Empa-wetenschappers redden ijzeren bruggen uit de 19e eeuw van instorting. Koolstofvezelpleisters versterken de afbrokkelende structuren. Een spoorbrug in Zwitserland en een verkeersbrug in Australië zijn al succesvol verstevigd. Vele historische bruggen zouden kunnen volgen. "Partners in crime" zijn specialisten voor staalmoeheid bij EPFL.

Onderhouden, niet weggooien - niet alleen waar voor art nouveau-villa's, vooroorlogse sportwagens of Hammond-orgels uit de jaren 50, 'onderhouden, niet slopen' is ook een goed idee voor oude spoor- of verkeersbruggen. Deze industriële monumenten, vaak bedacht en berekend door staalbouwingenieurs uit de 19e eeuw, stilletjes wegroesten of hoorbaar kraken onder het gewicht van moderne Intercity's en zware vrachtwagens.

Het goede nieuws is:ze kunnen worden gered. Een steunbeugel gemaakt van CFRP (koolstofvezelversterkte polymeren), omkeerbaar bevestigd aan de brug en in overeenstemming met de voorschriften voor monumentenbescherming, versterkt de weerstand van de oude structuren, waardoor ze veilig zijn en ze helpen om de dagelijkse slijtage beter en langer te overleven.

Zachte methode voor zware constructies

Masoud Motavalli en Elyas Ghafoori hebben al twee oude bruggen verstevigd met deze "zachte" methode:de Münchenstein-spoorbrug bij Basel, gebouwd in 1892, en de Diamond Creek-wegbrug in Australië, gebouwd in 1896. Als hun systeem een ​​wereldwijde doorbraak bereikt, er zou werk genoeg zijn:ongeveer 30% van alle bruggen in Europa is meer dan 100 jaar oud. De situatie is vergelijkbaar in de VS, Australië en Japan. Wegenbeheerders en spoorwegmaatschappijen zoeken wereldwijd naar methoden om deze constructies levensvatbaar te houden. En het is mogelijk dat Empa de sleutel in handen heeft. Empa's onderzoekspartner is Alain Nussbaumer. Bij EPFL, hij doet onderzoek naar de vermoeiings- en breukmechanica van staalconstructies. Nussbaumer begeleidt ook de proefschriften die bij Empa lopen als onderdeel van deze onderzoeksprojecten.

CFRP is vaak het materiaal bij uitstek voor het versterken van constructies. Het is roestbestendig en vertoont geen materiaalmoeheid. Het is ook licht en belast de constructie niet met extra gewicht op dezelfde manier als stalen wapening. Onder zijn vorige CEO, Urs Meier, Empa heeft in de jaren 90 veel ervaring opgedaan met CFRP-wapening van beton- en houtconstructies.

Een anker in plaats van lijm

In tegenstelling tot hout of beton, echter, waar de CFRP-wapening eenvoudig kan worden verlijmd, het is aanzienlijk ingewikkelder om het op oude stalen liggers te bevestigen. Vaak zijn de brugliggers roestig of bedekt met dikke verflagen. Soms zorgen klinknagels in de stalen liggers ervoor dat de CFRP-pleisters niet soepel kunnen worden vastgelijmd. Ghafoori lost deze problemen op door de platen met ankers aan de brug te bevestigen in plaats van de CFRP rechtstreeks op de brug te plakken. Hierdoor is het niet nodig om grote oppervlakken glad te schuren. Een extra bonus:de brug hoeft niet afgesloten te zijn voor verkeer tijdens het monteren van de CFRP-strips. Hetzelfde, de brug hoeft niet in folie te worden gewikkeld, wat bij oude bruggen die rivieren overspannen vaak wel nodig is om te voorkomen dat verfsplinters met zware metalen in het water vallen.

De ankers die Ghafoori gebruikt om zijn CFRP-pleisters te bevestigen, zijn niet zo gemakkelijk opnieuw te maken. "Het is belangrijk dat de koolstofvezels niet breken bij het bevestigen van de CFRP", zegt Ghafoori. Hij experimenteert al meer dan tien jaar met deze techniek bij Empa en gebruikt voor zijn experimenten de zware hydraulische persen in de bouwhal. "In het begin was het niet makkelijk", vertelt de onderzoeker. "Toen ik in 2009 de eerste ankers testte in een trekproef voor mijn masterproef, ze vielen er 's nachts af. Dat leverde me niet bepaald het respect van mijn collega's op. Ik mocht zelfs een paar dagen het lab niet bezoeken, omdat mijn werk als te gevaarlijk werd beschouwd."

