Ein regularisiertes Betonmodell für hohe Dehnraten mit einem Framework zur Parameterschätzung basierend auf den FAIR-Prinzipien

• Antragsteller: Dr.-Ing. Jörg F. Unger
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544609570

Die Untersuchung des Verhaltens von Beton unter Explosionsbelastungen ist von großer Bedeutung sowohl für staatliche Behörden als auch für Industrien, die mit hochexplosiven Stoffen umgehen, oder die Schutzmaßnahmen gegen vorsätzliche Explosionen benötigen. Feldversuche liefern wertvolle Erkenntnisse, sind jedoch ressourcenintensiv. Daher stellen numerische Simulationen eine kostengünstige Alternative dar. Für die Beschreibung des komplexen Materialverhaltens von Beton unter hohen Dehnraten existieren lokale Schädigungsmodelle, die verschiedene Effekte (nichtlineare Zustandsgleichungen mit Geschichtsvariablen, Dehnratenabhängigkeit, Verfestigung, Schädigung, druckabhängige Fließflächen, Restfestigkeit in Kompression, etc.) berücksichtigen. Die Komplexität zeigt sich auch in den großen Parameterräumen, die eine Modellkalibrierung zu einer nicht-trivialen Aufgabe machen. Darüber hinaus wurden gradientenerweiterte Schädigungsmodelle zur Verwendung in expliziten Solvern vorgestellt, jedoch sind diese Modelle noch nicht in der Lage, die komplexen Schädigungsmechanismen in der Realität abzubilden. In diesem Antrag die Entwicklung einer regularisierten Erweiterung des RHT-Modells vorgeschlagen, die das komplexe Materialverhalten abbildet und gleichzeitig netzunabhängige Ergebnisse liefert. Dies beinhaltet eine Gradientenerweiterung mit einem Trägheitsterm zur Modellierung der Betonverfestigung bei hohen Dehnraten sowie ein zusätzliches Viskositätsmodell. Im Gegensatz zu einer Beschreibung der dehnratenabhängigen Festigkeiten mit phänomenologischen Ansätzen in aktuellen Modellen basieren die neu entwickelten Modelle auf physikalischen Annahmen. Die Gradientenerweiterung wird zudem mit einem sich verringernden Längenparameter kombiniert, um die nicht-physikalische Ausdehnung der Schädigungszone zu unterbinden. Um die Ergebnisse von experimentellen Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet zu nutzen, wird eine Datenbank mit Versuchsergebnissen und entsprechenden Metadataschemata erstellt und anderen Forschern entsprechend den FAIR-Prinzipien zugänglich gemacht. Aufgrund der Regularisierung sind die Parameter der Konstitutivgleichungen netzunabhängige Materialparameter, die mittels Bayes'scher Inferenz bestimmt werden. In praktischen Anwendungen ist es wünschenswert, den vollständigen Parametersatz aus begrenzten Daten ohne Durchführung von Experimenten zu erhalten. Daher wird der Parameterraum mithilfe von Techniken des maschinellen Lernens und der Dimensionsreduktion untersucht, um mögliche Zusammenhänge zwischen den Parametern und der Mischungszusammensetzung zu identifizieren. Dies ermöglicht die Bestimmung von guten Näherungen für beliebige Betonmischungen. Um die Reproduzierbarkeit der kompletten Methodik zu gewährleisten, werden alle Softwarekomponenten als Open Source entwickelt und mit Hilfe von Automatisierungstools verknüpft. Ziel ist die Entwicklung einer Methodik für eine Qualitätssicherung komplexer numerischer Modelle.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen