Metalllegierung mit Formgedächtnis soll Brücken verstärken
Um ganze Brückendecks vorspannen zu können, haben Schweizer Forscher eine Eisen-Mangan-Silizium-Legierung mit Formgedächntnis entwickelt. Eingearbeitet in Betonträger, zieht sie sich zusammen, sobald Strom hindurchfließt und die Aktivierungstemperatur von 160 Grad Celsius erzeugt.
Bauarbeiten an einem Bogen der Unstruttalbrücke bei Karsdorf (Sachsen-Anhalt): Die Spannbetonkonstruktion ist Teil der ICE-Neubaustrecke Erfurt-Leipzig/Halle, die im September 2014 fertiggestellt sein soll. In solchen Bauwerken könnte die Legierung mit Formgedächtnis zukünftig zum Einsatz kommen.
Foto: dpa/Jan Woitas
Ein verbogenes Brillengestell braucht nur heißes Wasser und sofort dehnt und zieht es sich wieder in seine ursprüngliche Form. Möglich machen das Legierungen mit Formgedächtnis, auf Englisch heißen sie Shape Memory Alloys (SMA). Diese speziellen Werkstoffe haben inzwischen viele Bereiche erobert: Vom Weltraum bis zum menschlichen Körper, wo winzige Stützsysteme, so genannte Stents, Blutgefäße offenhalten. Das Technik-Institut Empa der ETH Zürich will SMAs nun für den Baubereich nutzbar machen, um damit etwa Brücken zu verstärken.
Aktivierung funktioniert schon bei 160 Grad Celsius
Allerdings braucht man im Baubereich andere Lösungen als beispielsweise Nickel-Titan-Legierungen, die bei Brillen verwendet werden. Interessanter sind Produkte auf Eisenbasis, die um einiges günstiger sind. Allerdings musste dieses Material bisher auf bis zu 400 Grad Celsius erhitzt werden, damit es sich an seine ursprüngliche Gestalt erinnert. Eine viel zu hohe Temperatur, wenn Beton oder Mörtel verarbeitet werden sollen. Doch diese Hürde haben die Empa-Forscher überwunden: Sie entwickelten im Labor neuartige Eisen-Mangan-Silizium-Legierungen, die sich bereits bei rund 160 Grad Celsius aktivieren lassen.
Diesen Betonbalken haben die Forscher mit zwei in Schlitzen eingelegten SMA-Lamellen verstärken lassen. Strom erhitzt die Lamellen und sorgt für die Vorspannung.
Quelle: EMPA
In der Praxis sieht das so aus: Wird ein Betonträger mit SMA-Stäben bewehrt, werden diese durch Hitze aktiviert und wollen sich in ihre ursprüngliche Form zusammenziehen. Was aber nicht geht, weil sie einbetoniert sind. Stattdessen entsteht eine Vorspannung.
Die SMA-Stäbe werden einfach erhitzt, indem Strom hindurchgeleitet wird. Den Empa-Forschern zufolge braucht man dann keine aufwändige Spannvorrichtung mehr und keine Hüllrohre.
System ist kostengünstiger als konventionelle Spannsysteme
Die eisenbasierte SMAs bietet auch finanzielle Pluspunkte, meint Christoph Czaderski von der Empa-Abteilung Ingenieur-Strukturen. Czaderski schätzt die Chancen der neuen Methode als gut ein, sich im Bauwesen zu etablieren. Seine Argumente dabei: Das Vorspannen wird einfacher und deshalb günstiger als mit konventionellen Spannsystemen.
Klar ist jedenfalls, dass die neuen Legierungen nicht nur im Labor mit wenigen Kilogramm funktionieren, sondern sogar im Industriemaßstab. Das zeigte vor kurzem eine Machbarkeitsstudie, die von der Kommission für Technologie und Innovation (KTI) finanziert wurde. Der Herstellungsprozess wurde mit der österreichischen Universität Leoben, der deutschen TU Bergakademie Freiberg und der deutschen Firma G. Rau entwickelt.
Aufbauend auf den Empa-Entwicklungen wurde 2012 das Start-up re-Fer gegründet. Es soll das eisenbasierte SMA fürs Bauwesen produzieren und vertreiben – etwa vorfabrizierte Elementen wie Platten, Säulen, Rohre und Silos. Die Kosten sollen dabei in der Größenordnung des rostfreien Edelstahls liegen.
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