Eisenbahnbrücken HANDBUCH. Tristan M. Mölter. Rolf H. Pfeifer. Grundsätze für Planung und Konstruktion

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1 HANDBUCH Rolf H. Pfeifer Tristan M. Mölter Eisenbahnbrücken Grundsätze für Planung und Konstruktion Historie Brückengruppen Brückensysteme Bauformen Ausrüstungselemente Behelfsbrücken Bauverfahren

2 Grundsätze für Planung und Konstruktion sowie Hinweise auf Bauverfahren

3 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Vorwort Der Eisenbahnbrückenbau in Deutschland von den Anfängen bis zur Gegenwart Die ersten Baustoffe waren Stein und Holz Die alten Steingewölbe überdauern die Zeit Die Größe des Steingewölbes fordert die statische Berechnung Johannes Andreas Schubert beobachtet auch die Entwicklung des Eisenbahnbrückenbaus Eisen und Stahl erobern größere Stützweiten Die Bessemer Birne ermöglicht den Baustoff Stahl Die modernen Formen der Stahlbrücken entstehen Die Baustoffe Eisen und Cementbeton verbünden sich Der Beton schlägt seine ersten Bogen Der einbetonierte Träger wird zur häufigsten Bauweise Der Stahlbeton erobert die kleinen Stützweiten Hochfeste Baustoffe und neue Fertigungstechniken verändern die Bauweisen Hochfeste Stähle und die Schweißtechnik geben dem Stahlbau neue Impulse Die Vorspanntechnik verändert die Stahlbetonbauweise Ausblick Anforderungen an den Entwurf einer Eisenbahnbrücke Anforderungen an das Brückendeck Anforderungen hinsichtlich statischer und dynamischer Einwirkungen Anforderungen bezüglich des Fahrkomforts Die Wechselwirkung Brücke/Gleis Anforderungen hinsichtlich der Instandhaltung Ermüdungsfestigkeit der Konstruktion Die Übergänge Überbau/Widerlager/Damm Berücksichtigung der Umweltverträglichkeit Bauen unter dem rollenden Rad Unterteilung der Eisenbahnbrücken in Brückengruppen Die allgemeinen Unterscheidungsmerkmale Die Höhenlage der Brücke über dem Gelände Inspektion und Instandhaltung von niedrigen Brücken über dem Gelände Inspektion und Instandhaltung von hohen Brücken über dem Gelände Brückengruppe der kurzen Eisenbahnüberführungen Merkmal für kurze Eisenbahnüberführungen Fußweg- und/oder Bahnsteigunterführungen Durchlässe Standardbauformen für kurze Eisenbahnüberführungen Übergang zur Hinterfüllung bei kurzen Eisenbahnüberführungen Bauverfahren für kurze Eisenbahnüberführungen Gestaltung von kurzen Eisenbahnüberführungen

4 Inhaltsverzeichnis 3.4 Die Brückengruppe der langen Eisenbahnüberführungen Merkmale für lange Eisenbahnüberführungen Beispiele für Standardbauformen von langen Eisenbahnüberführungen Die Brückengruppe der Talbrücken Einteilige Brücke als Durchlaufträger über fünf Felder Mehrteilige Brücke mit A-Bock und zwei Durchlaufträgern Auf einer Bogenreihe aufgeständerter Überbau aus drei Durchlaufträgern Mehrteilige Brücke aus zwei Durchlauffachwerkträgern Die Brückengruppe der Großbrücken Fachwerkträger, Fahrbahn oben liegend, Brücke über einen Fluss mit/ohne Schifffahrtsöffnung Gevouteter Durchlaufträger über drei Felder Stabbogenbrücke, Fahrbahn unten liegend Die Wahl des richtigen Brückensystems Planungsgrundsätze für kurze Eisenbahnüberführungen Kleine Eisenbahnbrücken Lagerung kleiner Brücken Planungsgrundsätze für lange Eisenbahnüberführungen Längskräfte im Gleis infolge von Temperaturschwankungen und Längsbewegungen am beweglichen Überbauende Die Ausgleichslänge des Brückenüberbaus Die Festpunktsteifigkeit bei einem verschieblichen System Anordnung von Schienenauszugsvorrichtungen (SA) Längskraftkopplungen Beispiele für Brückensysteme Legende und Anmerkungen Brückensysteme ohne Schienenauszug für Brückenlängen bis 270 m Brückensysteme mit einem Schienenauszug für Brückenlängen bis 880 m Brückensysteme mit zwei Schienenauszügen für Brückenlängen bis 1590 m Orientierungsdiagramme zur Wahl eines Brückensystems Überbauten für Eisenbahnbrücken Die Deckbrücke als Regelform des Überbaus Entwurf des Brückenüberbaus in Modulen Die Fahrbahn Die Schutzschichten Die Fahrbahntafel Der Hauptträger Gestaltung des Brückendecks Fahrbahn Die Schutzschichten unter der Fahrbahn Entwässerung des Brückendecks Die Randkappe Anordnung der Oberleitungs- und Signalmaste Seitliche Kragarme der Fahrbahntafel Führungsschiene bei Brücken mit unten liegender Fahrbahn

