Modellbildung

Modelle für die Zustandsänderung von Baustoffen

Wichtige Teilaufgaben des Life-Cycle-Engineering sind die Identifikation und die modellhafte Beschreibung der physikalischen und chemischen Prozesse, die auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen miteinander interagieren und die Alterung von Baustoffen und Bauwerken bewirken. Wesentlich ist auch die Unterscheidung in einleitungsspezifische Alterungsprozesse, wie z. B. die Änderung der Oberflächenbeschaffenheit, die das Eindringen von Stoffen in das Bauwerk steuert, und in wirkungsspezifische Alterungsprozesse, die die Tragfähigkeit der tragenden Bauteile beeinflussen und gegebenenfalls reduzieren.

Beton, Stahl oder Holz erfahren während ihrer Lebensdauer vergleichbare planmäßige und unplanmäßige Einwirkungen, die jedoch unterschiedliche Auswirkungen haben können. So diffundiert z. B. Kohlendioxid in Betonbauteile und bewirkt eine Karbonatisierung der oberflächennahen Schichten. Stahlbauwerke sind inert gegen Kohlendioxid. Besonders aggressive chemische Einwirkungen sind z. B. bei Abwasseraufbereitungsanlagen und Abwasserkanälen vorhanden und führen hier zu erhöhter Abnutzung und früher Schädigung der Bauwerksoberflächen, ohne dass die Tragfähigkeit zwangsläufig gefährdet wird.

Die in der Regel auf verschiedenen Raum- und Zeitskalen ablaufenden Prozesse sind miteinander verknüpft und beeinflussen sich gegenseitig. Auch die Art der Beanspruchung ist wesentlich. Wechselnde Anregungen führen zur Ermüdung eines Werkstoffs und zur Mikrorissbildung, z. B. bei Eisenbahnbrücken oder bei Windenergieanlagen, die unbeachtet katastrophale Folgen haben können. Sie müssen daher bereits beim Tragwerksentwurf und in ihrer Entwicklung berücksichtigt werden.

Mit den hier geplanten Arbeiten sollen die durch spezifizierte Einwirkungen initiierten Prozesse experimentell untersucht und mit Zustands- sowie Evolutionsgleichungen beschrieben werden, um die Alterung besonders von oberflächennahen Gebieten numerisch simulieren zu können. Die Prozesse sollen auf unterschiedlichen Modellierungsebenen beschrieben werden. Zum einen sind hochauflösende erkenntnisorientierte Modelle geplant, die die Mikromechanik und die Transporteigenschaften des Baustoffs auf mehreren Skalen erfassen, zum anderen sind makroskopisch phänomenologische Modelle vorgesehen, die die Prozesse im Rahmen der Kontinuumsmechanik verschmiert beschreiben.

Mit monolithisch oder partitioniert gekoppelten Modellen soll das Zusammenwirken von Mechanik, Thermodynamik und Chemie im Detail berücksichtigt werden, wenn z. B. die Porenstruktur von Beton oder Holz bei chemischem oder thermischem Angriff verändert wird und sich als Folge die Transport- und die mechanischen Eigenschaften des Baustoffs verändern. Hierzu eignen sich generell Mehrfeld- und Mehrskalenansätze, die mit voll aufgelöster Mikrostruktur, mit repräsentativen Volumenelementen oder mit FE2-Ansätzen arbeiten.

Auf Grundlage der Ergebnisse sollen Ingenieurmodelle für das Eindringverhalten von Stoffen in poröse Oberflächen sowie für die Degradation der Baustoffe entwickelt werden. Die Modelle werden anhand der Experimente validiert.

Dis-1: Dissertationsthemen aus dem Bereich "Modellbildung"

Dis-1.1) Chemisch-physikalische Degradation von Beton

(Prof. Dinkler, Prof. De Lorenzis)

Das Projekt ist mit folgenden Forschungsvorhaben vorläufig abgeschlossen:

  • Felix Ockelmann (Dissertation) - Diskrete Elemente Methoden zur Beschreibung heterogener Werkstoffe.
  • Christian Flack (Dissertation) - Mehrfeld-Modellierung von Beton mit diskreten Element Methoden.
  • Pietro Carrara (Post-Dok) - Untersuchung der Auswirkungen einer aggresiven Umgebung auf das Verhalten von Beton mittels Multiskalenanalyse.

