Funktion und Grundlagen des Brückenbaus

Nenne drei grundlegende Funktionen oder Anforderungen, die eine Brücke erfüllen kann.

Die folgende Skizze zeigt eine einfache Balkenbrücke. Ordne die Ziffern den Begriffen zu.

Beschreibe, wie bei Belastung der Balkenbrücke (Abbildung 8) die verschiedenen Kräfte wirken:

a) auf den Träger:

b) auf die Pfeiler:

Konstruktion und Bauweise

Benenne die Brückenarten der drei abgebildeten Brücken. Verwende dazu drei passende Begriffe aus der folgenden Auswahl:

Schrägseilbrücke / Hängebrücke / Bogenbrücke / Balkenbrücke / Drehbrücke

Brücke 1	Brücke 2	Brücke 3

Ordne die Aussagen A–F den Merkmalen der Brücken 1 und 2 in der Tabelle zu.

A – Druck und Biegung im Träger

B – Ermöglichen sehr große Spannweiten

C – Fahrbahn hängt an Seilen/Kabeln

D – Für kürzere Spannweiten geeignet

E – Zugkräfte in den Seilen, Druck in den Pylonen

F – Träger liegt auf Stützen

Merkmal	Brücke 1	Brücke 2
Konstruktionskraft:
Kraftverteilung:
Spannweite:

Materialien im Brückenbau / Technische Umsetzung

Entscheide, ob die folgenden Aussagen zum Thema „Materialien beim Brückenbau / technische Umsetzung“ wahr oder falsch sind.

	wahr	falsch
In der Antike bauten die Römer viele Brücken aus Stein.		
Brücken bestehen ausschließlich aus Stahl, da Holz für solche Konstruktionen ungeeignet ist.		
Brücken müssen regelmäßig gewartet werden, um ihre Sicherheit zu gewährleisten.		
Eine Brücke muss immer aus einem einzigen Werkstoff bestehen, um stabil zu sein.		

Es sind einige Profile gegeben (Abbildung 10). Wähle drei Profile aus, die deiner Meinung nach im Fachwerkbrückenbau besonders geeignet sind. Benenne die Profile und begründe deine Auswahl.

Abbildung 10: Hohlprofile und Vollprofile

In Abbildung 11 sind zwei unvollständige Brücken abgebildet. Ergänze die Zeichnungen zu zwei unterschiedlichen, tragfähigen Fachwerkbrücken.

Abbildung 11: Fachwerkbrücke

Die Tragwerke einer Fachwerkbrücke sollen aus Holz, Stahl, Spannbeton oder Aluminium bestehen. Wähle ein geeignetes Material aus und beurteile deine Materialwahl anhand der genannten Eigenschaften.

Ausgewähltes Material:

Beurteile deine Materialwahl anhand der folgenden Eigenschaften:

• Festigkeit im Verhältnis zum Eigengewicht:

• Witterungsanfälligkeit ohne Schutzmaßnahmen:

• Wartungsaufwand über die Lebensdauer:

• Verbindungsfunktion (Flüsse, Täler, Straßen, Orte, …)

• Verkehrsfunktion (für Fahrzeuge, Züge, Fußgänger, …)

• Schutzfunktion (für Wildtiere, Fußgänger, …)

• Dauerhaftigkeit (Korrosion, Frost, Abnutzung, …)

• Stabilitätsanforderung (Sicheres Tragen von Lasten)

Jeweils 1 Punkt pro richtige Nennung. Sinngemäße Antworten sind zulässig.

Fahrbahn 1, Pfeiler 2, Träger 3, Fundament 4

Jeweils 0,5 Punkte pro richtige Nennung.

a) auf den Träger:

Auf den Träger wirken in der oberen Hälfte Druck- und in der unteren Hälfte Zugkräfte.

• 1 Punkt für die Beschreibung der Krafteinwirkung.

• 1 Punkt für die Nennung von Druck- und Zugkräften oder Biegelast.

b) auf die Pfeiler:

Die beiden Pfeiler leiten die Druckkräfte über die Fundamente in den Boden weiter.

• 1 Punkt für die Erklärung der Kraftweiterleitung über Pfeiler in den Boden.

Sinngemäße Antworten sind zulässig.

