Modellierung und numerische Analyse von Beton und faserverstärktem Ultrahochleistungsbeton mit der Diskrete Elemente Methode

Ockelmann, Felix

Normal- und Hochleistungsbeton sowie faserverstärkte Sonderbetone sind von großer Bedeutung für das Bauwesen. Beton ist einer der meist verbauten Baustoffe und zeichnet sich durch seine Vielseitigkeit sowie Wirtschaftlichkeit aus. Insbesondere der Zuschlag von Fasern und die Verbesserung der Faserverbundwirkungen in Hochleistungsbetonen ermöglichen immer neue Anwendungsgebiete und machen den Baustoff vielseitig verwendbar.In der vorliegenden Arbeit erfolgt die Beschreibung des komplexen Materialverhaltens von Beton mit der Diskrete Elemente Methode (DEM), um die Schädigung von der makroskopischen Betrachtungsweise auf die mikroskopische Ebene konsistent herstellen zu können. Die Aufteilung von Strukturen in diskrete Partikel ermöglicht eine diskontinuierliche Beschreibung von Kontinua. Die makroskopischen Materialeigenschaften können über einen Vergleich von Energiedichten analytisch in die Modellparameter der DEM überführt werden. Eine verbesserte Einheitszelle von Partikeln in der kubisch dichtesten Packungslage ermöglicht die Modellierung isotroper Materialien unter großen Verschiebungen und Rotationen mit der DEM. Beton ist ein spröder Werkstoff, der zu Rissbildung und Bruchversagen neigt. Die räumlich diskontinuierliche Formulierung mit der DEM erlaubt, dass das Berechnungsgebiet während der Simulation getrennt werden kann. Ein Versagenskriterium für initial verbundene Kontakte, basierend auf der Begrenzung lokaler Verzerrungen, ist in das vorhandene DEM Modell implementiert, um das materialspezifische Aufbrechen bzw. Reißen des Betons zu berücksichtigen. Das diskrete Modell ist dahingehend erweitert, dass Faserzuschläge berücksichtigt werden können. Die physikalischen Eigenschaften von Fasern und deren Verbund in der Betonmatrix sind in einem rheologischen Element zusammengefasst und in das bestehende Modell integriert. Die Simulation von ultrahochfestem Beton mit Faserzuschlag ist dargestellt.

Standard and high performance concrete as well as fibre reinforced concretes are of great interest in civil engineering. Concrete is the most commonly used building material and is characterized by a high versatility as well as economic efficiency. Fibre reinforcements and the improvement of their bond in high performance concretes enable new applications and increase the versatility even more. This work presents a discrete element method (DEM) for the investigation of the complex material behaviour to consistently model the macroscopic damage on a microscopic scale. Distributing the material onto discrete particles enables a discontinuous description a continua. The macroscopic material properties can be fit analytically to the model parameters by a comparison of the energy densities. An improved unit cell of particles in a cubic arrangement enables the investigation of isotropic materials with large displacements and rotations with the DEM. Concrete is a very brittle material which tends to cracking and brittle failure. The discontinuous formulation in space allows the separation of the calculation area throughout the simulation. A failure criterion based on local strains for initial contacts is implemented to model the specific cracking and rupture behaviour of concrete. The discrete element model is extended to model fibre reinforcements. The properties of the fibres and their bond in the concrete are combined in an rheological element and implemented in the model. The simulation of fibre reinforced ultra high performance concrete is shown.

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Ockelmann, Felix: Modellierung und numerische Analyse von Beton und faserverstärktem Ultrahochleistungsbeton mit der Diskrete Elemente Methode. 2018.

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