|hochkant=1.2|Chinesische Segmentbogenbrücke, An-Ji Qiao, Provinz Hebei mini|hochkant=1.9|Die Spitzbogenbrücke Pont del Diable Die Bogenbrücke ist eine der Grundformen der Brücken neben der Balkenbrücke, der Rahmenbrücke und den seilverspannten Konstruktionen (Hängebrücke, Schrägseilbrücke u. s. w.).

In ihrem Bogen treten vor allem Druckkräfte auf. Für Steine und Beton mit ihrer hohen Druckfestigkeit ist der Bogen daher die bestgeeignete Tragwerksart.Fritz Leonhardt: Vorlesungen über Massivbau. Teil 6: Grundlagen des Massivbrückenbaues. Springer, 1979, S. 30. In den Widerlagern treten neben lotrechten auch Horizontalkräfte auf, weshalb die Bogenbrücke einen geeigneten Baugrund und einen größeren Aufwand bei der Gründung erfordert.

Einteilung

Bogenbrücken können nach unterschiedlichen Kriterien eingeteilt werden.

Material Holzbogenbrücken Holzbogenbrücken sind selten, nicht nur wegen der Vergänglichkeit des Materials, sondern weil gerade Stämme und Balken eher zu Jochbrücken oder Sprengwerken als zu Bögen verarbeitet werden. Ein Beispiel für eine Holzbogenbrücke auf steinernen Pfeilern ist die Trajansbrücke aus dem Römischen Reich. Die im 17. Jahrhundert nach einem chinesischen Vorbild in Japan gebaute Kintai-Brücke existiert in vielfach erneuerter Form noch heute. Wenig jünger ist die Mathematical Bridge in Cambridge in England. Die Ponte dell’Accademia in Venedig hat einen weiten hölzernen Fachwerkbogen. Die Kiso no ōhashi ist ein modernes Beispiel aus Japan, die Montmorency-Brücke ein solches aus Quebec, Kanada.

Steinbogenbrücken Steinbogenbrücken bestehen aus mehr oder weniger sorgfältig behauenen Werksteinen, im Inneren oft nur aus Bruchstein. Da die Keilsteine fast ausschließlich auf Druck belastet werden, hält der Bogen auch ohne Mörtel, sobald der Bogen geschlossen, d. h. der Schlussstein gesetzt ist. Dennoch verwendeten bereits die Römer Opus caementicium in ihren Brücken.

Zum Bau einer Steinbogenbrücke wird üblicherweise ein Lehrgerüst verwendet. Die Kämpfersteine und Pfeilerköpfe sind meist mit einer Konsole versehen, um das Lehrgerüst leichter aufstellen zu können. Die Römer kannten bereits zweilagige Bögen, bei denen zunächst auf einem relativ leichten Lehrgerüst ein einlagiger Bogen gemauert wird, der dann als Lehrgerüst für die zweite Lage und die übrige Brücke dient. Dieses Verfahren geriet in Vergessenheit, erst Paul Séjourné (1851–1939) hat es bei seinen vielen Bogenbrücken wieder verwendet.

Schiefe Brücken, also schräg über einen Fluss verlaufende Brücken, deren Gewölbe im Grundriss kein Rechteck, sondern ein Parallelogramm bilden, wurden erst im 19. Jahrhundert gebaut, da sie wegen der komplizierten Geometrie der Steine in der Laibung schwer herzustellen sind. Später wurde das Gewölbe auch in versetzt angeordnete Bogenrippen unterteilt.Morrisville–Trenton Railroad Bridge

Ziegelsteinbrücken, die vollkommen aus Ziegelsteinen bestehen, wurden vor allem für die zahlreichen Eisenbahnviadukte gebaut. Die Göltzschtalbrücke ist die größte Brücke dieser Art.

Betonbogenbrücken Beton hat ähnliche Eigenschaften wie Stein; er kann hohen Druck, aber kaum Zug aushalten und ist deshalb für Bogenbrücken besonders geeignet. Er wurde bereits für Stampfbetonbrücken und Brücken aus unbewehrtem Beton verwendet. Stahlbetonbogenbrücken wurden und werden in der ganzen Welt gebaut. Die Melan-Bauweise, bei der zunächst ein Lehrgerüst aus Stahl mit einbetoniert wird und als Bewehrung dient, ermöglichte bald, auch Betonbogenbrücken im Freivorbau zu erstellen.

Eiserne und stählerne Bogenbrücken mini|hochkant=1.4|Ha’penny Bridge, Dublin Gusseiserne Bogenbrücken waren die ersten, nach der Industriellen Revolution gebauten Eisenbrücken. Gusseisen hat eine hohe Druckfestigkeit, aber üblicherweise eine um den Faktor vier geringere Zugfestigkeit und ist sehr spröde. Gusseiserne Brücken wurden daher nur bis zum Ende des 19. Jahrhunderts gebaut.

