Wissen und Technik

Die Brücke der Zukunft kommt aus Berlin

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Tausende Stahlbetonbrücken in Deutschland müssen saniert werden. Ein neuer Baustoff verspricht elegantere und haltbarere Konstruktionen: Carbon.

Vorgefertigte Brücken aus Carbonbeton lassen sich einfach transportieren und installieren. Wochenlange Straßensperrungen könnten…

Der Schwertransporter rollt gegen Mitternacht an. Rückwärts fährt er in die hell erleuchtete Peter-Behrens-Halle auf dem ehemaligen AEG-Gelände unweit des Humboldthains. Der Truck kommt zum Stehen und Arbeiter hieven die wertvolle Fracht an Seilen auf den Untergrund. Jetzt ruht sie da, massiv und doch etwas verloren in der kathedralenartig großen Halle. Das mächtige Konstrukt spannt sich über 20 Meter auf, schlank, fast schon elegant. An der schmalsten Stelle misst es nur wenige Zentimeter.

Es ist der Prototyp für eine neue Generation von Brücken, die ästhetischer, leichter und noch dazu klimafreundlicher gebaut werden können, weil sie aus einem neuartigen Material bestehen: Carbonbeton. Die „weltweit erste integrale vorgespannte Brücke“ aus diesem Baustoff steht nun auf dem Gelände der Technischen Universität Berlin – der Beginn eines Zeitalters lange haltbarer und nachhaltigerer Brücken.

Carbon übertrifft Stahl in Haltbarkeit und Ästhetik

Bislang werden die allermeisten Verkehrsbrücken aus Stahlbeton gefertigt. Ihre Lebensdauer ist begrenzt. Allein in Berlin ist jede zehnte der über 1000 Brücken baufällig. Deutschlandweit seien tausende Brücken betroffen, sagt Mike Schlaich, der im Rahmen des Verbundprojekts „C3 – Carbon Concrete Composite“ das Thema Carbon-Spannbeton an der TU Berlin erforscht. „Wir überlegen jetzt, wie wir die defekten Brücken ersetzen können mit etwas, das länger hält, weniger Material braucht und eleganter aussieht.“ Mit über 160 Partnern und einem Fördervolumen von 45 Millionen Euro ist C3 das größte Bauforschungsprojekt Deutschlands. Ziel ist es, Carbonbeton bis 2025 dauerhaft im Bauwesen zu integrieren.

Prototyp der “weltweit ersten integralen vorgespannten Carbonbetonbrücke” auf dem Gelände der TU Berlin.

Anders als beim herkömmlichen Stahlbeton, der Brücken und Gebäuden ihr massives Erscheinungsbild verleiht, biete die Kombination mit Carbon erhebliche Vorteile, sagt Schlaich. Carbon besteht aus hauchdünnen Kohlenstofffasern, die zu Filamenten gebunden werden, die nochmals zu größeren Bändern zusammengefasst werden. Die ineinander verdrehten Stränge, die in der Regel noch von Kunststoff ummantelt werden, können vor allem auf Zug stark belastet werden, ohne zu brechen. „Das Material ist zehnmal höher belastbar als Stahl und es rostet nicht“, sagt Schlaich.

Korrosion ist bei herkömmlichen Stahlbetonbrücken ein großes Problem. Der Rost frisst sich durch den Stahl und gefährdet die Statik. Damit das witterungsanfällige Metall vor Feuchtigkeit geschützt bleibt, muss der umliegende Betonmantel besonders dick sein. Viel Beton bedeutet wiederum viele Kohlendioxid-Emissionen – und eine klobige Ästhetik. Ersetzt man den Stahl durch Carbon, reduzieren sich die Wartungskosten, die Ökobilanz wird verbessert und es werden Möglichkeiten geschaffen, formschöner zu bauen. So die Idee.

Ein bekanntes Prinzip wird neu angewendet

Mit Hilfe des frisch gelieferten Brücken-Prototyps soll Alexander Hückler nun beweisen, dass all diese Hoffnungen, die in Carbonbeton gesetzt werden, auch realisierbar sind. Der leitende Bauingenieur am Fachgebiet „Entwerfen und Konstruieren – Massivbau“ der TU koordiniert das Forschungsprojekt.

