Brücken aus Stein

Symbol der Unvergänglichkeit: Naturstein

Eine sogenannte 'Clapper Bridge': die Tarr-Steps bei Dulverton im Nationalpark Exmoor / England © Mike Watson

Bis zur Nutzbarmachung des Eisens für das Bauwesen und vor der Erfindung des Betons, gab es - mit Ausnahme der Tropen - in den meisten Ländern der Erde nur zwei Materialien, aus denen man Brücken bauen konnte: Holz und Naturstein. Dort wo man kaum oder nur mühsam Zugriff auf Natursteine hatte, verwendete man aber auch schon seit Jahrtausenden künstliche Steine.

Der Ponte Gobbo im italienischen Bobbio (Emilia Romagna) stammt ursprünglich aus dem 7. Jhd. Die Brücke hat insgesamt 11 Bögen mit unterschiedlichen Spannweiten. Die Fahrbahn passt sich an die jeweilige Höhe der Bögen an und nimmt daher einen wellenartigen Verlauf. © Bernd Nebel

Im Bauwesen sind Natursteine wie Marmor, Granit, Basalt oder Sandstein der Inbegriff von Dauerhaftigkeit und Langlebigkeit. Dies trifft in besonderem Maße auch auf den Brückenbau zu. Ob und wo in früheren Zeiten Natursteine für Gebäude und Zweckbauten verwendet wurden, hing im Wesentlichen vom regionalen Vorkommen des Materials ab. Es musste oberflächennah verfügbar sein und möglichst leicht zu bearbeiten. Je dichter und schwerer eine Steinsorte ist, umso härter ist sie auch und umso anstrengender ist ihre Bearbeitung. Der Abbau und die Verarbeitung der Natursteine hing immer stark von den jeweils zur Verfügung stehenden Werkzeugen ab. Dort wo man Stein nicht abbauen konnte oder die entsprechenden Werkzeuge fehlten, wurden bereits in frühester Zeit Wege gesucht, um Steine künstlich herzustellen. Ziegelsteine kann man in der Nähe der Baustelle herstellen und mit geringem Transportaufwand an ihren Eisatzort bringen.

Naturstein im Brückenbau

Naturstein ist heute aufgrund seiner aufwändigen Gewinnung und Verarbeitung ein kostbares Baumaterial, dass man sparsam einsetzt und gerne gestalterisch nutzt, auch wenn die statische Tragfähigkeit des Bauwerks in Wirklichkeit von Stahl oder Stahlbeton übernommen wird. Die Außenfassaden moderner Gebäude aber auch Innenwände und Fußböden von Banken, Verkehrsterminals, Hotels usw. verleiht man mit poliertem Marmor oder Granit ein gediegenes, solide wirkendes Ambiente. Das gleiche gilt auch für den Brückenbau. Widerlager, Pfeiler, Pylone, Portale und Gesimse werden gerne mit Natursteinplatten verkleidet, obwohl sich dahinter meist Stahlbeton verbirgt. In diesem Artikel soll es aber in erster Linie um solche Brücken gehen, bei denen künstliche oder natürliche Steine auch die tragende Funktion übernehmen.

In prähistorischer Zeit dürfte das häufigste Hindernis, das den Menschen bei ihren Wanderungen oder bei der Jagd den Weg versperrte, ein Flusslauf gewesen sein. Bei niedrigem Wasserstand konnten da schon Trittsteine sehr hilfreich sein, die von der Natur zufällig, oder von Menschenhand absichtlich, in Schrittweite arrangiert wurden. So konnte man trockenen Fußes das andere Ufer erreichen. Der nächste Entwicklungsschritt waren Balkenbrücken mit kurzen Spannweiten, bei denen flache Findlinge als Träger dienten. Oft ragten sie nur wenige Zentimeter über den Wasserspiegel hinaus. Damit sie nicht beim kleinsten Hochwasser weggespült wurden, mussten sie entsprechend groß und schwer sein.

