Marcel Grabowski, M.Sc.
Frühe Detektion von Materialermüdung in Baustahl mittels optischer flächiger Dehnungsmessungen
Für das Erhalten einer funktionsfähigen Infrastruktur ist es von Bedeutung die Lebensdauer von Brückenbauwerken beschreiben und prognostizieren zu können. Durch das stetig wachsende Verkehrsaufkommen unterliegen diese Bauwerke einer ebenso ansteigenden Beanspruchung. Bei Brückenbauwerken in Stahlbauweise ist die Materialermüdung häufig eine der hauptsächlichen Schadensursachen. Die Schädigung infolge von Materialermüdung lässt sich erst in einem fortgeschrittenen Zustand detektieren. Hier wird es erforderlich Verfahren zu untersuchen, die eine Früherkennung der Schädigung ermöglichen, damit Instandhaltungs- und Instandsetzungsmaßnahmen frühzeitig geplant und umgesetzt werden können.
Die Materialermüdung beschreibt das mechanische Verhalten eines Materials bei wiederholter zyklischer Beanspruchung. Die Schädigung resultierend aus der Ermüdung lässt sich für metallische Werkstoffe in drei Phasen unterteilen. In der Phase der Risseinleitung finden Versetzungsbewegungen und Gleitbandbildungen im Metallgefüge statt. Aus diesen so genannten Risskeimen gehen wachstumsfähige Mikrorisse hervor, die während der Phase des stabilen Rissfortschritts stetig wachsen und letztlich einen Makroriss ergeben. Das entstehen eines Makrorisses wird dabei als technischer Anriss bezeichnet. Bei dem Erreichen einer kritischen Risslänge des Makrorisses beginnt die letzte Phase, das instabile Risswachstum, bei dem die Wachstumsrate des Risses steigt und letztlich der Restbruch des Bauteils stattfindet. Übliche Verfahren zur Schädigungsdetektion und -bewertung in der Bauwerksprüfung können die Schädigung in der Regel frühestens bei einem technischen Anriss feststellen. Besonders bei Bauwerken mit einer hohen Anzahl von Lastwechseln ist jedoch die Phase der Risseinleitung für den Großteil der Lebensdauer maßgebend. Hierfür soll im Rahmen des Forschungsprojektes untersucht werden, inwieweit durch flächige optische Dehnungsmessungen eine frühe Detektion der Schädigung möglich ist.
Hierfür werden im ersten Schritt diverse Ermüdungsversuche an Proben aus Baustahl S355 durchgeführt. Die flächige Dehnungsmessung findet mit einem Speckle-Interferometer (ESPI) statt. Lokale Änderungen in den Dehnungsfeldern sollen hierdurch eine Aussage über das Auftreten einer Schädigung in der Phase der Risseinleitung ermöglichen. Weiterhin werden Versuche durchgeführt, die den frühestmöglichen Zeitpunkt einer Schädigungsdetektion quantifizieren sollen.
Publikationen im Rahmen des GRK:
Veröffentlichungen in wissenschaftlichen Zeitschriften mit review:
J. Müller, M. Grabowski, C. Müller, J. Hensel, J. Unglaub, H. Kloft, K. Thiele and K. Dilger. Design and parameter identification of Wire and Arc Additively Manufactured (WAAM) steel bars for use in construction. In: Metals 2019, 9(7), S. 725ff, 2019.