Betonbalkenbrücke

Betonbalkenbrücke

Hintergrund

Nahezu 590.000 Straßenbrücken überspannen in den Vereinigten Staaten Wasserstraßen, Senken, andere Straßen und Eisenbahnlinien. Die eindrucksvollsten Brücken verwenden komplexe Systeme wie Bögen, Seile oder dreieckige Fachwerke, um die Fahrbahn zwischen majestätischen Pfeilern oder Türmen zu überspannen. Das Arbeitspferd des Autobahnbrückensystems ist jedoch die relativ einfache und kostengünstige Balkenbrücke aus Beton.

Eine Balkenbrücke, auch als Trägerbrücke bekannt, besteht aus einer horizontalen Platte, die an jedem Ende gestützt wird. Da das gesamte Gewicht der Platte (und der darauf befindlichen Gegenstände) vertikal auf die Stützpfeiler übertragen wird, können die Pfeiler weniger massiv sein als Stützen für Bogen- oder Hängebrücken, bei denen ein Teil des Gewichts horizontal übertragen wird.

Eine einfache Balkenbrücke wird in der Regel verwendet, um eine Entfernung von 76,2 m oder weniger zu überbrücken. Größere Entfernungen können überbrückt werden, indem man eine Reihe von einfachen Balkenbrücken zu einer so genannten durchgehenden Spannweite verbindet. Die längste Brücke der Welt, der Lake Pontchartrain Causeway in Louisiana, ist ein Paar paralleler, zweispuriger Brücken mit einer Länge von fast 38,4 km. Die erste der beiden Brücken wurde 1956 fertiggestellt und besteht aus mehr als 2.000 einzelnen Spannweiten. Die Schwesterbrücke (die jetzt den Verkehr in Richtung Norden führt) wurde 13 Jahre später fertiggestellt; sie ist zwar 228 Fuß länger als die erste Brücke, umfasst aber nur 1.500 Spannweiten.

Eine Brücke besteht aus drei Hauptelementen. Zunächst überträgt der Unterbau (Fundament) das Gewicht der Brücke auf den Boden; er besteht aus Bauteilen wie Pfeilern (auch Pfeiler genannt) und Widerlagern. Ein Widerlager ist die Verbindung zwischen dem Ende der Brücke und dem Erdreich; es stützt die Endabschnitte der Brücke. Zweitens ist der Überbau der Brücke die horizontale Plattform, die den Raum zwischen den Pfeilern überspannt. Das Brückendeck schließlich ist die dem Überbau hinzugefügte Verkehrsfläche.

Geschichte

Der prähistorische Mensch begann, Brücken zu bauen, indem er die Natur nachahmte. Da er es für nützlich hielt, auf einem Baum zu gehen, der über einen Bach gefallen war, begann er, Baumstämme oder Steinplatten dort zu platzieren, wo er Bäche überqueren wollte. Wenn er einen breiteren Fluss überbrücken wollte, fand er heraus, wie er Steine im Wasser aufstapeln und Holz- oder Steinbalken zwischen diese Säulen und das Ufer legen konnte.

Die erste dokumentierte Brücke wurde 484 v. Chr. von Herodot beschrieben. Sie bestand aus Holzbalken, die von Steinsäulen gestützt wurden, und wurde etwa 300 Jahre zuvor über den Euphrat gebaut.

Die Römer waren vor allem für ihre Bogenbrücken aus Stein und Beton bekannt, bauten aber auch Balkenbrücken. Die früheste bekannte römische Brücke, die 620 v. Chr. über den Tiber gebaut wurde, wurde Pons Sublicius genannt, weil sie aus Holzbalken (sublicae) bestand. Zu den römischen Brückenbautechniken gehörte die Verwendung von Kofferdämmen beim Bau von Pfeilern. Dazu trieben sie eine kreisförmige Anordnung von Holzpfählen in den Boden um den geplanten Standort des Pfeilers. Nachdem sie den hölzernen Ring mit Lehm ausgekleidet hatten, um ihn wasserdicht zu machen, pumpten sie das Wasser aus der Umschließung. So konnten sie den Beton für die Säulenbasis gießen.

Der Übergang von der Kunst zur Wissenschaft im Brückenbau begann 1717, als der französische Ingenieur Hubert Gautier eine Abhandlung über den Brückenbau schrieb. 1847 schrieb der Amerikaner Squire Whipple „A Work on Bridge Building“, das die ersten analytischen Methoden zur Berechnung von Spannungen und Dehnungen in einer Brücke enthielt. In den 1880er Jahren etablierte sich der „beratende Brückenbau“ als Spezialgebiet innerhalb des Bauwesens.

