Überall in Europa sind in näherer Zukunft tausende von Brücken durch Neubauten zu ersetzen. Witterungseinflüsse - Frost und Streusalz - sowie der stetig zunehmende Verkehr haben über Jahre an der Substanz genagt. Doch auch die Erhöhung des Gewichtslimits bei Lastwagen auf bis zu 40 Tonnen oder generell die Verkehrsdichte macht in vielen Fällen eine Neukonstruktion unumgänglich.
Für entsprechende Neukonstruktionen können Ingenieure speziell im Brückenbau mittlerweile auf Materialien und Verarbeitungs-Methoden zurückgreifen, die völlig neue Möglichkeiten eröffnen. Obwohl nicht grundsätzlich neu, wird die Verwendung von Faserverbundwerkstoffen (FVK) bestehend aus Glasfasern (GFK) oder Kohlefasern (CFK) in dieser Sparte erst neuerdings in Erwägung gezogen. Gründe dafür sind einerseits bislang fehlende Konstruktions- und Montagetechniken, deren Eignung für den Brückenbau erst neuerdings unter Beweis gestellt und in der Praxis untermauert werden musste.
Andererseits handeln sich Ingenieure durch den Einsatz von Faserverbund-Werkstoffen auch Probleme ein, die im Brückenbau bislang ein eher randständiges Dasein führten und die zunächst kaum in den Griff zu bekommen waren. Dennoch besitzt das Material große Vorteile: Der Unterhaltsaufwand ist überschaubar und es weist eine hohe Lebensdauer auf. Und das bei in etwa der gleichen Zugfestigkeit wie bei Stahl.
Deshalb finden FVK-Stoffe seit einiger Zeit bereits bei der Brückensanierung und -Verstärkung Verwendung. Hier können sie Ihren größten Vorzug - ihr geringes Gewicht - ausspielen. Insbesondere der Ersatz von Brückenfahrbahnplatten ist eine vielversprechende Anwendung. Denn die geringe Eigenlast des Materials ermöglicht eine indirekte Nutzlasterhöhung oder aber eine Verbreiterung der Bauten ohne Gewichtszunahme.
Für Beton-Konstruktionen, bei denen Tragwerk und Brückendeck eine Einheit bilden, steht diese Technik nicht zur Verfügung. Hier blieb bis in die 80er-Jahre nur die Möglichkeit, Brücken nachträglich mit Stahlbändern zu verstärken, die unter die Fahrbahn geklebt und zusammengeschweißt wurden. Heute stehen statt Stahlbändern auch solche aus Kohlenstofffasern für diesen Zweck zur Verfügung.
Sie sind um Faktoren leichter. So leicht, dass für die Montage kein Lehrgerüst mehr unter der Brücke gebaut werden muss - es reicht eine Hebebühne. Das CFK-Band für eine 50 Meter lange Verstärkung trägt eine Person unter den Armen, es ist vier Kilogramm schwer.
Entwickelt wurde diese Technologie bei der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in Dübendorf, einem Institut, das bei der Erforschung der Verwendungsmöglichkeiten von Faserverbundwerkstoffen als weltweit führend gilt. Heute haben schweizer Firmen dank der Pionierleistung der Empa einen Anteil von 60 Prozent an den weltweiten Brückensanierungen mit Kohlefaser-Bändern, die mittlerweile als Stand der Technik gelten.
Hinsichtlich der Forschungsarbeit des Instituts ist die Entwicklung dieser Sanierungstechnik eher als Nebenprodukt einzustufen, denn im Zentrum des Interesses steht bei der Empa die Verwendung von Tragseilen aus FVK-Stoffen. Und dabei kristallisierte sich im Laufe der Zeit heraus, dass die an sich positiv zu bewertende Eigenschaft eines sehr geringen Gewichts auch mit einem großen Nachteil einhergeht. Denn aufgrund des geringeren Gewichts und der bei Brückentragseilen üblichen Länge neigen Faserverbund-Kabel besonders stark zu Eigenschwingungen.
