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Modellierung multiphysikalischer Prozesse mit diskreten Elementen

Das heterogene Gefüge von Beton kann mit Partikelpackungen unterschiedlicher Korngrößenverteilungen beschrieben werden. Hierfür wird die Diskrete Elemente Methode (DEM) verwendet, die zu den Partikelmethoden zählt. Die mechanischen Eigenschaften des Zementsteins werden in den Kontaktbedingungen berücksichtigt. Die einzelnen Kontakte werden mit Bruchkriterien auch für die Beschreibung von Bruchvorgängen genutzt.

Kontaktkonfiguration
Kontaktkonfiguration
Bruchvorgang
Simulation eines Druckversuchs

Für die Beschreibung von Transportprozessen im Beton wird auf Basis einer VORONOI-Tesselation ein Poren-Netzwerk erstellt, das eine direkte Kopplung einzelner Felder auf der Mikro- bzw. Mesoskala ermöglicht. Sowohl chemische als auch thermische Einflüsse und deren Auswirkungen auf die Lebensdauer können somit erfasst werden.

Berechnungsfelder
Berechnungsfelder und Kopplungen
Schema PNM DEM
Verknüpfung von DEM und PNM

Anwendungsbeispiel Sulfatangriff

Am Beispiel des Sulfatangriffs wird die chemisch-mechanische Kopplung in Kombination mit Transportprozessen gezeigt. Die Sulfationen bewirken die Zersetzung von C-S-H Phasen und die Bildung von Ettringit. Mit dem Poren-Netzwerk-Modell wird die Konzentration an Sulfationen im jeweiligen Porenpartikel bestimmt. Eine charakteristische Konzentrationsverteilung bei vollständiger Lagerung in der Lösung ist dargestellt. Die resultierende räumliche und zeitliche Entwicklung der Schädigung ist den nachfolgenden Bildern zu entnehmen. 

 

Sulfat PNM
Schnitt durch Poren Netzwerk
Sulfat Konzentrationsprofil
Konzentrationsprofile im Schnitt
Sulfat Reststeifigkeit
Reststeifigkeit der Kontakte nach Lagerung in Sulfatlösung
Dr.-Ing. Christian Flack
+49 531 391 - 3665
c.flack(at)tu-braunschweig.de

Publikationen

  • Mehrfeldmodellierung von Beton mit diskreten Element Methoden, Dissertation, TU Braunschweig, 2019
  • Flack, C. and Dinkler, D. (2019), Towards multifield discrete element modeling of concrete structures. Proc. Appl. Math. Mech., 19: e201900113. https://doi.org/10.1002/pamm.201900113
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