Modellierung des Tragverhaltens von Stahlbeton mit der Diskrete Element Methode

Kaschube, Jan

doi:10.24355/dbbs.084-202410300747-0

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Modellierung des Tragverhaltens von Stahlbeton mit der Diskrete Element Methode

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Stahlbeton ist ein weitverbreiteter und vielseitiger Baustoff, welcher die Vorteile des Betons und der eingebetteten Stahlbewehrung vereint. Der wirtschaftliche Einsatz von Stahlbeton ist ohne Rissbildung nicht möglich. Bei geringer Rissbreite sind die auftretenden Risse unkritisch. Große Rissbreiten oder ungünstige Rissbilder können die Lebensdauer und Tragfähigkeit von Stahlbetonbauteilen jedoch erheblich reduzieren.

Das Tragverhalten von Stahlbeton wird in der vorliegenden Arbeit mit Hilfe der Diskrete Element Methode (DEM) beschrieben. Dieses numerische Verfahren erlaubt die Abbildung diskreter Risse. Aufgrund der Bedeutung der Stahlbetonstruktur für den Verbund und die Rissbildung erfolgt die Modellierung des Stahlbetons auf der Mesoebene. Der heterogene Aufbau des Betons auf dieser Größenskala wird durch zufällig verteilte Partikel mit variierenden Radien diskretisiert. Die Betonpartikel werden als Gesteinskörnung interpretiert. Der Zementstein ist indirekt über die Kontakte zwischen den Betonpartikeln berücksichtigt. Die Bewehrung wird mit ihrer räumlichen Ausdehnung berücksichtigt. In dieser Arbeit ist die Bewehrung durch glatte Zylinder und gerippte Rotationskörper beschrieben. Die Beschreibung der Materialeigenschaften und die Geometrie der Bewehrung sind dabei getrennt. Das Verhalten der Bewehrung wird mit Bewehrungspartikeln im Inneren eines Interface beschrieben. Das Interface repräsentiert die Oberfläche der Bewehrung. Grundsätzlich kann das Interface beliebig komplexe Geometrien abbilden. Die Verknüpfung mit den umgebenden Betonpartikeln erfolgt über virtuelle masselose Partikel. Dies erlaubt unter anderem die Untersuchung von Stahlbeton mit zufälliger Betonpartikelanordnung, ohne die aus der Betondiskretisierung resultierende kritische Zeitschrittweite weiter zu reduzieren.

Die Eignung des entwickelten Modells zur Abbildung des Verbunds und der daraus folgenden Tragwirkung wird an Auszieh- und Zugkörpern mit glatter Repräsentation der Bewehrung untersucht und mit experimentellen Untersuchungen verglichen. Darüber hinaus werden Stahlbetonbalken sowie Zugkörper mit gerippter Bewehrung simuliert und das Tragverhalten analysiert.

Reinforced concrete is a widely used and versatile building material that combines the advantages of concrete and the embedded steel reinforcement. The economical use of reinforced concrete is not possible without cracking. If the crack width is small, the cracks that occur are not critical. However, large crack widths or unfavorable crack patterns can significantly reduce the service life and load-bearing capacity of reinforced concrete members.

The load-bearing behavior of reinforced concrete is described in this paper using the Discrete Element Method (DEM). This numerical method allows the representation of discrete cracks. Due to the importance of the reinforced concrete structure for the bond and crack formation, the reinforced concrete is modeled on the meso-level. The heterogeneous structure of the concrete on this size scale is discretized by randomly distributed particles with varying radii. The concrete particles are interpreted as aggregates. The cement paste is considered indirectly through the contacts between the concrete particles. The reinforcement is considered with its spatial extent. In this work, the reinforcement is described by smooth cylinders and ribbed bodies of revolution. The description of the material properties and the geometry of the reinforcement are separated. The behavior of the reinforcement is described with reinforcement particles inside an interface. The interface represents the surface of the reinforcement. In principle, the interface can represent any complex geometry. The linkage to the surrounding concrete particles is carried out by virtual massless particles. This allows, among others, the investigation of reinforced concrete with a random concrete particle arrangement without further reducing the critical time step resulting from the concrete discretization.

The suitability of the developed model to represent the bond and the resulting load-bearing behavior is investigated on pull-out members and tension members with a smooth representation of the reinforcement and compared with experimental investigations. In addition, reinforced concrete beams and tension members with ribbed reinforcement are simulated and the load-bearing behavior is analyzed.