Mit Drähten aus Formgedächtnislegierung (FGL) sollen Risse an Brücken und Gebäuden einfach erfasst und lokalisiert werden, um frühzeitig Reparatur- und Instandsetzungsmaßnahmen einleiten zu können. Das ist die Idee hinter »FGL-RissSensor«. Wissenschaftler der TU Dresden und TU Chemnitz entwickeln zusammen mit zwei Industriepartnern ein innovatives Messsystem auf Basis von smart materials zur Früherkennung und Frühlokalisierung von Schäden an Betonstrukturen.

Straßen und Brücken sind hohen Belastungen ausgesetzt und zeigen oft schwerwiegende Alterserscheinungen. Neben Alterungsprozessen der Bausubstanz kommen Umwelteinflüsse und ein gestiegenes Verkehrsaufkommen hinzu. Wo Sanierungen und Instandsetzungen nicht möglich sind, ist die Überwachung von Brücken essenziell. Da neue Infrastrukturbauwerke immer größer und anspruchsvoller werden, ist darüber hinaus eine kontinuierliche Überwachung der Gebäude ab dem Zeitpunkt der Herstellung von entscheidender Bedeutung.

Mit Blick auf Ressourcenschonung und nachhaltiges Bauen kommt es zunehmend auf ein zuverlässiges Bauwerksmonitoring an: bei Bestandsbauwerken und bei Neubauten. Die Bauindustrie gehört nach wie vor zu den ressourcenintensivsten Wirtschaftszweigen. Seit vielen Jahren verfolgen daher alle Bemühungen seitens der Bauforschung und -industrie ein großes Ziel: eine umweltschonendere und nachhaltigere Entwicklung des Bausektors. Um dabei einen wichtigen Beitrag zu leisten, ist es erforderlich, die Lebensdauer der Infrastrukturbauwerke zu maximieren und die Nutzungszeiträume signifikant zu verlängern. Ein wichtiger Bestandteil ist dabei die kontinuierliche Erfassung von Bestands- und Zustandsparametern durch intelligente Messsysteme.

Im smart3-Förderprojekt »FGL-RissSensor« wird ein neuartiges Messsystem entwickelt, das auf Basis von Formgedächtnislegierungen (FGL) in Kombination mit einer ausgeklügelten Messtechnik in der Lage ist, strukturelle Risse in Betonbauwerken frühzeitig zu erkennen und zu lokalisieren. Zugleich erfasst das System den globalen Dehnungszustand über die Änderung des elektrischen Widerstandes. Die Risserkennung und -messung bilden eine Grundlage für die Bewertung des Bauwerkszustandes und Abschätzung der Restnutzungsdauer. Es leistet einen Beitrag dazu, die Nutzung von Bauwerken bis zur Instandsetzung bzw. dem Ersatzneubau abzusichern und die Gefahr eines plötzlichen Bauteilversagens auf ein vertretbares Minimum zu reduzieren.

Der Markt für Strukturüberwachungssysteme bietet dafür aktuell kaum zuverlässige Lösungen. Die meisten Methoden sind für eine kurzzeitige Erfassung von Bauteildeformationen konzipiert (z. B. Dehnmessstreifen). Die Prämisse in diesem Projekt ist es, die langfristige Nutzung und den nachhaltigen Erhalt von Gebäuden voranzutreiben und fortlaufende Schädigungsprozesse eines Bauwerks rechtzeitig zu erkennen und bei Bedarf frühzeitig zu agieren. Auf diese Weise lassen sich Maßnahmen zur Instandsetzung gezielter steuern und Investitionen, die zum Erhalt der Bausubstanz dienen, längerfristig einplanen.

Seit einigen Jahrzehnten finden Aktoren aus FGL ihren Platz auf dem Markt. Insbesondere im Innovationsnetzwerk smart3 wurden innovative Entwicklungen mit aktorischen FGL in den Bereichen smart Production und smart Health vorangetrieben. Derzeit etabliert sich ein neues technologisches Anwendungsgebiet für FGL: die Sensorik.

