Brücken aus Stein


Eine sogenannte 'Clapper Bridge': die Tarr-Steps bei Dulverton im Nationalpark Exmoor / England
Der Ponte Gobbo im italienischen Bobbio (Emilia Romagna)
stammt ursprünglich aus dem 7. Jhd.

Vor der Erfindung von Eisen und Beton gab es in den meisten Regionen der Welt nur zwei Materialien aus denen Brücken gebaut werden konnten, nämlich Holz und Stein. Allenfalls in tropischen Gebieten mit Regenwäldern kam mit Schlingpflanzen oder Lianen noch ein weiteres Material hinzu

Stein -und insbesondere eine Brücke aus Stein- war schon zu allen Zeiten der Inbegriff von Dauerhaftigkeit und Langlebigkeit. Auf der anderen Seite ist Naturstein ein sehr mühsam zu bearbeitender Baustoff, dessen Abbau und Formgebung entsprechende Werkzeuge voraussetzt. Dies ist einer der Gründe dafür, warum bereits in frühester Zeit Wege gesucht wurden künstliche Steine herzustellen. Ein weiterer Grund für die Herstellung von Ziegelsteinen war aber auch das Fehlen entsprechender Natursteinvorkommen.

Naturstein im Brückenbau

Die ersten, noch nicht als Brücken zu bezeichnenden Hilfsmittel aus Naturstein waren vermutlich nur Trittsteine in einem Flussbett, die von der Natur zufällig oder von Menschenhand absichtlich in Schrittweite arrangiert wurden, sodass man -zumindest bei niedrigem Wasserstand- einigermaßen trockenen Fußes das andere Ufer erreichen konnte. Der nächste Entwicklungsschritt waren Natursteinbrücken aus riesigen Findlingen, wie etwa die 'Klapperbrücken' in England.

Einer der bekanntesten Fußwege dieser Art sind die Tarr Steps bei Dulverton im Nationalpark Exmoor. Wann genau dieser archaisch anmutende Steg entstand, ist bis heute unklar. Er dürfte aber ein ähnliches Alter haben wie die historischen Kultstätten in Stonehenge. Bei beiden historisch bedeutsamen Bauwerken ist nicht bekannt, wie die tonnenschweren Steinblöcke an ihren Bestimmungsort gebracht wurden. Die Klapperbrücken waren aber weder in Europa noch Weltweit die ersten Brücken aus Stein.

Die ältesten noch vorhandenen Steinbrücken Europas sind vermutlich die Brücken von Arkadiko/ Griechenland aus mykenischer Zeit (ca. 1300 v.Chr.). Dabei handelt es sich um Bogenbrücken aus gewaltigen unbearbeiteten Natursteinen mit Spannweiten von nur 2-3m. Noch älter ist eine bei den Pyramiden von Gizeh ausgegrabene Balkenbrücke (eigentlich nur ein Türsturz) die aus einem riesigen Kalkstein mit einer Länge von 7m besteht. Abzüglich der Auflagerflächen hat die Brücke eine Spannweite von 3m und genau so hoch ist der Steinquader auch. In Ur / Mesopotamien (heute Irak) wurden Gewölbe mit Radialfugen ausgegraben, die sogar schon um 3500 v.Chr. entstanden sein sollen.

Naturstein ist generell ein sehr sprödes Baumaterial, egal ob es sich um Sandstein, Granit, Marmor oder ein sonstiges Gestein handelt. Das heißt, er kann gewaltige Druckkräfte ohne Zerstörung des Materials aufnehmen aber nur vergleichsweise geringe Zugkräfte. Da bei einer Balkenbrücke sowohl Druckkräfte (auf der Oberseite) als auch Zugkräfte (auf der Unterseite) auftreten, ist Naturstein für Balkenbrücken nur in sehr engen Grenzen geeignet. Die erforderliche Höhe der Steinplatte steigt mit der Spannweite überproportional an, sodass es eine Grenzspannweite gibt, oberhalb der die Brückenplatte schon aufgrund ihres Eigengewichtes brechen würde.

Der Puente de Alcántara in Toledo stammt vermutlich aus dem 1 Jhd.

Optimal verwendbar ist jegliches Steinmaterial hingegen in Bogenbrücken, da hier ausschließlich Druckkräfte abgeleitet werden müssen. Daher werden Steinbrücken bis heute in der Regel als Bogenbrücken gebaut. Dies trifft übrigens genauso auch auf künstliche Steine zu. Die Entwicklung zu perfekt gestalteten und an Dauerhaftigkeit nicht zu übertreffenden Steinbogenbrücken verlief in vielen Einzelschritten, die eng mit der jeweils zur Verfügung stehenden Werkzeugtechnologie im Zusammenhang steht.

