263 Vorgespannte Tragwerksverstärkung mit Fe-SMA - memory-steel Dipl.-Ing. Dr. sc. ETH Zürich Bernhard Schranz re-fer GmbH, Müllheim, Deutschland re-fer Austria GmbH, Traiskirchen, Österreich Dr.-Ing. Eva-Maria Ladner Sika Deutschland GmbH, Stuttgart, Deutschland Dipl-Bauing. Dr.sc. Julien Michels, MBA re-fer AG, Seewen, Schweiz Zusammenfassung Aufgrund stetiger Alterungsprozesse, Lasterhöhungen, sowie veränderten Nutzungsanforderungen ist die Tragwerksverstärkung von Bestandsbauten zu einer Hauptaufgabe in der Bauindustrie geworden. Dies bedingt neben der Erhöhung der Traglast auch die Einhaltung von Durchbiegungen, Rissbreiten und Spannungen der internen Bewehrung, wodurch vorgespannte Systeme effektive Lösungen darstellen können. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften ermöglichen eisenbasierte Formgedächtnislegierungen (memory-steel) neuartige strukturelle Verstärkungsanwendungen und wurden bereits bei einer Vielzahl von Bauwerksertüchtigungen eingesetzt. Besonders der Formgedächtniseffekt findet Anwendung in der Bauwerksertüchtigung, womit eine permanente Vorspannung im Bauteil erzeugt werden kann. Diese Vorspannung kann über mechanische oder zementöse Verankerungen in die Tragstruktur eingeleitet, und damit neben dem erhöhten Tragwiderstand auch den Grenzzuständen der Gebrauchstauglichkeit Rechnung getragen werden. 1. Einleitung Aufgrund steigender Verkehrslasten und erhöhter Verkehrsfrequenz, aber auch Umgebungseinflüssen nimmt die Ertüchtigung von Bestandsbauwerken eine zentrale Rolle von Tragwerksplanern ein. Neben erhöhter Traglast bestimmen regelmäßig auch die Limitation von Durchbiegungen, Rissen und Spannungen in internen Bewehrungen die erforderliche Verstärkungslösung. Es ist bekannt, dass vorgespannte Systeme im Gegensatz zu nicht vorgespannten Systemen signifikante Erhöhungen der Tragwerksperformance in diesem Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit bewirken können. Die Ertüchtigung von Bestandsbauwerken mit vorgespannten Systemen ist jedoch oft mit erheblichem Aufwand in Bezug auf Kosten, Arbeitszeit und strukturellem Eingriff in das Tragwerk verbunden. Speziell bei kleineren Bauwerken sind herkömmliche vorgespannte Ertüchtigungssysteme nicht zielführend. Innovative Verstärkungsverfahren basierend auf memory-steel, einer eisenbasierten Formgedächtnislegierung, bieten interessante Möglichkeiten zur vorgespannten Tragwerksertüchtigung. Eine spezielle Eigenschaft dieses Materials, der sogenannte Formgedächtniseffekt, bewirkt, dass sich das Material nach einer Deformation beim Erhitzen zusammenzieht. Wenn das Material jedoch durch eine Befestigung an einem strukturellen Bauteil wie einem Balken oder Platte festgehalten wird, entwickelt sich statt einer Formrückgewinnung eine mechanische Rückumwandlungsspannung. Diese Rückumwandlungsspannung bleibt nach dem Abkühlen erhalten und kann als Vorspannung in das Bauwerk eingeleitet werden. Im Vergleich zu schlaffen Verstärkungsmaßnahmen können somit bestehende Durchbiegungen, Rissbreiten und Spannungen in der Bestandsbewehrung reduziert werden. Da die Vorspannung durch den Formgedächtniseffekt hervorgerufen wird, sind keine hydraulischen Spannsysteme notwendig. Dadurch ist auch nicht mit Reibungsverlusten zu rechnen, da die Vorspannkraft in jedem infinitesimalen Querschnitt des Verstärkungsglieds aktiviert wird. Im Gegensatz zu schlaffen Bewehrungen ist dieses Material auch durch die initiale Spannung bereits aktiv und muss nicht erst durch Deformationen des Bestandsbauteils erst aktiviert werden. Die memory-steel Verstärkung wirkt dadurch auch gegen bestehende Lasten und ist nicht nur gegen Lasten aktiv, welche nach der Installation der Verstärkung aufgebracht werden. In diesem Beitrag wird der Forschungshintergrund, die Materialeigenschaften, die verschiedenen Bewehrungsprofile und mögliche Anwendungen beschrieben. 