Die Empa begann deshalb mit Kabeln zu experimentieren, die über einen „magneto-rheologischen Fluiddämpfer“ verfügen. Der Dämpfer besteht ähnlich wie ein herkömmlicher Stoßdämpfer aus einem mit Öl gefüllten Zylinder und einem Kolben, der die Schwingungen vom Kabel übernimmt und durch sein Auf und Ab im Zylinder dämpft. Die ölige Flüssigkeit enthält aber (analog modernster Dämpfungssysteme in der Fahrzeugtechnik) magnetisierbare Mikroteilchen, die sich mittels eines magnetischen Felds zu kettenartigen Strukturen ausrichten lassen. Dies macht die Flüssigkeit zäher und der Widerstand für den Kolben wird größer, was die Dämpfung verstärkt. Bewegungssensoren längs des Kabels melden die Schwingungen des Kabels an einen Rechner, der über die Vorgabe der Stromstärke die Dämpfung erhöht und somit das Kabel optimal bremst.
Dieses System fand bei der am 30. Juni 2008 in Betrieb genommenen Sutong-Brücke über den Jangtsekiang in China erstmals Verwendung. Hauptbestandteil des riesigen Bauwerks ist eine Schrägseil-Brücke, welche die Fahrrinne des an dieser Stelle rund acht Kilometer breiten Stroms überspannt und die aus diesem Grund enormen Winddrücken ausgesetzt ist. Folglich bedurften selbst die konventionellen Stahl-Kabel einer aktiven Dämpfung.
Zweifellos ließe sich mit diesem System künftig auch die Lebensdauer bestehender Bauten verlängern, denn die Schwingungen verursachen an den Kabelverankerungen wie auch in der Fahrbahn vermehrten Materialstress und beschleunigte Abnützung.
Für die Empa ist jedoch auch diese aktive Dämpfung nur ein weiterer Schritt in die Richtung der Verwendung von Carbonfaser-Kabeln bei Groß-Bauten. Denn Stahlseile kommen im Brückenbau bei stetig zunehmenden Spannweiten immer mehr an ihre Grenzen. Die Seile müssen ja nicht nur die ganze Konstruktion tragen, sondern auch ihr eigenes Gewicht. Irgendwann werden die Seile so lang, dass sie unter ihrer eigenen Last reißen.
Theoretisch liegt die Grenze bei einer Länge von 7700 Metern. Da neben dem statischen Gewicht auch noch Reserven für den Verkehr und insbesondere die dynamische Windlast einzuplanen sind, liegt die praktische Grenze weit darunter. Die Akashi-Kaikyo-Brücke bei Kobe in Japan liegt bereits heute bei einer Spannweite von rund 2000 Metern - und beansprucht wegen ihrer Lage in einem Erdbebengebiet überdies weitere Sicherheitsreserven.
Bei CFK-Seilen mit einer mit Stahl vergleichbaren Zugfestigkeit (in Faserrichtung: 200-3000 N/mm2, je nach Fasergehalt) liegt die theoretische Spannweiten-Grenze aufgrund des erheblich geringeren Gewichts hingegen bei enormen 37 Kilometern.
Die hohe Festigkeit der Kabel gilt indes nur bei Zugbelastungen. Da die Fasern nur in Längsrichtung verlaufen, kann das Kabel leicht brechen. Neuralgischer Punkt ist vor allem der Bereich der Befestigung an der Brücke. Eine spezielle Verankerung soll hier Abhilfe schaffen. 1996 wurden beim Bau bei der Storchenbrücke in Winterthur neben den herkömmlichen Stahlkabeln erstmals zwei Carbonfaser-Kabel eingebaut. Seit diese mittels Sensoren überwacht werden, sind keine Beanstandungen mehr zu konstatieren.
