Numerical simulation of reinforced concrete and fibre reinforced concrete structures under high dynamic loadings

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Fragestellung, die Auswirkungen von Detonationseinwirkungen auf betonartige Strukturen zu untersuchen. Die mit geeigneten und zuverlässigen Werkstoffmodellen für den Stahlbeton und für den Stahlfaserbeton durchgeführten numerischen Simulationen sollen aufwendige und teure Versuche ergänzen und/oder ersetzen. Diese Modelle müssen in der Lage sein, die charakteristischen Merkmale der Wellenfortpflanzung im Werkstoff abbilden zu können. Die Werkstoffmodelle für den Stahlfaserbeton und für den Stahlbetonverbund wurden in dieser Arbeit neu entwickelt und in eine Hydrocode-Umgebung eingebettet. Stoffgesetze werden in der klassischen Theorie der Thermodynamik additiv in eine hydrostatische und eine deviatorische Komponente zerlegt. In dieser entkoppelten Darstellung lässt sich mit einer Zustandsgleichung das Kompressionsverhalten und mit einem Festigkeitsmodell das deviatorischen Materialverhalten beschreiben. Die Materialgleichungen wurden auf der Grundlage einer vollständig dreidimensionalen kontinuumsbasierten elasto-plastischen Schädigungstheorie hergeleitet. Die Stoffgesetze sind modular aufgebaut und berücksichtigen die Zunahme der Festigkeit in Abhängigkeit von der Verzerrungsrate, eine Beschreibung der Schädigung auf Basis des Materialplastifizierens und eine daraus resultierende Degradation der Steifigkeit und Festigkeit. Ergänzend wurden zur vollständigen Beschreibung des Stahlbetons die Materialparameter eines bestehenden Materialmodells für Metalle denen des Betonstahls nach DIN 488 angepasst.In this work, the effects of detonation loadings on concrete based structures are analysed. For accurate modelling, appropriate and reliable material models for reinforced concrete and fibre reinforced concrete are required for the numerical simulations which should complement and/or substitute experiments. These material models must have the ability to characterise the effects of wave propagations in heterogeneous materials. The material models for steel fibre reinforced concrete and reinforced concrete bond have been developed and implemented in a hydrocode. Due to the classical theory of thermodynamics, material laws are additively disparted into a hydrostatic component and a deviatoric component. In doing so, the material dependent constitutive equations are splitted in an equation of state for the compressive material behaviour, and, a strength model for the deviatoric material behaviour. The constitutive equations are affiliated on the basis of a fully three dimensional continuum based elastic-plastic damage theory. The new constitute equations are modularly formulated and consider the effects of strength increase due to strain-rates, a damage evolution due to material plasticising, and, consequentially a degradation of stiffness and strength. Additionally, the material parameters of the reinforcing steel according to the German code regulations DIN 488 have been evaluated and implemented in a known material law of metals