Modellierung und numerische Analyse des Faser-Matrix-Verbundes in UHPFRC unter Zugbeanspruchung
Ultrahochfester Faserbeton (UHPFRC) ist ein moderner und effizienter Verbundwerkstoff mit einer besonderen Leistungsfähigkeit und Robustheit. Bei überkritischen Fasergehalten erfährt das heterogene Werkstoffgefüge durch die Überbrückung von Rissprozesszonen mit Mikrofasern eine ausgeprägte Mehrfachrissbildung. Diese generiert eine verfestigende und duktilitätssteigernde Wirkung auf das Tragverhalten in zugbeanspruchten Querschnittsbereichen. An Verbundmechanismen orientiert beschreibt das entwickelte Materialmodell das lokale Verbundverhalten zwischen Faser und Matrix und erfasst das Spannungs-Deformations-Verhalten der Grenzschicht in Bezug auf Plastizität und Schädigung. In Verbindung mit um einen Algorithmus zur Kontaktfeststellung und Knotenzuordnung erweiterten Interface-Elementen wird das Auszugverhalten einer Mikrostahlfaser aus einer ultrahochfesten Feinkornbetonmatrix mit der Finite-Elemente-Methode dreidimensional analysiert. Dabei ist die Ablösung der Faser von der Matrix, die den irreversiblen Übergang zwischen starrem und verschieblichem Verbund darstellt, von besonderer Bedeutung für die Faserwirksamkeit und die Verbundermüdung. Das Verbundmodell unterscheidet querdruckunabhängige Verbundmechanismen wie Adhäsion, Mikroverzahnung und Mikro-Interlocking von querdruckinduzierter Haft- und Gleitreibung. Die numerische Simulation einer in eine ungerissene Matrix eingebetteten Einzelfaser zeigt die dehnungsbehindernde, versteifende Faserwirkung im starren Verbund, mit der eine Rissinitiierung im Bereich des Faserendes als Unstetigkeitsstelle sehr wahrscheinlich ist. Das Auszugverhalten ist von Geometrieparametern und vor allem von dem Dehnungsvermögen der Faser und der Verbundqualität abhängig. Numerische Simulationen von Einzelfaserauszugversuchen ermöglichen eine detaillierte Auswertung der maßgebenden Einflussfaktoren im Hinblick auf die Fasertragwirkung in gerissenem UHPFRC. Durch die irreversible Auflösung des starren Verbundes infolge zyklischer Beanspruchungen limitiert die Verbundermüdung das Potenzial von ultrahochfestem Faserbeton maßgeblich. Der Ermüdungsvorgang und seine Auswirkungen auf die Fasertragwirkung werden ausführlich analysiert, um abschließend Optimierungsmöglichkeiten und Kriterien zur Abschätzung der Tragreserven durch die Faserzugabe vorzustellen.
Ultra-high performance fibre-reinforced concrete (UHPFRC) is a modern and efficient composite with particular performance ability and robustness. With supercritical fibre contents the heterogeneous material structure experiences distinct multiple cracking by microfibres bridging fracture process zones. This multiple cracking generates a hardening and ductility enhancing effect on the load-bearing behaviour in areas subjected to tension. Orientated to bond mechanisms, the developed material model describes the local bond behaviour between fibre and matrix and captures the stress-deformation behaviour within the bond layer in terms of plasticity and damage. In association with interface elements being expanded by an algorithm about contact determination and node mapping, the pull-out behaviour of steel microfibres embedded in an ultra-high strength concrete matrix with fine aggregates is analysed three-dimensionally with the finite element method. Thereby, the debonding of the fibre from the matrix, which represents the irreversible transition between rigid and sliding bond, is a matter of particular importance for the load-bearing effect of fibre addition as well as bond fatigue. The bond model distinguishes bond mechanisms such an adhesion and micro-interlocking from bond mechanisms depending on normal pressure in the bond zone such as static and sliding friction. The numerical simulation of a single fibre embedded in an uncracked matrix displays the constraining and stiffening impact of rigidly bonded fibres causing crack initiation to occur likely beside the fibre end as a point of discontinuity. The pull-out behaviour depends on geometrical parameters and especially on the dilatability of the fibre together with the bond quality. Numerical simulations of single-fibre pull-out tests make a detailed evaluation of decisive influencing factors possible with respect to load-bearing effects of fibres in cracked UHPFRC. With the irreversible breakup of rigid bond caused by cyclic loading, bond fatigue limits the potential of ultra-high performance fibre reinforced concrete significantly. The fatigue process and its impacts on the load-bearing effect of fibres are thoroughly analysed to finally present possibilities for optimisation and criteria for the estimation of carrying reserves by the addition of fibres.
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