Dis-1.2) Mesoskalen-Modellierung der Riss-induzierten Durchlässigkeit von Beton

(Prof. De Lorenzis)

Das Projekt ist mit der folgenden Dissertation vorläufig abgeschlossen:

  • Tuanny Cajuhy (Dissertation) - Risse in porösen Medien: Modellierung und Experimente.

Dis-1.3) Numerische Homogenisierung der Diffusivität der Zementmatrix in Beton

(Prof. De Lorenzis, Prof. Lowke, Prof. Krafczyk, Jun.-Prof. Geier)

Zur Bewertung der Dauerhaftigkeit des Betons in Zusammenhang mit Chloridionen-induzierter Korrosion der Stahlbewehrung spielt die Diffusivität der Zementmatrix eine wichtige Rolle. In diesem Projekt wird ein Modell entwickelt, welches die Chloridionen-Diffusivität der Zementmatrix durch numerische Homogenisierung beschreibt. Ein 3D Modell der Zementmatrix soll mithilfe von mikro-tomografischen experimentellen Untersuchungen mit Voxel-basierter Modellierung der Geometrie erzeugt werden, siehe z.B. [w.156]. Dabei werden sowohl die Heterogenität des Materials sowie seine Porosität betrachtet. Es ist insbesondere bedeutsam, dass die verschiedenen Phasen der Hydrationsprodukte (Calciumhydroxide, CSH-gel, Ettringite, uws.) unterschieden werden, da jede Phase verschiedene Diffusionseigenschaften besitzt und ihre Wechselwirkung mit den Chloriden eine noch offene Frage darstellt. Dies ist für die mikro-tomographischen Messungen eine besondere Herausforderung, sodass eventuell auch andere experimentelle Methoden als Ergänzung benötigt werden. Die Betrachtung der einzelnen Phasen würde es erlauben, die chemischen Reaktionen der Chloride mit Ettringit und anderen Phasen explizit zu modellieren. Thermische Effekte sind bei diesen Reaktionen nicht vernachlässigbar.

Darüber hinaus kann der Transport der Feuchtigkeit in den Fluid- und Dampfphasen im Porenraum mit der Lattice-Boltzmann-Methode beschrieben werden, siehe Dis-1.6. Die „effektive" Diffusivität wird durch numerische Simulation des Transports im aufgelösten Porenraum bestimmt. Nach Durchführung hochaufgelöster Simulationen für Proben mit unterschiedlichen Porositäten und Sättigungen können die (relative) Permeabilität und effektive Dispersion als Funktion der Porosität und der Sättigung in den Poren für homogenisierte Modelle auf der Meso- und Makroskala abgeleitet werden. Die Ergebnisse des Projektes können im Rahmen anderer Projekte als konstitutive Gleichungen für die Zementmatrix innerhalb einer Beschreibung des Betons auf der Mesoskala benutzt werden, siehe Dis-1.1.

Das gekoppelte 3D chemo-thermo-mechanische Modell wird mit der Finite-Element-Methode progammtechnisch so weiterentwickelt, dass ein effizientes und robustes numerisches Verfahren für die Strukturanalyse vorliegt. Insbesondere sind die Konvergenzeigenschaften des globalen Newton-Raphson Verfahrens für die iterative Lösung des gekoppelten Mehrfeld-Problems von Interesse, sowie alternativ die Effizienz von Staggered-Algorithmen für die schrittweise implizite Lösung des jeweiligen Einzelproblems.

Dis-1.4) Phasenfeld-Modellierung des Bruchs poröser Medien

(Prof. De Lorenzis)

Das Projekt ist mit der folgenden Dissertation vorläufig abgeschlossen:

  • Tuanny Cajuhy (Dissertation) - Risse in porösen Medien: Modellierung und Experimente.

Dis-1.5) Dimensionsanalyse und Simulation von Transportprozessen in Beton bei raumzeitlicher Skalierung

(Prof. Krafczyk, Prof. Lowke, Prof. De Lorenzis)

Bei der experimentellen Simulation der Altersbeständigkeit von Materialien werden Rahmenbedingungen geschaffen, die eine zeitrafferartige Verkürzung des Beobachtungszeitraumes bewirken sollen. Dies ist erforderlich, wenn der interessierende Zeitraum in der Regel 50 bis 100 Jahre oder mehr umfasst und mit Laboruntersuchungen nicht direkt beobachtet werden kann. Hierbei ist modelltheoretisch jedoch unklar, wie gut die Korrelation zwischen den Ergebnissen von Zeitrafferexperimenten und den Alterungsprozessen in der wirklichen Umgebung ist.

