Hängebrücke

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Bei einer Hängebrücke wird das verkehrstragende Deck von einer Reihe von Drahtseilen getragen, die an massiven Seilen hängen, die zwischen hohen Türmen drapiert sind. Die Brooklyn Bridge in New York City und die Golden Gate Bridge in San Francisco sind zwei der bekanntesten Hängebrücken. Die 1998 fertiggestellte Akashi-Kaikyo-Brücke in Japan enthält die längste Hängespannweite der Welt (Abstand zwischen den Stütztürmen) - 1.991 m; Die gesamte Brücke, einschließlich der Abschnitte zwischen den Türmen und den Ufern, ist fast 4 km lang. Der Bau der Akashi Kaikyo-Brücke dauerte zehn Jahre, kostete 3,6 Milliarden US-Dollar und war mit nur sechs Verletzten (keine Toten) verbunden. Ein Jahrhundert zuvor dauerte der Bau der Brooklyn Bridge mit einer Spannweite von 1.600 Fuß (490 m) 14 Jahre und forderte 27 Todesopfer.

Hintergrund

Hängebrücken gehören zu den frühesten von Menschenhand erfundenen Bauarten. Die primitivste Version ist ein Rankenseil, das zwei Seiten eines Abgrunds verbindet; eine Person fährt hinüber, indem sie am Seil hängt und sich selbst Hand an Hand mitzieht. Solche primitiven Brücken – einige davon bis zu 200 m lang – werden immer noch in Gebieten wie dem ländlichen Indien verwendet. Etwas anspruchsvollere Designs beinhalten eine ebene Oberfläche, auf der eine Person gehen kann, manchmal mit Hilfe von Rebenhandläufen.

Im 8. Jahrhundert bauten chinesische Brückenbauer Hängebrücken, indem sie Bretter zwischen Paaren von Eisenketten legten, was im Wesentlichen ein flexibles Deck darstellte, das auf Kabeln ruhte. Ähnliche Brücken wurden in den folgenden Jahrhunderten in verschiedenen Teilen der Welt gebaut. Aber die moderne Ära der Hängebrücken begann erst 1808, als ein Amerikaner namens James Finley ein System zum Aufhängen eines starren Decks an den Seilen einer Brücke patentierte.

Obwohl Finley mehr als ein Dutzend kleiner Brücken baute, wurde die erste große Brücke, die seine Technik beinhaltete, von Thomas Telford über die Menaistraße in England gebaut. Es wurde 1825 fertiggestellt und hatte 47 m hohe Steintürme, eine Länge von 521 m und eine Spannweite von 177 m. Die 9 m breite Fahrbahn wurde auf einer starren Plattform gebaut, die an Eisenkettenseilen aufgehängt war. Die Brücke ist immer noch in Gebrauch, obwohl die Eisenketten 1939 durch Stabglieder aus Stahl ersetzt wurden.

Ein anderer Amerikaner, John Roebling, entwickelte Mitte des 19. Jahrhunderts zwei wesentliche Verbesserungen an der Konstruktion von Hängebrücken. Eine bestand darin, die starre Decksplattform mit Fachwerken (Anordnungen von horizontalen und vertikalen Trägern, die mit Diagonalträgern querversteift sind) auszusteifen. Die Erfahrung hatte gezeigt, dass Wind oder rhythmische Verkehrsbelastungen unzureichend versteifte Decks in Schwingungen versetzen, die außer Kontrolle geraten und eine Brücke buchstäblich auseinanderreißen können.

Eine weitere wichtige Innovation von Roebling betraf den Bau der Tragseile der Brücke. Um 1830 hatten französische Ingenieure gezeigt, dass Seile aus vielen Drahtsträngen besser funktionieren als Ketten, um Brücken aufzuhängen. Roebling hat eine Methode entwickelt, um die Kabel auf der Brücke zu "verdrehen" oder zu konstruieren, anstatt plump vorgefertigte Kabel zu transportieren und in Position zu bringen. Seine Methode wird immer noch häufig (wenn auch nicht ausschließlich) bei neuen Brücken verwendet.

