Benutzerdefiniertes Materialmodell für stahlfaserverstärkten Beton (SFRC)

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Ein neues benutzerdefiniertes Materialmodell für stahlfaserverstärkten Beton wurde als Benutzer-Materialgesetz in der Simulationssoftware ANSYS entwickelt. Das Materialmodell hat die Form des hyperbolischen Drucker-Prager-Fließkriteriums. Das Verhalten von stahlfaserverstärktem Beton unter Spannung wird durch eine trilineare Erweichungsfunktion dargestellt. Das Materialmodell berücksichtigt die Wärmeabhängigkeit.

Die Ergebnisse des Entwicklungsprozesses, einschließlich der Kalibrierung mit realen Daten, wurden in veröffentlicht:

European Journal of Wood and Wood Products

European Journal of Wood and Wood Products
Holz als Roh- und Werkstoff
ISSN 0018-3768

Artikel Zitierung: Ekr, J., Caldova, E., Vymlatil, P. et al. Timber steel-fibre-reinforced concrete floor slabs subjected to fire. „Bodenplatten aus stahlfaserverstärktem Holzbeton, die einem Brand ausgesetzt sind.“ Eur. J. Wood Prod. 76, 201–212 (2018). https://doi.org/10.1007/s00107-017-1221-8

Die betrachteten Messungen wurden in Zusammenarbeit mit der Tschechischen Technischen Universität in Prag (CVUT) durchgeführt.

Begründung

In bestimmten Fällen kann der übliche Stahlbeton durch eine Stahlfaserbetonmischung (SFRC) ersetzt werden. Diese innovative Strukturmischung mit spezifischen Festbetoneigenschaften wurde entwickelt, um die Plattendicke zu reduzieren, und bietet mehrere Vorteile. So zeigen beispielsweise experimentelle und theoretische Studien, dass das Vorhandensein von Stahlfasern die Bruchdehnung erhöhen und die Duktilität von faserverstärkten Betonelementen verbessern kan

Stahlfaserverstärkter Beton

Um die Strukturen mit SFRC-Betongemisch simulieren zu können, wurde ein spezielles Materialmodell als Anwender-Materialgesetz in der Simulationssoftware ANSYS entwickelt.

Theorie

Ein neues Materialmodell für SFRC wurde als Anwender-Materialgesetz in der Simulationssoftware ANSYS entwickelt. Das Materialmodell hat die Form des hyperbolischen Drucker-Prager-Fließkriteriums.

wobei σ ein Spannungstensor, α der Druckempfindlichkeitskoeffizient, I1 die erste Invariante des Spannungstensors, a ein Materialparameter, J2 die zweite Invariante des Spannungsabweichungstensors und σy die einachsige Fließspannung ist. Die Materialeigenschaften a und sy können aus der einachsigen Druckfestigkeit fc und der Zugfestigkeit ft wie folgt berechnet werden

Für die Integration der konstitutiven Beziehungen wird die numerische Closest-Point-Projection-Methode als Return-Mapping-Algorithmus verwendet. Es wurden Verbesserungen für die numerische Stabilität vorgenommen. Der Algorithmus wurde in der Programmiersprache C++ geschrieben und mit ANSYS User Programmable Features (UPFs) integriert.

Die Erweichungsfunktion ist trilinear und kann mit drei einachsigen Fließspannungen σy,0, σy,1, σy,2 und drei äquivalenten plastischen Dehnungen εpl,eqv,1, εpl,eqv,2, εpl,eqv,3 bestimmt werden

Softing-Funktion

Ein Vorteil des hier vorgeschlagenen Materialmodells im Vergleich zu dem in der Vorstudie verwendeten ANSYS Microplane Materialmodell (ANSYS Simulationssoftware 2017) liegt in der fortschrittlichen Darstellung des Verhaltens von SFRC unter Spannung.

Kalibrierung

Um die notwendigen Daten für die Kalibrierung des SFRC-Materialmodells zu erhalten, wurden Materialtests durchgeführt. Die mittleren Materialeigenschaften für das Drucker-Prager-Materialmodell wurden auf der Grundlage der Ergebnisse der Vierpunkt-Biegeversuche bei Raumtemperatur (20 ◦C) und bei erhöhten Temperaturen (500 und 600 ◦C) ermittelt. Drei Vier-Punkt-Biegeversuche wurden bei Raumtemperatur und sechs Vier-Punkt-Biegeversuche bei erhöhten Temperaturen durchgeführt. Das Versuchsprogramm wurde später um drei weitere Tests bei Raumtemperatur erweitert. Die Kraft-Durchbiegungs-Kurven wurden als Durchschnitt der Kurven aus den Messungen angepasst.

Kalibrierung der Materialeigenschaften bei Umgebungstemperatur (20 °C)
Kalibrierung der Materialeigenschaften bei erhöhter Temperatur (500 °C)
Kalibrierung der Materialeigenschaften bei erhöhter Temperatur (600 °C)

Referenz & Anwendung

Das Materialmodell wurde für die Analyse der brandbeanspruchten Holz-Stahlfaser-Beton-Deckenplatten angewendet. Es wurden sowohl Experimente im realen Maßstab als auch numerische Simulationen mit dem neu entwickelten SFRC-Materialmodell für ANSYS durchgeführt.

Experiment
Simulation