Weitere Fortschritte im Balkenbrückenbau waren vor allem auf Verbesserungen bei den Baumaterialien zurückzuführen.

Baumaterialien und ihre Entwicklung

Die meisten Autobahnbalkenbrücken werden aus Beton und Stahl gebaut. Die Römer verwendeten für ihre Brücken Beton aus Kalk und Puzzalana (ein rotes, vulkanisches Pulver). Dieses Material härtete schnell aus, auch unter Wasser, und war stabil und wasserdicht. Im Mittelalter wurde in Europa stattdessen Kalkmörtel verwendet, der jedoch wasserlöslich war. Der heute übliche Portlandzement, eine besondere Mischung aus Kalkstein und Ton, wurde 1824 von einem englischen Maurer namens Joseph Aspdin erfunden, aber er wurde erst Anfang des 20. Jahrhunderts in großem Umfang als Fundamentmaterial verwendet.

Beton hat eine gute Festigkeit, um Kompression (Druckkraft) zu widerstehen, ist aber nicht so stark unter Spannung (Zugkraft). Im neunzehnten Jahrhundert gab es in Europa und den Vereinigten Staaten mehrere Versuche, Beton durch die Einbettung von zugfestem Eisen zu verstärken. Eine bessere Version wurde in den 1880er Jahren in Frankreich von Francois Hennebique entwickelt, der Bewehrungsstäbe aus Stahl verwendete. Die erste bedeutende Verwendung von Stahlbeton bei einer Brücke in den Vereinigten Staaten war die Alvord Lake Bridge im Golden Gate Park von San Francisco; sie wurde 1889 fertiggestellt und ist noch heute in Betrieb. Sie wurde mit Bewehrungsstäben aus gedrehtem Stahl gebaut, die von dem Konstrukteur Ernest L. Ransome entwickelt wurden.

Der nächste bedeutende Fortschritt im Betonbau war die Entwicklung des Vorspannens. Ein Betonbalken wird vorgespannt, indem man an Stahlstäben zieht, die durch den Balken verlaufen, und dann die Enden der Stäbe an den Enden des Balkens verankert. Dadurch wird eine Druckkraft auf den Beton ausgeübt, die die Zugkräfte ausgleicht, die auf den Balken wirken, wenn eine Last auf ihn aufgebracht wird. (Ein Gewicht, das auf einen horizontalen Balken drückt, neigt dazu, den Balken in der Mitte nach unten zu biegen, wodurch Druckkräfte an der Oberseite des Balkens und Zugkräfte an der Unterseite des Balkens entstehen.)

Vorspannung kann auf einen Betonträger angewandt werden, der in einem Werk vorgefertigt, zur Baustelle gebracht und mit einem Kran an seinen Platz gehoben wird; oder sie kann auf Ortbeton angewandt werden, der an der endgültigen Stelle des Balkens gegossen wird. Die Spannung kann auf die Stahldrähte oder -stäbe aufgebracht werden, bevor der Beton gegossen wird (Vorspannung), oder der Beton kann um Rohre gegossen werden, die ungespannten Stahl enthalten, auf den die Spannung aufgebracht wird, nachdem der Beton ausgehärtet ist (Nachspannung).

Entwurf

Jede Brücke muss individuell entworfen werden, bevor sie gebaut wird. Der Konstrukteur muss eine Reihe von Faktoren berücksichtigen, darunter die örtliche Topografie, Wasserströmungen, die Möglichkeit der Eisbildung auf dem Fluss, Windverhältnisse, Erdbebenpotenzial, Bodenbedingungen, voraussichtliches Verkehrsaufkommen, Ästhetik und Kostenbeschränkungen.

Darüber hinaus muss die Brücke so konstruiert werden, dass sie statisch einwandfrei ist. Dazu müssen die Kräfte analysiert werden, die auf jedes Bauteil der fertigen Brücke einwirken werden. Drei Arten von Lasten tragen zu diesen Kräften bei. Die Eigenlast bezieht sich auf das Gewicht der Brücke selbst. Die Nutzlast bezieht sich auf das Gewicht des Verkehrs, den die Brücke tragen wird. Die Umgebungslast bezieht sich auf andere äußere Kräfte wie Wind, mögliche Erdbebeneinwirkungen und mögliche Kollisionen des Verkehrs mit den Brückenstützen. Die Analyse wird für die statischen (stationären) Kräfte der Eigenlast und die dynamischen (beweglichen) Kräfte der Nutz- und Umgebungslasten durchgeführt.

