Numerisches Mehrebenen-Modell für Stahlfaserbeton: Von der Faser- zur Bauteilebene - Mehrstufige Validierung anhand einer experimentellen Studie an hochfestem Faserbeton

Im Beitrag wird die Prognosefähigkeit eines numerischen Mehrebenen-Modells für stahlfaserverstärkte Betonstrukturen aus hochfestem Beton anhand einer die Faser- und die Strukturebene umfassenden Testserie systematisch untersucht. Die experimentelle Studie umfasst Auszugsversuche an Dramix 3D 55/60 und 65/60 Fasern in hochfestem Beton mit unterschiedlichen Einbettungslängen und Neigungen zur Rissfläche auf der Mesoskala sowie Dreipunkt-Biegezugversuche an gekerbten Balken mit drei stark unterschiedlichen Fasergehalten zur Abbildung des Strukturverhaltens. Das numerische Modell ist derart konzipiert, dass es die direkte Verfolgung des Einflusses der Entwurfsparameter wie Faserart, Faserorientierung, Fasergehalt und Betonfestigkeit auf die Strukturantwort ermöglicht. Hierzu werden Submodelle auf der Ebene der Einzelfaser zu Rissüberbrückungsmodellen in Abhängigkeit von Faserorientierung und Fasergehalt zusammengeführt und zum Zwecke numerischer Strukturanalysen in ein Finite-Elemente-Modell integriert. Die Validierung der Modelle für endverankerte Stahlfasern zeigt, dass die wesentlichen Interaktionsmechanismen zwischen Faser und hochfestem Beton für alle untersuchten Fälle (Faserorientierung, Einbettungslängen) wirklichkeitsnah abgebildet werden. Auf der Strukturebene zeigen die Ergebnisse der numerischen Simulationen auf Basis des Faserbetonmodells eine sehr gute Übereinstimmung für alle Fasergehalte, sowohl was die maximale Last als auch das Nachbruchverhalten betrifft.

study on high-strength concrete
The contribution systematically examines the predictive capability of a numerical multi-level model for steel fiber reinforced concrete made of high-strength concrete by means of test series performed on the fiber as well as the structure level. The experimental study comprises pull-out tests of Dramix 3D fibers in high-strength concrete with different embedment lengths and inclinations to the crack surface as well as three-point bending tests on notched beams with three significantly different fiber contents. The numerical model is designed to directly track the influence of design parameters such as fiber type, fiber orientation, fiber content and concrete strength on the structural response. For this purpose, submodels on the single fiber level are combined into a crack bridging model, considering the fiber orientation and the fiber content, and are integrated into a finite element model for the purpose of numerical structural analysis. The validation of the models for hooked-end steel fibers shows that the interaction mechanisms between fiber and high-strength concrete are realistically captured for all investigated cases (fiber inclinations, embedment lengths). On the structural level, the load-displacement diagrams from the numerical simulations show a good agreement of the peak load as well as the post-peak behavior for all fiber contents.