Bestimmung und Validierung von Materialparametern für die nichtlineare Modellierung von Beton

In diesem Beitrag wird gezeigt, dass mit den in der weit verbreiteten Software ANSYS Mechanical standardmassig implementierten Materialmodellen das Tragverhalten von Beton- und Stahlbetonbalken zutreffend simuliert werden kann. Die notwendigen Materialparameter lassen sich mithilfe von Laborversuchen ermitteln. An Betonzylindern sind dies Versuche zur Bestimmung der Druck- und Spaltzugfestigkeit sowie des Elastizitatsmoduls. Die Bruchenergie wird an gekerbten Balken ermittelt. Dieser Versuch wird anschliessend mit dem Drucker-Prager-Modell in Kombination mit Rankine-Fliessflachen und exponentieller Entfestigung nachgebildet. Bei Verwendung der experimentell ermittelten Materialparameter stimmt das berechnete Last-Verformungs-Verhalten gut mit den Messkurven uberein. Eine Vergleichsrechnung mit normativ vorgeschlagenen Parametern uberschatzt die Bruchenergie und somit die Traglast der Prufkorper. Anschliessend wird das numerische Modell anhand von Stahlbetonbalkenversuchen validiert. Das Modell mit den experimentell ermittelten Materialparamatern kann das Tragverhalten der Prufkorper gut abbilden, jedoch wird auch deutlich, dass eine geeignete Modellierung des Verbundverhaltens wichtig ist. In diesem Fall wird das Tragverhalten der Balken mit Federelementen zwischen Beton- und Bewehrungsknoten am besten beschrieben. Ferner wird gezeigt, dass die Verwendung von reduziert bzw. voll integrierten Elementen einen grossen Einfluss auf das simulierte Entfestigungsverhalten von Beton haben kann. Determination and validation of material parameters for the non-linear modelling of concreteThis article shows that the load-bearing behavior of concrete and reinforced concrete beams can be successfully simulated using the material models included by default in the widely used ANSYS Mechanical software. The necessary material parameters are determined using laboratory tests. These are tests on concrete cylinders to determine the compressive and tensile strength as well as the modulus of elasticity. The fracture energy is determined on notched beams. This test is then simulated using the Drucker-Prager model in combination with Rankine yield surfaces and exponential softening. The calculated load-deformation behavior matches the test curves well when using the experimentally determined material parameters. A comparative calculation with normatively proposed parameters overestimates the fracture energy and thus the load-bearing capacity of the test specimens. The numerical model is then validated using reinforced concrete beam tests. The model with the experimentally determined material parameters can reproduce the load-bearing behavior of the test specimens well, but it also becomes clear that appropriate modeling of the bond behavior is important. In this case, the load-bearing behavior of the beams with spring elements between concrete and reinforcement nodes is best described. Furthermore, it is shown that the use of reduced or fully integrated elements can have a major influence on the simulated softening behavior of concrete.