2. Forschungshintergrund 2.1 Materialeigenschaften Der Formgedächtniseffekt wird durch eine Kristallgitterumwandlung im Material hervorgerufen. Ausgehend von einer austenitischen Kristallstruktur nach der Produktion wird das Material zuerst einer Deformation bei Raumtemperatur unterzogen. Dadurch werden Teile des Kristallgitters in Martensit umgewandelt. In diesem Zustand wird das Material auf die Baustelle geliefert und am strukturellen Bauteil installiert. Anschliessend wird die Legierung durch einen Gasbrenner, durch Infrarotstrahlung, oder durch Elektrizität erhitzt, und damit der Formgedächtniseffekt aktiviert. Hierbei werden die mar- 264 Vorgespannte Tragwerksverstärkung mit Fe-SMA - memory-steel tensitischen Kristallstrukturen wieder in ein austenitisches Gitter übergeführt [1-5]. Die Verwendung dieses Formgedächtniseffektes als Vorspannung durch Festhaltungen wurde in einigen Studien untersucht, [6-7], wobei mehrere mögliche Anwendungen gefunden wurden. memory-steel ist eine Art eisenbasierte Formgedächtnislegierung (Fe-SMA), welche speziell für die Bauindustrie zur Erzielung einer hohen Rückumwandlungsspannung und Steifigkeit entwickelt wurde [8-10]. Diese Legierung wurde anschließend umfassend getestet und zu Produkten weiterentwickelt. Bei quasi-statischer Belastung zeigt der Werkstoff ein nichtlineares Spannungs-Dehnungs-Verhalten mit höheren Zugfestigkeiten und Bruchdehnungen als herkömmlicher Bewehrungsstahl. Die Zugfestigkeit liegt zwischen f u =800-- 1000- MPa und die Bruchdehnung bei ε u =20-35- %. Die Rückumwandlungsspannung bei Festhaltung hängt hauptsächlich von der anfänglichen Verformung (Vordehnung) und den Erwärmungstemperaturen ab. Die Spannungen erreichen zwischen ca. 300-500 MPa für Vordehnungen von ca. 2-4 % und Erwärmungstemperaturen zwischen ca. 160-400 °C [11-12]. Das Spannungs-Dehnungs-Verhalten während der Vordehnung, der Aktivierung und der Belastung ist anfänglich linear und dann in den verschiedenen Lastphasen nichtlinear (siehe Abbildung 1). Abbildung 1. Spannungs-Dehnungs-Diagramm von memory®-steel in verschiedenen Zuständen. Das Materialverhalten bei zyklischen und Ermüdungsbelastungen wurde in [13] untersucht und zeigt vorteilhafte Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichem Bewehrungsstahl. Die Korrosionsbeständigkeit wurde in [14] bewertet und zeigte ebenfalls eine höhere Beständigkeit als herkömmlicher Bewehrungsstahl. Das Spannung-Relaxations-Verhalten wurde an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) über mehrere Jahre untersucht. Die Extrapolation neuerer Daten legt nahe, dass die Spannungsrelaxation nach einer Dauer von 50 Jahren etwa 15 % beträgt. Das Material von memory®-steel zeigt weiters bei erhöhten Temperaturen ein ähnliches Verhalten wie herkömmlicher Baustahl [15]. 2.2 Verbund- und Verankerungsverhalten Die Interaktion von memory®-steel Bewehrungen mit Baumaterialien wie Beton, Stahl, Holz und Glas wurde in verschiedenen Studien untersucht. Die mechanische Befestigung von memory®-steel Lamellen („re-plate“) auf Beton wurde erstmals in [16-17] untersucht. Die Befestigung mittels Direktbefestigung (Nägel, siehe Abbildung 2) zeigte eine ausreichende Tragfähigkeit und Verformungseigenschaft [18] für die Verwendung als Verstärkungssystem auf Betonstrukturen. Abbildung 2. Versuchsstand für Verankerungsversuche von memory®-steel Lamellen (re-plate) Die Verbundeigenschaften von gerippten Stäben aus memory®-steel, vollständig