Empa-Team entwickelt selbstvorgespannte Betonelemente
Einem Empa-Team ist es gelungen, selbstvorgespannte Betonelemente mit carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) als Armierung herzustellen. Dadurch lassen sich schlanke Strukturen deutlich kostengünstiger bauen.
Quelle: Empa
Ein Träger aus selbstvorgespanntem Beton mit carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) als Armierung.
Quelle: Empa
Die Empa-Forschenden Mateusz Wyrzykowski und Volha Semianiuk untersuchen mit Hilfe von Labortechniker Sebastiano Valvo neue Möglichkeiten für selbstvorgespannte CFK-Betonelemente.
An der Empa werden Methoden entwickelt, wie Beton-Elemente schlanker, aber dennoch langlebig und stabil gemacht werden können, um den Materialverbrauch zu senken. Eine Forschergruppe rund um Giovanni Terrasi, Pietro Lura und Mateusz Wyrzykowski hat kürzlich ein europäisches und ein US-amerikanisches Patent für eine selbstvorgespannte Betontechnologie erhalten, die dies ermöglicht.
Selbstvorgespannte Betontechnologie
In der Regel kommt Vorspannung dann zum Einsatz, wenn ein Betonelement sehr grosse Lasten aufnehmen muss. Zum Beispiel bei Balken, Brücken oder auskragenden Bauteilen. In einer Spannbettvorrichtung werden die Bewehrungen beziehungsweise Spannglieder – meist aus Stahl – vor dem Einbringen des Betons auf beiden Seiten des Elements verankert, unter Zug gesetzt und nach dem Aushärten des Betons wieder gelöst.
Die in den Spanngliedern erzeugten Kräfte setzen den Beton dann unter Druckspannung: Das Element wird durch die vorgespannte Bewehrung in seinem Innern quasi von beiden Seiten zusammengezogen und damit deutlich stabiler. Das Problem dabei: Stahl ist rostanfällig. Die Betonschicht rund um den Spannstahl muss deshalb eine bestimmte Mindestdicke aufweisen.
Carbonfaser statt Stahl
Bereits in den 1990er Jahren wurde zum ersten Mal carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) anstelle von Stahlarmierungen verwendet. Weil CFK nicht korrodiert, lassen sich dadurch deutlich schlankere Betonbauteile mit gleichwertigen statischen Eigenschaften produzieren.
«Will man diese CFK-Armierungen ebenfalls vorspannen, um damit noch dünner und stabiler bauen zu können, stösst man aber an Grenzen», erklärt Mateusz Wyrzykowski. Es seien sehr teure Spannbettvorrichtungen nötig und die Verankerung von CFK-Stäben sei deutlich komplizierter als mit Spannstahl. Vorgespannter CFK-Hochleistungsbeton ist darum noch immer nicht sehr weit verbreitet.
Quelle: Empa
In Laborversuchen konnten die Forscher nachweisen, dass die selbstvorgespannten CFK-Betonelemente vergleichbare Lasten tragen konnten wie konventionell vorgespannte.
Quelle: Empa
Der Beton macht die Arbeit selbst: Dank einer speziellen Rezeptur dehnt sich dieser beim Aushärten aus. Dadurch setzt der Baustoff die CFK-Stäbe im Innern unter Zug und spannt sie automatisch vor.
Expandierender Beton
Dem Forschungsteam sei es nun gelungen, auf die Verankerung auf beiden Seiten des Elements komplett zu verzichten, wie die Empa kürzlich mitteilte. Der Beton mache die Arbeit gleich selbst: Dank einer speziellen Rezeptur dehnt sich dieser beim Aushärten aus. Dadurch setzt der Baustoff die CFK-Stäbe in seinem Innern unter Zug und spannt sie dadurch automatisch vor.
In Laborversuchen konnten die Forscher nachweisen, dass die selbstvorgespannten CFK-Betonelemente vergleichbare Lasten tragen konnten wie jene, die konventionell vorgespannt wurden. «Unsere Technologie eröffnet völlig neue Möglichkeiten im Leichtbau», sagt Wyrzykowski. «Wir können nicht nur stabiler bauen, sondern brauchen dafür auch erheblich weniger Material.»
Der Empa-Forscher sieht auch bereits neue Anwendungsfelder. Beispielsweise könne man sehr einfach gleichzeitig in mehrere Richtungen vorspannen, etwa für dünne Betondecken oder filigrane gekrümmte Betonschalen. Diese neuen Anwendungen werden gemäss Mitteilung der Empa nun mit Unterstützung des Industriepartners BASF weiterentwickelt. (mgt/pb)
Zur Mitteilung der Empa: www.empa.ch/web/s604/pre-stressed-concrete-eq68
