Mehrskalenmodell für Beton

Die Schädigung von Betonstrukturen durch chemische und/oder thermische Prozesse ist eine wesentliche Ursache für die Verkürzung der Lebensdauer von Gebäuden, Tunnels, Brücken, etc. Im Zuge chemischer Prozesse oder Phasenumwandlungen des Porenwassers (Gefrieren, Verdampfen) in den Kapillarporen des Betons kommt es zu einem rasanten Anstieg des Porendrucks, welcher die zuvor erwähnte Schädigung des Betons verursacht. Bei der Verdampfung des Porenwassers im Falle von Tunnelbränden, z. B., führen derartige Anstiege zu Abplatzungen an der Tunnelinnenschale. Schädigungsprozesse dieser Art können das Versagen der gesamten Struktur zur Folge haben. Im Rahmen des gegenständlichen Forschungsprojektes soll ein Berechnungsverfahren zur Abschätzung der Schädigung von Beton sowie der Tragfähigkeit von geschädigten Betonstrukturen entwickelt werden. Hierbei ist die realitätsnahe Beschreibung von Schädigungsprozessen zufolge chemischer und/oder thermischer Prozesse von zentraler Bedeutung. Ausgangspunkt für die Beschreibung des Verhaltens von Beton ist ein am Institut für Festigkeitslehre (IFF) der Technischen Universität Wien entwickeltes Materialmodell für Beton (FWF-P11337-ÖPY: "Numerical modeling of concrete under local, large triaxial pressure"). Die diesem Modell zugrundegelegte makroskopische Beschreibung des Betons erlaubt die Beschreibung des mechanischen Verhaltens von Beton. Zur Simulation chemischer Prozesse und Phasenumwandlungen im Beton ist diese Beschreibung jedoch nicht geeignet. Im Rahmen des gegenständlichen Forschungsprojektes soll die Modellierung von Beton auf mehrere Betrachtungsebenen ausgedehnt werden (Hydratebene, Zementmatrixebene, Aggregatebene). Eine derartige Vorgangsweise erlaubt die realitätsnahe Beschreibung chemischer Prozesse sowie Phasenumwandlungen auf der jeweiligen Entstehungsebene. Zur Übertragung von Informationen von Betrachtungsebenen zur Makroebene werden Homogenisierungsverfahren auf der Basis der Kontinuumsmikromechanik herangezogen. Somit können alle auf unteren Betrachtungsebenen gewonnenen Erkenntnisse in das bereits entwickelte makroskopische Materialmodell für Beton integriert werden. Die im Rahmen des TUWP18 Projektes "Einsatz numerischer Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Sicherheit im Tunnelbau" (ein durch den "Rat für Forschung und Technologieentwicklung" empfohlenes Projekt) bereitgestellten Mittel erlauben eine wesentliche Verbesserung der Infrastruktur im Labor des IFF im Jahr 2002 (Mittel für Personal werden im Rahmen des TUWP18 Projekts nicht zur Verfügung gestellt). Die neu geschaffene Infrastruktur soll im Zuge des gegenständlichen Forschungsprojektes intensiv genutzt werden. Theoretische Erkenntnisse werden kontinuierlich anhand geeigneter Experimente ergänzt und kontrolliert. Das zu entwickelnde Materialmodell für Beton erlaubt die Simulation von Frost/Tau-Zyklen, der Einwirkung von Feuer, chemischen Schwindens und anderer chemischer Prozesse. Im Rahmen des gegenständlichen Forschungsprojektes soll das Materialmodell zur Abschätzung der Stabilität oberflächennaher Tunnel unter Feuereinwirkung herangezogen werden.