Im Projekt C05 wird die in der ersten Förderperiode des TRR 280 entwickelte Extended Phase-Field Method (XPFM) um Rissreibung innerhalb von 3D-mesoskaligen Strukturen erweitert. Die XPFM ermöglicht vergleichsweise grobe Diskretisierungen für Risssimulationen unter Verwendung eines Phasenfeldansatzes. Dies verbessert die Effizienz im Vergleich zu Phasenfeldsimulationen mit klassischen Finite-Elemente-Diskretisierungen erheblich. Da die Verzahnungen zwischen Rissoberflächen ein wichtiger beobachtbarer Effekt in Carbonbetonkonstruktionen sind, wird ein Rissreibungsmodell für die Betonmatrix erstellt und in die XPFM-Formulierung integriert.

Im Falle der Rissöffnung oder des Gleitens werden Carbonrovings teilweise aus der Betonmatrix herausgezogen, was einen wesentlichen Einfluss auf die Dübelwirkung von Carbonrovings hat. Dieses Delaminationsverhalten zwischen dem Roving und der Matrix wird durch ein Membran-Mode-Enhanced-Cohesive-Zone-Element (MMECZE) modelliert, das um ein Reibmodell erweitert wird. Dieses Reibmodell wurde schon in der ersten Förderperiode des TRR 280 entwickelt. Aufgrund der potenziell komplexen Geometrie der Carbonrovings werden diese mit der Extended Finite Element Method (XFEM) für heterogene Strukturen diskretisiert. Die bestehende MMECZE-Formulierung wird auf die XFEM-Diskretisierung der Grenzfläche zwischen Matrix und Roving übertragen.

Mikrorisse und die entsprechende Mikrorissreibung, die auf der Mesoskala nicht explizit erfasst werden können, werden durch einen Drucker-Prager-Cap-Microplane-Ansatz modelliert, der ebenfalls in der ersten Förderperiode verbessert wurde. Die Kalibrierung und Validierung der verschiedenen Teile des mesoskaligen Modells wird in enger Zusammenarbeit mit mehreren anderen Projekten des TRR 280 durchgeführt.

Um prädiktive Simulationen von Carbonbetonkonstruktionen auf der Makroskala einschließlich des detaillierten mesostrukturellen Rissverhaltens in stark beanspruchten Teilen des Bereichs zu ermöglichen, wird in enger Zusammenarbeit mit dem Projekt C03 ein Multiskalen-Simulationsframework entwickelt. Dieses Framework wird das mesoskalige Modell aus C05 mit dem makroskaligen Schalenmodell aus C03 verbinden. Das gekoppelte Meso-Makro-Modell wird verwendet, um die Tragfähigkeit von Carbonbetonstrukturen, die im Rahmen des TRR 280 entworfen werden, in Bezug auf verschiedene Belastungsszenarien zu bewerten. Dieser Ansatz wird zur Verbesserung der Bemessungsstrategien für Carbonbetonkonstruktionen beitragen

Ziel dieses Teilprojekts besteht darin, das Verhalten dünnwandiger Carbonbetonstrukturen unter verschiedenen Lastkombinationen simulativ vorherzusagen und ihre ausreichende Robustheit sicherzustellen. Im Fokus steht die Untersuchung von Rissen im Beton auf der Mesoskala, einschließlich ihrer Initiierung, Fortschritt, Verzweigung und Vereinigung, und wie sich diese auf die Makroskala auswirken. Hierbei können komplexe Rissgeometrien entstehen, deren diskrete Abbildung innerhalb der Finite-Elemente-Methode (FE) schwierig ist. Daher wird die Phasenfeldmethode verwendet, bei der Risse verschmiert dargestellt werden. Jedoch erfordert die genaue Darstellung des Phasenfelds und der hohen Verschiebungsgradienten über den Riss hinweg sehr feine FE-Netze, was zu einem erheblichen Rechenaufwand führt. Aus diesem Grund wird im Rahmen dieses Teilprojekts die Erweiterte Phasenfeldmethode (XPFM) entwickelt. Durch eine Transformation des Phasenfeldansatzes und die Anreicherung des Verschiebungsfeldes kann mit der XPFM deutlich gröbere Netze verwendet und der Rechenaufwand somit reduziert werden.

Um auch das makroskopische Verhalten zu erfassen, sind effiziente numerische Mehrskalenmethoden erforderlich, mit der das inhomogene und sowohl materiell als auch geometrisch nichtlineare Verhalten berücksichtigt werden kann. Daher wird die für die auftretenden Lokalisierungseffekten geeignete Mehrskalenprojektionsmethode erweitert, um Heterogenitäten und Risse in schalenartigen Strukturen mit finiten Deformationen zu berücksichtigen.

Die Kombination der Mehrskalenprojektionsmethode mit der XPFM für dreidimensionale Elemente ermöglicht eine realistische und locking-freie Darstellung des makroskopischen Strukturverhaltens bei moderatem numerischen Aufwand. Dadurch kann die Resilienz von Carbonbetonstrukturen, die mit den im SFB/TRR 280 entwickelten Konstruktionsstrategien entworfen wurden, zuverlässig gegenüber verschiedenen kombinierten äußeren Lasten bewertet werden.

Im Rahmen von C05 wird das Seed-Fund-Projekt "Simulation des Ermüdungsverhaltens von Carbonbetonbauteilen unter wechselnder, zyklischer Belastung" (1. Runde 2022) durchgeführt. Weiterhin wurde im Seed-Fund-Projekt "Numerische Modellierung und experimentelle Validierung des Faserauszugsverhaltens bei Carbonbeton" (2. Runde 2022) Methoden entwickelt, um Faserauszug numerisch zu untersuchen.