Mehrskalenmodellierung des Schädigungsverlaufs in der lokalisierten Bruchprozesszone eines c arbonkurzfaserverstä rkten Hochleistungsbetons unter hochzyklischer Zug - und Biegezugbeanspruchung

Die Degradation von Beton (auch faserbewehrt) wird belastungsunabhängig als dreiphasiger Prozess einer akkumulierten zunächst diffusen Schädigungsevolution (Bildung, Wachstum und Vereinigung von Mikrorissen) beschrieben, bis es in einem abgegrenzten Bereich (Lokalisierung) zur progressiven Schädigungszunahme und zum Versagen kommt. Im Hinblick auf das zukünftige Ziel eines Virtual Lab und Virtual Material Composing sollen Degradationen durch eine geeignete Modellierung möglichst wirklichkeitsnah abgebildet werden. Als Material wird hierzu beispielhaft ein an der Universität Augsburg entwickelter carbonkurzfaserverstärkter Hochleistungsbeton verwendet. Mechanische und bildgebende Analysemethoden liefern Grundlagen zur Quantifizierung von Simulationsparametern. Die Erfassung des Wechsels und der Ursachenfindung von der Phase II mit stabilem Rissfortschritt zur Phase III mit progressivem Risswachstum steht nun im Mittelpunkt der Forschung in der zweiten Förderphase. Ergänzend zu den monotonen, einstufigen Ermüdungsversuchen der ersten Förderphase werden nun auch wirklichkeitsnahe komplexere Beanspruchungszeitverläufe mit veränderlicher Amplitude und Mittelspannung untersucht. Ferner soll der Einfluss der Akkumulation von Schädigungen experimentell analysiert und mechanisch beschrieben werden und es werden entsprechende numerische Prognosemodelle erarbeitet und validiert.

Dazu werden die in der ersten Förderperiode etablierten Messmethoden wie die digitale Bildkorrelation, Schallemissionsanalyse sowie Ultraschallmethode verfeinert und mit zusätzlichen, supplementären Verfahren ergänzt. Die bereits erfolgreich eingesetzte elektrische Widerstandsmessung soll auf allen Skalenebenen durchgeführt werden und durch ihre Weiterentwicklung auch für die örtlich differenzierte Erfassung lokaler Schädigungsvorgänge genutzt werden. Die Erkenntnis über das mikroskopische Versagen der Einzelfaser, sprich Faserriss bzw. Faserauszug, stellt eine entscheidende Grundlage zur Beschreibung der fortschreitenden Materialdegradation unter Ermüdungsbeanspruchung dar. Auf Mikroebene wird das Gefüge durch die Transmissionselektronenmikroskopie unterstützend untersucht, womit Schädigungen auf Mikroebene an Einzelfasern und im Bereich der Fasergrenzfläche (ITZ) sichtbar gemacht werden können. Der Bereich Tomographie soll um in Echtzeit durchgeführte Zugversuche ergänzt werden. Schallemissionsanalysen ergänzen dieses Verfahren, um ein umfassendes Bild der entscheidenden Mechanismen zu erhalten.

Im Hinblick auf Prognostizierung des Verlaufs von Schädigungsvorgängen wurde in der ersten Förderperiode die Mikroskala und die Meso-/Makroskala auf Basis von realen Faserverteilungen, die mit Hilfe von CT-Analysen erfasst wurden, im Rahmen eines angepassten neu entwickelten numerischen Multiskalen-Modells simuliert. Hierbei lag das Hauptaugenmerk zunächst auf der Modellierung von quasi-statischer Belastung, welche in der zweiten Förderphase mit dem zyklischen Degradationsverhalten erweitert wird, um das makroskopische Versagensverhalten im Sinne eines Experimental-Virtual-Labs erklären und schlussendlich vorhersagen zu können. Die gewonnenen Erkenntnisse auf Makro- und Mikroebene und ihre Kombination bilden die Grundlage für eine Mehrskalenmodellierung auch für andere Werkstoffe.