Numerische Modellierung teilzementierter Böden im Stagnationsbereich

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alexander Düster; Professor Dr.-Ing. Jürgen Grabe
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448085183

Das primäre Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist das Erlangen eines besseren Verständnisses des mikromechanischen Verformungsverhaltens mehrphasiger poröser Kompositmaterialien. Hierzu soll ein im Bauingenieurwesen übliches und speziell in der Geotechnik in vielen Problemstellungen eingesetztes mehrphasiges Kompositmaterial näher untersucht werden: zementgebundener Sand. Beispielsweise kann selbsterhärtende Suspension bei der Herstellung von Schlitzwänden als Stützflüssigkeit eingesetzt werden. Herstellungsbedingt gibt es an den Bauteilrändern Übergangszonen zwischen nahezu vollständig mit Zement verfülltem Korngerüst hin zu reinem Korngerüst. In diesem als Stagnationsbereich bezeichneten Bereich hängt der Lastabtrag von der Lage und der Kontaktpunkte der einzelnen Körner ab. Hierbei werden eingetragene Lasten zum einen über die zusammenhängende Zementmatrix getragen und zum anderen über die darin eingebundenen Sandkörner. Stark beeinflusst wird der Lastabtrag durch die heterogene Anordnung und die Sphärizität der Einzelkörner, den Durchmischungsgrad sowie den Zementanteil. Zur Verbesserung makroskopischer für die Praxis relevanter FE-Modelle soll ein Brückenschlag zwischen dem mikroskopischen und makroskopischen Materialverhalten poröser Kompositmaterialien hergestellt werden. Basierend auf bildgebenden Verfahren, wie der Röntgen-Computertomografie, sollen hierzu dreidimensionale FE-Modelle direkt aus den durch Scans von zementgebundenen Sandproben erhaltenen Bilddaten erstellt werden. Mithilfe von numerischen Methoden lassen sich an den so erhaltenen Modellen Verformungsanalysen durchführen. Am Institut für Geotechnik und Baubetrieb (Prof. Grabe) wird vorwiegend die Finite-Elemente-Methode (FEM) eingesetzt. Daneben wird am Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen (Prof. Düster) die Finite-Cell-Method (FCM) weiterentwickelt. Diese beiden numerischen Herangehensweisen sollen im Zuge des geplanten Forschungsvorhabens auf die mikrostrukturellen Problemstellungen angewandt und optimiert werden. Ziel ist durch numerische Homogenisierung makroskopische Materialkennwerte der komplexen mehrphasigen Mikrostrukturen abzuleiten. Hierdurch lässt sich das makroskopische Materialverhalten derartiger Kompositmaterialien charakterisieren. Das makroskopische Materialverhalten wird mithilfe von durchzuführenden Laborversuchen untersucht. Geplant sind einaxiale Druckversuche sowie Triaxialversuche an Sandproben mit verschiedenen Zementgehalten. Aufgrund der umfangreichen geplanten Untersuchungen im bodenmechanischen Labor, am CT-Scanner sowie der numerischen Untersuchungen und Entwicklungen soll in dieser ersten Projektphase zunächst von elastischem Materialverhalten ausgegangen werden. In einer möglichen zweiten Projektphase sollen für Untersuchungen größerer Verformungen oder bei der Modellierung von Schädigungen im Kompositmaterial unter anderem nichtlineare Stoffmodelle zum Einsatz kommen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen