Numerische Simulation und energetische Charakterisierung von Betonstrukturen unter Impakt mit diskreter Rissbildung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Forschungsvorhaben wurde das Material- und Strukturverhalten von Beton bei Impaktbelastung mittels kontinuumsmechanischer Material- und Rissmodellierung untersucht. Als numerisches Grundkonzept wurde die Finite-Elemente-Methode (FEM) sowohl für die Beschreibung als auch Analyse der Probekörper und Strukturen eingesetzt. Für die Beschreibung der Bruch- und Versagensprozesse wurde die Phasenfeldmethode eingesetzt, um die strukturellen Anforderungen an die Modellvernetzung einfach zu halten. Zudem gestattet diese numerische Methode zur Modellierung von Rissen die Möglichkeit Rissinitiierung, Risswachstum inklusive Rissverzweigung sowie das Nachbruchverhalten zu beschreiben, obwohl weniger Modellannahmen zugrunde liegen als bei anderen bruchmechanischen Modellen. Um die bisherigen Schwächen in dem von der Phasenfeldmethode vorhergesagten Nachbruchverhalten zu lösen, wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens der Directional-Split entwickelt. Dabei wurde das Deformationsverhalten von einem diskreten Rissmodell analysiert und in das Phasenfeldmodell übertragen. An Modellbeispielen und durch den Vergleich von Simulation und Experiment wurde gezeigt, dass mit diesem Modell die fehlerhaften Vorhersagen vorangegangener Phasenfeldformulierungen bei quasi-statischer und dynamischer Beanspruchung bzgl. der Deformationskinematik am Riss gelöst werden. Außerdem wurde elastoplastisches und dehnratenabhängiges Material- und Bruchverhalten für die Phasenfeldmodellierung berücksichtigt. Anschließend wurde der Einfluss dieser Modellerweiterungen auf das Rissverzweigungsverhalten und die Rissbilder untersucht. Zu diesem Zweck wurden Parameterstudien an einer gekerbten Platte bei Zug- und Schubbeanspruchung, am Vierpunkt-Biegezugversuch, am Torsionsversuch, an bewehrten Stützen und am Split-Hopkinson-Pressure-Bar-Versuch durchgeführt. Die Simulationsergebnisse wurden teilweise mit den Daten aus Experimenten und teilweise mit Ergebnissen aus anderen Simulationsmodellen verglichen und diskutiert. Weiterhin wurden verschieden Ansätze für die Bestimmung der Rissorientierung untersucht und verglichen. In dem Forschungsprojekt konnte gezeigt werden, dass für die untersuchten Probleme realitätsnahe Vorhersagen für die Rissinitiierung, das Risswachstum, die Rissverzweigung und das Nachbruchverhalten mit dem entwickelten Phasenfeldmodell möglich sind. Weiterer Forschungsbedarf besteht für die effiziente Berechnung der Rissnormalen bei nicht-elastischem Materialverhalten, sowie zur Reduktion der Rechenkosten mit der Phasenfeldmethode.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A comparative study of the r-adaptive material force approach and the phase-field method in dynamic fracture. International Journal of Fracture 201 (2016) 97-118
Steinke, C., Özenç, K., Chinaryan, G., Kaliske, M.
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Dynamische Eigenschaften von Beton im Experiment und in der Simulation. Beton- und Stahlbetonbau 111 (2016) 41-50
Kühn, T., Steinke, C., Sile, Z., Zreid, I., Kaliske, M., Curbach, M.
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Gradientenverbesserte Microplane-Modelle für Beton. Bauingenieur (2017) 87-95
Zreid, I., Steinke, C., Kaliske, M.
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On the relation between phase-field crack approximation and gradient damage modelling. Computational Mechanics 59 (2017) 717-735
Steinke, C., Zreid, I., Kaliske, M.
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Numerische Rissabbildung mit einem Phasenfeldmodell auf Basis einer rissrichtungsabhängigen Zerlegung des Spannungstensors. In: Schneider, J., Kiziltoprak, N. (Eds.) Forschungskolloquium 2018 Grasellenbach. Springer Vieweg, Wiesbaden, 2018
Steinke, C., Kaliske, M.
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A phase-field crack model based on directional stress decomposition. Computational Mechanics 63 (2019) 1019-1046
Steinke, C., Kaliske, M.
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Modelling of nonlinear concrete behaviour – microplane and phase-field approaches. In: Zingoni, A. (Eds.): Advances in Engineering Materials, Structures and Systems: Innovations, Mechanics and Applications, CRC Press, London, 2019
Steinke, C., Zreid, I., Kaliske, M.
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Zur Fortentwicklung des Microplane-Modells für die numerische Analyse von Betonstrukturen. Bautechnik 96 (2019) 415-423
Steinke, C., Zreid, I., Graf, W., Kaliske, M.
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Formulation and implementation of strain rate-dependent fracture toughness in context of the phase-field method. International Journal for Numerical Methods in Engineering 121 (2020) 233-255
Yin, B., Steinke, C., Kaliske, M.
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Modelling of Ductile Fracture of Strain-hardening Cement-based Composites - Novel Approaches Based on Microplane and Phase-field Method. In: Altenbach H., Brünig M., Kowalewski Z. (Eds.) Plasticity, Damage and Fracture in Advanced Materials. Advanced Structured Materials, Vol. 121, Springer, Cham, 2020
Steinke C., Zreid I., Kaliske M.
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Impaktsicherheit von Baukonstruktionen durch mineralisch gebundene Komposite: Bauteilebene. Beton- und Stahlbetonbau 116 (2021) 58-67
Hering, M., Scheerer, S., Curbach, M., Vo, D.M.P., Sennewald, C., Cherif, C., Liebold, F., Maas, H.-G., Qinami, A., Steinke, C., Fuchs, A., Kaliske, M., Curosu, I., Mechtcherine, V.
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Energetically motivated crack orientation vector for phase-field fracture with a directional split. International Journal of Fracture
Steinke, C., Storm, J., Kaliske, M.
