Materialien im Brückenbau

Die Materialien gehen Hand in Hand mit der technischen Entwicklung des Menschen. Wie bereits im vorigen Kapitel erwähnt, waren die ersten Brückenkonstruktionen aus Holz und Stein. Später wurde dann Beton dazu verwendet, Brücken zu errichten. Mit der industriellen Revolution begann der Einsatz von Stahlbeton und Stahl im Brückenbau. Die Zahl der Brücken und deren Qualität stiegen rasch. Neben dem technischen und industriellen Fortschritt für die Verwendung des Materials einer Brücke sind auch dessen regionale Verfügbarkeit, die lokale Verarbeitungsmöglichkeit, der Kosten-Nutzen-Aufwand und der Verwendungszweck dieser Brücke sowie die räumlichen Gegebenheiten entscheidend.

2.1.2.1 Brücken aus Holz

Holz ist in vielen Regionen der Erde in ausreichenden Mengen vorhanden, um es für den Brückenbau zu verwenden. Da sich Holz auch mit primitiven Werkzeugen bearbeiten lässt, begann die Geschichte des Brückenbaus daher mit einfachen Holzbrücken. In der

Verwendung des Werkstoffes Holz spielt der technische Fortschritt des Menschen eine große Rolle. Die verbesserten Möglichkeiten zur Bearbeitung von Holz durch immer robusteres Werkzeug ließen die Qualität der Brücken steigen. Die Spannweite von Brücken konnte aber nicht über die Länge der vorhandenen Baumstämme hinaus erweitert werden.

Die Lösung dieses Problems brachte die Errichtung der primitivsten Form von Auslegerbrücken. Dazu mussten auf beiden Seiten des Ufers einige Baumstämme eingegraben werden. Ihre Enden ragten ein Stück über das Hindernis hinaus. Die nun gegenüberliegenden Arme wurden mit weiteren Baumstämmen verbunden. Um Brücken länger, stabiler und beständiger zu machen wurden geeignete Steine im Flussbett als Pfeiler genutzt.

Die ersten Hochkulturen in Ägypten, Mesopotamien und Griechenland entwickelten den Bau von Holzbrücken weiter, bis schließlich die Römer die Technik zu einer ersten Perfektion brachten. Die meisten römischen Brücken waren aus Holz geschaffen, denn schließlich bedeutet eine Steinbrücke einen vielfach größeren arbeitszeitlichen, technischen und finanziellen Aufwand in der Planung, Logistik und Errichtung als dies beim Bau von Holzbrücken der Fall war.

Viele römische Holzbrücken dienten primär militärischen und verkehrstechnischen Zwecken.

Eine römische Legion bestand aus mehreren tausend Personen und fast genauso vielen Tieren.

Diese mussten dazu fähig sein, notfalls in kurzer Zeit größere Hindernisse wie Flüsse, Schluchten oder unbefestigtes Gelände zu überwinden, um den Nachschub zu gewähr-leisten (H-O. Lamprecht, 1996).

Holzbrücken haben den Nachteil, dass sie durch Eisgang, Hochwasser oder Feuer,

beziehungsweise durch andere natürliche Einflüsse sehr leicht zu zerstören sind. Allerdings war dieser Nachteil gelegentlich auch ein Vorteil: Holzbrücken konnten in Kriegszeiten vor

Im Mittelalter wurden oft auch wegen Seuchengefahr, vor allem die Pest sei an dieser Stelle erwähnt, ganz bewusst alle in die Stadt führenden Brücken abgebrochen. War die Gefahr vorüber, konnte eine Holzbrücke wesentlich schneller als eine Steinbrücke wieder instand gesetzt werden. Auch konnte eine beschädigte Holzbrücke durch den Austausch von

einzelnen Balken und Deckhölzern schon nach wenigen Tagen wieder zur Verfügung stehen.