einbetoniert [19] und oberflächennah mittels Sika Mörtelprodukten montiert (NSM) [20-22] wurde bereits in mehreren Studien gezeigt (siehe Abbildung 3). Auch nachträgliche Bewehrungsanschlüsse wurden experimentell untersucht und deren Tragfähigkeit nachgewiesen (Publikation eingereicht). Abbildung 3 Links: Links: Verankerungsversuche memory-steel Bewehrungsstäbe (re-bar) für NSM, Rechts: Verankerungsversuche von nachträglich angeschlossenen memory-steel Bewehrungsstäben In allen Untersuchungen wurden ausreichende Verbundeigenschaften, ähnlich zu herkömmlichem Rippenstahl, festgestellt, um die Kräfte aus der Rückumwandlungsspannung und den zusätzlichen Kräften aus äußeren Einwirkungen zu übertragen. Einige Beispiele für diese Verankerungsversuche im Beton sind in der Abbildung 2 dargestellt. 265 Vorgespannte Tragwerksverstärkung mit Fe-SMA - memory-steel 2.3 Systemverhalten Die Wirkungsweise von memory®-steel-Bewehrungen für Betonkonstruktionen wurde in mehreren großmaßstäblichen Laboruntersuchungen gezeigt. memory®steel-Lamellen/ Bänder („re-plate“) mit der genagelten Direktbefestigung und deren Verwendung als verbundloses Verstärkungsverfahren für Betonträger wurde in [23] untersucht (siehe Abbildung 4). Abbildung 4. Stahlbetonbalken verstärkt mit einer memory®-steel Lamelle, befestigt durch Direktbefestigung, im Zuge der Untersuchungen aus [23] In den Untersuchungen wurden signifikante Verbesserung in Bezug auf Risslast, Fließlast und Bruchlast (Betonstauchen in der Druckzone) festgestellt. Es wird angemerkt, dass zusätzlich zu diesen Lasterhöhungen ein duktiles Strukturverhalten beibehalten wurde (siehe Abbildung 5). Als Vergleich wurde ein Versuchsbalken mit einer nichtvorgespannten CFK-Lamelle (CFRP strip) der gleichen axialen Steifigkeit verstärkt. Wie in Abbildung 5 ersichtlich, konnte mit memory-steel deutliche Verbesserungen in Bezug auf Risslast, Fließlast und Duktilität (Stauchen der Druckzone bei re-plate und Abplatzen der CFK Lamelle bei Maximallast) erzielt werden. Andere Befestigungsarten wurden in [24] untersucht, die ebenfalls die gleichen signifikanten strukturellen Verbesserungen zeigten. Abbildung 5. Last-Durchbiegungs-Diagramm verschiedener Balkenversuche mit memory-steel und CFK-Verstärkung, aus [23] In weiteren Studien wurde die Funktion von memory®steel -Bewehrungsstäben („re-bar“) zur Verstärkung von Betonstrukturen mechanisch fixiert [25], sowie im Sika Betonersatzmörtel [26-28] (siehe Abbildung 7) und Spritzmörtel [29] untersucht, wobei ebenfalls signifikante Erhöhungen der Traglast und der Gebrauchslast festgestellt wurden. Abbildung 6. Oben: Biegeversuch einer 5m-langen Stahlbetonplatte, verstärkt durch fünf memory-steel Stäbe Ø10-mmm im flächigen Betonersatzmörtel. Unten: Biegeversuch einer 5m-langen Stahlbetonplatte, verstärkt durch fünf eingeschlitzte memory-steel Stäbe Ø10-mm 266 Vorgespannte Tragwerksverstärkung mit Fe-SMA - memory-steel Wie in Abbildung 7 ersichtlich, wurde bei beiden Varianten die Risslast, Fließlast, Bruchlast maßgeblich erhöht und die Duktilität beibehalten. Der Versagensmodus war durch Stauchen des Betons in der Druckzone gekennzeichnet. Während der gesamten experimentellen Untersuchungen wurde weder ein sprödes Versagen des Bauteils noch der Verstärkungssysteme beobachtet. Bei allen Untersuchungen wurde die erfolgreiche Übertragung der Rückumwandlungsspannung von der memory®-steel -Bewehrung in das Bauteil ohne lokale Schäden beobachtet. Abbildung 7 Links: Vergleich der Resultate von Biegeversuchen von Zweifeld-Stahlbetonplatten, verstärkt durch mit fünf memory®-steel Bewehrungsstäben, aus [27] Auch das Langzeitverhalten von mit memory®-steel -Bewehrungen