Das im Puddelverfahren hergestellte Schmiedeeisen, das elastischer ist als Gusseisen und höhere Zugspannungen aushält, war in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts das den Bau von Eisenbogenbrücken beherrschende Material. Die aus einzelnen gewalzten T-Trägern, bald auch aus Doppel-T-Trägern bestehenden Bögen wurden erstmals im Freivorbau mit Abspannungen erstellt. Das ging meist schneller und kostengünstiger als die Aufmauerung eines Steinbogens auf einem Lehrgerüst.

Stahlbrücken wurden nach anfänglichem Zögern in den 1890er Jahren allgemein zugelassen. Die hohe Belastbarkeit von Stahl sowohl auf Druck als auch auf Zug führte zu seiner Verwendung in allen Arten von Brücken, Bogenbrücken und allen anderen Brückenformen. Der Nachteil von Stahl ist die Anfälligkeit für Korrosion.

Verbundbrücken Gelegentlich werden stählerne Fachwerkbögen teilweise mit Beton ummantelt und in den oberen Abschnitten mit einer Stahlbetondecke verbunden, so bei der Yachi-Eisenbahnbrücke in China. Bei der 2024 ebenfalls in China fertiggestellten Tian’e-Longtan-Brücke, der derzeit größten Bogenbrücke der Welt, wurden zuerst die stählernen Fachwerkbögen gebaut, die anschließend mit Beton ummantelt wurden.

CFST-Brücken CFST-Brücken () sind seit 1990 in China häufig gebaute große Bogenbrücken. Dabei wird zunächst ein Segmentbogen aus Stahlrohren gebaut, die anschließend mit Beton verfüllt werden. CFST-Brücken haben Spannweiten über 200 m, darunter die Wushan-Brücke mit 460 m, die Bosideng-Brücke mit 530 m und die Dritte-Pingnan-Brücke mit 575 m Spannweite.

Bogenform

Der Rundbogen war lange Zeit, von den Römern bis ins Spätmittelalter, die den Steinbrückenbau dominierende Bauweise. Seine kreisförmige Bogenlinie beschreibt einen kompletten Halbkreis (180°). Sein Bau beruhte auf Erfahrung, lange bevor die Statik seine Eigenschaften zu erfassen begann. Selbst 1913 konnte Paul Séjourné sein großes Werk Grandes Voûtes (Große Brückenbögen) noch mit dem Satz beginnen: Man baut Brückenbögen nach den gebauten Bögen: es ist eine Sache der Erfahrung.

Der polygonale Bogen ist ein nur scheinbar runder Bogen, tatsächlich aber ein von mehreren Balken oder Scheiben gebildeter Polygon. Bereits im China der Song-Dynastie wurden häufig polygonale Rippenbogenbrücken gebaut, bei denen die Öffnung ein von langen hölzernen oder steinernen Balken gebildetes Polygon ist. Beispiele sind die in der Qingming-Rolle abgebildete Holzbrücke oder die steinerne Guyue-Brücke. Moderne Bogenbrücken aus Stahl oder Beton haben häufig einen polygonalen Bogen, da die Träger dafür nicht gebogen werden müssen beziehungsweise einfache Schalungen eingesetzt werden können.

Der Spitzbogen kommt im Brückenbau fast nur bei osmanischen und persischen Bogenbrücken vor.

Der Segmentbogen ist, wie der Name besagt, ein Abschnitt eines Kreisbogens, dessen Durchmesser größer ist als die lichte Weite der Brücke. Eine Segmentbogenbrücke ist daher flacher als eine Rundbogenbrücke, übt aber einen stärkeren seitlichen Schub aus. Schon die Römer haben gelegentlich Segmentbogenbrücken gebaut. Eine sehr elegante Segmentbogenbrücke ist die chinesische, 605 n. Chr. erbaute An-Ji Qiao (auch Zhaozhou-Brücke genannt). Heute sind sie die häufigste Form aller Bogenbrücken.

mini|hochkant=1.4|Pont Cessart, Saumur Der Korbbogen ist ein vergleichsweise flacher Bogen, bei dem die Krümmung vom Scheitel zu den Widerlagern hin zunimmt. Korbbögen wurden erstmals in der Renaissance bei der Ponte Santa Trinita verwendet, wo sie der Brücke ein bis dahin unerreichtes flaches Profil verleihen.

Die Kettenlinie beschreibt den Durchhang einer an ihren Enden aufgehängten Kette. Eine auf den Kopf gestellte Kettenlinie beschreibt rein theoretisch einen idealen Brückenbogen mit konstanter Dicke je Bogenlänge, der aber keine sonstigen Lasten, wie beispielsweise eine Überschüttung für eine horizontale Fahrbahn, zu tragen hat. Da eine solche Bogenform in der Praxis schwer herzustellen ist, blieb es im Brückenbau fast immer bei der theoretischen Bedeutung.

