Brückenhistoriker und frühe Lehrbücher bezeichnen ein Fachwerk mit abwechselnden Druck- und Zugdiagonalen im Allgemeinen als Warren; manchmal wird es jedoch auch als gleichseitiges Fachwerk bezeichnet, da alle Plattenlängen und Diagonalen gleich lang sind und eine Reihe gleichseitiger Dreiecke bilden. Wenn die Paneellängen kürzer sind als die gleich langen Diagonalen, wurde es manchmal als gleichschenkliges oder isometrisches Fachwerk bezeichnet.
Abbildung 1. Allgemein akzeptiertes Warren-Fachwerk.
Wenn sich die Spannweite vergrößert und die Höhe des Fachwerks zwangsläufig zunimmt, müssen die langen Druckstäbe im Obergurt verstrebt werden, um das Knicken in vertikaler Richtung zu minimieren. In diesem Fall werden die Vertikalen von den unteren Gurtfeldpunkten bis zum Mittelpunkt des direkt darüber liegenden Gurtstabes angeordnet. Außerdem werden die Stringer der Deckstruktur länger, so dass entweder schwerere Elemente oder zusätzliche Vertikalen von den Punkten der Obergurtplatte nach unten angebracht werden müssen, um die Plattenlänge zu verkürzen.
Abbildung 2. Warren-Fachwerk mit vertikalen Stützen zur Unterstützung des Obergurts und der Deckstruktur.
Keine dieser Fachwerkarten wurde 1848 von James Warren und Willoughby Monzani in England patentiert. Sie stützten sich bei ihrem Patent auf ähnliche Fachwerkkonstruktionen, die in Frankreich von Alfred H. Neville gebaut wurden, und auf ein Patent, das 1839 in England William Nash für eine ähnliche Konstruktion erteilt wurde. Warren und Monzani waren bekannte englische Ingenieure und entwarfen einen Dachstuhl, der sowohl als Deck- als auch als Durchgangsdachstuhl verwendet werden konnte. Sie verwendeten Gusseisen für den Obergurt sowie Diagonalen und schmiedeeiserne Stäbe und Glieder für die Untergurte. Die gusseisernen Elemente des Obergurts wurden durch gusseiserne Verbindungsblöcke verbunden, und die gusseisernen Diagonalen und die schmiedeeisernen Elemente des Untergurts wurden mit Bolzen verbunden. Der Titel der Patentanmeldung lautete „Construction of Bridges and Aqueducts“ (Bau von Brücken und Aquädukten) und wurde am 15. August 1848 mit Patent Nr. 12.242 erteilt. Ihr Profil war rechteckig. Obwohl Squire Whipple in den Vereinigten Staaten die Methode zur Bestimmung der Belastung von Fachwerkbauteilen unter gleichmäßiger und wechselnder Belastung veröffentlicht hatte, war diese Methode noch nicht nach England gelangt. Erst 1850 entwickelte W. B. Blood eine Methode zur Analyse von dreieckigen Fachwerken, wie sie Whipple entwickelt hatte.
Abbildung 3. Patentzeichnung von Warren und Monzani, die das Deck auf beiden Ebenen zeigt.
Im Patent von Warren und Monzani heißt es:
Die Spezifikation dieser Erfindung zeigt vier verschiedene Arten des Brückenbaus, die, wie es heißt, mit einigen geringfügigen Änderungen auch auf den Bau von Aquädukten und Überdachungen angewendet werden können.
1) Die Brücke wird mit gusseisernen Seitenbändern, Stäben oder Platten gebaut, die gegeneinander geneigt und so kombiniert sind, dass sie eine Reihe von Vandykes bilden. Sie sind oben mit horizontalen Druckstäben und unten mit horizontalen Zugstäben verschraubt und tragen oben oder unten oder beides eine Fahrbahn.
2) Oder die Brücke kann aus gusseisernen seitlichen Winkelrahmen (mit den Scheiteln nach unten) gebaut werden, deren Basen Ende an Ende miteinander verschraubt und deren Scheitel mit horizontalen Stäben verschraubt sind.