verstärkten Betonkonstruktionen wurden in [30], sowie laufenden Studien untersucht, wobei unter konstanten Lasten zwischen Risslast und Fließlast kein Versagen oder auffällige Langzeitverformungen unter Umwelteinflüssen festgestellt wurde. Die Funktion von memory®-steel-Verstärkungssystemen in Kombination mit einem zementgebundenen Brandschutz-Spritzmörtel (SikaCem® Pyrocoat) im Brandfall wurde an der MFPA Leipzig unter genormten Bedingungen (ETK-Kurve) nach DIN EN 13381-3: 2015-06 und DIN EN 1363-1: 2020-05 geprüft [31]. Laut dem Prüf bericht, sowie der damit verbundenen gutachterlichen Stellungnahme [32] wurde einerseits eine signifikante Lasterhöhung im Gegensatz zum unverstärkten Bauteil festgestellt, und andererseits weder bei der Verstärkungsmaßnahme, noch bei der verstärkten Struktur Anzeichen eines Versagens festgestellt, bis der Versuch nach 120 min Beflammung unter Dauerlast abgebrochen wurde. Der Prüfkörper vor der Applikation des Brandschutzmörtels ist in Abbildung 8 dargestellt. Abbildung 9 zeigt den Versuchskörper wären der Beflammung. Abbildung 8. Versuchsplatte verstärkt durch vier memory®-steel Lamellen (re-plate), Befestigt mittlels Direktbefestigung vor der Applikation des Brandschutzmörtels Abbildung 9. Beflammung der mit memory®-steel re-plates und SikaCem® Pyrocoat verstärkten Stahlbetonplatte Vorgespannte Schubverstärkung aus mit memory®-steel Lamellen und Rippenstäben wurde in [33-34] erfolgreich demonstriert. Auch die Funktion von memory®-steel- Bewehrungen für Stahlkonstruktionen wurde in genagelter [35], geklebter [36] oder mechanisch befestigter [37] Ausführung nachgewiesen. Es wurde gezeigt, dass durch die Vorspannung das Ermüdungsrisswachstum im Stahluntergrund gestoppt werden kann. Weiters wurde die Ertüchtigung von Stahlverbindungen erstmals in [38] demonstriert. Das erste Pilotprojekt für die Verwendung von memory®-steel Lamellen als vorgespannte Tragwerksverstärkung fand im Jahr 2017 in der Schweiz statt. Bei diesem Projekt wurde angestrebt, bestehende Biegerisse und Deformationen in einer Stahlbetonplatte zu reduzieren und die Tragfähigkeit zu steigern. Bei einer weiteren Baustelle im Jahr 2017 in Frankreich wurde mittels kontinuierlicher Verschiebungsmessung eine Rissbreitenreduktion von 0.14-mm beobachtet werden. Das verstärkte Tragwerk ist in Abbildung 10 dargestellt. 267 Vorgespannte Tragwerksverstärkung mit Fe-SMA - memory-steel Abbildung 10. Pilotprojekt zur Untersuchung der Wirksamkeit von memory-steel Lamellen zur Verringerung von Rissbreiten und Durchbiegungen, zuzüglich zur Erhöhung der Traglast Die Verstärkung von alten Stahlstrukturen mittels memory®-steel-Lamellen wurde anhand eines Pilotprojekts gezeigt, wobei die Tragfähigkeit einer 113 Jahre alten Stahlbrücke erfolgreich erhöht wurde [39] (siehe Abbildung 11). Abbildung 11. In-situ Experiment, Verstärkung und Vorspannung einer 113-Jahre alten Stahlbrücke mittels memory-steel Lamellen, aus [39] 3. Aktuelle Produkte 3.1 Externe Verstärkungslamelle (re-plate) Dieses Material ist für die äußere Anwendung auf Betonkonstruktionen konzipiert. Die Endverankerung erfolgt mittels Direktbefestigung (Nägel) mit einem Durchmesser von 4 mm. Üblicherweise wird eine konstante Anzahl von 12 Nägeln verwendet, wobei 16 vorgefertigte Löcher in der Lamelle zur Verfügung stehen. Das Material wird vorgedehnt auf die Baustelle geliefert. Für die Montage wird das Material zunächst provisorisch an der gewünschten Stelle fixiert, anschließend der Beton durch die Löcher im replate vorgebohrt und die Befestigungsmittel mittels eines pulverbetriebenen Setzgerät platziert. Die Länge zwischen den mechanischen Befestigungen verbleibt