Numerische und experimentelle Untersuchungen zur Modellierung des zeitabhängigen Verformungsverhaltens von Beton unter Berücksichtigung der Mesostruktur durch gekoppelte Modelle für mechanische und hygrische Beanspruchungen
Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
Mechanik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes wurde ein komplexes hygro-mechanisches Modell für Beton auf der Mesoskale entwickelt und die Interaktionen von Kriechen, Schwinden und Schädigung wurden untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass eine direkte Übertragung von Laborversuchen an üblichen Probekörpern auf konstitutive Gesetze für einzelne Materialpunkte zur Beschreibung von Kriech- und Schwindphänomenen nur bedingt möglich ist. Dies liegt insbesondere an der relativ langen Zeit bis zum Erreichen einer isotropen Ausgleichsfeuchte, die in den meisten Versuchen nicht erreicht wird (nach 120 Tagen war der Probekörperkern noch voll gesättigt). Aus diesem Grund ist es sinnvoll, Modellkalibrierung und -validierungen nicht auf Materialpunktebene durchzuführen, sondern den kompletten Laborversuch als 3-dimensionales Modell abzubilden. Am Beispiel des Feuchtemodells in Kombination mit einem Optimierungsverfahren wurde dieser Ansatz demonstriert und an zusätzlichen Proben validiert. Weiterhin wurde festgestellt, dass es insbesondere bei Langzeitversuchen eine Herausforderung ist, die Umgebungsbedingungen in engen Grenzen zu steuern, u.a. bedingt durch geplante Störungen wie z.B. die Entnahme von Proben aus eingestellten Luftfeuchtigkeiten zur Messung bzw. zum Nachfüllen von Salz, als auch ungeplante Anomalien wie der Ausfall der Klimatechnik. Allerdings wurde gezeigt, dass sich die Versuchsdaten bei konsequenter Aufzeichnung der realen Umgebungsbedingungen und anschliessender Berücksichtigung als Randbedingungen im Simulationsmodell für Modellkalibrierungen eignen. Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass auf Messdaten basierende Randbedingungen im numerischen Modells die Qualität der Kalibration verbessern. Ein wichtiger Einflussfaktor ist die Modellierung des Schwindens. Dabei wurde im Projekt gezeigt, dass der üblicherweise verwendete dehnungsbasierte Ansatz nicht in der Lage ist, Interaktionsphänomene zu modellieren. Stattdessen wurden ein spannungsbasierter Ansatz gewählt, der Änderungen in der Materialsteifigkeit aufgrund von Schädigung oder Hydratation in zukünftigen Projekten berücksichtigen kann. Für die Modellierung der Schädigung wurde ein nichtlokales, gradientenbasiertes Schädigungsmodell verwendet, das gegenüber Phasenfeldmodellen die Möglichkeit bietet, kohäsive Entfestigungen abzubilden. Regularisierte lokale Modelle wurden nicht untersucht, da bei Interaktionen zwischen Transportprozessen und Schädigung eine Netzabhängigkeit erwartet wurde. Allerdings hat sich im Verlaufe des Projektes gezeigt, dass die Modellierung des Druckversagens mit dem Standardmodell nach Perlings und einer modifizierten Schädigungsfläche zur Berücksichtigung der unterschiedlichen Festigkeiten im Druck- und Zugbereich nicht in der Lage ist, das tatsächliche Versagensmuster abzubilden - obwohl die makroskopische Last-Verschiebungskurve realistisch ist. Zusätzliche Erweiterungen (dehnungsabhängiger nichtlokaler Radius, Schädigung nur auf Zugkomponenten des Dehnungstensors) haben einzeln funktioniert, in der Kombination aber zu numerischen Artefakten geführt, die in weiteren Projekten genauer zu untersuchen sind. Eine ursprüngliche These aus dem Antrag war die Annahme, dass heterogene Schwindverformungen und daraus resultierenden Eigenspannungen bzw. die heterogene Spannungsverteilung bei Berücksichtigung der Mesostruktur eine mögliche Ursache für den Picketeffekt sind. Allerdings hat sich im Projekt gezeigt, dass die Modellierung des Kriechens mit viskoelastische Modellen basierend auf einer Anzahl von einaxialen Feder- Dämpfer-Systemen nicht zu einer Spannungsumlagerung führt - stattdessen sind die Dehnungsänderungen proportional zur Spannung bzw. zur elastischen Dehnung und damit ist deren Verhältnis konstant. Unter Berücksichtigung einer Zerlegung des Kriechanteils in einen reversiblen viskoelastischen Anteil und einen zusätzlichen irreversiblen viskoplastischen Anteil wird allerdings erwartet, dass daraus Spannungsumlagerungen entstehen. Neben den Standardexperimenten zur Bestimmung der Kriechverformung mit konstanter Belastung erfordert dies aber zusätzliche Entlastungsuntersuchungen zur Unterscheidung von reversiblen und irreversiblen Anteilen. In diesem Zusammenhang wurde auch die Interaktion zwischen Kriechen und einer Änderung der Steifigkeit untersucht, die experimentell durch regelmäßige Entlastungszyklen ermittelt wurde. Allerdings war das Ergebnis widersprüchlich, da die Sekante der Last-Verschiebungskurve für hohe Spannungen ansteigt, für kleine Spannungen aber ein gegenläufiger Trend gemessen wurde. Auch kann bei den Versuchen der gekoppelte Einfluss aus Kriechen und Ermüdung nicht näher quantifiziert werden. Erste Untersuchungen zur Modellierung von Betonermüdung im Druckbereich wurden durchgeführt, allerdings war der Fokus hier auf der Entwicklung von Cycle-Jump-Verfahren zur Bestimmung von Wöhlerlinien aus Kontinuumsmodellen. Aus diesem Grund ist es in zukünftigen Projekten notwendig, zyklische Versuche mit einem kombinierten Modell für Ermüdung und Kriechen zu entwickeln, die insbesondere in der Lage sind, die komplette Hystereseschleife inklusive der Unterscheidung von reversiblen und irreversiblen Komponenten zu beschreiben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Application of molecular dynamics simulations for the generation of dense concrete mesoscale geometries”. In: Computers & Structures 158 (2015), S. 274–284
T. Titscher und J.F. Unger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2015.06.008) - “Constitutive modeling of creep-fatigue interaction for normal strength concrete under compression”. In: International Journal of Fatigue 78 (2015), S. 81–94
V. M. Kindrachuk, M. Thiele und J. F. Unger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2015.03.026) - “A mesoscale, multi-physics, finite-element-model of concrete to predict the long term behavior”. In: European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, Crete Island, Greece. 2016
V. Hirthammer und J. F. Unger
- “A Fourier transformation-based temporal integration scheme for viscoplastic solids subjected to fatigue deterioration”. In: International Journal of Fatigue 100.1 (2017), S. 215–228
V. M. Kindrachuk und J. F. Unger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2017.03.015) - “Mesoscale influence on the macroscopic material behavior of concrete”. In: GACM Colloquium on Computational Mechanics, Stuttgart, Germany. 2017
V. Hirthammer, J. F. Unger und Joško Ožbolt
- “Modeling the interactions of creep, shrinkage and damage in a multiphysics simulation of concrete”. In: ECCM-ECFD 2018, Glasgow
V. Hirthammer, J. F. Unger und Joško Ožbolt
- “Implicit-explicit (IMPL-EX) integration of gradient enhanced damage models”. In: Journal of Engineering Mechanics 145.7 (2019), S. 04019040
T. Titscher, J. Oliver und J. F. Unger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0001608)