Der Pont du Diable (eine der zahlreichen "Teufelsbrücken") bei Thueyts / Frankreich. Sie stammt aus dem 18. Jhd. führt über die Ardeche. © Barbara Kellner

Solche Brücken aus riesigen Findlingen existieren noch heute in England. Man nennt sie "Clapper Bridge" (Klapperbrücken), weil sie bei Belastung ein Geräusch erzeugen. Es war fast unmöglich, mit diesen großen Steinen ein Auflager zu schaffen, auf dem die Platten dauerhaft völlig gleichmäßig auflagen. Das Klappern entsteht durch das leichte Kippen der Steinplatten, wenn jemand darüber läuft. Eine der bekanntesten noch existierenden Klapperbrücken 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 nahegelegenen Kultstätten in Stonehenge. Bei beiden historisch bedeutenden Bauwerken ist bisher nicht bekannt, wie die tonnenschweren Steinblöcke an ihren Bestimmungsort gebracht wurden.

Die ersten Steinbrücken Europas

Die ältesten noch vorhandenen Steinbogenbrücken Europas sind vermutlich die Brücken von Arkadiko in Griechenland, die aus mykenischer Zeit stammen (ca. 1300 v.Chr.). Dabei handelt es sich um Bogenbrücken aus gewaltigen, unbearbeiteten Steinblöcken mit Spannweiten von nur 2-3 m. Noch älter ist eine bei den Pyramiden von Gizeh ausgegrabene Balkenbrücke (eigentlich nur ein Türsturz), die aus einem riesigen Kalkstein mit einer Länge von 7 m besteht. Abzüglich der Auflagerflächen hat die Brücke eine Spannweite von 3 m und genauso 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, Stein kann gewaltige Druckkräfte ohne Beschädigungen aufnehmen, vergleichsweise aber nur geringe Zugkräfte. Bei einem horizontalen Bauteil wie einem Fenstersturz oder dem Träger einer Balkenbrücke, treten aber sowohl Druckkräfte (auf der Oberseite) als auch Zugkräfte (auf der Unterseite) auf. Insofern ist die Überwindung einer größeren Spannweite mit Natursteinen nur in sehr engen Grenzen möglich. Die benötigte Höhe einer Steinplatte, die als horizontaler Träger fungieren soll, steigt im Verhältnis zur Spannweite überproportional an und wird dadurch natürlich auch immer schwerer. Es gibt also eine Grenzspannweite, oberhalb derer die Brückenplatte schon aufgrund ihrer eigenen Masse bricht.

Stärken und Schwächen des Steins

Die Droversbridge ("Viehtreiberbrücke") bei Malmsmead in Südengland und daneben eine Furt, die nur bei niedrigem Wasserstand benutzt werden kann. © Frank Schröder

Stein bietet sich daher insbesondere für Bauwerke und Bauweisen an, bei denen nur oder ganz überwiegend Druckkräfte auftreten. Bezogen auf den Brückenbau ist die optimale Bauweise mit Steinen daher eine Bogenbrücke. Aus diesem Grunde findet man in alten Steinhäusern, Kirchen und Brücken häufig den Bogen als raumüberwindendes Gestaltungselement. Reine Steinbogenbrücken ohne zusätzliche Materialien werden 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 stehen. Das Abbauen, Bearbeiten, Transportieren, Heben und Einbauen schwerer Steine stellt enorme Anforderungen an die verwendeten Werkzeuge und die Arbeiter. Die Arbeit ist auch gefährlich, denn ein herabstürzender Werkstein kann Gerüste und Dächer mühelos durchschlagen.

Als wahre Meister des Steinbrückenbaus sind uns die Römer bekannt, denn auch heute, 2000 Jahre nach der größten Expansion des römischen Imperiums, sind noch eine ganze Reihe ihrer prächtigen Brücken und Aquädukte erhalten. Die Römer sind aber keineswegs die Erfinder der Steinbogenbrücken, sondern übernahmen die Technik teilweise von den Griechen, vor allem aber von den aus Kleinasien eingewanderten Etruskern. In Kombination mit anderen Fähigkeiten und von ihnen entwickelten Maschinen, brachten sie den Steinbrückenbau zu einer unerreichten Blüte. Die Römer waren dazu in der Lage, Pfeiler im offenen Wasser zu gründen, verfügten über präzise Vermessungsgeräte und besaßen Werkzeuge und Hebetechniken wie kein anderes Volk zu dieser Zeit.

Künstliche Steine im Brückenbau

Schon früh wurde die Möglichkeit entdeckt, Steine auch künstlich herzustellen. Damit umgeht man den anstrengenden Prozess der Materialgewinnung und kann die Steine gleich in der gewünschten Größe herstellen. Die einfachste Methode bestand darin, stichfesten Lehm in eine Form aus Holz zu füllen, umzustülpen und in der Sonne trocknen zu lassen. Mancherorts mischte man Stroh oder dünne Zweige unter den Lehm und schuf so eine Art "bewehrten" Naturstein. Natürlich hatten solche Steine keine besonders hohe Druckfestigkeit, die man aber durch Brennen des Materials in einem Ofen deutlich erhöhen konnte.

