Detailergebnis zu DOK-Nr. 62469
Nummerische Simulationen der Bruchfestigkeit von funktionell kornabgestuften Betonbaustoffen (Orig. engl.: Numerical simulations of fracture resistance of functionally graded concrete materials)
| Autoren |
G. Paulino J. Roesler F. Evangelista |
|---|---|
| Sachgebiete |
9.3 Zement, Beton, Trass, Kalk 11.3 Betonstraßen |
Washington, D.C.: Transportation Research Board (TRB), 2009 (Transportation Research Record (TRB) H. 2113) S. 122-131, 7 B, 2 T, 37 Q
Das Konzept der gezielt kornabgestuften Zusammensetzung von Beton bezüglich spezieller und multipler Anwendungsarten (Verwendungszwecke) ist auf die Anordnung (Schichtung und Positionierung) unterschiedlicher Betonqualitäten anwendbar. Aus der Perspektive der Bruchmechanik untersucht diese Studie die Vorteile der Verwendung von funktional abgestuften Betonbaustoffen (functionally graded concrete materials, FGCM), nämlich von unbewehrtem (plain concrete, PC) und von faserverstärktem Beton (fiber-reinforced concrete, FRC) in zwei verschiedenen Lagen. Die Bruchenergie und die Resttragfähigkeit von zweischichtigen Betonbalken wurde mithilfe nummerischer Simulationen mit einem kohäsiven Zonenmodell (cohesive zone model, CZM) untersucht, das in ein Rahmensystem finiter Elemente implementiert wurde. Die benötigten Bruchparameter für die Definition des Zonenmodells wurden durch individuelle Bruchversuche mit unbewehrtem Beton ermittelt. Mit den nummerischen Simulationen wurden die Auswirkungen von Dicke und Lage der Schichten (ob auf der Ober- oder Unterseite des Balkens) bei zweilagigen Betonbalken analysiert. Eine Kosten-/Nutzenanalyse zeigt, dass der faserverstärkte Beton an der Unterseite bruchwirksamer (d. h. höhere Bruchenergie- und Resttragfähigkeitswerte bei niedrigeren Kosten) ist als an der Oberseite. Es gibt auch eine optimale Dicke für die faserverstärkte Schicht, in welcher der Nutzen an Bruchfestigkeit geringer wird, wenn man deren Dicke vergrößert. Die Verwendung des Zonenmodells zur Vorhersage des Bruchverhaltens von FCGM-Balken hat auch dessen Potenzial für die Quantifizierung der FCGM-Wirkungen auf die Bruchfestigkeit von Fahrbahnbefestigungen aus Beton aufgezeigt. Ergebnis ist, dass FCGM-Bauweisen die Rissentwicklung bei starren Fahrbahnbefestigungen reduzieren können. Trotz der Probleme bei der Bauausführung wegen der zweilagigen Bauweise ist der wirtschaftliche Vorteil und das Potenzial für besseres Fahrbahnverhalten ermutigend.