Modellierung von Stahlfaserbeton unter Imapkt
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Projektdaten
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Bericht aus dem Jahrbuch 2019
STAHLFASERVERSTÄRKTER BETON UNTER IMPAKT
Festbetonprobekörper nach dem Spallationsversuch am Split-Hopkinson-Bar
Einer der direkten Tests zur Messung der dynamischen Zugfestigkeit von spröden Materialien wie Beton, Mörtel und Gestein bei mittlerer Dehngeschwindigkeit ist der Spallationsversuch mit dem modifizierten Split-Hopkinson-Bar (MSHPB). Der Aufbau besteht aus einem Impaktor, einem Eingangsstab und dem Probekörper. Nach dem Aufprall des Impaktors wird eine Druckwelle erzeugt, die sich durch den Eingangsstab bewegt. Wenn sie auf die Probe trifft, wird ein Teil davon in die Probe übertragen, während der Rest aufgrund der Impedanzunterschiede in den Hopkinson-Bar zurückreflektiert wird. Erreicht die transmittierte Druckwelle das freie Ende der Probe, wird sie als Zugwelle reflektiert. Wenn die Spannung der reflektierten Zugwelle gleich der dynamischen Zugfestigkeit des Betons ist, kommt es zum Bruch der Betonprobe.
Für den kompletten modifizierten Split-Hopkinson-Bar (MSHPB) wurde ein dreidimensionales Finite-Elemente-Modell erstellt, einschließlich des Stahlimpaktors, des Eingangsstabs aus Aluminium und der zylindrischen Probe. Die numerischen Simulationen wurden mit der kommerziellen Software LS-DYNA durchgeführt, einem expliziten Finite-Elemente-Code, der sich zur Analyse dynamischer Probleme mit Wellenausbreitungen eignet.
Virtueller Betonprobekörper für den numerischen Spallationsversuch
Der Einfluss von Stahlfasern auf die Verbesserung der Zugfestigkeit und des Versagensbildes wurde ebenfalls untersucht. In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Faserdosierungen angenommen, nämlich 0,5 und 2,5 Volumenprozent. Die Proben aus Stahlfaserbeton wurden unter Verwendung gerader und runder Stahlfasern erzeugt, die sich zufällig innerhalb der Probengeometrie verteilten. Ein Matlab-Code wurde entwickelt, um die Fasern zu generieren und in LS-DYNA zu exportieren. Die Impaktorgeschwindigkeit wurde in den drei verschiedenen Stufen 4,1, 7,6 und 11,1 m/s variiert.
Die Ergebnisse der numerischen Simulationen stimmen mit den experimentellen Daten in Bezug auf die Pull-Back-Geschwindigkeit des freien Probenendes, das Schädigungsmuster sowie die dynamische Zugfestigkeit gut überein. Die Wirkung der Stahlfaserzugabe in verschiedenen Dosierungen zeigt sich auch im Schädigungsprozess und in den Versagensmodi. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Zugabe von Stahlfasern zum Normalbeton oder zur Zementmatrix einige der gewünschten technischen Eigenschaften deutlich verbessert.
Bericht aus dem Jahrbuch 2018
STAHLFASERVERSTÄRKTER BETON UNTER IMPAKT
FEM-Modell für Impakt-Tests: Betonplatte mit einer Faserdosierung von 1 % Volumenanteil. Zur Stabilisierung der Probe sind oben und unten Stahlplatten angebracht
Die Eigenschaften von unverstärktem Beton und zementbasierten Matrices sind bereits gut untersucht. Eines der Probleme einer zementbasierten Matrix ist das inhärente spröde Versagen, das bei einer Stoßbelastung auftritt. Zur Verbesserung der Duktilität von Betonmaterialien können Stahlfasern hinzugefügt werden. Faserverstärkter Beton (FRC) ist seitdem ein häufig verwendeter Baustoff.
Untersuchungen haben gezeigt, dass der Zusatz von Stahlfasern, typischerweise von 20 bis 50 kg pro m3 Beton, viele der erwünschten technischen Eigenschaften von gehärtetem Beton, darunter Bruchzähigkeit, Biegefestigkeit, Ermüdungsfestigkeit sowie das Verhalten unter Hochtemperatur, deutlich verbessern kann. Schlagprüfungen werden häufig durchgeführt, um die dynamischen Materialeigenschaften von Betonen oder Zementmatrices zu charakterisieren. In diesem Projekt werden mesoskalige, numerische Modelle unter verschiedenen Stoßbelastungen simuliert, um den Einfluss der Faserverteilung und des Fasergehalts auf das Schädigungsmuster der Betonkonstruktionen zu untersuchen. Die numerische Studie wird unter Verwendung der Finite-Elemente-Software von LS-DYNA realisiert. In dieser Studie wird eine Reihe von Hochgeschwindigkeitsaufpralltests sowohl mit Normalbeton als auch mit Stahlfaserbeton durchgeführt. Dabei werden der Faseranteil und die Aufprallgeschwindigkeiten variiert.
Schadensmuster im numerischen Modell, hier SFRC-Probe mit 3 % Volumenanteil der Faserdosierung und einer Geschwindigkeit von 19,68 m/s
Mit Hilfe des Programmierwerkzeugs Matlab werden gerade, abgerundete Stahlfasern mit einer Länge von 15 mm und einem Durchmesser von 1,0 mm in der Betonmatrix statistisch verteilt. Die Stahlfasern werden mit einem in LS-DYNA implementierten Balken-/Verbund-Element modelliert. Die Betonmatrix wird in Form achtknotiger Hexaederelemente umgesetzt. Die darin eingebetteten Stahlfasern werden gezwungen, sich zusammen mit diesen Lagrange-Festkörperelementen zu bewegen.
Die Ergebnisse der numerischen Simulationen stimmen mit den experimentellen Daten in Bezug auf die Restgeschwindigkeiten des Geschosses und der Schadensbilder überein. Der Einfluss der Stahlfaserzugabe in verschiedenen Massenanteilen spiegelt sich auch im Schadensprozess und in den Versagensarten wider. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Zugabe eines Bruchteils Stahlfasern zu Beton oder Zement, die Eigenschaften dieses Materials erheblich verbessert.