Hans Ulrich Grubenmann (1709 – 1783) Grubenmanns genutzte Technologien und deren Weiterentwicklungen

Tabellarische Übersicht

TechnologieKonkretisierung
Gedeckte HolzbrückenGenutzte Technologie
SprengwerkGenutzte Technologie
HängewerkGenutzte Technologie
Hänge-SprengwerkGenutzte Technologie. Dabei Ausreizung des Machbaren.
StabbogenwerkWeiterentwicklung. Übergang zu einer Bogenbrückenkonstruktion von übereinandergelegten, verzahnten und verschraubten Balken.
Kirchturmdachstühle. Achtseitige SpitzhelmkonstruktionenVerbesserung der Form und Konstruktion

Kommentierte Technologien

Gedeckte Holzbrücken

Zahlreiche Holzbrücken wurden einst mit Dächern versehen. Vor allem im Alpenraum waren gedeckte Holzbrücken, die auch als „Archenbrücken“, „Schindelbrücken“ und „Häuserlbrücken“ bezeichnet werden, Tradition. Früher war diese Art der Brücken weit verbreitet. Nebst Schweiz bzw. der Alpenregion fand man sie im heutigen Süd- (Baden-Württemberg und Bayern) und Südostdeutschland (Thüringen und Sachsen) sowie in der schlesischen Region. Aufgrund zahlreicher Verluste verkleinerte sich mittlerweile ihr Verbreitungsgebiet. Einige erhaltene Brücken finden sich jedoch immer noch im Alpenraum. Heute werden überdachte Brücken vereinzelt als Fußgängerbrücken erbaut. Als älteste und zweitlängste (204,7 m) überdachte Holzbrücke Europas gilt die Kapellbrücke über die Reuss (auch: Reuß) in Luzern (Kanton Luzern, Schweiz) aus dem Jahre 1333. Das Bauwerk besteht noch heute (Abb. 4.01). 

Durch Dach und Seitenverkleidungen erhielten die Brücken Schutz vor Witterungseinflüssen. Trotz Verpackung der Brückentragstruktur und dem damit verbundenen Schutz vor Nässe wurden viele Brücken Opfer von Naturgewalten. Dabei lösten diese Naturgewalten oft ganze Kettenreaktionen in Bezug auf die Brückenlandschaften aus: Die Seitenverkleidungen der Brücken boten Hochwassern große Angriffsflächen. Im Fluss treibende Bruchstücke von Hochwassern zerstörter Brücken zogen wiederum andere Brücken, die im weiteren Flusslauf folgten, in Mitleidenschaft. Aufgrund der geringeren Zahl von vorhandenen Flussüberquerungen in Form von Brücken zu früheren Zeiten wie bspw. zu Zeiten Grubenmanns (18. Jh.) kam die Zerstörung einer Brücke einer Katastrophe gleich.

Zum Schutz der Flussübergänge wurden die Brücken daher in die „Obhut“ von Heiligen gegeben. Deren Statuen – meist vom heiligen Johannes von Nepomuk – wurden in den Brücken aufgestellt. Es fanden sich aber auch Kruzifixe und ewige Lichter in den Brücken. Neben dem Wasser stellte auch das Feuer eine große Gefahr für die Bauten dar. Bei schlechtem Wetter unterhielten Fuhrknechte oft ein Feuer in den hölzernen Brücken. Durch diesen Leichtsinn gerieten zahlreiche Brücken in Brand. Später wurde das Anzünden von Feuern in den Brücken verboten. Für die Schweizer schienen die Brücken stets mehr als nur Übergänge über Flüsse, Schluchten und Täler gewesen zu sein. Es lassen sich immer wieder Bildtafeln in Brücken finden, auf denen beispielsweise Szenen aus dem Alten sowie Neuen Testament oder auch Ereignisse aus der Geschichte dargestellt sind. Auch die Kapellbrücke weist Bildtafeln auf (Abb. 4.02). Außerdem wurden die Schweizer Brücken als öffentlicher Verhandlungs- und Hinrichtungsort genutzt. Des Weiteren fanden auf den Brücken Märkte statt und es waren Orte, an denen man Verträge abschloss.