Eine zerstörte Steinbrücke bestand oft viele Jahrzehnte lang nur als Ruine weiter, oder wurde niemals wieder aufgebaut (B. Nebel, 2009).

Mit dem Niedergang des Römischen Imperiums ging auch ein allgemeiner technischer Verfall einher, der sich im Brückenbau besonders auf den Bau von Steinbogenbrücken auswirkte. In ganz Europa wurden über viele hundert Jahre fast ausschließlich Holzbrücken gebaut.

Einerseits lag dies wahrscheinlich daran, dass ein notwendiges Grundwissen nicht mehr vorhanden war, andererseits war Europa zur damaligen Zeit ein noch extrem bewaldeter Erdteil. Holz stand also ausreichend zur Verfügung. Im Laufe der Jahrhunderte entstand eine Vielzahl an unterschiedlichen Holzbrückentypen.

Mit dem Aufkommen und der raschen Verbreitung der Eisenbahn als Transportmittel kam es zu einer immer rascher steigenden Zahl an Brücken. Diese mussten errichtet werden, um die an Schienen gebundene Eisenbahn, welche die Pferdekutschen und Fuhrwerke als

Hauptverkehrsträger ablöste, an neue Ziele zu befördern. Doch die Mittel im Brückenbau konnten mit dem Fortschritt in der Entwicklung der Eisenbahn nicht Schritt halten. Etwa bis Mitte des 19.Jahrhunderts blieb Holz der einzig relevante Baustoff. Die Holzbrücken auf denen Züge verkehrten hatten jetzt aber ungleich höhere Lasten zu tragen, die auch noch dynamisch und stoßweise wirkten.

Die technische Entwicklung schritt voran und Lokomotiven wurden ständig schneller und schwerer. Die Folge war, dass die Holzbrücken einen sehr hohen Unterhaltsaufwand erforderten. Sie mussten ständig überprüft, ausgebessert und erneuert werden. Diese hohen Unterhaltskosten und die Empfindlichkeit gegenüber Feuer führten schließlich zur Suche nach alternativen Baumaterialien. Die mit Kohlen befeuerten Loks stießen unkontrollierbar Funken oder glühende Staubpartikel in die Landschaft, die entlang der Eisenbahnlinien bei

entsprechender Trockenheit häufig zu kleinen Bränden von Gras und Strauchwerk führten.

Wenn dann eine Holzbrücke in der Nähe war, konnte sie ebenfalls sehr leicht zu einem Opfer der Flammen werden.

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts kam der Neubau von Holzbrücken fast vollständig zum Erliegen. Die Ingenieure wendeten sich anderen Materialien zu, in den meisten Fällen zunächst dem Eisen und dann dem Beton. Heute, am Beginn des 21.Jahhunderts, werden reine Holzbrücken nur noch sehr selten gebaut. Wenn, dann meistens nur für den

Leichtverkehr, so zum Beispiel als Fußgänger- oder Radfahrbrücke (B. Nebel, 2009).

Beispiele für Holzbrücken an der Mur findet man im z. B. im Bezirk Murau. Es sind dies die Holzeuropabrücke zwischen St. Georgen /St. Lorenzen und der Mursteg in der Stadt Murau.

2.1.2.2 Brücken aus Stein

Naturstein gehört ebenso wie Holz zu den Materialien, die historisch betrachtet als erstes für den Brückenbau genutzt wurden. Wie bereits aus dem letzten Kapitel hervorgeht, sind Steinbrücken deutlich robuster, leistungsfähiger und grundsätzlich langlebiger als

Holzbrücken. Eine Vorlage für die Bogenform gibt es in der Natur nicht. Den Brücken in Bogenform am ähnlichsten sind die Eingänge zu Höhlen. Diese Form versuchten die Römer zu perfektionieren und errichteten leistungsfähige Steinbrücken. Diese hatten über

Jahrhunderte Bestand, ehe sie durch den Verfall des Römischen Reiches und den Verlust des Wissens im Umgang mit Technik im Mittelalter nicht mehr instand gehalten werden. Sie wurden zu Relikten der Vergangenheit.