Die Geschichte der Hängebrücken ist reichlich gespickt mit Beispielen erfolgreicher Brücken, die weithin für unmöglich gehalten wurden, als sie von einem visionären Ingenieur vorgeschlagen wurden. Ein Beispiel war eine Eisenbahnbrücke Roebling, die zwischen 1851 und 1855 über die Schlucht des Niagra River gebaut wurde. Die erste fachwerkversteifte Hängebrücke wurde von vier zwischen Steintürmen aufgereihten Seilen mit einem Durchmesser von 10 Zoll (250 cm) getragen. Vierzig Jahre nach ihrer Fertigstellung war die Brücke erfolgreich 2,5-mal so stark befahren, wie sie vorgesehen war; zu diesem Zeitpunkt wurde es stillgelegt und demontiert.

Ein Stahlarbeiter liegendes Seil steht für das Tragseil der neuen Tacoma, Washington, Narrows Bridge on 21. Oktober 1949.

Die Tacoma Narrows Bridge war die drittgrößte Hängebrücke der Welt und nur fünf Monate alt, als sie am Samstag, den 7. November 1940 einstürzte ) hohe Türme, während die Seitenspannweiten jeweils 304,8 m lang waren. Die Tragseile hingen von den Türmen und wurden 300 ft (304,8 m) zurück zum Flussufer verankert. Der Konstrukteur Leon Moisseiff war einer der führenden Brückenbauer der Welt.

Moisseiffs Absicht war es, eine sehr schlanke Decksspanne zu schaffen, die sich sanft zwischen den hohen Türmen wölbt. Sein Entwurf kombinierte die Prinzipien der Seilaufhängung mit einer Trägerkonstruktion aus Stahlblechversteifungen, die entlang der Fahrbahn verlaufen und auf nur 2,4 m Tiefe stromlinienförmig ausgelegt waren.

Die 6,4 Millionen Dollar teure Brücke wurde von Leuten, die ihr seltsames Verhalten erlebten, "Galloping Gertie" genannt. Gezwungen, Wellen zu ertragen, die das Deck kippten und rollten, klagten die Arbeiter über Seekrankheit. Nach der Eröffnung wurde es für Autofahrer zu einer sportlichen Herausforderung, selbst bei schwachem Wind zu überqueren, und Beschwerden über Seekrankheit wurden häufig.

Die Ingenieure der State and Toll Bridge Authority waren mehr als ein wenig nervös über das Verhalten der schlanken, zweispurigen Spannweite, die nur 11,9 m breit war. Seine geringe Tiefe im Verhältnis zur Länge der Spannweite (8-2.800 ft [2,4-853,4 m]) führte zu einem Verhältnis von 1:350, fast dreimal flexibler als die Golden Gate- oder George-Washington-Brücken. Ingenieure versuchten mehrere Methoden, um die Schwingungen zu stabilisieren, aber keine funktionierte.

Zu den Zeugen gehörten Kenneth Arkin, Vorsitzender der Toll Bridge Authority, und Professor Farquharson. Um 10:00 Uhr stellte Arkin fest, dass die Windgeschwindigkeit von 61,1 bis 67,6 km pro Stunde angestiegen war, während sich das Deck 38 Mal in einer Minute um 0,9 m (3 Fuß) hob und senkte. Er und Farquharson stellten den Verkehr ein.

Leonard Coatsworth, ein Journalist, hatte sein Auto mitten auf der Brücke stehen gelassen, als er wegen der Wellen nicht weiterfahren konnte. Er drehte sich kurz um und erinnerte sich daran, dass der Hund seiner Tochter im Auto war, aber auf seine Hände und Knie geworfen wurde. Um 10:30 Uhr begannen Hosenträgerseile zu reißen, das Deck zu brechen und Coatsworths Auto ins Wasser zu schleudern. Innerhalb einer halben Stunde fiel der Rest des Decks Abschnitt für Abschnitt.

