Modellierung des Bewehrung-Matrix-Verbundes
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
| Titel | Title Promotionsprojekt B2/I: Modellierung des Bewehrung-Matrix-Verbundes und des mechanischen Verhaltens von Verstärkungskompositen bei kurzzeitdynamischen Einwirkungen als Teilprojekt des GRK 2250 | Doctoral poject B2/I: Modeling of the bond between reinforcement and of the mechanical behavior of reinforcement composites during shortterm dynamic loading as part of RTG 2250 Förderer | Funding Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) / GRK 2250 Zeitraum | Period 05/2017 – 04/2020 (1. Kohorte | 1st cohort) Projektleiter | Project manager Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Häußler-Combe Bearbeiterin | Contributor Alaleh Shehni, M.Sc. Co-Betreuung | Co-mentoring Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden (IPF) e.V. Homepage des GRK 2250 | Website of RTG 2250 |
Bericht aus dem Jahrbuch 2018
2D-SIMULATION BRAUCHT DÜNNE PROBEN
Dünner hantelförmiger SHCC-Probekörper mit Kerbung
Dieses Projekt ist Teil des DFG-GRK 2250 „Impaktsicherheit von Baukonstruktionen durch mineralisch gebundene Komposite“, in welchem in 13 Promotionsprojekten zu verschiedenen Spezialthemen an mehreren Instituten und Fakultäten der TU Dresden geforscht wird. In diesem Teilprojekt soll ein Modell erstellt werden, das basierend auf den Verbundeigenschaften zwischen Faser und Betonbestandteilen das Verhalten einer Faserbetonkonstruktion unter Stoßbelastung simulieren kann.
Frühere Studien haben gezeigt, dass 2D-Modelle zuverlässige Simulationen der Reaktion von Betonproben unter statischer und stoßartiger Belastung liefern, während sie den Modellierungsaufwand erheblich vereinfachen und die Simulationszeit im Vergleich zu einem 3D-Modell verkürzen. In diesem Projekt wird an der Modellierung des Verhaltens von hochfesten SHCCs (dehnungsbasierte Verfestigung zementgebundener Verbundwerkstoffe) aus Hochleistungspolymerfasern unter quasi-statischer Zugbelastung gearbeitet. Hochdichte Polyethylenfasern werden explizit modelliert und in einem zweidimensionalen Modell zufällig verteilt. Die begleitenden, vom Institut für Baustoffe durchgeführten Einzelfaser-Auszugprüfungen dienen der mikromechanischen Charakterisierung der Verbundfestigkeit.
Simulation im Bereich der Kerbe mit Rissmuster für Kerbenmodell unter quasistatischer Zugbelastung
Lasttestsimulationen werden mit dem hauseigenen Programm CaeFem durchgeführt. Da es jedoch keine Versuchsergebnisse für 2D-Proben gibt, die als Referenz für die Validierung der erstellten, numerischen Simulationen dienen könnten, hat das Institut für Baustoffe als Projektpartner mit experimentellem Anteil im Vorhaben mehrere Tests an sehr dünnen Kurzhantel-Proben mit und ohne Kerbe unter quasi-statischer Zugbelastung durchgeführt. Hier gab es jedoch mehrere Herausforderungen zu bewältigen, wie z. B. das Einhalten des Mindestvolumenverhältnisses der Fasern, welches wichtig ist, da dieses aufgrund des spröden Versagens schon vor Beginn der Prüfung Risse verursachen kann.
Die experimentell erzeugten Ergebnisse werden abschließend mit den Simulationsergebnissen verglichen. Diese werden mithilfe mehrerer Sensitivitätsanalysen durchgeführt, welche auf unterschiedlichen Fasergehalten und Kerben in der mittleren Höhe einer Kurzhantel-Probe basieren. Die daraus resultierenden Mechanismen werden mit den Ergebnissen des kommerziellen FEM-Programms DIANA verglichen und verifiziert.
Bericht aus dem Jahrbuch 2017
VERBUNDMODELLIERUNG BEI IMPAKT
In einem Matrixtropfen eingebettete Einzelfaser
Dieses Projekt ist Teil des DFG-Graduiertenkollegs GRK 2250/1 „Impaktsicherheit von Baukonstruktionen durch mineralisch gebundene Komposite“.
Dazu gehören insgesamt 6 experimentell ausgerichtete Projekte, 4 numerische und ein übergeordnetes, die an verschiedenen Instituten und Fakultäten der TU Dresden und am IPF Dresden bearbeitet werden. Ziel dieses Teilprojekts ist es, ein Modell zu erstellen, mit dem das Verhalten einer Faserbetonstruktur unter Stoßbelastung auf der Grundlage der Verbundeigenschaften zwischen Faser und Betonbestandteilen simuliert werden kann.
Die heterogene Struktur des Betons wird in einem mehrstufigen System beschrieben, um die unterschiedlichen Auswirkungen von Rissfortpflanzung und Rissbildung möglichst exakt zu berücksichtigen. Wir konzentrieren uns bei der Modellierung auf die Mesoebene. Hier ist eine Größenordnung von 10 mm eine typische lineare Dimension für das Modell. Darüber hinaus werden im mesoskaligen Modell grobe Zuschlagstoffe, Zementmörtel und Fasern neben den Grenzflächen zwischen Mörtel und Zuschlagstoff sowie zwischen Mörtel und Faserstoff mit ihren Materialeigenschaften differenziert modelliert.
Frühere Studien haben bewiesen, dass 2D-Modelle mit kreisförmigen Aggregaten zuverlässige Simulationen der Ergebnisse von Tests an Betonproben unter statischen und stoßartigen Belastungen liefern und gleichzeitig den Modellierungsaufwand erheblich vereinfachen sowie die Simulationszeit im Vergleich zu einem 3D-Modell verkürzen. Zu diesem Zweck wird zunächst ein repräsentatives 2D-Volumenelement mit den genannten Komponenten simuliert, während die groben Aggregate als kreisförmig mit zufällig verteilter Größe und Lage angenommen werden. Für statische Analysen wurde die hauseigene Software „CaeFem“ genutzt, die Ergebnisse wurden mit Hilfe der Software DIANA validiert. Inzwischen wurden zudem mehrere Sensitivitätsanalysen zu verschiedenen Diskretisierungsmethoden durchgeführt, wobei die Ergebnisse der regulären und irregulären Mesh-Methode übereinstimmen.
Bisher wurde das Materialverhalten aller Komponenten als linear angenommen, jedoch sollte das nichtlineare Verhalten im Weiteren berücksichtigt werden, um das Verhalten des Modells realistischer zu gestalten. Begonnen wird mit der Einführung eines nichtlinearen Verbundgesetzes zwischen Fasern und Beton. Die Eingangsdaten für das Verbundmaterial stammen aus der Simulation von Einzelfaser-Auszugversuchen, wie sie am IPF durchgeführt und mit DIANA modelliert wurden.