Evaluation of Fe-Based Shape Memory Alloy (Fe-SMA) as Strengthening Material for Reinforced Concrete Structures

Hong, Ki-Nam; Lee, Sugyu; Han, Sang-Hoon; Yeon, Yeongmo

doi:10.3390/app8050730

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“…Vielfach wird diese Rückstellspannung zur Vorspannung des Betonbauteils eingesetzt. Untersuchungen zur Anwendbarkeit von eisenbasierter Formgedächtnislegierung in Stahlbetonstrukturen (Verbundverhalten, Vorspannwirkung und Auswirkung der Vordehnung auf die verbleibende Steifigkeit und Rückstellspannung) wurden in angestellt.…”

Section: Materialienunclassified

Selbstvorspannende ultrahochfeste Betonelemente

Kromoser¹,

Strieder²,

Kirnbauer

2019

Beton und Stahlbetonbau

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1 Einleitung Beton ist charakterisiert durch eine verhältnismäßig hohe Druckfestigkeit und eine vergleichsweise niedrige Zugfestigkeit. Um das Material möglichst effizient nutzen zu können, müssen Baustrukturen so gestaltet werden, dass hauptsächlich Druckspannungen und nur geringe Zugspannungen auftreten. Oft führen externe Lasten jedoch zu einer Biegebeanspruchung, die sich insbesondere bei dünnwandigen Bauteilen negativ auswirkt. Aufgrund der kleinen statischen Nutzhöhe z. B. bei Schalentragwerken führt dies auch schon bei geringen Beanspruchungen zu relativ hohen Zugbeanspruchungen und in weiterer Folge zu Rissen. Diese sind insbesondere bei Bauteilen mit hohen optischen Anforderungen wie Fassadenplatten oder bei Bauteilen mit hohen Dichtigkeitsanforderungen wie Rohren oder Wasserbehältern problematisch. Eine Möglichkeit, höhere Biegespannungen unter Gebrauchslast rissfrei aufnehmen zu können, ist eine Vorspannung. Für dünnwandige Bauteile wird aktuell meist eine Vorspannung im sofortigen Verbund verwendet. Nachteilig ist dabei, dass die Spannglieder immer einen geradlinigen Verlauf zwischen den Spannvorrichtungen aufweisen. Eine Umlenkung wäre zwar möglich, ist aber praktisch schwer umsetzbar. Janke et al. [1] haben die Idee beschrieben, dünnwandige gekrümmte Elemente mit Formgedächtnislegierung (FGL) zu bewehren. Die Idee der Autoren ist nun, eine vorgedehnte FGL als Bewehrung zu verwenden und das gesamte Bauteil im Rahmen einer geeigneten Nachbehandlung nach Erreichen einer notwendigen Mindestfestigkeit des Betons thermisch zu aktivieren. Die Betonfestigkeit muss dabei bereits so weit entwickelt sein, dass die Vorspannkräfte aus der Formgedächtnislegierung vom Beton aufgenommen werden können, ohne dass dieser frühzeitig geschädigt Durch thermische Nachbehandlung können die Eigenschaften von Materialien gezielt beeinflusst werden. Ein Beispiel dafür ist Beton. Durch den Erwärmungsprozess können der Aushärtungsprozess beschleunigt und etwaig vorhandene puzzolanische Zuschlagstoffe zugunsten einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften aktiviert werden. Eisenbasierte Formgedächtnislegierungen reagieren unter bestimmten Umständen auch sensitiv auf Temperatureinwirkung. Eine vorab mechanisch eingeprägte Form, die beispielsweise durch Vordehnen hergestellt wird, kann durch eine thermische Behandlung wieder rückgängig gemacht werden. Wird diesem "Formgedächtniseffekt" ein Widerstand entgegengesetzt, so führt dieser zu einer Zugkraft im Metallteil, die gezielt als Vorspannung genutzt werden kann. Bewehrt man nun Beton mit Stäben oder Matten aus einer eisenbasierten Formgedächtnislegierung und behandelt die Bauteile entsprechend thermisch nach, kann ein Selbstvorspannungseffekt erzeugt werden, der sich vorteilhaft auf die Gebrauchstauglichkeit und Steifigkeit der Bauteile auswirkt. Der vorliegende Beitrag gibt einen Überblick über eine erste Machbarkeitsstudie zu diesem Ansatz. Nach einer Beschreibung der verwendeten Ausgangsmaterialien wird eine erste Serie von Dreipunktbiegeversuchen präsentiert, anhand dere...

