Verhalten von Stahlbeton unter Extrembelastungen - Explosion und Feuer
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das abgelaufene DFG Forschungsvorhabenin drei Phasen realisiert. Erste Phase. Es wurde ein bereits bestehendes konstitutives Gesetz weiterentwickelt, in dem die Effekte der hohen Dehnungsgradienten und der Temperatur gekoppelt sind. Das Modell wurde in das am IWB entwickelten FE Programm MASA-CIF implementiert, so dass eine Modellierung der Mehrkörperdynamik mit dem Kontakt, der Fragmentierung des Materials und der damit verbundenen Erzeugung der Wärme möglich wurde. Es wurden zahlreiche numerische Untersuchungen durchgeführt. Zur Bestätigung der numerischen Ergebnisse wurden im Hinblick auf den vorhergesagten Widerstand des Betons, die Rissgeschwindigkeit und die Rissverzweigung bei hohen Dehnraten an der MPA in Stuttgart Versuche an CTS (Compact Tension Specimen) Proben durchgeführt. Diese Versuche haben zum ersten Mal die Rissverzweigung im Beton nachgewiesen und die Vorhersage der numerischen Untersuchungen bestätigt. Zweite Phase. Es wurde nachgewiesen, dass die Belastungsgeschwindigkeit das Bauteilverhalten durch zwei Effekte beeinflusst: (1) Aufgrund des zeitabhängigen Wachstums von Mikrorissen und dem viskosen Verhalten des Betons zwischen den Rissen und (2) aufgrund von verschiedenen Einflüssen der Trägheit wie z.B.: Bildung und Verlauf der Makrorisse, nichtlineares Verhalten des Materials (Verfestigung bzw. Entfestigung), Rissverzweigung und Trägheit auf der Strukturebene. In numerischen Simulationen auf der Meso- oder Makroskala können die ersten Effekte mit dem konstitutiven Gesetz berücksichtigt werden. Die zweiten Effekte werden automatisch durch die nichtlineare dynamische Analyse berücksichtigt. Prinzipiell nimmt mit zunehmender Belastungsgeschwindigkeit der Widerstand des Materials zu. Ab einer bestimmten Belastungsgeschwindigkeit ist die Zunahme progressiv. Es wurde bestätigt, dass diese progressive Zunahme des Widerstandes auf die Trägheit und nicht auf die Festigkeit des Materials zurückzuführen ist. Die extrem schnellen Belastungen beeinflussen auch die Versagensart wobei mit zunehmender Belastungsgeschwindigkeit die Mode-I Bruchart in die Mode-II Schubbruchart übergeht. Es wurde gezeigt, dass mit zunehmender Temperatur der Einfluss der Dehnrate abnimmt. Für die Bauteile gibt es prinzipiell zwei relevante Belastungsszenarien: (1) Die Schädigung des Bauteils durch Temperaturbeanspruchung und anschließend dynamischer Belastung und (2) eine Brandbelastung nach einer dynamischen Beanspruchung (Erdbeben). Es wurden sehr komplexe (Stahlbetonrahmen & Decken) 3D FE Simulationen nach dem ersten Szenario durchgeführt. Für einige Fälle wurden relativ große Abweichungen zwischen den numerischen und experimentellen Ergebnissen festgestellt. Dritte Phase . Es wurde geklärt was die Gründe für die oben erwähnten Unterschiede zwischen den numerischen und experimentellen Ergebnissen sind. Außerdem wurden numerische Simulationen an Stahlbetonrahmen nach dem zweiten Szenario durchgeführt. Durch die experimentellen Untersuchungen wurde nachgewiesen, dass mit zunehmender Temperatur die Bruchenergie des Betons immer abnimmt. Es wurde gezeigt, dass die temperaturabhängigen mechanischen Eigenschaften des Betons bei nichtlokaler Temperatur berechnet werden sollten. Das gilt insbesondere für die Impact Zonen wo die Dehnraten in der Regel sehr hoch sind. Die Resttraglast von Stahlbetonrahmen nach einem Erdbeben und einer Brandlast zeigt eine starke Abnahme die durch eine Zunahme der Brandlast verstärkt wird. Die Abnahme ist deutlich höher im warmen Zustand.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2011). Dynamic fracture of concrete – compact tension specimen, International Journal of Solids and Structures, 48, 1534–1543
Ožbolt, J., Sharma, A. and Reinhardt, H.W.
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(2012). Numerical simulation of dynamic fracture of concrete through uniaxial tension and L-specimen, Engeneering Fracture Mechanics, 85, 88-102
Ožbolt J. and Sharma, A.
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(2013). Dynamic Fracture of Concrete Compact Tension Specimen: Experimental and Numerical Study, International Journal of Solids and Structures
Ožbolt, J., Bošnjak, J. and Sola, E.
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(2014). High velocity impact and fragmentation of concrete: Numerical simulation, Dissertation, Institut für Werkstoffe im Bauwesen, Universität Stuttgart, Stuttgart
İrhan, B.
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(2014). Tensile behavior of concrete under high loading rates, International Journal of Impact Engineering, 69, 55-68
Ožbolt, J., Sharma, A., Irhan, B. and Sola, E.
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(2015). 3D finite element simulations of high velocity projectile impact, International Journal of Solids and Structures, 72, 38-49
Irhan, B., Ožbolt, J. and Ruta, D.
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(2015). Dynamic fracture of concrete L- specimen: Experimental and numerical study. Engineering Fracture Mechanics, 148, 27–41
Ožbolt, J., Bede, N., Sharma, A., Mayer, U.
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(2016). Microplane Model for Steel and Application on Static and Dynamic Fracture, Journal of Engrg. Mech., ASCE, 142, No. 2
Ožbolt, J., Tonković, Z. and Lacković, L.
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(2017). Numerical and experimental study of concrete structures under extreme conditions: impact and fire, PhD, Institut für Werkstoffe im Bauwesen, Universität Stuttgart, Stuttgart
Ruta, D.
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(2019). Impact analysis of thermally pre-damaged reinforced concrete slabs: Verification of the 3D FE model. Int. J. of Impact Eng., 133
Ožbolt, J., Ruta, D. and İrhan, B.
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(2020). Impact Analysis of Thermally Pre-Damaged Reinforced Concrete Frames. Materials, 13, 5349
Ožbolt, J., Lacković, L. and Ruta, D.
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(2021). Behavior of concrete structures subjected to static and dynamic loading after fire exposure, PhD, Institut für Werkstoffe im Bauwesen, Universität Stuttgart, Stuttgart
Lacković, L.
