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Diskrete Risssimulationen von Stahlbetonbauteilen mit der XFEM
Publikationstyp
Doctoral Thesis
Date Issued
2024
Sprache
German
Author(s)
Advisor
Referee
Title Granting Institution
Technische Universität Hamburg
Place of Title Granting Institution
Hamburg
Examination Date
2023-12-08
Institute
First published in
Number in series
21
Citation
Schriftenreihe des Instituts für Massivbau der TUHH 21: (2024)
Publisher DOI
Publisher
Shaker Verlag
ISBN
978-3-8440-9406-0
Das Tragverhalten von Stahlbetonbauteilen wird wesentlich durch die Entstehung
von Rissen bestimmt. Während in den letzten Jahrzehnten Fortschritte bei der Be-
schreibung des Betonverhaltens und des Verbundes zwischen der Bewehrung und
dem Zementmörtel sowie der numerischen Simulation erzielt wurden, kann man bis-
lang weder den Rissverlauf noch die Weiterleitung der Normal- und Schubspannun-
gen über einen Riss zufriedenstellend numerisch in einem Finite Elemente Modell
beschreiben. Dies trifft insbesondere für Querkraftrisse zu, welche schräg zur Bau-
teilachse verlaufen.
Ziel der vorliegenden Forschungsarbeit ist die diskrete numerische Modellierung von
Rissen in Betonbauteilen. Im Unterschied zu der größtenteils verwendeten ver-
schmierten Abbildung von Rissen lässt sich hiermit u.a. der Spannungsverlauf in ei-
ner Diskontinuität realitätsnah bestimmen. Für die diskrete Abbildung von Rissen
stehen verschiedene numerische Verfahren zur Verfügung. Deren Vor- und Nachteile
werden eingehend erörtert. Es zeigt sich, dass die Extended Finite Element Method
(XFEM) für die geplanten Untersuchungen am geeignetsten erscheint. Neben der nu-
merischen Modellierung einer Diskontinuität im Verformungsfeld sind Modelle zur
Beschreibung des Rissfortschritts erforderlich. Hierbei wird das Kohäsionszonenmo-
dell eingesetzt. Für realistische numerische Simulationen von Betonbauteilen ist es
wichtig, das nichtlineare Materialverhalten von Beton möglichst genau abzubilden.
Aufgrund der vorliegenden Erfahrungen wird das elasto-plastische Schädigungsmo-
dell „Concrete Damage Plasticity“ verwendet. Weiterhin wird ein Modell benötigt,
mit welchen sich die Spannungen in einem Riss aus der Risskinematik realitätsnah
bestimmen lassen. Hierzu wurden unterschiedliche Rissverzahnungsmodelle publi-
ziert. Repräsentative mechanische Modelle werden näher untersucht und in das Re-
chenprogramm eingebunden. Die Validierung des so erweiterten FE-Programms er-
folgt anhand von Balkenversuchen. Es ergibt sich eine zufriedenstellende Überein-
stimmung zwischen den numerischen Simulationen und den realen Experimenten.
Durch die Entwicklung eines numerischen Rechenmodells für diskrete Rissfort-
schrittssimulationen ist es nun möglich, die Spannungen an den Rissufern zu bestim-
men. Diese fortschrittliche Methode eröffnet neue Perspektiven für die Untersuchung
des Tragverhaltens von Stahlbetonbauteilen, insbesondere im Hinblick auf den Quer-
kraftabtrag.
von Rissen bestimmt. Während in den letzten Jahrzehnten Fortschritte bei der Be-
schreibung des Betonverhaltens und des Verbundes zwischen der Bewehrung und
dem Zementmörtel sowie der numerischen Simulation erzielt wurden, kann man bis-
lang weder den Rissverlauf noch die Weiterleitung der Normal- und Schubspannun-
gen über einen Riss zufriedenstellend numerisch in einem Finite Elemente Modell
beschreiben. Dies trifft insbesondere für Querkraftrisse zu, welche schräg zur Bau-
teilachse verlaufen.
Ziel der vorliegenden Forschungsarbeit ist die diskrete numerische Modellierung von
Rissen in Betonbauteilen. Im Unterschied zu der größtenteils verwendeten ver-
schmierten Abbildung von Rissen lässt sich hiermit u.a. der Spannungsverlauf in ei-
ner Diskontinuität realitätsnah bestimmen. Für die diskrete Abbildung von Rissen
stehen verschiedene numerische Verfahren zur Verfügung. Deren Vor- und Nachteile
werden eingehend erörtert. Es zeigt sich, dass die Extended Finite Element Method
(XFEM) für die geplanten Untersuchungen am geeignetsten erscheint. Neben der nu-
merischen Modellierung einer Diskontinuität im Verformungsfeld sind Modelle zur
Beschreibung des Rissfortschritts erforderlich. Hierbei wird das Kohäsionszonenmo-
dell eingesetzt. Für realistische numerische Simulationen von Betonbauteilen ist es
wichtig, das nichtlineare Materialverhalten von Beton möglichst genau abzubilden.
Aufgrund der vorliegenden Erfahrungen wird das elasto-plastische Schädigungsmo-
dell „Concrete Damage Plasticity“ verwendet. Weiterhin wird ein Modell benötigt,
mit welchen sich die Spannungen in einem Riss aus der Risskinematik realitätsnah
bestimmen lassen. Hierzu wurden unterschiedliche Rissverzahnungsmodelle publi-
ziert. Repräsentative mechanische Modelle werden näher untersucht und in das Re-
chenprogramm eingebunden. Die Validierung des so erweiterten FE-Programms er-
folgt anhand von Balkenversuchen. Es ergibt sich eine zufriedenstellende Überein-
stimmung zwischen den numerischen Simulationen und den realen Experimenten.
Durch die Entwicklung eines numerischen Rechenmodells für diskrete Rissfort-
schrittssimulationen ist es nun möglich, die Spannungen an den Rissufern zu bestim-
men. Diese fortschrittliche Methode eröffnet neue Perspektiven für die Untersuchung
des Tragverhaltens von Stahlbetonbauteilen, insbesondere im Hinblick auf den Quer-
kraftabtrag.
Subjects
discrete crack simulation
XFEM
DDC Class
690: Building, Construction