Die Spinnennetz-Strategie, die den Bau katastrophensicherer Brücken ermöglicht

Am 26. März 2024 kollidierte ein Containerschiff, so groß wie ein Gebäude, mit einem der beiden Piers der Francis Scott Key und ließ die größte Brücke der US-amerikanischen Stadt Baltimore einstürzen. Der Aufprall des Schiffes riss ein Meisterwerk moderner Ingenieurskunst mit sich , das mit seinen 2.632 Metern Stahlfachwerk der Stolz der Stadt war. Die Brücke stürzte jedoch wie ein Spielzeug ein. Täglich beförderten 33.000 Fahrzeuge sie. Was eine Katastrophe hätte werden können, forderte glücklicherweise nur sechs Todesopfer, hinterließ jedoch eine klaffende Wunde in der Stadt, schwere wirtschaftliche Verluste und Kommunikationsprobleme.

Hätte der Einsturz durch eine bessere Konstruktion verhindert werden können? Eine spanische Studie unter Leitung der Polytechnischen Universität Valencia und der Universität Vigo hat sechs Widerstandsmechanismen entdeckt, die dazu beitragen können, sicherere Brücken zu konstruieren und Schäden im Falle eines Ereignisses wie dem in Baltimore, eines Erdbebens oder anderer Katastrophen zu minimieren. Die Ergebnisse der Studie ermöglichen weitere Konstruktionsoptimierungen ohne Mehrkosten oder Materialeinsatz. Die Details dieser Arbeit werden diesen Dienstag in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Durch die Untersuchung der Arbeitsweise von Spinnen und der von ihnen gesponnenen Strukturen haben sie gezeigt, dass Stahlfachwerkbrücken im beschädigten Zustand sogar noch größeren Belastungen standhalten können, als sie normalerweise aushalten würden, ebenso wie diese Arthropoden sich anpassen und nach einer Beschädigung ihrer Netze weiterhin Beute fangen.

Der Vergleich mit Spinnennetzen sei zufällig entstanden, sagte José M. Adam, Forscher an der Polytechnischen Universität Valencia und Hauptautor der Studie, gegenüber ABC. „Während wir den Artikel schrieben, stießen wir auf eine weitere Studie zur Festigkeit von Spinnennetzen, die ebenfalls in der Zeitschrift ‚Nature‘ veröffentlicht wurde. Dabei stellten wir mehrere Gemeinsamkeiten mit der Festigkeit von Stahlfachwerkbrücken fest“, erklärt er.

Wie Spinnennetze bestehen diese Brücken aus vielen linearen, miteinander verbundenen Elementen. Die Funktion des versagenden Elements bestimmt die Auswirkungen auf die Integrität des Ganzen. Sowohl bei der von Spinnen gewobenen Struktur als auch bei diesen Ingenieurswerken gilt: „Wenn ein Element versagt, besteht eine außergewöhnliche Fähigkeit, die Last auf andere zu übertragen, sodass die Struktur weiterhin ähnliche Lasten tragen kann, als wäre nichts geschehen. Selbst beim Versagen eines a priori kritischen Elements kann ein Einsturz bzw. Bruch vermieden werden“, erklärt Adam.

Sein Forschungsschwerpunkt waren Ingenieurbauwerke mit Stahlfachwerk, wie beispielsweise die Baltimore Bridge . Man wusste, dass diese Konstruktionen widerstandsfähiger gegen Einschläge oder andere Katastrophen waren, aber es war unklar, warum sich die Schäden in manchen Fällen überproportional ausbreiten, während sie in anderen Fällen die Funktionalität der Brücke kaum beeinträchtigen.

Die Antwort lag in den sechs verborgenen Widerstandsmechanismen, die Ingenieure aus Valencia und Vigo identifiziert hatten. „Wie bei Spinnennetzen wirkt sich der Ausfall eines Elements nicht auf den Rest der Brücke aus, wenn diese Mechanismen aktiviert werden. Wird jedoch keiner dieser Mechanismen aktiviert, kommt es mit ziemlicher Sicherheit zum Einsturz“, so der Forscher von der Polytechnischen Universität Valencia.

Um die sechs Schlüsselfaktoren für mehr Sicherheit zu finden, bauten die spanischen Forscher in ihrem Labor ein maßstabsgetreues Modell einer echten Brückenspanne und simulierten in bestimmten Bereichen Versagen. Sie entwickelten eine Struktur aus dreieckigen Balken, bei der alle Stäbe auf Zug oder Druck wirken. Nach und nach entfernten sie Stäbe, bis sie sechs verschiedene Möglichkeiten identifiziert hatten, wie die verbleibenden Stäbe der Brücke den Belastungen standhalten können.

Dies zeigte, wie eine Struktur ihr Verhalten ändert, indem sie von einem von zwei Stützen getragenen Balken zu einer sich verformenden Struktur wird, um weiterhin Lasten auf die Stützen zu übertragen, ohne einzustürzen. „Meiner Meinung nach ist dies der größte Beitrag des Artikels“, sagte José López Cela, Professor für Angewandte Mechanik und Projekttechnik an der Universität von Kastilien-La Mancha, gegenüber SMC.

Cela, der nicht an dieser Studie beteiligt war, äußert Zweifel daran, wie sich die Struktur im Falle einer echten Katastrophe verhalten würde. „Lokale Ausfälle lassen sich im Labor leicht verursachen (einfach durch das Durchtrennen des betreffenden Balkens); es ist nicht leicht, sich vorzustellen, wie sie in einer realen Struktur aussehen könnten. Diese Überlegungen schmälern jedoch nicht das Interesse, die Qualität und die wissenschaftliche Genauigkeit der Forschung“, betont er.

Adam argumentiert: „Die Ergebnisse sind vollständig auf echte Brücken übertragbar. Tatsächlich wurden wir von einer Brücke in der Provinz Alicante inspiriert. Wir haben Ähnlichkeitsgesetze angewendet, wodurch die Ergebnisse direkt auf die Realität anwendbar sind.“

Die Forscher dieser Studie sind überzeugt, dass ihre Erkenntnisse nicht nur den Bau sichererer Brücken ermöglichen, sondern auch dazu beitragen werden, bestehende Bauwerke zu verstärken, wenn deren Lebensdauer verlängert werden soll. Zwischen dem späten 19. Jahrhundert und dem ersten Drittel des 20. Jahrhunderts wurden zahlreiche Stahlfachwerkbrücken gebaut, und viele von ihnen sind heute noch in Betrieb, insbesondere für den Eisenbahnverkehr. „Unsere Arbeit wird dazu beitragen, Richtlinien für ihre Inspektion und Reparatur zu definieren und so zum Erhalt eines wertvollen bautechnischen Erbes beizutragen“, argumentiert der valencianische Ingenieur.

Der Einsturz der Baltimore Bridge schien jedoch unaufhaltsam. Gegen das Rammen eines Schiffes dieser Größe war wenig auszumachen. Adam glaubt, dass die fehlenden Schutzvorrichtungen an den Pfeilern die Hauptschwäche der Infrastruktur waren, die den Frachter zum Einsturz brachte. „Unsere Arbeit ist nicht direkt auf die amerikanische Infrastruktur anwendbar, da das Problem dieser Brücke viel grundlegender war und der Aufprall mit ziemlicher Sicherheit den Einsturz verursachte.“ Sie lässt sich jedoch auf andere Situationen übertragen, die tragisch endeten und nun Teil unserer jüngeren Geschichte sind, wie etwa die in Minneapolis und Mount Vernon.