Constructief geheugen Versterken van bestaande betonconstructies (3): versterken met geheugenstaal SMA 1 Verwarming van het SMA met behulp van een gasvlam 1 50? CEMENT 8 20 22 Shape Memory Materials, ook bekend als geheugenmaterialen, hebben een bijzondere eigen- schap. Ze kunnen nadat ze blijvend zijn vervormd, deels terugkeren naar de oor- spronkelijke vorm door ze bloot te stellen aan een specifieke conditie, bijvoorbeeld warmte of elektrische stroom [3]. Bij veruit de meeste van deze materialen ontstaat dit zogenoemde geheugeneffect als gevolg van een herschikking van de molecuulstructuur. Geschiedenis In 1932 werd met de ontdekking van een goud- cadmiumlegering het bestaan van materialen met geheugeneigenschappen aangetoond [3]. De ontdekking rond 1968 en doorontwikke- ling in de jaren tachtig van nikkel-titanium- legeringen, beter bekend als nitinol, zette de potentie van geheugenmateriaal definitief op de kaart. In de loop van de jaren zijn er vele soorten geheugenmaterialen ontwikkeld. Zo zijn er polymeren die worden gebruikt voor het plaatsen van stents in de vaatchirurgie, zijn er diverse andere toepassingen binnen de geneeskunde [4] en worden ze ingezet bij de ontwikkeling van flexibele robots met 'weefselachtige spieren' [5]. Ook zijn kerami- sche geheugenmaterialen ontwikkeld die een hoge druksterkte hebben [6]. De meeste bekendheid is echter verworven met metaal - legeringen, SMA's (Shape Memory Alloys), toegepast in de werktuigbouwkunde. SMA als versterking van constructies De afgelopen jaren zijn er door het Zwitsers Instituut voor Materiaalkunde en Technologie (EMPA) en het Zwitserse bedrijf re-fer onder- zoeken uitgevoerd naar de toepassing van op ijzer gebaseerde geheugenlegeringen (Fe-SMA) [7]. Deze onderzoeken richten zich specifiek op het voorspannen en versterken van bestaande (beton)constructies in de bouw en infra. Het gebruikte Fe-SMA is ge- selecteerd op de mate waarin spanning kan worden opgebouwd en niet zozeer op het vermogen terug te vervormen tot de oor- spronkelijke vorm [7]. In vergelijking met het meer bekende nitinol, is Fe-SMA signifi- cant goedkoper en eenvoudiger te produce- ren op de schaal die nodig is voor toepassin- gen in de bouw [8]. In figuur 2 is het principe van voorspannen met SMA toegelicht. Onder een betonnen ligger op twee steunpunten wordt een SMA- strip aangebracht met behulp van een tijde- lijke ondersteuning. Als de strip is gepositio- neerd, wordt deze aan de uiteinden verankerd. Vervolgens wordt het geheugeneffect ING. ANTONY VAN MIDDELKOOP Specialist Civiele Techniek ABT PAUL GAZDA Specialist Civiele Techniek ABT auteurs Met de heruitvinding van een wiel dat in staat is het ruige terrein van Mars te weerstaan, zette NASA materialen met een vormgeheugeneffect (Shape Memory Effect) opnieuw in de schijnwerpers [1, 2]. Er zijn ook kansen voor deze Shape Memory Materials in de (beton)bouwsector, maar ze zijn er nog nauwelijks bekend. Wat zijn dit eigenlijk voor materialen? Hoe werken ze? Welke mogelijke vormen en toepassingen zijn er al beschikbaar? En hoe dragen de huidige ontwikkelingen bij aan duurzaam be\ houd van bestaande betonconstructies? CEMENT 8 2022 ?51 geactiveerd door de strip kortstondig te verhitten. Door activatie van het geheugen- effect wil de strip korter worden, maar wordt hierbij verhinderd door de mechanische verankering. Hierdoor ontstaat de voor- spanning. Werking en productie SMA's hebben, anders dan gewone metalen, de mogelijkheid een andere kristalstructuur te vormen zonder dat de binding van de ato- men onderling verandert. Doordat de onder- linge binding niet verandert, is ook het om- gekeerde mogelijk. Dankzij deze eigenschap ontstaat het geheugeneffect. In een industrieel proces wordt een legering geproduceerd, waarna door middel van een combinatie van warm en koud walsen de gewenste vorm wordt verkregen (fig. 3a). In geval van constructieve materialen kan wor- den gedacht aan strippen of staven. De vorm die daarmee wordt bereikt, wordt de 'getrain -de' of 'opgeslagen' vorm genoemd [7]. Dit is de vorm waarin het materiaal wil terugke- ren als het geheugeneffect wordt geacti - veerd. Het kristalrooster dat hierbij ont- staat, wordt austenitisch genoemd. Daarna wordt de staaf of strip op kamertempera - tuur mechanisch vervormd door middel van axiaal rekken tot de leveringsafmetin - gen (fig. 3b). Dit proces wordt ook wel voor- rekken (prestraining) genoemd [8]. Als gevolg van deze bewerking wordt de kristalstruc- tuur verschoven, waardoor een zogenoemd martensitisch kristalrooster ontstaat. Het geleverde product bevindt zich nu in een andere vorm dan de opgeslagen vorm (fig. 3c). Door middel van kortstondige verhitting tot een temperatuur van 165 °C ? 350 °C wordt het geheugeneffect geactiveerd en keert het materiaal (deels) terug naar de austenitische kristalstructuur en bijhorende vorm. Af - hankelijk van de randvoorwaarden kunnen twee dingen gebeuren: 2 Principe voorgespannen constructie met SMA 3 Principe werking SMA: (a) gewenste vorm wordt verkregen, (b) het product wordt vervormd, (c) plaatsing van het SMA-product, (d) er bouwt zich na verhitting een spanning op als gevolg van de verhinderde vervorming en (e) het product keert na verhitting terug naar zijn oorspronkelijke vorm ARTIKELENSERIE OVER VERSTERKEN Dit is het derde deel in een drieluik dat ingaat op het versterken van bestaande betonconstructies. Het eerste algemene artikel ('Mogelijkheden en aandachts- punten voor het versterken van con- structies' ? Cement 2022/4) gaat over mogelijkheden en aandachtspunten voor het versterken van constructies. Het tweede artikel ('Uitwendige koolstof- lijmwapening in actie' ? Cement 2022/5) gaat in op voorgespannen koolstoflijm- wapening bij het versterken van een vloer in het Luxury Car Centrum voor Porsche. Dit derde artikel gaat over voorspannen met 'geheugenstaal' (SMA). 2 3 52? CEMENT 8 20 22 Als het materiaal wordt verhinderd, treedt er spanningsontwikkeling op in het materiaal (fig. 3d). Als het materiaal niet wordt verhinderd, zal het zich vervormen richting de oorspron - kelijke, getrainde vorm (fig. 3e). Oplossingsrichtingen en applicatie Op dit moment is Fe-SMA commercieel alleen nog maar beschikbaar onder de merknaam memory-steel in de vorm van strippen met een afmeting 1,5 × 120 mm² (re-plate) en als wapeningsstaven gelijkvormig aan traditio- nele wapening Ø10 en Ø16, (re-bar) [7]. Bij maximale verhitting kan een voorspanning van 300 N/mm² (re-bar Ø16) tot 380 N/mm² (re-plate) worden gerealiseerd. De breukspan - ning is 580 N/mm² (re-plate) tot 800 N/mm² (re-bar) bij een rek van meer dan 20% [8, 9, 10]. Figuur 4 geeft een representatieve spanning- rekrelatie weer. Strippen? Voor de applicatie van Fe-SMA- strippen worden in de fabriek aan beide uit- einden van de band gaten gemaakt in een standaardpatroon. Deze dienen ook als sjab- loon voor de in het beton voor te boren ga- ten ten behoeve van de mechanische veran- kering met schietnagels. Op de bouwplaats worden de banden op een constructiedeel op hun plek gepositioneerd en vastgehou- den door bijvoorbeeld met een houten balk op stempels de re-plate tegen het betonop- pervlak aan te drukken. Vervolgens worden de gaten in het beton voorgeboord en de na- gels mechanisch bevestigd. Als laatste wordt de re-plate op spanning gebracht door deze over de volledige lengte te verhitten (foto 6). Staven? De Fe-SMA-staven kunnen op twee manieren worden aangebracht. De eerste methode gebeurt in combinatie met het op- dikken van de constructieve dikte. Hierbij wordt het betonoppervlak waar de staven worden aangebracht eerst voorbehandeld tot de vereiste ruwheid en hechtsterkte zijn bereikt. De staven worden op de gewenste plek gepositioneerd en tijdelijk gefixeerd. Vervolgens worden de staven aan de uitein- den over voldoende verankeringslengte