Tragwerksformen im Brückenbau

Um große Lasten aufzunehmen und große Weiten stützenfrei zu überspannen nutzte Hans Ulrich Grubenmann zwei verschiedene bekannte Tragwerksformen im Dachstuhl- und Holzbrückenbau: das Sprengwerk und das Hängewerk. Diese verstand er miteinander zum Hänge-Sprengwerk zu kombinieren und zum Stabbogenwerk weiterzuentwickeln.

Sprengwerk

Das Sprengwerk besteht im einfachsten Fall aus einem zwischen zwei Auflagern (z.B. Flussufer) horizontal verlaufenden Balken (= Bundbalken, Fahrbahnbalken), der von zwei Sprengstreben mittig gestützt wird (Abb. 4.03). Durch aufkommende Lasten in Form von passierenden Personen oder Fuhrwerken wird der horizontale Balken auf Biegung (gelb) beansprucht. Das durch die Streben gebildete mittige Auflager halbiert die Biegelängen des Balkens, weswegen die Durchbiegung der einzelnen Balkenteile schwächer ausfällt. Die durch die aufkommenden Lasten vertikal wirkende Gewichtskraft (FG) wird durch die schräg verlaufenden und unter Druckspannung stehenden Streben (blau) aufgeteilt und auf die tiefer liegenden Widerlager mit horizontal (FH) und vertikal (FV) wirkenden Komponenten übertragen. Das Tragwerk kann durch das Einfügen eines Spannriegels zwischen den beiden Streben zu einem zweifachen bzw. doppelten Sprengwerk (Abb. 4.04) erweitert werden. Der Bundbalken, sprich der zwei Auflager (z.B. Ufer) verbindende Balken, kann so noch größere Weiten überspannen.

Hängewerk

Im Gegensatz zum Sprengwerk befindet sich bei einem Hängewerk die abstützende Konstruktion oberhalb des lastaufnehmenden Balkens (Abb. 4.05-4.06). Im Holzbrückenbau des 18. Jahrhunderts ist es die am häufigsten verwendete Tragwerksform. Ein horizontal verlaufender Balken, im Fall des Hängewerks auch Hängebalken, Streckbalken oder Binderbalken genannt, überspannt eine größere Öffnung bzw. verbindet zwei Auflager (z.B. Ufer). Beim einfachen Hängewerk (Abb. 4.05) stehen zwei schräg verlaufende Streben (= Bockstreben) auf dem Balken. Dabei bilden sie mit dem horizontal verlaufenden Balken ein gleichschenkliges Dreieck und halten mittig eine sogenannte Hängesäule, an dem der Hängebalken mittels Hängeeisen befestigt ist. Die durch Personen und Fuhrwerke auf dem Binderbalken aufgebrachte Last bedingt dessen Durchbiegung (gelb). Durch das Aufhängen des Balkens wird wie beim einfachen Sprengwerk (siehe oben) die Biegelänge des Balkens verkürzt, weswegen er größere Distanzen als ein einfacher Balken überspannen kann. Die Hängesäule nimmt unter in ihr wirkende Zugspannungen (rot) die mittig auf den Hängebalken resultierende Gewichtskraft auf und überträgt sie auf die Bockstreben. Diese teilen sich die wirkende Gewichtskraft untereinander auf und leiten sie unter Druckspannung (blau) stehend auf die äußeren Enden des Hängebalkens. Aufgrund der Schrägstellung der Bockstreben wirken nun weitere Horizontal- (FH) und Vertikalkräfte (FV) auf den Hängebalken. Die Vertikalkräfte werden mit den seitlich wirkenden Gewichtskräften auf die seitlichen Widerlager abgeleitet. Die Horizontalkräfte wirken direkt auf den Balken, weswegen er gestreckt wird und so auch Streckbalken genannt wird. Ein zweifaches bzw. doppeltes Hängewerk (= doppelter Bock) entsteht durch das Einfügen eines Spannriegels und einer weiteren Hängesäule (Abb. 4.06). Bei diesem System besitzt der Binderbalken insgesamt vier Auflager (zwei Zwischenauflager und zwei Endauflager). Ein Binderbalken verbindet wie der Bundbalken eines Sprengwerks zwei Auflager miteinander. Dabei wirkt er jedoch auch als Ankerbalken, der die aus den Bockstreben resultierenden Horizontalkräfte aufnimmt.

