Ingenieurkunst : Brücken, die noch lange halten

Sie verbinden Menschen, Städte und Kontinente. Doch viele Brücken kommen in ein kritisches Alter: Die Bauwerke ermüden, und gleichzeitig steigt die Belastung durch den Verkehr. Neue Werkstoffe und Techniken sollen helfen, Brücken fit zu machen für die Zukunft.

Martin Borré
Empfindlich. Die Brooklyn Bridge in New York wurde kürzlich von einem schwimmenden Kran beschädigt.
Empfindlich. Die Brooklyn Bridge in New York wurde kürzlich von einem schwimmenden Kran beschädigt.Foto: John Minchillo/AP/dapd

Am 29. April 1939, eröffnete Robert Moses, Verkehrsplaner von New York, die Bronx-Whitestone-Bridge zwischen den Stadtteilen Bronx und Queens mit den Worten: „Diese Brücke ist die architektonisch schönste aller Hängebrücken, ohne Vergleich in Reinheit und Einfachheit der Konstruktion, in Leichtigkeit und Abwesenheit selbstgefälligen Schmucks.“

1149 Meter ist die Brücke über den East River lang, zwischen den beiden Brückenpfeilern streckt sich die vierspurige Fahrbahn über 701 Meter, aufgehängt an zwei langen, baumdicken Kabelsträngen. Dem Geist der Zeit entsprechend entwarf der Schweizer Ingenieur Othmar Ammann die Hängebrücke aus Stahl. Architekten aus aller Welt rühmen die effiziente und filigrane Bauweise im Art-déco-Stil. Doch im November 1940 schaukelt sich im Bundesstaat Washington eine ähnliche Brücke, die Tacoma-Narrows-Bridge, durch eine starke Brise so stark auf, dass sie zusammenbricht. Später stellt sich heraus: Die Breite des Brückendecks war im Verhältnis zur Spannweite zu gering. Die Bronx-Whitestone-Bridge hatte ähnliche Probleme. 1943, nach einem Sturm, schwankte sie so heftig, dass Ammann auf jeder Seite parallel zur Fahrbahn ein massives, gar nicht elegantes Stahlträgerfachwerk zur Versteifung anbringen lassen musste.

Für Ingenieure ist die Bronx-Whitestone-Bridge das Paradebeispiel, wenn sie über den Optimierungsbedarf vieler heutiger Brücken sprechen. Jede Konstruktion ist ein Balanceakt: Filigran und harmonisch sollen die Bauten wirken, gleichzeitig muss das komplexe System aus Pfeilern, Trägern, Bögen und Kabeln robust genug sein, um Stürmen und Erdbeben standzuhalten.

Jede neue Brücke ist ein Experiment. Ihr Verhalten unter dem Einfluss der Naturgewalten und des Verkehrs ist nie bis ins Letzte berechenbar. Niemand hatte etwa vorhergesehen, dass – wie spätere Untersuchungen zeigten – bereits 166 gehende Menschen ausreichen würden, um die Millenium-Brücke in London in Schwingung zu versetzen. Am Tag der Eröffnung im Jahr 2000 reagierten Tausende Menschen auf die Bewegung der Brücke instinktiv mit seitlichen Schritten, um Stabilität zu gewinnen. Sie bewegten sich wie Seemänner auf schwankendem Deck und gaben der Brücke so zusätzliche Impulse. Ein sich selbst verstärkender Effekt, der dank eines 2002 installierten Dämpfungssystems nicht mehr auftritt.

In Deutschland gibt es zwar keine Brücken mit ähnlichen konstruktiven Mängeln, dennoch benötigen viele Bauwerke hierzulande ein technisches Update. Sie leiden unter der Verkehrslast. „15 Prozent sind in einem kritischen bis ungenügenden Zustand“, sagt Jürgen Berlitz, Fachreferent für Straßenverkehrsplanung beim ADAC. „Dort besteht dringender Handlungsbedarf.“ Insgesamt seien 46 Prozent der knapp 40 000 Bauwerke aufgrund des Alters und steigender Beanspruchung derart geschädigt, dass zügig gehandelt werden sollte.

