MABET

Inhaltsverzeichnis

1. 1. 1. Projektdaten
      2. Bericht aus dem Jahrbuch 2021
      3. Bericht aus dem Jahrbuch 2020
      4. Bericht aus dem Jahrbuch 2019
      5. Bericht aus dem Jahrbuch 2018
      6. Bericht aus dem Jahrbuch 2017

Projektdaten

Titel | Title Experimentell gestützte Modellierung von Versagensmechanismen hochfester Betone unter multiaxialer Beanspruchung – MABET | Experimentally based modelling of failure mechanisms of high strength concretes under multi-axial loading – MABET Förderer | Funding Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Zeitraum | Period 04/2017 – 08/2021 Leiter | Project manager Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Curbach Bearbeiterin | Contributor Dr.-Ing. Kerstin Speck Projektpartner | Project partner FG Statik und Dynamik, TU Berlin

Bericht aus dem Jahrbuch 2021

Plastizität gemessen und modelliert

In der Triaxialprüfmaschine wurden Betonproben unter ein-, zwei- und dreiaxialem Druck mehrfacher auf unterschiedlichen Lastniveaus be- und entlastet. Die Schädigung erfolgte dabei unter Spannungsverhältnissen auf den Druck-, Zug- und Schubmeridianen, wobei die Formänderung qualitativ der Formänderung unter der namensgebenden einaxialen Belastung entspricht. In den Beton wurden dabei faseroptische Sensoren mittels eines Trägergerüsts aus Messing-U-Profilen integriert. Die Dehnungen wurden so während der kompletten Be- und Entlastungszyklen in allen drei Richtungen gemessen und zusätzlich die Steifigkeit nach der Vorschädigung in den einzelnen Richtungen ermittelt.

Mittels dieser neuen experimentellen Erkenntnisse hinsichtlich der plastischen Deformationsentwicklung und der Duktilität erweiterte und validierte Dr. Vogdt (TU Berlin) ein von Prof. Petryna aufgestelltes verzerrungs- und energiebasiertes Werkstoffgesetz. Einige Annahmen, die bei der Implementierung bisheriger Materialmodelle häufig getroffen werden, wurden durch die Messdaten widerlegt. So konnte eine Volumenkonstanz bzw. eine konstante Dilatanz während der plastischen Deformationsentwicklung nicht bestätigt werden. Vielmehr ist die plastische Deformationsentwicklung von der vorliegenden Umschnürung und dem Belastungsgrad der Betonprobe abhängig. Dies ist so bedeutend, da es die grundlegende Variable der Plastizitätstheorie betrifft. Alle weiteren Größen werden aus dem simulierten plastischen Deformationszustand abgeleitet.

Die plastische Deformationsentwicklung wurde dabei empirisch erfasst und eine neue Fließregel abgeleitet. Eine neue Verfestigungsregel berücksichtigt außerdem, dass  die Duktilität von der Umschnürung unter verschiedenen dreiaxialen Spannungsverhältnissen abhängig ist. Das daraus resultierende Plastizitätsgesetz ist imstande, verschiedene dreiaxiale Druckversuche mit unterschiedlichen Spannungsverhältnissen abzubilden, ohne dass eine Anpassung der Modellparameter an die verschiedenen Versuche erforderlich wird. Dieser Umstand bietet eine deutliche Verbesserung gegenüber bisher üblichen Betonmodellen. Die vorgeschlagenen Entwicklungsgleichungen sind absichtlich allgemein formuliert, damit sie zukünftig für die Anpassung vorhandener Betonmaterialmodelle einsetzbar sind, indem die darin enthaltenen Evolutionsregeln ersetzt werden.

Bericht aus dem Jahrbuch 2020

Messbare Anisotropie nach Belastung

Beton weist unter Belastung Schädigungen auf, die sich entsprechend der aufge-brachten Last orientieren. Diese last-induzierte Anisotropie erfasst ein von Professor Petryna (TU Berlin) aufgestelltes verzerrungs- und energiebasiertes Werk-stoffgesetz. Die Werte zur Validierung werden in der Triaxialprüfmaschine am Institut für Massivbau ermittelt. Die Dehnungen werden mit faseroptischen Sensoren (FOS) gemessen, die auf einem Trägergerüst aus Messing-U-Profilen im Beton positioniert werden.
Die Zugfestigkeit ist eine geeignete Größe zur Charakterisierung der Schädigung. Allerdings kann versuchstechnisch – im Gegensatz zu einer Be- und Entlastung unter Druck – die Zugfestigkeit an einem Probekörper nur einmal bestimmt werden. Der Fokus lag deshalb auf der Raumrichtung, in die sich der Beton bei der mehraxialen Vor-schädigung ausgedehnt hat. Ausgewählt wurden Spannungsverhältnisse mit gleicher
Ausdehnung in zwei Richtungen (Druckmeridian) sowie mit einer Ausdehnung in einer Richtung (Zugmeridian). Die gedehnten Richtungen waren unbelastet oder mit 5 % der Druckkraft in den gestauchten Richtungen belastet. Die Vorschädigung
erfolgte mit 80 % der Bruchlast unter dem jeweiligen Spannungsverhältnis.

