Mehrfeldmodellierung von Beton mit diskreten Element Methoden

Flack, Christian GND

Bauwerke aus Beton sind im Bauwesen weit verbreitet. Die Bauweise ist vergleichsweise kostengünstig und in der Regel durch eine hohe Dauerhaftigkeit und lange Nutzbarkeit gekennzeichnet. Die Umwelt­bedingungen sind je nach Einsatzzweck sehr variabel und müssen bereits beim Entwurf der Betonrezeptur berücksichtigt werden. Immer wieder kommt es dennoch zu Schäden an Betonbauwerken, die eine erhebliche Verkürzung der Lebensdauer zur Folge haben können. Die Erfassung und Bewertung der Schäden ist für eine Prognose der Restlebensdauer unerlässlich. In dieser Arbeit wird ein numerisches Modellierungskonzept auf Basis diskreter Elemente vorgestellt, welches den Beton auf der Mesoskala beschreibt. Die Prozesse auf dieser und den darunter liegenden Ebenen bestimmen maßgeblich die makroskopischen Eigenschaften. Das heterogene Gefüge wird mit Partikelpackungen unterschiedlicher Korngrößen­verteilungen beschrieben. Zur Reduzierung des numerischen Aufwandes wird der Zementstein über die Kontaktbedingungen berücksichtigt und nur die Gesteinskörnung explizit abgebildet. Neben dem mechanischen Verhalten sind auch thermische und chemische Einflüsse sowie deren Wechselwirkungen im Modell erfasst. Zu den höchsten thermischen Belastungen eines Bauteils zählt der Brandfall, dessen thermo-mechanische Auswirkungen mit dem Modell beschrieben werden können. Mögliche Betonabplatzungen infolge starker Temperaturgradienten werden über Bruchbedingungen erfasst. Der Wärmetransport erfolgt mit Hilfe thermischer Verbindungselemente zwischen einzelnen Partikeln. Die Eigenschaften des erhärteten Betons werden maßgeblich durch die Wahl der Zusammensetzung bestimmt. Die Hydratationsreaktionen der Zementsteinphasen sorgen für die Festigkeit und setzen eine hohe Menge an Wärmeenergie frei. Ein vereinfachendes Hydratationsmodell zeigt die chemisch-thermische Kopplung. Für die Beschreibung von Transportprozessen wird ein Poren-Netzwerk Modell verwendet, das auf der Basis einer radikalen VORONOI-Tesselation erstellt wird. Prozesszonen verknüpfen das Poren-Netzwerk mit dem Festkörpermodell und werden zur Berechnung beliebiger chemischer Reaktionen genutzt. Als Beispiel für die chemo-thermisch-mechani-sche Kopplung wird der Sulfatangriff gezeigt.

Concrete structures are widely used in civil engineering. The construction method is comparatively cost-efficient and is generally characterized by high durability and long service life. The environmental conditions are quite variable depending on the intended use and must be taken into account already at the design stage of the concrete mix design. Nevertheless, damage to concrete structures occurs at various times, which can lead to a considerable reduction in service life. The identification and evaluation of the damage are essential to predict the remaining service life. In this thesis, a numerical modeling concept based on discrete elements is presented, which describes concrete on the meso-scale. The processes on this and lower scales determine the macroscopic properties to a large extent. The heterogeneous structure is described by particle packings of different grading curves. To reduce the numerical effort, the cement stone is considered by contact conditions and only the aggregate is explicitly represented. Besides the mechanical behavior, thermal and chemical influences and their interactions are also included in the model. One of the highest thermal loads of a member is the fire case, whose thermo-mechanical effects can be described by the model. Possible concrete spalling due to strong temperature gradients is captured via fracture conditions. The heat transport is realized using thermal link elements between individual particles. The properties of hardened concrete are mainly determined by the choice of composition. The hydration reactions of the hardened cement paste phases ensure strength and release a high amount of thermal energy. A simplified hydration model shows the chemical-thermal coupling. For the description of transport processes a pore network model is used, which is based on a radical VORONOI-tesselation. Process zones link the pore network with the solid structure model and are used to calculate any chemical reaction. As an example for chemo-thermal-mechanical coupling, the sulfate attack is shown.

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Flack, Christian: Mehrfeldmodellierung von Beton mit diskreten Element Methoden. 2020.

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