Mehrskalenmethode zur Simulation der Resilienz und des Bruchverhaltens heterogener Strukturen
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.
Wissenschaftler
01062 Dresden
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Kooperationen
Publikationen | Publications
Betz, P.; Curosu, V.; Loehnert, S.; Marx, S.; Curbach, M. (2023) Classification of Multiaxial Behaviour of Fine-Grained Concrete for the Calibration of a Microplane Plasticity Model in: Buildings 13, issue 11 (Spec. Issue Research on the Performance of Non-metallic Reinforced Concrete), 2704 – DOI: https://doi.org/10.3390/buildings13112704
Curosu, V.; Kikis, G.; Krüger, C.; Liebold, F.; Macek, D.; Mester, L.; Platen, J.; Ritzert, S.; Stüttgen, S.; Kaliske, M.; Klinkel, S.; Loehnert, S.; Maas, H.-G.; Reese, S.; Robertz, D. (2023) Ansätze für numerische Methoden zur Inspiration, Analyse und Bewertung neuartiger Carbonbetonstrukturen in: Bauingenieur 98, issue 11, p. 368–377 – DOI: 10.37544/0005-6650-2023-11-56
Krüger, C.; Curosu, V.; Loehnert, S. (2024) An extended phase‐field approach for the efficient simulation of fatigue fracture processes in: International Journal for Numerical Methods in Engineering (online first) – DOI: https://doi.org/10.1002/nme.7422
Loehnert, S.; Krüger, C.; Klempt, V.; Munk, L. (2023) An enriched phase-field method for the efficient simulation of fracture processes in: Computational Mechanics 71, issue 5, p. 1015–1039 – DOI: 10.1007/s00466-023-02285-z
Marquis, E.; Utech, T.; Klempt, V.; Scheffler, Chr.; Loehnert, S. (2023) Computational Modeling and Experimental Investigation of a Single-Fiber-Pull-Out Test with a Bio-Inspired Carbon Fiber-Matrix Interphase in: Ilki, A.; Çavunt, D.; Çavunt, Y. S. [eds.] Building for the Future: Durable, Sustainable, Resilient – Proc. of fib Symposium 2023, 05.–07.06.2023 in Istanbul (Turkey), publ. in: Lecture Notes in Civil Engineering 350, Cham: Springer, p. 1252–1261 – DOI: 10.1007/978-3-031-32511-3_128
Mester, L.; Klempt, V.; Wagner, F.; Scheerer, S.; Klarmann, S.; Vakaliuk, I.; Curbach, M.; Maas, H.-G.; Löhnert, S.; Klinkel, S. (2023) A Comparison of Multiscale Methods for the Modelling of Carbon-Reinforced Concrete Structures in: Ilki, A.; Çavunt, D.; Çavunt, Y. S. [eds.] Building for the Future: Durable, Sustainable, Resilient – Proc. of fib Symposium 2023, 05.–07.06.2023 in Istanbul (Turkey), publ. in: Lecture Notes in Civil Engineering 350, Cham: Springer, p. 1418–1427 – DOI: 10.1007/978-3-031-32511-3_145
Vakaliuk, I.; Platen, J.; Klempt, V.; Scheerer, S.; Curbach, M.; Kaliske, M.; Löhnert, S. (2022) Development of load-bearing shell-type TRC structures – initial numerical analysis in: Stokkeland, S.; Braarud, H. C. [eds.] Concrete Innovation for Sustainability – Proc. for the 6th fib International Congress 2022, 12.–16.06.2022 in Oslo (Norway), Oslo: Novus Press, p. 1799–1808.