Erst im Hochmittelalter erkannten Brückenbaumeister, dass so genannte Segmentbögen statisch günstiger sind als alle bisher bekannten Bogenformen. Ein Segmentbogen ist eine Bogenform, deren Kontur von einem Kreissegment gebildet wird. Der Kreisausschnitt ist kleiner als beim Halbkreisbogen (Rundbogen) und nähert sich bei einem relativ großen Kreisdurchmesser und relativ kleinen Ausschnitt dem scheitrechten Sturz. Diese flache Bauweise ist für weitgespannte Bogenbrücken von Vorteil, da man diese Bögen flacher, schneller und einfacher bauen konnte als Halbkreisbögen (H.Koepf/G.Biding, 2005).

Die ab 1135 erbaute „Steinerne Brücke“ in Regensburg kann als ältestes Exemplar dieser

„neuen Generation“ der Steinbrücken gesehen werden. Sie gilt als Vorbild für die später errichteten Brücken über Aude (Carcasone), Elbe (Dresden), Garonne (Bordeaux), Moldau (Prag), Rhone (Avignon), Themse (London) oder Vadar (Skopje).

In den darauf folgenden Jahrhunderten erkannte man, dass man Steinbrücken nicht nur als Flussübergang nutzen konnte, sondern begann damit, auf den Steinbrücken Wohnhäuser zu errichten. Einerseits, um dem akuten Wohnplatzmangel Einhalt zu gebieten und andererseits, um direkt an den stark frequentierten Brücken Handel zu betreiben. Beispiele hierfür sind der Ponte Vecchio in Florenz, die Krämerbrücke in Erfurt, die Innere Neckarbrücke in Esslingen, die Alte Nahe Brücke in Bad Kreuznach und die Obere Brücke in Bamberg.

Wie für Brücken aus Holz kam es auch für Steinbrücken mit der industriellen Herstellung von Stahl und dem Siegeszug der Eisenbahn zu einem Bedeutungsverlust. Heutzutage kommt Stein im Brückenbau hauptsächlich zur Verkleidung, Veredelung oder in der Gestaltung von besonderen Elementen wie Brücken(heiligen)figuren zum Einsatz.

2.1.2.3 Brücken aus Beton und Stahlbeton

Beton besitzt die Eigenschaft, der am besten form- und multifunktional einsetzbare Baustoff zu sein. Folglich experimentierten bereits die Ägypter beim Bau ihrer Pyramiden und anderer Bauwerke mit Kalkmörtel. Wie bereits im vorigen Kapitel erwähnt, gelang es schließlich wieder einmal den Römern, aus Kalk, Wasser, Sand und Bruchstein einen Baustoff herzustellen, welcher dem heutigen Beton sehr ähnlich war. Dieser Vorläufer des Betons wurde von den Römern für Zweckbauten wie Amphitheater, öffentliche Bäder,

Wasserleitungen und selbstverständlich auch im Brückenbau verwendet.

Eine weitere technische Meisterleistung der Römer war die Weiterentwicklung des

Kalkmörtels zu einem Beton, der unter Wasser bindet. Dies war eine Voraussetzung für den Bau von dauerhaften Brücken über breite Flüsse. Zur Herstellung dieses Betons setzten die Römer dem üblichen Kalkmörtel noch einen Anteil vulkanischer Asche zu, die sie in der Nähe der süditalienischen Stadt Pozzuoli am Vesuv abbauten (B. Nebel, 2009).