Die Parabel ist eine sehr ähnliche Kurve wie die Kettenlinie, die als Bogenform in der Praxis leichter als eine Kettenlinie herzustellen ist. Eine Parabel beschreibt rein theoretisch einen idealen Brückenbogen mit konstanter Dicke je horizontaler Länge, der aber keine sonstigen Lasten, wie beispielsweise eine Überschüttung für eine horizontale Fahrbahn, zu tragen hat. Gustave Eiffel verwendete den auf seinen Partner Théophile Seyrig zurückgehenden parabelförmigen Fachwerkbogen erstmals bei der 1877 eröffneten Ponte Maria Pia, die mit einem großen Bogen den tief eingeschnittenen Douro überquert. Seitdem wurde der Parabelbogen vielfach in Eisen-, Stahl- und Betonbrücken eingesetzt. In modernen Brücken ist er allerdings so flach, dass er kaum noch von einer Kettenlinie oder einem Segmentbogen zu unterscheiden ist.

Sichelbogen sind Zweigelenkbogen mit zwei unterschiedlich großen Parabeln oder Kreisbögen, die sich in den Kämpfergelenken schneiden. Der Parabelbogen der Ponte Maria Pia kann daher auch als Sichelbogen bezeichnet werden, einen Sichelbogen aus Kreisbögen hatte die erste Grünentaler Hochbrücke.

mini|Max-Joseph-Brücke, Detail mini|Brücken wie die Cotter Bridgeim Baxter County, Arkansas werden auf Englisch als „through arch bridges“ bezeichnet, da der Fahrbahnträger mitten durch die Bögen verläuft.

Lage der Fahrbahn Steinbrücken hatten bis zum Beginn des 19. Jahrhunderts eine auf dem Bogen liegende Fahrbahn; der Raum über den Bogenhüften war massiv mit Steinmaterial verfüllt. Bei den größeren Steinbogenbrücken der nachfolgenden Zeit wurden hinter den zunächst noch verschlossenen Zwickeln Hohlräume angeordnet, um Gewicht zu sparen. Die Grosvenor Bridge und die Union Arch Bridge waren, wenn nicht die ersten, so doch unter den ersten mit dieser Bauweise. Später wurden dort regelrechte Sparbögen eingefügt, was bei den offenen Zwickeln der Max-Joseph-Brücke gut zu sehen ist.

Im Anschluss an Eiffels Ponte Maria Pia setzte sich die heute überall vorkommende Brücke mit oben liegender, aufgeständerter Fahrbahn durch. Bald danach wurden auch Bogenbrücken mit abgehängter und solche mit untenliegender Fahrbahn gebaut. Die abgehängte Fahrbahn ist auf ungefähr halber Höhe des Bogens angeordnet und teilweise abgehängt, teilweise aufgeständert. Die unten liegende Fahrbahn ist in Höhe der Kämpfer des Bogens angeordnet und vollständig abgehängt. Trotzdem spricht man von einer Bogenbrücke und nicht etwa von einer Hängebrücke. Die Viadukte haben obenliegende Fahrbahnen auf meist schmalen, massiven Rundbögen.

Bauart Einheitlicher Bogen – Doppelbogen – Bogenrippen Im Steinbrückenbau war jahrhundertelang der einheitliche, auf einem Lehrgerüst gemauerte Bogen das tragende Element. Als im 19. Jahrhundert die Stützweiten größer wurden, wurde auch das Lehrgerüst immer größer, anspruchsvoller und teurer. Paul Séjourné teilte den Bogen bei der Adolphe-Brücke erstmals in zwei schmale Doppelbögen auf, die nacheinander auf demselben schmalen und daher wesentlich billigeren Lehrgerüst errichtet wurden. Die auf Sparbögen aufgeständerte Fahrbahnplatte aus Stahlbeton deckt den Raum zwischen beiden Bögen ab.

Dieser vielfach wiederholte Brückentyp wurde bei Betonbrücken bald weiterentwickelt zu Brücken mit zwei oder, falls die Fahrbahnbreite es verlangt, mehr Bogenrippen mit schlanken Stützen und einer aufgeständerten Fahrbahnplatte, häufig aus Spannbeton. Die Colorado Street Bridge ist ein elegantes Beispiel.

Robert Maillart entwickelte die Bogenbrücke zu einem Dreigelenk-Kastenträger, der den Bogen, die Fahrbahnplatte und die seitlichen Wangen zu einem Tragwerk vereint. Christian Menn führte die Idee fort zur polygonalen Bogenbrücke mit aufgeständerter Spannbeton-Fahrbahn, die er z. B. bei der Cascella- und der Naninbrücke im Süden des San-Bernardino-Passes realisierte.

Fachwerkbogen mini|hochkant=1.1|Garabit-Viadukt, Zentralmassiv