In der Werkstatt des Riesen

Auf den ersten Blick w?hnt man sich in einer Schiffswerft irgendwo im Hafenareal Hamburgs: Eine weite Halle, Neonlicht und an der Decke ein H?ngekran auf Schienen, der tonnenschwere Stahlelemente, Betonst¨¹tzen und Holzbalken durch den Raum hievt. Dazu Schrauben, so lang und dick wie die Unterarme eines Erwachsenen, und Muttern mit dem Radius von Tellern ¨C als w?re das hier die Werkstatt eines Riesen.

?Etwas zu testen, bedeutet bei uns meist, es so lange zu belasten, bis es zerst?rt ist?, sagt Dominik Werne lachend. Er leitet seit zw?lf Jahren das Bauhallen-Team des Instituts f¨¹r Baustatik und Konstruktion (IBK) auf dem 365ÌåÓýÖ±²¥_365ÌåÓýͶע-¾º²ÂÍøͶ H?nggerberg. Gemeinsam mit vier permanenten Mitarbeitern unterst¨¹tzt er die sieben Professuren des Instituts bei ihren Experimenten. Werne zeigt auf den pastellgr¨¹nen Boden unter uns, das Herzst¨¹ck der Halle. Beton, ein Meter dick, zigfach mit Stahl bewehrt, sodass dieser gesamthaft mehrere tausend Tonnen Gewicht tragen kann. Wie bei einem Meccano-System k?nnen Versuchsst?nde aus teils tonnenschweren verschiedenen Elementen frei zusammengebaut werden. ?Die Planung und der Bau eines Versuchsstandes dauern oft Monate?, sagt Werne. Deutlich l?nger als die Experimente danach.

Die Pr¨¹fst?nde reihen sich rechts und links entlang eines mit gelbem Klebeband markierten Korridors. Zum Beispiel ?LUSET?, ein zehn Mal zehn Meter grosser Koloss, dessen Eingeweide aus hundert einzeln ansteuerbaren Hydraulikzylindern bestehen. Damit lassen sich mit Stahl bewehrte Betonplatten zermalmen ¨C sch?n kontrolliert, um nat¨¹rliche Bedingungen zu imitieren. Die Forschungsgruppe von Professor Walter Kaufmann f¨¹hrt hier auch Versuche f¨¹r das Bundesamt f¨¹r Strassen (ASTRA) durch, um zu testen, ob Br¨¹cken saniert werden m¨¹ssen. Schr?g gegen¨¹ber steht ein weiterer Gigant namens ?MAST?. Unter massiven Stahltr?gern steht eine mit Stahl bewehrte Betonmauer von rund drei Metern L?nge und zwei Metern H?he. Metallplatten, die auf der Oberkante der Mauer liegen, k?nnen durch gewaltige Zylinder bewegt werden, um die Kr?fte eines Erdbebens in Slow Motion zu simulieren. Professor Bo?idar Stojadinovi? analysiert damit das Verhalten von Beton und Stahl unter Erdbebenbedingungen. ?Grunds?tzlich k?nnte man auch ein kleines Haus in den Pr¨¹fstand bauen und auf Erdbebentauglichkeit pr¨¹fen?, erkl?rt Werne.

Die Ingenieure und das Kreuz

?Stopp! Ich sehe hier einen ersten Riss?, ruft jemand am n?rdlichen Ende der Bauhalle. Er ist Teil einer Gruppe von sechs M?nnern, zwei vom Z¨¹rcher Ingenieurb¨¹ro ?WaltGalmarini?, drei Doktoranden des IBK und ein Techniker der Bauhalle. Sie haben sich um einen Tisch mit mehreren Computerbildschirmen versammelt; daneben steht ein knallblauer Kasten, aus dem zwei Manometer und zwei Hebel herausragen ¨C eine handbetriebene Hydraulikpumpe. Vor dieser tempor?ren Kontrollbr¨¹cke liegt ein Holzkreuz aus einer 4,4 Meter langen Holzst¨¹tze und zwei Riegeln. Diese bestehen zur H?lfte aus demselben Buchenfurnierschichtholz wie die St¨¹tze, sind jedoch an der Unterseite je mit einer Betonschicht unterzogen. Verbunden sind die beiden Riegel mit der St¨¹tze durch ins Holz eingeklebte Gewindestangen. F¨¹r die Befestigung der Riegel wurde eine rund zehn Zentimeter breite Fuge mit hochfestem Vergussm?rtel gegossen. Dieser St¨¹tzen-Riegel-Knoten soll heute getestet werden. Daf¨¹r wurde das Kreuz zwischen zwei bulligen Hydraulikzylindern installiert, die durch tonnenschwere Schubw?nde aus Stahl am Boden fixiert sind.

Die Ingenieure haben sich um sieben Uhr in der Fr¨¹h in der Bauhalle versammelt, um das Kreuz auf Biegen und Brechen zu belasten. Dabei wollen sie mehr ¨¹ber dessen Steifigkeit, Tragf?higkeit und Duktilit?t erfahren. Hoch ¨¹ber dem Kreuz sind an einem Stahltr?ger drei Infrarotkameras befestigt. Sie messen anhand von 78 zuvor markierten Messpunkten auf dem Beton des Kreuzes jede Verschiebung von mehr als 0,1 Millimetern. Mit diesen Werten lassen sich Kurven und Diagramme zeichnen, die zeigen, bei welcher Belastung welche Verformungen wo stattgefunden haben.