3) Oder man kann anstelle der vorstehenden Längsbauweise hohle gusseiserne Querrahmen verwenden, die schräg gestellt und oben miteinander verschraubt werden und unten in gleicher Weise an waagerechten Stäben, Stangen oder Platten befestigt werden.
4) Oder man kann schmiedeeiserne Zugstangen oben an Druckstäben verschrauben und unten durch die Seite von Holzträgern zusammenhalten und die Konstruktion durch Schrägstangen verstärken. Die Winkel der Platten werden durch längs verlaufende Schraubstangen und Muttern reguliert.
Es ist klar, dass sie ihre Bauteile nicht bemessen und keine Angaben über die Belastung, weder Zug noch Druck, in ihren Diagonalen gemacht haben. Er betrachtete seine Stege nicht einmal als Dreiecke, sondern verband nur VanDykes (V’s) zwischen einem Druckstab oben und einem Zugstab unten. Die vier Ansprüche lauteten wie folgt:
1) Die Art und Weise, Brücken, Aquädukte oder Dächer mit Eisenstäben, -stangen oder -platten zu konstruieren, die zueinander geneigt sind und oben durch ein Druckband und unten durch ein Zugband miteinander verbunden sind, um eine Fahrbahn oben oder unten oder beides zu tragen.
2) Die Art und Weise, Brücken mit gusseisernen, winkelförmigen Rahmen zu konstruieren, die an ihren Basen miteinander verschraubt sind und deren Scheitelpunkte mit horizontalen Druckstäben verschraubt sind.
3) Die Bauweise von Brücken mit quer verlaufenden hohlen gusseisernen Rahmen, die zueinander geneigt und oben und unten mit horizontalen Platten verschraubt sind.
4) Die Bauweise von Brücken mit schmiedeeisernen Stäben, die zueinander geneigt und oben und unten wie beschrieben befestigt sind.
Es scheint, dass ihr einziger Anspruch auf Originalität in der Verwendung von Dreiecken mit oberen Druckgurten und unteren Zuggurten bestand. Die erste große Brücke, die Joseph Cubitt 1852 etwa nach dem Patent baute, war die Newark Dyke Railroad Bridge der Great Northern Railroad. Bei ihr verwendete er abwechselnd gusseiserne Druck- und Zugdiagonalen mit gusseisernen Obergurten und schmiedeeisernen Gliedern für den Untergurt. An der mittleren Platte hatte er gegenüberliegende Gusseisenglieder.
Abbildung 4. Newark Dyke Bridge, gusseiserner A-Rahmen auf dem Pfeiler.
Die Brücke überquerte den Dyke in einem spitzen Winkel und erforderte eine Spannweite von 240 Fuß und 6 Zoll. Cubitt sagte, der Warren-Entwurf sei ihm von C. H. Wild zugetragen worden. Er schrieb,
Jeder Träger besteht aus einem oberen Rohr oder einer Strebe aus Gusseisen und einer unteren Verbindung aus schmiedeeisernen Gliedern, die durch abwechselnde diagonale Streben und Verbindungen aus Guss- bzw. Schmiedeeisen miteinander verbunden sind und die gesamte Länge in eine Reihe gleichseitiger Dreiecke mit einer Seitenlänge von 18 Fuß 6 Zoll unterteilen.
Diese Träger ruhen auf den Scheiteln von gusseisernen A-Rahmen, die auf dem Mauerwerk der Widerlager angebracht sind (Abbildung 4). Jedes Paar ist oben und unten durch eine horizontale Verstrebung verbunden, so daß eine lichte Breite von 13 Fuß für die Durchfahrt der Züge verbleibt…
Die Träger sind so angeordnet, daß alle Druckspannungen vom Gusseisen und alle Zugspannungen vom Schmiedeeisen aufgenommen werden; die Spannungen liegen in allen Fällen in Längsrichtung der jeweiligen Teile, und jede Querbelastung wird vermieden. Die Teile sind so proportioniert, dass bei einer Belastung mit einem Gewicht von einer Tonne pro Laufmeter, was das Gewicht eines Zuges der schwersten Lokomotiven, die auf der Great Northern oder einer Schmalspurbahn im Einsatz sind, erheblich übersteigt, keine Zug- oder Druckbelastung an irgendeinem Teil fünf Tonnen pro Quadratzoll Querschnitt übersteigt.