In diesem Forschungsvorhaben sollen daher die beteiligten Transport- und Reaktionsprozesse beim Eindringen von schädigenden Lösungen oder künstlich erhöhter Wärmebelastung durch Strahlung oder Wärmezufuhr in dimensionsloser Form mit den grundlegenden Transportgleichungen modelliert werden. Dies ermöglicht eine reduzierte Darstellung, die einen detaillierten Vergleich der dimensionslosen Kennzahlen (Peclet-Zahlen, Schmidt-Zahlen, Kapillarzahl, Rayleighzahl, Reaktionsraten u.a.) des „beschleunigten" experimentellen Setups mit denen realer Konfigurationen erlaubt. Dabei werden die entsprechenden Teilprozesse zum Teil linear skalieren, zum Teil jedoch nicht. Aus der Dimensionsanalyse können detaillierte Hinweise darauf gewonnen werden, für welche Teilprozesse die beschleunigten Alterungsexperimente verlässliche Prognosen zu liefern imstande sein werden und welche Aspekte des Alterungsprozesses mit erhöhten Unsicherheiten verbunden sind. Die analytischen Ergebnisse werden dann durch porenskalige und homogenisierte Transport- und Reaktionssimulationen an virtuellen Materialproben, die aus Tomographiedaten rekonstruiert werden, ergänzt.

Ziel der Untersuchungen ist die theoretische Absicherung oder Verbesserung von experimentellen setups zu künstlich beschleunigten Alterungsexperimenten.

Dis-1.6) Modellierung und Simulation reaktiver Strömungen auf der Porenskala

(Prof. Krafczyk, Prof. Lowke, Prof. De Lorenzis)

Das Projekt ist mit der folgenden Dissertation vorläufig abgeschlossen:

Dis-1.7) Schädigung von Stahl bei Überbeanspruchung

(Prof. Thiele, Prof. Dinkler)

Das Promotionsvorhaben wird zurzeit von Herrn Konrad Ritter bearbeitet. In der Nachfolge wird ein weiteres Promotionsvorhaben zurzeit von Herrn Anzhi Wang bearbeitet - neuer Titel: Lebensdauervorhersage von Stahlbauteilen unter High-Cycle-Fatigue mit Hilfe von flächiger Dehnungsmessung.

Dis-1.8) Zusammenwirken von Ermüdung und Korrosion bei Stahl

(Prof. Thiele, Prof. Dinkler, Prof. Kowalsky)

Korrosion und Materialermüdung von Stahlbauteilen entwickeln sich an der Oberfläche, wobei die beiden Prozesse nicht zwingend gemeinsam auftreten. Insbesondere bei historischen Brücken tritt an ermüdungsrelevanten Stellen gleichzeitig Korrosion auf, bedingt durch unzureichenden Korrosionsschutz und nicht ausreichende Wartung. An diesen Stellen muss zur Bewertung des Baustoffzustandes auch das Zusammenwirken der Prozesse beachtet werden, da infolge von Schädigungen im Stahlgefüge in Form von Mikrorissen das Eindringen von korrosionsfördernden Stoffen in das Gefüge möglich ist. Mit fortschreitender Korrosion vergrößert sich die geschädigte Zone bis erste Makrorisse entstehen und das Bauteil nicht mehr nutzbar ist. Umgekehrt kann die Oberfläche durch Korrosion so verändert werden, dass lokal eine unplanmäßige Kerbwirkung entsteht, die eine Initiierung von Mikrorissen zur Folge hat [w.111], [w.112], [w.113].

