Neues Verstärkungssystem: Brücken sanieren mit «smartem» Stahl

Forschende der Empa entwickeln ein neues System, um alte Stahlbetonbrücken zu ertüchtigen. Das Team setzt dabei auf ultrahochfesten Faserbeton und «smarten» Stahl, der sich beim Erhitzen zusammenzieht und Betonstrukturen vorspannt.

Quelle: Empa

Feine Fasern: Die beim Versuch entstandenen Risse machen die Faserbewehrung im ultrahochfesten Beton sichtbar.

Ultrahochfester faserbewehrter Beton (UHPFRC) wird heute bereits zur Verstärkung von Brücken genutzt. Der Beton wird dabei direkt auf die Fahrbahnplatten aufgebracht, ist besonders dicht und widerstandsfähig gegenüber Wasser. Gleichzeitig wird im Material Bewehrungsstahl eingebettet, um die Tragfähigkeit der Bauwerke zu erhöhen.

Ein Team der Empa um Forscherin Angela Sequeira Lemos und Christoph Czaderski aus der Abteilung «Structural Engineering» ging nun einen Schritt weiter und ersetzte den Bewehrungsstahl durch Formgedächtnisstahl auf Eisenbasis (Fe-SMA). Dabei handle es sich um ein «intelligentes» Material, das sich an seine ursprüngliche Form erinnern könne, heisst es in einer Mitteilung der Empa.

Nach dem Einbau werden die Stäbe auf etwa 200 Grad Celsius erhitzt. Dadurch entsteht eine innere Spannung, da sich die Stäbe zusammenziehen wollen, aber durch den Beton zurückgehalten werden. Diese inneren Kräfte können Risse schliessen, deformierte Elemente anheben und die Lebensdauer einer Brücke verlängern – ganz ohne aufwendige Spannvorrichtungen. «Das Schöne an diesem Verstärkungssystem ist seine Einfachheit», so Sequeira Lemos. «Man verankert die Stäbe, erwärmt sie – und sie erledigen den Rest von selbst.» 

Quelle: Empa

Das Team führte Grossversuche in der Bauhalle der Empa mit fünf Meter langen Betonplatten durch, die freitragende Brückendecks nachbildeten.

Grossversuche in Empa-Bauhalle

Das Empa-Team untersuchte zunächst das Zusammenspiel zwischen dem Formgedächtnisstahl und dem ultrahochfesten Faserbeton. Die Forschenden analysierten, wie gut die Materialien auch nach dem Erhitzen des Formgedächtnisstahls miteinander verbunden sind und welche Kräfte übertragen werden können.

Daraufhin wurden Grossversuche in der Bauhalle der Empa mit fünf Betonplatten mit einer Länge von fünf Metern durchgeführt, die freitragende Brückendecks nachbildeten. Eine Platte blieb unverstärkt, während die anderen mit einer Schicht aus ultrahochfestem faserbewehrtem Beton versehen wurden – entweder mit herkömmlicher Bewehrung oder mit Fe-SMA-Stäben.

Um reale Bedingungen zu simulieren, brachte das Team die Platten zunächst gezielt zum Riss, bevor sie verstärkt wurden. Nach dem Einbau wurden die Fe-SMA-Stäbe erhitzt, wodurch diese sich in ihre ursprüngliche Form zusammenzuziehen versuchten und die Stahlbetonstruktur vorspannten. Bereits während der Aktivierung schlossen sich bestehende Risse sichtbar und verbliebene Verformungen bildeten sich vollständig zurück.

Quelle: Empa

Bei den Grossversuchen nutzte das Team laut Forscherin Angela Sequeira Lemos (im Bild) Sensoren, die ähnlich funktionieren wie Glasfaserkabel in der Telekommunikation.

Quelle: Empa

Anstatt jedoch verschlüsselte Daten durch die Fasern zu senden, analysierte das Team das zurückgestreute Licht, um zu sehen wie sich die Stäbe verformen.

Deutlich steifer und langlebiger

Die Verformungen im Innern der Platten wurden kontinuierlich gemessen: Kameras überwachten Risse auf der Betonoberfläche, während faseroptische Sensoren entlang der Stäbe eingebettet waren. «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.»

Die Versuche zeigten: Sowohl die herkömmliche Verstärkung als auch das neuartige System mit Formgedächtnisstahl verdoppelten mindestens die Tragfähigkeit einer unverstärkten Platte. Unter Alltagsbedingungen erwies sich die Kombination aus faserbewehrtem Beton und Formgedächtnisstahl jedoch als überlegen: Sie macht die Brückenplatte steifer, 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. 

Quelle: Empa

Nach dem Einbau werden die Stäbe auf etwa 200 Grad Celsius erhitzt. Dadurch entsteht eine innere Spannung, da sich die Stäbe zusammenziehen wollen, aber durch den Beton zurückgehalten werden.

Auch Einsatz im Hochbau denkbar

Noch sind die verwendeten Materialien der neuartigen Brückenverstärkung relativ teuer. Das System eignet sich deshalb nach Angaben der Empa vor allem für stark verformte oder bereits geschädigte Brücken – also dort, wo herkömmliche Verstärkungsmethoden an ihre Grenzen stossen. Laut Sequeira Lemos wäre grundsätzlich auch ein Einsatz im Hochbau denkbar, etwa bei Balkonen oder Flachdächern, wo kompakte Lösungen oder gute Dichtungseigenschaften gefragt sind.

Das von der Innosuisse geförderte Projekt entstand gemäss Mitteilung in Zusammenarbeit mit der Ostschweizer Fachhochschule OST, dem Empa-Spin-off «re-fer» und dem Verband der Schweizer Zementindustrie Cemsuisse. Nach den erfolgreichen Tests 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», so Sequeira Lemos. «Und mit zunehmender Nachfrage dürften auch die Materialkosten sinken – dann könnte diese Technologie die Brückensanierungen nachhaltig verändern.» (mgt/pb)

Zur Mitteilung der Empa: www.empa.ch