Experimentally based modelling of failure mechanisms of high-strength concrete under multi-axial loading - MABET
Structural Engineering, Building Informatics and Construction Operation
Final Report Abstract
Im Rahmen des hier vorgestellten Forschungsprojektes konnten verzerrungsbasierte Evolutionsregeln für eine Plastizitätstheorie zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens von Beton unter mehrachsiger Druckbelastung hergeleitet werden. Sie basieren vollständig auf experimentellen Beobachtungen triaxialer Betondruckversuche. Dafür war zunächst eine Möglichkeit zur Dehnungsmessung im Betoninneren erforderlich, da bei den notwendigen dreiaxialen Versuchen keine freien Oberflächen für die Applikation von Messtechnik zur Verfügung stehen. Es wurde eine Messkonfiguration entwickeln, die auf kontinuierlichen faseroptischen Sensoren (dFOS) basiert, die mittels eines Trägergestells aus Messing-U-Profilen im Beton positioniert werden. Durch Abstimmung des Faser-Coating, des Klebstoffes, des Umlenkradius und des Messpunktabstandes konnten gleichwertige Ergebnisse zu Messungen mittels Dehnungsmessstreifen oder Photogrammetrie erzielt werden. Der Einfluss des Messingprofils konnte als marginal eingestuft werden. Ein Vergleich mit der indirekten Verformungsmessung über die Messung der Verformungen der Belastungsbürsten in der Triaxialprüfmaschine zeigte eine deutlich bessere Messgenauigkeit der dFOS besonders im Bereich geringer Spannungen. Allerdings hat sich der Sensoraufbau im Laufe der Untersuchungen als zu steif herausgestellt, so dass zwar die plastischen Verzerrungen, nicht jedoch lokale Schädigungen erfasst werden konnten. Für die Ermittlung der Materialeigenschaften wurden Versuche in der Triaxialprüfmaschine an Würfeln mit 10 cm Kantenlänge und an einem hochfesten Beton durchgeführt. Dafür wurden relevante Spannungsverhältnisse des Druck-, Zug- und Schubmeridians ausgewählt. Die Belastung erfolgte zunächst stufenweise und proportional entsprechend des gewählten Spannungsverhältnisses bis zum Bruch. Anhand der Entlastung zwischen den Stufen wurden die plastischen Verformungen in allen Richtungen bestimmt. In gesonderten Versuchsserien wurde außerdem zwischen ausgewählten Laststufen die daraus resultierende Steifigkeit in allen Richtungen bestimmt, indem die Probekörper mit einer geringen einaxialen Druckbeanspruchung in diesen Richtungen belastet wurden. Analog wurden Vorbelastungen untersucht, bei denen die Laststufen proportional aufgebracht und anschließend entsprechend der deviatorischen und hydrostatischen Lastanteile entlastet wurden. Als weitere Möglichkeit, die Gefügeänderung zu quantifizieren, wurde für definierte Vorbelastungen die verbleibende Zugfestigkeit bestimmt. Die aufgestellten Fließ- und Verfestigungsregeln berücksichtigen das unterschiedliche plastische Materialverhalten von Beton in Abhängigkeit von unterschiedlichen dreidimensionalen Spannungszuständen. Die Abhängigkeit der Duktilität von unterschiedlichen Umschnürungsspannungen sowie die Richtungsänderungen des plastischen Flusses mit zunehmender Belastung werden durch die Evolutionsregeln richtig beschrieben. Solche Phänomene können in den bisherigen Materialmodellen für Beton lediglich durch eine Anpassung von Materialparametern an verschiedene Lastzustände berücksichtigt werden. Daher blieben die Anwendungsfälle dieser Modelle auf die Nachrechnung von bekannten Versuchen beschränkt und lieferten oft keine befriedigenden Ergebnisse bei einer Prognose des Materialverhaltens. Im hier vorgestellten Materialmodell entfällt eine derartige Materialparameteranpassung. Aus versuchstechnischen Gründen konnte die Entwicklung der anisotropen Schädigung im Rahmen des durchgeführten Projektes nicht messtechnisch erfasst werden. Daher musste auf die Formulierung einer Schädigungsregel verzichtet werden. Eine Anpassung der faseroptischen Sensoren und deren Applikation zur Beobachtung der Schädigungsrelevanten Messgrößen ist zukünftig denkbar. Gegebenenfalls muss zusätzlich auf andere Messtechnologien zurückgegriffen werden, wie z.B. der Mikro-Computertomographie, um Informationen über das Mikrorisswachstum und dessen Orientierung im Inneren der Betonproben zu erhalten. So konnte beispielsweise anhand solcher Messdaten auf das mechanische Verhalten der beobachteten Betonproben zurückgeschlossen werden. Vor allem zur Simulation des Nachbruchbereiches von Beton wird eine zukünftige Erweiterung der hier gewonnenen Plastizitätstheorie um eine Schädigungstheorie erforderlich. Die hier erzielte, sehr gute Korrelation der Spannungs-Verzerrungskurven zwischen den Simulationen und den Betondruckversuchen zeigt, dass bis zum Erreichen der maximalen Druckspannung mit einer reinen Plastizitätstheorie gute Ergebnisse erzielt werden.
Publications
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