Oberflächenbehandlung und Debonding-Versagensmechanismen in SMA-Verbindungen auf Eisenbasis

• Antragsteller: Professor Dr. Elyas Ghafoori
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb ; Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546183955

Stahlkonstruktionen wie beispielsweise Tragstrukturen von Windenergieanlagen, Kräne, Eisenbahn- und Straßenbrücken sind hohen dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt und daher ermüdungsgefährdet. Die Instandsetzung und Verstärkung dieser Stahlkonstruktionen wurde als eine der wirksamsten Lösungen zur Verbesserung der Nachhaltigkeit im Bauwesen (motiviert durch "Net Zero 2050") erkannt. Hierfür ist die Entwicklung neuer Reparaturmaterialien und zuverlässiger Verstärkungslösungen erforderlich. Formgedächtnislegierungen auf Eisenbasis (Fe-SMA) sind eine neue Klasse von "intelligenten" Stählen, die einen Formgedächtniseffekt (SME) aufweisen, welcher zur Entwicklung von Vorspannungen genutzt werden kann. Hierfür wird das Fe-SMA vor der Montage mechanisch vorgedehnt und nach der Montage durch kontrolliertes Erwärmen und Abkühlen aktiviert, wobei Vorspannungen bis zu 350-400 MPa erreicht werden. Durch die Vorspannung des SMA-Bauteils wirkt auf das zu verstärkende Bauteil eine günstige Druckkraft. Die einfache Vorspannung ohne die Notwendigkeit von Hydraulikzylindern macht Fe-SMA attraktiv für den Bausektor. FE-SMA wurden zur Instandsetzung und Verstärkung veralteter Stahlkonstruktionen, die einer hoher zyklischen Belastung ausgesetzt sind, bereits angewendet. Die meisten der verfügbaren Systeme verwenden allerdings mechanische Verbindungselemente (z. B. Schrauben, Klammern und Nägel), um Fe-SMA mit bestehenden Stahlbauteilen zu verbinden, was letztlich das zu verstärkende Bauteil durch die Entstehung von neuen Spannungskonzentrationen schwächen kann. Dies kann durch die Anwendung von SMA-Klebeverbindungen vermieden werden. Daher wurden im Rahmen von Vorversuchen die Machbarkeit von SMA-Klebeverbindungen erprobt. Trotz vielversprechender Ergebnisse in den Vorversuchen ergaben sich mehrere neue Fragestellungen im Zusammenhang mit den Bruchmechanismen an der Klebeverbindung zwischen Stahl-Grundstruktur und SMA. Im Rahmen dieses Projekts soll eine systematische Studie durchgeführt werden, um die Integrität von geklebten Fe-SMA zunächst unter statischer Belastung sicherzustellen, mit dem übergeordneten Ziel die Ermüdungsfestigkeit zu verbessern. Die statische Analyse soll die Grundlage für weitere Ermüdungsuntersuchung bilden. Ziel ist es daher, das mechanische Verhalten von geklebten SMA-Verstärkungskomponenten vollständig zu untersuchen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden zunächst die am besten geeigneten Oberflächenvorbereitungstechniken für die Fe-SMA ermittelt. Anschließend werden alle Versagensmöglichkeiten der geklebten SMA-Verbindungen bestimmt und eine präzise Kategorisierung der Versagensmodi vorgeschlagen. Außerdem werden umfassende numerische Untersuchungen unter Verwendung der Kohäsionszonenmodellierung (CZM) durchgeführt, um das Versagen der SMA-Verbindungen zu analysieren. Die Erkenntnisse aus der Versuchskampagne und den numerischen Untersuchungen werden für die sichere Auslegung von SMA-Verstärkungssystemen verwendet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Dr. Mastaneh Moattari