Eine Bahnstrecke muss Flüsse queren, und Flüsse warten selten auf eine günstige Stelle. Derselbe Fluss braucht an einer Stelle eine kurze und an einer anderen eine sehr lange Spannweite, daher haben Ingenieure eine kleine Auswahl an Bauweisen. Alle erfüllen dieselbe Aufgabe: das Gewicht eines Zuges aufnehmen und sicher an beiden Ufern in den Boden leiten.
Zwei Kräfte und nichts weiter
Zerlegt man eine Brücke, bleiben nur zwei Arten innerer Kräfte. Druck staucht ein Material; Zug zieht daran. Stein, Ziegel und Beton sind stark unter Druck und schwach unter Zug. Stahl ist in beidem stark, doch ein langer, schlanker Stahlstab unter Druck kann knicken, während derselbe Stab unter Zug nicht knickt. Jede Brückenart ist eine andere Anordnung dieser beiden Kräfte.
Balken: die einfachste Antwort
Ein Balken oder Träger ist eine steife Fahrbahn, die an beiden Enden auf einem Auflager liegt. Unter Last biegt er sich leicht, was die Oberseite staucht und die Unterseite dehnt. Da das Material nahe der Mitte der Höhe wenig Arbeit leistet, legen echte Träger ihren Stahl oben und unten an, als I-Profil oder als Hohlkasten. Balken sind günstig zu bauen und leicht zu prüfen und dominieren kurze Querungen, typischerweise einige zehn Meter. Für größere Spannweiten braucht man einen tieferen, schwereren Balken, und das Eigengewicht wird bald zum größten Teil der Last. Durchlaufende Hohlkastenträger, die über mehrere Stützen laufen, erweitern die Reichweite auf 100 Meter oder mehr.
Bogen: die Form die Arbeit tun lassen
Ein Bogen verwandelt die nach unten wirkende Last in eine Stauchung entlang seiner Krümmung, und diese Stauchung drückt an den Füßen auch seitlich. Boden oder Widerlager müssen diesen Seitenschub aufnehmen. Deshalb eignen sich Bögen für Felsschluchten, und deshalb konnten römische und viktorianische Baumeister Stein verwenden, der unter Zug schwach, unter Druck aber ausgezeichnet ist. Stahlbögen reichen viel weiter: Die Sydney Harbour Bridge, die Züge ebenso wie Straßenverkehr trägt, hat einen Hauptbogen von 503 Metern.
Fachwerk: nur Dreiecke
Ein Dreieck kann seine Form nicht ändern, ohne dass sich eine seiner Seiten in der Länge ändert, daher ist ein Rahmen aus Dreiecken mit sehr wenig Stahl steif. In einem Fachwerk wird jeder Stab entlang seiner Länge gezogen oder gedrückt, und nichts muss sich biegen. Das macht Fachwerke im Verhältnis zu ihrer Steifigkeit leicht, weshalb das Eisen- und Stahlzeitalter der Bahn so viele davon hervorbrachte, von kurzen Spannweiten bis zu den großen Auslegern. Die Forth Bridge in Schottland, 1890 eröffnet, hat zwei Hauptauslegerfelder von je 521 Metern. Sie ist ein Fachwerkbau und trägt noch heute schwere Züge.
Flüsse entscheiden, welche dieser Bauweisen eine Strecke braucht. Unser Beitrag zu warum Bahnen Flüssen folgen erklärt, warum Strecken überhaupt dorthin führen; die Querung ist der Preis. In Valley Rail: Train Tycoon verlegst du Gleise von Stadt zu Stadt und überquerst den Fluss auf einer Brücke in einem von fünf Stilen, dieselbe Wahl, vor der auch echte Ingenieure stehen, nur mit weniger Stahl.
Hängebrücke: die längsten Spannweiten
Eine Hängebrücke hängt ihre Fahrbahn an senkrechten Hängern, die an Haupttragseilen befestigt sind; diese Seile laufen über hohe Türme und sind an beiden Enden fest verankert. Die Seile tragen die Last rein auf Zug, und Zug ist die effizienteste Art, Stahl zu nutzen, daher reicht keine andere Bauart so weit. Die Golden Gate Bridge hat eine Hauptspannweite von 1,280 Metern und die Akashi-Kaikyō-Brücke in Japan 1,991 Meter. Beides sind Straßenbrücken.
Ein Seil nimmt jede Form an, die die Last ihm gibt. Ein Balken, Bogen oder Fachwerk widersteht einer Formänderung durch Steifheit; eine Hängebrücke widersteht ihr vor allem durch Gewicht.
Warum Bahnen selten Hängebrücken nutzen
Dieselbe Nachgiebigkeit, die eine Hängebrücke wirtschaftlich macht, ist für Züge ein Problem, aus drei zusammenhängenden Gründen.
- Die Last ist schwer und konzentriert. Ein Güterzug wiegt pro Meter weit mehr als Straßenverkehr und ruht auf wenigen Achsen. Auf einer langen Seilspannweite ist ein schwerer Zug ein großer Anteil der Gesamtlast, und das Seil formt sich um ihn herum.
- Das Gleis braucht eine glatte Linie. Die Fahrbahn senkt sich unter dem Zug und hebt sich davor, sodass die Räder immer einen kleinen lokalen Hügel hinauffahren. Bahnen messen Steigungen in Bruchteilen eines Prozents, wie in unserem Beitrag zur maßgebenden Neigung, daher kostet selbst eine mäßige Senke echte Zugkraft und unruhigen Lauf.
- Wiederholung nutzt ab. Jeder Zug biegt die Fahrbahn, die Hänger und die Seile noch einmal. Steife Fachwerke und Träger biegen sich viel weniger, und ein versteifendes Fachwerk unter der Fahrbahn ist das, was die wenigen Hängebrücken mit Gleisen überhaupt möglich macht.
Deshalb ist eine lange Bahnquerung meist ein Fachwerk, ein Hohlkastenträger, ein Bogen oder eine Schrägseilbrücke, die steifer ist als eine echte Hängebrücke. Je schwerer die Fracht, desto stärker das Argument. Zum Verkehr selbst siehe wie Frachtketten funktionieren.
Valley Rail: Train Tycoon lässt dich den Fluss auf einer Brücke in einem von fünf Stilen queren, dann einen Zug kaufen und die Strecke befahren. Das Geld, das jede Fahrt einbringt, existiert nur im Spiel und hat keinen Geldwert. Valley Rail ist im geschlossenen Test und noch nicht öffentlich verfügbar.