Ziel des Projektes ist die experimentelle Untersuchung der gekoppelten Prozesse und die Entwicklung entsprechender Werkstoffgleichungen, die für eine numerische Tragwerksanalyse eingesetzt werden können. Im Experiment soll das Ausmaß der Wechselwirkung untersucht und in der räumlichen und zeitlichen Entwicklung beschrieben werden. Hierbei unterliegen die Proben alternierend korrosionsfördernden Einwirkungen in einer Klimakammer und Ermüdungsbeanspruchungen, die einen Rissfortschritt zur Folge haben. Die Prozesse sollen mit einer entsprechend fein aufgelösten FEM-Diskretisierung numerisch untersucht werden. Hierfür stehen klassische Modelle für die Beschreibung der Schädigung von Baustahl zur Verfügung, die mit neu zu entwickelnden Werkstoffgleichungen für die Korrosion gekoppelt werden sollen. Das Modell für die Beschreibung der gekoppelten Prozesse soll numerisch erprobt und für Tragwerksanalysen aufbereitet werden.

Dis-1.9) Grenzflächencharakterisierung an Verklebungen zu Lignozellulose

(Prof. Kasal, Prof. Yan)

Für eine effektive Nutzung von Holz und anderen lignozellulosen Materialien werden Holzverbundwerkstoffe in der Regel mittels Verklebungen hergestellt. Die Qualität und Dauerhaftigkeit des hergestellten Verbundmaterials werden dabei entscheidend von der Festigkeit und Ausbildung der Grenzfläche zwischen Klebstoff und zu klebender Oberfläche bestimmt. Beide Parameter werden durch die Grenzflächeneigenschaften des mit Klebstoff zu benetzendem Materials bestimmt.

Hochfeste Fasern und Strukturen werden für die Verstärkung von Holzbauteilen selten eingesetzt, obwohl Laborexperimente und begrenzte Applikationen ein hohes Potenzial zeigen [w.167]. Die Dehnungsunterschiede an der Grenzfläche von Holz und Verstärkung, die aufgrund der Temperatur- und Feuchtegradienten sowie der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten entstehen, wurden bisher noch nicht untersucht. Solche Dehnungen sind unvermeidbar und können zu Rissbildung und potenziellem Versagen führen [w.168]. Die stochastischen Eigenschaften der physikalischen Einwirkungen kombiniert mit den stochastischen Materialeigenschaften verlangen nach experimentellen Untersuchungen, um die Sicherheit des verstärkten Holzes bestimmen zu können.

Ziel des Forschungsvorhabens ist, die lokalen Grenzflächeneigenschaften des Verbundes von Holz mit Carbon- bzw. Glasfaserwerkstoffen unter transienten Feuchtigkeitsbedingungen zu bestimmen und den Einfluss gezielter Modifikationen auf die Alterung zu identifizieren und zu beschreiben.

Für die Adhäsionskräfte wird in Abhängigkeit der experimentell zu variierenden Parameter ein mathematisches Modell entwickelt, um die Zusammenhänge funktional zu beschreiben. Das Modell wird die Hysterese der Sorptionsisotherme (load-history dependence) in Form von Evolutionsgleichungen phänomenologischer Materialmodelle erfassen. Die Modellparameter sollen mit Bayes'scher Identifikation ermittelt werden.

Dis-1.10) Mechanisches Verhalten von Verklebungen organischer Baustoffe in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen

(Prof. Kasal, Prof. Yan)

Für die effektive Nutzung von Holz und Naturfasern ist ihre Verwendung in Kombination mit weiteren Materialien wie Beton oder Glasfasern unumgänglich. Die Funktion und Dauerhaftigkeit der Verbundsysteme werden dabei von der Integrität der Grenzflächen und dem mechanischen Verhalten der angrenzenden Bereiche, der Interphasen, bestimmt. Um die Dauerhaftigkeit eines solchen Verbundes vorhersagen zu können, müssen in diesen Grenzbereichen sowohl die Interaktion der Materialien als auch das Verhalten in den Kombinationen als Funktionen variierender klimatischer Beanspruchungen untersucht werden.

Die Abhängigkeit der makroskopischen Eigenschaften der Naturfaser von der Feuchte ist bekannt und experimentell abgesichert. Die mikro-physikalischen Prozesse auf der Ebene der Zellwandschichten sind jedoch physikalisch und chemisch noch weitgehend unbekannt. Um auf das makroskopische Verhalten rückschließen zu können, ist es notwendig, die Mikroebene der
Verbundzone experimentell zu untersuchen und zu verstehen.

