Ein Plädoyer gegen Beton und für Stahl im Brückenbau

Beton ist kein Baustoff für Brücken!

Die Staumeldungen häufen sich; Baustellen allenthalben auf Deutschlands Autobahnen. Straßen und Brücken sind marode, Tausende Brücken abbruchreif. Ein Architekt und Ingenieur, der sich seit rund 40 Jahren im Brückenbau engagiert, zahlreiche Brücken mit Stahl und auch Holz geplant, gebaut und darüber publiziert hat, wagt ein Plädoyer gegen Beton und für Stahl im Brückenbau.

{Text und Fotos: Richard J. Dietrich

Derzeit gibt es in Deutschland nach Angaben des Bundesverkehrsministeriums rund 120 000 Straßenbrücken. Allein auf Bundesstraßen und Autobahnen sind es etwa 39 500 Brücken mit insgesamt 29,68 Mio. m² Fläche. Bezogen auf diese Fläche werden nach offizieller Statistik nur rund 12 % mit der Zustandsnote sehr gut bis gut eingestuft, rund 40 % mit befriedigend, rund 32 % mit ausreichend und rund 13 % mit nicht ausreichend bzw. ungenügend. D. h., fast die Hälfte der Brückenfläche erreicht nicht einmal mehr die Zustandsnote befriedigend.
Ca. 13 % sind derzeit schwer geschädigt bzw. baufällig, das sind etwa 3,8 Mio. m² Brückenfläche. Rechnet man im Schnitt nur ca. 2 500 Euro/m² Baukosten für Grundsanierung bzw. Neubau, so wären sofort etwa 10 Mrd. Euro notwendig – und zwar nur auf Bundesstraßen. Dazu kommen die Kosten für die Problemfälle der übrigen ca. 80 000 Brücken auf Landes-, Kreis- und Kommunalstraßen, deren Zustand eher noch schlechter ist [1].
Laut Bundesanstalt für Straßenwesen (Stand 2014) bestehen 87 % aller Brücken auf deutschen Bundesstraßen aus Beton, davon sind 17 % kleinere, schlaff bewehrte und 70 % mittlere und größere Spannbetonbrücken (Abb. 2). Letztere werden inzwischen – u. a. wegen zunehmendem Verkehr und Verkehrslasten – nach immer kürzerer Standzeit massenweise baufällig. Das gilt grundsätzlich nicht nur für Straßenbrücken, sondern auch für Eisenbahnbrücken.
Das ist nur der momentane Stand, in der Zukunft werden immer mehr Problemfälle hinzukommen. Eine ungeheure Vernichtung von Volksvermögen bahnt sich an und Deutschlands Infrastruktur ist in Gefahr zusammenzubrechen.
Fehlentwicklung im Brückenbau
In der Antike baute man Brücken aus Stein, die oft auch heute noch, nach über 2 000 Jahren, bestehen und ihren Dienst tun. Im 19. Jahrhundert entstanden viele Brücken aus Stahl, die z. T. ebenfalls noch in Gebrauch sind. Im 20. Jahrhundert jedoch wurde der Stahlbeton mehr und mehr zum Material der Wahl im Brückenbau. Man glaubte – wohl in Erinnerung an die antiken Steinbrücken – eine zeitgemäße Massivbautechnik gefunden zu haben, die ebenso dauerhaft zu sein versprach. Das stellt sich im 21. Jahrhundert nun als Irrtum heraus. Betonbrücken werden schnell brüchig, v. a. wenn sie keine Gewölbekonstruktionen wie die antiken Steinbrücken sind, sondern meist überanstrengte, frei gespannte Balken, die mittels eingelegter Stahlstäbe einigermaßen krampfhaft hochgehalten werden. Setzt man einen Stahlbeton-Balken starker Biegung aus, so dehnen sich die Stahleinlagen, der Beton bekommt Risse und »kriecht«. Um dem vorzubeugen, griff der französische Brückenbaustar Freyssinet (1879-1962) die Idee auf, für die Bewehrung hochfeste Stahlstäbe einzusetzen und diese gegen den Beton vorzuspannen, um ihre Dehnung aufzuheben. Er machte damit den im Brückenbau eigentlich unbrauchbaren Stahlbeton salonfähig und führte den Spannbeton ein, der heute für alle größeren Brücken mit mittlerer und größerer Spannweite verwendet wird.
