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SPP 2020 - Zyklische Schädigungsprozesse in Hochleistungsbetonen im Experimental-Virtual-Lab

Moderne Hochleistungsbetone ermöglichen immer leichtere, filigranere und ressourcenschonendere Bauwerke, die jedoch aufgrund ihres reduzierten Eigengewichts schwingungsanfälliger sind. Bauwerke und Bauteile wie weitgespannte Brücken des Hochgeschwindigkeitszugverkehrs, Windenergieanlagen oder Maschinenfundamente sind zudem typischerweise sehr großen veränderlichen Beanspruchungen und sehr hohen Lastwechselzahlen ausgesetzt. Das Ermüdungsverhalten des Hochleistungsbetons ist für die Auslegung und Realisierung solcher Betonanwendungen entscheidend. Durch die derzeit noch bestehenden Wissenslücken hinsichtlich der Entstehung und Fortpflanzung von Ermüdungsschädigung in Hochleistungsbetonen wird der effektive Einsatz moderner Hochleistungsbetone behindert.

Das Ziel dieses Schwerpunktprogramms 2020 ist es, die Materialdegradation von Hochleistungsbetonen in Kombination neuester experimenteller und virtuell-numerischer Methoden zu erfassen, zu verstehen, zu beschreiben, zu modellieren und zu prognostizieren. Da Schädigungsprozesse auf sehr kleinen Skalenebenen ablaufen, lassen sie sich nicht vollständig im Belastungsversuch beobachten. Bereits die Erfassung von geeigneten Schädigungsindikatoren während des Versuchs macht die ohnehin zeitaufwendigen Ermüdungsversuche sehr anspruchsvoll. Insofern werden die angestrebten Erkenntnisse in enger Verzahnung der Baustoffwissenschaften und der numerischen Mechanik, d. h. in der Verzahnung von Experiment und Berechnung – im Experimental-Virtual-Lab – entwickelt. Die modellhafte Abbildung des heterogenen Gefüges von Beton sowie die Schädi­gungs- und Rissmodellierung auf verschiedenen Skalenebenen sowie über mehrere Tausend Lastwechsel stellen besondere Herausforderungen in diesem Schwerpunktprogramm dar.

Weitere Informationen zum Schwerpunktprogramm: www.spp2020.uni-hannover.de

Mehrskalige Untersuchung der Ermüdungsrissentwicklung in Hochleistungsbeton basierend auf Computertomographie und Phasenfeldmodellierung

Ziel des Projektes ist es, das Risswachstum unter zyklischer Beanspruchung in hochfestem Beton auf der Mesoskala experimentell und numerisch zu analysieren. Das Versuchsprogramm beinhaltet bruchmechanische Versuche mit wenigen Zyklen und Dauerschwingversuche mit bis zu 2 Mio. Lastspielen an Probekörpern unterschiedlicher Größe, die z.T. im Computertomographen durchgeführt werden. Die Mesoskala ist als die Skala definiert, bei der die Betonbestandteile Gesteinskörnung, Poren, Zementmörtelmatrix und Kontaktzone (ITZ) unterschieden werden. Da es rechnerisch unmöglich ist, Gesteinskörner und Poren jeder Größenordnung aufzulösen, werden diejenigen unterhalb einer geeigneten Größenschwelle idealisiert in die Zementmörtelmatrix und auch in das Kontaktzonenmaterial integriert. Es werden Simulationsmethoden zur Beschreibung der Rissinitiierung und Rissausbreitung anhand eines dreidimensionalen Mesostrukturmodells entwickelt, das mit Hilfe von CT-Scans erstellt wird. Die Computertomographie wird auch für die Deformationsmessung und für die Beobachtung des Rissmusters verwendet, was der Schlüssel zur Validierung der Modellierungsergebnisse sein wird.

Das Projekt ist in der AG3 Betonzusammensetzung/Gefüge angesiedelt.

Projektpartner: Institut für Angewandte Mechanik (TU Braunschweig)

Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Laufzeit: 3 Jahre

Ansprechpartner: Gauravdatt Basutkar, M. Sc.

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