5 Inhaltsverzeichnis 5.4 Vergleich der Eigenschaften von Überbauten in Stahl- und Massivbauweise Vergleich der Eigenlasten der Brückenüberbauten Vergleich der Verformungen unter Verkehrslasten Vergleich der Verformungen unter Temperatureinwirkungen Vergleich der Lärmemission Regelquerschnitte für die Hauptträger einer Deckbrücke Die Deckbrücke in einer zweigleisigen Strecke Hinweise zu den Diagrammen für die Konstruktionshöhen Querschnittsformen für Deckbrücken in Stahlbauweise Querschnittsformen für Deckbrücken in Massivbauweise Querschnittsformen für Deckbrücken in Verbundbauweise Trogbrücken Lagerung der Überbauten von Eisenbahnbrücken Anzahl der Brückenlager in einer Auflagerlinie Minimierung des Querversatzes am Überbauende Lagerung von im Grundriss gekrümmten Überbauten Schiefe Lagerung des Überbaus, Gleisverwindung Durchlaufträger auf Einzellager über den Innenstützen Neigung der Lagergleitwege bei geneigter Gleisgradiente Übergänge am Brückenende Die verschiedenen Gestaltungen der Übergänge am Brückenende Typ A: Die Konstruktionshöhe des Überbaus stößt gegen die Hinterfüllung Typ B: Ein Teil der Konstruktionshöhe des Überbaus stößt gegen die Hinterfüllung Typ C: Die Konstruktionshöhe des Überbaus wird durch eine Kammerwand gegen die Hinterfüllung abgeschirmt Typ D: Große Widerlagerkammer am Ende des Brückenüberbaus Die Trennfugen am Überbauende Definition und Unterscheidung der Trennfugen Bewegungen an der Trennfuge Einfluss der Bewegungen an fester und beweglicher Trennfuge auf das Gleis Die Zwangskräfte an den Schienenbefestigungen neben der Trennfuge Mögliche Werte der Zugzwangskraft an einem Schienenstützpunkt Zulässige Werte für die Zugzwangskraft an einem Schienenstützpunkt Bauliche Maßnahmen zur Verringerung des Vertikalversatzes zwischen den Rändern der Trennfuge am Überbauende Vertikalversatz durch den Überstand des Überbaus Vertikalversatz infolge einer Querbiegung der Fahrbahnplatte am Überbauende Vertikalversatz infolge einer Stauchung von Elastomerlagern Vertikalversatz infolge einer Abweichung der Neigung des Lagergleitweges des Endauflagers von der Neigung der Gleisgradiente Vermeiden des Vertikalversatzes durch eine Ausgleichsplatte Abstand der Schienenstützpunkte über der Trennfuge Fugenkonstruktionen in der Trennfuge am Überbauende Die geschlossene Fugenkonstruktion

6 Inhaltsverzeichnis Die offene Fugenkonstruktion Einbau der Fugenkonstruktionen unter einer Ausgleichsplatte Der Übergang der Gleisbettung vom Brückendeck auf die Hinterfüllung Die Unterschottermatte (USM) Die Schlepp-Platte Die Hinterfüllung Die Sickerwand Rechtwinkliger Abschluss der Fahrbahn Übergang der Streckenausrüstung vom Brückendeck auf die freie Strecke Übergang der Streckenausrüstung bei einem Oberbau mit Schotterbett Übergang des Oberbaus mit Fester Fahrbahn Abführen des Oberflächenwassers am Übergang Brücke/Damm Übergang des Kabelkanals von der Brücke zum Damm Unterbauten Gründungen Die Auflagerbank Widerlager Flügelwände Das in die Böschung zurückgesetzte, niedrige Widerlager Das vor die Böschung gesetzte, hohe Widerlager Das Hohlwiderlager als Sonderform Stützen und Pfeiler Stützen und Wandscheiben bei niedrigen Brücken Pfeiler bei hohen Brücken Sonderformen für Festpunktpfeiler Ausrüstungselemente für Eisenbahnbrücken Erdung Erdung von Eisenbahnbrücken Erdungsschutzmaßnahmen an Brücken über einer elektrifizierten Bahnstrecke Berührungsschutz Abdichtung Anforderungen an die Abdichtung des Brückendecks Anforderungen an die Oberfläche der Betonfahrbahnplatte Aufbau der Abdichtung von Betonfahrbahnplatten Einsatz von Kunststoff-Dichtungsbahnen/Kunststoffen Fugen- und Übergangskonstruktionen Allgemeines Aufgaben der Fugen- und Übergangskonstruktionen Geschlossene Fugen- und Übergangskonstruktionen Offenen Fugen- und Übergangskonstruktionen Entwässerung des Brückendecks Brückenlager Übersicht über die wichtigsten Lagerbauarten Übertragung der Horizontalkräfte parallel zur Lagerfuge Auswechselbarkeit der Lager

7 Innovative Schienenbefestigungslösungen haben ein Zeichen. Ob konventionelle Schienenstrecken, Strecken für den Höchstleistungsgüterverkehr oder Hochgeschwindigkeitsstrecken für alle gilt höchste Sicherheit. Die Schienenbefestigungssysteme von Vossloh Fastening Systems setzen hier Maßstäbe. Denn durch jahrzehntelanges und umfassendes Know-how entstehen immer wieder innovative Lösungen. Das Ergebnis: extreme Belastbarkeit, beste Schallschutzeigenschaften, höchste Qualität und Wirtschaftlichkeit. Wenn Sie also auf Nummer sicher gehen wollen, sprechen Sie mit einem weltweit führenden Unternehmen für Schienenbefestigungen. Rail Infrastructure Motive Power&Components