Ziel der Forschungsarbeit ist es, das physikalisch-chemische Verhalten der Grenzschichten im Verbund mit Holz bzw. Naturfasern - dies sind z.B. die Klebfugen - unter dem Einfluss verschiedener äußerer Einflüsse mit mikroskopischen Verfahren zu untersuchen und zu charakterisieren, wobei die Forschungsarbeiten in Dis-1.9 Vorleistung für das hier vorgeschlagene Vorhaben sind. In der Folge sollen deterministische und stochastische Modelle für die Beschreibung der Prozesse entwickelt werden.

Zunächst sollen die Komponenten (Zellulose, Hemizellulose, Lignin) und deren Interaktion mit Umgebungsparametern auf elementarer und molekularer Ebene getrennt untersucht werden. In einem zweiten Schritt werden komplexe lignozellulose Systeme untersucht. Die Untersuchung der geklebten Systeme (nicht modifizierte und modifizierte nach Dis-1.9) werden für monotone und zyklische Einwirkungen durchgeführt. Der Einfluss der Umweltfaktoren auf das mechanische Verhalten und die Dauerhaftigkeit (Temperatur, Feuchte, aggressive Flüssigkeiten) wird mit klassischen Methoden untersucht. Das mikromechanische Verhalten wird mittels CMT untersucht (Niemz et al. [w.98]). Der Einfluss von in Flüssigkeiten und Gasen vorhandenen Substanzen - wie z.B. Salz - auf die Eigenschaften der Zellenwände und Lumen sowie auf die Adhäsionskräfte ist bis heute nicht geklärt. Daher werden in diesem Teil des Projektes die Attraktionskräfte zwischen funktionalisierten Spitzen und Holzzellen unter Gasen und Flüssigkeiten (z.B. Salzwasser) untersucht. Die Verbesserung der Adhäsionseigenschaften ist mit einer Modifikation der Oberfläche möglich. Es ist vorgesehen, Holzfasern, Kohlefasern und Zellulosefasern mit einer säurehaltigen (z.B. Salpetersäure) und oxidativen (z.B. Ozon, Kaliumpermanganat) Behandlung (Chtourou et al. [w.93], Desimoni et al. [w.94]) zu beeinflussen. (Uner [w.96], Uner et al. [w.97]) dokumentieren das Potenzial für eine Verbesserung der Adhäsionswirkung.

Die experimentellen Ergebnisse werden für die Entwicklung analytischer Modelle verwendet. Mit den Modellen werden die Penetrationen des Polymers (Klebstoff) in das poröse Material (Holz, Naturfaser) und die Änderung der Eigenschaften der Übergangszone dargestellt. Die Identifikation der Koeffizienten der analytischen Modelle erfolgt mit Bayes´schen Verfahren.

Dis-1.11) Stochastische Multiskalen-Materialmodelle zur Alterung von Werkstoffen

(Prof. Matthies)

Das Projekt wurde von Frau Dr. Bojana Rosic als externe Postdoktorandin bearbeitet - neuer Titel: Stochastic multiscale analysis of nonlinear materials indlucing uncertainties.

Dis-1.12) Alterung von Naturfaserverstärktem Beton

(Prof. Kasal, Prof. Yan)

Seit mehreren Jahren werden Naturfasern (Holz, Textilien, Flachs, Hanf) als Bewehrung für Beton untersucht (Yan und Kasal [w.138], [w.139]). Die Anzahl der Veröffentlichungen wächst exponentiell, jedoch ist die praktische Anwendung noch zu realisieren. Kurzfristige Experimente zeigen, dass die Verstärkung von Betonbauteilen mit Naturfasertextilien grundsätzlich möglich ist [w.140]. Die langfristige Funktionsweise des Verbundes und irreversible Änderungen der Materialeigenschaften (Alterung) sind jedoch unbekannt [w.141], [w.142].

Die Vorarbeiten zeigen, dass die Zementpaste und die pH Umgebung die Grenzfläche der Faser- Zementpaste verändern können. Die chemischen Bedingungen (pH) und die Reaktionen bei Betonerhärtung sind bekannt und können in einem AFM (Atomkraftmikroskop) künstlich erzeugt werden. Ein Environmental-AFM (eAFM) mit spezieller Kammer steht zur Verfügung. Das eAFM ermöglicht das Einführen von Gas und/oder Flüssigkeit bei gleichzeitiger Änderung der Temperatur des Substrats. Dies wird uns ermöglichen, die Härtungsprozesse der Zementpaste experimentell zu untersuchen und die Adhäsionskräfte zu messen.

