Empa -forskare räddar järnbroar från 1800 -talet från kollaps. Kolfiberplåster stärker de sönderfallande strukturerna. En järnvägsbro i Schweiz och en vägbro i Australien har redan framgångsrikt förstärkts. Många historiska broar kunde följa. "Partners in crime" är specialister på ståltrötthet på EPFL.

Underhåll, inte kassera – inte bara sant för art nouveau-villor, förkrigssportbilar eller hammondorglar från 1950-talet, 'underhålla, inte skrota' är också en bra idé för gamla järnvägs- eller vägbroar. Dessa industrimonument, ofta tänkt och beräknat av stålkonstruktionsingenjörer från 1800-talet, rostar iväg tyst eller knarrar hörbart under tyngden av moderna Intercity-tåg och tunga lastbilar.

Den goda nyheten är:De kan räddas. En stödjande stag tillverkad av CFRP (kolfiberförstärkta polymerer), vändbart fäst på bron och i enlighet med monumentskyddsföreskrifter, stärker motståndet hos de gamla strukturerna, gör dem säkra och hjälper dem att överleva dagligt slitage bättre och längre.

Skonsam metod för tunga konstruktioner

Masoud Motavalli och Elyas Ghafoori har redan satt upp två gamla broar med denna "snälla" metod:järnvägsbron Münchenstein nära Basel, byggd 1892, och Diamond Creek Road Bridge i Australien, byggdes 1896. Om deras system får ett globalt genombrott, det skulle finnas mycket att göra:Ungefär 30 % av alla broar i Europa är mer än 100 år gamla. Situationen är liknande i USA, Australien och Japan. Vägmyndigheter och järnvägsföretag är på global jakt efter metoder för att hålla dessa strukturer livskraftiga. Och det är möjligt att Empa har nyckeln. Empas forskningspartner är Alain Nussbaumer. På EPFL, han forskar om trötthet och sprickmekanik i stålkonstruktioner. Nussbaumer handleder även de avhandlingar som pågår vid Empa som en del av dessa forskningsprojekt.

CFRP är ofta det valda materialet för förstärkande strukturer. Den är rostbeständig och uppvisar ingen materialutmattning. Det är också lätt och belastar inte strukturen med extra vikt på samma sätt som stålförstärkning skulle göra. Under sin tidigare VD, Urs Meier, Empa fick stor erfarenhet på 1990 -talet med CFRP -förstärkningar av betong- och träkonstruktioner.

Ett ankare istället för lim

Till skillnad från trä eller betong, dock, där CFRP-förstärkningen enkelt kan limmas på, det är betydligt mer komplicerat att fästa den på gamla stålbalkar. Broarna är ofta rostiga eller täckta med tjocka färglager. Ibland förhindrar nitar i stålbalkarna att CFRP-plåstren klistras fast. Ghafoori kommer runt dessa problem genom att fästa plattorna på bron med ankare istället för att fästa CFRP direkt på bron. Detta innebär att det inte finns något behov av slät slipning av stora ytor. En extra bonus:Bron behöver inte vara stängd för trafik när du monterar CFRP-remsorna. Likaså, bron behöver inte lindas in i film – något som ofta är nödvändigt med gamla broar som spänner över floder för att förhindra att färgsplitter som innehåller tungmetaller faller i vattnet.

De ankare som Ghafoori använder för att fästa sina CFRP -plåster är inte så lätta att återskapa. "Det är viktigt att kolfibrerna inte går sönder när man fäster CFRP", säger Ghafoori. Han har experimenterat med denna teknik på Empa i mer än tio år och använder de tunga hydrauliska pressarna i bygghallen för sina experiment. "Det var inte lätt i början", berättar forskaren. "När jag testade de första ankarna i ett dragprov för min masteruppsats 2009, de ramlade av över natten. Det gav mig inte exakt respekt för mina kollegor. Jag blev till och med förbjuden att besöka labbet i några dagar, eftersom mitt arbete ansågs vara för farligt."

Under tiden är förankringssystemet som utvecklats vid Empa patentskyddat och har för länge sedan övervunnit sina barnsjukdomar:Münchenstein Bridge har förstärkts med de förspända CFRP-plåstren 2015. Flera dussin passagerar- och godståg mullrar över den historiska stålkonstruktionen varje gång dag. Ett långsiktigt övervakningssystem bestående av ett trådlöst sensornätverk mäter brodelarnas belastning och rörelser och levererar data till Empa i realtid.

Förberedd för alla tillfällen

Nyheter om projektet, som också gav ämnet för Ghafooris Ph.D. avhandling, sprids snabbt i expertkretsar. Som ett resultat, en mycket liknande bro i Australien förstärktes med hjälp av CFRP-systemet i januari 2018:den 122-åriga Diamond Creek Bridge nära Melbourne. "Vi har lärt oss mycket sedan Münchenstein", säger Ghafoori. Till exempel, forskarna kunde förbättra formen på ankarna och göra hela konstruktionen plattare. Det är viktigt, eftersom många broar har lastbilar som kör under dem. Om stag skjuter ut för långt nedåt, Särskilt höga släp kan kollidera med den nya tekniken.

Teamet har även inkluderat temperaturfluktuationer mellan sommar och vinter i beräkningen:Mätningarna på Münchenstein Bridge hade visat att CFRP-förstärkningen på bron är mycket mer effektiv under varma sommardagar än på vintern. Anledningen är att sommarvärmen gör att stålbron expanderar, men längden på CFRP-förstärkningen förblir praktiskt taget densamma. Detta gör att bron hålls samman hårdare av sin stödjande på sommaren än på vintern.

Diamond Creek Bridge har också sensorer och kommer att tillhandahålla lastdata online till Empa i minst ett och ett halvt år. För att se om förstärkningen har effekt, forskarna skickade en 42-tons lastbil över bron före och efter att CFRP-remsorna fästs. "De första uppgifterna har visat att krafterna som verkar på bron reduceras med hälften", säger Ghafoori. "Som en försiktig uppskattning, detta kan innebära att den återstående livslängden för bron fördubblas."

Broar framtidssäkrade

Numera får Ghafoori och Motavalli fler och fler besök från utlandet. Det franska institutet för vetenskap och teknik för transport, utveckling och nätverk (IFSTTAR), det franska centret för mobilitet (CEREMA) och en kinesisk delegation har alla meddelat sin avsikt att komma, medan en amerikansk delegation redan har besökt Empa. Metoden kan användas var som helst i världen utan stor ansträngning. "För Australien, vi förmonterade klippen med CFRP -remsorna och testade dem här på Empa. Sedan skickade vi dem helt enkelt till byggarbetsplatsen med paketpost", säger Ghafoori. "Vi var bara tvungna att flyga dit senare och montera allt på plats."

Naturligtvis vill forskarna föra fram sina kunskaper ytterligare. Efter att redan ha förstärkt raka stålbalkar, syftet är nu att även förstärka de X-formade kopplingarna mellan balkarna. Punkterna där svetsade sömmar och anslutningsfogar möts är särskilt utsatta för rost och det är också här trötthetssprickor uppträder som kan göra bron instabil. Ett nyutvecklat CFRP -bandsystem kan snart lösa detta problem. Den här typen av stöd skulle kunna göra många stålbroar från 1800-talet framtidssäkra – vilket gör att de kan överleva sina yngre motsvarigheter i armerad betong.