8 Inhaltsverzeichnis Wichtige Planungsgrundsätze für Lager bei Eisenbahnbrücken Randkappen Der Dienstweg Kabeltröge Geländer Lärmschutzwände auf Eisenbahnbrücken Korrosionsschutz Kriterien für die Auswahl des Korrosionsschutzes Festlegung eines Korrosionsschutzplanes Ausführung der Korrosionsschutzarbeiten Oberbau auf Brücken Oberbauart in einem Streckenabschnitt Anforderungen an den Oberbau auf Brücken Oberbauarten auf Eisenbahnbrücken Überblick über die Oberbauarten Der Schotteroberbau auf Brücken Die Feste Fahrbahn (FF) auf Brücken Die unmittelbare Schienenbefestigung auf der Fahrbahntafel Schienenlagerung auf Brückenschwellen Der Verschiebewiderstand der Gleise auf Brücken Der Durchschubwiderstand Der Längsverschiebewiderstand Einige ausgewählte Werte der Verschiebewiderstände Der Schienenauszug am beweglichen Überbauende Schotterbetttrennung Mögliche Dilatation der Dehnfuge mit Schotterbetttrennung und Vollschiene Sicherung der Schwellenlage im Schotterbett an Brückenenden mit Schienenauszügen Führungen und Fangvorrichtungen im Gleisbereich der Brücke Rahmenbauwerke, Fußweg- und Bahnsteigunterführungen Form und Größe von Rahmenbauwerken Fußweg- und Bahnsteigunterführungen Zweigelenk-Rahmen mit großer Stützweite Weit gespannter Rahmen mit einer Deckenplatte in WiB-Bauweise Einbau eines Rahmenbauwerkes unter den Gleisen durch Verschub Herstellung des Rahmenbauwerkes Verschub des Rahmenbauwerkes Behelfsbrücken und Hilfsbrücken Grundsätzliche Betrachtungen zu Hilfsbrücken Die geschichtliche Entwicklung von Behelfsbrücken Allgemeine Historie Hilfsbrücken der Deutschen Reichsbahn Kleinhilfsbrücken der Deutsche Reichsbahn in der DDR Große Hilfsbrücken

9 Inhaltsverzeichnis 12.3 Hilfsstützen Trestle-Stütze PIZMO-Stütze Bei der Deutschen Bahn AG eingesetzte Hilfsbrücken Anforderungen an Hilfsbrücken Zwillingsträgerhilfsbrücken, alter Bestand (ZHa) Zwillingsträgerhilfsbrücken, neuer Bestand (ZH) Kleinhilfsbrücken (KHB) und verstärkte Kleinhilfsbrücken (KHBv) Lager und Auflager bei Hilfsbrücken und temporären Baubehelfen Anwendung von Elastomerlagern bei Hilfsbrücken Überlegungen zum Punkt-Kipp-Gleitlager Zentrierleiste Geschwindigkeiten Regelgeschwindigkeit bis 90 km/h Geschwindigkeiten 90 km/h < v 120 km/h Geschwindigkeiten v > 120 km/h Planung und Bauausführung der temporären Baubehelfe Bauverfahren Baubehelfe Bestehende Streckennetze Neubaustrecken Bauverfahren unter Eisenbahnbetrieb Bauverfahren unter Eisenbahnbetrieb ohne Abbau des Gleises Bauverfahren unter Eisenbahnbetrieb mit Abbau des Gleises Schwellenersatzträgerverfahren (SETV) Durchpressen kleiner Bauwerke unter dem Gleis ohne besondere Gleissicherung Fluid-Verfahren Bauverfahren bei Neubaustrecken bzw. bei Baustellenumfahrungen Baugruben Baugrubenböschungen bei nichtbindigen Böden Baugrubenböschungen bei bindigen Böden Arbeitsraum in Baugruben Standsicherheit von Böschungen Baugrubenwände Spundwände Trägerbohlenverbau Bohrpfahlwände Rammverfahren Rammgeräte Ansetzen und Führen der Bohlen Rammschwierigkeiten Ziehen Anhang 1: Definitionen wichtiger Fachbegriffe Anhang 2: Literaturverzeichnis Anhang 3: Vorschriften und Richtlinien bei der Deutschen Bahn Stichwortverzeichnis Autorenvitae Inserentenverzeichnis

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11 Vorwort Vorwort Eisenbahnbrücken müssen den Schienenweg über Wege, Flüsse und Täler hinweg führen und die schweren Achslasten des Zugverkehrs tragen. Um diese Aufgaben für den Eisenbahnbetrieb störungsfrei erfüllen zu können, müssen Bauweisen und Tragwerksysteme sowie die Detailkonstruktionen sehr spezifische Anforderungen erfüllen. Im Zuge der Privatisierung will die Deutsche Bahn AG ihr Transportangebot immer attraktiver gestalten, um Güter und Personen schnell, pünktlich, zuverlässig und preisgünstig zu transportieren und den Reisenden darüber hinaus einen immer besseren Reisekomfort zu bieten. Dazu leistet der Brückenbau einen wesentlichen Beitrag dadurch, dass Eisenbahnbrücken im Fahrweg funktionsgerecht eingeplant werden, um nicht zur Störstelle im Gleis zu werden. Dies gilt besonders für das moderne Schienennetz der Hochgeschwindigkeitsstrecken. Dieses Handbuch begleitet den planenden und ausführenden Ingenieur logisch und konsequent mit verständlich formulierten Empfehlungen und Planungsgrundsätzen durch alle Planungsphasen bis hin zum fertigen Entwurf für eine Eisenbahnbrücke, der jeder rechnerischen und bahntechnischen Überprüfung genügt. Die Autoren haben die Vielfalt der Regeln für die gute Konstruktion einer Eisenbahnbrücke systematisch und übersichtlich geordnet. Sie vermitteln ihr umfassendes Wissen den planenden Ingenieuren in Eisenbahnunternehmen, Bauaufsichtsbehörden, Baufirmen und Ingenieurbüros sowie den Studenten in den Fakultäten des konstruktiven Ingenieurbaus. Das Buch verzichtet auf detaillierte Konstruktionsregeln, die in vielen Vorschriften und Richtlinien niedergeschrieben sind. In deren Vielfalt findet der planende Ingenieur nur schwer einen Überblick über die für die Planung einer Eisenbahnbrücke maßgeblichen Regeln. Absicht des Buches ist es vielmehr, den Ingenieur mit den wichtigsten Grundsätzen für die Erarbeitung und auch Beurteilung eines Brückenentwurfes vertraut zu machen und ihm mit Hilfe von formulierten Planungsgrundsätzen, die als roter Faden durch das Buch führen, die wesentlichen Regeln zu vermitteln. Alle Empfehlungen und Planungsgrundsätze werden ausführlich erklärt und begründet. Der Ingenieur kann somit erkennen, welche Anforderung im Einzelnen mit der vorgegebenen Regel erfüllt werden muss. Er kann abweichende alternative Lösungen wählen und somit seine gestalterischen Freiheiten bei der Entwurfsbearbeitung besser einsetzen. Beide Autoren verfügen über umfassende Erfahrungen im konstruktiven Ingenieurbau, insbesondere in den Bereichen Planung, Bau und Instandhaltung von Eisenbahnbrücken aus ihrer langjährigen Tätigkeit als Fachautoren für Regelwerke sowie als Projektberater für die Planung von Eisenbahnbrücken und die Genehmigung moderner Konstruktionen bei der Deutschen Bahn AG. Dipl.-Ing. Rolf H. Pfeifer hat diese Tätigkeit mehr als 30 Jahre lang ausgeübt, Dipl.-Ing. Tristan M. Mölter ist seit 1993 in diesem Gebiet aktiv tätig. Die Autoren danken den Herren Dipl.-Ing. Erik Danneberg, Dipl.-Ing. Harald Mauer und Dr.-Ing. Bernd Kühlken vom Fachdienst Oberbau sowie dem leitenden Bauüberwacher Dipl.-Ing. Bernd Schreiber, dem Brückenkontrolleur Dipl.-Ing. Gerhard Jüstel und Dipl.-Ing. Michael Fiedler (Zentrale Eisenbahn- Bundesamt) für die sachkundigen Anregungen und Ergänzungen, die sie zu einzelnen Kapiteln beisteuerten. Weiterhin danken wir dem Kollegen Dr.-Ing. Lamine Bagayoko für die guten und fundierten Fachgespräche zur Klärung von spezifischen Fragen im Eisenbahnbrückenbau. Ein außerordentlicher Dank gebührt Herrn Dipl.-Ing. Günther Engel, der durch intensive Durchsicht der Entwürfe aller Kapitel und durch kritisches Hinterfragen einzelner Themen wertvolle Beiträge zur Entstehung des Buches lieferte. Danken möchten wir auch Frau Ulrike Schüring, die in der DVV Media Group GmbH gründlich und mit viel Verständnis unsere Arbeit lektorierte und in die gute Form des vorliegenden Handbuchs überführte. Weßling/Velden a. d. Vils im Mai 2008 Dipl.-Ing. Rolf H. Pfeifer Dipl.-Ing. Tristan M. Mölter 11

