Bei der Konstruktion einer Brücke muss vieles beachtet werden. Zum Beispiel auch, dass Stahl und Beton auf Wärme und Kälte reagieren.
Wissenshäppchen
Schrumpfen Brücken im Winter?
Wie Bauingenieure Brücken planen, damit sie das ganze Jahr befahrbar bleiben, erklärt Dr. David Sanio.
Auf den ersten Blick wirken Brücken wie starre, unbewegliche Bauwerke. Wer weiß schon, dass sie „atmen“? Tatsächlich dehnen sich Brücken im Sommer aus und ziehen sich im Winter wieder zusammen. Und dabei geht es nicht nur um wenige Millimeter, sondern teilweise um mehrere Meter! Verantwortlich dafür ist ein physikalisches Grundprinzip: die thermische Ausdehnung oder auch Wärmeausdehnung fester Körper. Dr. David Sanio vom Lehrstuhl für Massivbau an der Ruhr-Universität Bochum erklärt, wie das genau funktioniert:
Stahl und Beton reagieren glücklicherweise sehr ähnlich
„Erwärmt sich ein Material, schwingen seine Atome stärker um ihre Ruhelage, der mittlere Abstand zwischen ihnen wächst und das Material dehnt sich aus“, so Sanio. Stahl dehnt sich bei einer Erwärmung um 1 Grad Celsius um 0,012 Millimeter je Meter aus – gleichermaßen zieht er sich bei Abkühlung zusammen. Zufälligerweise ähneln sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Stahl und Beton sehr. „Das ist ein Grund, warum Stahlbeton überhaupt funktioniert“, erklärt David Sanio. „Der Stahl als innere Bewehrung und der ihn umgebende Beton dehnen sich bei Erwärmung nahezu gleich aus, sodass keine inneren Spannungen zwischen den beiden Materialien entstehen.“
Ruhrtalbrücke dehnt sich um mehr als einen Meter aus
Für Deutschland sind Temperaturspannen von etwa 60 Grad Celsius zwischen Sommer und Winter die Berechnungsgrundlage. Hinzu kommen Sicherheitszuschläge, und es wird berücksichtigt, dass sich eine reine Stahlbrücke unter Sonnenstrahlung stärker erwärmt als eine massige und thermisch träge Betonbrücke. Ein Beispiel mag die Bedeutung der Wärmeausdehnung verdeutlichen: Bei einer 100 Meter langen Brücke und einer Temperaturspanne von 60 Grad Celsius ergibt sich eine Längenänderung zwischen Sommer und Winter von 72 Millimeter. Das Bauwerk dehnt sich also um mehr als sieben Zentimeter. Bei großen Brücken mit mehreren hundert Metern Länge, etwa der Ruhrtalbrücke an der Grenze von Mülheim an der Ruhr und Essen mit 1,8 Kilometer Länge, summiert sich die Ausdehnung schon auf mehr als einen Meter.
Zwei Lösungen
Wie können Brücken dies unbeschadet überstehen? David Sanio verweist auf zwei bauliche Besonderheiten – Lager und Fahrbahnübergangskonstruktionen. „Unterhalb des Brückenkörpers am Übergang zu den Pfeilern befinden sich üblicherweise die Lager. Diese stellen sicher, dass sich der Überbau in Längsrichtung frei bewegen, also ausdehnen und zusammenziehen kann und keine Zwangsspannungen oder Risse auftreten. Man spricht von einer zwängungsfreien Lagerung“, so Sanio.
Ein einzelnes Festlager hält den Überbau punktartig in allen Richtungen fest. Der Rest sind längs- und teils querverschiebliche Lager. Sie stützen den Überbau in vertikaler Richtung, lassen aber horizontale Bewegungen aus der Wärmeausdehnung zu.
Übergangskonstruktionen
An den Enden der Brücke kompensieren Fahrbahnübergangskonstruktionen – sogenannte ÜKOs oder Dehnfugen – die Verformungen. „Die Brücke kann sich am Übergang zur anschließenden Straße frei verformen, wobei die ÜKO eine durchgängige Fahrbahn sicherstellt. Bei großen Bewegungen von mehreren Dezimetern bis hin zu Metern kommen Lamellenübergänge zum Einsatz, deren Konstruktion einer Ziehharmonika ähnelt: Mehrere Lamellen – parallele Metallprofile, verbunden durch elastische Dichtbänder – liegen auf Stahlträgern und verteilen die Gesamtbewegung auf mehrere kleinere Teilbewegungen. Man erkennt sie bei der Überfahrt am charakteristischen ‚brrk-brrk‘-Geräusch, das die Reifen auf dem veränderten Untergrund machen“, sagt David Sanio.
Übrigens: Jede Lamelle nimmt rund 100 Millimeter der Verformung auf. Bei der Ruhrtalbrücke sind es an jedem Brückenende 13 Lamellen. Sie kompensieren also in Summe rund 2,6 Meter Ausdehnung.
