Anwendung von Formgedächtnislegierungen als Vorspannmaterial im Brückenbau
Autorin: Fiorentina Ademi
Sprache: Englisch
Kurzfassung
Formgedächtnislegierungen «Shape Memory Alloys, SMA» sind eine einzigartige Gruppe von Metalllegierungen, die in ihre ursprüngliche Form zurückkehren und eine Erholungsdehnung erzeugen können. Dieses Phänomen wird als Superelastizitätseffekt (SE) bezeichnet, wenn es durch Entlastung ausgelöst wird, und als Formgedächtniseffekt (SME), wenn das Material nach der Entlastung erwärmt werden muss [1,2]. Wenn der SME unterdrückt wird, erzeugt die Legierung eine Erholungsspannung anstelle einer Erholungsdehnung. Dieses Verhalten kann zum Vorspannen von Beton genutzt werden. Die Möglichkeit Beton vorzuspannen ohne, dass Ankerköpfe, Hüllrohre oder Hydraulikheber benötigt werden, macht das teure Material wertvoll und es ermöglicht bestehende Betonstrukturen vorzuspannen. Nach Kenntnis des Verfassers gibt es fast keine Applikationen von SMA im Neubau, da die Verwendung eines kostengünstigeren und vorspannungseffizienteren Materials möglich ist und die Vorteile der einfachen Anwendung überwiegt. Die vorliegende Masterarbeit untersucht die Anwendbarkeit und Wirtschaftlichkeit von eisenbasierten SMA-Stäben als Vorspannmaterial in Brückenneubauten.
Die Untersuchung bestand aus einer gründlichen Literaturübersicht zum Materialverhalten und zwei Fallstudien, in denen Probleme der Dauerhaftigkeit von Brückensystemen untersucht und mögliche Lösungen durch die Applikation von SMA-Bewehrungsstäbe als Vorspannmaterial analysiert wurden. Für die Fallstudien wurden modifizierte Spannungsanalysen mit SMA-Stäben für bestehende Entwurfe durchgeführt.
In der ersten Fallstudie wurde die Dauerhaftigkeit von Beton Fahrbahnen in Stahlverbundträgern untersucht. Wenn die Fahrbahn von einem Brückenende zum anderen betoniert wird, entstehen während des Betonierens erhebliche Zugspannungen in der Fahrbahn im Pfeilerbereich [35,36]. Bei einer Brücke mit einer maximalen Spannweite von 50 m entstehen Zugspannungen im Bereich von 2,5 MPa. Es wurde festgestellt, dass die Zugspannungen, die während des Betonierens entstehen, durch den Einbau von SMA-Stäben kompensiert werden können, was zeigt, dass SMAs als Vorspannmaterial für Betonplatten von Stahlverbundträgern geeignet sind. Alternative Lösungen, wie das Vorspannen der Betonplatte mit herkömmlichen Spannlitzen oder die Vergrößerung des Stahlquerschnitts, erwiesen sich als kostengünstiger. Die Tatsache, dass die Anwendung von SMAs keine Nachteile mit sich bringt, wie z. B. Schwierigkeiten beim Entfernen der Spannlitzen beim Austausch der Fahrbahnplatte, rechtfertigt die Verwendung von SMA-Stäben.
In der zweiten Fallstudie wurde die Dauerhaftigkeit von Ortbetonfahrbahnen und Spleiss Verbindungen von Fertigteilträgern untersucht. Diese werden normalerweise nach dem Betonieren der Fahrbahn vorgespannt. Das führt jedoch zu Überschreitungen der Spannungsgrenzen beim Austausch der Fahrbahn [41]. Darüber hinaus bilden die Verbindungsstellen von Fertigteilen Schwachstellen im Träger, da im Vergleich zu den Fertigteilen keine ausreichende Normal- und Vorspannbewehrung vorhanden ist [40]. Mit einer grossen Menge SMA-Bewehrungsstäben können die entstehenden Zugspannungen in der Betondecke kompensieren und somit die Dauerhaftigkeit gewährleisten werden. Die Verwendung von SMA-Stäben zur Vorspannung der Fahrbahn des untersuchten gespleißten Trägers hat sich als möglich erwiesen, aber die Kosten pro Träger würden um etwa 140 % steigen. Es wurde jedoch auch beobachtet, dass die Dauerhaftigkeit der Verbindungen zwischen Vorfabrizierten Fahrbahnplatten, durch die Einbettung von SMA-Stäben in einem Abstand von 0,2 m, gewährleistet werden kann. Die Beton Fahrbahn von Verbundträgern könnte mit Fertigteilplatten hergestellt werden, die SMA als Vorspannmaterial an den Verbindungen enthalten, um ihre Haltbarkeit zu erhöhen und sicherzustellen, dass keine Nachteile wie Probleme beim Austausch der Decke und Zugspannungen während des Betonierens entstehen.
