Numerische Simulation und energetische Charakterisierung von Betonstrukturen unter Impakt mit diskreter Rissbildung

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Michael Kaliske
• Subject Area: Structural Engineering, Building Informatics and Construction Operation
• Term: from 2013 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 219751561

Die numerische Analyse von Stahlbetonstrukturen unter Impaktlasten erfordert die Anwendung hoch entwickelter Modelle zur Beschreibung der Einwirkung und des Materialverhaltens sowie leistungsfähige Methoden zur Berechnung der Strukturantwort. Im hochdynamischen Lastfall Impakt dominieren die Ausbreitung der Last als Spannungswelle und das ratenabhängige Materialverhalten die Ausbildung maximaler lokaler Beanspruchungen und typischer Rissmuster. Zusätzlich muss der Verbund von Beton und Bewehrung sowie dessen Einfluss auf die transiente Lastausbreitung erfasst werden. Im Antrag wird ein Simulationsmodell entwickelt, das die relevanten Aspekte der Impaktbelastung von Stahlbeton durch die Weiterentwicklung und Kombination von Modellen zur numerischen Approximation des Anpralls, des Materialverhaltens sowie der Rissentwicklung abbilden kann. Die Auswertung ausgewählter Begleitversuche der Kooperationspartner bildet die Grundlage der Weiterentwicklung und Validierung einzelner Modellierungsaspekte. Das kombinierte Modell wird anschließend für die Simulation des Aufpralls eines stählernen Impaktors auf eine Stahlbetonplatte eingesetzt. Ziel ist die Prognose der lokalen Schädigungen sowie der an den Auflagern in angrenzende Bauteile übertragenen Belastungen. Das für die Beschreibung des Materialverhaltens von Beton verwendete Mikroebenenmodell wurde in der ersten Förderperiode bereits um nichtlokal formulierte Schädigung und Plastizität erweitert. Die geplante Umsetzung nichtlokaler Ratenabhängigkeit sowie Erweiterungen für die Abbildung von Schockwellen vervollständigen das Materialmodell. Für die Rissapproximation wurden ein diskretes Modell mit materiellen Kräften sowie ein verschmiertes Phasenfeldmodell entwickelt. Während im diskreten Modell bereits Risswiderstände in Abhängigkeit der Rissgeschwindigkeit umgesetzt wurden, bietet das Phasenfeldmodell Vorteile bei der Erfassung von dreidimensionalen Rissen. Im diskreten Modell sollen verbesserte adaptive Vernetzungsalgorithmen umgesetzt werden. Das verschmierte Modell soll hinsichtlich der realistischen Behandlung von Rissrandbedingungen erweitert werden. Zusätzlich wird die Abbildung der Rissverzweigung in beiden Modellen weiterentwickelt und durch ein geeignetes Experiment validiert. Ein wichtiger Bestandteil des Simulationsmodells ist die realitätsnahe Erfassung der Bewehrung mit und ohne Vorspannung. Drei Ansätze sollen hinsichtlich ihrer Eignung untersucht und mit der Kombination aus Riss- und Materialmodell gekoppelt werden. Nach Abschluss der Entwicklung, Implementation und Validierung wird das Modell zur Prognose der lokalen und globalen Schädigungen von Strukturen unter Impaktlasten eingesetzt. Sowohl die Impaktresistenz bestehender Strukturen als auch deren Resttragfähigkeit nach einem Impakt stehen im Fokus der Untersuchungen. Aufbauend auf dieser Analyse wird die Entwicklung von Verstärkungsmaßnahmen für bestehende Strukturen und die Konstruktion impaktresistenter Neubauten unterstützt.

• DFG Programme: Research Grants