Riskanter Spannbeton
Das Spannbeton-Verfahren ist durchaus riskant. Niemand kann kontrollieren, was mit der tief im Beton verborgenen Spannstahlbewehrung auf Dauer geschieht. Unter dauernder und wechselnder Verkehrsbelastung ermüden auch die überanstrengten Spannstäbe und es entstehen Risse im Beton. Über diese dringt z. B. Tausalzlösung in den Beton ein und durchfeuchtet ihn. Dabei ändert sich die chemische Zusammensetzung des Betons und der Bewehrungsstahl wird angegriffen. Bereits kleine Rostkerben können dann unbemerkt zum Reißen der Spannstäbe führen. Der Schaden wird erst deutlich, wenn sich die Betonkonstruktion bereits zu senken beginnt und das quasi in letzter Minute vor dem Zusammenbruch. Eine aktuelle Forschung an der TU Dresden [2] kommt zum Ergebnis: Die sogenannte Spannungsrisskorrosion »kann zum schlagartigen Versagen von Spannbetonbauteilen führen. (…) Die Zeit bis zum vollständigen Durchreißen des Bauteils, also bis zum Versagen, kann zwischen Minuten und mehreren Jahrzehnten liegen« – ein unüberschaubares Risiko.
Abgesehen davon ist die Spannbetontechnologie aufwendig und teuer. Dazu kommt, dass derartige Brücken im Prinzip irreparabel sind. Sie können im Schadensfall nur komplett abgerissen werden. Neuerdings ist man auf die Idee gekommen, die Spannstäbe in Betonhohlkästen offen zu installieren, um sie besser bzw. überhaupt kontrollierbar zu machen. Auch können sie dann gegebenenfalls ausgetauscht oder ergänzt werden. Das Problem ist nur, dass die offen liegenden Spannstäbe bei den durchaus problematischen Klimaverhältnissen in solchen Hohlkästen noch leichter der Spannungsrisskorrosion ausgesetzt sind als die einbetonierten, die in betonverpressten Hüllrohren verlegt werden. V.a. aber fehlt bei dieser »externen Vorspannung« die systemrelevante Verbundwirkung mit dem Beton. Aus dem integrierten Spannbetonbalken wird ein unterspannter Balken.
Es ist erstaunlich, dass die sonst so auf absolute Sicherheit bedachten Verantwortlichen im Brückenbau solche Risiken eingehen und nach schlechten Erfahrungen nicht von vornherein die Spannbetontechnologie ausschließen. Im Gegenteil, sehenden Auges werden weiterhin massenhaft Spannbetonbrücken gebaut und die baufällig gewordenen wieder durch solche ersetzt. Wie ist das zu erklären?
Irrwege in Theorie und Praxis
Da ist zunächst die als Kartell verdächtigte Betonindustrie, d. h. die Zementhersteller, die Kieslieferanten, die Fertig- und Transportbetonfirmen und nicht zuletzt die Baufirmen. Heute werden weltweit etwa 7 Mrd. m³ Beton pro Jahr verbaut. Beton ist im gesamten Bauwesen derzeit Baustoff Nummer eins, praktisch konkurrenzlos und ein gewaltiges Geschäft. Die Betonindustrie ist damit eine mächtige Gruppe mit Einfluss auf Politik, Markt, Forschung und Lehre.
So ist schon in der Ingenieurausbildung das Hauptfach Massivbau, d. h. Betonbau. Stahlbau hingegen ist ein nachrangiges Fach und außerdem ein wesentlich komplexeres Thema und mühsamer zu beherrschen. In der Betontechnologie hingegen stehen ausgefeilte, standardisierte Grundlagen und zwischenzeitlich raffinierte Computerprogramme zur Verfügung. Solche Hilfsmittel machen Planung und Berechnung von Betontragwerken relativ einfach. Außerdem ist Brückenbau ein Sonderfach. Der Entwurf von Betonbrücken beschränkt sich eigentlich auf deren äußere Konturen. Die für die Tragfähigkeit nötigen Stahleinlagen werden mehr oder weniger automatisch ermittelt und geplant. Die in dieser Weise vorprogrammierten Ingenieure bestimmen dann den Brückenbau, den sie als reine Ingenieurbaukunst und als ihre ureigenste Aufgabe sehen. Doch Brücken sind solitäre und ihren Standort dominierende und bestimmende Bauwerke. Sie sind nicht nur Zweckbauten, Straßen auf Stelzen, sondern auch Gegenstand der Architektur und müssen entsprechend gestaltet werden, was mit dem amorphen Beton ohnehin kaum möglich ist.