Seit den späten 1960er Jahren hat sich der Wert der Redundanz beim Entwurf weitgehend durchgesetzt. Das bedeutet, dass eine Brücke so entworfen wird, dass das Versagen eines einzelnen Bauteils nicht zum sofortigen Einsturz des gesamten Bauwerks führt. Dies wird dadurch erreicht, dass andere Teile stark genug sind, um ein beschädigtes Teil zu kompensieren.

Der Herstellungsprozess

Da jede Brücke einzigartig für einen bestimmten Standort und eine bestimmte Funktion entworfen wird, unterscheidet sich auch der Bauprozess von Brücke zu Brücke. Der im Folgenden beschriebene Prozess stellt die wichtigsten Schritte beim Bau einer relativ typischen Stahlbetonbrücke dar, die einen flachen Fluss überspannt und deren Zwischenstützen aus Beton im Fluss liegen.

Zur Veranschaulichung sind in der folgenden Beschreibung Beispielgrößen für viele Brückenkomponenten angegeben. Einige wurden aus Broschüren der Lieferanten oder aus den Standardspezifikationen der Industrie entnommen. Andere sind Details einer Autobahnbrücke, die 1993 über den Rio Grande in Albuquerque, New Mexico, gebaut wurde. Die 1.245 Fuß lange und 10 Fahrspuren breite Brücke wird von 88 Pfeilern getragen. Sie enthält 11.456 Kubikmeter Beton in der Struktur und weitere 8.000 Kubikmeter in der Fahrbahn. Außerdem enthält sie 6,2 Millionen Pfund Betonstahl.

Unterbau

• 1 Um jede Säule im Flussbett wird ein Fangedamm errichtet, und das Wasser wird aus dem Inneren des Gehäuses gepumpt. Eine Methode zur Errichtung des Fundaments ist das Bohren von Schächten durch das Flussbett bis zum Grundgestein. Während ein Schneckenbohrer Erde aus dem Schacht nach oben befördert, wird ein Tonschlamm in das Loch gepumpt, um die Erde zu ersetzen und den Schacht vor dem Einsturz zu bewahren. Wenn die richtige Tiefe erreicht ist (z. B. etwa 24,4 m), wird ein zylindrischer Käfig aus Bewehrungsstahl in den mit Schlamm gefüllten Schacht (z. B. mit einem Durchmesser von 2 m) gesenkt. Der Beton wird bis zum Boden des Schachts gepumpt. Während sich der Schacht mit Beton füllt, wird der Schlamm oben aus dem Schacht herausgedrückt, wo er aufgefangen und gereinigt wird, damit er wiederverwendet werden kann. Der oberirdische Teil jeder Säule kann entweder geschalt und an Ort und Stelle gegossen oder vorgefertigt und an Ort und Stelle gehoben und am Fundament befestigt werden.
• 2 Die Brückenwiderlager werden am Flussufer vorbereitet, wo das Brückenende liegen wird. Zwischen der Oberkante des Ufers und dem Flussbett wird eine Rückwand aus Beton geschalt und gegossen; sie dient als Stützmauer für das Erdreich hinter dem Ende der Brücke. Im oberen Teil der Rückwand wird eine Kante (Sitz) für das Brückenende geformt, auf der es aufliegt. Möglicherweise sind auch Flügelmauern erforderlich, die sich von der Rückwand entlang des Flussufers nach außen erstrecken, um das Füllmaterial für die Brückenzufahrten zurückzuhalten.
• 3 In diesem Beispiel ruht die Brücke auf einem Paar von Pfeilern an jedem Stützpunkt. Der Unterbau wird durch eine Kappe (ein Stahlbetonbalken) vervollständigt, die senkrecht zur Richtung der Brücke verläuft und von der Spitze eines Pfeilers bis zur Spitze seines Partners reicht. Bei anderen Entwürfen kann die Brücke auf verschiedenen Auflagerkonfigurationen ruhen, z. B. auf einem brückenbreiten rechteckigen Pfeiler oder einem einzelnen T-förmigen Pfeiler.