Problematisch ist die Streuung der chemischen Komposition des Holzes oder der Naturfaser generell. Hier wird die Hypothese formuliert, dass die Änderung (Alterung) der Adhäsionskräfte im Wesentlichen von den chemischen Parametern der Paste beeinflusst ist und dass die absoluten Verhältnisse zwischen Zellulose, Hemizellulose und Lignin nicht entscheidend sind. Diese Hypothese soll mit der Dissertation getestet werden. Es werden Modelle entwickelt, die auf der Basis der Reaktionskinetik die Alterung der Grenzflächen vorhersagen können, zumindest als Ergebnis der Hydratationsphasen während des Härtungsprozesses.

Dis-1.13) Viskoelastische Parameter von Holz und Naturfaserbaustoffen (Lignozellulose) in Bauapplikationen

(Prof. Kasal, Prof. Yan)

Die Dauerhaftigkeit von Holzbaustoffen wird bisher mit „Black-Box“ Ansätzen beschrieben, um langfristige Deformationen des Materials vorhersagen zu können. In der Regel werden vereinfachende empirische Modelle genutzt, die unterschiedliche rheologische Elemente nach Kelvin, Maxwell, Voigt u. a. kombinieren. Die Parameter der Modelle - wie z.B. Viskosität oder Compliance - werden wegen fehlender Experimente als deterministisch betrachtet. Reale Holzbaustoffe besitzen jedoch eine sehr heterogene Mikro-Struktur, die bei einer genauen Modellierung grundsätzliche Fragen aufwirft, die mit dem Promotionsvorhaben beantwortet werden sollen:

a) Holz besitzt eine große Streuung in der chemischen Zusammensetzung. Die Modelle haben die Streuung bisher vernachlässigt, sodass die Daten in der Praxis nicht anwendbar sind. Es ist daher notwendig, die Materialeigenschaften stochastisch zu beschreiben und die Streuung der Parameter zu definieren.

b) Wegen der OH-Gruppen sind Naturfasern hygroskopisch, sodass die Materialfeuchte und damit auch die Viskoelastizität von den Umgebungsbedingungen abhängen. Auch ist bekannt, dass die Kinetik der Adsorption und Desorption das Kriechverhalten von Holz verändert. Mit experimentellen Untersuchungen sollen die Prozesse quantifiziert und modelliert werden.

Naturfaserwerkstoffe sind Naturpolymere, welche Zellulose, Hemizellulose und Lignin beinhalten. Die letzten Jahre haben gezeigt, dass die analytischen Methoden, die bei synthetischen Polymeren eingesetzt werden, die Möglichkeit bieten auch Naturpolymere zu untersuchen. Oft werden die dynamisch-mechanische Thermoanalyse (DMTA) und die Zeit-Temperatur Superposition (Time-Temperature Superposition - TTS) eingesetzt, um das langfristige Verhalten des Holzes beschreiben zu können [w.137]. Da die Experimente die Feuchtigkeitsbedingungen realer Anwendungen reflektieren müssen, sollen DMTA-Methoden eingesetzt werden. Die Kontrolle der Heterogenität des Materials erfolgt mit einem Feuchtegenerator hoher Kapazität (6 kN). Ziele des Promotionsvorhabens sind, das zeitabhängige Verhalten des Holzes stochastisch zu beschreiben und die langfristige Performance von Holzbauteilen probabilistisch zu modellieren.

Dis-1.14) Modellierung der Einleitungsphase der Stahlkorrosion infolge Karbonatisierung und Chlorideintrag bei Betonen mit geringem Zementklinkergehalt

(Prof. Lowke, Prof. Dinkler, Prof. De Lorenzis)

Bereits heute sind in Bestandsbauwerken Betone mit klinkerreduzierten Zementen und/oder hohen Zusatzstoffgehalten zu finden. Zukünftig wird sich der Anteil von Betonen mit reduziertem Zementklinkergehalt deutlich erhöhen. Charakteristisch für solche Betone ist die veränderte chemische Zusammensetzung der Hydratationsprodukte sowie eine in der Regel sehr hohe Packungsdichte der Feststoffe. Bestehende Modelle für die Beschreibung des Eindringverhaltens und der Gefügebeeinflussung wurden hauptsächlich für Portlandzement-Betone entwickelt und sind auf solche Betone nicht übertragbar [w.169]. Wichtige Fortschritte wurden bei der Modellierung des Temperatureinflusses, der Ionenarten, der Ionenkonzentration sowie dem Feuchtezustand auf die Einleitungsphase der chloridbedingten Korrosion erzielt [w.171], [w.172]. Zudem sind grundlegende Zusammenhänge zum Einfluss der betontechnologischen Parameter auf die Transporteigenschaften und die Schädigung nicht hinreichend geklärt [w.169], [w.170].

Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Validierung neuer, chemisch-physikalisch begründeter Modelle zur Beschreibung der Transportvorgänge unter expliziter Berücksichtigung des veränderten Gefüges bei zementklinkerreduzierten Betonen. Die Modelle sollen die Grundlage für eine Lebensdauerbemessung entsprechender Bauwerke (Modellierung der Einleitungsphase vor dem Einsetzen der Stahlkorrosion) bilden. Ausgangspunkt ist die Hypothese, dass die Transporteigenschaften bei zementklinkerreduzierten Betonen neben der durch die infolge der hohen Zusatzstoffgehalte veränderten Porosität des Zementsteins in hohem Maße durch die Packungsdichte der Feststoffe (Tortuosität) sowie die veränderte chemische Zusammensetzung der Hydratationsprodukte (Alkalität, Chloridbindevermögen) bedingt werden [w.173].

Grundlage für die Modellentwicklung soll eine experimentell ermittelte Datenbasis sein, die die initiale Packungsdichte, den Hohlraumfüllungsgrad mit Hydratationsprodukten (Gel/Space-Ratio Ansatz), die chemische Zusammensetzung der Hydratationsprodukte (quantitative Röntgenbeugungsanalyse, TGA, ggf. weitere Methoden) und die ortsaufgelöste Gefügestruktur (Quecksilberdruckporosimetrie, Mikro Computertomographie, REM) für eine hohe Anzahl repräsentativer Stoffsysteme berücksichtigt. Hiermit soll die Kopplung mit dem Transport von stahlkorrosionsinduzierenden Medien (CO2, Chloride) sowie der durch chemische Prozesse ausgelösten Gefügeveränderung untersucht werden. Aufgrund der Vielzahl an Einflussparametern sollen die Zusammenhänge mittels Sensitivitätsanalysen analysiert und daraus Modellierungsansätze abgeleitet werden. Die Ansätze sind experimentell an weiteren Stoffsystemen auf Laborebene sowie anhand von Proben aus Bestandsbauwerken mit bekannter Einwirkungsgeschichte zu validieren. Die Daten und Modellansätze sollen auch dazu dienen, bestehende Simulationsmodelle zur 3D-Struktur des Zementsteins auf zementklinkerreduzierte Betone zu erweitern. Das Projekt baut auf den Erkenntnissen aus Dis-1.1, Dis-1.3 sowie Dis-1.5 auf.

Dis-1.15) Gekoppelte meso-makroskalige Modellierung von Mechanik und Transport in Betonbauteilen

(Prof. De Lorenzis, Prof. Lowke, Prof. Krafczyk, Jun.-Prof. Geier)

Der aktuelle Stand der Forschung zeigt, dass sich durch die mesoskalige Beschreibung von Beton neue Erkenntnisse bzgl. der Deformation und dem Transport sowie deren Wechselwirkung gewinnen lassen. In dem geplanten Promotionsvorhaben soll ein mesoskaliges Modell von Beton entwickelt werden. Die Geometrie wird mithilfe von mikro-tomographischen Untersuchungen erfasst, wobei Gesteinskörner, Poren und Matrix mit Segmentierungsalgorithmen aufgelöst werden. Die mechanischen Eigenschaften der einzelnen Phasen werden mit verschiedenen experimentellen Methoden (Biege-, Druck- sowie Mikroindentationsversuche) charakterisiert. Das mechanische Modell, welches das Materialverhalten der einzelnen Phasen einschließlich der Bruchmechanik beschreibt, wird mit der Finite-Element-Methode und einer voxelbasierten Vernetzung diskretisiert. Dabei sind geeignete Parallelisierungsmethoden erforderlich, um das resultierende nichtlineare Gleichungssystem mit hunderten Millionen Freiheitsgraden effizient zu lösen. Die numerische Simulation der Phänomene wird mit in-situ Versuchen im Mikro-Tomographen validiert. Das mesoskalige Modell wird dann um die Berücksichtigung von Transportphänomenen erweitert. Diese Transportmodellierung basiert auf leistungsfähigen Lattice-Boltzmann-Methoden, die für die Simulation des Transportes von Mehrkomponenten- und Mehrphasenfluiden auf General Purpose Graphics Processing Units (GPGPUs) implementiert werden. Der letzte Schritt ist die Kopplung der makroskopischen Beschreibung des Verhaltens von Betonbauteilen mit lokalen mesoskaligen Modellen. Für die makro-mesoskalige Kopplung müssen effiziente Algorithmen entwickelt und an geeigneten Beispielen validiert werden.