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13 1.1 Die ersten Baustoffe waren Stein und Holz 1 Der Eisenbahnbrückenbau in Deutschland von den Anfängen bis zur Gegenwart Brückenbauwerke werden häufig wegen ihrer Kühnheit bewundert, mit der sie Täler und Flüsse überqueren. Bestaunt werden die technischen Großtaten mit Rekorden in Höhen und Weiten. Der Großteil der Brücken ist jedoch von kleinerer Dimension. Etwa 90 % haben Stützweiten von weniger als 30 m. Die Entwicklung dieser kleinen Brückenbauwerke mit ihren verschiedenen Bauformen und Bauweisen darf also im historischen Rückblick nicht übersehen werden. 1.1 Die ersten Baustoffe waren Stein und Holz Mit dem Bau der ersten Eisenbahnen Anfang des 19. Jahrhunderts wurde auch in der Brückenbaukunst eine neue Ära eingeleitet. War vorher der Bau einer Brücke ein seltenes technisches Ereignis, so wurden jetzt in einem Jahrzehnt mehr Brücken gebaut, als früher in einem Jahrhundert. Der starre Fahrweg der Eisenbahn konnte nicht, wie eine wendige Landstraße, mit engen Kurven und großen Steigungen jeder Geländeform leicht angepasst werden. Der Bau vieler Brücken wurde notwendig, um tiefe Täler und Bäche, Flüsse und Wege zu überqueren. Die Schnelligkeit des Baufortschritts war für die Eisenbahngesellschaften wichtig, denn ihre Aktionäre wollten bald Dividenden sehen. Unter diesem Gesichtspunkt musste auch der Eisenbahnbrückenbauer seine Aufgabe lösen. Nur zwei bewährte Baustoffe standen ihm damals zur Verfügung: Stein als Natur- oder Ziegelstein Holz, in den Wäldern noch reichlich vorhanden Nur aus dem Wunsch nach einer schnellen Bauweise ist es zu verstehen, dass damals auch Holzbrücken gebaut wurden. Bemerkenswerte Holzbrücken, die in den Jahren 1847 bis 1851 erstellt wurden sind die Elbbrücke Wittenberge (Bild 1.1) mit einer Stützweite von maximal 54 m und die König-Ludwig-Brücke über die Iller bei Kempten (Bilder 1.2 und 1.3) mit einer Mittelöffnung von 53 m. Diese Sützweiten waren für Eisenbahnbrücken in Holzbauweise sehr beachtliche Leistungen. Sie wurden technisch möglich durch die Anwendung eines Fachwerksystems, das von dem Amerikaner William Howe ( ) entwickelt wurde: Das Howe-Fachwerk hatte Diagonalstäbe, deren Anschlussstellen am Ober- und Untergurt mit senkrechten schmiedeeisernen Stangen verbunden wurden. Durch Anziehen der Schrauben an den Zugstangen konnten die Holz-Diagonalen und die Anschlussfugen vorgedrückt und damit ihre Zug- Tragfähigkeit erhöht werden (Bild 1.3). Diese besondere Bauart eines Holzfachwerkträgers kann als eines der frühesten technologischen Know-how-Transfers von den USA nach Europa betrachtet werden. Authentische Details zum Howe-Fachwerk sind noch heute bei der Illerbrücke von Kempten zu sehen (Bilder 1.2 und 1.3). Die Elbbrücke Wittenberge überquerte die Elbe mit einer Länge von rd. 750 m. Um hohen Segelschiffen die Durchfahrt zu ermöglichen, musste am Ende der langen Brücke eine Drehbrücke über zwei lichte Öffnungen von 40 = 12,56 m gebaut werden (Bild 1.1). Auch aus militärischen Gesichtspunkten wollte man damals notfalls die Eisenbahnbrücke schnell und wirkungsvoll unterbrechen können. 13

