Mehraxiale Stoffgesetze für Beton auf der Grundlage anisotroper Schädigung und Plastizität
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die korrekte Darstellung des komplexen dreiaxialen Betonverhaltens ist eine Voraussetzung für realitätsnahe Simulationen des Tragverhaltens von Stahlbetonstrukturen, gelingt jedoch - insbesondere im Hinblick auf die ingenieurpraktische Anwendung - nach wie vor nur eingeschränkt. Mit dem abgeschlossenen Forschungsvorhaben wurde ein Beitrag zur kontinuumsmechanischen Beschreibung unbewehrter Betone und zur Einbindung der entwickelten Stoffgesetze in numerische Verfahren wie die Finite-Elemente-Methode geleistet. Mit der Schädigungsmechanik und der Plastizitätstheorie wurden leistungsfähige Werkzeuge zur Erfassung charakteristischer Eigenschaften unbewehrter Betone unter mehraxialer Belastung verwendet. Zu diesen Eigenschaften zählen das Entfestigungsverhalten, die belastungsinduzierte Anisotropie sowie die Dilatanz bei ausgeprägten Druckbeanspruchungen. Ein während der Projektlaufzeit entwickeltes isotropes Referenzstoffgesetz auf der Grundlage der vorgenannten Methoden ermöglichte die zutreffende Wiedergabe des Betonverhaltens unter mehraxialen Zug- und Druckbelastungen. Die belastungsinduzierte Anisotropie, d.h. die Richtungsabhängigkeit der Materialeigenschaften infolge von Mikrorissentstehung, -wachstum und -zusammenschluss bei fortschreitender Belastung, konnte jedoch erst durch die anschließend entwickelten, orthotropen Schädigungsstoffgesetze beschrieben werden. Insbesondere die anisotropen Materialformulierungen ohne plastische Modellanteile basieren auf einer geringen Zahl an vorzugebenden Werkstoffkennwerten, welche zudem direkt den Normen entnommen oder aus einfachen Belastungsversuchen ermittelt werden können. Dies gewährleistet die Verständlichkeit für Anwender ohne umfangreiche materialtheoretische Kenntnisse. Gleichzeitig ergibt sich jedoch die Beschränkung auf Problemstellungen mit vorwiegendem Zugversagen. Um bei Struktursimulationen auf der Basis der Finiten-Elemente-Methode netzunabhängige Ergebnisse zu erhalten, wurden Regularisierungsmethoden formuliert und im Hinblick auf ihre praktische Anwendbarkeit bewertet. Lokale, bruchenergiebasierte Ansätze erwiesen sich als numerisch robust und konnten leicht in die institutsinterne Software eingebunden werden. Die Bestimmung der Breite der numerischen Prozesszone war mit ihnen allerdings nicht möglich. Dieser Nachteil konnte erst durch den Einsatz nichtlokaler Methoden vom Integraloder Gradiententyp behoben werden, jedoch ist deren Verwendung mit längeren Rechenzeiten und einem erhöhten Implementierungsaufwand verbunden. Die entwickelten Stoffgesetze wurden anhand von numerischen Simulationen gut dokumentierter Versuche an unbewehrten Betonbauteilen validiert. Experimentelle Systemantworten in Form von Last-Verschiebungsbeziehungen konnten mit allen Materialformulierungen und Regularisierungsmethoden zutreffend wiedergegeben werden. Die korrekte Darstellung geneigter Risspfade war hingegen nur mit den orthotropen Schädigungsstoffgesetzen möglich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Zur realitätsnahen Berechnung des Verhaltens von Stahlbetontragwerken“. In: Curbach, M.; Häußler-Combe, U.; Mechtcherine, V. (Hrsg.): Beiträge zum 48. Forschungskolloquium des DAfStb. Technische Universität Dresden (2007), S. 63-72
Häußler-Combe, U.; Pröchtel, P.; Kitzig, M.
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„Zur Verwendung von Stoffgesetzen mit Entfestigung in numerischen Rechenverfahren“. Bauingenieur 82 (2007), S. 286-298
Häußler-Combe, U.
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„Anisotrope Schädigungsmodellierung von Beton mit Adaptiver Bruchenergetischer Regularisierung“. Dissertation, Technische Universität Dresden (2008)
Pröchtel, P.
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„Formulation and numerical implementation of a constitutive law for concrete with strain-based damage and plasticity”. International Journal of Non-Linear Mechanics 43 (2008), S. 399-415
Häußler-Combe, U.; Hartig, J.
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„On the dissipative zone in anisotropic damage models for concrete”. International Journal of Solids and Structures 45 (2008), S. 4384-4406
Pröchtel, P.; Häußler-Combe, U.
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„A fracture energy-based anisotropic damage law for the simulation of plain concrete structures“. In: Kuczma, M.; Wilmanski, K.; Szajna, W. (Hrsg.): Proceedings of 18th International Conference on Computer Methods in Mechanics. The University of Zielona Góra Press (2009), S. 203-204
Kitzig, M.; Häußler-Combe, U.
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„Damage modeling of plain concrete based on an anisotropic constitutive law”. In: Smojver, I.; Soric, J. (Hrsg.): Proceedings of the 6th International Conference of Croatian Society of Mechanics (ICCSM) Croatian Society of Mechanics (2009), S. 49
Kitzig, M.; Häußler-Combe, U.
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„Modeling of concrete behavior under high strain rates with inertially retarded damage“. International Journal of Impact Engineering 36 (2009), S. 1106-1115
Häußler-Combe, U.; Kitzig, M.
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„A concrete material law for high-strain-rates based on delayed damage“. In: Li, Q.M.; Hao, H.; Li, Z.X.; Yankelevsky, D. (Hrsg.): Proceedings of the First International Conference of Protective Structures. Manchester (2010), Paper 25
Häußler-Combe, U.; Kitzig, M.
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„Multi-axial modeling of plain concrete structures based on an anisotropic damage formulation“. In: Bicanic, N.; de Borst, R.; Mang, H.; Meschke, G. (Hrsg.): Computational Modelling of Concrete Structures, Proceedings of EURO-C 2010, Rohrmoos/Schladming. Taylor & Francis (2010), S. 163 -171
Kitzig, M.; Häußler-Combe, U.
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„Modeling of plain concrete structures based on an anisotropic damage formulation“. Materials and Structures Online First (2011)
Kitzig, M.; Häußler-Combe, U.
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„Modelling of concrete behavior under high strain rates with a damaged viscoelastic approach“. In: Proceedings of 2nd International Conference on Computational Modeling of Fracture and Failure of Materials and Structures (CFRAC), Barcelona, Spain International Center for Numerical Methods in Engineering (2011)
Häußler-Combe, U.; Kitzig, M.; Kühn, T.