Dis-1.16) Wechselwirkung zwischen Transport- und Bruchphänomenen in porösen Medien einschließlich der Temperatureffekte und des nichtlinearen Materialverhaltens

(Prof. De Lorenzis, Prof. Krafczyk)

Die Dauerhaftigkeit von Beton sowie von anderen Baustoffen kann bewertet werden, indem die Materialien als poröse Medien modelliert werden. Bruchphänomene lassen sich im Rahmen der Kontinuumsmechanik am besten mit Phasenfeldmodellen beschreiben, wobei beliebig komplexe Rissgeometrien mit einem festen Netz analysiert werden können.

In einem Promotionsvorhaben der ersten Kohorte wurde ein Phasenfeldmodell für den Bruch poröser Medien theoretisch entwickelt und mithilfe von Finite-Element-Ansätzen numerisch implementiert. Das Modell umfasst das mechanische Feld, das Phasenfeld, und den Porendruck in der Fluidphase. In dem hier geplanten Fortsetzungsprojekt soll das bestehende Modell weiterentwickelt werden. Die Berücksichtigung von Temperatureffekten erfolgt mit der Energiebilanzgleichung und der thermischen Anteile in der Impuls- und Massenbilanz sowie der entsprechenden konstitutiven Gleichungen. Zum anderen muss das bestehende, linear elastische Materialmodell durch ein realistischeres, nichtlineares Materialmodell ersetzt werden, welches viskose und plastische Effekte sowie eine konstitutive Beschreibung des autogenen Schwinden in Zementmörtel beschreibt. Zuletzt soll das bestehende zweidimensionale Modell auf drei Dimensionen erweitert werden. Dies erfordert einerseits die Entwicklung  eines adaptiven lokalen Vernetzungsalgorithmus, der einen spezifischen, für die gekoppelten Felder geeigneten Fehlerindikator verwendet. Andererseits muss eine effiziente Parallelisierungsstrategie entwickelt und implementiert werden, die die besondere Struktur des algebraischen Gleichungssystems berücksichtigt, das aus der Finite-Element-Formulierung entsteht.

Dis-1.17) Gas-Kinetic-Scheme für thermisch kompressible Strömungen

(Prof. Krafczyk, Prof. Dinkler)

Das Projekt ist mit der folgenden Dissertation vorläufig abgeschlossen:

Dis-1.18) Ageing of solid wood in structural applications - effect of environmental parameters on wood and wood-environment interface

(Prof. Kasal, Prof. Yan)

Das Promotionsvorhaben wird zurzeit von Frau Juan Li bearbeitet.

Dis-1.19) Mesoskalen-Modellierung der Riss-induzierten Durchlässigkeit von Beton

(Prof. Lowke, Prof. Budelmann)

Das Promotionsvorhaben wird zurzeit von Frau Lena Mengel bearbeitet.

Dis-1.20) Simulation of the mesoscopic concrete behavior using the real geometry

(Prof. De Lorenzis, Prof. Kowalsky)

Das Promotionsvorhaben wurde von Frau Akanksha Mishra bearbeitet.

Dis-1.21) Ermüdungsverhalten von Schrauben großer Durchmesser unter Überbeanspruchung

(Prof. Thiele, Prof. De Lorenzis)

Das Promotionsvorhaben ist mit der Dissertation von Herrn Julian Unglaub vorläufig abgeschlossen.