Diskrete-Elemente-Simulation des Betonbruchverhal­tens

Inhaltsverzeichnis

1. 1. 1. Projektdaten
      2. Bericht aus dem Jahrbuch 2019
      3. Bericht aus dem Jahrbuch 2018

Projektdaten

Titel | Title Simulation des Betonbruchverhaltens mit diskreten Elementen | Simulation of concrete failure with discrete elements Förderer | Funding Institut für Massivbau, TU Dresden Zeitraum | Period seit 11.2017 Leiter | Project manager Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Curbach Bearbeiter | Contributor Dr.-Ing. Birgit Beckmann

Bericht aus dem Jahrbuch 2019

DISKRETE-ELEMENTE-SIMULATION DES BETONBRUCHVERHALTENS IN 2D

Mit der numerischen Simulation auf Basis der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) werden in diesem Projekt Betonbruchphänomene untersucht.

Dabei werden polygonal berandete Partikel verwendet. In partikelbasierten Simulationen wie der DEM sind die diskreten Elemente nicht nur Rechengröße, sondern repräsentieren tatsächliche, einzelne Betonelemente oder Betonpartikel, die sich kinematisch unabhängig voneinander bewegen können. Dieser grundsätzliche Ansatz erlaubt es, Risse simulieren zu können. Ein während der Simulation entstehender Riss ist dabei tatsächlich diskret und bedeutet Abwesenheit von Betonmaterial, also eine Lücke bzw. eine kleine Fehlstelle im Beton. Diese Eigenschaft der DEM, dass Risse per se diskret sind und ganz direkt simuliert werden können, ist ein ganz wesentlicher Grund für die Wahl dieser Simulationsmethode. Ein weiterer Grund ist die inhärent enthaltene Komplexität. Wenn eine große Anzahl von Partikeln, die sich nur in ihrer Geometrie zufallsbedingt geringfügig unterscheiden, die aber von der Art und optional auch von ihren Materialeigenschaften alle gleich sind, ergibt sich allein durch das Zusammenspiel einer großen Anzahl Partikeln eine Komplexität und ein statistischer Charakter. Das bedeutet, zwei Simulationen mit exakt gleichen Simulationsparametern nur mit zwei leicht verschiedenen Partikelensembles ergeben ähnliche, doch leicht andere Ergebnisse in der Simulation.

Dies spiegelt genau dieselben Beobachtungen von realen Laborexperimenten wider. Auch hier können zwei Probekörper nie exakt dieselben Positionen der Zuschlag- bzw. Gesteinskörner aufweisen, und auch hier zeigen die Bruchkörper am Ende des Versuchs statistische Abweichungen. Um aus dem Zusammenspiel einer großen Anzahl einzelner Partikel einen statistischen Charakter der Betonprobekörpercharge zu erhalten, muss die Partikelanzahl nicht übermäßig groß sein. Schon eine Partikelanzahl von ca. 2.200 Partikeln reicht aus, ein statistisch variierendes Ergebnis zweier verschiedener Ensembles, also zweier Probekörperrepräsentationen derselben Charge, zu erhalten.

Von zwei Ensembles mit 2.240 Partikeln, die sich durch den bei der Partikelgenerierung enthaltenen Zufallsgenerator nur in der Position der jeweiligen Partikel unterscheiden und ansonsten vollständig gleich Simulationsparameter aufweisen, ähneln sich die erhaltenen Rissbilder, jedoch unterscheiden sie sich geringfügig in der konkreten Rissposition  – wie im realen Laborexperiment auch.

Bericht aus dem Jahrbuch 2018

DISKRETE-ELEMENTE-SIMULATION DES BETONBRUCHVERHALTENS

In diesem Projekt werden Betonbruchphänomene untersucht. Spezielles Augenmerk wird dabei auch auf den statistischen Charakter gelegt. Um Versagensmechanismen, Rissausbreitung und Schadensentwicklung zu erforschen, wird unter Verwendung einer auf der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) aufbauenden, numerischen Simulation das Betonverhalten unter Druckbeanspruchung untersucht. Dabei werden speziell Rissmuster, Rissinitiation und Schadensentwicklung betrachtet. Die entstehenden Risse sind diskret – so wie im realen Laborexperiment auch. Die Risse entstehen während der Simulation (allein) aufgrund der Partikelinteraktion und ohne eine Hinzunahme vordefinierter Risszonen oder Risselemente.

In der Simulation werden ein Kontaktansatz mit Überlappungsfläche, die Detektion neuer Partikelkontakte während der Simulation anstatt vordefinierter Nachbarschaftslisten und Partikel mit beliebig polygonaler Geometrie in Kombination verwendet und darüber hinaus statistisch variierende Eigenschaften einbezogen. Während vorangehende Arbeiten den Vergleich von Simulationsergebnissen mit experimentellen Laborergebnissen zum Schwerpunkt hatten, liegt der Fokus der diesjährigen Arbeit in der Präsentation und Beschreibung der theoretischen Grundlagen, vor allem der statistischen Aspekte. In der Simulation werden zwei grundlegende statistische Ansätze verwendet: erstens wird während der Partikelgenerierung ein Zufallsfaktor einbezogen, sodass statistisch variierende Partikelgeometrien und -positionen entstehen; zweitens wird die maximale Längenausdehnung der (optionalen) Kohäsionselemente unter Einbeziehung einer Weibull-Verteilung beschrieben. Dieser statistische Ansatz ist elementar und vergleichsweise einfach. Außerdem werden keine makroskopischen Effekte dem Modell hinzugefügt. Auf dieser Grundlage wird deutlich, dass die Komplexität des Partikelensembles und die Interaktion zahlreicher, jedoch einfacher Partikel die makroskopischen Effekte wie Risse und Rissmusster entstehen lassen.

Als ein Ergebnis der Simulation wird gezeigt, dass es ausreichend, ja sogar förderlich ist, wenn die statistischen Ansätze einfach und elementar sind. Schon allein die Einbeziehung von einfachen, elementaren statistisch abweichenden Material- und Geometrieeigenschaften führt zu variierenden Rissmustern. Dies zeigt, dass die DEM ein passender Ansatz zur Erforschung von Versagens- und Bruchvorgängen ist.