Die Herstellung von Ziegelsteinen im alten Ägypten. Grabkammer des Rechmirê (Ägypten, ca. 1500 v.Chr.)

Künstliche Steine bezeichnet man heute meistens als Ziegel (vom lateinischen "tegula" abgeleitet) oder umgangssprachlich auch als "Backstein". Sie werden bei Temperaturen von mindestens 900°C gebrannt und wegen ihrer Empfindlichkeit gegen Frost meistens verputzt. Eine höhere Druckfestigkeit und bessere Beständigkeit gegen Witterungseinflüsse haben die sogenannten "Klinker", die aus silikathaltigem Lehm bestehen und bei Temperaturen um 1200°C gebrannt, bzw. treffender "gesintert" werden.

Die Herstellung von künstlichen Steinen hat in vielen Regionen der Erde eine lange Tradition. So ist durch Ausgrabungen belegt, dass schon um 7500 v.Chr. in Anatolien Ziegelsteine aus Lehm hergestellt wurden, die man einfach in 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 aus dem Grab des Rechmirê 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 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

Im Bauwesen verwendete Natursteinarten haben generell eine wesentlich größere Druckfestigkeit als künstliche Steinarten. Die nebenstehende Tabelle zeigt die 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 unterschiedliche 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. Ziegelsteine oder Klinker werden in genormten Maassen geliefert, welche die Verwendung erleichtern.

In einer Hypokaustenheizung verwendete Römische Ziegelsteine. Baelo Claudia / Spanien (bei Bolonia; Straße von Gibraltar). © Bernd Nebel

Ein weiterer Unterschied in der Verarbeitung der Materialien liegt in der Verwendung des Mörtels, der bei den relativ kleinen künstlichen Steinen unvermeidbar ist. Er besteht aus feinkörnigem Gestein (Sand), Wasser und einem Bindemittel, entweder aus Kalk oder Zement. Da künstliche Steine gerade Kanten und gleichmäßige Flächen haben, kann die Mörteschicht sehr dünn aufgetragen werden. Bei Natursteinen kann die Mörtelschicht je nach Bearbeitungsgrad der Steine, einen erheblichen Teil des Mauerwerks ausmachen. Die Römer haben bei der Verwendung von massiven Natursteinblöcken die Kontaktflächen teilweise so gleichmäßig bearbeitet, dass sie auf Mörtel ganz verzichten konnten. Die Stabilität solcher Brücken wird durch das Eigengewicht der Konstruktion und Kohäsion durch die glatten Flächen erreicht. Gerade in dieser mörtellosen Technik wie z.B. beim Aquädukt von Segovia waren die Römer unschlagbar.

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. Bauwerke aus Natursteinen, für die unglaubliche Anstrengungen beim Materialtransport unternommen wurden, sind z.B. der Dom in Köln, die Pyramiden von Gizeh oder die Chinesische Mauer. Aber auch für Kultstätten, Hünengräber oder einzelne "Kultsteine" wie Obelisken und Menhire nahm man größte Anstrengungen auf sich.

Stein im Brückenbau

Gerade im Brückenbau ist häufig die Sicherheit und Dauerhaftigkeit der entscheidende Faktor für die Auswahl des Materials. Brücken sollen allen Witterungseinflüssen (Hitze, Kälte, Regen, Schnee, Wind, Hochwasser, Eisgang, Unterspülung usw.) trotzen, gleichzeitig aber auch unempfindlich gegen Zerstörung durch Feuer, Unfälle, manchmal sogar Erdbeben sein. Außerdem sollen sie auch möglichst wenig Unterhaltungsaufwand benötigen, denn die regelmäßige Wartung kann eine Brücke erst nach dem Bau so richtig teuer machen.

Da heute Lohnkosten im Bauwesen fast alle anderen Kostenfaktoren überlagern, ist die Verwendung von Natursteinen, aber auch künstlichen Formsteinen, weitgehend in den Hintergrund getreten. Der billigere Ersatzbaustoff ist in den meisten Fällen Beton, Stahlbeton oder Spannbeton. Auch die Verkleidung massiver Bauteile mit Natursteinen wird heute allenfalls bei besonders exponierten Standorten oder architektonisch herausragenden Brücken praktiziert.

