Numerische Untersuchungen von Gradientenbetonträgern

Abstract

Die Zementherstellung alleine ist für 5-8% der globalen C O2-Emissionen verantwortlich. Teilweise lässt sich dieser enorme ökologische Fußabdruck auf Materialineffizienzen in Betonstrukturen zurückführen. Herkömmliche Stahlbetonkonstruktionen bestehen aus einem einheitlichen Betongemisch und Bewehrung. Während die Bewehrung an die jeweiligen Lastpfade angepasst werden kann, bleiben die Betoneigenschaften innerhalb eines Bauteils meist konstant. Dies führt zu Materialineffizienzen und einem übermäßigen Zementverbrauch. Die funktionale Gradierung von Betonbauteilen bietet hier eine innovative Lösung. Sie ermöglicht eine individuelle Anpassung an spezifische Leistungsanforderungen. Durch die Gradierung der Festigkeit kann der Zementverbrauch gesenkt und gleichzeitig die Umweltbelastung reduziert werden.Diese Arbeit konzentriert sich auf die numerische Untersuchung von Gradientenbetonträgern.Mithilfe numerischer Simulationen wurden vorangegangene Bauteilversuche unter Berücksichtigung des nichtlinearen Materialverhaltens nachgebildet. Das Concrete Damaged Plasticity(CDP) Materialmodell wurde zur Beschreibung des Materialverhaltens von Beton herangezogen und anhand der vorhandenen Prüfergebnisse kalibriert. Ein besonderer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Modellierung des Grenzschicht-Verbundverhaltens bei Betonbauteilen mit unterschiedlichen Zonierungen. Die Grenzschichten der Gradientenbetonträger wurden unter Verwendung von zwei Modellierungsansätzen simuliert: zum einen durch die Modellierung mit kohäsiven Oberflächen und zum anderen durch den Einsatz von kohäsiver Elemente. Anschließend wurden diese beiden Modellierungsansätze miteinander verglichen, um ihre jeweiligen Stärken und Schwächen zu ermitteln.Im Allgemeinen konnten die Simulationen mit beiden Modellierungsansätzen das Trag- und Verformungsverhalten der Gradientenbetonträger realitätsnah abbilden. Es wurden gute Übereinstimmungen der Last-Verformungskurven und der Rissbilder festgestellt. Die Zuverlässigkeit undValidität der verwendeten Materialmodelle konnten dadurch bestätigt werden. In diesem Fall stellt die Modellierung des Grenzschicht-Verbundverhaltens mittels kohäsiver Oberflächen die bevorzugte Wahl dar. Die reduzierte Rechenzeit und die vereinfachte Handhabung bei komplexen Geometrien bieten klare Vorteile.Die durchgeführten numerischen Untersuchungen bilden die Grundlage für zukünftige Parameterstudien.Mithilfe der erstellten numerischen Modelle können Studien zum Einfluss einzelner Kenngrößen durchgeführt werden, ohne dass zeitaufwendige experimentelle Versuche notwendig sind.

Cement production accounts for 5-8% of global C O2 emissions. This enormous environmental impact comes partly from material inefficiencies in concrete structures. Conventional reinforced concrete structures consist of a uniform concrete mix and reinforcement. While the reinforcement can be adapted to the altering loadings in structures, the concrete properties typically remain the same. This results in material inefficiencies and excessive cement consumption. Functional grading of concrete components provides an innovative solution to this problem. It allows individual adaptations to specific performance requirements. By grading the strength, cement consumption can be lowered, and the environmental impact is reduced.This thesis is about numerical investigations on Functionally Graded Concrete (FGC) beams.Utilizing numerical simulations, experimental tests can be reproduced. Here, the nonlinear material behavior was considered by the Concrete Damaged Plasticity (CDP) material which was calibrated against existing test results. A significant focus of this thesis was put on the modeling of the interfacial layer between concretes of different grade. These layers were modelled with two approaches: modelling with cohesive surfaces on the one hand and modelling with cohesive elements on the other. The results of each were compared to determine their accuracy and respective advantages and disadvantages in modelling.Generally, the simulations with both modelling approaches were able to reproduce the loadbearing and deformation behavior of the FGC beams with high accuracy. The load-deformationcurves and crack patterns showed a good agreement with the test results. With respect to the interfacial zone, modelling the interface of FGC beams using cohesive surface seems preferabledue to less computational efforts needed and the simplified handling of complex geometries.The results of this numerical analyses provide the basis for future studies, by which the impact of individual parameters can be investigated without the need for time-consuming experimental testing.