Implementierung und Validierung eines Materialgesetzes für Beton unter mehraxialer Beanspruchung unter Verwendung des FE-Programms ANSYS (D892)
Allgemeine Angaben:
- Diplomarbeit Nr. D892
- Bearbeiter: Kevin Wahl
- Verantwortl. Hochschullehrer: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Curbach
- Betreuer: Robert Ritter, Tino Kühn
- Tag der Verteidigung: 21/10/2013
Zusammenfassung
Im Rahmen eines Forschungsprojektes am Institut für Massivbau, bei dem mehraxiale Belastungsversuche an einem ultrahochfesten Beton durchgeführt wurden, konnte anhand der Versuchsergebnisse ein schädigungsbasiertes Materialgesetz abgeleitet werden, mit dem das Last-Verformungs-Verhalten des Betons gut abgebildet werden kann. Ziel dieser Arbeit war die Implementierung und Validierung des Materialmodells unter Verwendung des kommerziellen FE-Programms ANSYS.
In der Arbeit wurden die benötigten Grundlagen der nichtlinearen Finite-Elemente-Methode recherchiert und besonderes Augenmerk auf den Iterationsprozess des Newton-Raphson-Verfahrens gelegt, der vom Programm ANSYS zur Lösung der Kräftegleichgewichtsbedingung verwendet wird. Im Anschluss wurde die Implementierung eigener konstitutiver Gesetze über die „UserMat“-Subroutine nachvollzogen und die Interaktion zwischen Hauptprogramm und Subroutine erläutert. Anhand der recherchierten Grundlagen wurde eine eigene Routine programmiert, welche die theoretischen Vorgaben des zu implementierenden isotropen Schädigungsmodells umsetzt. Das Vorgehen bei der Implementierung und die generelle Funktionsweise des Programmcodes wurden dokumentiert. Wichtigster Punkt war hierbei die Bestimmung der benötigten Größen für das Newton-Raphson-Verfahren.
Anhand der Berechnungen einzelner Elemente konnte gezeigt werden, dass das Materialmodell im Rahmen der Finiten-Elemente-Methode generell anwendbar ist. Es ergab sich eine vollständige Übereinstimmung der FE-Berechnungen mit den theoretischen Vorgaben des Materialmodells. Bei der Anwendung auf komplexe FE-Strukturen traten jedoch Dehnungslokalisierungen in den schwächsten Elementen auf, wodurch es zu Konvergenzproblemen und zum Berechnungsabbruch kam. Diese resultieren aus den entfestigenden Eigenschaften des beschriebenen Materials. Für die Berechnung aufwendiger FE-Strukturen bedarf es deswegen noch einer Erweiterung des Modells durch eine geeignete Regularisierungsmethode, welche die Lokalisierung der Dehnungen und Schädigung begrenzt.