14 1 Der Eisenbahnbrückenbau in Deutschland von den Anfängen bis zur Gegenwart Holzbrücke aus Howe-Fachwerkträgern mit rund 54 m Stützweite, gebaut 1847 bis 1851 Fachwerkbrücke aus Flussstahl, erbaut 1883/84 als Ersatz für die Holzbrücke. Sie wurde im letzten Kriegsjahr 1945 gesprengt und zunächst durch eine Hilfsbrücke ersetzt. Stahlfachwerkbrücke, Inbetriebnahme 1987 Sie wurde neben der Hilfsbrücke erbaut, die nach Zerstörung der alten Flussstahlbrücke vorläufig den Eisenbahnverkehr übernommen hatte. Bild 1.1: Eisenbahn-Elbbrücke Wittenberge Die hölzerne Elbbrücke wurde schließlich in den Jahren 1883/84 durch eine Fachwerkbrücke mit Schwedler-Träger (Kapitel 1.3.2, Bild 1.11) aus Flusseisen ersetzt. Sie diente dem Eisenbahnverkehr bis 1945, als sie am Ende des Zweiten Weltkrieges gesprengt wurde. Der Betrieb wurde vorläufig über eine Hilfsbrücke weitergeführt, bis 1987 daneben eine neue Brücke errichtet wurde. 14

15 1.1 Die ersten Baustoffe waren Stein und Holz Eisenbahnbrücke über die Iller nach einer historischen Zeichnung Etwa seit 1910 als Fuß- und Radwegbrücke genutzt, Foto Mai 2007 Bild 1.2: Illerbrücke Kempten der König-Ludwig-Nord-Süd-Bahn, erbaut 1847 bis 1852, Holzbrücke aus Howe-Fachwerkträgern, Mittelfeld 53 m Stützweite, Höhenlage der Fahrbahn über der Iller rd. 35 m 15

16 1 Der Eisenbahnbrückenbau in Deutschland von den Anfängen bis zur Gegenwart Zum Schmunzeln soll hier eine außergewöhnliche Nutzung der alten Elbbrücke notiert werden. Am schreibt ein Radwanderer auf einer Postkarte mit dem Bild der Elbbrücke nach Hause: Soeben gab es eine besondere Fahrt (mit dem Rad) über die Brücke. Man fährt einfach zwischen den Schienen der Bahn, und besondere Brückenwächter achten darauf, daß man nicht einem Zug in die Quere kommt. Im Gegensatz zur ersten hölzernen Elbbrücke Wittenberge ist das alte Holzfachwerk der Illerbrücke bei Kempten heute noch zu sehen (Bild 1.2). Als 1906 neben der alten Holzbrücke zwei neue Eisenbahnbrücken über die Iller errichtet wurden (Kapitel 1.4.1), übernahm die Stadt Kempten das Bauwerk, um es als Fuß- und Radwegbrücke zu nutzen. Es ist wirklich erstaunlich, dass diese schmale Brücke mit ihrem feinen Holzfachwerk, das noch von der alten Eisenbahnbrücke authentisch erhalten ist, früher schwere Eisenbahnfahrzeuge überführt hat. Auf dem Foto (Bild 1.2) ist eine Unterspannung des Mittelfeldes zu sehen. Diese Unterspannung wurde bereits um 1880 als Eisenkonstruktion eingebaut, um das Mittelfeld der Eisenbahnbrücke zu versteifen und zu verstärken. Endauflagerung der Brücke mit aufgefächerten Stützbalken, die die Druckkraft der drei letzten vor dem Endauflager stehenden Fachwerkdiagonalen zum Stützpfeiler übertragen Bilder unten: Anschluss der Fachwerkdiagonalen am Obergurt, mit einer Eisenstange vorgespannt Verankerung der Eisenstangen (gezeigt am Untergurt) mit Schrauben auf Eisenplatten Bild 1.3: Details zum Holzfachwerk der Illerbrücke Kempten 16

17 1.2 Die alten Steingewölbe überdauern die Zeit Bei genauerer Betrachtung des Holzfachwerks der Illerbrücke (Bild 1.3) erkennt man die Klugheit der alten Baumeister: Am Endauflager wird das Fachwerk von einem Fächer aus drei Balken zusätzlich gestützt. Das heißt, drei Fachwerkdiagonale vor dem Ende des Untergurts geben ihre Druckkraft jeweils über einen der Fächerbalken direkt zum Stützpfeiler ab, so dass die letzte Fachwerkdiagonale am Ende des Untergurts nur noch den Rest der Auflagerkraft auf den Pfeiler abtragen muss. Damit wird die letzte Fachwerkdiagonale entlastet, was für den Baustoff Holz wichtig ist. Denn im Vergleich zu heutigen Stahlfachwerkbrücken muss bei diesen die letzte Fachwerkdiagonale die gesamte Auflast auf das Endlager abtragen, was für den Baustoff Stahl problemlos möglich ist (Kapitel 3, Bild 3.1, Großbrücke). Der Anschluss der Fachwerkdiagonalen an die Gurtbalken konnte mit den damaligen Holzverarbeitungswerkzeugen und Verbindungsmitteln nicht mit der nötigen Präzision und Passgenauigkeit hergestellt werden. Um einen festen Kraftschluss in dem Fachwerkknoten dennoch zu erreichen, wurden die Anschlussfugen durch eine Vorspannung mit Eisenstangen überdrückt (zusammengepresste Fugen). Die Eisenstangen wurden mit Schrauben und Eisenplatten auf den Gurtbalken verankert. Durch Anziehen der Schrauben ließ sich die Vorspannung nachregulieren. Wegen der Brandgefahr durch den Funkenflug der Lokomotiven noch erhöht und wegen der geringen Dauerhaftigkeit wurden jedoch bald keine Holzkonstruktionen mehr gebaut. Die Bauingenieure der Eisenbahnen wandten sich ganz dem Steinbrückenbau zu. 1.2 Die alten Steingewölbe überdauern die Zeit Stein als Natur- oder Ziegelstein war der zuverlässigste Baustoff der damaligen Zeit. Der Ziegelstein wurde bevorzugt. Er konnte schneller verarbeitet werden als der Naturstein, der vorher zeitraubend zu Quadern behauen werden musste. Die erste deutsche Dampfeisenbahn Nürnberg-Fürth, eröffnet am 7. Dezember 1835, überquerte den Ludwigskanal schon auf einer steinernen Brücke. Mit der stürmischen Weiterentwicklung der Eisenbahnen das Streckennetz umfasste im Jahr 1860 in Deutschland bereits Kilometer mussten auch Tausende von Gewölbebrücken gebaut werden. Wege und Bäche wurden mit nur einem Bogen (Bild 1.4) überquert, meistens mit einer lichten Weite von bis zu 8 m. Bild 1.4: Einzelgewölbe in Ziegelmauerwerk über einen Bachlauf im Bayerischen Wald, gebaut