Von der Betonfachwelt beraten, fördert auch die Politik und die Staatlichen Straßenbauverwaltungen den Beton im Brückenbau. Das deutsche Bundesbauministerium stellt dazu ausführliche Vorlagen zur Verfügung, u.a. die »Richtlinien für das Aufstellen von Bauwerksentwürfen für Ingenieurbauten« (RAB-ING). Die dort vorgeführten Musterentwürfe sind ausschließlich Betonkonstruktionen. Auch für die baulichen Einzelheiten gibt es Vorlagen, die »Richtzeichnungen für Ingenieurbauten« (RIZ-ING). Auch dort werden ausschließlich für Betonbrücken alle Details, vom Fahrbahnaufbau über die Entwässerung bis zum Geländer vorgegeben. Der planende Ingenieur braucht diese Vorgaben nur zu übernehmen, um einfach und schnell einen alle Anforderungen und Vorschriften erfüllenden Entwurf zu erstellen. Im Stahlbrückenbau dagegen sind derartige Standardisierungen praktisch nicht machbar. Zu umfangreich ist das Spektrum der möglichen Tragwerkssysteme, zu vielfältig die jeweils erforderlichen Details, zu zahlreich die Stahlsorten und -produkte wie Bleche, ›
› Profile und Gussteile bis hin zu Seilen. Für die Planung von Stahlbrücken ist komplex ganzheitlich vernetztes Denken in Alternativen und Kreativität nötig und somit selten gewordene Kompetenz und Erfahrung erforderlich, v. a. aber Engagement, denn die Planung von Stahlbrücken kostet Mühe und Zeit – und das bei gleichem Honorar.
Aus den o.g. Aspekten folgt die bei den Straßen- und Brückenbauämtern heute übliche Praxis der Planung, Ausschreibung und Vergabe, die sich dementsprechend auf den Betonbrückenbau konzentriert. Bis vor Kurzem hat man dort zur Arbeitserleichterung im unverbrüchlichen Vertrauen auf die Betontechnologie pauschal »funktional« ausgeschrieben und vergeben. D. h. auf Basis skizzenhafter »Amtsentwürfe« nach RAB Ing und RIZ Ing wurde ein Betonbrückenbauwerk nur nach Lage, Größe und Spannweiten definiert und als »ein Stück Brücke« pauschal ausgeschrieben. Der Rest der Planung und die Berechnungen wurden der ausführenden Firma überlassen. Damit verabschiedete sich der Bauherr eigentlich aus seiner Verantwortung und eröffnete eine nicht überschaubare Misswirtschaft. Den Zuschlag bekam stets der billigste Bieter, der dann versuchte, sein Dumpingangebot mit Nachträgen wieder aufzubessern.
Dieses Verfahren der pauschalen Ausschreibung und Vergabe ist nun seit einigen Jahren praktisch verboten und eine detaillierte Planung und Ausschreibung von Brückenbauwerken nach »Vergabe- und Vertragsordnung für Bauleistungen« (VOB) vorgeschrieben. Allerdings führt dieses sinnvollere Verfahren nun in ein anderes Dilemma: Die genaue Definition des zu errichtenden Bauwerks bis in alle Einzelheiten, bis zum Bauverfahren und sogar zum Rückbau, alles natürlich in Betontechnologie, engt den Markt ein. Alternativen oder gar Innovationen als »Sondervorschläge« etwa in Stahl, können damit nur schwerlich konkurrieren, insbesondere wenn nur das billigste Angebot den Zuschlag erhält und nicht das wirtschaftlichste und nachhaltigste.