in - gebed in een (gespoten) reparatie-/reprofi- leermortel. Nadat de mortel voldoende is uitgehard, worden de staven geactiveerd door te verhitten totdat de gewenste active- ringstemperatuur is bereikt. De tweede methode wordt toegepast voor constructieonderdelen waar het opdik- ken niet wenselijk/mogelijk is. Hier kunnen de staven in sleuven worden aangebracht. De staven worden centrisch in de betonsleuf gefixeerd en aan beide einden in een repa- ratie(giet)mortel ingebed over de vereiste verankeringslengte. Nadat de mortel vol- doende is uitgehard, worden de staven geac- tiveerd. Als laatste wordt de ruimte tussen de eindverankeringen afgevuld met de eerder gebruikte mortelsoort. 4 Spanning-rekrelatie re-plate [8] 5 Principe spanning-temperatuurrelatie Fe-SMA [11] Shape Memory Materials kunnen nadat ze blijvend zijn vervormd deels terugkeren naar de oorspronke- lijke vorm door ze bloot te stellen aan bijvoorbeeld warmte of elektrische stroom 4 5 CEMENT 8 2022 ?53 6 SMA's hebben, anders dan gewone metalen, de mogelijkheid een andere kristalstructuur te vormen zonder dat de atomen onderling hun binding veranderen 6 Re-plate is geplaatst en wordt verhit met infrarood Verhitting van de staven en strippen kan plaatsvinden door middel van infrarood- straling, elektrische weerstand of een gas- vlam (foto 1). Tot een temperatuur van circa 350 °C geldt: hoe hoger de temperatuur, hoe hoger de voorspanning die kan worden be- reikt. Levensduur Als gevolg van de samenstelling van Fe-SMA is de corrosieweerstand ten minste vergelijk - baar met RVS in corrosieweerstandklasse 1 en daarmee significant beter dan traditione- le wapening. Wanneer re-bars worden inge- bed in een cementgebonden mortel, heeft dit een positieve bijdrage op de corrosie- weerstand vanwege de alkaliteit van beton. Het is ook mogelijk met een coating de cor- rosieweerstand te vergroten. In geval een dergelijke coating wordt toegepast, is de toe- laatbare temperatuur 165 °C en daarmee de optredende voorspanning beperkt. In de vorige artikelen in deze serie [12, 13] is aangeven dat de situatie brand extra aandacht behoeft. Wanneer SMA-wapening wordt ingebed in een mortel, is het gedrag bij brand vergelijkbaar met traditionele wa- pening. De uitwendig aangebrachte re-plate kan met een brandwerende pleister worden afgewerkt. Aangezien de toelaatbare tempe- raturen significant hoger liggen dan bij ver- lijmde versterkingen, is relatief een dunnere beschermingslaag nodig om eenzelfde capa- citeit te kunnen garanderen. 54? CEMENT 8 20 22 Net als traditioneel wapeningsstaal is SMA-wapening 100% recyclebaar wanneer het gescheiden wordt van andere materialen. Recente ervaring In het project 'Berberisweg' is recent gebruik- gemaakt van in de dekking aangebrachte Fe-SMA-wapeningsstaven. Op een bestaande kelderbak is een nieuw woongebouw van zeven bouwlagen gerealiseerd. Als gevolg van een verschillende hoofddraagstructuur komen de posities van de dragende kelder- wanden niet meer overeen met de wanden van de bovenbouw. De kelderwand, die is gefundeerd op een funderingsstrook met palen, wordt nu aan de uiteinden belast door een puntlast. De wand is beschouwd met behulp van een trekstaafmodel (fig. 7). De oorspronkelijke wandwapening in de trekband is niet in staat de optredende krachten op te nemen. Een passieve verster- kingsmethode (versterking zonder voor- spanning) zou vanwege de hoge overschrij- ding van de capaciteit (> factor 4) leiden tot te grote scheurvorming in de SLS. Er is voor gekozen de wand ter plaatse van de trek- band voor te spannen door het gebruik van re-bars, ingesleufd in de dekking van de wand (foto 1, 8 t/m 10). Op deze manier neemt de versterking geen extra ruimte in en zijn de re-bars tevens voldoende brand- werend beschermd. 