 

 

Formgedächtnislegierung neu gedacht

Reversible Dehnungen pseudoelastischer FGL gehen mit einer signifikanten Änderung des elektrischen Widerstandes einher. Treten Risse entlang des Bauteils auf, bewirkt dies eine Längenänderung des FGL-Sensors und gleichzeitig eine Änderung des elektrischen Widerstandes.

Aufgrund dieser Vorteile kommen in »FGL-RissSensor« pseudoelastische FGL auf Nickel-Titan-Basis als Sensorelemente in Betonstrukturen zum Einsatz. Mithilfe der Erschließung des sensorischen Potenzials pseudoelastischer FGL sollen die Kompetenzen und Möglichkeiten des smart3-Netzwerks erweitert werden und zugleich eröffnet sich ein zusätzlicher Markt für NiTi-FGL. Darüber hinaus ist die Bestrebung zur Entwicklung eines intelligenten Messsystems im Projekt »FGL-RissSensor« komplementär zu dem zweiten großen Innovationspfad im Bauwesen: der Automatisierung und Digitalisierung der Baubranche durch die Entwicklung und Nutzung von modernen digitalen Technologien (Bauen 4.0).

Interdisziplinär – schöpferisch – innovativ

Für eine erfolgreiche Technologie- und Produktentwicklung sorgt im Projekt eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Unternehmen und Forschungseinrichtungen aus verschiedenen Fachbereichen der Werkstoff- und Hochfrequenztechnik sowie des Bauingenieurwesens und des Maschinenbaus.

Die Schöpfungskette beginnt bei der Entwicklung einer spezifischen FGL, die speziell für den Einsatz im Beton konzipiert wird. Die thermomechanischen Sensoreigenschaften des Drahtes wurden vom FGL-Hersteller Ingpuls GmbH aus Bochum durch gezieltes Mikrodesign optimiert und je nach Anforderungsprofil angepasst.

Zur Gewährleistung eines guten Verbunds zwischen Draht und Beton führen Wissenschaftler des Instituts für Baustoffe der TU Dresden ausführliche experimentelle Untersuchungen durch, um eine ausreichende Kraftübertragung von der Betonmatrix auf die eingebetteten FGL-Sensoren zu erzielen. Die Professur für Hochfrequenztechnik an der TU Dresden liefert HF-Messtechnik und -Expertise zur Risslokalisierung und Rissbreitenbestimmung. Die TU Chemnitz (Professur für Adaptronik und Funktionsleichtbau) hat die Entwicklung des DC-Messverfahrens, die thermomechanische Charakterisierung der entwickelten FGL, sowie die Erarbeitung von Konzepten und Lösungen zur elektrischen Kontaktierung zur Aufgabe.

Für eine abgesicherte Übertragung des FGL-Sensorsystems in die Praxis sorgt das Ingenieurbüro Marx Krontal Partner aus Weimar. Mit Kernkompetenzen im Bereich Diagnostik und Monitoring von Bauwerken stellt es sicher, dass das System für die Baupraxis geeignet ist und überprüft im Rahmen des Projekts das FGL-Sensorsystem aus bauwerksdiagnostischer Sicht auf Wirtschaftlichkeit sowie Praxistauglichkeit im Vergleich zu konventionellen Messsystemen.

Vor diesem Hintergrund wollen die Forscher und Industriepartner im Projekt »FGL-RissSensor« mithilfe des neuartigen FGL-Sensorsystems einen maßgeblichen Anteil zur Verwirklichung der oben genannten ökologischen, ökonomischen und sozialen Ziele beitragen, um zukünftig das Bauen innovativer, sicherer, wirtschaftlicher und nachhaltiger zu gestalten.

 

Text: Tin Trong Dinh
Foto: Tin Trong Dinh, Ingpuls GmbH, Marx Krontal Partner

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