Ingenieure, die sich mit dem Problem der sich verdrehenden Brücken befassten, konnten erklären, dass Winde nicht immer im gleichen Winkel und mit der gleichen Intensität auf die Brücke treffen. Wind, der von unten kommt, hebt beispielsweise eine Kante an und drückt die gegenüberliegende nach unten. Das Deck, das versucht, sich aufzurichten, dreht sich zurück. Wiederholte Drehungen nehmen in ihrer Amplitude zu, wodurch die Brücke in verschiedene Richtungen schwingt. Die Erforschung des Windverhaltens entwickelte sich zu einer ganzen Ingenieursdisziplin namens Aerodynamik. Schließlich wurde keine Brücke, kein Gebäude oder eine andere exponierte Struktur entworfen, ohne ein Modell in einem Windkanal zu testen. Mit der Entwicklung von Grafikfunktionen werden einige dieser Tests jetzt auf Computern durchgeführt.

1869 starb Roebling bei einem Unfall bei der Vermessung des Geländes für die von ihm entworfene Brooklyn Bridge. Sein Sohn, Washington Roebling, verbrachte die nächsten 14 Jahre damit, das berühmte Bauwerk zu bauen. Dies war die erste Hängebrücke, bei der Seile aus Stahl anstelle von Schmiedeeisen verwendet wurden (ein relativ weiches Eisen, das, während es heiß ist, von Maschinen geformt oder durch Hämmern geformt werden kann). Jedes der vier Kabel mit einem Durchmesser von 40 cm (16 Zoll) besteht aus mehr als 5.000 parallelen Stahldrahtsträngen. Mehr als ein Jahrhundert nach ihrer Fertigstellung trägt die Brooklyn Bridge schwere Lasten des modernen Verkehrs.

Eine weitere markante Hängebrücke wurde 1933-1937 von Joseph Strauss über das Golden Gate – die Mündung der San Francisco Bay – gebaut. Die Golden Gate Bridge ist 1.966 m lang und hat eine Hauptspannweite von 1.280 m. Seine beiden Türme sind 227 m hoch; Sie tragen zwei 7.125 Tonnen (6,5 Millionen kg) schwere Kabel, die insgesamt 80.000 Meilen (129.000 km) Stahldraht enthalten. Trotz strenger Sicherheitsvorkehrungen starben 11 Arbeiter; 19 wurden während des Baus durch ein unter dem Deck hängendes Sicherheitsnetz gerettet – eine Innovation, die bei späteren Brückenprojekten zum Standard wurde.

Einer der berühmtesten Brückenbrüche in Amerika war der Einsturz der Tacoma Narrows Bridge im Jahr 1940 am Puget Sound im Bundesstaat Washington. Damals die drittlängste Hängebrücke der Welt, war sie außergewöhnlich schlank gestaltet worden. Die Spannweite betrug 853 m und war nur breit genug für zwei Fahrspuren und Gehwege. Das Deck wurde nicht mit Fachwerken ausgesteift, sondern durch zwei nur 2,4 m hohe Stahlträger mit Querverstrebungen verstärkt. Diese Konstruktion bot nicht nur eine geringere Steifigkeit als Fachwerkträger, sondern ermöglichte auch, dass der Wind starke Kräfte auf die Struktur ausübte, anstatt harmlos durch eine offene Fachwerkanordnung zu gelangen. Vier Monate nach ihrer Fertigstellung wurde die Brücke durch Winde von 42 mph (68 km/h) in ein Muster zunehmender Schwingungen versetzt und riss sich selbst auseinander. Die ein Jahrzehnt später gebaute Ersatzbrücke wurde mit einem Deck konstruiert, das mit einem 10 m dicken Stahlfachwerk versteift war.

Rohstoffe

Viele Bauteile einer Hängebrücke bestehen aus Stahl. Ein Beispiel sind die Träger, die verwendet werden, um das Deck steif zu machen. Stahl wird auch für die Sättel oder offenen Kanäle verwendet, auf denen die Kabel auf den Türmen einer Hängebrücke ruhen.

