Zwei Kilometer Kabel verbaut
Um dies nicht nur zu simulieren, sondern tatsächlich zu messen, wurde die OST im Auftrag des Flughafens Zürich auf dem grössten Flughafen der Schweiz aktiv: Noch vor dem Betonieren des neuen Fundaments zog das IBU-Team drei verschiedene faseroptische Kabeltypen ein – für Dehnungs-, Temperatur- und Druckmessungen. Weitere Kabel wurden bei der Herstellung der Betonplatten und der Entwässerungsrinnen eingebaut. Insgesamt wurden so rund zwei Kilometer Kabel verbaut, wobei fast jeder Millimeter eine Funktion hat. «Diese Instrumentierung erlaubt uns, die gesamte Untersuchungsfläche lückenlos zu überwachen», erklärt Bauingenieur Alessio Höttges.
Für die statische Belastungsprobe fuhr der Flughafen schweres Gerät auf: einen Lastwagen mit rund 24 Tonnen Gewicht, ein 48 Tonnen schweres Flughafenlöschfahrzeug und eine Boeing 777. Die Fahrzeuge wurden jeweils in exakt definierten Positionen platziert. Die faseroptischen Sensoren registrierten daraufhin, wie sich Dehnung, Temperatur oder Druck entlang der gesamten Struktur veränderten. Das Resultat findet sich in den speziellen Computerprogrammen des IBU wieder: vollständige Verformungsprofile von Platten, Rinnen und Fundamenten.
Antonio Salazar Vásquez, der neben seiner Forschungstätigkeit am IBU an der ETH Zürich promoviert, beschreibt das Prinzip so: «In einem faseroptischen Kabel wird Licht entlang der gesamten Strecke geschickt. Wenn sich der Beton verformt oder erwärmt, verändert sich das zurückgestreute Licht minimal – und genau daraus erkennen wir an jedem Punkt, wie stark die Struktur belastet ist.»
Thermische Effekte übertreffen mechanische Belastungen
Die Messresultate zeigen: Die getesteten Bauteile halten den enormen Fahrzeug- und Flugzeuglasten insgesamt gut stand. Doch sie offenbaren auch einen bislang unterschätzten Einflussfaktor: die Temperatur. «Unsere Messungen zeigen, dass Temperaturveränderungen deutlich grössere Verformungen in den Betonplatten verursachen als sämtliche Fahrzeug- und Flugzeuglasten», sagt Salazar Vásquez zusammenfassend. Um das besser zu verstehen, lohnt sich ein kleiner Ausflug in die Physik: Materialien dehnen sich bei Erwärmung aus und ziehen sich bei Abkühlung zusammen. Entscheidend ist, wie stark – und das besagt der sogenannte Wärmeausdehnungskoeffizient. Verformungen stellen ein Problem dar, da sie zu ungewollten Wasseransammlungen führen oder die Funktion etwa von Rädern beeinträchtigen. Dadurch kommt es zu erhöhtem Verschleiss und einer verkürzten Lebensdauer der Bauteile.
Ein Temperaturanstieg von lediglich acht Grad Celsius – an einem milden Herbsttag – führte zu grösseren Dehnungen als das Fahrwerk der Boeing 777. Anders formuliert: Die thermische Verformung war höher als die mechanische. Diese Problematik dürfte sich künftig akzentuieren, wie Alessio Höttges betont: «Die Temperaturspanne wird in der Schweiz infolge des Klimawandels grösser werden – damit steigen auch die Belastungen für die Bauteile.» Dazu heisst es auf der Informationsplattform von MeteoSchweiz zum Klimawandel: «Die Häufigkeit sowie die Intensität extremer Temperaturen werden deutlich zunehmen.» Eine zentrale Empfehlung lautet daher: Bei der Beschaffung der Bauteile sollte verstärkt auf deren Temperaturresilienz geachtet werden. Konkret geht es etwa um die Wahl des Betons.
Mikrofraktur im Fundament
Neben den grossen Linien gab es eine überraschende Detailbeobachtung aufgrund der Messungen: Während die Entwässerungsrinne eines Herstellers alle Belastungen schadlos überstand, zeigte das Fundament einer anderen Rinne eine Mikrofraktur, also einen sehr kleinen Riss. Die Sensoren registrierten lokale Zugdehnungen, die über dem lagen, was Beton üblicherweise toleriert. Das Ergebnis: ein feiner Riss, der sich vom unteren Bereich des Fundaments nach oben ausbreitete. Negative Auswirkungen auf die Sicherheit des Flugbetriebs hatte dieser Befund jedoch nicht. Für das Projektteam ist dies dennoch ein wichtiger Hinweis auf potenzielle Schwachstellen im Bauteildesign. Es ist aber auch ein Beispiel dafür, wie frühzeitige faseroptische Messungen kritische Entwicklungen sichtbar machen können.
Weitere Messungen problemlos möglich
Die Messungen des IBU sind Momentaufnahmen, kein kontinuierliches Monitoring. Doch die Infrastruktur dazu ist bereits eingebaut: Die Lichtwellenleiter liegen dauerhaft im Beton. Neue Messkampagnen – auch mit anderen Fragestellungen – könnten jederzeit und ohne Bagger und Beton wieder aufgenommen werden. «Rein technisch müssten wir nur die Messgeräte wieder anschliessen», sagt Salazar Vásquez.
Professor Rabaiotti sieht im Projekt einen weiteren Meilenstein: «Der Einsatz faseroptischer Technologien liefert uns wertvolle Einblicke in das Tragverhalten von Bauwerken – nicht nur am Flughafen, sondern grundsätzlich im Hoch-, Tief- und Wasserbau.» Der im Projekt unter anderem verwendete Drucksensor ist eine Neuentwicklung im Rahmen des Projekts FibraDike, worauf die OST im August 2025 das Patent erhalten hat. Rabaiottis Fazit: «Was wir am Flughafen gelernt haben, kann dazu beitragen, Bauteile und Bauwerke künftig robuster, sicherer und langlebiger zu machen.» Die Methode gewinnt also weiter an Flughöhe.
Kontakt
Prof. Dr. Carlo Rabaiotti
Leiter IBU Institut für Bau und Umwelt
+41 58 257 49 75
carlo.rabaiotti@ost.ch