Brücke
Eine Brücke ist ein Bauwerk, das Verkehrswege (Strassen, Eisenbahnen, Kanäle) oder Transportleitungen über natürliche (Gewässer, Schluchten) oder künstliche (Strassen, Eisenbahneb, Kanäle) Hindernisse führt. Brücken müssen den vom Gravitationsfeld zufliessenden Vertikalimpuls horizontal ableiten. Da Brücken in erster Näherung als zweidimensionales Gebilde modelliert werden können, fliessen in diesen Bauwerken maximal drei mengenartige Grössen. Wählt man die x-Achse des globalen Koordinatensystems nach rechts, die y-Achse nach vorne und die z-Achse nach unten, setzt sich der Kraftfluss aus den drei Bewegungsmengen x- und z-Impuls sowie y-Drehimpuls zusammen.
Um die Wirkweise einer Konstruktion zu verstehen, geht man bei der ersten Analyse davon aus, dass nur die Fahrbahnen und die Fahrzeuge oder die Transportleitung und das Transportgut eine Masse besitzen. Diese Annahme liefert bei Seil- und Fachwerkbrücken eine brauchbare Abschätzung für die Belastung der einzelnen Bauteile.
Fliesst der aus dem Gravitationsfeld zugeführte z-Impuls nach unten oder nach oben weg, ist das impulsleitende Bauteil auf Druck (bei Druck fliesst der Impuls vorwärts) oder auf Zug (bei Zug fliesst der Impuls rüchwärts) belastet. Leitet man den z-Impuls horizontal weg, bilden sich längs des in x-Richtung fiessenden z-Impulsstromes Drehimpulsquellen aus. Der dadurch erzwungene Transport von y-Drehimpuls quer zu seiner Bezugsrichtung belastet das Bauwerk auf Biegung.
Balkenbrücke
Balkenbrücken sind die älteste Bauform von Brücken. Das äussere Kennzeichen der Balkenbrücke ist die sichtbare Trennung des Überbaus (Brückenträger) vom Unterbau (Stützen, Widerlager). Die Lager übertragen nur den z-Impuls aus dem Überbau auf die Unterbauten, leiten also weder den y-Drehimpuls noch den x-Impuls durch. Der im Überbau querfliessende z-Impuls induziert längs seines Weges Drehimpulsquellen. Die Drehimpulsströme zwischen den einzelnen Quellen und Senken belasten den Brückenträger auf Biegung. Die Tragfähigkeit einer Balkenbrücke hängt also in erster Linie von der Biegesteifigkeit des Überbaus ab. Müssen grössere Spannweiten überbrückt werden, wird die Balkenbrücke auch als Mehrfeldbauwerk ausgeführt.
Die Querschnittsform in Längsrichtung entspricht äusserlich einem Balken. Überbauten mit veränderlicher Höhe sind möglich. Dabei weist im Regelfall der Untergurt entsprechend der Drehimpulsstromstärke eine Krümmung auf (der Untergurt ist gevoutet). Die Balkenbrücke ist wegen der vergleichsweise einfachen Fertigung häufig bei Brücken anzutreffen. Balkenbrücken können mit verschiedenen Querschnittsgeometrien ausgeführt werden. So zum Beispiel als:
- Plattenbalken: Der Plattenbalken verbindet Eigenschaften einer Platte mit denen des Balkens. Da bei Brücken mit grosser Stützweite bei einer Vollplatte eine sehr grosse Bauhöhe notwendig wäre, werden unter einer dünnen Platte mehrere Balken in Längsrichtung der Brücke angeordnet, welche die y-Drehimpulsströme aufnehmen.
- Hohlkasten: Ergänzt man eine Platte und zwei Balken mit einer unteren Platte, hat man einen geschlossenen Querschnitt, den Hohlkasten. Insbesondere bei Balkenbrücken mit mittleren und größeren Stützweiten oder bei gekrümmter Linienführung werden Hohlkastenquerschnitte eingesetzt. Diese zeichnen sich durch eine grosse Biege- und Torsionssteifigkeit aus, wodurch große Schlankheiten und rationelle Bauverfahren, wie das Taktschiebeverfahren, möglich sind.
- Plattenbrücke: Die Voll-Platte ist vom statischem System her ein breiter Balken. Die Platte wird häufig bei Überführungen, insbesondere bei schiefen Bauwerken, mit beschränkter Bauhöhe und bis maximal 30 m Stützweite verwendet. Die Vollplatte wird oft mit Kragarmen auf beiden Seiten versehen und ist dann dem einstegigen Plattenbalken ähnlich. Problematisch bei der Vollplatte ist insbesondere die Unterbringung der Entwässerung.
- Rahmenbrücke: Rahmenbrücken sind Balkenbrücken, bei denen der Überbau mit den Unterbauten (Widerlagerwände und/oder Stützen) biegesteif verbunden ist. Der Drehimpulsaustausch zwischen Über- und Unterbau vermindert die Drehimpulsströme (Biegemomente) in der Mitte des freien Balkenstücks. Diese Verminderung des querfliessenden Drehimpulsstromes wird bei Autobahnüberführungen genutzt, um auf Mittelpfeiler verzichten zu können.