Rissweitenbegrenzung von Stahlbaukomponenten unter zyklisch, kombinierter Druck- und Scherbelastung

• Antragsteller: Professor Dr. Elyas Ghafoori
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 567908955

Die Alterung von Stahlkonstruktionen stellt weltweit eine große Herausforderung dar, da diesen rauen Umwelteinflüssen, Ermüdungsbeanspruchungen und gleichzeitig zunehmenden Betriebslasten ausgesetzt sind. Zur Sicherstellung der Integrität der Konstruktionen im Falle von auftretenden Schäden, sind oftmals Verstärkungsmaßnahmen erforderlich. Neben der Risikominimierung von strukturellem Versagen, bieten Verstärkungskonzepte zudem das Potential die verbleibende Nutzungsdauer von Stahlstrukturen zu verlängern und aus Gründen der Nachhaltigkeit den Bedarf an Ersatzneubauten zu minimieren. Herkömmliche Verstärkungsmethoden für alternde Stahlkonstruktionen beinhalten in der Regel die Verwendung von schweren Stahlplatten, die nicht nur schwer zu befestigen sind, sondern auch selbst anfällig für Korrosion und Ermüdungslasten sind. Jüngste Untersuchungen zeigten vielversprechende Ergebnisse bei der Verwendung von kohlenstofffaserverstärktem Polymer (CFK) zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von Stahlkonstruktionen. Die Mehrzahl der Studien befasste sich jedoch mit der Rissausbreitung unter reiner Zugbeanspruchung, wohingegen reale Strukturen häufig einer kombinierten Belastung ausgesetzt sind. Dieses Projekt zielt darauf ab, den Versagensmechanismus unter kombinierten zyklischen Axial- und Scherbelastungen für CFK-Stahl-Verbundsysteme zu charakterisieren und damit die Wissenslücke über die Auswirkungen der Verstärkung von Bauteilen mit CFK zu schließen. Dieses Projekt konzentriert sich neben dem Ermüdungsrisswachstum unter Zug-Scher-Belastung auch insbesondere auf die Druck-Scher-Belastung. Druckspannungen können hierbei beispielsweise durch die Verwendung einer vorgespannten CFK-Verstärkung in das Bauteil eingebracht werden. Im Rahmen des Projekts wird eine Übersicht über die Versagensmechanismen des Stahls unter kombinierten Beanspruchungen erstellt und es werden Empfehlungen für die Reparatur von Ermüdungsrissen unter Verwendung vorgespannter Systeme gegeben. Zu diesem Zweck ist ein systematisches theoretisches und experimentelles Programm vorgesehen, dass unter Berücksichtigung des kombinierten Beanspruchungszustands die Bestimmung von Spannungsintensitätsfaktoren, die Untersuchung der strukturellen Reaktion von gerissenen I-Trägern und Untersuchungen zum Effekt der vorgespannten Verstärkung auf das Ermüdungsrisswachstum umfasst. Kleinskalige Plattenversuche und großskalige Balkenträgerversuche werden durchgeführt, um einen Einblick in das Wachstum von Ermüdungsrissen unter kombinierter Belastung zu erhalten. Neben den experimentellen Untersuchungen werden analytische und numerische Modelle angewandt, um das Verhalten von Schrägrissen infolge einer vorgespannten Verstärkung zu bewerten. Abschließend werden im Projekt zuverlässige Verstärkungsstrategien und praktische Empfehlungen für alternder Stahldetails entwickelt. Die Ergebnisse haben das Potential auf eine Vielzahl von Stahlkonstruktionen angewendet zu werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen