Constitutive modeling of superelastic shape memory alloy damping considering dynamic effects

Kaup, Andreas; Klinkel, Sven (Thesis advisor); Krommer, Michael (Thesis advisor); Altay, Okyay (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022, 2023)
Buch, Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Steigende wirtschaftliche und technische Anforderungen stellen die Bemessung erdbebensicherer Ingenieurbauten mit traditionellen Baustoffen vor große Herausforderungen. Formgedächtnislegierungen (FGL) sind metallische, intelligente Materialien mit einzigartigen Eigenschaften. Ohne Restdehnung können SMAs ihre ursprüngliche Form nach mechanischer Beanspruchung durch große Verformungen mit über 7~\% Dehnung wieder einnehmen. Dieses sogenannte superelastische Verhalten macht FGLs zu einer attraktiven Alternative zu bestehenden konventionellen Dämpfersystemen, welche große Einschränkung hinsichtlich ihrer Rückstellkapazität aufweisen. Als ein repräsentantes Beispiel für ein konventionelles System zum Schutz vor Erdbeben, zählen unter anderem Stahlhysteresedämpfer, welche allerdings nach jeder starken seismischen Belastung aufgrund der nicht wiederherstellbaren plastischen Verformung ausgetauscht werden müssen. Eine breitere Anwendung der FGL-basierten Dämpfer erfordert weitere Forschung sowohl auf der numerischen als auch der experimentellen Seite. Bisher erkannten Forscher teils widersprüchliche und sogar unterschiedliche Ergebnisse hinsichtlich des dynamyischen Hystereseverhaltens Verhalten von FGL. Daraus folgen auch inkonsistente Forschungsergebnisse hinsichtlich der Energiedissipationsfähigkeit dynamisch angeregter FGLs. Die Wechselwirkung zwischen Frequenzeffekte und Effekten einer variierenden Dehnungsamplitude und generell auch der einzigartige Charakter von transienten Erdbebenbelastung wird als Begründung für die Ungenauigkeiten bei bestehenden makroskopischen Modelle angenommen. Schwingtischversuche eignen sich ideal, um das dehnungsraten- und dehnungsamplitudenabhängige Materialverhalten in Anwendungsfall zu untersuchen. Darüber hinaus sind hybride Echtzeitsimulationen (RTHS) ein geeignetes Mittel, um sowohl die Funktionalität als auch die Effizienz von superelastischen SMA-Dämpfern in Rahmenstrukturen zu untersuchen. Daher wird in dieser Arbeit das seismische Verhalten von SMA-Dämpfern mit RTHS analysiert. Für RTHS sind numerisch hocheffiziente Materialmodelle erforderlich, um das Materialverhalten in Echtzeit zu simulieren. Neben RTHS erfordern auch andere Echtzeitanwendungen im Bauingenieurwesen, wie die Echtzeitdatenerfassung für die Überwachung und Steuerung des Bauwerkszustands, rechentechnisch hocheffiziente konstitutive Modelle. Semiaktive Schwingungskontrolle mit FGL-Werkstoffen und digitale Zwillinge sind moderne Strukturkontroll- und Überwachungsanwendung, die auf Echtzeitproblemen basieren. Bestehende makroskopische Materialmodelle haben jedoch Schwierigkeiten, das dehnungsraten- und dehnungsamplitudenabhängige Materialverhalten von superelastischen SMA-Drähten für dynamische Anregungen akkurat zu simulieren. Um für die Anwendung auf Echtzeitprobleme im Bauingenieurwesen geeignete konstitutive Werkstoffmodelle bereitzustellen, werden in dieser Dissertation bestehende Modelle, welche das Potential haben in Echtzeit zu performen, hinsichtlich des dynamischen Werkstoffverhaltens weiterentwickelt. Dafür werden verschiedene Modellierungsansätze präsentiert. Mit den neuen Modellierungsansätzen wird das experimentell beobachtete Materialverhalten unter zyklischen Belastungsbedingungen, aber auch unter transienten Erdbebenbelastungen, akkurat simuliert.

Einrichtungen

• Lehrstuhl und Institut für Baustatik und Baudynamik [311810]