Het bij Empa ontwikkelde verankeringssysteem is inmiddels gepatenteerd en heeft zijn kinderziektes allang overwonnen:de Münchensteinbrug is in 2015 versterkt met de voorgespannen CFRP-pleisters. Enkele tientallen reizigers- en goederentreinen denderen elk dag. Een langetermijnmonitoringsysteem bestaande uit een draadloos sensornetwerk meet de belasting en bewegingen van de brugdelen en levert de gegevens in realtime aan Empa.

Voorbereid voor alle gelegenheden

Nieuws over het project, die ook het onderwerp vormde voor Ghafoori's Ph.D. stelling, verspreidde zich snel in deskundige kringen. Als resultaat, een zeer vergelijkbare brug in Australië werd in januari 2018 versterkt met behulp van het CFRP-systeem:de 122 jaar oude Diamond Creek Bridge bij Melbourne. "We hebben veel geleerd sinds Münchenstein", zegt Ghafoori. Bijvoorbeeld, de onderzoekers konden de vorm van de ankers verbeteren en de hele constructie platter maken. Dat is belangrijk, omdat er onder veel bruggen vrachtwagens rijden. Als de beugel te ver naar beneden zou uitsteken, Vooral hoge trailers kunnen in aanvaring komen met de nieuwe technologie.

Het team heeft ook temperatuurschommelingen tussen zomer en winter meegenomen in de berekening:de metingen aan de Münchensteinbrug hadden aangetoond dat de CFRP-versterking op de brug veel effectiever is op warme zomerdagen dan in de winter. De reden is dat de zomerhitte ervoor zorgt dat de stalen brug uitzet, maar de lengte van de CFRP-wapening blijft nagenoeg gelijk. Dit betekent dat de brug in de zomer strakker bij elkaar wordt gehouden door de steunbeugel dan in de winter.

Diamond Creek Bridge heeft ook sensoren en zal gedurende minimaal anderhalf jaar laadgegevens online aan Empa verstrekken. Om te zien of de wapening effect heeft, de onderzoekers stuurden een vrachtwagen van 42 ton over de brug voor en na het bevestigen van de CFRP-strips. "Uit de eerste gegevens blijkt dat de krachten op de brug met de helft worden verminderd", zegt Ghafoori. "Als een conservatieve schatting, dit zou kunnen betekenen dat de resterende levensduur van de brug wordt verdubbeld."

Bruggen toekomstbestendig gemaakt

Tegenwoordig krijgen Ghafoori en Motavalli steeds meer bezoek uit het buitenland. Het Franse instituut voor wetenschap en technologie voor transport, ontwikkeling en netwerken (IFSTTAR), het Franse centrum voor mobiliteit (CEREMA) en een Chinese delegatie hebben allemaal aangekondigd te willen komen, terwijl een Amerikaanse delegatie Empa al heeft bezocht. De methode kan zonder veel moeite overal ter wereld worden toegepast. "Voor Australië, we hebben de clips voorgemonteerd met de CFRP-strips en hebben ze hier bij Empa getest. Daarna hebben we ze gewoon per pakketpost naar de bouwplaats gestuurd", zegt Ghafoori. "We moesten er later gewoon heen vliegen en alles ter plaatse in elkaar zetten."

Natuurlijk willen de onderzoekers hun kennis nog verder vergroten. Met reeds versterkte rechte stalen liggers, het doel is nu om ook de X-vormige verbindingsstukken tussen de liggers te versterken. De punten waar lasnaden en verbindingsverbindingen samenkomen zijn bijzonder gevoelig voor roest en dit is ook waar vermoeiingsscheuren ontstaan ​​die de brug instabiel kunnen maken. Een nieuw ontwikkeld CFRP-stripsysteem zou dit probleem snel kunnen oplossen. Dit type ondersteuning zou veel stalen bruggen uit de 19e eeuw toekomstbestendig kunnen maken - waardoor ze aanzienlijk langer meegaan dan hun jongere tegenhangers van gewapend beton.