Es ist klar, dass Wild 1852 die Warren-Konfiguration genommen und unter Anwendung der Blood’schen Analysemethode die Belastung in jedem Teil so berechnet hatte, dass sie richtig proportioniert werden konnte. Eine Endansicht der Brücke zeigte jedoch die für die damalige englische und europäische Brückenkonstruktion typische Größe der Bauteile. Im Laufe der Zeit wurde der Stil der Brücke auf Schmiedeeisen mit genieteten Elementen umgestellt.
Abbildung 5. Endansicht einer der beiden parallelen Newark Dyke Spans. Man beachte die Massivität der gusseisernen Elemente sowie die Vertikalen zur Abstützung des Decks in der Mitte der Platte.
In den Vereinigten Staaten war die Warren/Wild/Cubit-Konstruktion bei unseren Ingenieuren bekannt. Viele von ihnen abonnierten die Proceedings of the Institution of Civil Engineers, in denen Cubitt seinen Artikel veröffentlicht hatte. Vor 1848 hatte Whipple ähnliche Fachwerke für die New York and Erie Railroad entworfen und gebaut und sie in seinem Buch über Brücken von 1846/47 beschrieben. Er fügte den in Abbildung 6 dargestellten Plan bei.
Abbildung 6. Whipple-Plan für eine Brücke ähnlich dem Warren-Plan mit schrägen Endpfeilern.
Er entwarf nicht nur diese Brücke, sondern baute auch mehrere für die New York and Erie Railroad im Jahr 1848, demselben Jahr, in dem Warren in England sein Patent erhielt.
Abbildung 7. Whipples Brandywine Creek Bridge, New York and Erie Railroad, 1848.
In einem Artikel in Appleton’s Magazine and Engineers Journal im Januar 1851 beschrieb er einige seiner New York and Erie Bridges und schrieb:
Dies waren schmiedeeiserne Skelett-Träger auf dreieckigem Grundriss, wie sie seither Warren-Träger genannt werden und von einigen als eine neu erfundene Kombination angesehen werden. Aber es handelt sich lediglich um Fachwerke mit parallelen Gliedern und Diagonalen, oder besser gesagt, mit schrägen Gliedern, mit nur einer Reihe von Schrägbalken und ohne Vertikalen, außer um das Gewicht auf die Schrägbalken von Zwischenpunkten entlang des Ober- oder Untergurts zu konzentrieren, je nachdem, wie der Träger an diesem Ober- oder Untergurt belastet wird.
Whipple war nicht der Meinung, dass das, was als Warren-Träger bezeichnet wurde, etwas Neues war. Tatsächlich schrieb er in seinem Buch von 1846/47 von Fachwerkbindern ohne Vertikalen. Er nannte dies einen „gestrichenen Dachstuhl, der ohne vertikale Teile auskommt, außer vielleicht an den Enden oder an den ersten Auflagepunkten der Enden“. Tatsächlich stellte er fest, dass ein Fachwerk, sein trapezförmiges ohne Vertikalen, 8 % weniger Eisen verbrauchte.
Abbildung 8. Whipple-Plan 1846, aber Brückenhistoriker bezeichnen ihn als Double Warren Truss.