Wenn Stahl zu Drähten gezogen (gedehnt) wird, erhöht sich seine Festigkeit; folglich ist ein relativ flexibles Bündel von Stahldrähten stärker als ein massiver Stahlstab gleichen Durchmessers. Aus diesem Grund werden Stahlseile verwendet, um Hängebrücken zu tragen. Für die Akashi Kaikyo Bridge wurde ein neuer, mit Silizium verstärkter, niedriglegierter Stahl entwickelt; seine Zugfestigkeit (Widerstand gegen Zugkräfte) ist um 12 % höher als bei jeder früheren Stahldrahtformulierung. Bei einigen Hängebrücken wurden die Stahldrähte, die die Seile bilden, verzinkt (mit Zink beschichtet).

Die Türme der meisten Hängebrücken bestehen aus Stahl, einige wurden jedoch auch aus Stahlbeton gebaut.

Design

Jede Hängebrücke muss individuell gestaltet werden, um viele Faktoren zu berücksichtigen. Die Geologie des Standorts bietet beispielsweise ein Fundament für die Türme und Kabelverankerungen und kann erdbebengefährdet sein. Die Tiefe und Beschaffenheit des zu überbrückenden Wassers (z. B. Süß- oder Salzwasser und die Stärke der Strömungen) können sowohl das physikalische Design als auch die Wahl der Materialien wie Schutzbeschichtungen für den Stahl beeinflussen. In schiffbaren Gewässern kann es erforderlich sein, einen Turm vor möglichen Schiffskollisionen zu schützen, indem an seiner Basis eine künstliche Insel errichtet wird.

Seit der Katastrophe der Tacoma Narrows Bridge wurden alle neuen Brückendesigns getestet, indem maßstabsgetreue Modelle in Windkanälen platziert wurden, wie es das Design der Golden Gate Bridge getan hatte. Für die Akashi Kaikyo Bridge beispielsweise wurde der weltweit größte Windkanal gebaut, um Brückenabschnitte im Maßstab 1/100 zu testen.

Bei sehr langen Brücken kann es erforderlich sein, die Erdkrümmung bei der Gestaltung der Türme zu berücksichtigen. In der New Yorker Verrazano Narrows Bridge zum Beispiel sind die Türme, die 700 Fuß (215 m) hoch sind und 4,260 Fuß (298 m) voneinander entfernt sind, an der Spitze etwa 1,75 Zoll (4,5 cm) weiter auseinander als sie sind der untere.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Der Bau einer Hängebrücke beinhaltet den sequentiellen Bau der drei Turmkonstruktionen, die im Wasser stehen, beginnen mit Senkkästen (einem Zylinder aus Stahl und Beton, der als kreisförmiger Damm fungiert) die unter Wasser auf den Boden abgesenkt, entwässert und mit Beton gefüllt werden, um die eigentlichen Türme vorzubereiten. Hauptkomponenten:die Türme und Kabelverankerungen, das Tragseil selbst und die Deckstruktur.

Turmbau

• 1 Turmfundamente werden vorbereitet, indem eine ausreichend feste Felsformation abgegraben wird. Einige Brücken sind so konzipiert, dass ihre Türme auf trockenem Land gebaut werden, was den Bau erleichtert. Wenn ein Turm im Wasser steht, beginnt sein Bau damit, dass ein Senkkasten (ein Zylinder aus Stahl und Beton, der wie ein kreisförmiger Damm wirkt) auf den Boden unter dem Wasser abgesenkt wird; Das Entfernen des Wassers aus dem Inneren des Senkkastens ermöglicht es den Arbeitern, ein Fundament auszuheben, ohne tatsächlich im Wasser zu arbeiten. Wenn der Aushub abgeschlossen ist, wird ein Betonturmfundament gebildet und gegossen.
• 2 Konstruktionsdetails variieren bei jeder einzelnen Brücke. Betrachten Sie als Beispiel die Akashi-Kaikyo-Brücke. Jeder seiner beiden Stahltürme besteht aus zwei Säulen. Jede Säule besteht aus 30 vertikalen Blöcken (oder Schichten), von denen jeder 33 ft (10 m) groß ist. Verankerungen – Strukturen, die die Kabel der Brücke tragen – sind massive Betonblöcke, die sicher an starken Felsformationen befestigt sind. Wenn die Türme und Verankerungen fertiggestellt sind, muss eine Pilotleine entlang des eventuellen Pfades des Kabels von einem Ankerplatz über die Türme zum anderen Ankerplatz aufgereiht werden. hoch; jeder dieser Blöcke besteht wiederum aus drei horizontalen Abschnitten. Ein zwischen den Säulen positionierter Kran hob drei Abschnitte an jeder Säule an und vollendete eine Schicht. Nach Fertigstellung eines Blocks an jeder Säule wurde der „Bootstrapping“-Kran auf die nächste Ebene gehoben, wo er die Abschnitte der nächsten Schicht an ihren Platz hob. In geeigneten Abständen wurden zwischen den Stützen Diagonalaussteifungen angebracht.

