Andreas BRUGGER
Multiphysik-Modellierung von Beton: Methoden zur verbesserten Beschreibung der hygro-mechanischen Kopplung 2021
Abstract
The design and dimensioning of concrete structures require an adequate consideration of the material behavior of concrete in order to ensure efficiency and sustainability. In particular, for complex civil engineering structures shrinkage and creep are of great importance both at the early concrete age as well as with respect to the long-term behavior.
A promising method for the physically based modeling of the material behavior of concrete is the description of concrete based on the mechanics of porous materials. In this context, a multiphase system consisting of a solid structure with a branched pore system is considered. Within the framework of multiphase modeling, the multiphysical properties of concrete in terms of hygral, thermal, chemical, and mechanical phenomena can be described in a realistic manner. Thereby the evolution of the material properties due to the hardening of concrete is described in dependence of the chemical process of hydration. Shrinkage is modeled according to the underlying hygral mechanism and thus based on the capillary pressure. Creep is described on the basis of the theory of viscoelasticity.
In the present thesis, at first an evaluation of the model formulation corresponding to the state of research is presented. For this purpose, the data set of a comprehensive experimental program is considered, which consists of experimental observations for different physical properties of a selected concrete mixture. Thereby several shortcomings of the model are identified, which are related to the hygro-mechanical behavior of concrete. Subsequently, improved methods are developed on the basis of the comprehensive data set, in order to ensure a realistic description of the actual material behavior using a uniform model. Within this context, the corresponding model calibration procedure is also improved. These model enhancements allow (i) an improved description of autogenous shrinkage in the early concrete age by an enhanced consideration of the hygro-mechanical coupling, (ii) an improved description of the long-term behavior of shrinkage by decoupling the model formulation of shrinkage and viscous creep, as well as (iii) a consideration of the change in internal relative humidity upon external loading and the closely related phenomenon of load-induced shrinkage. Based on numerical simulations, it is shown that these improvements allow a uniform description of autogenous shrinkage and drying shrinkage as well as of basic creep and drying creep under compressive and tensile loads. As a result, the improved multiphase model allows a realistic description of the multiphysical material behavior of concrete.
Der Entwurf und die Bemessung von Betonbauwerken erfordern im Sinne der Effizienz und der Nachhaltigkeit eine adäquate Berücksichtigung des Materialverhaltens von Beton. Insbesondere für komplexe Ingenieurbauwerke sind Schwinden und Kriechen sowohl im jungen Betonalter als auch hinsichtlich des Langzeitverhaltens von großer Bedeutung.
Eine vielversprechende Methode zur physikalisch basierten Modellierung des Materialverhaltens von Beton ist die Beschreibung von Beton auf Grundlage der Mechanik poröser Materialien. Dabei wird ein Mehrphasensystem betrachtet, das aus einer festen Gefügestruktur mit einem verzweigten Porensystem besteht. Im Rahmen der Mehrphasenmodellierung können die multiphysikalischen Eigenschaften von Beton zufolge hygrischer, thermischer, chemischer und mechanischer Phänomene wirklichkeitsnah beschrieben werden. Dabei wird die Entwicklung der Materialeigenschaften zufolge der Erhärtung von Beton in Abhängigkeit vom chemischen Prozess der Hydratation beschrieben. Schwinden wird entsprechend des zugrunde liegenden hygrischen Mechanismus auf Grundlage der Kapillarspannungen modelliert. Kriechen wird gemäß der Viskoelastizitätstheorie beschrieben.
In der vorliegenden Arbeit wird zunächst die dem Stand der Forschung entsprechende Modellformulierung evaluiert. Dazu wird der Datensatz eines umfassenden Versuchsprogramms betrachtet, welcher experimentelle Beobachtungen für unterschiedliche physikalische Eigenschaften einer ausgewählten Betonmischung beinhaltet. Dabei werden verschiedene Schwächen der Modellierung identifiziert, die in Zusammenhang mit dem hygro-mechanischen Verhalten stehen. Anschließend werden auf Grundlage des umfassenden Versuchsdatensatzes verbesserte Methoden für eine einheitliche Modellierung und die zugehörige Modellkalibrierung entwickelt. Diese Modellerweiterungen erlauben (i) eine Verbesserung der Beschreibung für das autogene Schwinden im jungen Betonalter durch eine erweiterte Berücksichtigung der hygro-mechanischen Kopplung, (ii) eine Verbesserung der Beschreibung des Langzeitverhaltens von Schwinden durch eine Entkopplung der Modellformulierung von Schwinden und viskosem Kriechen, sowie (iii) eine Berücksichtigung der Änderung der Porenfeuchte bei Belastung und des damit in Zusammenhang stehenden lastinduzierten Schwindens. Anhand von numerischen Simulationen wird gezeigt, dass diese Verbesserungen insbesondere eine einheitliche Abbildung von autogenem Schwinden und Trocknungsschwinden sowie von Grundkriechen und Trocknungskriechen unter Druckbelastung und Zugbelastung erlauben. Insgesamt ermöglicht die Mehrphasenmodellierung damit eine wirklichkeitsnahe Beschreibung des multiphysikalischen Materialverhaltens von Beton.