Sehr viele in den Vereinigten Staaten patentierte Fachwerke enthielten die mit dem Warren Truss verbundenen abwechselnden Zug- und Druckdiagonalen. Der erste war ein rechteckiger Fachwerkbinder aus Holz und Eisen von A. D. Briggs im Jahr 1858 (Nr. 20.987), gefolgt von Alber Fink im Jahr 1867 (Nr. 62.714) mit einer Kombination aus Holz und Eisen in Form eines trapezförmigen Fachwerks mit gleichseitigen Dreiecken, deren Vertikalen nach unten fallen, um das Deck in der Mitte der Platte zu stützen. Er schrieb: „Ich verwende das dreieckige System der Verstrebungen zwischen den beiden Gliedern, weil dieses System die Nachteile der ungleichen Ausdehnung eines schmiedeeisernen Untergurts und eines hölzernen Obergurts am besten vermeidet und weil es das Verstrebungssystem ist, das bei gleicher Festigkeit die geringste Menge an Material erfordert.“ Im selben Jahr erhielt J. Dutton Steele (Nr. 63.666) ein Patent für einen isometrischen Fachwerkträger. Er baute sie seit 1863 und bezeichnete sie als isometrischen Plan, da die Diagonalen gleich lang und die Plattenlänge kürzer war. Er beauftragte Charles Macdonald, einen langen Bericht zu verfassen, in dem er alle gängigen Brückenkonstruktionen verglich, darunter die Fachwerke von Pratt, Howe, Whipple und Warren. Macdonald kam zu dem Schluss, dass die einzigen Kosteneinsparungen bei einer Fachwerkbrücke in den Stegträgern liegen, da die Anforderungen an den Ober- und Untergurt bei den meisten Brücken gleich sind. Für eine Standardbrückenspannweite von 165 Fuß ermittelte er, dass die Howe-Fachwerke 54 % mehr Eisen im Steg und das Pratt-Fachwerk 31 % mehr Eisen als das isometrische Fachwerk benötigen. Anschließend vergleicht er den isometrischen Fachwerkträger mit dem doppelten Kreuzungsfachwerk von Linville und stellt fest, dass der isometrische Fachwerkträger 19 % weniger Eisen im Steg benötigt. Er stellt die Ergebnisse einer Studie von C. Shaler Smith aus dem Jahr 1865 vor, in der er die Fink-, Bollman-, Dreiecks- (Warren) und Murphy-Fachwerke verglich. Smith stellte fest, dass die Dreiecks- und Murphy-Fachwerke sowohl bei Durchgangs- als auch bei Deckfachwerken effizienter waren als die Fink- oder Bollman-Fachwerke. In seiner Schlussfolgerung stellte er fest, dass die isometrische Traverse weniger Eisen im Stegsystem benötigt als alle anderen betrachteten Traversen. Darüber hinaus stellte er fest, dass der isometrische Fachwerkbinder, insbesondere bei Holz, im Falle von Holzschwund viel einfacher zu justieren war.
Abbildung 9. Patentzeichnung von J. Dutton Steele für einen isometrischen Plan.
Im Jahr 1872 schrieb Whipple in einem Artikel in den Transactions ASCE mit dem Titel „On Truss Bridge Building“, dass er Einwände gegen Macdonalds Pamphlet und die Art und Weise, wie er den Whipple Double Intersection Truss in seinem Vergleich verwendete, hatte und erklärte: „Nun, Herr Macdonald stellt das dar, was er als ‚Whipple-Fachwerk‘ bezeichnet, mit Diagonalen, die nur 30° von der Vertikalen geneigt sind. Ich möchte hier nachdrücklich gegen den Vorwurf protestieren, eine solche Praxis jemals toleriert zu haben.“ Dann befasste er sich mit dem Isometrischen Fachwerk (und dem Warren-Stil) und schrieb:
Aber was ist mit dem Isometrischen? Zumindest der Name, der auf Brückenfachwerke angewandt wird, ist neu und wohlklingend zugleich. Es handelt sich um ein Fachwerk mit parallelen Gliedern ohne senkrechte Stäbe im Steg: einer der allgemeinen Typen, die in meiner Veröffentlichung von 1847 unter Bezugnahme auf Abb. A., Seite 14, besprochen und verglichen wurden…
Ich bin mir nicht bewusst, dass es irgendwelche Beispiele für ein Fachwerk mit parallelen Gliedern ohne senkrechte Stäbe gegeben hätte, bevor ich sie vor über 20 Jahren konstruiert habe, mit der wichtigen Ausnahme der Bohlen-Gitterbrücke. Diese war mir zuerst unter dem Namen „Town’s Lattice Bridge“ bekannt, und sie war eine sehr billige und brauchbare Brücke, wenn sie richtig konstruiert war…
Aber irgendwie kam es mir in den Sinn…dass ein Plan, bei dem jedes Glied des Stegsystems etwas in der Art tun sollte, das Gewicht zu den Widerlagern hin zu verlagern, Vorteile gegenüber einem Plan haben könnte, bei dem die vertikalen Glieder nur dazu dienen, die Wirkung des Gewichts direkt von Glied zu Glied zu übertragen, ohne es überhaupt horizontal zu verlagern…
Der trapezförmige Dachstuhl, mit und ohne Vertikalen, obwohl er auf Kombinationen beruht, die so alt sind, dass „das Gedächtnis der Menschen“ (besonders der heutigen Generation) „nicht auf das Gegenteil hinausläuft“, verdankt mir vielleicht immer noch etwas für wirtschaftliche Form und Proportionen…
Diese Herren bezeichnen gerne den ‚Whipple-Träger‘; und in Anbetracht der Tatsache, dass der Isometrische und der Post-Träger lediglich Modifikationen (und auch keine sehr vorteilhaften Modifikationen) eines Typs von Träger sind, der zuerst von mir verwendet und gründlich diskutiert wurde.
