Numerische und experimentelle Untersuchungen zur Modellierung des zeitabhängigen Verformungsverhaltens von Beton unter Berücksichtigung der Mesostruktur durch gekoppelte Modelle für mechanische und hygrische Beanspruchungen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Jörg F. Unger
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 252766671

Die Modellierung des zeitabhängigen Verformungsverhaltens von Beton wird bisher über rein phänomenologische Modelle abgebildet, wobei Kriech- und Schwindverformungen im Allgemeinen als zusätzliche Dehnungskomponenten eingeführt werden. Verschiedene Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass diese Einflüsse nichtlinear gekoppelt sind (z.B. Picket-Effekt) und nicht vom mechanischen Schädigungsverhalten und der Feuchtigkeitsverteilung getrennt betrachtet werden können. Im Rahmen dieses Projekts soll ein Modell für Beton entwickelt und in ein numerisches Modell umgesetzt werden, welches in einem gekoppelten Ansatz die mechanische Beanspruchung in Verbindung mit der zeitabhängigen, ortsaufgelösten Feuchteentwicklung im Bauteil abbildet. Aufbauend auf ein vom Antragsteller entwickeltes Geometriemodell für Beton erfolgt die Modellierung direkt auf der Ebene der Mesoskala mit einer Abbildung von Gesteinskörnung und Zementsteinmatrix als zwei separaten Phasen und der Interfacial Transition Zone (ITZ) als zusätzlicher Schwachstelle. Die Entfestigung im Bereich der Zementsteinmatrix soll über ein gekoppeltes Schädigungs-Plastizitätsmodell erfolgen, das durch einen Gradientenansatz regularisiert wird. Dadurch kann der numerische Aufwand verglichen mit der bisher verwendeten nichtlokalen Formulierung erheblich reduziert werden. Die viskosen Eigenschaften sollen durch die Verwendung eines Perzyna-Kriechmodells mit Verfestigungsansatz direkt in die plastische Formulierung integriert werden, wobei damit eine direkte Kopplung zwischen mechanischer Schädigung und viskosem Materialverhalten realisiert wird. Die Abbildung der zeitabhängigen Entwicklung der makroskopischen Materialeigenschaften als Funktion der Feuchte wird mit Hilfe einer modifizierten Verfestigungstheorie unter Einhaltung thermodynamischer Erhaltungssätze erfolgen. Der Zementstein wird als poröses Medium modelliert. Die Interaktion zwischen mechanischem Modell und der Feuchte resultiert einerseits aus der Berücksichtigung der Kapillardrücke und andererseits durch den Einfluss der Feuchte auf die Festigkeitsentwicklung. Die ITZ wird durch eine kohäsive Interface-Formulierung abgebildet, wobei zusätzlich der Feuchtetransport als Funktion der Rissöffnung modelliert wird.Ziel des Projekts ist es, die komplexen phänomenologischen Modelle zur Beschreibung von Kriechen und Schwinden auf der Makroskala zu vereinfachen. Es soll untersucht werden, ob durch eine direkte Abbildung der relevanten physikalischen Vorgänge (viskose Zementsteinmatrix, Feuchtetransport, Zementhydratation) mit einfachen Modellen unter Berücksichtigung der Mesoskalenstruktur die komplexen makroskopischen Eigenschaften und Interaktionen besser erklärt werden können. Dies ermöglicht einerseits eine sinnvolle Interpretation von experimentellen Untersuchungen mit einem Verständnis der zugrundliegenden Prozesse auf der Mesoskala; andererseits ist eine einfache Kalibrierung von physikalisch interpretierbaren Materialparametern möglich.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen