Framework for adaptive multi-scale simulation of textile reinforced concrete

Peiffer, Frank; Meskouris, Konstantin

doi:29352

Framework for adaptive multi-scale simulation of textile reinforced concrete = Grundlagen einer adaptiven Mehrskalensimulation von Textilbeton

Peiffer, Frank (Author)

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Frank Peiffer

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangX, 147 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Meskouris, Konstantin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-09-08

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-26427
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50543/files/Peiffer_Frank.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik (311810)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Textilbeton (Genormte SW) ; Extended Finite-Elemente-Methode (Genormte SW) ; Objektorientierte Programmierung (Genormte SW) ; Adaptives Verfahren (Genormte SW) ; Mehrskalenmodell (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; adaptivity (frei) ; object-orientation (frei) ; XFEM (frei) ; textile reinforced concrete (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Verbundwerkstoffe haben in den vergangen Jahren zusehends an Bedeutung gewonnen. Durch die Kombination verschiedener Werkstoffe werden die jeweiligen Stärken der Komponenten gezielt ausgenutzt. Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen der Erforschung und Entwicklung von textilbewehrtem Beton, bei dem Bewehrungsmatten aus hochfesten, korrosionsbeständigen Fasermaterialien in eine Betonmatrix eingebracht werden, um so die für tragende Bauteile nötigen Festigkeiten und ein quasi-duktiles Verhalten zu erreichen. Das Verständnis und die Simulation des mechanischen Verhaltens von Kompositen stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar. Textilbeton ist durch die ausgeprägte Heterogenität von Bewehrung und Betonmatrix geprägt, so dass das Versagen einer Komponente oder ihres Verbunds zu einer Lokalisierung der miteinander interagierenden Schädigungsmechanismen führt. Die verfügbaren Mikro- und Mesomodelle bilden diese Effekte teilweise ab, sind aber durch den numerischen Aufwand auf kleine Teilbereiche wie z.B. einzelne Rissüberbrückungen beschränkt. Makroskopische Modelle dagegen vernachlässigen die komplexen Schädigungsmechanismen und sind in ihrer Anwendbarkeit auf Spezialfälle begrenzt. Ziel dieser Arbeit ist es, Grundlagen für die effiziente Lösung allgemeinerer Problemstellungen zu schaffen (z.B. zur Berücksichtigung von Randeffekten oder Schubzonen). Ein Verfahren für die adaptive Mehrskalensimulation wird entwickelt, das sowohl in der Modellierung von Textilbeton als auch im Entwurf geeigneter Simulations-Software neue Konzepte erfordert. Daher wird ein Mehrskalenansatz formuliert, der die adaptive Verfeinerung eines anfänglich groben Modells erlaubt. Der Ansatz basiert auf der lokalen Auflösung der Materialstruktur, der diskreten Modellierung von Rissen und einer risszentrierten Verfeinerung des Ansatzraumes zur verbesserten Abbildung des Ablöseverhaltens. Die schrittweise Entwicklung des Ansatzes wird am Beispiel eines eindimensionalen Dehnkörpers verdeutlicht. Der Skalenwechsel im Rahmen einer adaptiven Simulation wird durch die Entstehung eines Risses ausgelöst. Der Steuerungsalgorithmus muss dazu den Zustand der Betonmatrix bewerten, den Zeitschritt geeignet anpassen und schließlich den Modellwechsel vollziehen. Es wird gezeigt, dass eine direkte Implementierung dieser adaptiven Schritte innerhalb der Standardalgorithmen das Prinzip der Datenkapselung verletzt, welches aber insbesondere bei umfangreichen Programmsystemen unabdingbar für deren Pflege und Erweiterbarkeit ist. Stattdessen wird eine strukturierte Erweiterung der Zeitschrittverfahren durch adaptive Regeln angestrebt. Für den Entwurf einer geeigneten Architektur werden neben der mehrskaligen Simulation auch die Anforderungen weiterer adaptiver Anwendungen einbezogen. Das Konzept der „Adaptiven Strategien“ wird eingeführt, um die problemspezifischen adaptiven Erweiterungen von den allgemeingültigen Lösungsalgorithmen zu trennen. Die Vielfältigkeit des entwickelten Simulationsrahmens wird anhand der beispielhaften Umsetzung von drei adaptiven Anwendungen demonstriert.

Composite materials have been receiving growing attention in recent years. In a composite, material components are combined in a way that their respective strengths are optimally employed. The work at hand has originated from the research on textile reinforced concrete (TRC) that uses high strength textiles embedded in a fine-grained cementitious matrix to compensate for its low tensile strength. Moreover, this combination of materials leads to quasi-ductile tensile behavior as required for load carrying structural elements. The thorough understanding and simulation of the mechanical behavior of composites is still a demanding task. In TRC both the reinforcement and the concrete matrix exhibit heterogeneity on similar scales of resolution. The failure of matrix, reinforcement or bond causes a localization of interacting damage mechanisms. The available micro- and meso-scale models regard these effects but the implied numerical effort restricts their applicability to the simulation of only small parts of a structure. Macro-scale models disregard the complex damage mechanisms and are limited to problems with homogeneous or periodic stress and strain fields. The work at hand proposes the adaptive multi-scale simulation of TRC for an efficient solution of more general problems (e.g. boundary effects or shear zones). The method demands for new concepts both in the field of modeling and in the design of suitable simulation software. A multi-scale modeling approach is presented that allows for adaptive enrichment of an initially coarse model. It accounts both for the discontinuity in the matrix field and for the local effect of debonding. For efficiency reasons the material structure is resolved only where needed, namely in the vicinity of the crack bridges and in the boundary zones. For the sake of explanation simplicity, the modeling approach is exemplified for the one-dimensional case. No significant enhancements for two and three dimensional cases should be necessary. The triggering event for the adaptive model refinement is the development of a crack. The time stepping algorithm must monitor the material state, scale the time step appropriately and then modify the discretization. It is shown that a thoughtless implementation of the adaptive rules within the time stepping algorithm breaks the principles of information hiding and encapsulation. Instead, an adaptive time-stepping framework is presented that allows for the structured extension of object-oriented finite element code with additional adaptive features. The design takes into account not only the requirements of the TRC multi-scale simulation but also the demands of several other adaptive applications. The concept of adaptive strategies is introduced that aims at encapsulating the application specific adaptive features and thus keeps the time stepping algorithm clear of special purpose code. The realization of the target applications within the presented framework demonstrates the applicability of the chosen design in various contexts.

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