ohne Verbund. Abschließend wird re-plate entweder mittels Gasflamme oder Infrarotstrahler über seine gesamte Länge auf Temperaturen zwischen 100°C und 300°C erhitzt. Der Einsatz des Infrarotstrahlers ermöglicht es, die Heiztemperatur gezielt zu reduzieren und angrenzende Bauteile zu schützen. Beim Gasbrenner wird das Material auf eine Temperatur von 300°C erhitzt, um die maximale Vorspannung von 380 MPa zu erzeugen. Eine Beschädigung des Materials durch Überhitzung ist bei Baustellentemperaturen nicht möglich. Abbildung 12. memory-steel Bänder („re-plate“) 3.2 Stabbewehrung (re-bar und re-bar R18) Bewehrungsstäbe mit genormter Rippengeometrie aus memory®-steel können entweder in vorgefertigte Nuten eingelegt oder in Betonersatzmörtel eingebettet werden. Besonders bei auskragenden Bauteilen im Bereich negativer Biegemomente, oder für nachträgliche Bewehrungsanschlüsse hat sich die Nutlösung mit Vergussmörtel (SikaGrout®) als sehr effektiv erwiesen. Die Bewehrungsvariante im flächigen Betonersatzmörtel (Sika MonoTop®) wurde häufig im positiven Biegemomentbereich im Spritzmörtel oder im negativen Biegemomentbereich im Vergussmörtel eingesetzt. Dazu wird zunächst der schadhafte Beton hydromechanisch abgetragen und die Stäbe anschließend in der gewünschten Position fixiert. Bei beiden Varianten werden in einer ersten Phase lediglich die Stabenden über eine definierte Verankerungslänge mittels Zementmörtel an der Tragkonstruktion fixiert, um nach Aushärtung den Erwärmungsprozess durch Gasflamme und damit das Einbringen der Vorspannung zu ermöglichen. Durch das Aufbringen von Verguss- oder Spritzmörtel wird danach der Verbund zwischen Stab und Bestandskonstruktion über die gesamte Länge sichergestellt - der Rippenstab wirkt somit als innenliegendes und vorgespanntes Zugelement mit nachträglichem Verbund. Auch nachträglich eingebaute Bewehrungsanschlüsse 268 Vorgespannte Tragwerksverstärkung mit Fe-SMA - memory-steel von memory®-steel Stäben in Kombination mit Ankerklebstoff (Sika Anchorfix®) wurden erfolgreich realisiert. Diese Anwendung ermöglicht auch die Verstärkung von Mauerwerkswänden und die Verankerung der vorgespannten Bewehrung in angrenzenden Betonbauteilen. Abbildung 13. memory-steel Rippenstäbe („re-bar”) Memory-steel Bewehrung verursacht aufgrund der hohen Bruchdehnung von >20 % ein duktiles Tragwerksverhalten mit ausgeprägter Versagensankündigung durch Risse und Verformungen mit anschließendem Versagen des Betons in der Druckzone. Neben der Verstärkung für Biegelasten wurden memory®-steel Stäbe auch zur vorgespannten Querkraftverstärkung in Form von Bügeln verwendet. Durch die Vorspannung konnten reduzierte Schubrissbreiten sowie eine Entlastung der inneren Schubbügel erreicht werden. Die hohe Bruchdehnung bewirkt ein duktileres Schubversagen bei großen Schubrissbreiten ohne Zugversagen der Bügel. Glatte Bewehrungsstäbe aus memory-steel (re-bar R18) werden vorwiegend zur externen Ertüchtigung ohne Verbund, zum Beispiel für Stahl- und Verbundbauwerke, eingesetzt. Die Stäbe werden mit einem Gewinde versehen und mechanisch über Anbauteile aus Baustahl am Tragwerk befestigt. Abbildung 14. Glatte memory-steel Bewehrungsstäbe (re-bar R18) 4. Bautechnische Nachweisführung Aktuelle Bemessungsrichtlinien für memory-steel-Bewehrungen basieren auf lokalen Bemessungsnormen des Stahlbetons wie EN-1992 und SIA 262. Dementsprechend unterscheiden die Richtlinien die Bemessungsfälle 1. Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (GZG), 2. Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZT), 3. Brandlastfall. 