Framework for adaptive multi-scale simulation of textile reinforced concrete

  • Grundlagen einer adaptiven Mehrskalensimulation von Textilbeton

Peiffer, Frank; Meskouris, Konstantin (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2009)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Kurzfassung

Verbundwerkstoffe haben in den vergangen Jahren zusehends an Bedeutung gewonnen. Durch die Kombination verschiedener Werkstoffe werden die jeweiligen Stärken der Komponenten gezielt ausgenutzt. Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen der Erforschung und Entwicklung von textilbewehrtem Beton, bei dem Bewehrungsmatten aus hochfesten, korrosionsbeständigen Fasermaterialien in eine Betonmatrix eingebracht werden, um so die für tragende Bauteile nötigen Festigkeiten und ein quasi-duktiles Verhalten zu erreichen. Das Verständnis und die Simulation des mechanischen Verhaltens von Kompositen stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar. Textilbeton ist durch die ausgeprägte Heterogenität von Bewehrung und Betonmatrix geprägt, so dass das Versagen einer Komponente oder ihres Verbunds zu einer Lokalisierung der miteinander interagierenden Schädigungsmechanismen führt. Die verfügbaren Mikro- und Mesomodelle bilden diese Effekte teilweise ab, sind aber durch den numerischen Aufwand auf kleine Teilbereiche wie z.B. einzelne Rissüberbrückungen beschränkt. Makroskopische Modelle dagegen vernachlässigen die komplexen Schädigungsmechanismen und sind in ihrer Anwendbarkeit auf Spezialfälle begrenzt. Ziel dieser Arbeit ist es, Grundlagen für die effiziente Lösung allgemeinerer Problemstellungen zu schaffen (z.B. zur Berücksichtigung von Randeffekten oder Schubzonen). Ein Verfahren für die adaptive Mehrskalensimulation wird entwickelt, das sowohl in der Modellierung von Textilbeton als auch im Entwurf geeigneter Simulations-Software neue Konzepte erfordert. Daher wird ein Mehrskalenansatz formuliert, der die adaptive Verfeinerung eines anfänglich groben Modells erlaubt. Der Ansatz basiert auf der lokalen Auflösung der Materialstruktur, der diskreten Modellierung von Rissen und einer risszentrierten Verfeinerung des Ansatzraumes zur verbesserten Abbildung des Ablöseverhaltens. Die schrittweise Entwicklung des Ansatzes wird am Beispiel eines eindimensionalen Dehnkörpers verdeutlicht. Der Skalenwechsel im Rahmen einer adaptiven Simulation wird durch die Entstehung eines Risses ausgelöst. Der Steuerungsalgorithmus muss dazu den Zustand der Betonmatrix bewerten, den Zeitschritt geeignet anpassen und schließlich den Modellwechsel vollziehen. Es wird gezeigt, dass eine direkte Implementierung dieser adaptiven Schritte innerhalb der Standardalgorithmen das Prinzip der Datenkapselung verletzt, welches aber insbesondere bei umfangreichen Programmsystemen unabdingbar für deren Pflege und Erweiterbarkeit ist. Stattdessen wird eine strukturierte Erweiterung der Zeitschrittverfahren durch adaptive Regeln angestrebt. Für den Entwurf einer geeigneten Architektur werden neben der mehrskaligen Simulation auch die Anforderungen weiterer adaptiver Anwendungen einbezogen. Das Konzept der "Adaptiven Strategien" wird eingeführt, um die problemspezifischen adaptiven Erweiterungen von den allgemeingültigen Lösungsalgorithmen zu trennen. Die Vielfältigkeit des entwickelten Simulationsrahmens wird anhand der beispielhaften Umsetzung von drei adaptiven Anwendungen demonstriert.

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