Ein weiteres Manko ist, dass die meisten größeren im Brückenbau tätigen Baufirmen nur noch mit Subunternehmern arbeiten. Dies sind kleinere Firmen, deren Dienste möglichst günstig eingekauft werden, indem man sie gegeneinander ausspielt. Die auf diese Weise ausgenutzten Subunternehmer müssen ihrerseits billiger sein als die Konkurrenz und arbeiten mit möglichst einfachen Mitteln und weniger qualifiziertem Personal. Da bleibt nur die gewohnte und vergleichsweise einfache Betontechnologie.
Nicht zuletzt sind die o. g. Faktoren mit ein Hauptgrund für den allgemeinen Verfall der Brückenbaukunst, denn sie führen naturgemäß nicht zu technisch und gestalterisch gelungenen oder gar innovativen Brücken.
Vorurteile und falsche Hoffnungen
Das gern vorgebrachte Argument, dass Betonbrücken immer kostengünstiger seien, ist desolat und nicht mehr haltbar, wenn man die Gesamtkosten vom Ursprung bis zur Entsorgung betrachtet. Effizient konstruierte Stahlbrücken können sehr wohl auch preisgleich erstellt werden.
Es wird auch gerne behauptet, Stahlbrücken seien sehr aufwendig im Unterhalt, weil rostanfällig. Moderne Korrosionsschutzverfahren und weniger anfällige Konstruktionen wie etwa moderne Rundrohrtragwerke (Abb. 3) erhöhen noch die in der Vergangenheit bewiesene Dauerhaftigkeit von Stahlbrücken. Sie sind unterhaltsfreundlich und können sogar leicht ertüchtigt werden. Bei Betonbrücken hingegen können die eigentlich tragenden Stahleinlagen überhaupt nicht gepflegt werden.
Des Weiteren wird behauptet, der massenhafte Verlust in die Jahre gekommener Betonbrücken sei auf die ehemals noch nicht so weit entwickelte Betontechnologie zurückzuführen und diese sei heute weit höher entwickelt. Das darf jedoch aufgrund physikalischer Naturgesetze bezweifelt werden. Auch bei den selten genug veranstalteten Brückenbauwettbewerben stößt man auf Ungereimtheiten und Konventionen: Innovative und meist bessere Beiträge mit Stahlkonstruktionen wurden und werden bei vielen Wettbewerben von vornherein kategorisch als zu neu, zu unerprobt oder zu riskant ausgeschlossen. Ein besonders krasses Beispiel ist ein von der Bayerischen Ingenieurekammer 2011 unter der Ägide des Bundesbauministers, des Bayerischen Umweltministers und der Obersten Baubehörde in Bayern ausgeschriebener Wettbewerb zum Thema ganzheitliche Planung und Nachhaltigkeit im Brückenbau: Die drei ersten Preise wurden, wie könnte es anders sein, Stahl- bzw. Spannbetonbrücken zuerkannt [3]. Reine Stahlbrücken und sogar eine durchaus innovative Holz-Betonverbund-Brücke schieden aus, obwohl sie der Forderung nach Nachhaltigkeit weit besser entsprachen.
Andererseits wird immer wieder geradezu manisch versucht, die Schwächen des Betons irgendwie auszugleichen und das mit Millionen an Forschungsmitteln. Eine neue, besonders merkwürdige Idee ist, den Beton beim Mischen mit Mikroorganismen anzureichern. Diese »schlafen« dann angeblich, bis sich Risse auftun und Feuchtigkeit eindringt. Dann werden die Risse von den erwachenden Mikroben mittels selbst produziertem Kalk gestopft. Immerhin ist die Idee für einen europäischen Erfinderpreis nominiert und einen Forschungsetat in Millionenhöhe aus der öffentlichen Hand wert.
Die derzeit größte Hoffnung ist der sogenannte »Carbon Contrete Composite« (C³), der kohlefaserverstärkte Beton. Kohlefasern sind hochfest, fester als Stahl und nicht rostanfällig. Andererseits sind sie teurer bei vergleichbarer Leistung im Einsatz. Anders als bei den kohlefaserverstärkten Kunststoffen, die z. B. im Automobilbau bereits vielfach eingesetzt werden, ist die entsprechende Betontechnologie noch nicht ausgereift, nicht bauaufsichtlich geregelt und deshalb nicht einsatzfähig. Auf jeden Fall versprechen die Entwickler eine deutliche Verlängerung der Lebensdauer von Betonbrücken mit C³-Technologie im Gegensatz zum Stahlbetonbrückenbau, allerdings nicht vergleichbar mit der Lebensdauer gut konstruierter und gepflegter Stahlbrücken. V. a. aber ändert sich bei der C³-Technologie nichts an dem ungünstigen Verhältnis von Eigengewicht und Tragleistung.
Denn große, weit gespannte Brücken überhaupt aus Beton zu bauen, ist eigentlich absurd. Es hat wenig Sinn, das hohe Eigengewicht des Betons über größere Spannweiten hinweg mitzuschleppen. Das Eigengewicht übersteigt dabei wesentlich und zunehmend die aktive Last des zu überführenden Verkehrs, was dem Sinn einer Brückenkonstruktion widerspricht.
Alternative Stahl
Mit Stahl als Baustoff können effiziente, auf Dauer wirtschaftliche, langlebige und obendrein architektonisch überzeugende Brücken gebaut werden. Im Gegensatz zum Beton ist Stahl als homogener Baustoff druck- und zugfest. Er hat außerdem bei geringerem Eigengewicht eine größere Tragkraft. Bei gut konstruierten Stahlbrücken verbessert sich zum einen das ohnehin gute Verhältnis von Eigengewicht zu Verkehrslast, je größer die Brücke und je größer die Spannweite, zum anderen sind – bei offenen Strukturen – die tragenden Teile prinzipiell gut zugänglich und kontrollierbar. Sie lassen sich bei eventuellen Schäden einfach reparieren und können auch bei zunehmender Verkehrslast nachträglich verstärkt werden. Deshalb gibt es heute noch über hundertjährige Stahlbrücken, die nach wie vor ihren Dienst tun, während immer mehr Stahlbetonbrücken schon nach kaum mehr als 35 Jahren zum Abbruch anstehen.
Die Stahlindustrie selbst hat das Thema Brückenbau jedoch weitgehend vernachlässigt. Stahlkonstruktionen kommen fast nur noch bei weit gespannten Großbrücken zum Einsatz, im Übrigen gibt man sich mit der Vermarktung von Bewehrungsstahl für die Betonindustrie zufrieden. Auch sind in Deutschland dementsprechend immer weniger im Brückenbau tätige Stahlbauunternehmen am Markt.
Immerhin scheint mit der in letzter Zeit entwickelten Stahlverbund-Bauweise, die primäre Stahltragwerke mit einem sekundären Betondeck verbindet, ein gewisses, wenn auch nur zaghaftes Umdenken eingetreten zu sein. Das ist wenigstens ein Schritt in die richtige Richtung. Allerdings hat bei Verbundkonstruktionen das Betondeck ebenfalls ein begrenztes Verfallsdatum wie die Vollbetonbrücken. Dieses ist aber bei entsprechender Konstruktion unter Erhalt des Haupttragwerks relativ leicht zu sanieren bzw. ggf. auch austauschbar, denn das Stahltragwerk selbst ist unter Eigengewicht standsicher und das Verbunddeck wird erst über die Verkehrslast aktiviert. Seit 1998 werden vermehrt solche Verbundkonstruktionen im Brückenbau eingesetzt, allerdings meist nur für Brücken kleiner und mittlerer Stützweiten. 2014 waren es erst 6,4 % der neuen Brücken auf Bundesstraßen, die in dieser Bauweise ausgeführt wurden.
Zu Bedenken ist auch der volkswirtschaftliche Schaden, der nicht nur durch den frühzeitigen Verlust teurer Brückenbauwerke entsteht, sondern auch durch Nebeneffekte wie Behinderungen im Verkehr beim immer öfter vorkommenden Brückenersatz. Auch in dieser Hinsicht sind Stahlbrücken Betonbrücken überlegen: Ihre Bauzeiten sind grundsätzlich wesentlich kürzer, weil sie in einem verschachtelten Bauverfahren gleichzeitig an der Baustelle und im Werk hergestellt werden können.
Ökologie und Nachhaltigkeit
Stahlbrücken sind per se langlebiger und nachhaltiger als Betonbrücken. Stahl wird dabei nicht verbraucht, sondern gebraucht, wie es heißt, und kann zu 85 % recycelt werden. Bei der Zementherstellung werden allein durch die verfahrensimmanente Abspaltung von Kohlenstoff aus dem Kalkstein und durch den massiven Einsatz von fossiler Energie in den gigantischen Tunnelöfen heute weltweit über 800 Mio. t des Treibhausgases CO2 in die Atmosphäre abgegeben. Damit ist die Betonindustrie mit ca. 10 % an den globalen Treibhausgas-Emissionen beteiligt. Bei der Stahlherstellung hingegen wird zwar bei der Eisenschmelze im Hochofen Koks verwendet, aber auch Kohlenstoff gebunden. Für die Herstellung von Stahl aus Eisen durch sogenanntes Frischen mit Sauerstoff wird möglicherweise erneuerbare elektrische Energie eingesetzt. Die Stahlindustrie arbeitet an umweltverträglichen Verfahren für die Weiterverarbeitung. So hat z. B. der deutsch-französische Hohlprofilhersteller Vallourec (vormals Mannesmann) in Brasilien großflächige Plantagen mit schnellwachsenden Eukalyptusbäumen angelegt und stellt aus deren Holz in modernen Großmeilern Holzkohle her, die dann zum Vorglühen des Rohstahls beim Walzen der Hohlprofile eingesetzt werden kann. Die Herstellung der Holzkohle ist klimaneutral, da das produzierte CO2 mit den Baumplantagen kompensierbar ist. Nebenbei bemerkt sind Stahlrohre das optimale Halbzeug zum Bau nachhaltiger Brückentragwerke.
Herausforderung und Konsequenz
Brücken sind ein wichtiger und unverzichtbarer Teil der Infrastruktur in Deutschland und sollten effizient und nachhaltig konstruiert werden, wozu heute eigentlich nur Stahl als Baustoff zur Verfügung steht. Folglich müssen Stahlbrücken sorgfältig mit allen Einzelheiten geplant werden, bevor ausgeschrieben und vergeben wird.
Ingenieure und Architekten müssen sich gemeinsam für einen besseren Brückenbau einsetzen und damit auch die Straßenbauverwaltungen. Die Vergabe sollte nicht die billigste, sondern die effizienteste, wirtschaftlichste und nachhaltigste Lösung bevorzugen. Nur so können Brücken perfekt und kostengünstig errichtet und überhaupt ihrer Aufgabe und Bedeutung gerecht werden. Deutschland gilt als führender, zukunftsträchtiger Technologie-Standort. Auch in der Brückenbaukunst sollte man sich nach vorn orientieren und nicht weiter im wahrsten Sinne des Wortes die Zukunft verbauen. Mit einem weiteren Beharren auf der Betontechnologie im Brückenbau wird man dem Zukunftsimage Deutschlands schaden und weiterhin nicht verantwortbare, volkswirtschaftliche Schäden verursachen. •
Weitere Informationen und Quellen:
[1] Kommunale Straßenbrücken – Zustand und Erneuerungsbedarf, Deutsches Institut für Urbanistik, www.difu.de/publikationen/2013/kommunale-strassenbruecken-zustand-und-erneuerungsbedarf.html
[2] Vortrag Prof. Dr. Curbach, Lehrstuhlinhaber am Institut für Massivbau der Technischen Universität Dresden, VSVI Seminartag Brückenbau vom 5. März 2009, www.vsvi-mv.de/fileadmin/Medienpool/Seminarunterlagen/Brueckenbauseminar/Vortrag_02_SPRK.pdf
[3] Wettbewerb »Entwurf einer Straßenbrücke nach ganzheitlichen Wertungskriterien«, www.bayika.de/de/service/publikationen/pdf/ bayika_doku_brueckenwettbewerb_web.pdf

Essay (S. 18)
Richard J. Dietrich
1938 in München geboren. Architekturstudium an der TU München. Aufbaustudium Ingenieurwesen an der University of South California. Mitarbeit bei Konrad Wachsmann in den USA. 1969 eigenes Büro in München und Bergwiesen. Neben Hochbau- und Städtebauprojekten seit 40 Jahren zahlreiche Brückenprojekte. Gastvorlesungen an diversen Universitäten. Fachpublikationen in Magazinen und Büchern. Sein Buch »Faszination Brücken« (1998/2001) gilt als Standardwerk.