Der Aguila-Aquädukt (Baujahr 1880) bei Nerja / Spanien besteht komplett aus Ziegelsteinen © Bernd Nebel

Reine Ziegelsteinbrücken sind ohnehin eher selten, denn in ihnen steckt ein gewaltiger Personaleinsatz für die Herstellung und Verarbeitung der Steine. Hier und da führten regionale Besonderheiten oder der persönliche Wunsch des Bauherren manchmal aber doch dazu, dass eine Brücke aus Ziegelsteinen errichtet wurde. Meistens vermied man aber den direkten Kontakt der gebrannten Steine mit Wasser oder Erde, indem man von den Fundamenten bis zum Sockel witterungsunempfindliche Natursteine verwendete.

Beispiele für fast vollständig aus Ziegelsteinen bestehende Brücken sind die pittoreske Scaligerbrücke in Verona, die Oberbaumbrücke in Berlin, der Aguila Aquädukt in Spanien und die Göltzschtalbrücke in Sachsen. Die Eisenbahnbrücke über das Göltzschtal bei Mylau ist bis heute die größte Ziegelsteinbrücke der Welt, in der über 26 Millionen Backsteine vermauert wurden.

Durch die Nutzbarmachung des Eisens für das Bauwesen sowie die Erfindung von Beton und Stahlbeton, trat die Verwendung von natürlichen und künstlichen Steinen deutlich zurück. Trotz intensiven Maschineneinsatzes sind Abbau und Bearbeitung von Natursteinen heute so teuer, 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.

Steinbrücken gestern und heute

Große Bauteile aus Beton mit keinen oder deutlich weniger Fugen als ein traditionelles Mauerwerk, sind heute schnell und kostengünstig herstellbar. Dabei sind dem Gestaltungsspielraum kaum Grenzen gesetzt. Auch runde Formen, Winkel jeder Größe oder markante Oberflächenstrukturen sind kein Problem. Steinbrücken benötigen ebenso wie Betonbrücken ein Lehrgerüst für ihre Herstellung, sodass sich auch hier kein Vorteil zugunsten der Steine ergibt.

Detail der größten Ziegelsteinbrücke der Welt: der Göltzschtalbrücke bei Mylau in Sachsen. © Barbara Kellner

Steinbrücken bieten zwar sehr gute Tragfähigkeiten, dafür aber relativ geringe Spannweiten. Je größer die Spannweite einer Bogenbrücke, umso höher wird der Bogen, es sei denn, man verwendet einen besonders flachen Segmentbogen. Mit dem Aufkommen neuer Verkehrsmittel, zuerst der Eisenbahn und dann des Automobils, stiegen die Anforderungen im Brückenbau enorm. Überall wurden plötzlich sehr viele, sehr tragfähige und weit gespannte Brücken benötigt. Gerade für den Kraftfahrzeugverkehr waren nun leichte Konstruktionen gefragt, die statische Systeme wie Hängebrücken oder Schrägseilbrücken begünstigten und vorwiegend aus Stahl oder Stahlbeton gebaut wurden.

Die Verwendung von Naturstein und Kunststein beschränkt sich im Brückenbau daher heute tatsächlich auf die Verblendung von Betonflächen oder Stahlskeletten. Es gibt mehr Brücken als man denkt, die wie eine Natursteinbrücke aussehen, hinter deren äußerer Schale aus Sandstein, Muschelkalk oder Marmor sich in Wahrheit Stahl oder Stahlbeton verbergen. Brücken auf die das zutrifft sind z.B. die Tower Bridge in London, deren Türme im Inneren aus einem Stahlskelett bestehen oder auch die Augustusbrücke in Dresden, deren Bögen aus Stampfbeton hergestellt wurden.

Unter den Steinbrücken faszinieren uns besonders die Jahrtausende alten Bauwerke vergangener Kulturen oder die wuchtigen Exemplare aus dem Mittelalter mit breiten Pfeilern und Beschlächten, so wie z.B. die "Stainern Bruckn" in Regensburg. Solche Brücken stehen häufig unter Denkmalschutz und dürfen nur von Fußgängern und Radfahrern benutzt werden. Auf der anderen Seite gibt es aber auch noch zahllose Steinbrücken, die schon viele hundert Jahre alt sind aber immer noch trotzig den Anforderungen des heutigen Verkehrs genügen.