Die Kenntnis von der Herstellung eines wasserfesten Betons ging im Mittelalter verloren, wo-durch man nur mehr wasserlöslichen Kalk verwenden konnte. Für mehrere Jahrhunderte war es daher nicht möglich, Brücken zu bauen, die den römischen Bauwerken ähnlich gewesen wären. Erst um 1755 gelang es einem britischen Baumeister, der einen Leuchtturm in

Cornwall baute, durch die Vermengung von gebranntem Kalk und Ton das erste wasserfeste, selbsterhärtende Bindemittel der Neuzeit, herzustellen (H-O. Lamprecht, 1996).

Die entscheidende Initialzündung beim Aufstieg zum Baumaterial Nummer Eins erhielt der Beton durch eine Erfindung eines französischen Gärtners, der Blumentöpfe aus Beton herstellte, die aber viel zu leicht zerbrachen. Zur leichteren Formgebung und um die Haltbarkeit zu verbessern, legte er um die Mitte des 19.Jahrhunderts vor dem Gießen ein entsprechend gebogenes Drahtgeflecht in die Form.

In den Jahren 1866 bis 1877 meldete er mehrere Patente zunächst für seine Töpfe, dann aber auch für Bauteile wie Stützen und Balken, an. 1873 ließ sich der Gärtner das Patent auf eine mit Eisen bewehrte Brücke erteilen und baute nur zwei Jahre später die erste Brücke aus Eisenbeton (D.J. Brown, 1996).

Ein weiterer Schritt zu noch höher belastbaren Bauteilen aus Beton war die Erfindung des Spannbetons. Bei der Herstellung von Spannbeton werden die Stahldrähte entweder in einer Blechröhre vorgespannt oder der Beton wird direkt auf die vorgespannten Stähle gegossen.

Der Spannvorgang wirkt der späteren Belastung entgegen und führt zu einer höheren

Belastbarkeit des Bauteils. Beton und Stahlbeton eröffneten gerade auch im Brückenbau eine Fülle von bis dahin ungeahnten technischen Möglichkeiten, die durch neue Bauverfahren stetig weiterentwickelt wurden. Auch der Beton selbst unterliegt einer ständigen

Weiterentwicklung und der Suche nach technischen Verbesserungen.

Im Laufe der Jahrzehnte wurden für alle möglichen Anwendungsbereiche Spezialbetone entwickelt. So gibt es unter anderem: Leichtbeton, Schwerbeton, schnell oder langsam erhärtenden Beton, wärmedämmenden-, feuerfesten- und lichtdurchlässigen Beton, Pump-, Schütt,- und Walzbeton, Fließ- und Transportbeton, Strahlenschutzbeton und in allen Farben kolorierten Beton (D. Bühler, 2004).

Heute wird beim Brückenbau (auch bei vielen Murbrücken) oftmals ein Mischtyp aus Beton, Stahlbeton und Verbundmaterialien verwendet. Dadurch können die Vorteile beider

Materialien vereint werden. Stahl ist in der Lage, hohe Zugkräfte aufzunehmen, während der Beton eine hohe Druckfestigkeit aufweist.

2.1.2.4 Brücken aus Stahl

Der Baustoff Stahl, ist untrennbar mit der industriellen Revolution und den Britischen Inseln verbunden. Deshalb sind die ersten und bis heute wahrscheinlich architektonisch

eindrucksvollsten Exemplare dieses Baumaterials in England und Schottland zu finden. Eisen war bereits seit dem Ende der Bronzezeit als Werkstoff bekannt, doch bedurfte es eines extrem großen Aufwandes, das Gestein zum Schmelzen zu bringen und vom Eisen zu trennen.

Die klassische Eisengewinnung unter der Verwendung von Holzkohleöfen geschah bei einer Temperatur von über 1500 Grad Celsius. Die Verfahren zur Eisenherstellung wurden im Laufe der Zeit ständig verbessert. Immer größere Mengen von Eisen wurden hergestellt. Das Material fand in vielen Bereichen des täglichen Lebens Zugang und es entstanden ganz neue Gewerbezweige.