Hier nimmt allerdings die Zeit des römischen Imperiums eine Sonderstellung ein, denn die römischen Militäringenieure verfügten nicht nur über hervorragende Werk- und Hebezeuge, sondern z.B. auch über die technischen Möglichkeiten um massive Pfeilergründungen im Wasser herzustellen. Die Römer hatten die Technik des Steinbrückenbaus von den aus Kleinasien eingewanderten Etruskern übernommen und bis zur Perfektion verfeinert.

Künstliche Steine im Brückenbau

Die ersten künstlichen Steine mit einer noch geringen Druckfestigkeit wurden aus Lehm hergestellt und einfach in der Sonne getrocknet. Die Griechen gingen dann als erste dazu über die Steine in einem Ofen zu brennen und erzielten dadurch höhere Festigkeiten. Künstliche Steine werden meistens als Ziegel (vom lateinischen "tegula" abgeleitet) oder auch als "Backstein" bezeichnet. Sie werden bei Temperaturen von mindestens 900°C gebrannt und wegen ihrer Witterungsempfindlichkeit meistens verputzt. Eine höhere Druckfestigkeit und bessere Beständigkeit gegen Witterungseinflüsse haben die so genannten "Klinker", die aus Silikat haltigem Lehm bestehen und bei Temperaturen um 1200°C gebrannt oder treffender "gesintert" werden.

Die Herstellung von künstlichen Steinen hat in vielen Regionen der Erde bereits eine jahrtausend alte Tradition. So ist durch Ausgrabungen belegt, dass schon um 7500 v.Chr. in Anatolien Ziegelsteine aus Lehm hergestellt wurden, die man an der Sonne trocknen ließ. Auch die Assyrer sollen um 6000 v. Chr. Lehmziegel für Bauwerke verschiedenster Art verwendet haben. Auf 3500 Jahre alten ägyptischen Wandmalereien sind Arbeiter zu sehen, die luftgetrocknete Mauerziegel herstellen. Die bisher älteste historisch belegte Verwendung von Ziegelsteinen befindet sich im Ausgrabungsgelände von Jericho und ist ca. 9500 Jahre alt.

Natürlich verwendeten auch die Römer Ziegelsteine für ihre Bauwerke, allerdings weniger im Brückenbau, sondern eher beim Bau von öffentlichen Gebäuden und Kasernen. Es gab sogar schon eine Art Norm für die römischen Ziegelabmessungen und jede Legion und private Ziegelbrennerei versah "ihre" Steine mit einem eigenen Stempel. Für Historiker spielen diese Stempel oft eine wichtige Rolle um z.B. die Einsatzorte bestimmter Legionen nachzuweisen.

Unterschiede zwischen Natur- und Kunststein

Druckfestigkeiten von
Natur- und Kunststeinen
Marmor u. Granit: bis 300 N/mm²
Sandstein: bis 150 N/mm²
Kalkstein: bis 90 N/mm²
Vollklinker: bis 80 N/mm²
Vollbackstein: bis 48 N/mm²
Beton: > 20 N/mm²
Hochfester Beton: bis 150 N/mm²

Im Bauwesen verwendete Natursteinarten haben generell eine wesentlich größere Druckfestigkeit als künstliche Steinarten. Die Tabelle zeigt die ungefähren Druckfestigkeiten von natürlichen und künstlichen Steinen. Dabei ist zu beachten, dass die Eigenschaften von Naturstein je nach Vorkommen und Sorte stark schwanken können und auch künstliche Steine durch die verwendeten Rohstoffe und die Brenntemperaturen mehr oder weniger schwankende Festigkeiten erreichen können. Je größer die Druckfestigkeit der Natursteine, umso härter ist das Material und umso schwerer lässt es sich bearbeiten. Künstliche Steine haben hingegen den Vorteil, dass sie gleich in einer optimal verwendbaren und transportierbaren Form hergestellt werden können und beim Einbau in der Regel nicht mehr nachbearbeitet werden müssen.

Ein weiterer Unterschied in der Verarbeitung der Materialien liegt in der Verwendung von Mörtel, der bei den relativ kleinen künstlichen Steinen unvermeidbar ist. Beim Einsatz von massiven Natursteinblöcken mit glatten Flächen wurde teilweise auf Mörtel verzichtet, weil die Stabilität allein durch das Eigengewicht der Konstruktion erreicht wurde. Gerade in dieser mörtellosen Technik bei Brücken und Aquädukten waren die Römer unschlagbar.