Brücken mit dem Material gebe es schon in Nordamerika und Japan, sagt Hückler, diese seien aber nicht aus einem Stück wie die Berliner Brücke. Mit seiner rechten Hand zeichnet der Forscher den geschwungenen Unterbau des Betonkonstrukts in der Luft nach. „Lasten werden direkt durch den vorgespannten Carbonbeton aufgenommen“, sagt Hückler. Die durch das Gewicht entstehenden Kräfte werden also so an die Enden der Brücke weitergeleitet, dass kein Stützpfeiler in der Mitte nötig ist. „Durch die schlankere Bauweise spart man Materialkosten und durch das nichtrostende Carbon Wartungsarbeiten.“

Carbonbeton erlaubt ästhetische Konstruktionen wie dieses Modell, angelehnt an eine Fußgängerbrücke aus Ditzingen in…

Tragendes Element der Testbrücke sind zwölf Carbonlitzen – 20 Meter lange Stränge, die in einem Kanal quer durch die Brücke ziehen. Der Clou ist, dass sie vorgespannt sind. Beim Bau des Betonteils werden die Carbonstränge auseinandergezogen und der Beton wird darüber gegossen. Sobald er ausgehärtet ist, nimmt man die Spannung von den Litzen. Diese möchten sich nun wieder zusammenziehen, werden aber blockiert. Die Vorspannung übt Druck auf den Beton aus und sorgt dafür, dass das Material noch stabiler wird.

Das Prinzip wird schon seit Jahrzehnten beim Stahlbeton angewandt. Ob es direkt auf den Carbonbeton übertragen werden kann, prüfen Alexander Hückler und seine Kollegen in den nächsten Monaten. Für die Belastungstests benutzen sie Betonplatten, die Autos und schwere Laster simulieren. Dynamische Messungen erfordern vollen Körpereinsatz: „Das heißt, dass wir uns da draufstellen und die Brücke in Schwingung versetzen.“

Was dann passiert, wird penibel gemessen: Am Kopf der Brücke prangt ein kleiner metallischer Kasten, eine Kraftmessdose, die Spannkraftverluste anzeigt. Mit winzigen Kameras wird beobachtet, wie die Carbonstränge auf die Belastungen reagieren. Die Forscher wollen wissen, wie strapazierfähig das Material ist und ob und wie sehr es sich ablöst. Mit den ersten Ergebnissen rechnen die Bauingenieure schon im August.

Keine Revolution, aber ein Baustoff mit großem Potenzial

In einem Jahr, wenn alle Tests abgeschlossen sind, folgt der ultimative „Crash-Test“: Die Brücke soll dann solange belastet werden, bis sie nachgibt. Alexander Hückler wendet sich ein wenig von dem Betonkonstrukt ab und deutet auf eine riesige blaue Maschine aus Stahl, ein Aufspannfeld und ein Prüfrahmen, der bis fast unter Hallendecke reicht. „Die hat eine Kraft von 2,5 Meganewton.“ Das entspricht einem Gewicht von 250 Tonnen – mehr als eine Brücke dieser Größe jemals aushalten muss. Er wolle sie trotzdem testen, „bis entweder die Brücke nicht mehr kann oder die Maschine.

Die Testbrücke der TU ist ein Prototyp im Maßstab eins zu zwei. Verlaufen die Tests positiv, soll ein Exemplar gebaut werden, das doppelt so groß ist. „Das Original wird dann 40 Meter lang sein – ohne Mittelpfeiler“, sagt Hückler. „Damit kann man über Nacht einfach eine neue Fahrbahn einhängen. Platziert man fünf Stück nebeneinander, hat man eine komplette Autobahnüberführung.“ Fertigteile aus einem Stück könnten den Brückenbau beschleunigen, langwierige Straßensperrungen vermeiden und vor allem Reparaturen sparen: Carbonbrücken seien für 100 Jahre ausgelegt, sagt Hückler, „mindestens“.

Zunächst muss allerdings noch ein Hindernis überwunden werden: die Kosten. Carbon ist 16 Mal teurer als Stahl. Doch Hückler ist sich sicher, dass der Preis fallen wird, sobald das Material in Massen produziert wird. Dann könnte sich auch Berlin Carbonbrücken leisten. Laut Hückler gibt es schon Gespräche mit Vertretern der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt über eine Fußgänger- und Fahrradbrücke aus Carbonbeton.

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