Neue Nutzung von Formgedächtnislegierungen 01.07.2019, 14:53 Uhr

Smarter Stahl verhindert Erdbebenschäden

Das Bauwesen sucht schon seit langer Zeit nach Materialien, die extrem hohen Belastungen, wie einem Erdbeben, Stand halten können und das Gebäude schützen. Der Einsatz solcher Materialien scheiterte bislang an den zu hohen Kosten. Forschern an der Universität Kassel ist es nun gelungen, einen smarten Stahl zu entwickeln, der kostengünstig und in ausreichender Menge herstellbar ist.

Die Wissenschaftler (v.l.n.r.): Tizian Arold, Sebastian Degener, Prof. Dr.-Ing. Thomas Niendorf, Malte Vollmer.

Die Wissenschaftler (v.l.n.r.): Tizian Arold, Sebastian Degener, Prof. Dr.-Ing. Thomas Niendorf, Malte Vollmer.

Foto: Universität Kassel

Formgedächtnislegierung macht Betonbauten erdbebensicher

Stents, das sind Röhrchen aus speziellem Draht zur Stabilisierung von Adern, werden oft in zusammengequetschtem Zustand dahin gebracht, wo sie das Gewebe stützen sollen. Die Wärme des Körpers lässt sie auf ihr Nennmaß wachsen. Sie bestehen aus so genanntem Gedächtnismaterial, das eine einmal erlernte Form immer wieder annimmt, wenn es erwärmt oder anderweitig angeregt wird.

Eine solche Formgedächtnislegierung ließe sich auch nutzen, um Stahl- und Stahlbetonbauten erdbebensicher zu konstruieren. Nach Erschütterungen nehmen diese ihre alte Form wieder ein. Doch das Material ist extrem teuer. Daher wird es nur eingesetzt, wenn es weniger auf Kosten als auf Wirkung ankommt.

Kostengünstige Herstellung von großen Mengen

Künftig gibt es die Kosteneinschränkung nicht mehr. Thomas Niendorf, Professor am Institut für Werkstofftechnik an der Universität Kassel, der das Fachgebiet metallische Werkstoffe vertritt, und sein wissenschaftlicher Mitarbeiter Malte Vollmer haben gemeinsam mit Kollegen der Technischen Universität Bergakademie Freiberg und des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden eine Legierung entwickelt, die so kostengünstig ist, dass sie auch in großen Mengen bezahlbar ist.

Sie basiert auf einer Eisenlegierung, die bereits Formgedächtniseigenschaften besitzt. Sie nimmt ihre Anfangsgestalt wieder ein, wenn sie mechanisch angeregt wird. Eine Wärmezufuhr ist nicht nötig. Zunächst gelang es lediglich, kleine Proben dieses Materials herzustellen. Durch veränderte Produktionsschritte und zusätzliche Legierungszusätze gelang es, größere einkristalline Bauteile herzustellen, die ein mechanisches Formgedächtnis haben. Sie sind, wie Wissenschaftler sagen, pseudoelastisch.

Brücken und Bauwerke widerstehen Erdbeben

„Der smarte Stahl wird es erlauben, Brücken und Bauwerke in gefährdeten Regionen vor Schädigung und Zerstörung durch Erdbeben oder auch durch hohe Verkehrslasten zu schützen“, ist sich Niendorf sicher. Er sieht in dem neuen Material ein enormes Potenzial für die deutsche Wirtschaft: „Von Verbindungselementen für den Holz- und Massivbau bis zu Bewehrungselementen für Betonbauten ist der Einsatz denkbar. Die deutsche Stahlbranche setzt auf hochspezialisierte Stahlgüter, die Baubranche wählt ebenfalls hochentwickelte Baustoffe wie ultrahochfeste Betone. Ein hohes Interesse dieser in Deutschland wichtigen Branchen ist offensichtlich.

Der smarte Stahl könnte einem Verfahren Konkurrenz machen, Betonbrücken statt mit Stahl mit Kohlenstoffasern zu armieren. Diese sind, weil diese Fasern nicht korrodieren, weitaus langlebiger als etwa die maroden Autobahnbrücken bei Leverkusen und Duisburg. Sie können auch Schwingungen besser dämpfen.

Es geht auch mit Holz

Auch aus Holz lassen sich erdbebensichere Bauwerke errichten. Das Material nimmt durch Reibung und Verformung große Mengen an Energie auf, beispielsweise die Erschütterungen bei einem Erdbeben. Im Projekt Optimber-Quake hat Werner Seim, Professor des Fachgebiets für Bauwerkserhaltung und Holzbau an der Kasseler Hochschule, mit seinem Team die Voraussetzungen dafür geschaffen, diesen Werkstoff verstärkt in erdbebengefährdeten Gebieten einzusetzen. In einer aufwändigen Versuchsreihe mit hölzernen Wandelementen bis zu einer Größe von 2,50 Metern ermittelten die Forscher Berechnungsgrundlagen für die Konstruktion von Gebäuden, die Erschütterungen aushalten, wie sie in realen Erdbeben in Japan, USA und Italien vorgekommen sind. Die Holzwirtschaft in Deutschland und die EU finanzierten das Projekt mit 800.000 Euro, von denen 480.000 nach Kassel flossen.

Montagegeschwindigkeit, Qualitätssicherung durch Leichtbau und Vorfertigung, die Umweltverträglichkeit des Baustoffs und die langfristige Bindung des darin gespeicherten Kohlendioxids sind für Seim wichtige Argumente für das Bauen mit Holz.

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