Entscheidung für ein Material

Natursteine erhielten vor allem dort den Vorzug, wo sie unmittelbar zur Verfügung standen und nicht erst noch kilometerweit zur Baustelle transportiert werden mussten. Ging es aber darum ein Bauwerk sozusagen "für die Ewigkeit" zu errichten, waren auch die Mühen des Transports kein Argument um die Baumeister von der Verwendung von Naturstein abzuhalten. Solche Bauwerke für die unglaubliche Anstrengungen beim Materialtransport unternommen wurden sind z.B. die Pyramiden von Gizeh, der Dom in Köln und die Chinesische Mauer.

Gerade im Brückenbau ist häufig die Dauerhaftigkeit das entscheidende Argument für die Auswahl des Materials. Brücken sollen allen Witterungseinflüssen (Hitze, Kälte, Regen, Schnee, Wind, Hochwasser, Eisgang, Unterspülung usw.) trotzen und gleichzeitig auch unempfindlich gegen die Zerstörung durch Feuer oder Kriegsereignisse sein. Die überlegene Druckfestigkeit ließ die Entscheidung beim Bau von Brücken meistens zu Gunsten des Natursteins ausfallen, während Ziegelsteine häufiger beim Bau von Gebäuden zum Einsatz kamen. Ähnliche Ansprüche wie an Brücken wurden im Mittelalter auch an Kirchen und Kathedralen gestellt, sodass auch hier meist nur Naturstein in Frage kam.

Hier und da führten regionale Besonderheiten oder der persönliche Wunsch des Bauherren manchmal aber doch dazu, dass eine Brücke aus Ziegelsteinen errichtet wurde. Beispiele für solche, fast vollständig aus künstlichen Steinen bestehende Brücken sind z.B. die Scaligerbrücke in Verona, die Oberbaumbrücke in Berlin, der Aguila Aquädukt in Spanien und die Göltzschtalbrücke in Sachsen. Letztere ist bis heute die größte Ziegelsteinbrücke der Welt, in der über 26 Millionen Backsteine verbaut wurden.

Steinbrücken heute

Der Aguila-Aquädukt (1880) bei Nerja / Spanien besteht komplett aus Ziegelsteinen

Mit dem Aufkommen von Eisen, Beton und Stahlbeton trat die Verwendung von natürlichen und künstlichen Steinen im Brückenbau deutlich zurück, denn beide Materialien sind im Vergleich zu den neueren Baustoffen zu teuer. Trotz intensiven Maschineneinsatzes sind der Abbau und die Bearbeitung von Natursteinen heute so Lohnintensiv, dass kaum noch Brücken aus diesem Material gebaut werden. Aber auch die Herstellung und Verarbeitung künstlicher Steine kann der Konkurrenz des billigen Betons nicht standhalten.

Aber auch die Forderung nach immer größeren Spannweiten durch das Aufkommen der Eisenbahn und des Automobils führten zu einem raschen Abstieg des Steinbrückenbaus. Nun waren leichte Konstruktionen gefragt, die statische Systeme wie Hängebrücken und Schrägseilbrücken begünstigten und vorwiegend aus Stahl oder Stahlbeton gebaut wurden.

Die Verwendung von Naturstein und Kunststein beschränkt sich im Brückenbau heute vorwiegend auf die Verblendung von Betonflächen oder Stahlskeletten. Einer so gestalteten Brücke sieht man in der Regel nicht an, dass nur ihre äußere Schale aus Sandstein, Muschelkalk oder gar Marmor besteht. Brücken auf die das zutrifft sind z.B. die Tower Bridge in London, deren beide Türme im Inneren aus einem Stahlskelett bestehen oder auch die Augustusbrücke in Dresden, deren Bögen aus Stampfbeton hergestellt wurden.

Quellen:
  • Sven Ewert: Brücken - "Die Entwicklung der Spannweiten und Systeme"
  • David J. Brown: "Brücken - Kühne Konstruktionen über Flüsse, Täler, Meere"
  • Dirk Bühler: "Brückenbau - Deutsches Museum München"
  • Charlotte Jurecka: "Brücken - Historische Entwicklung, Faszination der Technik"
  • Rudolf Floss: "Fundierung alter Brücken"
  • Walter Kaiser / Wolfgang König: "Geschichte des Ingenieurs"
  • Brigitte Kapaul / M. Gämperli: "Backsteine"
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© Dipl.Ing. Bernd Nebel