Belastungen

Formen und Konstruktionsmerkmale ergeben sich aus den Belastungen, denen eine Brücke ausgesetzt sein wird, und aus den Gegebenheiten des Standorts. Die vielfältigen Belastungen einer Brücke erzeugen vier Kategorien von Spannungen, die einzeln oder in Verbindungen auftreten können. Zwei davon sind gegensätzlich: Zug, der auseinanderzieht und Druck, der zusammenpresst. Bei einer einfeldrigen Balkenbrücke zum Beispiel verursacht die Belastung auf der Oberseite Druck- und auf der Unterseite Zugkräfte. Die anderen Spannungen sind einerseits die Scherspannung, die einen Körper quer durchläuft, und andererseits die Torsion oder Verwindung.

Spannweiten

Die "Grenzspannweite" einer Brücke ist das Eigengewicht, das sie tragen kann, ohne zusammenzubrechen. In der Theorie wurden diese Spannweiten für hochwertigen Stahl bei verschiedenen Bautypen berechnet: Es ergaben sich Werte für Balken-Fachwerkkonstruktionen von 500 m; Bögen von 1.500 m; Schrägseilabspannung von bis zu 2.500 m; Hängekonstruktion von bis zu 5.000 m.

Tragwerk

Gestalt prägend für die Form einer Brücke ist stets das Tragwerk. Denn im Unterschied zu anderen Bauwerken ist eine raumabschließende verbergende Hülle nicht erforderlich. An der Logik der leicht erkennbaren Tragwerksformen lässt sich die Vielfalt des modernen Brückenbaus eindrucksvoll demonstrieren.

Balkenbrücken

Die meisten typischen Brückenformen können entweder aus dem Balken abgeleitet werden oder stellen eine Verbindung des Balkens mit anderen Formen dar.

Balkenbrücken nutzen die Biegesteifigkeit des Werkstoffes aus. Träger aus vorgespanntem oder nicht vorgespanntem Stahlbeton und Stahl sind heute die Regelbauweise für den Brückenbau. Die gerade Balkenbrücke ist vor allem wegen der vergleichsweise einfachen Fertigung häufig zu finden, zumal sie auch ideal für Fertigungsverfahren wie das Taktschieben geeignet ist.

Varianten von Balkenbrücken

Innerhalb der Form der Balkenbrücke gibt es zahlreiche Varianten. So verringern Plattenbalken und der Hohlkasten in intelligenter Weise den Materialverbrauch, indem sie wenig beanspruchte Teile weglassen und trotzdem von vergleichbarer Steifigkeit sind. Die Verringerung des Materialverbrauches führt zu einer Reduzierung des Eigengewichtes und damit unter Umständen zu einer Verringerung der erforderlichen Querschnittshöhe und der Vergrößerung der Spannweite.

Die Balkenbrücke muss also keineswegs ein immer gleich flaches Band sein; eine von den Einwirkungen abhängige Optimierung des Tragwerkes führt zu abwechslungsreichen und logischen Formen. So werden Balkenbrücken häufig "gevoutet", d. h., der Träger wird, meist zu den Auflagern hin, aus statischen und ästhetischen Gründen verdickt.

Fachwerkbrücken

Wenn der Stahl- oder Betonbalken eine gewisse unwirtschaftliche Höhe überschreitet, wird man daran denken, den Vollwandbalken in ein Fachwerk aufzulösen. Das Tragwerk bildet ein Stahlsystem, dessen zahlreiche Glieder unter Druck und Zug stehen. Vorbilder des Typs sind die atemberaubenden Holzkonstruktionen, wie sie vor allem im Amerika des 19. Jahrhunderts zu Dutzenden Täler und Flüsse überspannten.

Aus der Fernsicht wirkt das Tragsystem dieser Brücken wie ein überdimensionales Geflecht, in dem zahlreiche durchsichtige Kästen miteinander vernetzt sind. Ihre Steifigkeit ist der von Balkenbrücken vergleichbar, sie verbrauchen aber erheblich weniger Material.

Bogenbrücken

Häufig können aus funktionalen oder wirtschaftlichen Gründen - wenn zum Beispiel Schluchten, Täler oder breite Gewässer überspannt werden sollen - keine Stützen unter den Brückenträger gestellt werden. Angemessen und oft von hohem ästhetischen Reiz sind in diesen Fällen Konstruktionen, die sich in der Form auf den Bogen beziehen. Dabei kann der Bogen bei Tälern unter und bei Flussquerungen über der Fahrbahn liegen.

Vorausgesetzt, er ist in richtiger Weise geformt, ist der Bogen in der Lage, Einwirkungen ausschließlich über Druckkräfte abzutragen. Mehrere Einwirkungen wie beispielsweise wandernde Einzellasten und die Stabilitätsproblematik druckbeanspruchter Bauteile erfordern häufig eine Versteifung des schlanken Bogens. Auch Bogenkonstruktionen können in Fachwerkbauweise aufgelöst werden.

Hängebrücken

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts entstanden erste moderne Hängebrücken, die sich auf die historischen Seilbrücken bezogen und die Zugfestigkeit der Konstruktion mit der Druckfestigkeit des Steins kombinierten. An großen massiven Pylonen hängen jeweils eine Kette oder ein Seilbündel, die die Brückenfahrbahn tragen. Zusätzlich sind diese Ketten oder Seilbündel durch senkrechte Tragseile bzw. Stangen mit der Fahrbahn verbunden.

Schrägseilbrücken

Eine Weiterentwicklung der Hängebrücke ist die Schrägseilbrücke. Unterschiedliche Arten der Seilanordnung führen zu verschiedenen Formen. Die Harfe ist die vielleicht eleganteste Form der Schrägseilbrücke, der Fächer die vielleicht am häufigsten realisierte Form. Allen Schrägseilbrücken gemeinsam ist, dass im Brückenkörper durch die direkte schräge Anbindung an den Pylon Druckkräfte auftreten.

Wie die Pfeiler bei den Balkenbrücken und die Kurven bei den Bogenbrücken ermöglichen die Masten und Pylonen der Seilbrücken einen großen Formenreichtum. Sie können sich öffnen, schließen oder spreizen, spitz zulaufen oder einen Kopf besitzen.

Klapp- und Hubbrücken

Eine Sonderform des Brückenbaus ist die Familie der Klappbrücken. Solche Klappbrücken, aber auch Hubbrücken, sind vor allem in der Küstenregion eine geeignete Form der Brücke, weil dort im flachen Land nicht hohe Ufer wie an Main, Mosel oder Neckar in die Konstruktion eingebunden werden können. Wollte man den Fluß- oder Kanal mit einer festen Brücke überspannen, müssten enorme Rampen oder ansteigende Vorlandbrücken gebaut werden, um die notwendige Durchfahrtshöhe für Seeschiffe zu erzielen.