Zuerst erfolgte die Vorschädigung aller Probekörper, bevor die Triaxialprüfmaschine auf die Zug-konfiguration umgebaut wurde. Die Probekörper waren bei der Zugprüfung rund 70 Tage alt. Es musste festgestellt werden, dass sich die Messqualität der FOS seit der Vor-belastung bei einigen Proben stark verschlechtert hatte. Dies ist auf die geringe Alkalibeständigkeit der Messfasern zurückzuführen. Bei den einaxialen Versuchen
war es aber möglich, zusätzliche Messfasern auf den freien Oberflächen zu applizieren.

Obwohl relativ spröder, hochfester Beton untersucht wurde, zeichnete sich die Lokalisierung der Risse oft deutlich vor dem Zugbruch in den Messwerten ab. Die erzielten Zugfestigkeiten wurden mit denen ungeschädigter Referenzproben verglichen. Eine Vorschädigung mit Ausdehnungen in zwei Richtungen führte dabei zu einer Reduktion
um rund 10 %. Konzentrierte sich die Ausdehnung bei der Vorbelastung dagegen in eine
Richtung, so reduzierte sich die Zugfestigkeit in dieser Richtung auf rund die Hälfte. Mit einem stützenden Querdruck in den gedehnten Richtungen steigt nicht nur die  mehr-axiale Festigkeit, sondern auch die damit verbundenen Dehnungen und Schädigungen, weshalb die verbleibende Zugfestigkeit tendenziell etwas stärker abfällt als bei Proben ohne Querdruck.

Bericht aus dem Jahrbuch 2019

Vom Würfel zum Quader

Unter steigender Belastung erfährt Beton zunehmend Schädigungen und weist plastische Verformungen auf. Diese orientieren sich entsprechend der aufgebrachten Last. So bilden sich Risse z. B. senkrecht zu Zugspannungen oder parallel zu Druckspannungen. Dadurch verhält sich Beton nach einer gewissen Vorbelastung nicht mehr isotrop, sondern weist in den verschiedenen Richtungen unterschiedliche Steifigkeiten, plastische Verformungen und auch Festigkeiten auf.

Ein von Prof. Petryna (TU Berlin) aufgestelltes verzerrungs- und energiebasiertes Werkstoffgesetz ist in der Lage, diese lastinduzierte Anisotropie zu beschreiben. Die zur Validierung erforderlichen Kennwerte für einen hochfesten Beton werden am IMB in einer Triaxialprüfmaschine ermittelt. Die Dehnungsmessung erfolgt dabei mittels faseroptischer Sensoren, welche auf einem Trägerprofil aus Messing-U-Profilen im Beton positioniert werden.

In ein-, zwei- und dreiaxialen Druckversuchen werden die maßgebenden Dehnungszustände für verschiedene Spannungsverhältnisse untersucht: Stauchung in einer Richtung, Ausdehnung in zwei Richtungen (Druckmeridian), Stauchung in zwei Richtungen, Ausdehnung in einer Richtung (Zugmeridian) und Stauchung bzw. Dehnung in je eine Richtung sowie vernachlässigbare Stauchung in der dritten Richtung (Schubmeridian). Die Belastung erfolgte proportional in allen Belastungsrichtungen und stufenweise auf Lastniveaus zwischen 30 % und 95 % der Festigkeit. Nach jeder Stufe wurde entlastet, was wiederum proportional oder getrennt nach deviatorischen (Summe der Kräfte konstant) und hydrostatischen (alle Kräfte gleich groß) Lastanteilen erfolgte. Die bleibenden Dehnungen waren gegenüber den elastischen Dehnungen vor allem in den gedehnten Richtungen überproportional groß. So wurden plastische Dehnungen von z. T. über 5 % gemessen, so dass auch augenscheinlich aus dem ursprünglichen Würfel ein Quader geworden ist.

Ferner wurde der Probekörper zwischen den Belastungsstufen drei einaxialen Druckversuchen mit einer geringen Last unterzogen, um die verbleibende Be- und Entlastungssteifigkeit in allen Richtungen zu bestimmen. In den ursprünglich gestauchten Richtungen blieb die Steifigkeit über nahezu alle Laststufen annähernd konstant, während sie in den anfangs gedehnten Richtungen teilweise auf ein Viertel der Anfangssteifigkeit abfiel. Damit ist es gelungen, die lastinduzierte Anisotropie versuchstechnisch umfassend zu quantifizieren.

