Schädigungsmodelle

InfoCAD stellt die kontinuumsmechanischen Schädigungsmodelle nach De Vree und Mazars sowie das kombinierte elasto-plastische Schädigungsmodell nach Lubliner, Lee & Fenves bereit. Diese Materialmodelle ermöglichen die nichtlineare Simulation von Rissbildung, Schädigungsfortschritt und der damit verbundenen Steifigkeitsdegradation in Stahl- und Spannbetontragwerken.

Die Abbildung des vorgespannten Durchlaufträgers zeigt die berechnete Entwicklung der Schädigung bei zunehmender Belastung. Die Simulation bildet die lokale Rissinitiierung und die anschließende Ausbreitung der Schädigungszonen ab und erlaubt damit eine realitätsnahe Bewertung der Tragwerkssteifigkeit im gerissenen Zustand.

Am Beispiel des Torsionsbalkens wird die dreidimensionale Schädigungsentwicklung unter dominierender Torsionsbeanspruchung dargestellt. Die numerische Analyse reproduziert die charakteristische schräg verlaufende Rissstruktur, die sich infolge der Hauptzugspannungen im Bauteil ausbildet.

Die zeitliche Entwicklung der Schädigungsvariablen kann grafisch ausgewertet und als Animation der Laststeigerung dargestellt werden. Dadurch lassen sich Rissinitiierung, Rissausbreitung und die fortschreitende Steifigkeitsreduktion im Tragwerk detailliert nachvollziehen.

Basierend auf der experimentellen Versuchsreihe von Mehmel und Freitag ('Der Bauingenieur', 1967) wird  die abgebildete Stahlbetonkonsole mit den in InfoCAD implementierten Schädigungsmodellen nachberechnet.

Die Modellierung erfolgte mittels Tetraederelementen und Stabelementen für die Bewehrungsanordnung.

Die Materialparameter wurden in Anlehnung an die Publikation von Mehmel und Freitag gewählt.

Als Berechnungsmethode wurde das Bogenlängenverfahren verwendet. Dabei wurde die Last verschiebungsgesteuert aufgebracht.

In der Abbildung sind die bei Versuchsdurchführung fotografisch festgehaltenen Rissverläufe (hier nachgezeichnet) illustriert.

Vergleichbar mit den beim Experiment beobachteten Rissverläufen sind die numerisch ermittelten Schädigungsverteilungen dargestellt.

Die mit der Laststeigerung einhergehende Rissausbreitung bedingt in den schädigungsrelevanten Bereichen der Struktur eine entsprechende Zunahme der Spannungen in den Bewehrungsstäben.

Mit allen drei in InfoCAD implementierten Schädigungsmodellen wird die beim Experiment ermittelte Bruchlast sehr gut prognostiziert. Während beim Versuch eine Bruchlast von P_Br=93,3 Tonnen ermittelt wurde, werden numerisch Werte zwischen 883 kN und 962 kN berechnet (je nach Schädigungsmodell und Diskretisierung). Ein Abgleich von Last-Verformungskurven kann nicht erfolgen, da bei den Versuchen die Lasthistorie nicht aufgezeichnet wurde. Als Referenzlösungen dienen daher Simulationsergebnisse aus insgesamt vier verschiedenen Veröffentlichungen.