Ingenieurkunst: Brücken, die noch lange halten

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.

Besondere Lösungen gibt es für Hänge- und Schrägseilbrücken. Bei diesen Brückentypen müssen tonnenschwere Stahlseilbündel ihr Eigengewicht, das Gewicht des Tragwerks, der Fahrbahn und des Verkehrs halten. Meier möchte Stahlseile durch leichtere und gleichzeitig festere CFK-Faserstränge ersetzen. Das würde das Eigengewicht der Brücke erheblich senken, und sie könnte zugleich mehr Autos tragen. Erste Praxistests zeigen, dass CFK-Kabel anders als Stahlkabel unter Belastung nicht ausleiern, sie dehnen sich nicht und schrumpfen nicht wie Stahl unter dem Einfluss von Sonne und Frost. „Vor allem aber rosten sie nicht“, sagt Meier.

Korrosion ist im Brückenbau ein großes Problem. In Stahlbeton dringt mit der Zeit Wasser ein, Zusatzstoffe im Beton reagieren mit dem Metall, der Rost lässt den Beton bröckeln, neues Wasser gelangt in die Konstruktion – ein Teufelskreis. Seile und Tragwerk aus Stahl müssen alle fünf bis zehn Jahre mit Schutzfarbe bestrichen werden. Das treibt das Gewicht und die Wartungskosten in die Höhe. „Kabel aus Kohlefasersträngen sind zwar in der Anschaffung teurer als Stahlkabel, dafür aber nachhaltiger“, sagt Meier. Sie benötigen lediglich eine isolierende Hülle aus Polyethylen, die sie vor Blitzeinschlägen schützt. Eine dünne Beschichtung mildert die Wirkung schädlicher UV-Strahlung.

Sollen mit einer Brücke mehr als 200 Meter überwunden werden, ist etwa seit den 60er Jahren die Schrägseilbrücke erste Wahl bei Bauherren und Architekten. Konstruktionsbedingt benötigt sie weniger Stahl und Beton als etwa die Hängebrücke, das senkt die Baukosten und das Gewicht. „Aber Schrägseilbrücken haben ein Problem, sie neigen bei bestimmten Windgeschwindigkeiten zu heftigen Schwingungen“, sagt Felix Weber von der Empa. Bei Seillängen von 150 bis 450 Metern kann die Seilmitte ein bis drei Meter ausschlagen. Von dem Problem sind Schrägseile aus Stahl genauso betroffen wie solche aus CFK. Weber hat daher mit der Münchener Firma Maurer Söhne ein aktives Dämpfungssystem für diese Brücken entwickelt. Sensorgesteuerte Hydraulikzylinder sitzen am Verankerungspunkt der Seile am Brückendeck und gleichen jede Schwingung selbstständig aus. Ohne Dämpfung müssten viele Brücken dieses Typs bei starkem Wind gesperrt werden.

Die Technik wird bereits eingesetzt, etwa an der 518 Meter langen Franjo-Tudjman-Brücke bei Dubrovnik. Sie wurde 2002 errichtet und wurde 2005 mit Dämpfern an allen Schrägseilen nachgerüstet. Ein Sturm hatte die bis zu 220 Meter langen Stahlkabel bis zu 1,5 Meter ausschwingen lassen. „Mit den aktiven Dämpfern verkleinert sich die Seitenbewegung auf etwa 15 Zentimeter“, sagt Weber. In Zukunft werden Leichtbaubrücken bereits beim Bau mit Dämpfern ausgestattet, sonst wäre es nicht möglich, immer größerer Distanzen zu überbrücken. 48 Seildämpfer wurden etwa in die Ende 2008 eröffnete Sutong-Brücke über dem Yangtse in China eingebaut. Mit 1088 Metern ist sie die Schrägseilbrücke mit der größten Spannweite. Ohne die Dämpfer wären die bis zu einen halben Kilometer langen Stahlseile bei Sturm nicht zu bändigen.

Hätte der Ingenieur Othmar Ammann bereits 1943 von der Hightechlösung seines Landsmanns gewusst, hätte er sich den Umbau der Bronx-Whitestone Bridge sparen können, und sie wäre womöglich noch immer „die schönste aller Hängebrücken“.

Lesen Sie auf der nächsten Seite wie Brücken mit modernen Methoden und Materialien optimiert werden.

Was Brücken heute hilft:

1. Seile aus Faserverstärkten Kunststoffen (CFK)

Brückenkabel aus Hunderten parallel verklebten Kohlenstofffasern sind fester undl leichter als vergleichbare Stahlseile. So werden in Zukunft Spannweiten jenseits der heutigen Grenze von 3500 Metern möglich.

2. Grübchen gegen Schwingungen

Starker Wind kann Brückenseile zum Schwingen bringen. Wie bei einem Golfball senken kleine Grübchen in der Seil-Oberfläche den Luftwiederstand und mildern so die Wirkung des Windes.

3. Pflaster aus Hightech-Fasern

Brückendecks aus Stahl müssen regelmäßig mit Schutzfarbe bestrichen werden, sonst rosten sie. Im Stahlbeton lässt Feuchtigkeit das Eisen korrodieren und den Beton bröckeln. Seit Beginn der 90er-Jahre verstärken millimeterdünne Bänder und Matten aus Glas- oder Kohlenstofffasern altersschwache Brückendecks.

4. Smarte Dämpfer

Lange Brückenseile geraten leicht in Schwingung. Funksensoren auf den Seilen messen die Bewegung und senden die Daten an hydraulische Dämpfer, die nahe der Verankerung am Brückendeck vertikal am Seil befestigt sind. So wird die Schwingung jedes einzelnen Seiles aktiv gedämpft.

5. Permanente Überwachung

Pfeiler und das Brückendeck tragen vielfältige Messtechnik wie Kameras zur Verkehrsüberwachung, Wetterstationen sowie GPS-Geräte und Bewegungssensoren, die Verformungen der Brücke registrieren.

6. Stabil und rostfrei

Brückenpfeiler werden heute oft aus Stahlbeton hergestellt. In Zukunft könnte man das Stahl-Geflecht durch Carbonfaser-Textilien ersetzen. Dieser Textilbeton ist deutlich leichter und stabiler.

7. Nasen gegen den Wind

Um Brücken gegen den Druck des Windes zu schützen, bieten sich Windnasen an. An den Außenseiten des Brückendecks befestigt, lenken diese rund zulaufenden Verkleidungen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff den Wind um die Brücke herum. mbo

Martin Borré