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Projekt
Steigerung des Ermüdungswiderstands von hochduktilem Beton durch experimentell-virtuelles Multiskalen-Werkstoffdesign
Fachliche Zuordnung
Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
Förderung
Förderung seit 2017
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 352324592
Eine neue, vielversprechende Faserbetonart – hochduktiler Beton mit Kurzfaserbewehrung (Strain-Hardening Cement-based Composite, SHCC) – weist unter monotoner Zugbeanspruchung ein hohes Verformungsvermögen auf. Seine Duktilität wird durch fortschreitende multiple Rissbildung bedingt, die mit einer ausgeprägten Dehnungsverfestigung einhergeht. Um die Sicherheit und die Wirtschaftlichkeit von Bauteilen aus SHCC unter praxisrelevanten zyklischen Beanspruchungen zu gewährleisten, sind fundierte Kenntnisse des Ermüdungsverhaltens dieses Werkstoffs und einschlägige theoretisch-numerische Modelle erforderlich. Die Kernfrage für den praktischen Einsatz und die Weiterentwicklung der neuen Faserbetonart lautet: Inwieweit büßt das Material seine inhärente Duktilität und seine Zugfestigkeit im gerissenen Zustand infolge von Ermüdung ein und wie kann diesen Einbußen durch gezieltes Werkstoffdesign entgegengewirkt werden? Das komplexe Verhalten von SHCC unter zyklischer Belastung wurde in der ersten Projektphase auf Mikro- und Mesoebene untersucht. Dabei wurden insbesondere die Degradationsmechanismen der Polymermikrofasern, wie Faserermüdung, Defibrillation und Faserquetschung, sowie die Faser-Matrix-Verbundeigenschaften beleuchtet und alle Gefügebestandteile mit numerischen Materialmodellen beschrieben.In der beantragten zweiten Projektphase sollen Experimente zum Ermüdungsverhalten von SHCC unterschiedlicher Zusammensetzung – in Abhängigkeit von Beanspruchungsszenarien und Temperatur – vorwiegend auf der makroskopischen Betrachtungsebene durchgeführt werden. Zum besseren Verständnis der Schädigungsvorgänge werden die Versuche von eingehenden gefügemorphologischen Untersuchungen begleitet. Ziel dieser Projektphase ist, das makroskopische Verhalten von SHCC unter hochzyklischer Beanspruchung und die zu erwartende anisotrope Materialdegradation mit den auf der Mikro- und Mesoebene erfassten und beschriebenen Schädigungsmechanismen zu verknüpfen. Um die numerischen Modelle der Meso- und Makroebene miteinander zu verknüpfen, wird eine thermodynamisch konsistente Homogenisierung der Spannungs- und Verzerrungsmaße sowie der internen Modellvariablen entwickelt. Die dabei erforderliche Effizienz der Simulation wird durch die Entwicklung einer Zeithomogenisierung und mithilfe einer adaptiven Diskretisierung erreicht.Zum Projektende werden ein umfassendes Verständnis der Schädigungsmechanismen auf unterschiedlichen Betrachtungsebenen, eine schlüssige Methodik zur Materialcharakterisierung sowie ein digitales Berechnungswerkzeug zur Vorhersage und Optimierung des mechanischen Verhaltens von SHCC unter zyklischer Beanspruchung vorliegen. Das digitale Berechnungswerkzeug soll neben dem SHCC-Werkstoffdesign auch eine gezielte Entwicklung anderer Faserbetonarten für unterschiedliche Beanspruchungsszenarien ermöglichen (digitally enabled material design).
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