Hänge-Sprengwerk

Das Hänge-Sprengwerk (auch: Hängesprengwerk) ist eine Tragkonstruktion, die Hängewerk und Sprengwerk in sich vereint (Abb. 4.07-4.08). Wie das Sprengwerk benötigt diese Konstruktion nebst Auflagern in der Ebene des horizontal verlaufenden Balkens weitere starke Widerlager unterhalb des Balkens, wo die schräg angeordneten Streben enden. Die Streben befinden sich im Hänge-Sprengwerk sowohl oberhalb als auch unterhalb des horizontal verlaufenden Balkens. In den Kreuzungspunkten von Balken und Streben werden die Bauglieder miteinander verbunden, weswegen der liegende Balken weitere Auflagerpunkte erhält und als Durchlaufträger verglichen mit reinen Hänge- und Sprengwerken noch weiter spannen kann. Nebst einfachen (Abb. 4.07), zweifachen/ doppelten (Abb. 4.08) gibt es mehrfache Hänge-Sprengwerke. Bei letzteren ist der horizontale Balken für gewöhnlich aus mehreren Einzelbalken zusammengesetzt. Diese geschickte Tragwerkskombination lässt sich auch bei der Schaffhausener Brücke beobachten. Hier vereinte Grubenmann mehrfach Streben und Spannriegel zu einem komplexen Tragwerk mit hoher Steifigkeit. 

Stabbogenwerk und mechanisch gebogene Hölzer

Werden Hängewerke mit weiteren Spannriegeln und Hängesäulen ausgestattet, entstehen sogenannte Stabpolygone. Die eingefügten Spannriegel verlaufen dabei nicht mehr horizontal, sondern vermitteln zwischen Bockstreben und horizontalem Spannriegel und verlaufen deshalb ebenfalls schräg. Entsprechend des Tragwerkes können mehrere schräge Spannriegel eingefügt und auf einem horizontalen Spannriegel verzichtet werden. Aus der Aneinanderreihung von Bockstrebe, schrägem Spannriegel (x-mal), horizontalem Spannriegel, schrägem Spannriegel (x-mal) und Bockstrebe wird das Stabpolygon gebildet, wobei Streben und Spannriegel nun vereinfacht als Stäbe bezeichnet werden. Mit dieser geometrischen Anordnung erreichen Stabpolygone die Form von Bögen, weswegen man hier auch von Stabbogenwerken spricht. Tragwerke dieser Art nutzte Grubenmann beispielsweise im Dachstuhl der Wädenswiler Kirche.
Um Stabbogenwerke noch leistungsfähiger zu machen, setzte Grubenmann mehrere Lagen von Stäben übereinander. So konnte ein Stabbogenwerk aus einer Vielzahl von Stabpolygonzügen bestehen. Grubenmann konnte mit dieser Technik bei seinen Brücken „mühelos“ Spannweiten von über 30 m erreichen. Hans Ulrich blieb jedoch nicht stehen und entwickelte diese Konstruktion weiter. Dabei näherte er sich mit gebogenen Stäben dem reinen Bogentragwerk mehr und mehr an. Als Beispiel kann hier auf die aus den Jahren 1764-1766 stammende Wettingener Limmatbrücke verwiesen werden. Als weiteres Beispiel kann die von seinem Bruder Johannes 1767 erbaute Brücke von Oberglatt (jetzt Rümlang, Kanton Zürich, Schweiz) angeführt werden (Abb. 2.05 (Außenansicht) und 4.09). Die noch heute bestehende Brücke weist ein mehrlagiges sechsteiliges Stabpolygon auf, welches fachwerkartig ausgesteift wurde. Die Stabpolygone sind aus gebogenen Hölzern hergestellt und an jeder Hängesäule gestoßen.

