Aktive Faser-Verbundwerkstoffe für Adaptive Systeme

Im Bauwesen werden 50 Prozent des weltweiten Energieverbrauches und ein Großteil der weltweiten Rohstoffvorkommen eingesetzt. Vor diesem Hintergrund ist die Entwicklung von ressourcenschonenden und energieeffizienten Bauweisen, Materialien und Technologien dringend notwendig. Einen möglichen Ansatz stellt die Leichtbauweise mit entsprechenden Leichtbaumaterialien, wie z. B. hochfesten Stählen und Faserverstärkten Kunststoffen (FVK) dar. FVK's werden seit den 1950er Jahren im Bauwesen eingesetzt. Die Produktion entsprechender Profile ist aufgrund des Strangziehverfahrens (Pultrusionsverfahren) als Großserienproduktion möglich. Des Weiteren ermöglicht die Herstellung von FVK aus Fasern und entsprechendem Matrixmaterial eine genaue Anpassung des Materials und Profils an die Einflussfaktoren. Durch die gezielte Anpassung von Materialien und Strukturen an den Kraftverlauf lassen sich materialoptimierte Systeme erstellen. Der Einsatz von Leichtbaumaterialien ist im Hinblick auf das geringe Gewicht und Dämpfungsvermögen jedoch kritisch zu betrachten. Zu typischen Problemen zählen u. a. die Schwingungsanfälligkeit und große Verformungen infolge dynamischer Belastungen, wie Wind, Erdbeben oder Fußgängerverkehr. Ebenso stellt das hohe Kriechvermögen eine Herausforderung an die konstruktive Ausbildung derartiger Profile dar. Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht darin, Wege aufzuzeigen, wie man die Vorteile des Leichtbaus nutzen kann und unter Zuhilfenahme von innovativen Techniken die derzeitigen Einsatzgrenzen aufheben kann. Einen derartigen Ansatz stellt die Integration von aktiven Systemen in Faserverstärkte Kunststoffe dar. Hierbei werden die Vorteile der FVK genutzt und durch einweben, bzw. Einlaminieren aktiver Fasern adaptive, selbstregelnde Systeme erzeugt. Auf diese Weise können die Material- und Systemeigenschaften individuell an die jeweilige Belastungs- und Umgebungssituation angepasst werden. Die Materialforschung hat in den letzten Jahren verschiedene intelligente (smarte) Materialien hervorgebracht. Hierzu zählen unter anderem Piezokeramiken und -fasern ebenso wie FormgedächtnisIegierungen und Formgedächtniskunststoffe. Für die Anwendung im Bauwesen ist jedoch eine auf den jeweiligen Anwendungszweck bezogene Kombination dieser smart materials mit geeigneten Faserverbundwerkstoffen notwendig. Zu den verschiedenen Anwendungsgebieten zählen der Schwingungsschutz von Gebäuden oder der Erdbebenschutz von Brücken und Hochhäusern. Hierbei werden aufgrund unterschiedlicher dynamischer Belastungen auch unterschiedliche Materialeigenschaften erforderlich. Im Rahmen der weitergehenden Untersuchungen sollen direkt anwendbare Bemessungs- und Anwendungshilfen entstehen. In Form von Diagrammen werden mögliche Material- und Faserkombinationen mit den zugehörigen Steifigkeits- und Dehnungseigenschaften gegenübergestellt.