Verknüpfung von Nano mit Makro – Chancen für den Stahlbau

Nanostrukturierte metallische Multilayer weisen eine wesentlich höhere Festigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Duktilität als monolithische homogene Metallquerschnitte auf. Die überragenden strukturellen Eigenschaften nanostrukturierter Querschnitte sind bekannt, und so ist verwunderlich, warum bis heute kein Versuch unternommen wurde, nanostrukturierte Querschnitte in Makroquerschnitten im Konstruktiven Ingenieurbau zur Verbesserung der Querschnittseigenschaften einzusetzen. Dieser Aufsatz verknüpft die Vorteile der nanostrukturierten Multilayer mit den Bedürfnissen der homogenen metallischen Makroquerschnitte und geht der Frage nach, inwieweit das Hochleistungsmaterial Nanolaminat die konstruktiven Schwachstellen metallischer Infrastruktur ausgleichen kann. Die folgenden Schwachstellen der metallischen Konstruktion werden adressiert: 1) die Schweißnaht unter Ermüdungsbeanspruchung und Korrosion, 2) additiv gedruckte metallische Querschnitte unter Ermüdungsbeanspruchung und Korrosion. Der Aufsatz gibt Denkanstöße, wie nanostrukturierte Querschnitte möglicherweise die Zukunft im Stahlbau mitbestimmen können. Beispielhaft wird auf die Bemessung und Wartung von ermüdungsbeanspruchten metallischen Infrastrukturbauwerken, wie Brücken und Offshore‐Windenergieanlagen, eingegangen und aufgezeigt, wie Nachhaltigkeit, Ressourcenschonung, Senkung des CO‐Fußabdrucks, Verfügbarkeit, Versorgungssicherheit und Wirtschaftlichkeit von Stahl‐Infrastrukturbauwerken potenziell erreichbar sind.

Nanostructured metallic multilayers have significantly higher strength, fatigue resistance and ductility than monolithic homogeneous metal cross sections. The superior structural properties of these nanostructured cross sections are known, and so it is surprising why no attempt has been made to date to use nanostructured cross sections in macro cross sections in structural engineering to improve the cross section properties. This paper links the advantages of nanostructured multilayers with the needs of homogeneous metallic macro‐cross sections and examines the question of the extent to which the high‐performance material nanolaminate can compensate for the structural weak points of metallic infrastructure. The following weak points of metallic infrastructure are addressed: 1) the welded connection subjected to fatigue and corrosion, 2) additively printed metallic cross sections exposed to fatigue and corrosion. The article provides food for thought on how nanostructured multilayer can potentially contribute to the future of steel construction. As an example, the design and maintenance of cyclically loaded metallic infrastructure structures, such as bridges and offshore wind turbines, are discussed and it is shown how sustainability, resource conservation, reduction of the CO footprint, availability, security of supply and economic viability of steel infrastructure structures can potentially be achieved.