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Jedes dritte Bauteil einer Brücke ist überflüssig

Forscher entwickeln Berechnungsverfahren, das Konstruktion billiger und grüner macht

Beim Bau von Brücken aus Stahlbeton lassen sich 28 Prozent des bisher für nötig gehaltenen Materials einsparen. Das reduziert die CO2-Emissionen um 30 Prozent, sagen Forscher der Dänischen Technischen Universität (DTU) http://dtu.dk/english , die das Verfahren entwickelt haben. Dies hätte beispielsweise den Bau der Brücke über den Großen Belt zwischen den dänischen Inseln Fünen und Seeland billiger und umweltverträglicher gemacht.

Wie beim Flugzeug- und Autobau

"Anfangs dachten wir daran, die Brückendecke durch quer verlaufende Membranen zu verstärken und so bei konventioneller Struktur Gewicht einzusparen", sagt Mads Jacob Baandrup, der das Abspecken von Brücken in seiner Doktorarbeit behandelt hat. Die Gewichtseinsparung gelang ihm und seinem Doktorvater Niels Aage durch eine aufwendige Strukturänderung. Sie nutzten das Instrument der Topologie-Optimierung, das bisher nur im Flugzeug- und Automobilbau angewendet wird. Das ist ein mathematisches Verfahren, mit dem bei einer vorgegebenen Belastung die schlankest mögliche Form eines Bauteils ermittelt wird.

"Populär ausgedrückt geht es darum, das Innere einer Brücke von den Teilen zu befreien, die für die Tragfähigkeit überflüssig sind", so Aage. Damit habe der Konstrukteur völlige Freiheit bei der Gestaltung der Struktur. Um dies zu erreichen, wird das Innere einer Brücke in Mrd. kleine Würfel zerlegt, sogenannte Voxel - anlehnend an die Bildpunkte (Pixel). Dann wird für jeden Würfel errechnet, ob und wie stark er für die Tragfähigkeit benötigt wird. Dabei stellt sich heraus, dass manche Voxel aus Luft bestehen können, ohne die Belastbarkeit zu verringern. "Das Ergebnis ist eine Brückenträgerkonstruktion, bei der möglichst wenig Material verwendet wird, ohne die Festigkeit der Struktur zu beeinträchtigen", weiß Aage.

Supercomputer im Dauerbetrieb

Im Einzelnen betrachteten die beiden Forscher ein Brückenteil mit den Maßen 30 mal fünf mal 75 Meter. Sie zerlegten es in zwei Mrd. Voxel. Für jedes berechneten sie die Last, die es aufnehmen muss, wenn die Brücke fertig ist. Mit einem normalen PC hätte der Rechenvorgang 155 Jahre gedauert. Da ein Supercomputer zur Verfügung stand, ließ sich die Rechendauer massiv verkürzen.

Details einer Brücke mit optimierter innerer Struktur (Grafik: dtu.dk)