Ein Drei-Phasen-Modell von Beton ermöglicht es, den Schädigungsverlauf von den Grenzflächen zur Zementmatrix zu simulieren.
Quelle: BAM, Abteilung Bauwerksichertheit, Fachbereich Modellierung und Simulation
Beton ist einer der attraktivsten Baustoffe und dessen Herstellung für 5% der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Die Erhaltung der natürlichen Ressourcen ist eine zentrale Herausforderung für die nächsten Jahrzehnte. Dies kann durch die Erhöhung der Lebensdauer von Betonstrukturen durch ein robustes, lebensdauerorientiertes Design erreicht werden. Zu diesem Zweck ist ein zuverlässiges numerisches Modell zur Vorhersage des Materialverhaltens von Beton erforderlich.
Das vorgestellte Materialmodell kombiniert ein rein elastisches Material für die Betonzuschläge mit Schädigungsmodellen sowohl für die Zementmatrix als auch für die Grenzflächen. Damit kann die Schädigungsentwicklung ausgehend von der Zuschlagsoberfläche durch die Zementmatrix simuliert werden. Diese Schädigungszonen erzeugen eine Spannungsumverteilung und können Spannungsüberhöhungen, die in rein elastischen Simulationen als Bemessungsgrenze genutzt werden, abbauen und damit die Belastungsgrenze des Bauteils sogar erhöhen.
Ebenso beeinflusst diese Spannungsumverteilung aber auch den Schädigungsfortschritt. Klassische (implizite) Integrationsverfahren versuchen, beide Phänomene simultan zu berechnen. Für das vorgestellte Drei-Phasen-Modell von Beton führt das allerdings zu Instabilitäten aufgrund eines Verzweigungsproblems. Das exakte Auflösen der Verzweigungspunkte ist dabei numerisch aufwendig und erfordert lange Rechenzeiten.
In enger Kooperation mit der UPC Barcelona wurde in dieser Arbeit das dort entwickelte IMPL-EX Verfahren genutzt, um beide Phänomene zu entkoppeln. Es extrapoliert zunächst den Schädigungsfortschritt basierend auf den vorherigen Schädigungszuständen und berechnet in einem separaten Schritt die Spannungsumverteilung. Damit kann es den numerischen Aufwand deutlich reduzieren und für eine 40-fache Beschleunigung der Simulationen sorgen.
Mit dem entwickelten Verfahren kann somit in gleicher Zeit eine deutlich größere virtuelle Betonprobe simuliert werden. In zukünftigen Forschungsprojekten kann damit untersucht werden, welchen Einfluss die Zuschlagsform oder das Festigkeitsverhältnis von Zuschlag zu Zementmatrix auf die Schädigung und damit die Lebensdauer haben.
Implicit explicit integration of gradient enhanced damage models
Thomas Titscher, Jörg F. Unger, J. Oliver
erschienen im Journal of Engineering Mechanics, Vol. 145, Isuue 7, pages 04019040-1 to 04019040-13, 2019
BAM Abteilung Bauwerksicherheit, Fachbereich Modellierung und Simulation