Im waldarmen England wurde die Holzkohle immer teurer, weil die Eisenhütten riesige Mengen des Heizmaterials benötigten. Schließlich mussten einige Eisenhütten sogar ihren Betrieb einstellen, zumal der boomende Schiffsbau die Holzknappheit weiter verstärkte. Es kam zur ersten Energiekrise, die sich zu einer Bedrohung für die fortschreitende

Industrialisierung auszuweiten begann.

Anfang des 18. Jahrhunderts gelang es erstmalig, aus Kohle Koks herzustellen und als Ersatzstoff für die Holzkohle zu verwenden. Mit Hilfe des Kokses konnte eine wesentlich höhere Temperatur im Ofen erzeugt werden. Nun wurde es möglich, das Eisen bis zum Schmelzpunkt zu erhitzen. Das flüssige Eisen wurde in Sandformen gegossen und völlig neuen Verwendungszwecken zugeführt.

Der Waldreichtum der Steiermark, das Vorhandensein der Rohstoffe und die Nutzbarkeit von Flüssen als Transportwege sind Gründe warum sich die eisen- und stahlverarbeitende

Schwerindustrie zum Rückgrat der obersteirischen Wirtschaft entwickelt hat. Beispiele für Eisen- oder Stahlbrücken findet man im Murtal unter anderem in Knittelfeld und Leoben. In diese Kategorie fällt auch die Grenzbrücke in Mureck. Der Stahl wurde allerdings in Marburg gefertigt.

Gusseisen ist ein sehr hartes und sprödes Material, welches sich hervorragend zum Bau von Bogenbrücken eignet. Jedoch ist Gusseisen weder besonders elastisch, noch zugfest und war auch auf Grund des damals mangelnden Wissens über diese Eigenschaften für den Bau von Balken- oder Hängebrücken ungeeignet.

Schmiedeeisen hat einen wesentlich niedrigeren Kohlestoffanteil als Gusseisen und ist deshalb nicht ganz so hart. Schmiedeeisen ist mechanisch verformbar, gleichzeitig elastisch und kann auf Zug beansprucht werden. Schmiedeeisen hat gegenüber Gusseisen außerdem den Vorteil, dass es sich im erwärmten Zustand sehr gut weiter verarbeiten lässt. Es war nun möglich, Bleche zu walzen, Bauteile wie Träger und Eisenbahnschienen herzustellen oder Drähte zu ziehen.

Im Brückenbau entwickelten sich ab 1857 vor allem variantenreiche Fachwerksysteme, die zum Teil schon aus dem Holzbau bekannt waren und in Eisenausführung weiterentwickelt wurden. Besonders für die dynamische Belastung der Eisenbahn wurden zahlreiche Trägersysteme, meist Balkenbrücken, aber auch Bogen- und Auslegerbrücken gebaut (B. Nebel, 2009).

Die Ära der Schmiedeisenbrücken wurde um 1900 durch die Stahlperiode abgelöst.

Der Kohlenstoffanteil des Stahls liegt genau zwischen dem des Gusseisens und des Schmiedeeisens. Mit seiner sehr großen Schlagfestigkeit bei gleichzeitiger Zähigkeit und Zugfestigkeit vereint der Stahl die Vorzüge der beiden früheren Eisensorten und ist daher bis zum heutigen Tage eines der meistverwendeten Baumaterialien.

Ein weiterer Vorzug des Stahls ist seine Schweißbarkeit, ein erheblicher Vorteil gegenüber der zeitraubenden Niettechnik. Stahl ist im Brückenbau auch heute noch in vielen Fällen erste Wahl. Für große Spannweiten werden meistens Stahlsegmente bevorzugt, vor allem wenn ein elastischer, schlanker und leichter Träger erforderlich ist. Die Erfindung und

Weiterentwicklung der Schweißtechnik sorgte dafür, dass die Stahlbauweise im Brückenbau weiterhin attraktiv blieb (S. Ewert, 2003).