Neues Verstärkungssystem für Stahlbetonbrücken

Bild: Unter Spannung: Empa-Forscherin Angela Sequeira Lemos und ihr Team haben die Betonplatten in Versuchen bewusst zu Riss gebracht.

Die »intelligenten« Stahlstäbe werden nach dem Einbau auf etwa 200 Grad Celsius erhitzt. Da sie sich dabei in ihre ursprüngliche Form zurückziehen wollen, im Beton jedoch fixiert sind, erzeugen sie innere Kräfte, die die Struktur vorspannen. Dadurch können Risse geschlossen, Verformungen reduziert und die Tragfähigkeit bestehender Brücken erhöht werden – ohne aufwendige Spannvorrichtungen.

Das Empa-Team um Angela Sequeira Lemos und Christoph Czaderski untersuchte zunächst das Zusammenwirken von Formgedächtnisstahl und ultrahochfestem Faserbeton sowie die Verbundwirkung zwischen beiden Materialien nach der thermischen Aktivierung der Stäbe. Anschließend führten die Forschenden Großversuche in der Empa-Bauhalle durch. Dafür wurden fünf jeweils fünf Meter lange Betonplatten hergestellt, die freitragende Brückendecks simulieren. Eine Platte blieb unverstärkt, während die anderen mit einer UHPFRC-Schicht versehen wurden – entweder mit herkömmlicher Bewehrung oder mit Fe-SMA-Stäben.

Um reale Sanierungsbedingungen nachzustellen, wurden die Platten in Großversuchen in der Empa-Bauhalle zunächst gezielt vorgeschädigt und zum Riss gebracht, bevor die Verstärkung eingebaut wurde. Nach dem Einbau erhitzten die Forschenden die Fe-SMA-Stäbe, wodurch diese versuchten, sich zusammenzuziehen und so eine Vorspannung in der Betonstruktur erzeugten. Bereits während der Aktivierung schlossen sich vorhandene Risse sichtbar und bestehende Verformungen bildeten sich vollständig zurück.

Die Experimente wurden mit hochauflösenden Messmethoden begleitet. Digitale Kameras erfassten die Rissentwicklung an der Oberfläche, während faseroptische Sensoren entlang der Stäbe die Verformungen im Innern der Bauteile registrierten.

Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl konventionelle Verstärkung als auch das neue System die Tragfähigkeit der Platten deutlich erhöhen. Unter typischen Belastungen durch den Straßenverkehr erwies sich die Kombination aus UHPFRC und Formgedächtnisstahl jedoch als besonders wirksam: Die Brückenplatten werden steifer, bleibende Verformungen werden reduziert, und bestehende Risse können geschlossen werden.

Das System eignet sich besonders für stark verformte oder bereits geschädigte Brücken, bei denen konventionelle Verstärkungsmethoden an ihre Grenzen stoßen. Nach erfolgreichen Labortests sucht das Forschungsteam nun nach einer geeigneten Brücke für den ersten Praxiseinsatz.