Der Schutz gefährdeter baulicher Strukturen gewinnt seit einigen Jahren an Bedeutung, da extreme Einwirkungen infolge von Unfällen, Naturkatastrophen und durch Sabotage vermehrt auftreten, die massive Schädigungen an diesen Bauwerken hervorrufen können. Das Verbundprojekt Beton unter hohen Belastungsgeschwindigkeiten widmete sich der Analyse des Widerstandsverhaltens von Betonstrukturen gegen solche Beanspruchungen. Ein besonderer Fokus wurde dabei auf Bauwerke nuklearer Anlagen und deren Schutz gelegt. Ziel des Teilprojekts 2 war die Verbesserung der Prognosefähigkeit numerischer Berechnungen für solche Belastungen. Ausgehend von einem mesomechanischen Modellansatz, der die zwei Phasen Zuschlag und Matrix berücksichtigt, wurde ein neues mesomechanisches Betonmodell entwickelt, das eine dritte Phase, die Grenzfläche zwischen Zuschlag und Matrix, berücksichtigt. Die Grenzfläche ist die schwächste Phase des Betons, von ihr geht sowohl unter statischer als auch unter dynamischer Belastung das Versagen aus. Mit Hilfe der am Institut seit einigen Jahren entwickelten Simulationsmethode MESOFEM wurde das Verhalten von Betonstrukturen unter extremer Belastung in hoher zeitlicher Auflösung und in drei Raumdimensionen berechnet. Hierzu wurde der bestehende Modellansatz für die Erfordernisse von Beton erweitert, so dass sowohl das Versagen der Grenzflächen als auch eine freie Rissausbreitung in der Matrix abgebildet werden können. Die Berechnungsergebnisse zeigen qualitativ ein den Experimenten sehr ähnliches Schädigungsbild. Zur Annäherung an die zu Projektbeginn noch weitgehend unbekannten, auf der Mesoskala bei dynamischer Belastung benötigten Materialparameter der drei Phasen wurde eine umfangreiche Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Durch den direkten Vergleich mit experimentellen makroskopischen Messergebnissen konnte ein Parameterbereich identifiziert werden, mit dem die Messergebnisse sehr gut reproduziert wurden. Zusätzlich zu den numerischen Untersuchungen wurde eine umfangreiche Charakterisierung des Betons und der drei Betonphasen durchgeführt. Neben der statischen Ermittlung von Steifigkeits- und Festigkeitsparametern wurden dazu die dynamischen Parameter Zugfestigkeit, Steifigkeit und Bruchenergie für hohe Verzerrungsraten mittels Spallationsversuchen am Hopkinson-Bar bestimmt. Ein besonderer Fokus wurde auf die Charakterisierung der Grenzfläche gelegt, hierzu liegen in der Literatur bislang nur sehr wenige Ergebnisse vor. Mit der Ermittlung von statischen und dynamischen Festigkeitseigenschaften wurde ein wichtiger Schritt für eine realistische Beschreibung der Grenzflächen getan, die Ergebnisse tragen wesentlich zur Verbesserung der Schädigungsprognose bei. Die im Projektverlauf erzielten experimentellen Ergebnisse flössen unmittelbar in die Modellierung auf der Mesoskala ein, so dass zum Projektende ein experimentell bestätigter Satz mesoskopischer Materialparameter für dynamische Zugbelastungen zur Verfügung stand. Abschließend wurde die Schädigung von Betonen bei Hohlladungsbeschuss als repräsentativer Belastungsfall sowohl experimentell als auch numerisch untersucht. Dabei konnten, über die Erkenntnisse zur Schädigung des Drei-Phasen- Systems Beton hinaus, der Einfluss der Betongüte sowie der Einfluss einer Stahlfaserbewehrung auf die auftretenden Schädigungsmechanismen herausgearbeitet werden.

The necessity of the protection of endangered building constructions has become more and more important within the last decade because of the increasing occurrence of extreme loading scenarios due to accidents, natural disasters and sabotage. These scenarios can cause massive damage on the structures. The joint project "Concrete under high strain rates" investigated the resistance of concrete structures against such loadings with a special focus on buildings of nuclear power plants. The goal of the sub-project 2 was the improvement in forecasting structural behavior with the help of numerical simulations calculating the structural behavior of concrete structures against extreme loadings. A new mesomechanical concrete model has been developed considering three phases of the heterogeneous concrete. The starting point was a numerical model which is based on a two-phase concrete considering aggregate and matrix. The third phase is the Interfacial Transition Zone (ITZ) between aggregate and matrix. The ITZ is the weakest phase in a concrete material. The failure under static and dynamic loading starts out from the ITZ. With the help of the finite element code MESOFEM, an in-house development of the institute, the behavior of concrete structures against extreme loadings was calculated in 3-D and in high time-resolution. For this, an existing model, developed for ceramic, has been adapted regarding the requirements for concrete. Beside the failure of the ITZ, the model was able to reproduce a free crack distribution in the matrix. In comparison to the experiments, the numerical results show a very similar damage qualitatively. An extended sensitivity-analysis has been carried out during the numerical tasks to quantify the mechanical properties of the 3 phases required for the new concrete model. The result was a parameter range, which was validated through macroscopic results from experimental analyses. Applying tis set of material data led to a good reproducibility of the experimental results for heterogeneous concrete structures. In addition to the numerical tasks, an extensive characterization of the concrete and its components (3 phases) has been carried out. Beside the determination of static properties (strength and stiffness), the dynamic properties such as the tensile strength, the Young's modulus and the fracture energy have been investigated for high strain rate loadings through spall experiments on the Hopkinson-Bar. Another focus was led on the characterization of the ITZ, since the literature contains only very little results. With the determination of the static and dynamic properties, an important step was taken regarding a realistic description of the ITZ resulting in an improvement of the numerical results and a better accuracy of forecasting. The experimental results determined in the project have been implemented into the modeling on the meso scale. At the end of the project, an experimentally validated set of mesoscopic material properties for the calculation of dynamic tensile loads was available. Finally, the damage of concrete against shaped charge penetration, an important loading case in the project context, has been investigated numerically and experimentally. The applicability of the improved set of mesoscopic material data in numerical calculation led to similar results compared to the experimenttal derived damage. Beside the influence of the concrete quality the influence of steel-fiber reinforcement on the damage behavior has been analyzed as well.