Das Bundesamt für Straßenwesen (BASt) bemisst die Lebensdauer von Brücken mit 80 bis 100 Jahren. Etwa die Hälfte der Brücken auf Bundesfernstraßen ist mehr als 30 Jahre alt. Dass ihr Stahl ermüdet und rostet, Wettereinflüsse und chemische Prozesse den Beton bröckeln lassen, ist normal, doch der zunehmende Verkehr beschleunigt ihren Verfall. 1970 fuhren auf deutschen Straßen 17 Millionen Fahrzeuge, heute sind es etwas mehr als 50 Millionen. Bis zum Jahr 2025 wird der Lkw-Verkehr noch einmal um 85 Prozent zunehmen, prophezeit das Bundesverkehrsministerium. 1999 war laut ADAC ein Drittel der Brücken in einem sehr guten oder guten Zustand, 2008 war es nur noch ein Sechstel. Um die Bauten langfristig belastbar zu machen, seien fünf bis sieben Milliarden Euro nötig.

Aktuell werden in sieben Bundesländern überlange und 45-Tonnen schwere Lkws im Feldversuch getestet. Sollten diese „Gigaliner“ zu dauerhaften Verkehrsteilnehmern werden, heißt es in einem BASt-Gutachten, könnten bei den meisten Brücken „über den Bemessungswerten liegende Beanspruchungen auftreten“. Sie dürften dann nicht befahren werden – es sei denn, es würden noch einmal vier bis acht Milliarden Euro zusätzlich in die Ertüchtigung investiert. Früher oder später stehen Verkehrsplaner also vor der Wahl: Renovierung und Verstärkung oder Abriss und Neubau.

Materialforscher geben eine Entscheidungshilfe: Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) können helfen, müde Brücken wieder fit zu machen. „Seitdem Menschen Brücken bauen, nutzen sie das innovativste ihnen zu Verfügung stehende Material, um stabilere, kühnere Brücken zu bauen“, schreibt David Blockley, ehemaliger Professor für Bautechnik an der Universität Bristol, in seinem auch für Nicht-Ingenieure lesenswerten Buch „Bridges – the science and art of the world’s most inspiring structures“. Holz, Stein, Stahl, Beton gehören zu den klassischen Werkstoffen des Brückenbaus. Verbundwerkstoffe erweitern nun den Werkzeugkasten der Ingenieure.

In Dübendorf bei Zürich hat die Empa ihren Sitz, die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt. „Sichere Brücken kann man auch ohne Stahl und Beton bauen“, sagt Urs Meier, ehemaliger Empa-Direktor und Brückenexperte. „CFK ist das ideale Material für den Brückenbau“, sagt Meier. Die feinen schwarzen Fasern sind flexibel einsetzbar, lassen sich zu Matten, Balken oder Kabeln formen. Vor allem aber ist eine in Kunststoff gebettete Kohlenstofffaser bis zu vier Mal fester als Stahl, wiegt dabei aber nur ein Fünftel.

In den 90er-Jahren begann Meier damit, CFK-Bänder um schwächelnde Brückenpfeiler zu wickeln und unter überlastete Fahrbahnen zu kleben: „Eine zusätzliche Beton-Bewehrung macht die Brücke zwar ebenfalls tragfähiger, aber nicht in dem Maße wie eine CFK-Bewehrung.“ Denn diese erhöht das Eigengewicht der Brücke weit weniger. Heute setzen spezialisierte Baufirmen weltweit CFK-Werkstoffe zur Brückenverstärkung ein, auch weil die oft nur wenige Millimeter dicken Bänder und Matten die Optik der Bauwerke kaum verändern.

Wie Korrosion den Brücken schadet, lesen Sie auf der nächsten Seite.

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