1. GZG: Die Auswirkung der Spannkraft auf das Bauteil kann als konstantes Biegemoment zwischen den Verankerungen (zementös oder mechanisch) berücksichtigt werden. Die entsprechenden Durchbiegungen, sowie die Auswirkungen auf Risslast, Rissbreiten und Spannungen in der internen Bewehrung können anhand von Standardgleichungen berechnet und mit Durchbiegungen aus Bemessungslasten überlagert werden. Die Vorspannung wird dabei als exzentrische Kraft, die ein Biegemoment erzeugt, sowie als zentrale Druckkraft berücksichtigt werden. Bei großen Exzentrizitäten des memory-steel®-Elements und geringer Biegesteifigkeit des verstärkten Bauteils wird eine Überprüfung der Zugspannungen in der gegenüberliegenden Betonoberfläche empfohlen, um etwaige Rissbildung des Betons beim Vorspannen zu vermeiden. Zur Bemessung ist die initiale Spannkraft um die entsprechende Relaxation gemäß Datenblatt des Herstellers zu reduzieren. Reibungsverluste wie bei konventionellen Vorspannmaßnahmen treten bei memory®-steel-Bewehrungen nicht auf. 2. GZT: Im Grenzzustand der Tragfähigkeit wird zwischen der Installation ohne und mit Verbund unterschieden. Ohne Verbund: Es können zwei Berechnungsverfahren verwendet werden. Die erste Methode stellt einen konservativen Ansatz dar, bei dem der Spannungszuwachs vom Spannkraftniveau durch äußere Belastung nicht berücksichtigt wird. Dieser Ansatz findet sich auch in Bemessungsempfehlungen und 269 Vorgespannte Tragwerksverstärkung mit Fe-SMA - memory-steel Bemessungssoftwares für externe Spannglieder ohne Verbund wieder. Für den Verankerungsnachweis wird mittels vereinfachter Formeln laut Stahlbetontheorie (erhältlich beim Hersteller) der Spannungszuwachs abgeschätzt, und die maximale erwartete Kraft der maximalen Verankerungskraft gegenübergestellt. Bei der zweiten Methode kann dieser Spannungszuwachs ebenfalls mittels vereinfachter Formeln oder genauerer Berechnung des Spannungszuwachses auch schon für den Bemessungsbiegewiderstand herangezogen werden. In EN-1992 finden sich weiters Empfehlungen, die Spannungserhöhung als 100 MPa anzunehmen, falls keine detaillierten Berechnungen durchgeführt werden. Bei memory®-steel Rippenstahlbewehrung im Vollverbund ist Stahlbetontheorie anwendbar. Die Bemessungsspannung im Rippenstab wird zu Beginn des Fließens des aktivierten Stabs definiert. Es muss angemerkt werden, dass durch die außergewöhnlich hohe Bruchdehnung des Materials (>20%) im nichtlinearen Bereich dadurch große Duktilitätsreserven und Sicherheiten entstehen. 3. Brandlastfall: Bei entsprechendem Brandschutz kann das Material im Brandlastfall für erhöhten Biegewiderstand berücksichtigt werden. Aufgrund der hohen Kritischen Temperatur des Systems wird bei einer Brandschutz-Spritzmörtelschicht von 22 mm [32] die Feuerwiderstandsklasse R90 (inkl. Sicherheitsfaktor 1,5) erreicht. Detaillierte Berechnungsrichtlinien sind beim Hersteller erhältlich. Das Engineering-Team des Herstellers unterstützt Tragwerksplaner auch in jeder Phase des jeweiligen Projekts. 5. Qualitätskontrolle Aus Gründen der Qualitätssicherung werden die thermomechanischen Eigenschaften der Produktionschargen vom Hersteller geprüft. Zusätzlich wird die Heiztemperatur auf der Baustelle gemessen. Zur Überprüfung der Spannkraft in den memory®-steel Bewehrungen nach dem Einbau werden vom Hersteller entsprechende Messgeräte bereitgestellt. 