Numerische Simulation und Bemessung von Flächentragwerken aus Stahlfaserbeton sowie stahlfaserverstärktem Stahl- und Spannbeton

In der vorliegenden Arbeit wird ein physikalisch nichtlineares Finite-Elemente-Modell zur realitätsnahen Simulation des Tragverhaltens von Flächentragwerken aus Stahlfaserbeton sowie stahlfaserverstärktem Stahl- und Spannbeton unter quasi-statischen und monotonen Kurzzeitbelastungen entwickelt. Zur methodischen Entwicklung wird das Modell zunächst in drei Grundkomponenten - Lösungsverfahren, Material- und Strukturmodellierung - partitioniert, welche dann gezielt im Hinblick auf die spezifischen Anforderungen erarbeitet werden, die sich aus dem beabsichtigten Anwendungsbereich des Modells ableiten.Zur Bereitstellung eines geeigneten inkrementell iterativen Lösungsverfahrens werden einige der gängigsten Verfahren in eingehenden Untersuchungen auf ihre Eignung für die zu untersuchenden Stahlfaserbetonstrukturen hin geprüft, bewertet und mit geeigneten Kontrollparametern versehen.Die Basis der Materialmodellierung bildet ein bewährtes elasto-plastisches Kontinuumsmodell für Beton, welches im Zuge der Definition von Materialparametern und -funktionen auf die Beschreibung von Stahlfaserbeton erweitert wird. Diese Erweiterung basiert auf einer detaillierten Analyse der Eigenschaften des Basismodells in Verbindung mit der Auswertung experimenteller Daten sowie der Anwendung mechanisch begründeter Formulierungen des spezifischen Materialverhaltens von Stahlfaserbeton. Besonderes Augenmerk ist auf die Modellierung der Rissbildung gelegt. Ausgehend vom Prinzip der verschmierten Rissmodellierung wird ein effektives und zugleich praxistaugliches, bruchenergiebasiertes Regularisierungskonzept aufgestellt. Es basiert auf umfangreichen eigenen theoretischen Betrachtungen sowie gezielten numerischen Untersuchungen. Die Adaption eines zusätzlichen, uniaxial formulierten elasto-plastischen Materialmodells für Betonstahl- oder Spannstahlbewehrung erweitert die Anwendungsmöglichkeiten des Finite-Elemente-Modells nochmals.Auf der Grundlage numerischer Studien erfolgt schließlich die Auswahl geeigneter Finiter Elemente für die Diskretisierung der Stahlfaserbetonstrukturen sowie die Ermittlung einer darauf abgestimmten Diskretisierung und Integration der Materialgleichungen über die Bauteildicke. Zudem werden Möglichkeiten aufgezeigt, um in Verbindung mit dem Materialmodell typische herstellungsbedingte Besonderheiten wie anisotrope Faserorientierung und Faserverteilung zu erfassen.Die bis dahin nur über Detailanalysen validierten Grundkomponenten des Finite-Elemente-Modells werden sodann für die Nachrechnung ausgewählter, experimentell untersuchter Strukturprobleme zusammengeführt. Letztere umfassen neben kleinformatigen Probekörpern auch praxisrelevante Bodenplatten- und Deckensysteme im realen Bauteilmaßstab. Vergleiche von numerischen und experimentellen Ergebnissen in Form von Last-Verformungs-Kurven, Rissentwicklungen und Auflagerkräften zeigen gute Übereinstimmungen und belegen so die Eignung des Modells das komplexe, von Rissbildung und Lastumlagerungen geprägte Trag- und Verformungsverhalten der Strukturen realitätsnah wiederzugeben.Abschließend werden verschiedene Anwendungsmöglichkeiten des entwickelten Finite-Elemente-Modells aufgezeigt. Dabei werden sowohl wissenschaftliche als auch praxisrelevante Interessensfelder bedient. Eine wirtschaftlich interessante Anwendung ergibt sich aus der Möglichkeit das entwickelte Modell direkt in das Nachweiskonzept aktueller Regelwerke zu integrieren und somit für eine Bemessung unter Berücksichtigung vorhandener Lastumlagerungsmöglichkeiten zu nutzen. Des Weiteren kann das Modell effektiv als Ergänzung oder (Teil-)Ersatz experimenteller Großversuche eingesetzt werden, um bspw. die Versuchsplanung zu optimieren oder vertiefte Kenntnisse des Tragverhaltens zu gewinnen.