Mehrfeldmodellierung von Beton mit diskreten Element Methoden

Bauwerke aus Beton sind im Bauwesen weit verbreitet. Die Bauweise ist vergleichsweise kostengünstig und in der Regel durch eine hohe Dauerhaftigkeit und lange Nutzbarkeit gekennzeichnet. Die Umwelt­bedingungen sind je nach Einsatzzweck sehr variabel und müssen bereits beim Entwurf der Betonrezeptur berücksichtigt werden. Immer wieder kommt es dennoch zu Schäden an Betonbauwerken, die eine erhebliche Verkürzung der Lebensdauer zur Folge haben können. Die Erfassung und Bewertung der Schäden ist für eine Prognose der Restlebensdauer unerlässlich. In dieser Arbeit wird ein numerisches Modellierungskonzept auf Basis diskreter Elemente vorgestellt, welches den Beton auf der Mesoskala beschreibt. Die Prozesse auf dieser und den darunter liegenden Ebenen bestimmen maßgeblich die makroskopischen Eigenschaften. Das heterogene Gefüge wird mit Partikelpackungen unterschiedlicher Korngrößen­verteilungen beschrieben. Zur Reduzierung des numerischen Aufwandes wird der Zementstein über die Kontaktbedingungen berücksichtigt und nur die Gesteinskörnung explizit abgebildet. Neben dem mechanischen Verhalten sind auch thermische und chemische Einflüsse sowie deren Wechselwirkungen im Modell erfasst. Zu den höchsten thermischen Belastungen eines Bauteils zählt der Brandfall, dessen thermo-mechanische Auswirkungen mit dem Modell beschrieben werden können. Mögliche Betonabplatzungen infolge starker Temperaturgradienten werden über Bruchbedingungen erfasst. Der Wärmetransport erfolgt mit Hilfe thermischer Verbindungselemente zwischen einzelnen Partikeln. Die Eigenschaften des erhärteten Betons werden maßgeblich durch die Wahl der Zusammensetzung bestimmt. Die Hydratationsreaktionen der Zementsteinphasen sorgen für die Festigkeit und setzen eine hohe Menge an Wärmeenergie frei. Ein vereinfachendes Hydratationsmodell zeigt die chemisch-thermische Kopplung. Für die Beschreibung von Transportprozessen wird ein Poren-Netzwerk Modell verwendet, das auf der Basis einer radikalen VORONOI-Tesselation erstellt wird. Prozesszonen verknüpfen das Poren-Netzwerk mit dem Festkörpermodell und werden zur Berechnung beliebiger chemischer Reaktionen genutzt. Als Beispiel für die chemo-thermisch-mechani-sche Kopplung wird der Sulfatangriff gezeigt.