2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16792Extensive advances in concrete technology have led to the development of high performance concretes with significantly expanded application possibilities. Examples include self-compacting, high-strength and ultra-high-strength concretes with steel-like strengths or fiber-reinforced and textile-reinforced concretes with highly ductile behavior. These concretes allow very slender, aesthetic and resource efficient concrete structures, which are more susceptible to vibration due to their reduced weight. Even outside of the classical construction industry, the range of applications for high-performance concretes will undergo considerable development, for example in mechanical and plant engineering, where they can become an alternative to metallic and ceramic materials. All of these structures are subjected to highly cyclical loading, so that the fatigue behavior is crucial for their design and thus for the feasibility of innovative concrete applications. However, there is any basic knowledge of material degradation of concrete under fatigue stress hardly available. Because of these gaps in knowledge, the use of modern high-performance concretes is already considerably hindered, sometimes even prevented.The designed aim of this priority program is to capture, understand, describe, model and predict the material degradation of high-performance concretes using the newest experimental and virtual numerical methods. Since the damage processes occur on a very small scale, they cannot be entirely observed during the load tests. The recording of suitable damage indicators during the experiments make the time-consuming fatigue tests already very demanding. To this extent, the desired results will be developed from a close cooperation between the building material science and the computational mechanics knowledge, which is the interconnection of experiment and computation in the Experimental-Virtual-Lab.An SPP is the perfect framework to resolve the pressing issues of material degradation across locations. The collaboration is designed in such a way that in addition to an intensive exchange of experimental techniques, damage indicators and modeling approaches, a multiple use of the experimental data and a close interaction between experiment and simulation is achieved. Due to the complex experimental technique and the necessity of a fundamental further development of material models, a strong cooperation of the participating locations is promoted with special structural arrangements. Only in this way the existing barriers to the use of fatigue-stressed high-performance concretes can be overcome and an innovation boost for building with concrete and for concrete applications outside of the classical construction industry can be triggered. The new knowledge will also enable to extend the service life of existing fatigue-stressed structures such as bridges and wind turbines.Das Projekt verfolgt zwei Ziele: Zum einen die Untersuchung der Gefügeschädigung durch Ermüdung in zementären Hochleistungswerkstoffen mittels hochauflösender analytischer Elektronenmikroskopie. Dabei geht es insbesondere um den Zusammenhang mit vorhandenen Inhomogenitäten, z.B. den Resten der Fließmittel im erhärteten Material. Arbeitshypothese ist, dass in kapillarporenfreien Hochleistungsbetonen die Rissinitiierung mit solchen Inhomogenitäten verknüpft ist, während in üblichen Betonen die Rissinitiierung auf der Kapillar- und Verbundporosität beruht. Als zweites Ziel verfolgt das Projekt die mehrskalige Modellierung der Ermüdung von Hochleistungsbetonen mittels Bonded Particle Model (BPM). Das Projekt konzentriert sich auf kapillarporenfreie Betone. Die Untersuchung der Gefügeschädigung erfolgt an Mikroproben, die im Transmissionselektronenmikroskop Zugversuchen unterzogen werden, deren Ergebnisse mit der Verteilung der Phasen verknüpft werden. Die Untersuchung der Rissausbreitung erfolgt an makroskopischen ermüdungsgeschädigten Proben. Teile dieser Proben werden mittels FIB-Tomographie analysiert, wobei mit dieser Methode eine dreidimensionale Untersuchung der Struktur mit sehr hoher Auflösung möglich ist. Ein erheblicher Anteil der wissenschaftlichen Arbeit wird dabei die Methodenentwicklung in der hochauflösenden Elektronenmikroskopie einnehmen, die dem ganzen SPP anschließend zur Verfügung steht. Die Untersuchungen liefern aber auch grundlegende Ergebnisse zur Gefügeschädigung, Rissentstehung und Rissausbreitung unter Ermüdung für die eigenen Modellierungsarbeiten und anderer Projekte im Schwerpunktprogramm. Die numerische Forschungsarbeit in diesem Projekt fokussiert sich auf die Entwicklung eines mehrskaligen, BPM-basierten Modellierungskonzeptes sowie auf die Entwicklung und Validierung von meso- und makromechanischen Modellen zur Beschreibung der Schädigungsprozesse. Die neue Methode soll in der Lage sein mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit von zyklischen mechanischen Belastungen vorherzusagen, den Einfluss der Mesostruktur auf das makroskopische Verhalten von Beton zu berücksichtigen sowie die Entstehung und Koaleszenz von Mikro- und das Wachstum von versagensauslösenden Makrorissen zu beschreiben. Für die Modellierung von Betonen wird das selbst entwickelte DEM-Simulationssystem MUSEN mit verbesserten Berechnungsalgorithmen und neuen mechanischen Modellen erweitert. Die Validierung der Simulationsergebnisse sowie die Bestimmung der Modellparameter werden auf Basis von experimentellen Untersuchungen an Proben von ultrahochfestem Beton und dessen Komponenten erfolgen. Dabei wird nicht nur das makroskopische mechanische Verhalten von Materialen berücksichtigt, sondern auch die aus elektronenmikroskopischen Untersuchungen erhaltenen Informationen werden für die Modellbildung, die Anpassung und die Validierung eingesetzt.