7.7 Modellierung und Simulation
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Die Brücken im Netz der Bundesverkehrswege sind überwiegend in einem ausreichenden bis guten Zustand. Allerdings steigt der Unterhalts- und Sanierungsaufwand aufgrund des inzwischen hohen Alters vieler Brücken sowie des ständig wachsenden Schwerlastverkehrs. Techniken zur Einschätzung der verbleibenden Lebensdauer von Brücken sowie zur dauerhaften Beobachtung des Tragverhaltens bzw. des Erfolges von Sanierungsmaßnahmen werden daher für den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb dringend benötigt. Zur Evaluierung dafür geeigneter holistischer Ansätze wurde in der BAM das Projekt BLEIB - Bewertung, Lebensdauerprognose und Instandsetzung von Brückenbauwerken - ins Leben gerufen.
Ein zentrales Ergebnis des Projektes ist eine extern vorgespannte Stahlbetonbrücke als Zweifeldträger mit einer Gesamtlänge von 24 m, die für den Test verschiedenster Sensorsysteme, zur Validierung numerischer Modelle und zur Erprobung von Sanierungs- und Verstärkungsmaßnahmen entwickelt wurde. Für die Simulation unterschiedlicher Schädigungsgrade kann die Vorspannung der Brücke variiert werden. Die Brücke wird mit beweglichen Gewichten belastet und über einen Shaker zum Schwingen angeregt.
Das Brückenmodell wurde bewusst geschädigt, indem die Vorspannung der Struktur erstmalig schrittweise bis auf null reduziert wurde. Unter der Eigenlast verformte sich die Brücke, wodurch eine Rissbildung im Beton einsetzte. Die Zugspannung, die zuvor durch die Vorspannung aufgenommen wurde, übernahm Schritt für Schritt der Beton. Als die Zugspannungen die relativ geringe Zugfestigkeit des Betons überstiegen, begann dieser zu reißen und die schlaffe Bewehrung der Struktur nahm die Spannungen auf. Dieser Versuch wurde unter anderem von Schallemissionsmessungen begleitet. Der Rissbildungsprozess konnte damit, bei gleichzeitiger Aufzeichnung der Vorspannung, früh detektiert und die Risse geortet werden. Die Ergebnisse korrelieren gut mit den Ergebnissen der stereophotogrammetrischen Verformungsmessungen der Struktur.
Die Brücken im Netz der Bundesverkehrswege sind überwiegend in einem ausreichenden bis guten Zustand. Allerdings steigt der Unterhalts- und Sanierungsaufwand aufgrund des inzwischen hohen Alters vieler Brücken sowie des ständig wachsenden Schwerlastverkehrs. Techniken zur Einschätzung der verbleibenden Lebensdauer von Brücken sowie zur dauerhaften Beobachtung des Tragverhaltens bzw. des Erfolges von Sanierungsmaßnahmen werden daher für den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb dringend benötigt. Zur Evaluierung dafür
geeigneter holistischer Ansätze wurde in der BAM das Projekt BLEIB - Bewertung, Lebensdauerprognose und Instandsetzung von Brückenbauwerken - ins Leben gerufen.
Ein zentrales Ergebnis des Projektes ist eine extern vorgespannte Stahlbetonbrücke als Zweifeldträger mit einer Gesamtlänge von 24 m, die für den Test verschiedenster Sensorsysteme, zur Validierung numerischer Modelle und zur Erprobung von Sanierungs- und Verstärkungsmaßnahmen entwickelt wurde. Für die Simulation unterschiedlicher Schädigungsgrade kann die Vorspannung der Brücke variiert werden. Die Brücke wird mit beweglichen Gewichten belastet und über einen Shaker zum Schwingen angeregt.
Das Brückenmodell wurde bewusst geschädigt, indem die Vorspannung der Struktur erstmalig schrittweise bis auf null reduziert wurde. Unter der Eigenlast verformte sich die Brücke, wodurch eine Rissbildung im Beton einsetzte. Die Zugspannung, die zuvor durch die Vorspannung aufgenommen wurde, übernahm Schritt für Schritt der Beton. Als die Zugspannungen die relativ geringe Zugfestigkeit des Betons überstiegen, begann dieser zu reißen und die schlaffe Bewehrung der Struktur nahm die Spannungen auf. Dieser Versuch wurde unter anderem von Schallemissionsmessungen begleitet. Der Rissbildungsprozess konnte damit, bei gleichzeitiger Aufzeichnung der Vorspannung, früh detektiert und die Risse geortet werden. Die Ergebnisse korrelieren gut mit den Ergebnissen der stereophotogrammetrischen Verformungsmessungen der Struktur.
