Numerical framework for modeling of cementitious composites at the meso-scale

Jerábek, Jakub; Meskouris, Konstantin

doi:3604

Numerical framework for modeling of cementitious composites at the meso-scale = Numerisches Framework für Modellierung der zement-basierten Kompositen auf Mesoebene

Jerábek, Jakub (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jakub Jeřábek

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangVIII, 132 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Meskouris, Konstantin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-03-03

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-36049
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64209/files/3604.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik (311810)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Extended Finite-Elemente-Methode (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; numerische Methoden (frei) ; XFEM (frei) ; X-FEM (frei) ; zement-basierte Kompositen (frei) ; numerical methods (frei) ; software design (frei) ; zementitious composites (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Anwendung von Kompositen als Baustoff erfreut sich in den letzen Jahrzehnten zunehmender Beliebtheit. Komposite kombinieren mehrere Materialkomponenten um eine optimale Ausnutzung der günstigen Eigenschaften zu erreichen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Modellierung der zementbasierten Komposite auf Mesoebene. Die Motivation für diese Doktorarbeit liegt besonders in der Modellierung von textilbewehrtem Beton, einem neuartigen Komposit, welches hochfeste Textilbewehrung mit einer feinkörnigen Zementmatrix kombiniert. Die bestehenden Modelle für Beton und Komposite sind nicht direkt auf textilbewehrten Beton anwendbar. Dies liegt daran, dass im Vergleich zu anderen Verbundwerkstoffen, neben der Zementmatrix auch den Faserquerschnitt und der ungleichmäßige Verbund, in Folge der unregelmäßigen Penetration des Faserbündels, Inhomogenität aufweisen. Als Folge daraus zeigen sich im Prozess der Schadenslokalisation von textilbewehrtem Beton Interaktionen zwischen einfachen Versagensmechanismen in der Matrix, in der Bewehrung, und im Verbund. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist, das Erstellen einer Simulationsumgebung für eine einfache Umsetzung der Anwendung der Finiten Elemente Methode bei der Modellierung von zementbasierten Kompositen. Dies beinhaltet besonders die Modellierung des Risswachstums auf Mesoebene. In Betracht gezogene Versagensarten auf der Mesoebene waren hierbei ein schrittweises Auflösen des Verbunds zwischen Garn und Zementmatrix, ein Sprödriss der Zementmatrix sowie ein Versagen des Garns. Die benutzten Modelle benötigen effektive Verbundgesetze für Garne mit unregelmäßigem Verbund zur Zementmatrix, welche sich in adäquaten nichtlinearen Materialmodellen wiederspiegeln. Die Simulation des Risswachstums konzentriert sich auf Zonen mit komplexen Spannungszuständen, wie zum Beispiel Schubzonen oder komplexe Bauelemente. Diese Zonen zeichnen sich durch vorherrschende, interagierende, durch die Zugbewehrung überbrückte Risse aus. In dieser Situation ist das Öffnungs- und Gleitverhalten der Rissüberbrückungen von entschiedener Bedeutung für die Berechnung der endgültigen Bauwerksfestigkeit. Eine detaillierte Darstellung der Risse in der Zementmatrix ist daher notwendig und wurde erfolgreich mit der extended finite element method (XFEM) umgesetzt. Die genannten nummerischen Ansätze stellen, was Flexibilität und Erweiterbarkeit anbelangt, Anforderungen an die nummerischen Programme. Aus diesem Grund wurde in dieser Doktorarbeit besonderes Augenmerk auf die Ausgestaltung der Programme gelegt. Berücksichtigt wurden hierbei nicht nur die Bedürfnisse der Simulation, sondern auch die Anforderungen die sich aus der Anwendung als wissenschaftliches Werkzeug, im Bereich der Materialwissenschaften und der nummerischen Methoden ergeben. In diesem Zusammenhang wurde Wert auf die Anwendung moderner Ansätze, wie der objektorientierten Programmierung und die Nutzung von Skriptsprachen gelegt.

The application of composite materials as a building material has been constantly growing in popularity during the last decades. Composite materials combine several material components to allow for an optimal utilization of their favorable properties. The focus of this work is the modeling of the cementitious composites at the extit{meso-scale}. In particular, the motivation of the thesis is to model textile reinforced concrete, a new composite material combining a high-strength textile reinforcement with a fine grained concrete matrix. The existing models for concrete and composites are not directly applicable for textile reinforced concrete. This is due to the fact, that in comparison to other composite materials, except the cementitious matrix, the scales of heterogeneity of textile reinforced concrete include additionally the yarn cross-section, the scale of the bond imperfections as a result of the irregular penetration of the matrix into the yarn and the scale of the textile fabric mesh. As consequence, the damage localization process of textile reinforced concrete exhibits interactions between elementary failure mechanisms in the matrix, in the reinforcement and in the bond. The objective of this thesis is to provide the simulation environment for an easy implementation of the advanced applications of the finite element method required in the modeling of cementitious composites. This includes particularly the modeling of the crack development at meso-scale. The considered failure mechanisms on the meso-scale include debonding of the yarn from the matrix, the brittle cracking of the matrix, and yarn failure. The used models require effective bond laws for yarns with irregular bond to the concrete matrix reflected in appropriate non-linear material models. The simulation of the crack development is focused on zones with complex stress states, like shear zones or construction details characterized by dominant, interacting cracks bridged by the tensile reinforcement. In such situations, the state of the crack bridge in terms of its opening and sliding is crucial for the assessment of the ultimate structural strength. An explicit representation of the matrix crack is therefore inevitable and is effectively introduced using the extit{extended finite element method} (XFEM). The mentioned numerical techniques are setting requirements on the numerical framework in terms of flexibility and extensibility. Therefore, special attention in the thesis is given to the design of the framework, which has to take into account not only the requirements of the simulation but also the demands defined by its application as a scientific development tool in the fields of material science and numerical methods. In this context, the application of modern approaches like the object-oriented design and the utilization of scripting languages are emphasized.

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