Um gebogene Hölzer für seine Brücken herzustellen, baute Grubenmann zuerst ein stabiles „Bogen-Gerüst“. Am höchsten Punkt des Gerüstes wurde jeder einzelne zu biegende Stab mittig befestigt und mittels Flaschenzügen an beiden Enden herabgezogen. Zur Unterstützung des Verformungsprozesses und der Formgewährleistung nach der Behandlung wurden die Hölzer Wärme und Feuchtigkeit  ausgesetzt. So wurde unter dem Holzstab stets ein Feuer unterhalten und die Hölzer ständig mit Wasser befeuchtet. Für das Biegen von Holzpolygonstäben musste Grubenmann drei Regeln beachten: „1. Grünes Holz lässt sich leichter biegen als trockenes. 2. Tannenbalken lassen sich stärker biegen (1/25 ihrer Länge) als Eichenbalken (1/40 ihrer Länge). 3. Die gekrümmten Balken sollen mindestens zwei Monate in ihrer Form eingespannt bleiben.“ [BLASER 1984, S. 42]. 

Nach Grubenmann: Fachwerk-Bogenträger und Fachwerkträger

Der Typus der gedeckten Holzbogenbrücke wurde irgendwann nach Nordamerika getragen. Aufgrund des Baus der Eisenbahnlinien wurden dort viele Brücken nötig. Als Vorbild dienten die Bogenbrücken aus der Schweiz. Jedoch empfanden die amerikanischen Ingenieure die Brücken aus der Schweiz zu schwer. Sie waren bestrebt ihre Brücken leichter und mit zierlicheren Tragwerken zu bauen. Diese stürzten jedoch oft ein. Folglich baute man zur Versteifung des Tragwerks Verstrebungen ein. Hieraus entwickelte sich der Fachwerk-Bogenträger. Mit der Zeit verstärkte man die Verstrebungen, so dass die eingebauten Bögen überflüssig wurden. So entstanden die reinen Fachwerkträger. Beim Fachwerkträger laufen Ober- und Untergurt parallel zueinander. Es entwickelten sich zwei Systeme: Zum einen das Rautenfachwerk und zum anderen das Ständerfachwerk. Das Ständerfachwerk wurde schließlich zurück nach Europa getragen. Vorteil an den Nordamerikanischen Brücken war die sehr schnelle und auch günstige Erstellung. In Deutschland, Österreich und der Schweiz hielt man sich bei diesen Konstruktionen jedoch zurück. Kritikpunkt war die geringe Dauerhaftigkeit der Brückenbauten. Zwischen den aufeinandergelegten Lamellen der Fachwerk-Bogenträger bildeten sich Fugen, in die Feuchtigkeit eindringen konnte. Ebenso wiesen die Fachwerkträger Angriffsstellen auf. Diese Schadensstellen waren nur schwer zu erkennen. [BLASER 1984, S. 34-35; HORN 1980, S. 37-44]

Kirchturmdachstühle

Grubenmann bevorzugte als Kirchenabdeckung die achtseitige Spitzhelmkonstruktion. Diese war schon seit längerem bekannt. Grubenmann verbesserte die Form der Helme und deren Konstruktion. Die achtseitigen Turmdachstühle hatten das Problem, dass sie sich nach einiger Zeit verdrehten. Üblicherweise wurden die Dachflächen der Spitzen mittels Diagonalen ausgesteift. Um Verdrehungen entgegenzuwirken setzte Grubenmann weitere Versteifungen ein. Dabei verband er jeweils sich gegenüberliegende Streben mit Hölzern zu Paaren. Diese Strebenpaare versetzte er zusätzlich in der Höhe, sodass sich keine Überschneidungen mit anderen Strebenpaaren ergaben (Abb. 4.10).

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