Arbeitsbereich Festigkeitslehre und Baustatik

Die realitätsnahe Abbildung des Materialverhaltens von Beton in Finite- Elemente-Simulationen stellt auch heute noch eine große Herausforderung dar. Insbesondere die Regularisierung des entfestigenden Materialverhaltens, die eine Voraussetzung für objektive Berechnungsergebnisse darstellt, ist Gegenstand intensiver Forschung. Schädigungs-Plastizitäts-Modelle werden häufig für die Beschreibung des Materialverhaltens von Beton eingesetzt, da sie sowohl bleibende (plastische) Verzerrungen als auch die Degradation des elastischen Materialverhaltens treffend abzubilden vermögen.

In dieser Arbeit werden mittels Abaqus vier Benchmark-Beispiele untersucht, um verschiedene Schädigungs-Plastizitäts-Modelle für Beton zu untersuchen und zu vergleichen. Die gewählten Materialmodelle unterscheiden sich sowohl in ihren Formulierungen als auch in ihren Regularisierungsansätzen. Es wird dabei gezeigt, dass die Regularisierung mittels einer elementbezogenen Anpassung des entfestigenden Materialverhaltens anhand der Mode~I Bruchenergie und der charakteristischen Elementslänge zu einer pathologischen Abhängigkeit der gewonnenen Ergebnisse vom gewählten Element-Typ führt. Ferner wird gezeigt, dass diese Abhängigkeit durch über-nichtlokale Gradientenerweiterung der Schädingungs-Formulierung eines der verwendeten Materialmodelle gänzlich beseitigt werden kann.

Stabilitätsprobleme, deren Ursprung im nicht-assoziierten plastischen Potential der Plastizitäts-Formulierungen der verwendeten Materialmodelle vermutet wird, stellen neben den hohen rechentechnischen Anforderungen Defizite der Modelle dar und bieten ausreichend Motivation für die zukünftige Forschung.

The realistic representation of the material behavior of concrete in finite element simulations still poses a great challenge. In particular, the regularization of the softening material behavior, which is a requirement for objective results, is the subject of intense research. Damage plasticity models find widespread use for describing the material behavior of concrete. This is due to their ability to describe both inelastic (plastic) deformations and the degradation of elastic properties due to damage.

In the present work, four benchmark examples are analyzed using Abaqus to investigate and compare several damage plasticity models for concrete. These models differ in their formulations and their regularization schemes. It is thereby shown that the regularization of the softening behavior via the specific mode I fracture energy and an element-based characteristic length leads to results that are pathologically dependent on the employed type of finite element. It is further shown that over-nonlocal gradient enhancement of the damage part of one of the employed material models provides a remedy for this deficiency.