Hängebrücken, technische Meisterwerke, die weite Wasserwege überspannen und Gemeinschaften verbinden, verlassen sich für ihre strukturelle Integrität auf eine oft übersehene Komponente: das Hauptkabel. Diese massiven Anordnungen, die aus Tausenden von einzelnen Stahldrähten bestehen, tragen das gesamte Gewicht des Brückendecks und der Verkehrsbelastung – oft über Hunderttausende von Tonnen – und übertragen diese Kräfte auf die Brückentürme und Ankerpunkte.

Jüngste Forschungsergebnisse des Los Alamos National Laboratory haben erhebliche Fortschritte beim Verständnis erzielt, wie diese Kabel die Belastung intern verteilen. Mithilfe der Neutronenbeugungstechnologie haben Wissenschaftler die entscheidende Rolle der Reibung zwischen den Drähten bei der Spannungsübertragung aufgedeckt – ein Ergebnis, das konventionelle technische Annahmen in Frage stellt.

Hauptkabel stellen anspruchsvolle Verbundstrukturen dar und keine einfachen Drahtbündel. Ihr Kern besteht aus dicht gepackten, verzinkten Drahtlitzen, die in sechseckigen Mustern angeordnet sind, um eine optimale Verdichtung zu erreichen. Eine äußere Schicht aus kontinuierlichen, vorgespannten Drähten umhüllt diesen Kern und wird in regelmäßigen Abständen durch Radialklemmen gesichert, die die strukturelle Integrität erhalten und die Spannungsübertragung auf eventuell gebrochene Drähte verbessern.

Zum Vergleich: Die Kabel der Manhattan Bridge mit einem Durchmesser von 50 cm enthalten etwa 8.500 bis 9.000 Drähte, während größere Strukturen wie die Golden Gate Bridge Kabel mit fast einem Meter Durchmesser und über 28.000 einzelnen Drähten aufweisen. Diese Kabel halten enormen Zugkräften stand, die durch permanente Lasten (Brückengewicht), Nutzlasten (Verkehr) und Umweltfaktoren wie Wind und seismische Aktivität entstehen.

Die Analyse der Lastverteilung innerhalb von Kabeln stellt einzigartige theoretische und experimentelle Schwierigkeiten dar. Die traditionelle Finite-Elemente-Analyse hat Schwierigkeiten, die komplexen Wechselwirkungen zwischen Tausenden von Drähten genau zu modellieren, insbesondere an Kontaktpunkten, an denen Reibungskoeffizienten, lokale Verformungen und Kontaktflächen schwer zu messen oder zu schätzen sind.

Das Forschungsteam überwand diese Einschränkungen, indem es die Neutronenbeugung einsetzte – eine zerstörungsfreie Technik, die die elastische Dehnung in Materialien misst, indem sie Veränderungen im Atomgitterabstand erfasst. Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen dringen Neutronen tief in Materialien ein, ohne sie zu beschädigen, und ermöglichen so eine beispiellose Untersuchung der inneren Spannungen in Kabelproben im Betriebsmaßstab.

Die Experimente zeigten, dass die einzelnen Drahtdehnungen erheblich von den Randbedingungen an den Klemmstellen und den radialen Druckkräften abhängen. Insbesondere erwies sich die Reibung zwischen den Drähten als weitaus größer als bisher angenommen – eine Erkenntnis, die eine Neubewertung der konventionellen Kabelspannungsmodelle erforderlich macht.

Diese Entdeckung hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Brückensicherheit. Durch die Berücksichtigung von Reibungseffekten in der Spannungsanalyse können Ingenieure die Lastverteilungen genauer vorhersagen, wodurch möglicherweise die Lebensdauer der Kabel verlängert und katastrophale Ausfälle verhindert werden. Die Methodik ermöglicht auch die Erkennung von gebrochenen Drähten und lokalen Defekten, die die strukturelle Integrität beeinträchtigen.

Die im Journal of Experimental Mechanics zur Veröffentlichung angenommene Forschung eröffnet neue Wege für den Brückenbau. Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Entwicklung fortschrittlicher Finite-Elemente-Modelle konzentrieren, die Reibungseffekte berücksichtigen, und auf die Untersuchung von Kabelmaterialien der nächsten Generation. Das Team plant außerdem, die Neutronenbeugung an Echtzeit-Systeme zur Überwachung des strukturellen Zustands anzupassen, die die Wartungspraktiken von Brücken revolutionieren könnten.

Dieser technologische Durchbruch stellt mehr als nur einen akademischen Fortschritt dar – er bietet greifbare Vorteile für die Infrastruktursicherheit weltweit. Da Hängebrücken altern und die Verkehrsbelastung zunimmt, wird eine genaue Beurteilung des Kabelzustands immer wichtiger. Der Neutronenbeugungsansatz bietet Ingenieuren leistungsstarke neue Werkzeuge, um diese kritischen Verkehrsanbindungen zu schützen und ihren dauerhaften Dienst für kommende Generationen zu gewährleisten.