Adaptive heterogeneous multiscale models for the nonlinear simulation of concrete

Eckardt, Stefan

The nonlinear behavior of concrete can be attributed to the propagation of microcracks within the heterogeneous internal material structure. In this thesis, a mesoscale model is developed which allows for the explicit simulation of these microcracks. Consequently, the actual physical phenomena causing the complex nonlinear macroscopic behavior of concrete can be represented using rather simple material formulations. On the mesoscale, the numerical model explicitly resolves the components of the internal material structure. For concrete, a three-phase model consisting of aggregates, mortar matrix and interfacial transition zone is proposed. Based on prescribed grading curves, an efficient algorithm for the generation of three-dimensional aggregate distributions using ellipsoids is presented. In the numerical model, tensile failure of the mortar matrix is described using a continuum damage approach. In order to reduce spurious mesh sensitivities, introduced by the softening behavior of the matrix material, nonlocal integral-type material formulations are applied. The propagation of cracks at the interface between aggregates and mortar matrix is represented in a discrete way using a cohesive crack approach. The iterative solution procedure is stabilized using a new path following constraint within the framework of load-displacement-constraint methods which allows for an efficient representation of snap-back phenomena. In several examples, the influence of the randomly generated heterogeneous material structure on the stochastic scatter of the results is analyzed. Furthermore, the ability of mesoscale models to represent size effects is investigated. Mesoscale simulations require the discretization of the internal material structure. Compared to simulations on the macroscale, the numerical effort and the memory demand increases dramatically. Due to the complexity of the numerical model, mesoscale simulations are, in general, limited to small specimens. In this thesis, an adaptive heterogeneous multiscale approach is presented which allows for the incorporation of mesoscale models within nonlinear simulations of concrete structures. In heterogeneous multiscale models, only critical regions, i.e. regions in which damage develops, are resolved on the mesoscale, whereas undamaged or sparsely damage regions are modeled on the macroscale. A crucial point in simulations with heterogeneous multiscale models is the coupling of sub-domains discretized on different length scales. The sub-domains differ not only in the size of the finite elements but also in the constitutive description. In this thesis, different methods for the coupling of non-matching discretizations - constraint equations, the mortar method and the arlequin method - are investigated and the application to heterogeneous multiscale models is presented. Another important point is the detection of critical regions. An adaptive solution procedure allowing the transfer of macroscale sub-domains to the mesoscale is proposed. In this context, several indicators which trigger the model adaptation are introduced. Finally, the application of the proposed adaptive heterogeneous multiscale approach in nonlinear simulations of concrete structures is presented.

Das nichtlineare Materialverhalten von Beton ist durch die Entwicklung von Mikrorissen innerhalb der heterogenen Materialstruktur gekennzeichnet. In dieser Arbeit wird ein Mesoskalenmodell entwickelt, welches die einzelnen Bestandteile der Materialstruktur explizit auflöst und somit die Simulation dieser Mikrorisse erlaubt. Dadurch können die wirklichen physikalischen Vorgänge, welche das komplexe nichtlineare Verhalten von Beton verursachen, durch relativ einfache Materialformulierungen abgebildet werden. Für Beton wird auf der Mesoskala ein 3-Phasenmodell vorgeschlagen, bestehend aus groben Zuschlägen, Mörtelmatrix und Übergangszone zwischen Zuschlag und Matrix. In diesem Zusammenhang wird ein effizienter Algorithmus vorgestellt, welcher ausgehend von einer gegebenen Sieblinie dreidimensionale Kornstrukturen mittels Ellipsoiden simuliert. Im Mesoskalenmodell wird das Zugversagen der Mörtelmatrix durch einen Kontinuumsansatz beschrieben. Um Netzabhängigkeiten, welche durch das Entfestigungsverhalten des Materials hervorgerufen werden, zu reduzieren, kommen nichtlokale Materialformulierungen zum Einsatz. Risse innerhalb der Übergangszone zwischen Zuschlag und Matrix werden, basierend auf einem kohäsiven Modell, mittels eines diskreten Rissansatzes abgebildet. Die Verwendung einer neuen Nebenbedingung innerhalb der Last-Verschiebungs-Zwangsmethode führt zu einer Stabilisierung des iterativen Lösungverfahrens, so dass eine effiziente Simulation von Snap-back Phänomenen möglich wird. Anhand von Beispielen wird gezeigt, dass Mesoskalenmodelle die stochastische Streuung von Ergebnissen und Maßstabseffekte abbilden können. Da auf der Mesoskala die Diskretisierung der inneren Materialstruktur erforderlich ist, steigt im Vergleich zu Simulationen auf der Makroskala der numerische Aufwand erheblich. Aufgrund der Komplexität des numerischen Modells sind Mesoskalensimulationen in der Regel auf kleine Probekörper beschränkt. In dieser Arbeit wird ein adaptiver heterogener Mehrskalenansatz vorgestellt, welcher die Verwendung von Mesoskalenmodellen in nichtlinearen Simulationen von Betonstrukturen erlaubt. In heterogenen Mehrskalenmodellen werden nur kritische Bereiche auf der Mesoskala aufgelöst, während ungeschädigte Bereiche auf der Makroskala abgebildet werden. Ein wichtiger Aspekt in Simulationen mit heterogenen Mehrskalenmodellen ist die Kopplung der auf unterschiedlichen Längenskalen diskretisierten Teilgebiete. Diese unterscheiden sich nicht nur in der Größe der finiten Elemente sondern auch in der Beschreibung des Materials. Verschiedene Methoden zur Kopplung nicht übereinstimmender Vernetzungen - Kopplungsgleichungen, die Mortar-Methode und die Arlequin-Methode - werden untersucht und ihre Anwendung in heterogenen Mehrskalenmodellen wird gezeigt. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Bestimmung kritischer Regionen. Eine adaptive Lösungsstrategie wird entwickelt, welche die Umwandlung von Makroskalengebieten auf die Mesoskala erlaubt. In diesem Zusammenhang werden Indikatoren vorgestellt, die eine Modellanpassung auslösen. Anhand nichtlinearer Simulationen von Betonstrukturen wird die Anwendung des vorgestellten adaptiven heterogenen Mehrskalenansatzes demonstriert.

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Eckardt, Stefan: Adaptive heterogeneous multiscale models for the nonlinear simulation of concrete. 2010.

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