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Section: Materialienunclassified

Selbstvorspannende ultrahochfeste Betonelemente

Kromoser¹,

Strieder²,

Kirnbauer

2019

Beton und Stahlbetonbau

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“…Cladera et al [20] and Lee et al [21] studied the applications of Fe-based SMAs. The highly developed SME, high stiffness, high strength, and low production cost of Fe-SMAs have prompted international research on their application in such civil engineering fields as damping, active control, and pre-or post-stressing tensioning of structures [22,23]. Shahverdi et al [6] proposed near-surface mounted (NSM) strengthening techniques that significantly reduce the probability of harm resulting from the corrosion of prestressing members.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Multi-Step Prestressing with Hybrid SMA Wires

2020

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Prestressing force is induced in reinforced concrete (RC) structures to improve their load-carrying capacity. Generally, the prestressing strand of an RC structure is tensioned using a hydraulic jack, which decreases its workability. In this study, we evaluate the application of prestressing force by using a shape memory alloy (SMA), as has been actively studied in civil engineering. Experiments were conducted to measure the multi-stepwise prestressing force introduced in a hybrid SMA wire composed of two different types of SMA wires. The experimental parameters were determined based on the combinations of the SMA wires and the heating temperatures. The results of the experiments show that the prestressing force was induced in a sequence. The magnitude of the prestressing force generated by the hybrid SMA wire was equal to the sum of the prestressing forces generated by the NiTi50 and NiTi90 SMA wires. In conclusion, this study verified the applicability of the proposed concept of multi-stepwise prestressing by using hybrid SMA wires. Further research is required to measure the effect of prestressing by locally heating the center of a girder with the aim of expanding the applicability of this concept.

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“…The results indicated that VE-PTMDs performed well in suppressing the vibration of a suspended piping system. With their hysteretic behavior [46], shape memory alloys (SMAs) are another popular energy dissipating material used in control systems [47][48][49][50][51]. As will be further discussed in the following sections, SMAs have unique material properties originating from their transition from martensite to austenite states.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Implementation of Shape Memory Alloy Sponge as Energy Dissipating Material on Pounding Tuned Mass Damper: An Experimental Investigation

et al. 2019

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Piping systems are important nonstructural components of most types of buildings. Damage to piping systems can lead to significant economic losses, casualties, and interruption of function. A survey of earthquake disaster sites shows that suspended piping systems are flexible and thus prone to large deformation, which can lead to serious damage of the piping systems. The single-sided pounding tuned mass damper (PTMD), which is an emerging vibration suppression tool, has the potential to serve as a cost effective and non-invasive solution for the mitigation of vibration in suspended piping systems. The operating frequency of the single-sided PTMD can be tuned similarly to a tuned mass damper (TMD). The single-side PTMD also possesses high energy dissipation characteristics and has demonstrated outstanding performance in vibration control. One of the key factors affecting the performance of the PTMD is the damping material, and there is a constant search for the ideal type of material that can increase the performance of the PTMD. This paper explores the use of shape memory alloy (SMA) sponge as the damping material for two types (spring steel and pendulum types) of PTMDs to mitigate the vibration of a suspended piping system. The PTMDs are tested both in free vibration and in forced vibration. The results are compared with no control, with a TMD control, and with a viscoelastic (VE) material PTMD control. The results show that in free vibration tests, SMA–PTMDs attenuate the displacement of the piping system significantly. The time to mitigate vibration (i.e., reduce 90% of the vibration amplitude) is reduced to 6% (for spring steel type) and 11% (for pendulum type) of the time taken to mitigate vibration without control. In forced vibration tests, the overall magnitudes of the frequency response are also lowered to 38% (spring steel) and 44% (pendulum) compared to vibration without control. The results indicate that SMA has the potential to be a promising energy dissipating material for PTMDs.

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Evaluation of Fe-Based Shape Memory Alloy (Fe-SMA) as Strengthening Material for Reinforced Concrete Structures

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Selbstvorspannende ultrahochfeste Betonelemente

Selbstvorspannende ultrahochfeste Betonelemente

Multi-Step Prestressing with Hybrid SMA Wires

Implementation of Shape Memory Alloy Sponge as Energy Dissipating Material on Pounding Tuned Mass Damper: An Experimental Investigation

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