Titelaufnahme

Titel
Simulation methods for durability assessment of concrete structures : multifield framework and strong discontinuity embedded approach / von Yiming Zhang
VerfasserZhang, Yiming
Begutachter / BegutachterinMang, Herbert
Erschienen2013
UmfangVI, 90 Bl. : Ill., zahlr. graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2013
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (GND)Betonbau / Langzeitverhalten / Stoffeigenschaft / Numerisches Modell / Finite-Elemente-Methode
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-65320 Persistent Identifier (URN)
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Simulation methods for durability assessment of concrete structures [2.69 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die Dauerhaftigkeit von Betonstrukturen steht in engem Zusammenhang mit (i) dem Massetransport im Zuge von thermischer Belastung und/oder chemischem Angriff und (ii) dem mechanischem Versagen durch Ermüdung oder Rissbildung. Generell sind Massetransport und mechanisches Versagen nicht unabhängig voneinander, wobei das Ausmaß der Wechselwirkung von den jeweiligen Zeit- und Längenmaßstäben abhängt. Simulationsmodelle zur Untersuchung der Dauerhaftigkeit von Betonstrukturen sollten diese Prozesse, aber auch deren Wechselwirkung, numerisch reproduzieren können. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines zuverlässigen numerischen Modells, basierend auf der Methode der finiten Elemente, mittels denen Dauerhaftigkeitsprobleme in Betonstrukturen simuliert werden können. Im Detail werden numerische Techniken für die Untersuchung von drei verschiedenen Dauerhaftigkeitsproblemen präsentiert: - Beton jungen Alters: Für Beton jungen Alters wird das Konzept der Mehrskalenmodellierung in ein Mehrphasenmodell zur Simulation von Transportprozessen implementiert, das den Wasser-Zement-Wert als Eingangsgröße erfordert und die zeitliche Veränderung der Materialparameter als Funktion des Hydratationsgrads berücksichtigt. Das präsentierte mikromechanik-basierte Mehrphasenmodell für Beton jungen Alters wird auf die Beurteilung des Rissrisikos von Betonstrukturen mit unterschiedlicher Dicke angewendet. - Beton unter Brandbelastung: Die Dehydratation in temperaturbelastetem Beton wird als Umkehr der Hydratation betrachtet. Dadurch wird die Beschreibung der zeitlichen Veränderung des Biot-Koeffizienten möglich. Für Simulationen brandbelasteter Bauteile wird ein axisymmetrisches Modell betrachtet, das flächige Bauteile wie Platten, Wände und Tunnelschalen repräsentiert. Das zugrunde gelegte Mehrphasenmodell wird zur Bestimmung des Abplatzrisikos von Betonstrukturen verwendet, wobei der Einfluss der Permeabilität und des Sättigungsgrades des Betons auf das Abplatzrisiko untersucht wird. III - Rissbildung: Die durch einen Riss induzierten Unstetigkeiten im Verschiebungsverlauf werden mittels des "strong discontinuity embedded approach" auf der Ebene der Finiten Elemente berücksichtigt, die sich wiederum durch quadratische Ansatzfunktionen, die für die Beschreibung von Transportprozessen erforderlich sind, auszeichnen. Für die Bestimmung der Rissausbreitung wird eine energie-basierte Methode vorgestellt, wodurch künstliche Versteifungseffekte ("locking") vermieden werden. Der präsentierte Ansatz wird anhand von Nachrechnungen eines Dreipunkt-Biegeversuchs, eines L-förmigen Bauteils und eines Bolzen-Ausziehversuchs validiert. Schlussendlich bilden das präsentierte Mehrskalenmodell und der Ansatz für die Beschreibung der Rissbildung die Basis für Simulationen, die Rissbildung und Massetransport sowie deren Wechselwirkung berücksichtigen. Das Potential der Kombination der entwickelten Ansätze ist anhand eines L-förmigen Bauteils illustriert, der sowohl mechanischer Belastung wie auch einer Gasdruckbelastung ausgesetzt ist.

Zusammenfassung (Englisch)

This thesis is the outcome of my research activities as a university researcher, first at the Institute for Mechanics of Materials and Structures (IMWS) of Vienna University of Technology (TUWien), and then at Material- Technology Innsbruck (MTI) of the University of Innsbruck (UIBK). It would have been an impossible task without the support of the following individuals and organizations. First of all, I want to thank my wife Qiong and my daughter Weina, who have always supported me during my doctoral studies. I would like to thank Prof. Herbert A. Mang whose knowledge, patience and enthusiasm in research have encouraged me to pursue my research career in Austria. I am very thankful to Dr. Matthias Zeiml, who always guided me in my research. His deep understanding of fire-loaded concrete, both experimentally and numerically, always inspired not only me but also our whole research group. I wish to thank Prof. Roman Lackner, who guided me from the macroscopic world to the microscopic universe. His knowledge in plasticity has helped me to pass the jungle of the strong discontinuity embedded approach (SDA) and stress locking, and to find the way to numerical analysis of fracture of concrete. Many thanks are due to Dr. Christian Pichler, who provided me with a code for multiscale homogenization of early-age concrete and explained the guidelines for working with this code. I am very grateful to my former colleagues Dr. Aram Amouzandeh and Dr. Thomas Ring of Vienna University of Technology, who shared a big office at the laboratory of IMWS with me for two years. I could always turn to them when I could not solve my problems. Special thanks go to Prof. Josef Eberhardsteiner and Associate Prof. Bernhard Pichler, who made me focus on my timetable and work efficiently. Regarding administrative support, I would like to thank: Mag. Martina Pöll, Ms. Gabriele Ostrowski, and Ms. Astrid Schuh from IMWS and Ms. Sabine Riml from MTI. I gratefully acknowledge financial support by the China Scholarship Coun- I cil and by the Austrian Ministry for Transport, Innovation and Technology (bm.vit) within the KIRAS-project (Austrian security research program) 813794 "Sicherheit von Hohlraumbauten unter Feuerlast" (-Safety of underground structures under fire loading-). Last, but not least, I appreciate the selfless help from the research group of MUMPS (MUltifrontal Massively Parallel sparse direct Solver), which allowed me to use their compute program for my work. Without their solver, all simulations would take at least five times longer.