18 1 Der Eisenbahnbrückenbau in Deutschland von den Anfängen bis zur Gegenwart Noch heute dienen viele dieser ältesten Steingewölbe im Streckennetz der Deutschen Bahn dem Eisenbahnverkehr. Einige haben mehr als hundert Jahre lang ihre Dauerhaftigkeit eindrucksvoll bewiesen. Nur dort, wo die Abdichtung des Gewölbes zerstört ist und Wasser in die Fugen einsickern kann, begann das Mauerwerk zu verfallen. Seltener war aber dieser Verfall die Ursache, häufiger waren es die breiter gewordenen Fahrbahnen der unterführten Straße oder auch der überführten Eisenbahn, die einen Neu- oder Umbau der alten Steingewölbe erforderlich machten (Bild 1.5). Das Stirnmauerwerk hatte sich, bedingt durch den seitlichen Druck des Schotterbettes infolge der hohen Verkehrsbelastung über das Gewölbemauerwerk hinaus verschoben, so dass die Standsicherheit der Stirnmauern für die Fahrbahn gefährdet war. Das Stirnmauerwerk wurde durch einen davor gesetzten Stahlbetonbalken gestützt, gleichzeitig wurde die Fahrbahn der zweigleisigen Strecke verbreitert. Außerdem erhielt die Mauerwerksoberfläche eine Spritzbeton-Verschalung zum Schutz gegen weitere Verwitterung. Bild 1.5: Gewölbebrücke von 1872, gemauert aus behauenen Natursteinen Täler und Flüsse wurden mit Bogenreihen überquert (Bilder 1.6 und 1.22), wobei für Mittelöffnungen in der Regel Weiten bis 15 m aber auch bis 30 m erreicht wurden (Bild 1.7). Eine große Herausforderung stellte sich den Brückenbauern, als am 1. Juli 1841 im Süden Leipzigs der Bau der Sächsisch-Bayrischen Eisenbahn begann. Das tief eingeschnittene Tal der Göltzsch musste Bild 1.6: Gewölbereihe über ein niedriges Tal mit Bachlauf, gebaut

19 1.2 Die alten Steingewölbe überdauern die Zeit Brücke, von J. Fleischmann aus Reichenbach 1850 gezeichnet, ohne die Spuren der Großbaustelle Ansicht der Brücke im Jahr 1992 Bild 1.7: Göltzschtalbrücke im Vogtland, gebaut 1846 bis 1851 überquert werden. Mit der Göltzschtalbrücke entstand ein monumentales Bauwerk ( ), das als größtes Steingewölbe unter den Eisenbahnbrücken einmalig in der Welt ist (Bild 1.7). Ihre außergewöhnliche Größe ließ die Bestimmung der Dimensionen allein aus Erfahrung nicht zu. Für die Standsicherheit der großen Steingewölbe musste der Baumeister einen rechnerischen Nachweis vorlegen. 19