Bericht aus dem Jahrbuch 2018

Faseroptische Sensoren im Beton

Für eine realistische Modellierung des Betonverhaltens, wie sie Prof. Petryna (TU Berlin) mittels einer verzerrungs- und energiebasierten Formulierung des Werkstoffgesetzes anstrebt, sind quantitative Aussagen zur lastinduzierten Anisotropie erforderlich. Die Modellparameter sollen nachvollziehbar aus messtechnisch ermittelten richtungsabhängigen Steifigkeiten, Festigkeiten und plastischen Verformungen abgeleitet werden. Dafür sind Versuche mit verschiedenen Be- und Entlastungspfaden mit z. T. wechselnden Belastungsrichtungen im dreiaxialen Spannungsraum geplant. Da die Seitenflächen der Probewürfel aber gleichzeitig oder nacheinander durch die Lasteinleitungsmittel belastet werden, stehen sie nicht für die Applikation von Messtechnik zur Verfügung. Die Wahl fiel daher auf faseroptische Sensoren (FOS), die die Dehnung kontinuierlich entlang ihrer Achse messen und die mittels eines Trägergerüsts im Beton positioniert werden.

In Vorversuchen an Mörtelproben wurde die Eignung des Messsystems im Beton nachgewiesen. Kriterium dafür war ein Vergleich mit etablierten Messmitteln wie Dehnmessstreifen und Photogrammetrie. Glasfasern mit Acrylat-Coating lieferten nur dann befriedigende Ergebnisse, wenn sie frei im Beton verlegt wurden. Dies ist aber hinsichtlich der Lagefixierung und des Schutzes der Fasern während der Betonage schwer realisierbar. Im Gegensatz dazu zeigen Glasfasern mit Polyimid-Coating qualitativ hochwertige Ergebnisse, unabhängig von der Art der verwendeten Klebstoffe, dem Vorhandensein von Klebstoff oder dem Messingprofil an der Messstelle. Darüber hinaus weisen sie im Vergleich zu Glasfasern mit Acrylat-Coating einen geringeren möglichen Umlenkradius auf.

Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurde eine Faserführung für die würfelförmigen Probekörper entwickelt, bei der pro Raumrichtung vier Messstellen zur Verfügung stehen. Nach der Optimierung des Herstellungsprozesses – schließlich müssen die Sensorfasern vor allem die Betonage und das Schleifen der Betonieroberseite überstehen – konnte die Eignung des Messsystems auch in ersten zwei- und dreiaxialen Versuchen nachgewiesen werden. Wie auch schon bei den Vorversuchen an Mörtelprismen konnte keine Beeinflussung der Festigkeit durch das Trägergerüst festgestellt werden.

Bericht aus dem Jahrbuch 2017

Mit Fasern die Anisotropie entdecken

Kann Beton nach seiner Herstellung noch als nahezu isotrop betrachtet werden, so führen ab einem bestimmten Lastniveau (Mikro)Risse im Betongefüge zu einer Anisotropie, da sich die Rissufer entsprechend des vorherrschenden Spannungszustandes orientieren. Qualitativ wurde diese Anisotropie vielfach beobachtet, quantitative Aussagen über Steifigkeiten und Festigkeiten liegen jedoch kaum vor. Für eine realistische Modellierung des Betonverhaltens, wie sie Prof. Petryna (TU Berlin) mittels einer verzerrungsund energiebasierten Formulierung des Werkstoffgesetzes anstrebt und bei der Evolutionsgleichungen und Versagensflächen überwiegend auf messtechnisch nachvollziehbaren Parametern basieren, ist die Kenntnis dieser richtungsabhängigen Eigenschaften erforderlich.

Zur Ermittlung der Parameter sind an unserem Institut Versuche geplant, die verschiedene Be- und Entlastungspfade im dreiaxialen Spannungsraum abbilden. Nach einer Vorschädigung werden bleibende Verformungen, die Steifigkeiten in allen Raumrichtungen und Festigkeiten unter ausgewählten Spannungsverhältnissen ermittelt. So werden u. a. bei einem einaxialen Druckversuch neben der Entlastungssteifigkeit und der plastischen Verformung in Belastungsrichtung anschließend auch die Steifigkeit und die Zugfestigkeit in Querrichtung bestimmt – um ein einfaches Beispiel zu nennen.

Essentiell für den Erfolg des Vorhabens ist deshalb eine exakte Dehnungsmessung auch im Bereich sehr geringer Dehnungen. Die Seitenflächen der Probewürfel werden aber gleichzeitig oder nacheinander durch die Lasteinleitungsmittel belastet und stehen somit nicht für die Applikation von Messtechnik zur Verfügung. Die Wahl fiel daher auf faseroptische Sensoren (FOS), die die Dehnung kontinuierlich entlang ihre Achse messen und die mittels eines Trägergerüsts im Beton positioniert werden. In Vorversuchen werden im Moment Faserart, Coating, Umlenkradius und Kleber variiert. Auch wird getestet, ob die FOS eventuell an der Messstelle freiliegend und ohne Trägergerüst einbetoniert werden können. Ein Vergleich mit etablierten Messmitteln wie Dehnmessstreifen und Fotogrammetrie soll zur Wahl einer optimalen Messkonfiguration führen. Kriterium dafür ist eine ausreichend genaue örtliche Auflösung der Dehnungen unter Druck- und Zugbeanspruchung sowie eine geringe Beeinflussung des Versagensmechanismus durch die eingebettete Faser und/oder das Trägergerüst.