Eine Bogenbrücke ist ein Brückentragwerk, dessen tragendes Hauptelement ein gekrümmter Bogen ist: Die Lasten werden überwiegend als Druckkräfte entlang der Bogenachse zu den Kämpfern und von dort in die Widerlager oder in den umgebenden Boden abgetragen. Im Unterschied zum Balkentragwerk entstehen dabei zusätzlich horizontale Auflagerkräfte, der sogenannte Bogenschub. Bogenbrücken werden in Deutschland als Ingenieurbauwerke nach den RE-ING geplant, geotechnisch nach DIN EN 1997-1 nachgewiesen und nach DIN 1076 überwacht und geprüft. Ausgeführt als Bogenprofil aus korrugierten Stahlwellenrohren wirken sie gemeinsam mit der Erdüberdeckung als Boden-Stahl-Verbundbauwerk.
Tragverhalten des Bogens: Druckbogen und Stützlinie
Das Tragverhalten eines Bogens wird über die Stützlinie beschrieben. Die Stützlinie ist die geometrische Linie, entlang derer eine gegebene Belastung ausschließlich durch Normalkräfte abgetragen wird. Stimmt die Bogenachse mit der Stützlinie überein, entstehen im Querschnitt reine Druckkräfte und keine Biegemomente. Jede Abweichung zwischen Bogenachse und Stützlinie erzeugt Biegemomente, die der Querschnitt zusätzlich aufnehmen muss.
Da bei Bogenbrücken mit Erdüberdeckung die ständigen Lasten dominieren, wird die Bogenform in der Regel an der Stützlinie der ständigen Einwirkungen orientiert. Unsymmetrische Verkehrslasten verschieben die Stützlinie und sind daher in eigenen Lastfällen zu untersuchen. Der Horizontalschub am Kämpfer nimmt mit kleiner werdender Stichhöhe zu: Bei einem parabelförmigen Bogen unter gleichmäßiger Streckenlast gilt näherungsweise H = q · l² / (8 · f), mit der Spannweite l und der Stichhöhe f. Flache Bögen sind also materialsparend, stellen aber hohe Anforderungen an die horizontale Tragfähigkeit von Widerlagern und Baugrund.
Bogenformen und Stichverhältnisse
Die Bogenform folgt aus der verfügbaren Bauhöhe, der geforderten lichten Weite und der Beschaffenheit des Baugrunds. Charakteristische Kenngröße ist das Stichverhältnis, also das Verhältnis der Stichhöhe f zur Spannweite l. Je flacher der Bogen, desto geringer die erforderliche Bauhöhe und desto größer der Horizontalschub.
| Bogenform | Stichverhältnis f/l (typisch) | Konstruktive Merkmale | Typischer Einsatz |
|---|---|---|---|
| Halbkreisbogen | 0,50 | Einheitlicher Radius, senkrechte Bogentangente am Kämpfer | Kleinere lichte Weiten bei ausreichender Bauhöhe |
| Korbbogen | 0,30 bis 0,50 | Aus mehreren Kreisbögen unterschiedlicher Radien zusammengesetzt | Straßen- und Wegebrücken mit begrenzter Bauhöhe |
| Segmentbogen (Flachbogen) | 0,10 bis 0,30 | Kreisabschnitt, flacher Verlauf, hoher Horizontalschub | Große lichte Weite bei geringer Stichhöhe |
| Maulprofil | 0,25 bis 0,40 | Steile Seitenwände, abgeflachter Scheitel, breite Sohle | Durchlässe und Unterführungen mit großem Abflussquerschnitt |
Wellstahl-Bogenprofile mit Erdüberdeckung
Bei Bogenbauwerken aus korrugierten Stahlwellenrohren übernimmt nicht der Stahlquerschnitt allein die Tragwirkung. Das flexible Profil verformt sich unter Last, mobilisiert dadurch den passiven Erddruck der seitlichen Verfüllung und wird von dieser gestützt. Stahlprofil und Bodenkörper bilden ein Boden-Stahl-Verbundbauwerk, dessen Tragfähigkeit unmittelbar von der Qualität der Verfüllung abhängt. Maßgebend sind die Eignung des Verfüllmaterials, der lagenweise Einbau und der Verdichtungsgrad nach ZTV E-StB, geprüft im Rahmen der geotechnischen Nachweise nach DIN EN 1997-1.
Die Profile werden werkseitig gefertigt und auf der Baustelle verschraubt oder als Rohrbogen versetzt. Aufwendige Traggerüste, Schalungen und Ortbetonarbeiten entfallen weitgehend, wodurch sich kurze Bauzeiten und schmale Sperrzeitfenster einhalten lassen. Das Spektrum reicht von kleinen Durchlässen bis zu Bauwerken mit Spannweiten im zweistelligen Meterbereich; die erreichbare Spannweite ergibt sich aus Profiltyp, Wellengeometrie, Blechdicke, Überdeckungshöhe und Verkehrslast und ist im statischen Nachweis zu belegen. Die Mindestüberdeckung wächst mit der Spannweite und ist projektbezogen festzulegen.