Ein weiterer Nachteil schränkt die Anwendung von Faserverbundwerkstoffen im Brückenbau ein: Ein reiner GFK-Träger ist - verursacht durch den kleinen Elastizitätsmodul des Materials - sehr weich. Große Verformungen sind die Konsequenz; für Tragwerke indiskutabel. Aus diesem Grund bieten sich vielfach Hybridkonstruktionen an. Bei der Ausbildung der Primärtragelemente findet Stahl Verwendung - Sekundärtragelemente, etwa die Fahrbahnunterkonstruktion, werden in Kunststoff-Bauweise ausgebildet.
Eine solche Brücke findet sich etwa in Mount Pleasant, England. Das Tragwerk der GFK-Stahl-Verbundkonstruktionen ist aus Stahl, die Fahrbahn der 5,65 m breiten Brücke, mit einem Streifen für den motorisierten Verkehr und Fußgängerwegen auf beiden Seiten, wurde als tragende Sekundärkonstruktion mit großformatigen GFK-Platten ausgeführt, die in Querrichtung über die Hauptträger spannen. Sie werden während der Montage auf die ganze Brückenbreite zusammengeklebt. Aggressiven Streusalzwasser können dank dieses Konzepts der Fahrbahn nichts anhaben und die Hauptträger aus Stahl, geschützt durch das Fahrbahndeck, sind diesen gefährlichen Einwirkungen nicht ausgesetzt.
In die spezifische Ausbildung dieser GFL-Platten musste jahrelange Forschung und viel Entwicklungsarbeit (im Rahmen eines Förderungsprogramms der EU) investiert werden. Das Projekt Asset (Advanced Structural Systems for Tomorrow’s Infrastructure) wurde mit dem Auftrag ins Leben gerufen, neue Technologien im Bereich des Brückenbaus zu fördern. Als wichtigstes Forschungsergebnis kann die spezifische Ausprägung einer Matrix-ähnlichen Binnenstruktur für die GFK-Platten angesehen werden. Zudem musste auch eine verlässliche Verbindungstechnik zwischen Stahl- und GFK-Werkstoffen gefunden werden. Die Ergebnisse der Forschungsarbeit zeigen, dass Kleben dem Material am besten gerecht wird. Die Kraftübertragung erfolgt gleichmässig und großflächig und erlaubt eine volle statische Mitwirkung der Fahrbahnplatte in Brückenlängsrichtung. Die Steifigkeit und die Bruchlast nimmt nämlich im Vergleich zu einem einfachen Stahlträger durch das Aufkleben einer GFK-Fahrbahnplatte erheblich zu.
Reicht die Steifigkeit von Faserverbundwerkstoffen bei größeren Brücken-Spannweiten nur in Querrichtung, wie sich im Laufe der umfangreichen Tests zeigte, ist ihre Verwendung als alleiniges Tragwerk für Brücken mit sehr geringer Spannweite offenbar kein Problem mehr.
So musste in Deutschland in der Gemeinde Klipphausen eine durch das Jahrhunderthochwasser 2002 beschädigte Brücke über den Regenbach kurzfristig ersetzt werden. Die Gemeinde beschloss auf Vorschlag des beauftragten Ingenieurbüros Hagstotz, diese als GFK-Konstruktionen ausführen zu lassen. Den Ausschlag gaben nicht nur die langfristig zu erwartenden sehr niedrigen Unterhaltskosten, sondern vor allem auch die Möglichkeit, die 6,60 Meter lange und 6 Meter breite Straßenbrücke innerhalb kürzester Zeit fertig zu stellen: Die Brücke wurde in zwei Segmenten angeliefert und vor Ort zusammengeklebt. Aufgrund des geringen Gewichts bot es sich zudem an, für die Befestigung am Fundament Schraubverbindungen einzusetzen und damit die Brücke beim nächsten drohendem Hochwasser schnell entfernen zu können.