7 7 Principe positie voorgespannen trekband Berberisweg Rotterdam Koppeling van de wand doorbreken en glijdend uitvoeren i.v.m. scheurvorming als gevolg van verhinderde vervorming CEMENT 8 2022 ?55 8 9 10 8 Sleuven gezaagd voor het aanbrengen van re-bar 9 Re-bars zijn ingesleufd en aan de uiteinden verankerd in mortel 10 Re-bar zet eerst uit als gevolg van het verhitten alvorens het geheugeneffect wordt geactiveerd 56? CEMENT 8 20 22 Potenties Een andere denkbare situatie betreft kanaal- platen die onvoldoende buigend-moment- weerstand hebben en daarnaast in de gescheurde zone onvoldoende dwarskracht- capaciteit hebben. Door het aanbrengen van re-plates kan het scheurmoment worden verhoogd, waarmee de dwarskrachtcapaci- teit significant toeneemt. Fe-SMA-staven kunnen net als traditi- onele wapening worden gebogen in een ge- wenste vorm. Dit maakt het mogelijk balken op dwarskracht te versterken door re-bars in een U-vorm aan te brengen rondom een balk en vervolgens voor te spannen (fig. 11). Onderzoek toont aan dat voor balken op deze manier niet alleen de dwarskrachtca- paciteit kan worden verhoogd, maar ook significante dwarskrachtscheuren kunnen worden hersteld [11]. De roep voorzichtig om te gaan met de be- schikbare grondstoffen zal in de komende jaren alleen maar sterker worden. Benutten van bestaande constructies, al dan niet met constructieve aanpassingen, zal hier een steeds belangrijkere rol in gaan spelen. Ook de inpassingsmogelijkheden van losmaak- bare en te hergebruiken constructieonder- delen [14] nemen toe wanneer de elementen worden opgewaardeerd. Met de ontwikke- ling van Fe-SMA voor de bouw en infra is de lijst met beschikbare versterkingsoplossin- gen die (her)gebruik mogelijk maken opnieuw uitgebreid. LITERATUUR 1?Bazzi, A., How NASA Reinvented The Wheel ? Predict. Medium, 31 december, 2021. 2?Smith, K.N., Reinventing the wheel, 26 oktober 2017. 3?Huang, W., Ding, Z., Wang, C., Wei, J., Zhao, Y. en Purnawali, H., Shape memory materials. Materials Today 13(7-8), juli 2020, p. 54-61. 4?Peterson, G.I., Dobrynin, A.V., en Becker, M.L., Biodegradable Shape Memory Polymers in Medicine. Advanced Healthcare Materials 6(21), 1700694, 21 september 2017. 5?Scalet, G. Two-Way and Multiple- Way Shape Memory Polymers for Soft Robotics: An Overview. Actuators, 9(1), 10, 15 februari 2020. 6?Lai, A., Du, Z., Gan, C.L., en Schuh, C.A., Shape Memory and Superelastic Ceramics at Small Scales. Science, 341(6153), 27 september 2013, p. 1505- 1508. 7?Cladera, A., Weber, B., Leinenbach, C., Czaderski, C., Shahverdi, M. en Motavalli, M., Iron-based shape memory alloys for civil engineering structures: An overview. Construction and Building Materials 63, juli 2014, p. 281-293. 8?Shahverdi, M., Michels, J., Czaderski, C. en Motavalli, M., Iron-based shape memory alloy strips for strengthening RC members: Material behavior and characterization. Construction and Building Materials 173, juni 2018, p. 586-599. 9?Michels, J., Mechanical Performance of Iron-Based Shape-Memory Alloy Ribbed Bars for Concrete Prestressing, 1 november 2018. 10?https://www.bevepro.nl/. 11?Czaderski, C., Shahverdi, M. en Michels, J., Iron based shape memory alloys as shear reinforcement for bridge girders. Construction and Building Materials, 274, 121793, maart 2021. 12?Middelkoop, A. van, Mogelijkheden en aandachtspunten voor het versterken van constructies. Cement 2020/4. 13?Middelkoop, A. van, Gerven, F. van, Uitwendige koolstoflijmwapening in actie. Cement 2022/5. 14?Vergoossen, R., Jilissen, D., Eck, G.J., Hergebruik prefab T-liggers (1). Cement 2022/6. 15?Michels, J., Shahverdi, M. en Czaderski, C., Flexural strengthening of structural concrete with iron-based shape memory alloy strips. Structural Concrete, 19(3), (2017, november 2017, p. 876-891. 16?Raza, S., Michels, J., Schranz, B. & Shahverdi, M., Anchorage behavior of Fe-SMA rebars Post Installed into concrete. Engineering Structures 272, 114960, december 2022. 11 11 Principe mogelijke dwarskrachtversterkingsoplossingen met SMA [10] CEMENT 8 2022 ?57