Viele Schweizer Brücken erreichen das Ende ihrer Lebensdauer
Ein großer Teil der Brücken in der Schweiz stammt aus der Zeit vor den 1980er-Jahren und nähert sich dem Ende seiner Nutzungsdauer. Schon heute verstärken Ingenieure solche Bauwerke mit einer zusätzlichen Schicht aus ultrahochfestem faserbewehrtem Beton (UHPFRC), der direkt auf die Fahrbahnplatten aufgetragen wird. Dieser Beton ist besonders dicht und widerstandsfähig gegen Wasser. Herkömmlicher Bewehrungsstahl darin erhöht die Tragfähigkeit.
Fe-SMA ersetzt konventionelle Bewehrung
Ein Team um die Forscherin Angela Sequeira Lemos und Christoph Czaderski aus der Abteilung „Structural Engineering“ der Empa ging einen Schritt weiter: Die Forschenden ersetzen die konventionelle Stahlbewehrung durch Formgedächtnisstahl auf Eisenbasis – ein Material, das sich an seine ursprüngliche Form erinnern kann. Nach dem Einbau erhitzen die Ingenieure die Stäbe auf etwa 200 Grad Celsius. Da sich die Stäbe zusammenziehen wollen, der umgebende Beton sie aber zurückhält, entsteht eine innere Spannung. Diese Kräfte können Risse schließen, deformierte Elemente anheben und die Lebensdauer einer Brücke verlängern.
„Das Schöne an diesem Verstärkungssystem ist seine Einfachheit“, sagt Sequeira Lemos. „Man verankert die Stäbe, erwärmt sie – und sie erledigen den Rest von selbst.“
Großversuche an fünf Betonplatten
Zunächst untersuchte das Team das Zusammenspiel zwischen Formgedächtnisstahl und ultrahochfestem Faserbeton, die erstmals in Kombination zum Einsatz kamen. Die Forschenden analysierten, wie gut die beiden Materialien auch nach dem Erhitzen des Formgedächtnisstahls aneinander haften und welche Kräfte sie übertragen können.
Darauf folgten Großversuche in der Bauhalle der Empa mit fünf Betonplatten von jeweils fünf Metern Länge, die freitragende Brückendecks nachbildeten. Eine Platte blieb unverstärkt, die übrigen erhielten eine Schicht aus UHPFRC – entweder mit konventioneller Bewehrung oder mit Fe-SMA-Stäben. Um reale Bedingungen zu simulieren, brachte das Team die Platten zunächst gezielt zum Reißen, bevor es sie verstärkte – so wie es auch bei einer tatsächlichen Brückensanierung der Fall wäre.
Nach dem Einbau erhitzten die Forschenden die Fe-SMA-Stäbe, wodurch diese versuchten, sich in ihre ursprüngliche Form zusammenzuziehen und die Stahlbetonstruktur vorzuspannen. Bereits während der Aktivierung schlossen sich bestehende Risse sichtbar, und verbliebene Verformungen bildeten sich vollständig zurück.
Faseroptische Sensoren messen Verformungen in Echtzeit
Mit digitalen Kameras überwachte das Team die Risse auf der Betonoberfläche, während faseroptische Sensoren entlang der Stäbe eingebettet die Verformungen im Inneren der Platten kontinuierlich erfassten. „Wir nutzen Sensoren, die ähnlich funktionieren wie Glasfaserkabel in der Telekommunikation“, erklärt die Empa-Forscherin. „Anstatt jedoch verschlüsselte Daten durch die Fasern zu senden, analysieren wir das zurückgestreute Licht. So können wir genau sehen, wie sich die Stäbe verformen.“
Doppelte Tragfähigkeit und höhere Steifigkeit
Die Ergebnisse: Sowohl die konventionelle Verstärkung als auch das System mit Formgedächtnisstahl verdoppelten mindestens die Tragfähigkeit einer unverstärkten Platte. Unter Alltagsbedingungen – etwa bei Belastungen durch normalen Straßenverkehr – erwies sich die Kombination aus faserbewehrtem Beton und Formgedächtnisstahl jedoch als überlegen: Sie erhöht die Steifigkeit der Brückenplatte, verzögert bleibende Verformungen und kann bereits vorhandene Risse schließen oder durchhängende Bauteile leicht anheben.
„Wir konnten zeigen, dass unser System nicht nur funktioniert, sondern bestehende Brücken tatsächlich wiederbeleben kann“, so Sequeira Lemos.
Die Fe-SMA-Stäbe („Iron-based Shape Memory Alloys“) werden wie normale gerippte Bewehrungsstäbe hergestellt und bereits vorgedehnt auf die Baustelle geliefert. Dort werden sie in der bestehenden Stahlbetonstruktur positioniert und verankert, erhitzt und anschliessen mit Beton übergossen. Beim Erhitzen „erinnert“ sich der Stahl an seine ursprüngliche Form und will diese wiederherstellen. Weil er sich nicht frei bewegen kann, erzeugt er stattdessen Kräfte, die über die Verankerungszonen auf den Beton übertragen werden.
Dieser Formgedächtniseffekt wird durch eine spezielle Eisenlegierung möglich, die unter anderem Mangan, Silizium und Chrom enthält. Durch das erstmalige Strecken der Stäbe verändert sich die atomare Kristallstruktur. Beim Erhitzen auf etwa 200 Grad Celsius wandelt sich die atomare Struktur zurück. Da der Stahl fixiert ist, spannen die entstehenden Kräfte die bestehende Struktur vor, wodurch vorhandene Risse geschlossen und verformte Elemente angehoben werden.
Einsatz vor allem bei stark geschädigten Bauwerken
Die verwendeten Materialien sind derzeit noch vergleichsweise teuer. Das System eignet sich deshalb vor allem für stark verformte oder bereits geschädigte Brücken – also dort, wo konventionelle Verstärkungsmethoden an ihre Grenzen stoßen. Grundsätzlich wäre laut Sequeira Lemos auch ein Einsatz im Hochbau denkbar, etwa bei Balkonen oder Flachdächern, wo kompakte Lösungen oder gute Dichtungseigenschaften gefragt sind.
Nächster Schritt: Praxiseinsatz an einer realen Brücke
Das von Innosuisse geförderte Projekt entstand in Zusammenarbeit mit der Ostschweizer Fachhochschule OST, dem Empa-Spin-off re-fer und dem Verband der Schweizer Zementindustrie cemsuisse. Nach den erfolgreichen Großversuchen sucht das Team nun nach einer geeigneten Brücke für den ersten Praxiseinsatz.
„Wenn wir mit unserem System eine echte Brücke verstärken können, dürfte das Interesse der Industrie schnell wachsen“, sagt Sequeira Lemos. „Und mit zunehmender Nachfrage dürften auch die Materialkosten sinken – dann könnte diese Technologie die Brückensanierungen nachhaltig verändern.“ (mb)