Es ist klar, dass Whipple glaubte, dass die Warren- oder Isometrischen Fachwerke lediglich Erweiterungen von Fachwerken waren, über die er in den 1840er Jahren schrieb und die er in den 1840er und 1850er Jahren baute. In einem Artikel über das Pratt-Fachwerk (STRUCTURE, Mai 2015) wurde argumentiert, dass die Howe- und Pratt-Fachwerke eigentlich Whipple-Fachwerke genannt werden sollten. Ähnlich wird hier argumentiert, dass der Warren-Fachwerkträger eigentlich Whipple-Fachwerkträger genannt werden sollte. Der Grund dafür ist, dass Warren bei der Entwicklung seines Fachwerks weder wusste, wie er seine Träger dimensionieren sollte, noch konnte er zwischen Zug und Druck in seinen Stegen unterscheiden. Er hat nie einen Fachwerkbinder mit einem schrägen Endpfosten oder einen Fachwerkbinder mit vertikalen Stützen entworfen oder gebaut. Ein Fachwerk, wie er es patentierte, wurde nie gebaut. Whipple hingegen hatte bereits vor Warrens Patent Fachwerke mit verschiedenen Stegträgern und schrägen Endpfosten analysiert, entworfen und gebaut.
Abbildung 10. Little Juniata Bridge, Pennsylvania RR, Guss- und Schmiedeeisen mit Vertikalen, Pony Truss ~1870.
Abbildung 11. Bell’s Bridge, Delaware, Lackawanna & Western RR 1872, Double Warren oder Whipple.
Es ist wahrscheinlich zu spät, um zu ändern, wie die meisten Leute die verschiedenen Fachwerke nennen, aber es sollte zumindest anerkannt werden, dass die meisten der im späten 19. und 20. Jahrhundert verwendeten Fachwerkmuster ihren Ursprung in den Vereinigten Staaten und bei Squire Whipple zwischen 1841 und den 1880er Jahren hatten. Die so genannten Warren-Fachwerkbinder wurden zu Tausenden als Pony-Fachwerkbinder mit kurzen Spannweiten ohne Vertikalen, mit längeren Spannweiten mit Vertikalen, mit noch längeren Spannweiten mit doppelten Knotenpunkten und mit noch längeren Spannweiten mit unterteilten Platten gebaut. Ursprünglich wurden sie mit Guss- und Schmiedeeisenstäben mit Bolzen gebaut, später mit Schmiedeeisenstäben und Gusseisenverbindungen mit Bolzen, und später vollständig in Stahl vernietet. Bei vielen Fachwerkbindern wurden auch polygonale Obergurte hinzugefügt, um die Spannweite zu vergrößern. J. A. L. Waddell verwendete dieses Muster bei vielen seiner Hubbrücken nach der Jahrhundertwende. Die Abbildungen 10, 11 und 12 zeigen mehrere Beispiele für diesen Brückenstil.▪
Abbildung 12. Warren, Isometrisch, Fachwerk, Polygonaler Obergurt, mit Vertikalen, komplett genietete Stahlbrücke für die BNSF Railroad über den Verdigris River, Oklahoma~1960.