Modellbildung zur Simulation von Stahlfaserbeton unter hochdynamischer Belastung: Fid-Bau Portal

Modellbildung zur Simulation von Stahlfaserbeton unter hochdynamischer Belastung

Gebbeken, Norbert / Greulich, Stefan / Pietzsch, Achim / Hartmann, Thomas

In diesem Beitrag wurde der Aufbau eines neuen numerischen Modells für Stahlfaserbeton dargestellt. Die Schwerpunkte lagen dabei auf der empirischen Beschreibung der Abhängigkeit der Materialeigenschaften vom Stahlfasergehalt, die Umsetzung dieser Abhängigkeiten in ein numerisches Modell sowie die Entwicklung einer geeigneten Schädigungsbeschreibung. Die zusätzliche Berücksichtigung der Phänomenologie des hochdynamischen Materialverhaltens des Stahlfaserbetons, das sich zumindest teilweise von dem des reinen Betons unterscheidet, erlaubt dessen Anwendung im Bereich statischer als auch hochdynamischer Belastungen wie Kontaktdetonationen oder Impakt. Anhand von Vergleichen zwischen Experiment und Simulation konnte gezeigt werden, dass das Schädigungsverhalten von Stahlfaserbetonplatten mit unterschiedlichen Stahlfasergehalten bei Kontaktdetonation qualitativ und quantitativ relativ genau vorausgesagt werden kann. Aus den Studien ließen sich die Schädigungsabmessungen für die Kratertiefe, für die Abplatzungstiefe und für den Abplatzungsdurchmesser abbilden. Defizite liegen jedoch bei der Bestimmung des Kraterdurchmessers. Dies ist auf eine noch nicht hinreichende Abbildung der Oberflächenwellen zurückzuführen, deren Energie die Schädigung an der ladungszugewandten Seite erzeugt. Hier besteht weiterer Forschungsbedarf. Die durch die Longitudinal- und Transversalwellen hervorgerufenen physikalischen Schädigungen, insbesondere im Abplatzungsbereich, können hingegen sehr gut numerisch erfasst werden. Eine Vorhersage der geometrischen Schädigung ist allerdings bislang nur näherungsweise möglich. Mit der Bereitstellung des in diesem Beitrag beschriebenen Werkstoffmodells eröffnet sich ein breites Anwendungsspektrum für den Baustoff Stahlfaserbeton. Es ermöglicht Ingenieuren, die Auswirkungen hochdynamischer Belastungen auf Stahlfaserbetonstrukturen sowohl qualitativ als auch quantitativ zu beurteilen und dies bei der Bauteildimensionierung umzusetzen. So ist die Vorhersage der Schädigungsabmessungen für die Beurteilung der Resttragfähigkeit oder konstruktiver Maßnahmen im Abplatzungsbereich, wie beispielsweise der Rückverankerung einer Schutzwand durch Betondübel, von besonderer Bedeutung. Dabei ist die Anwendung des Modells nicht auf Stahlfaserbeton beschränkt, sondern kann, wie beschrieben, ebenso 'herkömmlichen' (Stahl-)Beton abbilden. Auch eine Anwendung auf hochfeste und ultrahochfeste (Stahl-) Faserbetone (bis 200 MPa einachsige Druckfestigkeit) ist grundsätzlich möglich. Da die konstitutiven Beziehungen jedoch anhand von Versuchen an normalfestem Beton entwickelt wurden, wären dazu noch weitere Experimentaldaten zur Anpassung der Parameter erforderlich