20 1 Der Eisenbahnbrückenbau in Deutschland von den Anfängen bis zur Gegenwart Die Größe des Steingewölbes fordert die statische Berechnung Die Größe des Steingewölbes der Göltzschtalbrücke und das Gewicht der Eisenbahnfahrzeuge, die von der Brücke sicher getragen werden mussten, waren eine neue Herausforderung an den planenden Ingenieur. Mit der Verantwortung für die Standsicherheit des Bauwerks wurde Johann Andreas Schubert ( ) beauftragt, Professor an der Technischen Lehranstalt in Dresden für die Fächer Mechanik und Geometrie. Bei der Auswahl der Vorschläge für den Bau der Göltzschtalbrücke verlangte er, dass nur ein rechnerisch begründeter Entwurf der Bauausführung zugrunde gelegt werde. Die Ingenieur-Mechanik lieferte ihm aber damals keine ausreichenden Berechnungsmethoden. Schubert stellte schließlich selbst die statische Berechnung für die Göltzschtalbrücke auf. Mit seiner Veröffentlichung in der Allgemeinen Bauzeitung (Wien 1846) hat er die Situation des Eisenbahnbrückenbaus seiner Zeit überschaubar zusammengefasst: Die Holzkonstruktionen sind unzulässig wegen ihrer leichten Zerstörbarkeit und wegen ihrer geringen Dauer. Steife Eisenkonstruktionen sind nicht empfehlenswert. Die bisherigen mit eisernen Brücken gemachten Erfahrungen sind noch nicht ausreichend, vielmehr stellt die Wissenschaft Bedenken auf wie zum Beispiel die Ausdehnung und Zusammenziehung des Eisens bei Temperaturwechsel zu großer Vorsicht mahnen. Der Pfeilerbau, mit Rundbögen verbunden, ist für die Brücken überhaupt die empfehlenswerteste Bauform. Sein Hinweis auf die Bewegungen des Brückenüberbaus infolge von Temperaturänderungen verdient besondere Beachtung. Schubert hat damit ein spezifisches Problem des Eisenbahnbrückenbaus schon damals hervorgehoben, das heute, nach rund 150 Jahren, nicht an Aktualität verloren hat. Im Gegenteil als mit der Planung der Neubaustrecken lange Brücken für hohe Fahrgeschwindigkeit zu entwerfen waren, verschärfte sich das Problem erneut in der Frage: Welche Kräfte wirken infolge von Temperaturbewegungen langer Brücken überbauten auf das über die Brücke durchlaufend verschweißte Gleis? Heute können diese Kräfte mit Hilfe schnell rechnender EDV-Programme in komplexen, baustatischen Rechenmodellen simuliert und mit guter Näherung erfasst werden Johannes Andreas Schubert beobachtet auch die Entwicklung des Eisenbahnbrückenbaus Schubert empfahl zu seiner Zeit den Steinbau nicht nur, weil er diese Bauweise beherrschte. Er kannte auch den Werkstoff Eisen sehr gut. Er studierte dessen Entwicklung in England, gründete eine Maschinenbauanstalt in Dresden und baute auch die Saxonia, die erste in Deutschland hergestellte Lokomotive. Sein englischer lngenieurkollege Robert Stephenson, Sohn des berühmten Lokomotiv bauers, soll die Göltzschtalbrücke einen Mauerwerksklotz, kein Werk der Ingenieurkunst genannt haben. Er hatte sich bereits in der Ingenieurkunst dem neuen Baustoff Eisen zugewandt und baute etwa in der gleichen Zeit, als die Göltzschtalbrücke entstand, die erste große Eisenbahnbrücke in Eisen (Kapitel 1.3, Bild 1.8). Schließlich lebte er in dem Land, in dem die Industrie der Eisenerzeugung und -verarbeitung am weitesten fortgeschritten war. 1.3 Eisen und Stahl erobern größere Stützweiten Als der Eisenbahnbau im 19. Jahrhundert begann, war natürlich das Eisen als Baustoff bereits bekannt, doch als Gusseisen war es zu spröde und daher für die dynamisch beanspruchten Eisenbahnbrücken ungeeignet. Ein neues Herstellungsverfahren verbesserte die Eigenschaften. Durch Umrühren der Schmelze im Puddelofen wurde Luft untergemischt und damit der Kohlenstoffgehalt so weit verbrannt, dass das Eisen zäher und schmiedbar wurde. Auch höhere Festigkeiten wurden erreicht. So folgte zu Beginn des 19. Jahrhunderts auf das Gusseisen der Baustoff Schweißeisen. 20

21 1.3 Eisen und Stahl erobern größere Stützweiten Bild 1.8: Britannia-Brücke über die Menaistraße in England, gebaut 1845 bis 1850, Kastenbalken aus Schweißeisen mit 142 m Stützweite Bestärkt durch die in England hochentwickelte Eisenindustrie wagte Robert Stephenson ( ) im Jahr 1845 den Bau einer Stützweite von 142 m für eine Eisenbahnbrücke in Schweißeisen. Die Britannia-Brücke über die Menaistraße, vollendet im Jahr 1850, bedeutet einen Wendepunkt in der Kunst des Stahlbrückenbaus (Bild 1.8). Mit ihrem Bau wurde bewiesen, dass ein Kastenträger aus Eisen auch die schweren, dynamisch wirkenden Eisenbahnlasten selbst über große Stützweiten sicher und dauerhaft tragen kann. 120 Jahre lang erfüllte die Britannia-Brücke ihren Zweck, bis im Jahr 1970 einige Jungen, im Dunkeln auf der Suche nach Vogelnestern, die Holzverkleidung mit offenem Licht in Brand setzten und das Werk Stephensons zerstörten. Bild 1.9: Weichselbrücke bei Dirschau, gebaut 1850 bis 1857, Gittertragwerk aus Schweißeisen mit 123 m Stützweite 21

22 1 Der Eisenbahnbrückenbau in Deutschland von den Anfängen bis zur Gegenwart Eigentlich sollte die Britannia-Brücke noch an Ketten aufgehängt werden die Pfeilerköpfe waren dafür gebaut doch Berechnungen und Modellversuche zeigten, dass der Balken allein in der Lage war, die Lasten zu tragen. Die theoretischen Voraussetzungen für die Berechnung des Biegebalkens hatte Navier bereits im Jahr 1826 mit seiner Schrift L application de la mécanique geschaffen. Die Anwendung seiner Formeln zeigte jedoch, dass beim vollwandigen Blechkastenträger die Beanspruchungen allein durch die Navier-Theorie nicht hinreichend erfasst wurden. Daher löste man bei späteren Brückenbauten die Kastenwände in ein engmaschiges Gitterwerk aus Flachstäben auf. Ein Beispiel dafür ist die Weichselbrücke bei Dirschau (Bild 1.9). Große Teile der Brücke wurden im Zweiten Weltkrieg gesprengt, drei Felder blieben im Originalzustand erhalten. Unbefriedigend war bei diesen Gittertragwerken, dass die Flachstäbe wegen der Nietlochschwächung stark überdimensioniert werden mussten. Folgerichtig wurden weitmaschigere Fachwerkwände mit dickeren Stäben gebaut. Schließlich etwa ab 1860 ging man zum Strebenfachwerk mit Pfosten über (Kapitel 1.3.2, Bild 1.11) Die Bessemer Birne ermöglicht den Baustoff Stahl Als Henry Bessemer im Jahr 1855 ein neues Verfahren entwickelte, um die Luft wirksamer in die Stahlschmelze unterzumischen und den Kohlenstoff noch mehr zu verbrennen, wurden Zähigkeit und Festigkeit des Eisens deutlich verbessert. Auf das Schweißeisen folgte das Flusseisen, der Anfang für den Baustoff Stahl war gemacht. Der alte Puddelofen wurde allmählich durch den Konverter, die Bessemer Birne, ersetzt. Das neue Produktionsverfahren bot für den Brückenbau größere Stahlmengen, größere Walzlängen und auch höhere Material festigkeiten an. Der Stahl wurde als Baustoff besser und billiger. Mit dieser neuen Stahlqualität wagten die Eisenbahningenieure in den Jahren 1894 bis 1897 Deutschlands höchste Eisenbahnbrücke zu bauen, die Müngstener Brücke. Als Fachwerkbogen überspannt sie bei Müngsten das Tal der Wupper mit 107 m Höhe und einer Bogenspannweite von 170 m (Bild 1.10). Die Einweihung dieses Wunderwerks der Bautechnik am 22. März 1897 war ein Bild 1.10: Müngstener Brücke über das Tal der Wupper, erbaut 1894 bis 1897, Stahl-Fachwerkbogen mit 170 m Spannweite in einer Höhe von 107 m 22

