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Projektbeschreibung
Die Schädigungsentwicklung von Hochleistungsbetonen unter Ermüdungsbeanspruchung wurde bislang nicht systematisch untersucht und beschrieben, insbesondere für moderne stahlfaserverstärkte Hochleistungsbetone. Daher sind bestehende numerische Modelle zur Materialdegradation oft Insellösungen, die meist an nicht auf die Modellierung abgestimmten Experimenten kalibriert wurden.
Dieses Projekt verfolgt das Ziel, den Einfluss verschiedener Stahlfaserarten und -gehalte auf den Schädigungsfortschritt von Beton unter Ermüdungsbeanspruchung zu erfassen, zu beschreiben und mit Hilfe der Phasenfeld-Theorie mehrskalig zu modellieren. Für die Untersuchungen werden zwei übliche Hochleistungsbetone verwendet. Ein Hochfester Beton der Druckfestigkeitsklasse C50/60, der mit endverankerten Stahlfasern mit Gehalten von 23 kg/m³ bis 115 kg/m³ modifiziert wird sowie ein Ultrahochfester Beton, der mit Hochfesten Kurzdrahtfasern ohne Endverankerung und Fasergehalten von 57 kg/m³ bis 115 kg/m³ modifiziert wird. Aufbauend auf statischen Faserauszugsversuchen, statischen und zyklischen Biegezugschwellversuchen sowie zyklischen Druckschwellversuchen wird mit Hilfe von Indikatoren die Schädigungsentwicklung beschrieben und die Modelle werden kalibriert. Als Schädigungsindikatoren werden unter anderem die Dehnungsentwicklung, die Steifigkeitsentwicklung oder die in Schädigung dissipierte Energie verwendet. Anschließend werden die Verläufe der Schädigungsindikatoren in Form verzerrungsbasierter Energiefunktionen beschrieben, die im makroskopischen Modell die Degradation abbildet.
Zur Modellbildung und Prognose des makroskopischen Materialverhaltens werden in silico Simulationen verwendet, welche auf mehrskaligen Ansätze basieren. Mesoskalig wird eine ellipsoide Einheitszelle als repräsentatives Volumenelement, bestehend aus einer in der Betonmatrix eingebetteten Einzelfaser, konstruiert und kalibriert. Aufbauend wird ein makroskopisches Materialgesetz zur Reduktion des Gesamtmodells angestrebt, welches die unterschiedlichen Faserausrichtungen in Form einer Orientierungsverteilungsfunktion berücksichtigt. Zur Abbildung von Schädigungslokalisierungen und Rissen findet auf beiden Skalen die Phasenfeld-Theorie Anwendung.Basierend auf dem Vorgehen im geplanten Arbeitsprogramm wird das Zusammenspiel von Experimenten und Modellierung im Sinne eines Experimental-Virtual-Lab bewertet und optimiert. Mit dessen Hilfe soll zukünftig die Bewertung des Ermüdungsverhaltens von Hochleistungsbetonen in einer Kombination aus wenigen Versuchen und numerischen Berechnungen möglich werden.