6. Abgeschlossene Projekte 6.1 Biegezugverstärkung eines Spannbetonträgers Aufgrund beschädigter interner Spannlitzen war es notwendig, deren Funktion durch nachträglich aufgebrachte Vorspannung wiederherzustellen. Aufgrund zusätzlicher Anforderungen hinsichtlich Staubentwicklung, Geruch, Einbauzeit sowie begrenztem Platz und geringer Betondeckung wurden seitlich installierte re-plate Bänder gewählt, wie in Abbildung 15 dargestellt. Aufgrund hitzeempfindlicher Installationen und der Anforderungen des Auftraggebers wurden die memory-steel Bänder mit Infrarotstrahlern beheizt. Abbildung 15. Installierte re-plate Bänder auf Spannbetonbalken 6.2 Biegezuverstärkung einer Parkgaragendecke mit re-plate inklusive Brandschutz Aufgrund einer unzureichenden Tragfähigkeit musste der Biegewiderstand einer Stahlbetondecke in einem Parkhaus erhöht werden. Aufgrund der geringen Raumhöhe sowie der Brandschutzanforderungen wurde eine Lösung mit re-plate Bändern gewählt. Die Anwendung der Brandschutzmaßnahme ist in Abbildung 16 dargestellt. Abbildung 16. Applizieren des zementösen Spritzputzes SikaCem® Pyrocoat auf die re-plate Bänder 6.3 Verstärkung einer Brückenplatte mit re-bar Im Zuge von Ertüchtigungsmaßnahmen an einer Straßenbrücke musste der Mittelträger eines Zweifeldsystems entfernt werden, wodurch eine Biegeverstärkung auf der Unterseite der Brückenplatte erforderlich wurde. Zu diesem Zweck wurde die Betonoberfläche in einem ersten Schritt hydromechanisch aufgeraut. Nach der temporären Befestigung der re-bar Stäbe wurden diese an beiden Enden auf einer Länge von ca. 0,5 m mit einer Spritzmörtelschicht an der Plattenunterseite verankert. Dieser Vorgang ist in Abbildung 17 dargestellt. Nach ausreichender Aushärtezeit gemäß Herstellerangaben wurden die Stäbe durch Wärmezufuhr mit der Gasflamme aktiviert und dadurch vorgespannt. Abschließend wurde die freie Länge zwischen den Verankerungen ebenfalls mit Spritzmörtel verfüllt, um so ein System im Verbund zu erhalten. Auch bei diesem Projekt wurde die Vorspannung in das Bau- 270 Vorgespannte Tragwerksverstärkung mit Fe-SMA - memory-steel werk eingebracht, ohne dass Ankerköpfe und hydraulische Geräte erforderlich waren. Abbildung 17. Applikation des Spritzmörtels an beiden Stabenden zur zementösen Verankerung der Vorspannkraft in der Betonplatte 6.4 Verstärkung von zwei Brückenträgern mit re-bar Eine Natursteinbogenbrücke wurde zwischen 1950 und 1970 einseitig durch eine Stahlbetonkonstruktion bestehend aus zwei Trägern und einer Brüstung verbreitert. Bei dieser Konstruktion war der oberflächennahe Beton karbonatisiert und die innere Bewehrung teilweise korrodiert. Des Weiteren wurde durch statische Überprüfungen festgestellt, dass die Konstruktion ein erhebliches Traglastdefizit aufwies. Eine Tragwerksverstärkung mit re-bar 16 Stäben als zusätzliche Biegezugbewehrung mit Vorspannung wurde als Variante gewählt. Die Stäbe wurden an die aufgeraute Betonoberfläche am unteren Flansch angebracht und über eine Länge von einem Meter zementös mit Sika MonoTop® 412 Eco verankert. Im Bereich der ein-Meter-langen Endverankerung wurden U-Bügel aus herkömmlichem Bewehrungsstahl entlang der Höhe des Steges angeordnet. Somit wurde eine robuste Verankerung der Biegeverstärkung in die Druckzone realisiert, wie in Abbildung 18 dargestellt. Nach dem Aushärten wurden die Stäbe wie in Abbildung 19 gezeigt aktiviert und abschließend die freie Länge zwischen den Verankerungen ebenfalls mit Spritzmörtel versehen. Abbildung 18. Verankerung der re-bar 16 Stäbe Abbildung 19. Aktivieren der re-bar 16 Stäbe mittels Gasbrenner 6.5 Siloverstärkung mit re-bar Infolge von diversen Bohrungen mussten bei einem Betonbehälter mit 17-m Durchmesser und einer Gesamthöhe von 24-m aus dem Jahr 1974 durchtrennte Spanndrähte (Ø5 mm, Wickelverfahren) ersetzt werden. -Hierfür wurde eine Lösung mit einem eingeschlitzten re-bar 16 Stab im Reprofiliermörtel Sika MonoTop®-412 N gewählt. Der Schlitz über eine Länge von 10.5-m wurde vorgängig gefräst und der Stab anschließend positioniert. Die beiden Enden wurden