Eruptiv statt duktil

?Baam!? Ein dumpfer, st?hlerner Knall durchdringt die Halle. Es ist kurz vor 16 Uhr, die Zugbeanspruchung auf die beiden Riegel betrug zuletzt 510 Kilonewton (51 Tonnen), was rund der doppelten Kraft entspricht, der das Geb?ude gesetzlich standhalten muss. An einem der beiden Riegel sind im Beton lange Risse zu sehen, rund zwei Zentimeter breit. An dieser Stelle werden die horizontalen Holz-Beton-Verbunddecken einst mit der vertikalen Holzst¨¹tze verbunden. Andreas Galmarini st¨¹rmt mit seinem Mitarbeiter zur Rissstelle, schiesst Fotos und markiert sie wiederum mit dem blauen Stift. ?Jetzt hat¡¯s die Zugarmierung im Knoten geputzt?, sagt der Mitinhaber von ?WaltGalmarini?, der die Bauhalle noch von seiner eigenen Dissertation an der ETH kennt.

Der pl?tzliche, unangek¨¹ndigte Bruch weicht von den Modellrechnungen der Ingenieure ab. Eigentlich hatten sie mit einem duktilen Verhalten gerechnet, also einer vor dem Bruch stark zunehmenden Verformung, die das Versagen ank¨¹ndigt. Hier zeige sich, wie wichtig experimentelle Forschung im Bauwesen sei, sagt Frangi: ?Wir k?nnen am Schreibtisch zwar sehr viel berechnen und mit ausgekl¨¹gelter Software das statische Tragverhalten von Bauteilen simulieren. Aber solche Modelle m¨¹ssen insbesondere bei Innovationen ¨¹ber Versuche validiert werden.?

Ein Doktorand aus Frangis Gruppe ergreift erneut den Hebel der Hydraulikpumpe und beginnt zu pumpen. Nun soll auch noch der zweite Riegel ?auf Bruch belastet werden?, wie es im Ingenieursjargon heisst. Bald zieht er den Pullover aus, das Blut steigt ihm in den Kopf, der Widerstand des Hebels wird immer gr?sser. Bei 500 Kilonewton ist f¨¹r den Bruchteil einer Sekunde ein Knacken zu h?ren. Daraufhin sinkt der Widerstand, die Kurve auf dem Laptop flacht ab. ?Wundersch?n!?, kommentiert Galmarinis Mitarbeiter. ?Nun sind wir am Punkt des Fliessens angelangt.? Jetzt offenbart sich das duktile Bruchverhalten, das sich Bauingenieure f¨¹r ihre Werke w¨¹nschen. Kein pl?tzliches Versagen des Tragwerks, sondern ein langsames, plastisches Verformen der Materialien.

Der Doktorand pumpt weiter; das Manometer zeigt bald 300 Bar. Derweil weitet sich ein Riss im M?rtel. Bei 550 Kilonewton knallt es wieder. Diesmal zweimal nacheinander ¨C und noch lauter als beim ersten Riegel. Der Doktorand l?sst den Hebel fallen. Der Riss in der M?rtelfuge ist nun mehrere Zentimeter breit und gibt die Sicht auf mit Schutt ¨¹berzogene Eisenstangen frei. Die enorme Kraft hat zwei der ineinandergreifenden Metallschlaufen gesprengt, die als alternative Verbindung von Riegel und St¨¹tze getestet wurden.

Erkenntnisse, wertvoll wie Gold

Mit Smartphones und Spiegelreflexkameras dokumentieren die Ingenieure das zerst?rte Kreuz, das wie erschlafft im fahlen Licht der Halle liegt. Nochmals werden die beiden Riegel von allen Seiten inspiziert, Betonabplatzungen interpretiert und ¨¹ber das genaue Verhalten im Inneren des Knotens wird spekuliert. Eine Woche sp?ter wird ein zweites Kreuz mit zwei weiteren Konstruktionsvarianten getestet. Danach werden die Ingenieure von ?WaltGalmarini? zusammen mit Andrea Frangi entscheiden, welche Knotensysteme von Implenia beim Bau der 27 Stockwerke im 80 Meter hohen Holzhochhaus verwendet werden.

?Solche Daten zum Verhalten von Beton, Stahl und Holz in Extremsituationen k?nnen wir sonst nur in Regionen sammeln, in denen k¨¹rzlich ein Erdbeben oder ein Taifun getobt hat?, sagt Galmarini. Er war selbst schon f¨¹r das Schweizer Korps f¨¹r Humanit?re Hilfe (SKH) in Erdbebengebieten. Doch selbst dort lasse sich die Dynamik der Materialien und der Konstruktion nicht in Slow Motion verfolgen, wie hier in der Bauhalle. ?Das ist f¨¹r uns wertvoll wie Gold!?, sagt der Ingenieur euphorisch und wendet sich wieder der Inspektion der klaffenden Wunde im Beton zu.