23 1.3 Eisen und Stahl erobern größere Stützweiten Systemskizze des Fachwerträgers von 1864 ( Schwedler-Träger ) Ansicht der alten Brücke, Postkarte von 1911 Stabbogenbrücke von 1950, Foto: N. Lehmkuhl, 2004 Bild 1.11: Weserbrücke bei Corvey, erbaut 1864 als Fachwerkträger mit parabelförmig gekrümmtem Obergurt, Wiederaufbau 1950 als Stabbogen 23

24 1 Der Eisenbahnbrückenbau in Deutschland von den Anfängen bis zur Gegenwart Volksfest, und die Nachrichten meldeten einen grandiosen Sieg der Ingenieurskunst. Dieser mächtige und filigrane Stahlbogen ist heute noch die höchste Eisenbahn-Stahlbrücke Deutschlands und eine Attraktion für viele Besucher Die modernen Formen der Stahlbrücken entstehen Das ursprünglich gebaute Gittertragwerk (Bild 1.9) war sehr materialaufwendig und arbeitsintensiv. Mit dem teuren Schweißeisen musste sparsam umgegangen werden. Bei der Suche nach einer kostengünstigen Bauart hat sich das Gittertragwerk zu einem Fachwerk aus Zugstreben und Druckstäben entwickelt. Außerdem haben sich in den 1860er Jahren der Chef des Eisenbahnbrückenbaus Schwedler ( ) in Berlin und sein bayerischer Amtskollege Pauli in München ( ) intensiv mit der Frage nach der wirtschaftlichsten Bauform der Fachwerkträger beschäftigt. Sie entwarfen gekrümmte Gurte. Viele Spielarten der Trägerformen wurden ausprobiert. Der Untergurt, der in der Regel die Fahrbahn mit den Gleisen trug, blieb gerade, und der Obergurt wurde den Änderungen der Biegebeanspruchungen über die Brückenlänge angepasst und gekrümmt: Bei den am häufigsten gebauten Fachwerkträgern über ein Brückenfeld wurde der Obergurt etwa parabelförmig nach oben gekrümmt, mit der größten Höhe in Feldmitte ( Schwedler-Träger ). Beispiele dafür sind die 1864 gebaute Weserbrücke bei Corvey (Bild 1.11) und die 1883/84 gebaute Elbbrücke Wittenberge (Bild 1.1). Bei den etwas später gebauten Fachwerkträgern, die über mehrere Felder durchlaufend tragen, wurde der Obergurt zwar auch parabelförmig aber nach unten gekrümmt, mit der größten Höhe über den Stützen (Bild 1.12). Die Elbbrücke Das Blaue Wunder war die erste Brücke, die in Deutschland einen Fluss mit einer großen Mittelöffnung ohne Strompfeiler überspannte. Diese große Mittelöffnung war möglich, da die Brücke über drei Felder durchlaufend mittragend gebaut wurde. Der volkstümliche Name Blaues Bild 1.12: Elbbrücke Dresden Loschwitz Blaues Wunder, erbaut 1891 bis 1893, Gesamtlänge 260 m, Mittelöffnung 141,5 m 24

25 Tragwerke von Eisenbahnbrücken müssen sehr spezifischen Anforderungen genügen, um das Gleis und die schweren Achslasten des Zug verkehrs störungsfrei über Wege, Flüsse und Täler tragen zu können. Dieses Handbuch begleitet den planenden und ausführenden Ingenieur logisch und konsequent durch alle Planungsphasen bis hin zum fertigen Entwurf für eine Eisenbahnbrücke. Nach einem geschichtlichen Rückblick auf den Eisenbahnbrückenbau in Deutschland informiert es praxisnah und mit vielen Orientierungshilfen, Planungs grundsätzen und Empfehlungen über Bauformen, Brückensysteme, Tragwerksformen, Unterbauten, Ausrüstungselemente, Oberbauarten sowie über Bauverfahren und Behelfs- und Hilfsbrücken. So kann der Ingenieur einen Entwurf für seine Eisenbahnbrücke erarbeiten, der jeder rechnerischen und bahntechnischen Überprüfung genügt. Die Autoren verfügen über jahrzehntelange Erfahrungen in den Bereichen Planung, Bau und Instandhaltung von Eisenbahnbrücken. In diesem Handbuch vermitteln sie ihr umfassendes und praktisch erworbenes Wissen den planenden und ausführenden Ingenieuren in Eisenbahnunternehmen, Bauaufsichtsbehörden, Baufirmen und Ingenieurbüros sowie den Studierenden in den Fakultäten des konstruktiven Ingenieurbaus. ISBN