Entwurf und Konstruktion Bogenbrücken
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Tragsystem einer echten und einer unechten Bogenbrücke P Last [kN] Z Zug [kN] D Druck [kN] V Auflagerkraft [kN] echte Bogenbrücke: Die Kräfte werden aus dem Bogen direkt in die Kämpfer eingeleitet. Passerelle Lyon Confluence, Lyon (F) 2004, RFR Ingenieure unechte Bogenbrücke: Die Fahrbahn fungiert als Zugband und die Kräfte werden kurzgeschlossen. echte Dreiländerbrücke, Weil am Rhein (D) 2007, Bogenbrücke Dietmar Feichtinger Architectes; Wolfgang Strobl Bogenverformung Δf in Abhängigkeit vom StichD maß f/l bei konstanter Horizontalverschiebung Δl H am Beispiel eines 100 m weit gespannten Bogens unterspannte Bogenbrücke mit vorgespannten V Zugband zur Stabilisierung des Bogens. Fußgängersteg über den Allmandring, Stuttgart (D) 1994, Kaag + Schwarz; Gustl Lachenmann 5
Im Brückenbau wird zwischen echten und unechten Bogenbrücken unterschieden (Abb. 5). Echte Bogenbrücken sind unter Belastung durch Druckkräfte beansprucht, es treten keine Zugspannungen auf. Die Fahrbahn- bzw. Gehwegplatte übernimmt bei diesem Brückentyp die aussteifende Funktion und stabilisiert den Bogen bei asymmetrischen Lasten. Sie kann mittels Stäben und Hängern aufgeständert oder abgehängt sein. Die Stäbe bzw. Hänger sollten sehr schlank ausgebildet werden, damit sie keine großen Biegemomente erhalten. Für den Bogen eignen sich gedrungene Querschnitte mit großer Querschnittsfläche und geringer Biegesteifigkeit. Bei echten Bogenbrücken werden die Schubkräfte des Bogens über die Kämpfer in den Baugrund eingeleitet, der entsprechend tragfähig sein sollte (Abb. 6). Bei den unechten Bogenbrücken, auch Stabbogenbrücken oder »Langer’scher Balken« genannt, werden die Horizontalkomponenten der Bogenkräfte über ein Zugband kurzgeschlossen (Abb. 7). Die Stabbogenbrücken bestehen aus einem unten liegenden Balken, der meist die Fahrbahn- oder Gehwegplatte aufnimmt, und einem darüberliegenden schlanken
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Dv Dh D D Pi
unechte Bogenbrücke D
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Pi
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Z
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Bogen, an dem der Balken mit Stäben abgehängt ist. Der Balken wirkt als Zugband und verhindert ein Auseinanderschieben der Bogenenden. Unechte Bogenbrücken können auch auf weniger tragfähigem Untergrund gebaut werden, da keine Horizontalkräfte abzuleiten sind. Ein weiterer Vorteil dieses Bogentyps besteht darin, dass er vollständig vorgefertigt werden kann und der Bogen mit dem Überbau zusammen ein in sich stabiles und funktionierendes Tragwerk bildet. Damit ist eine effiziente Montage mittels Einschwimmen, Einheben oder Einschieben des gesamten Bauwerks möglich. Der Überbau übernimmt dabei die Aussteifung des Systems und benötigt hierfür eine entsprechende Biegesteifigkeit bei angemessener Bauhöhe. Eine besondere Bauweise solcher Bogenbrücken stellen die Netzwerkbogenbrücken dar. Die Anordnung von diagonalen Hängern führt zu einer Versteifung des Systems durch Zusammenwirken von Bogen und Überbau als Ober- und Untergurt eines Fachwerksystems. Problematisch bei diesem Brückentyp ist die Ermüdung der Hänger: Sie werden stark belastet, da sie sich nicht nur an der Übertragung der Lasten in den Bogen,
Echte und unechte Bogenbrücken
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D D
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P
Pi
V
sondern auch an der Lastabtragung in Längsrichtung beteiligen, indem sie als Diagonalen eines Fachwerksystems wirken und damit großen Wechsellasten oder Schwelllasten ausgesetzt sind. Querschnitte
Bei der Wahl des Bogenquerschnitts spielt – wie immer bei druckbelasteten Bauteilen – die Steifigkeit eine wesentliche Rolle. Während ein Ausknicken in Bogenebene durch die Hänger und den Überbau verhindert wird, braucht der Bogen in Querrichtung eine ausreichende Stabilisierung. Liegt die Drehachse des Bogens oberhalb des Hängerangriffspunkts (analog zu einem abgespannten Mast), können die Hänger diese übernehmen, indem sie bei einer Auslenkung den Bogen in seine Ausgangslage zurückziehen. Diese Maßnahme reicht jedoch selten aus, um den Bogen vollständig auszusteifen. Für den Fall, dass zwei Bögen geplant sind, können diese einander zugeneigt oder im Scheitel verbunden werden, was zu einer Verbesserung der Querbiegesteifigkeit führt, da sich die beiden Bögen gegenseitig stabilisieren. Wirksam ist dies allerdings nur dann, wenn die Verbindungen zwischen den Bögen schubsteif als Rahmen oder mit