Vergleich mit der Balkenbrücke
Balken- und Bogentragwerk unterscheiden sich grundlegend im Kraftfluss: Der Balken trägt über Biegung und benötigt dafür Konstruktionshöhe, der Bogen trägt über Druck und benötigt Stichhöhe sowie horizontal tragfähige Auflager. Für die Variantenwahl sind daher folgende Randbedingungen entscheidend:
- verfügbare Bauhöhe zwischen Gradiente und lichtem Raum
- horizontale Tragfähigkeit von Baugrund und Widerlagern
- Möglichkeit einer durchgehenden Erdüberdeckung über dem Tragwerk
- Bauzeit, Sperrzeiten und Zugänglichkeit der Baustelle
- Anforderungen an Unterhaltung und Bauwerksprüfung
Fehlt die horizontale Abtragungsmöglichkeit oder liegt die Gradiente unmittelbar über dem lichten Raum, ist ein Balken- oder Rahmentragwerk vorzuziehen. Bei ausreichender Überdeckung und tragfähigem Baugrund ist der Bogen die materialeffizientere Lösung.
Verwandte ViaCon-Lösungen
Bogenförmige Tragwerke aus Wellstahl gehören zum Programm der Brücken- und Durchlasslösungen von ViaCon; für kleinere lichte Weiten kommen die schraubenlinienförmig gewellten Rohre der Baureihe Helcor Stahlwellenrohre in Frage, für größere Spannweiten die aus Einzelblechen montierten ViaPlate Wellstahlbauwerke. Konstruktiv verwandt ist die Rohrbrücke, deren Tragverhalten ebenfalls auf dem Verbund von Stahlprofil und Boden beruht; für die maßgebende Öffnungsgröße gilt die Definition der lichten Weite. Den übergeordneten Zusammenhang von Bauweisen und Regelwerken beschreibt der Beitrag zum Brückenbau, einen häufigen Anwendungsfall bogenförmiger Profile die Fußgängerbrücke.
Häufige Fragen zu Bogenbrücken
Welche Spannweiten sind mit einer Bogenbrücke aus Wellstahl möglich?
Wellstahl-Bogenprofile decken den Bereich von kleinen Durchlässen bis zu Bauwerken mit Spannweiten im zweistelligen Meterbereich ab. Die konkret erreichbare Spannweite hängt von Wellengeometrie, Blechdicke, Profiltyp, Überdeckungshöhe und Verkehrslast ab. Verbindlich ist immer der statische Nachweis des Boden-Stahl-Verbundbauwerks; die Angabe eines pauschalen Grenzwerts ohne Kenntnis von Baugrund und Überdeckung ist nicht möglich.
Wodurch unterscheidet sich eine Bogenbrücke von einer Balkenbrücke?
Der Unterschied liegt im Kraftfluss: Die Bogenbrücke trägt überwiegend über Druckkräfte entlang der Bogenachse und erzeugt Horizontalschub an den Kämpfern, die Balkenbrücke trägt über Biegung und leitet im Wesentlichen vertikale Auflagerkräfte ab. Der Bogen benötigt Stichhöhe und horizontal tragfähige Auflager, der Balken mehr Konstruktionshöhe im Überbau, kommt aber mit einfacheren Widerlagern aus.
Wie wird die erforderliche Erdüberdeckung festgelegt?
Die Erdüberdeckung wird im statischen Nachweis bestimmt und nicht pauschal gewählt. Sie muss die Verkehrslasten so weit verteilen, dass Schnittgrößen und Verformungen des flexiblen Profils zulässige Werte einhalten, und wächst mit der Spannweite. Zu berücksichtigen sind Profilgeometrie, Verfüllmaterial, Verdichtungsgrad nach ZTV E-StB sowie der Oberbau über dem Bauwerk.
Welche Prüfpflichten gelten für Bogenbrücken?
Bogenbrücken im Zuge von Straßen und Wegen unterliegen der Überwachung und Prüfung nach DIN 1076. Neben den turnusmäßigen Prüfungen und Besichtigungen sind Prüfungen nach besonderen Vorkommnissen, etwa nach Hochwasser oder Anprall, durchzuführen. Bei Bauwerken mit Erdüberdeckung liegt der Schwerpunkt auf Profilverformung, Nahtverbindungen, Korrosionsschutz, Sohlzustand sowie Setzungen im Bereich der Anschlussdämme.
