Mehraxiale Stoffgesetze für Beton auf der Grundlage anisotroper Schädigung und Plastizität
Final Report Abstract
Die korrekte Darstellung des komplexen dreiaxialen Betonverhaltens ist eine Voraussetzung für realitätsnahe Simulationen des Tragverhaltens von Stahlbetonstrukturen, gelingt jedoch - insbesondere im Hinblick auf die ingenieurpraktische Anwendung - nach wie vor nur eingeschränkt. Mit dem abgeschlossenen Forschungsvorhaben wurde ein Beitrag zur kontinuumsmechanischen Beschreibung unbewehrter Betone und zur Einbindung der entwickelten Stoffgesetze in numerische Verfahren wie die Finite-Elemente-Methode geleistet. Mit der Schädigungsmechanik und der Plastizitätstheorie wurden leistungsfähige Werkzeuge zur Erfassung charakteristischer Eigenschaften unbewehrter Betone unter mehraxialer Belastung verwendet. Zu diesen Eigenschaften zählen das Entfestigungsverhalten, die belastungsinduzierte Anisotropie sowie die Dilatanz bei ausgeprägten Druckbeanspruchungen. Ein während der Projektlaufzeit entwickeltes isotropes Referenzstoffgesetz auf der Grundlage der vorgenannten Methoden ermöglichte die zutreffende Wiedergabe des Betonverhaltens unter mehraxialen Zug- und Druckbelastungen. Die belastungsinduzierte Anisotropie, d.h. die Richtungsabhängigkeit der Materialeigenschaften infolge von Mikrorissentstehung, -wachstum und -zusammenschluss bei fortschreitender Belastung, konnte jedoch erst durch die anschließend entwickelten, orthotropen Schädigungsstoffgesetze beschrieben werden. Insbesondere die anisotropen Materialformulierungen ohne plastische Modellanteile basieren auf einer geringen Zahl an vorzugebenden Werkstoffkennwerten, welche zudem direkt den Normen entnommen oder aus einfachen Belastungsversuchen ermittelt werden können. Dies gewährleistet die Verständlichkeit für Anwender ohne umfangreiche materialtheoretische Kenntnisse. Gleichzeitig ergibt sich jedoch die Beschränkung auf Problemstellungen mit vorwiegendem Zugversagen. Um bei Struktursimulationen auf der Basis der Finiten-Elemente-Methode netzunabhängige Ergebnisse zu erhalten, wurden Regularisierungsmethoden formuliert und im Hinblick auf ihre praktische Anwendbarkeit bewertet. Lokale, bruchenergiebasierte Ansätze erwiesen sich als numerisch robust und konnten leicht in die institutsinterne Software eingebunden werden. Die Bestimmung der Breite der numerischen Prozesszone war mit ihnen allerdings nicht möglich. Dieser Nachteil konnte erst durch den Einsatz nichtlokaler Methoden vom Integraloder Gradiententyp behoben werden, jedoch ist deren Verwendung mit längeren Rechenzeiten und einem erhöhten Implementierungsaufwand verbunden. Die entwickelten Stoffgesetze wurden anhand von numerischen Simulationen gut dokumentierter Versuche an unbewehrten Betonbauteilen validiert. Experimentelle Systemantworten in Form von Last-Verschiebungsbeziehungen konnten mit allen Materialformulierungen und Regularisierungsmethoden zutreffend wiedergegeben werden. Die korrekte Darstellung geneigter Risspfade war hingegen nur mit den orthotropen Schädigungsstoffgesetzen möglich.
Publications
- „Zur realitätsnahen Berechnung des Verhaltens von Stahlbetontragwerken“. In: Curbach, M.; Häußler-Combe, U.; Mechtcherine, V. (Hrsg.): Beiträge zum 48. Forschungskolloquium des DAfStb. Technische Universität Dresden (2007), S. 63-72
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(See online at https://doi.org/10.1617/s11527-011-9741-x) - „Modelling of concrete behavior under high strain rates with a damaged viscoelastic approach“. In: Proceedings of 2nd International Conference on Computational Modeling of Fracture and Failure of Materials and Structures (CFRAC), Barcelona, Spain International Center for Numerical Methods in Engineering (2011)
Häußler-Combe, U.; Kitzig, M.; Kühn, T.
