Erfassung und Modellierung des Einflusses von Stahlfasern auf die Schädigungsentwicklung von Hochleistungsbetonen unter Ermüdungsbeanspruchung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Steffen Anders; Dr.-Ing. Dominik Brands; Professor Dr.-Ing. Jörg Schröder
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 353513049

Die Schädigungsentwicklung von Hochleistungsbetonen unter Ermüdungsbeanspruchung wurde bislang nicht systematisch beschrieben, insbesondere für moderne stahlfaserverstärkte Hochleistungsbetone. Daher sind numerische Modelle zur Materialdegradation oft Insellösungen, die an nicht auf die Modellierung abgestimmten Experimenten kalibriert wurden. Dieses Projekt verfolgt das Ziel, den Einfluss verschiedener Stahlfaserarten und -gehalte auf den Schädigungsfortschritt von Beton unter Ermüdungsbeanspruchung zu erfassen, zu beschreiben und mit Hilfe numerischer Modelle mehrskalig zu modellieren. Die Ermüdungsbeanspruchungen umfassen neben einstufigen Beanspruchungen Mehrstufenkollektive und Reihenfolgeeffekte. Für die Untersuchungen werden zwei Hochleistungsbetone (Referenzbetone des SPP2020) verwendet. Verwendet werden ein hochfester Beton mit endverankerten Stahlfasern mit Fasergehalten von 23 kg/m³ bis 115 kg/m³ sowie ein ultrahochfester Beton, der mit glatten, hochfesten Kurzdrahtfasern und Fasergehalten von 57 kg/m³ und 115 kg/m³ . Zur experimentellen und numerischen Analyse der Schädigungs- und Ermüdungsentwicklung wurden in der ersten Förderperiode umfangreiche statische Faserauszugsversuche sowie statische und zyklische Biegezugversuche und Druckschwellversuche durchgeführt und mit Hilfe von Schädigungsindikatoren die Degradation beschrieben. Als Schädigungsindikatoren werden unter anderem die Rissöffnungsentwicklung, die Steifigkeitsentwicklung oder die in Schädigung dissipierte Energie verwendet. Das enge Zusammenspiel zwischen Experiment und numerischer Simulation ermöglichte eine Kalibrierung und Validierung der Modelle und Materialbeschreibungen.In der zweiten Förderperiode werden die experimentellen Versuche durch hochzyklische mehrstufige Versuche unter Berücksichtigung von Reihenfolgeeffekten unter Biegezugschwell- und Druckschwellbeanspruchung ergänzt. Für die in silico Versuche werden gerade im Bereich der hochzyklischen Beanspruchungen die entwickelten Simulationsmodelle hinsichtlich der Effizienz weiterentwickelt. Dazu werden zur Modellierung und Prognose der Degradation bei hohen Zyklenzahlen Cycle-Jump Ansätze entwickelt und anhand spezifischer Versuche kalibriert und validiert. Basierend auf dem Vorgehen im geplanten Arbeitsprogramm wird das Zusammenspiel von Experimenten und Modellierung im Sinne eines Experimental-Virtual-Lab bewertet und optimiert. Mit dessen Hilfe soll zukünftig die Bewertung des Ermüdungsverhaltens von Hochleistungsbetonen in einer Kombination aus wenigen Versuchen und numerischen Berechnungen möglich werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2020: Zyklische Schädigungsprozesse in Hochleistungsbetonen im Experimental-Virtual-Lab