Ankerkonstruktion

• 3 Verankerungen sind die Strukturen, an denen die Enden der Seile der Brücke befestigt sind. Sie sind massive Betonblöcke, die sicher an starken Felsformationen befestigt sind. Beim Bau der Verankerungen werden starke Ösen (Stahlstangen mit einem runden Loch an einem Ende) in den Beton eingelassen. Vor der Verankerung ist ein Sprühsattel montiert, der das Kabel an der Stelle trägt, an der sich die einzelnen Drahtbündel (siehe Schritt 5) auffächern – jedes Drahtbündel wird an einer der Ösen der Verankerung befestigt.

Kabelaufbau

• 4 Wenn die Türme und Verankerungen fertiggestellt sind, muss eine Pilotleine entlang des eventuellen Pfades des Kabels von einem Ankerplatz über die Türme zum anderen Ankerplatz aufgereiht werden. Es können verschiedene Verfahren verwendet werden, um die Pilotlinie zu positionieren. Für die Niagra River-Brücke zum Beispiel bot Roebling dem ersten Jugendlichen, der einen Drachen mit einer befestigten Pilotleine über die Schlucht fliegen konnte, eine Belohnung von 10 US-Dollar aus, um die Verbindung herzustellen. Heute könnte ein Helikopter zum Einsatz kommen. Oder die Leine könnte mit dem Boot über die Weite gebracht und dann in Position gehoben werden. Wenn die Pilotlinie installiert ist, wird ein Laufsteg über die gesamte Länge der Brücke gebaut, etwa 1 m unter der Pilotlinie, damit die Arbeiter sich um die Kabelformation kümmern können.
• 5 Um mit dem Spinnen des Kabels zu beginnen, wird eine große Drahtspule an der Verankerung positioniert. Das freie Ende des Drahtes wird um einen Litzenschuh (einen Stahlkanal, der an einer Öse verankert ist) geschlungen. Zwischen Spule und Litzenschuh wird der Draht um ein Spinnrad geschlungen, das auf der Pilotleine montiert ist. Dieses Rad trägt den Draht über den Brückenweg, und der Draht wird an der anderen Verankerung um einen Litzenschuh geschlungen; Das Rad kehrt dann zur ersten Verankerung zurück und legt eine weitere Litze an Ort und Stelle. Der Vorgang wird wiederholt, bis ein Bündel der gewünschten Anzahl von Drahtlitzen gebildet ist (diese variiert von etwa 125 bis mehr als 400 Litzen). Während des Spinnens sorgen Arbeiter, die auf dem Laufsteg stehen, dafür, dass sich der Draht reibungslos abwickelt und Knicke beseitigt. Wenn die Spulen erschöpft sind, wird das Ende des Drahts an den Draht einer neuen Spule gespleißt, wodurch eine kontinuierliche Litze gebildet wird. Wenn das Bündel dick genug ist, werden in Abständen Band- oder Drahtbänder angebracht Sobald die vertikalen Seile am Haupttragseil befestigt sind, muss die Deckstruktur in beide Richtungen von der Stütztürme mit der richtigen Geschwindigkeit abstützen, um die Kräfte auf den Türmen jederzeit im Gleichgewicht zu halten. Ein beweglicher Kran hebt Decksabschnitte an ihren Platz, wo Arbeiter sie an zuvor platzierten Abschnitten und an den vertikalen Kabeln befestigen, die an den Hauptaufhängungskabeln hängen. um die Drähte zusammenzuhalten. Der von der Spule kommende Draht wird abgeschnitten und an der Verankerung befestigt. Dann beginnt der Vorgang für das nächste Bündel erneut.

