Forschungsthemen
Neue Materialkonzepte und Bewehrungsarten sind zu erarbeiten, die ein hochduktiles, extrem Energie absorbierendes Material- und Strukturverhalten unter Impaktbeanspruchung herbeiführen. Die Basis für diese Entwicklung sind dehnungsverfestigende Kurzfaserbetone (SHCC) mit einer Bruchdehnung unter quasistatischer Belastung von über 5 % sowie flächige und räumliche Bewehrungsstrukturen aus Endlosfaserbündeln (A1). Auch die Kombination von textilen Strukturen und Kurzfasern (hybride Faserbewehrungen) ist überaus erfolgversprechend (A3). Eine zielgerichtete Gestaltung der Eigenschaften der neuen Verbundwerkstoffe unter hohen Verzerrungsraten soll durch grundlegende, mehrskalige, experimentelle und theoretisch-numerische fachübergreifende Untersuchungen herbeigeführt werden. Die Charakterisierung der neuen Werkstoffe mit überwiegend anisotropem Materialverhalten erfordert die Konzeption und Umsetzung neuer hochdynamischer Prüf- und Messtechniken (A4, C1). Die experimentellen Arbeiten sollen Hand in Hand mit der Erarbeitung neuer numerischer Ansätze wie der Mehrskalen-Simulation des anisotropen Dämpfungsverhaltens in impaktbelastetem Faserbeton auf der feinen Mesoskale (B1) gehen. Die Erweiterung des entwickelten numerischen Verfahrens um einen bionischen Remodellierungsansatz (B1) soll die Berechnung einer optimalen Bewehrungsorientierung ermöglichen. Eine wichtige Rolle spielt außerdem das Interphase-Design für den im Hinblick auf das Bruchverhalten günstigen Faser-Matrixverbund (A2). Des Weiteren werden deutliche Verbesserungen durch höhere Heterogenität bzw. einen abgestuften Aufbau der Matrix erwartet (A3). Diese konzeptionell-experimentellen Entwicklungen sollen durch die Aufstellung eines physikalisch motivierten Schädigungsmodells für die Beschreibung des Faserauszugs flankiert werden (B3).
Bei der Entwicklung von Verstärkungslösungen mit neuen Verbundwerkstoffen werden Varianten für deren Applikation sowohl auf der impaktzugewandten Seite (A5) als auch auf der impaktabgewandten Seite (A6) betrachtet, wobei u. a. natürliche Prinzipien der Impaktdämpfung im Hinblick auf ihre Adaptierbarkeit für Verstärkungsschichten für bauliche Strukturen geprüft werden sollen (A6). Die neuen impaktresistenten Verbundwerkstoffe und Verstärkungssysteme sollen nicht nur aus ingenieurtechnischer, sondern auch aus ökonomischer und ökologischer Sicht entwickelt und bewertet werden können (C2).
Zur Erarbeitung eines tiefgreifenden Verständnisses des spezifischen Strukturverhaltens unter Impaktbelastung werden weit über den aktuellen Kenntnisstand hinausgehende theoretisch-numerische Modelle erarbeitet. Eine wichtige Rolle nehmen hierbei die Simulation des Verbunds zwischen Fasern und Matrix unter sehr hohen Verzerrungsraten sowie die Entwicklung einschlägiger Stoffgesetze ein (B2), die ebenfalls Eingang in den numerischen Mehrskalenansatz (B1) finden sollen. Zur effizienten und zuverlässigen Simulation des Verhaltens von verstärkten Betonstrukturen unter Impakt werden Lösungen auf der Basis des Mikro-Ebenen-Modells für eine ratenabhängige, dissipative und netzunabhängige Simulation erarbeitet (B4). Die phänomenologisch (B2) und physikalisch (B3, B4) geprägten Ansätze werden entwickelt und auf ihre Einsatzfähigkeit für die zu beschreibenden Charakteristiken überprüft. Des Weiteren soll die Methode der Eigenerosion mit einer binären Beschreibung für ungeschädigtes/geschädigtes Material erweitert werden, um die realitätsnahe Charakterisierung des heterogenen Werkstoffs Beton mit (hybrider) Faserbewehrung bzw. verstärkter Stahlbeton zu ermöglichen (B4).