Experimentelle und numerische Charakterisierungsmethodik für das Ermüdungsverhalten hochfesten Betons unter Berücksichtigung lokaler dissipativer Mechanismen bei unterkritischer Belastung

• Antragsteller: Professor Dr. Rostislav Chudoba; Professor Dr.-Ing. Martin Claßen
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441550460

Das Ermüdungsverhalten von hochfestem Beton ist im letzten Jahrzehnt zum Gegenstand intensiver Forschung geworden. Um grundlegende Mechanismen der Schädigungsentwicklung unter Ermüdungsbelastung umfassend zu beschreiben und grundsätzliche Unterschiede gegenüber Normalbeton zu identifizieren, sind maßgeschneiderte numerische Modelle und darauf abgestimmte experimentelle Methoden erforderlich. Eine Ermüdungshypothese, die einen direkten Zusammenhang zwischen Schädigung und kumulativer Dehnung postuliert, wurde kürzlich zur Erfassung des Ermüdungsverhaltens von Normalbeton erfolgreich verwendet. Dieses theoretische Grundkonzept wird im Rahmen des beantragten Forschungsprojektes für hochfesten Beton weiterentwickelt und validiert. Die koordinierte numerische und experimentelle Forschungsstrategie erstreckt sich über drei Beobachtungsebenen, die Materialzonen mit ungleichmäßiger Schädigung und Lokalisierung (Ebene 1), Zonen mit gleichmäßiger Schädigungsentwicklung (Ebene 2) und lokale Interaktionen der Zuschlagskörner über den Zementleim (Ebene 3) umfassen.Auf Ebene 1 werden detaillierte 3D-Tessellierungen des Korngerüstes verwendet, um die Schädigungslokalisierung aufgrund von Scherverzerrung und Mikrorissentwicklung zwischen den Zuschlagkörnern in einem diskreten Lattice Modell (LDM) zu untersuchen. Basierend auf diesen Simulationen wird eine neue experimentelle Charakterisierungsmethode entwickelt, die darauf abzielt, den schubinduzierten Schlüsselmechanismus der Schädigungsentwicklung an röhrenförmigen Proben unter zyklischer Torsionsbelastung zu isolieren. Ein wesentliches Merkmal der entwickelten Prüfmethode ist die Fähigkeit, eine stabile, makroskopisch gleichmäßige Ermüdungsschädigung innerhalb der getesteten Prozesszone zu erzeugen. Hierdurch wird auf der Betrachtungsebene 2 eine Dimensionsreduktion ermöglicht, die eine effiziente Simulation mit bis hin zu mehreren Millionen Zyklen unter Berücksichtigung der triaxialen Spannungsumlagerung während der Ermüdungsbeanspruchung erlaubt. Dabei wird die schädigungsinduzierte Anisotropie mithilfe des Microplane Modells (MM) erfasst. Auf der Betrachtungsebene 3 wird die gegenseitige Wechselwirkung zwischen Zuschlagskörnern über den Zementleim untersucht. Hierbei werden Grenzkonfigurationen der Kornanordnung, die zu überwiegender Schub- bzw. Druckübertragung im Zementleim führen, numerisch und experimentell charakterisiert.Anhand der auf den unterschiedlichen Beobachtungsebenen identifizierten grundlegenden Mechanismen des Ermüdungsverhaltens wird die postulierte Hypothese für hochfesten Beton validiert. Hierzu werden Standardprüfmethoden (z.B. Druckversuche) herangezogen, die eine ungleichmäßige Schädigungsentwicklung aufweisen. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für eine realitätsnahe und effiziente Vorhersage des Ermüdungsverhaltens von hochfesten Betonen unter allgemeinen Belastungsszenarien und lassen sich in das im Schwerpunktprogramm SPP2020 etablierte Experimental-Virtual-Lab integrieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2020: Zyklische Schädigungsprozesse in Hochleistungsbetonen im Experimental-Virtual-Lab
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Josef Hegger