  Die Anzahl der benötigten Bündel für ein komplettes Kabel variiert; auf der Golden Gate Bridge sind es 61 und auf der Akashi Kaikyo Bridge sind es 290. Wenn die richtige Anzahl gesponnen wurde, werden die Bündel mit einer speziellen Anordnung radial positionierter Buchsen zu einem kompakten Kabel komprimiert und Stahldraht umwickelt um es herum. Um das Kabel herum sind in vorbestimmten Abständen Stahlklammern angebracht, die als Verankerungspunkte für die vertikalen Kabel dienen, die den Belag mit dem Tragseil verbinden.

Deckkonstruktion

• 6 Nachdem die vertikalen Seile am Haupttragseil befestigt wurden, kann der Deckaufbau gestartet werden. Die Konstruktion muss in beide Richtungen von den Stütztürmen mit der richtigen Geschwindigkeit gebaut werden, um die Kräfte auf die Türme jederzeit im Gleichgewicht zu halten. Bei einer Technik hebt ein sich bewegender Kran, der auf dem Hauptaufhängungsseil rollt, Deckabschnitte an ihren Platz, wo Arbeiter sie an zuvor platzierten Abschnitten und an den vertikalen Seilen befestigen, die von den Hauptaufhängungsseilen hängen, wodurch die gesamte Länge verlängert wird. Alternativ kann der Kran direkt auf dem Deck ruhen und sich vorwärts bewegen, wenn jeder Abschnitt platziert wird.

Abschluss

• 7 Wenn der Deckaufbau fertig ist, wird er mit einer Tragschicht (z. B. Stahlplatten) bedeckt und befestigt. Das Lackieren der Stahloberflächen und das Verlegen von elektrischen Leitungen für die Beleuchtung sind Beispiele für weitere Endbearbeitungsschritte. Darüber hinaus beginnen laufende Wartungsverfahren. An der Golden Gate Bridge arbeiten beispielsweise weiterhin täglich 17 Hüttenarbeiter und 38 Maler, die korrodierende Nieten und andere Stahlteile ersetzen und den Schutzlack der Brücke auffrischen.

Die Zukunft

Jede Hängebrücke ist einzigartig gestaltet, wobei sowohl auf Funktion als auch auf Ästhetik geachtet wurde. Neue Materialien können verwendet oder sogar entwickelt werden, um die Brücke weniger sperrig und effizienter zu machen. Und innovative Designer schaffen manchmal ungewöhnliche Lösungen für ihre Herausforderungen. Zum Beispiel ist der 1998 genehmigte Entwurf, um die östliche Spannweite der San Francisco-Oakland Bay Bridge zu ersetzen, die durch ein Erdbeben von 1989 schwer beschädigt wurde, eine Hängebrücke, die von nur einem Turm getragen wird. Seine Hauptseile sind nicht in den oben beschriebenen massiven Verankerungen verankert, sondern im Decktragwerk der Brücke selbst.

Die vielleicht ehrgeizigsten Pläne, die derzeit für eine neue Hängebrücke entwickelt werden, sind die der Verbindung Siziliens mit dem italienischen Festland. Da die Stütztürme an gegenüberliegenden Ufern der Straße von Messina gebaut werden müssen, wird die Hauptspannweite 2.900 bis 3.300 m lang sein. Ein vorgeschlagener Entwurf verwendet Türme, die 1.312 Fuß (400 m) hoch sind. Die Entwickler hoffen, die Brücke bis 2006 bauen zu können.