SMART-DECK – Vorreiter für intelligente multifunktionale Schutz- und Verstärkungssysteme für Brückenbauwerke

Das Zukunftsprojekt Brückenmodernisierung erfordert innovative Technologien, die auch präventiven Ansprüchen im Hinblick auf die Erhaltung der Leistung von Brücken gerecht werden. Ein Beispiel dafür ist das Verbundforschungsvorhaben SMART-DECK. Das dabei entwickelte multifunktionale System ermöglicht nicht nur vollflächiges Echtzeit-Feuchtemonitoring, sondern erhöht auch die Biege- und Querkrafttragfähigkeit der Stahlbetonfahrbahnplatten von  Bestandsbrücken. Zudem gewährt es abschnittsweisen, präventiven kathodischen Korrosionsschutz (pKKS).

Möglichkeiten und Technologie von SMART-DECK

SMART-DECK wird zwischen der Fahrbahnplatte und dem Fahrbahnbelag eingebaut und eröffnet zahlreiche Optionen. Das innovative Monitoring macht Schäden in der Abdichtungsebene frühzeitig erkennbar und die Kombination mit pKKS erlaubt es, die Erneuerung von Brückenbelägen in verkehrsgünstige Zeiten zu verlegen. Verkehrsbehinderungen  werden auf ein Minimum reduziert. Die Funktionalitäten werden durch die textile Carbonbewehrung und den eigens hierfür konzipierte Spezialmörtel ermöglicht. Durch die hohe Zugfestigkeit des Carbons kann eine Erhöhung der Tragfähigkeit der Fahrbahnplatte erreicht werden. Im Rahmen von zwei Demonstratoren unterschiedlicher Größe und Laboruntersuchungen soll die Leistungsfähigkeit dieses innovativen Systems nachgewiesen werden.

Welchen Problemen soll SMART-Deck entgegen wirken? Aufgrund der Begünstigung des Eintritts von Chloriden in den Beton von Brückenkonstruktionen stellen fehlerhafte Fugen- oder Übergangsprofile sowie unterläufige Abdichtungen ein großes Risiko für die Langlebigkeit von Stahlbetonbrücken dar. Denn oftmals erreicht die Korrosion der Bewehrung ein viel zu großes Schädigungsausmaß, bevor sie an der Brückenoberseite erkennbar ist. Die entsprechend notwendigen Baumaßnahmen ziehen nicht nur Verkehrsbehinderungen, sondern auch einen deutlichen volkswirtschaftlichen Schaden nach sich.

Abbildung 1 verdeutlicht die unterschiedlichen Funktionalitäten von SMART-DECK. Das Ziel der Forscher ist dabei, diese unterschiedlichen Funktionen modular verfügbar zu machen. Welche Kombinationen hier sinnvoll sind, kann Abbildung 2 entnommen werden:

SMART-DECK lässt sich strukturell in 2 Komponenten aufteilen:

  • 35 mm Hochleistungsmörtel
  • 2-Lagen Carbonbewehrung inklusive elektrischer Anschlüsse für Monitoring und pKKS,  nach außen geführt und an ein Messsystem angeschlossen werden

SMART-DECK ist dabei sowohl bei Neu- als auch Bestandbauten einsetzbar. Auch die Anforderungen an Regeldetails nach ZTV-ING werden eingehalten.

Die Elemente von SMART-DECK im Einzelnen

Der spezielle Hochleistungsmörtel der Firma Sto Cretec GmbH mit einem Größtkorn von 4 mm ist genau für die zahlreichen und mithin konkurrierenden Anforderungen in den Bereichen Verstärkung, Monitoring, KKS und Einbaupraxis ausgelegt. Mehrere iterative Schritte im Entwicklungsprozess haben diese Zielerreichung gesichert. Die textile Bewehrung von SMART-DECK stellen Carbonmatten mit einer Maschenweite von 38 mm dar, wie Sie sie auf Abbildung 3 erkennen können. Die hohe Zugfestigkeit des Carbons kann aufgrund der Epoxidharztränkung effektiv ausgenutzt werden. Die materialspezifische Korrosionsbeständigkeit erlaubt geringe Betondeckungen, weshalb der Eigengewichtszuwachs durch die Ergänzungsschicht sehr gering ausfällt.