Überbau

• 4 Ein Kran wird verwendet, um Stahl- oder Spannbetonträger zwischen aufeinanderfolgenden Pfeilersätzen über die gesamte Länge der Brücke zu setzen. Die Träger werden mit den Stützenkappen verschraubt. Bei der Autobahnbrücke von Albuquerque ist jeder Träger 1,8 m hoch und bis zu 40 m lang und wiegt bis zu 54 Tonnen.
• 5 Stahlplatten oder vorgefertigte Betonplatten werden über die Träger gelegt, um eine solide Plattform zu bilden und den Brückenüberbau zu vervollständigen. Ein Hersteller bietet z. B. eine 11,43 cm tiefe, gewellte Platte aus schwerem Stahl (7 oder 9 mm stark) an. Eine andere Alternative ist eine Stahlschalung für die Betonfahrbahn, die später gegossen wird.

Deck

• 6 Eine Feuchtigkeitssperre wird auf der Oberbauplattform angebracht. Hierfür kann z. B. heiß aufgetragener polymermodifizierter Asphalt verwendet werden.
• 7 Auf der Feuchtigkeitssperre wird ein Gitter aus Betonstahlstäben angebracht, das später von einer Betonplatte umhüllt wird. Das Gitter ist dreidimensional, mit einer Lage Bewehrungseisen in der Nähe der Unterseite der Platte und einer weiteren in der Nähe der Oberseite.
• 8 Der Betonbelag wird gegossen. Eine Dicke von 20,32-30,5 cm (8-12 Zoll) Betondecke ist für eine Autobahn angemessen. Wurden Ortbetonschalungen als Überbauplattform verwendet, wird der Beton in sie gegossen. Wurden keine Schalungen verwendet, kann der Beton mit einer Gleitschalungsfertiger-Maschine aufgetragen werden, die den Beton in einem Arbeitsgang verteilt, verdichtet und glättet. In beiden Fällen wird die frische Betonplatte mit einer rutschfesten Struktur versehen, indem die Oberfläche manuell oder mechanisch mit einer Bürste oder rauem Material wie Sackleinen angeritzt wird. Etwa alle 5 m (15 ft) werden seitliche Fugen angebracht, um Risse in der Fahrbahn zu vermeiden; diese werden entweder vor dem Gießen des Betons in die Schalungen eingefügt oder nach dem Aushärten der gleitgeformten Platte geschnitten. Zum Abdichten der Fugen wird ein flexibles Dichtungsmittel verwendet.

Qualitätskontrolle

Die Planung und der Bau einer Brücke müssen den Normen entsprechen, die von mehreren Organisationen entwickelt wurden, darunter der American Association of State Highway and Transportation Officials, der American Society for Testing and Materials und dem American Concrete Institute. Verschiedene Materialien (z. B. Betonchargen) und Bauteile (z. B. Balken und Verbindungen) werden im Laufe der Bauarbeiten getestet. Ein weiteres Beispiel ist das Albuquerque-Brückenprojekt, bei dem statische und dynamische Festigkeitsprüfungen an einem auf der Baustelle gefertigten Musterfundament und an zwei Produktionsschächten durchgeführt wurden.

Die Zukunft

Zahlreiche Regierungsbehörden und Industrieverbände fördern und betreiben Forschung zur Verbesserung von Materialien und Bautechniken. Ein wichtiges Ziel ist die Entwicklung leichterer, festerer und haltbarerer Materialien wie neu formulierter Hochleistungsbeton, faserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe als Ersatz für Beton bei einigen Bauteilen, Epoxidbeschichtungen und elektrochemische Schutzsysteme zur Verhinderung der Korrosion von Bewehrungsstahl, alternative synthetische Bewehrungsfasern sowie schnellere und genauere Prüfverfahren.

Wo man mehr erfahren kann

Bücher

Brown, David J. Bridges. New York: Macmillan, 1993.

Hardesty, E. R., H. W. Fischer, R. W. Christie, and B. Haber. „Bridge.“ In McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology. New York: McGraw-Hill Book Company, 1987, S. 49-58.

Troitsky, M.S. Planning and Design of Bridges. New York: John Wiley & Sons, Inc. 1994.

Sonstiges

„General Information About Concrete Pavement.“ American Concrete Pavement Association. http://www.pavement.com/general/conc-info.html (24 Feb. 1998).

„Beam Bridge.“ Nova Online „Super Bridge“. November 1997. http://www.pbs.org/wghb/nova/bridge/meetbeam.html (24. Feb. 1998).

-Loretta Hall