memory-steel – ein neues Material zur Verstärkung von Bauwerken

Bislang wurden die Stahl-Armierungen in Betonbauwerken meist hydraulisch vorgespannt. Dazu sind Hüllrohre für die Führung der Spannkabel, Anker zur Kraftübertragung und ölgefüllte Hydraulikpressen notwendig. Der Raumbedarf all dieser Apparaturen schuf die geometrischen Rahmenbedingungen für jedes Bauwerk aus Spannbeton; die nachträgliche Versteifung älterer Bauten scheitert daher bisweilen am hohen Platzbedarf dieser bewährten Methode.

In rund 15 Jahren Forschungsarbeit haben Experten der Empa und des Spin-offs re-fer AG nun eine alternative Methode zur Serienreife gebracht: Formgedächtnislegierungen auf Eisenbasis, die sich beim Erhitzen zusammenziehen und die Betonstruktur so dauerhaft vorspannen.

Auf hydraulische Vorspannung kann dadurch verzichtet werden – es genügt, den Stahl kurz zu erhitzen, etwa durch elektrischen Strom oder mittels Infrarotstrahler. Unter dem Namen «memory-steel» wird der neue Baustoff ab sofort vertrieben. Mehrere Pilotprojekte, etwa die Verstärkung von diversen Stahlbetondecken, verliefen bereits erfolgreich.

Entwicklung von memory-steel

Die Entwicklung von memory-steel begann Anfang der 2000er Jahre. Schon in den Jahrzehnten zuvor hatte die Empa Pionierarbeit in der nachträglichen Verstärkung von Beton mittels Kohlefaser-verstärktem Kunststoff (CFK) geleistet. So entstand die Idee, Formgedächtnislegierungen zur Vorspannung von Beton zu verwenden. Erste Versuche mit Nickel-Titan-Legierungen verliefen positiv.

Doch das aus der Medizin bekannte Material ist für den Einsatz im Baubereich viel zu teuer. 2009 gelang es den Empa-Forschern dann, eine Formgedächtnislegierung auf Eisen-Basis zu entwickeln, die sie auch patentieren liessen. 2012 gründeten Forscher um Julien Michels schliesslich die Firma re-fer AG; Michels amtet seitdem als CEO der Jungfirma.

Neue Möglichkeiten für alte Gebäude

memory-steel soll zunächst vor allem dazu verwendet werden, bestehende Gebäude nachträglich zu verstärken. Sobald zum Beispiel in die Betonstruktur eines Altbaus neue Fenster, Türen oder Aufzugsschächte eingebaut werden, ist eine Verstärkung der Tragstruktur oft unumgänglich. Bei Industriegebäuden muss bisweilen die Traglast einer alten Zwischendecke erhöht werden.

Dank memory-steel sind solche Aufgaben nun auch in engen Räumen gut lösbar: Entweder wird ein Streifen des Spezialstahls mittels Dübeln unter der Decke befestigt und dann mit Strom oder per Infrarotstrahler erhitzt. Alternativ dazu kann die Verstärkung auch einbetoniert werden:

Dazu wird zunächst ein Schlitz in die Oberfläche der Betondecke gefräst, dann ein gerippter Bewehrungsstab aus memory-steel in die Vertiefung eingelegt und mit Spezialmörtel verfüllt. Zum Schluss wird das Profil mit Hilfe von Gleichstrom erhitzt und so vorgespannt. Eine weitere Variante ist das Einbetten des Bewehrungsstabs in eine zusätzliche Spritzbetonschicht.

Beton-Fertigteile mit spezieller Geometrie

In Zukunft könnte memory-steel auch ein probates Mittel sein, um Beton-Fertigteile mit einer bislang nicht gekannten Geometrie zu fertigen. Bei den bislang üblichen, hydraulischen Vorspannungen entsteht Reibung bei gekrümmten Strukturen, was den Einsatz dieser Methode stark einschränkt. Mit einem einbetonierten Profil aus memory-steel werden nun auch stark gebogene Konstruktionen möglich: Das Profil zieht sich beim Erhitzen gleichmässig über die ganze Länge ohne Reibungsverluste zusammen und überträgt die Spannung auf den Beton.

Markteinführung von memory-steel

Die einbaufertigen Profile aus memory-steel werden von der Voestalpine Böhler Edelstahl GmbH & Co KG in Österreich hergestellt. Ausserdem entwickelt die Firma gemeinsam mit re-fer und der Empa die Zusammensetzung der Legierung weiter.

Das neue Baumaterial memory-steel wird in vier Fachtagungen interessierten Baufachleuten und Architekten präsentiert. Als Ansprechpartner stehen Experten von re-fer, Forscher der Empa, Betonfachleute der Sika AG und des Betonprofilherstellers Stahlton AG zur Verfügung.

Termine der Fachtagungen
30. Oktober 2018 Empa, Dübendorf – 13.15 h bis 16.45 h
31. Oktober 2018 Empa, St.Gallen – 13.15 h bis 16.45 h
5. November 2018 FH Luzern – 13.15 h bis 16.45 h
7. November 2018 Kursaal Bern – 13.15 h bis 16.45 h

Dr. Christoph Czaderski
Empa, Structural Engineering
Tel.: +41 58 765 4216
Christoph.Czaderski@empa.ch

Dr. Julien Michels
re-fer AG
Tel.: +41 58 765 4339
jmichels@re-fer.eu

Rainer Fluch
voestalpine BÖHLER Edelstahl GmbH & Co KG
Tel.: +43 3862 203 60 62
rainer.fluch@bohler-edelstahl.at

J Michels, M Shahverdi, C Czaderski; Flexural strengthening of structural concrete with iron-based shape memory alloy strips; Structural Concrete (2018); DOI: 10.1002/suco.201700120
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/suco.201700120

https://www.empa.ch/web/s604/memory-steel