über eine Länge von ca. 50 cm zementös verankert und danach mittels Gasflamme auf >300°C aktiviert (siehe Abbildung 20). Die freie Länge zwischen den Verankerungen wurde abschließend ebenfalls zementös überdeckt. Die re-bar Verstärkung stellt eine einfache und sehr effiziente Verstärkungsmethode mit Vorspannung für Betonsilos dar. Abbildung 20. Heizen/ Aktivieren des re-bar 16 Stabes zur Vorspannung eines Betobehälters 6.6 Verstärkung einer Verbundbrücke mit re-bar R18 Aufgrund einem zu tiefen Tragwiderstand und zu starker Durchbiegung musste eine Stahl-Beton-Verbundbrücke auf Biegezug ertüchtigt werden. Für die Verbundkonstruktion wurde eine re-bar R18 Verstärkung, welche an die Unterseite der Stahlträger fixiert wurde, gewählt (siehe Abbildung 21). Die alten Stahlträger wurden zuerst sandgestrahlt und anschliessend mit einem Korrosionsschutz versehen. SikaCor ® eignet sich in einem solchen Fall als Korrosionsschutzmaßnahme für den Bestand sowie die Verstärkung. Danach wurde der Ø18 mm Rundstab re-bar R18 an den bestehenden Stahlträgern mit Verschraubung endverankert 271 Vorgespannte Tragwerksverstärkung mit Fe-SMA - memory-steel sowie mit Muffen in der freien Länge gekoppelt. Die Aktivierung/ Vorspannung von re-bar R18 erfolgte mit einem Gasbrenner. Die vorgespannten re-bar Stäbe mit einer Gesamtvorspannkraft von ca. 360 kN pro Träger wurden am Objekt parallel geführt. Durch die Vorspannung konnte die Durchbiegung in der Mitte um durchschnittlich 10 mm reduziert werden. Die Spannweite betrug etwa 15 m. Im Vorfeld dieses Projektes wurden an der Empa Dübendorf (CH) sowie an der CVUT Universität in Prag (Tschechien) Ermüdungsversuche an den Stäben sowie den Kupplungen (M19.5) durchgeführt. Hierbei konnte ein Ermüdungswiderstand bei einer Spannungsamplitude von 50 N/ mm 2 über 2 Millionen Lastzyklen nachgewiesen werden. Abbildung 21. re-bar R18 Verstärkung der Stahl-Beton- Verbundbrücke 7. Zusammenfassung Jahrelange Forschung an unabhängigen Forschungseinrichtungen haben zu einer Reihe von Neuentwicklungen im Bereich der Tragwerksverstärkung mit eisenbasierten Formgedächtnislegierungen geführt, welche seit geraumer Zeit von der Firma re-fer AG gemeinsam mit dem Partnerunternehmen Sika in die Praxis getragen werden. memory®-steel eignet sich hervorragend, um sowohl im Hochals auch im konstruktiven Ingenieurbau effiziente Tragwerksertüchtigung zu gewährleisten, dies sowohl für die Gebrauchstauglichkeit als auch im Traglastzustand. Die aktive Verstärkungsmethode mit Vorspannung erlaubt es, neben höheren Traglasten auch Durchbiegungen und Rissbreiten zu reduzieren. Eisenbasierte Formgedächtnislegierungen sind zu 100% rezyklierbar und können zukünftig wieder in den Produktionskreislauf von Edelstahl eingeführt werden. Zusammen mit zementösem Betonersatzmörtel erlauben sie es, dauerhafte Tragwerksverstärkungen effizient durchzuführen und somit den ökologischen Fußabdruck im Vergleich zu einem Neubau deutlich zu reduzieren. Während den letzten vier Jahren wurden insgesamt mehr als 100 Projekte mit memory-steel in der Schweiz, Österreich, Deutschland, Frankreich und den Niederlanden ausgeführt. Literatur [1] A. Sato, E. Chishima, K. Soma, and T. Mori, „Shape memory effect in transformation in Fe- 30Mn-1Si alloy single crystals,“ Acta Metallurgica, vol. 30, no. 6, pp. 1177-1183, 1982. [2] Kajiwara, S., Liu, D., Kikuchi, T. and Shinya, N., 2001. Remarkable improvement of shape memory effect in Fe-Mn-Si based shape memory alloys by producing NbC precipitates.- Scripta materialia,-44(12), pp.2809-2814. [3] Baruj, A., Kikuchi, T., Kajiwara, S. and Shinya, N., 2002. 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