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Ein rettendes Pflaster mit Karbonfasern für rostende Brücken

Brücken halten nicht ewig, wie das tragische Unglück in Genua gezeigt hat. Die Empa hat eine Methode entwickelt, mit der alte Eisenbrücken vor dem Verfall gerettet werden können: Mit Carbonfaser-Streifen.
Bruno Knellwolf

Vor gut einem Monat ist in Genua die Morandi-Brücke eingestürzt. 43 Menschen starben. Diese Katastrophe am 14. August hat den Zustand von Verkehrsbrücken mit älterem Baujahr in den Fokus gerückt. Denn Brücken brauchen Unterhalt, um die Sicherheit zu gewährleisten. Das gilt natürlich auch für Eisenbahn- und Strassenbrücken aus Stahl, die vor mehr als 100 Jahren gebaut worden sind. Diese Industriedenkmäler rosten leise vor sich hin oder knirschen lautstark unter den modernen Intercity-Zügen oder schweren Lastwagen, schreibt die Empa.

Streifen mit Carbonfaser-verstärktem Kunststoff stützen die Konstruktion.

Streifen mit Carbonfaser-verstärktem Kunststoff stützen die Konstruktion.

Diese Werke der Stahlbauingenieure aus dem 19. Jahrhundert will man nicht verlieren, sondern retten. Gelungen ist das den ­beiden Empa-Forschern Masoud Motavalli und Elyas Ghafoori. In Zusammenarbeit mit der ETH Lausanne haben sie eine Methode entwickelt, welche die historischen Brücken «weiterleben» lässt. Die Brücke wird mit einem Korsett gestützt aus CFK, Carbonfaser-gestärktem Kunststoff. Dieser CFK wird wie ein Pflaster an der Brücke angebracht und fixiert diese. Ghafoori erklärt, wo die Probleme der alten Stahlbrücken liegen:

«Die alten Brücken wurden für viel weniger Verkehr gebaut, als wir ihn heute haben.»

Und die Transport-Lasten seien auf den Fahrzeugen heute viel höher als vor gut 100 Jahren. Zum zweiten können Metalle rosten und verschiedene Teile einer Metallbrücke ermüden. «Diese zwei Probleme verringern die mögliche Traglast-Kapazität der alten Stahlbrücken. Sie müssen deshalb verstärkt werden, um brauchbar zu bleiben», sagt Ghafoori.

Vor allem im Flugzeugbau eingesetzt

«Erstmals eingesetzt hat man Carbonfaser-verstärkten Kunststoff in der Mitte der 1970er-Jahre. Und zwar um die Aluminium-Strukturen von Flugzeugen zu stärken», sagt der Empa-Forscher. Etwa zwanzig Jahre später hat Professor Urs Meier an der Empa damit begonnen, CFK für die Sanierung von Bauwerken zu nutzen. Mitte der 90er-Jahre machten Meier und sein Forschungsteam weltweit die ersten Studien dazu. «Heute ist der Einsatz von CFK etabliert, um Beton- und Metall-Strukturen zu stärken», sagt Ghafoori.

Die Münchensteinbrücke wurde mit CFK-Streifen fixiert.

Die Münchensteinbrücke wurde mit CFK-Streifen fixiert.

Dieser Karbon-verstärkte Kunststoff wird in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Der Airbus A350 besteht gemäss Ghafoori zu 52 Prozent aus CFK, eingeschlossen die Flügel und Rumpfkomponenten. CFK werde aber auch in Autos, Velos, Schiffen und Gebäuden genutzt. CFK ist korrosionsbeständig, rostet also nicht, zeigt, im Gegensatz zum Stahl, auch mit der Zeit keine Materialermüdung und ist zudem leicht. Somit eignet sich dieses Material bestens für die Verstärkung von Bauwerken, weil diese durch das CFK nicht zusätzlich mit hohem Gewicht belastet werden.

Das haben sich Motavalli und Ghafoori nun bereits bei zwei Brücken zunutze gemacht, die sie mit ihrer neuen sanften Methode stützen. Zum einen bei der 1892 gebauten Münchenstein-Eisenbahnbrücke bei Basel und zum zweiten in Australien. Dort haben sie die Diamond-Creek-Strassenbrücke, Baujahr 1896, mit CFK saniert. Das CFK wird in Pflasterform aufgetragen. Mag das auf Beton und Holz eine einfache ­Sache sein, ist es das bei Stahlbrücken weniger. Eiserne Brückenträger sind gemäss der Empa oft rostig oder mit einer dicken Farbschicht überstrichen. Nieten verhindern zusätzlich das einfache Aufkleben der CFK-Pflaster. Bei Ghafooris Methode klebt man diese deshalb nicht direkt auf die Brücke, sondern auf Platten, die an der Brücke befestigt sind. Dank dieser Methode kann der Verkehr auf der Brücke während der Sanierungsarbeiten aufrecht gehalten werden.

Kontrolle der Brücken mit Sensoren

Ghafoori arbeitet seit zehn Jahren mit dieser Technik und hat sich auch von anfänglichen Rückschlägen nicht entmutigen lassen. Zum Beispiel als während seiner Masterarbeit im Jahr 2009 die Verankerungen während eines Zugversuchs im Labor über Nacht abfielen. Nun ist das an der Empa entwickelte Verankerungssystem mit einem Patent geschützt. Und über die seit 2015 mit vorgespannten CFK-Pflastern verstärkte Münchenstein-Brücke rollen weiterhin Personen- und Güterzüge. Unter Beobachtung: Mit einem drahtlosen Sensornetzwerk werden Belastung und Bewegungen der Brückenteile gemessen und an die Empa ­geliefert.

Die geglückte Verstärkung hat Ghafoori und Motavalli den erwähnten zweiten Auftrag in Australien beschert, wo die Technik verfeinert werden konnte. Auch die Daimond-Creek-Brücke wird mit Sensoren kontrolliert, und zum Test haben die Forscher im Januar einen 42-Tonnen-Sattelschlepper über die Brücke rollen lassen. Dabei zeigte sich, dass die Kräfte, die auf die Brücke wirken, wegen der CFK-Streifen um die Hälfte kleiner sind. Das erhöht die Langlebigkeit der Brücke deutlich – die Rest­lebenszeit werde verdoppelt, schätzt Ghafoori.

Stresstest der Diamond-Creek-Brücke in Australien.

Stresstest der Diamond-Creek-Brücke in Australien.

Weitere Brückensanierungen könnten folgen. In Europa sind gemäss der Empa rund 30 Prozent aller Brücken älter als 100 Jahre. Ganz ähnlich sehe es in den USA, Australien und Japan aus. In der Schweiz beauftragen der Bund und die Bahnen Ingenieurbüros mit der regelmässigen Überprüfung der Brücken, wie Ghafoori sagt. Er arbeitet zurzeit an einem neuen Projekt zur Stärkung alter Brücken mit vorgespannten CFK-Stäben. Mit diesem Projekt unter Leitung der ­Innosuisse, der Schweizerischen Agentur für Innovationsförderung, werde an der Empa ein neues «Retrofit»-System entwickelt, das bei alten Stahlbrücken im Kanton Schwyz installiert werden soll, sagt Elyas Ghafoori.

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