Numerical framework for modeling of cementitious composites at the meso-scale

  • Numerisches Framework für Modellierung der zement-basierten Kompositen auf Mesoebene

Jerábek, Jakub; Meskouris, Konstantin (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2011)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Kurzfassung

Die Anwendung von Kompositen als Baustoff erfreut sich in den letzen Jahrzehnten zunehmender Beliebtheit. Komposite kombinieren mehrere Materialkomponenten um eine optimale Ausnutzung der günstigen Eigenschaften zu erreichen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Modellierung der zementbasierten Komposite auf Mesoebene. Die Motivation für diese Doktorarbeit liegt besonders in der Modellierung von textilbewehrtem Beton, einem neuartigen Komposit, welches hochfeste Textilbewehrung mit einer feinkörnigen Zementmatrix kombiniert. Die bestehenden Modelle für Beton und Komposite sind nicht direkt auf textilbewehrten Beton anwendbar. Dies liegt daran, dass im Vergleich zu anderen Verbundwerkstoffen, neben der Zementmatrix auch den Faserquerschnitt und der ungleichmäßige Verbund, in Folge der unregelmäßigen Penetration des Faserbündels, Inhomogenität aufweisen. Als Folge daraus zeigen sich im Prozess der Schadenslokalisation von textilbewehrtem Beton Interaktionen zwischen einfachen Versagensmechanismen in der Matrix, in der Bewehrung, und im Verbund. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist, das Erstellen einer Simulationsumgebung für eine einfache Umsetzung der Anwendung der Finiten Elemente Methode bei der Modellierung von zementbasierten Kompositen. Dies beinhaltet besonders die Modellierung des Risswachstums auf Mesoebene. In Betracht gezogene Versagensarten auf der Mesoebene waren hierbei ein schrittweises Auflösen des Verbunds zwischen Garn und Zementmatrix, ein Sprödriss der Zementmatrix sowie ein Versagen des Garns. Die benutzten Modelle benötigen effektive Verbundgesetze für Garne mit unregelmäßigem Verbund zur Zementmatrix, welche sich in adäquaten nichtlinearen Materialmodellen wiederspiegeln. Die Simulation des Risswachstums konzentriert sich auf Zonen mit komplexen Spannungszuständen, wie zum Beispiel Schubzonen oder komplexe Bauelemente. Diese Zonen zeichnen sich durch vorherrschende, interagierende, durch die Zugbewehrung überbrückte Risse aus. In dieser Situation ist das Öffnungs- und Gleitverhalten der Rissüberbrückungen von entschiedener Bedeutung für die Berechnung der endgültigen Bauwerksfestigkeit. Eine detaillierte Darstellung der Risse in der Zementmatrix ist daher notwendig und wurde erfolgreich mit der extended finite element method (XFEM) umgesetzt. Die genannten nummerischen Ansätze stellen, was Flexibilität und Erweiterbarkeit anbelangt, Anforderungen an die nummerischen Programme. Aus diesem Grund wurde in dieser Doktorarbeit besonderes Augenmerk auf die Ausgestaltung der Programme gelegt. Berücksichtigt wurden hierbei nicht nur die Bedürfnisse der Simulation, sondern auch die Anforderungen die sich aus der Anwendung als wissenschaftliches Werkzeug, im Bereich der Materialwissenschaften und der nummerischen Methoden ergeben. In diesem Zusammenhang wurde Wert auf die Anwendung moderner Ansätze, wie der objektorientierten Programmierung und die Nutzung von Skriptsprachen gelegt.

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