SMART-DECK auf dem Prüfstand – Der Kleindemonstrator

Der Kleindemonstrator mit seiner Größe von rund 80 m² stellt den Halbzeitmeilenstein des Projekts dar. Die extra angefertigte Grundplatte der Bundesanstalt für Straßenwesen repräsentiert dabei eine typische Fahrbahntafel einer Stahlbetonbrücke.

Bei der Herstellung dieses Kleindemonstrators hat sich bereits gezeigt, dass die Ausführung von SMART-DECK in diesem Maßstab prinzipiell funktioniert. Für weitergehende Untersuchungen wurden Probekörper aus der Platte gesägt. An den Schnittkanten der Probekörper ist klar erkennbar, dass der Prozess der Herstellung die Position der textilen Bewehrung nicht negativ beeinflusst und die Textilien keine nennenswerte Lageänderung erfahren hat. Zudem konnten durch den Herstellungsprozess wertvolle Erkenntnisse hinsichtlich Anwendung von SMART-DECK auf ein reales Bauwerks in der zweiten projekthälfte gewonnen werden.

Die insgesamt vier aus der Kleindemonstratorplatte ausgesägten Plattenstreifen wurden zur Untersuchung der erzielbaren Verstärkung (Vgl. Abbildung 4) am Institut für Massivbau der RWTH Aachen bis zum Bruch belastet.

Um die Längsbewehrungsgrade verschiedener Bestandbrücken realistisch zu simulieren, wurde die Bewehrungsmenge in der Demonstratorplatte variiert. Die Versuche zeigten insgesamt ein wesentlich feineres Rissbild, das auf Abbildung 5 sichtbar ist:

Auch eine deutlich geringere Durchbiegung bei vergleichbarer Belastung konnten die Forscher nachweisen. Die Versuche mit geringerem Längsbewehrungsgrad zeigten im direkten Vergleich zwischen verstärktem und unverstärktem Bauteil eine Steigerung der Momenttragfähigkeit von 90 bis hin zu 170 Prozent (!) auf. Im Bereich Querkrafttragfähigkeit bewirkte SMART-DECK immerhin ein Wachstum von ca. 20 bis 55 Prozent.

Aus messtechnischer Perspektive setzt sich der Kleindemonstrator aus vier  voneinander elektrisch entkoppelten Messfeldern zusammen. Ein Messschrank neben der Demonstratorfläche enthält die nötige Technik für die gesamten Monitoring- und pKKS-Funktionalitäten.

Zusammenfassung der bisherigen Ergebnisse und Ausblick

Im Rahmen des Kleindemonstrators hat sich das SMART-DECK System bewiesen – wenn auch bisher nur in einem für Brückenbauwerke relativ kleinen Maßstab.

Die verstärkende Wirkung der Technologie konnten die Forscher ebenfalls nachweisen und eine signifikante Steigerung der Biege- und Querkrafttragfähigkeit der Brückenfahrbahnplatte erreichen. Das entsprechend feinere Rissbild beeinflusst Tragwerk im Hinblick auf das mögliche Eindringen tausalzhaltigen Wassers in positiver Weise.
Auch das Feuchtemonitoring konnten die Forscher erfolgreich testen. Die vollflächige Widerstandsmessung am Kleindemonstrator gelang ebenso wie die darauf folgende Datenübertragung via Internet.

Als Ausblick gilt es festzuhalten, dass SMART-DECK auch bei Brückenneubauten Hoffnungen auf nachhaltige ökonomische Vorteile weckt. Die Systematik eines derartigen intelligenten und multifunktionalen Verstärkungs- und Schutzsystems aus textilbewehrtem Hochleistungsmörtel scheint eine Zukunftstechnologie für den Brückenbau darzustellen, die im wahrsten Sinne des Wortes tragfähig zu nennen ist.

Autoren des Artikels

Carla Driessen, M. Sc.
Institut für Bauforschung (ibac)
Arbeitsgruppe Stahl und Korrosion
RWTH Aachen University, Schinkelstr. 3, 52062 Aachen