Brücke 1	Brücke 2	Brücke 3
Balkenbrücke	Hängebrücke	Bogenbrücke

Merkmal	Brücke 1	Brücke 2
Konstruktionskraft:	Träger liegt auf Stützen	Fahrbahn hängt an Seilen/Kabeln
Kraftverteilung:	Druck und Biegung im Träger	Zugkräfte in den Seilen, Druck in den Pylonen
Spannweite:	Für kürzere Spannweiten geeignet	Ermöglichen sehr große Spannweiten

	wahr	falsch
In der Antike bauten die Römer viele Brücken aus Stein.		
Brücken bestehen ausschließlich aus Stahl, da Holz für solche Konstruktionen ungeeignet ist.		
Brücken müssen regelmäßig gewartet werden, um ihre Sicherheit zu gewährleisten.		
Eine Brücke muss immer aus einem einzigen Werkstoff bestehen, um stabil zu sein.		

Hohlprofile:

Rundrohr:

• Einsatz: häufig als Druckstab

• Vorteile: sehr gute Knickfestigkeit, günstige Lastverteilung, geringer Materialverbrauch bei hoher Stabilität

• Nachteile: schwieriger zu verbinden (z. B. Schweißnähte, Knotenplatten)

Quadratrohr:

• Einsatz: Druck- und Diagonalstäbe

• Vorteile: gute Biege- und Torsionssteifigkeit, einfache Verbindung durch ebene Flächen

• Nachteile: etwas schwerer als Rundrohr bei gleicher Steifigkeit

Doppel-T-Profil (I-Träger):

• Einsatz: selten in Fachwerken, eher in Brückenträgern

• Vorteile: sehr effizient bei Biegung, großes Trägheitsmoment

• Nachteile: offen → anfällig für Torsion, schwieriger in Knotenpunkten zu integrieren

U-Profil:

• Einsatz: selten in Fachwerken (offener Querschnitt)

• Vorteile: leicht, einfach herzustellen

• Nachteile: Torsionsanfällig, geringe Knicksteifigkeit → ungeeignet für Druckstäbe

T-Profil:

• Einsatz: kaum im Fachwerkbau

• Vorteile: gut zugänglich für Anschlüsse

• Nachteile: sehr ungünstige Belastungsverteilung, offene Form, geringe Torsions- und Knicksteifigkeit

Vollprofile:

Flachprofil:

• Einsatz: Zugstäbe, Laschen, Verbindungen

• Vorteile: volle Materialausnutzung bei Zug, leicht bearbeitbar

• Nachteile: knickanfällig → nicht für Druckstäbe geeignet

Vollrundstab:

• Einsatz: möglicher Zugstab in kleinen Fachwerken

• Vorteile: einfach, hohe Festigkeit

• Nachteile: schwer, teuer, nicht wirtschaftlich bei langen Druckstäben

Vollquadratstab:

• Einsatz: möglicher Universalstab (Zug/Druck) bei kleinen Spannweiten

• Vorteile: robust, einfach zu fertigen

• Nachteile: hoher Materialeinsatz, schwer, geringere Knickfestigkeit als Hohlprofile

Individuelle Schülerantwort, sinngemäße Antworten zulässig.

Benennung des Profils jeweils 0,5 Punkte, jeweils 1 Punkt für die Begründung des Profils.

Gezeigt werden Beispiele. Jeweils 1 Punkt für eine richtige Fachwerklösung.

Festigkeit im Verhältnis zum Eigengewicht:

• Stahl: sehr hohe Festigkeit, aber relativ schwer → hohe absolute Tragfähigkeit

• Aluminium: geringes Gewicht, aber auch geringere Festigkeit → gut für Leichtkonstruktionen

• Holz: überraschend gute spezifische Festigkeit (leicht + tragfähig)

• Spannbeton: sehr fest, aber sehr schwer → geringe spezifische Festigkeit

Witterungsanfälligkeit ohne Schutzmaßnahmen:

• Stahl: korrosionsanfällig ohne Beschichtung

• Aluminium: sehr witterungsbeständig durch natürliche Oxidschicht

• Holz: feuchteempfindlich, verrottet ohne konstruktiven Holzschutz

• Spannbeton: gute Beständigkeit, aber riskant bei Rissbildung → Bewehrung kann rosten

Wartungsaufwand über die Lebensdauer:

• Stahl: Korrosionsschutz muss kontrolliert und ggf. erneuert werden

• Aluminium: geringer Wartungsaufwand, wenig Korrosionsgefahr

• Holz: regelmäßige Wartung und Inspektion nötig (Schutzanstriche, Schädlingsschutz)

• Spannbeton: wenig Wartung nötig, aber schwer sanierbar bei Schäden

1 Punkt pro technisch sinnvolle Beurteilung. Es gibt hier kein richtig oder falsch, es geht um die Beurteilung. Sinngemäße Antworten sind zulässig.