Die sprunghaft zunehmende Wichtigkeit von FAIR- und Open-Data für die Qualitätssicherung, aber auch für die Nachnutzbarkeit von Daten und den Erkenntnisfortschritt führt zu enormem Flandlungsbedarf in Forschung und Entwicklung. Damit verbunden laufen derzeit vielfältige, ambitionierte Aktionen, z. B. bezüglich der Erstellung von Ontologien und Wissensgraphen. Das Knowhow entwickelt sich rasant, die Ansätze zur Implementation entstehen in verschiedenen Fachwelten bzw. mit
unterschiedlichen Zielsetzungen parallel, so dass recht heterogene Herangehensweisen resultieren.
Diese Veröffentlichung fokussiert auf Arbeiten, die derzeit als möglichst ganzheitlicher Ansatz für Materialdaten im Rahmen der Digitalisierungsinitiative „Plattform MaterialDigital" vorangetrieben werden. Die Autoren bearbeiten baustoffbezogene Aspekte im Verbundprojekt „LeBeDigital - Lebenszyklus von Beton". Zielsetzung ist die digitale Beschreibung des Materialverhaltens von Beton über den kompletten Herstellungsprozess eines Fertigteils mit einer Integration von Daten und Modellen innerhalb eines Workflows zur probabilistischen Material- und Prozessoptimierung.
Es wird über die Vorgehensweise und die dabei gewonnenen Erfahrungen berichtet, nicht ohne den Blick auf die oft unterschätzte Komplexität der Thematik zu lenken.
Elastic waves in inhomogeneous meshes avoiding numerical artifacts
Elastic waves in solids resulting from damage processes, e.g. microcracking are used to monitor the integrity of structures. The numerical modelling of these acoustic Emission processes is hindered by the different scales involved. Crack opening is a fast process and the size of the damaged zone is small, leading to small time steps and fine meshes in a numerical finite element simulation. On the other hand the relevant wave Propagation takes place on a much larger spatial scale, e.g covering the distance between Emission source and sensor.
To avoid numerical oscillations, the mesh size at the emission source has to be coupled to its time scale. Using higher order spectral elements can be beneficial with respect to the needed number of degrees of freedom. To make the computation of an acoustic emission process feasible one is lead to coarsening the mesh for larger distances to the source. Solution components with a higher frequency will be reflected at mesh density steps. The mesh coarsening has to be done in a way to avoid or minimize this kind of reflections.
To get more insight into the propagation characteristics of the numerical solution, dispersion curves are calculated for different element types assuming a structured mesh with constant element size. Coupling two meshes with different mesh densities will then lead to frequency dependent reflections at the boundary similar to the coupling of different materials.
The starting mesh density is dictated by the acoustic emission source time scale. The largest allowable mesh size needs to resolve the components of propagating signal with the highest frequency, smallest wavelength which is given by the bandwidth of the sensor.
Still coarser meshes may be used when high frequency components are propagated by a different method.
Numerical simulators, such as finite element models, have become increasingly capable of predicting the behaviour of structures and components owing to more sophisticated underlying mathematical models and advanced computing power. A common challenge lies, however, in calibrating these models in terms of their unknown/uncertain parameters. When measurements exist, this can be achieved by comparing the model response against measured data. Besides uncertain model parameters, phenomena like damage can give rise to further uncertainties; in particular, quasi-brittle materials, like concrete, experience damage in a heterogeneous manner due to various imperfections, e.g. in geometry and boundary conditions. This hardens an accurate prediction of the damaged behaviour of real structures that comprise such materials.
In this study, which draws from a data-driven approach, we use the force-version of the finite element model updating method (FEMU-F) to incorporate measured displacements into the identification of the damage parameters, in order to cope with heterogeneity. In this method, instead of conducting a forward evaluation of the model and comparing the model response (displacements) against the data, we impose displacements to the model and compare the resulting force residuals with measured reaction forces. To account for uncertainties in the measurement of displacements, we endow this approach with a penalty term, which reflects the discrepancy between measured and imposed displacements, where the latter is assumed as unknown random variables to be identified as well. A Variational Bayesian approach is used as an approximating tool for computing posterior parameters. The underlying damage model considered in this work is a gradient-enhanced damage model.
We first establish the identification procedure through two virtual examples, where synthetic data (displacements) are generated over a certain spatially-dense set of points over the domain. The procedure is then validated on an experimental case-study; namely a 3-point bending experiment with displacement measurements resulting from a digital image correlation (DIC) analysis.
Concrete has a long history in the construction industry and is currently one of the most widely used building materials. Especially precast concrete elements are frequently utilized in construction projects for standardized applications, increasing the quality of the composite material, as well as reducing the required building time. Despite the accumulated knowledge, continuous research and development in this field is essential due to the complexity of the composite combined with the ever-growing number of applications and requirements. Especially in view of global climate change, design aspects as CO2 emissions and resource efficiency require new mix designs and optimization strategies. A result of the material’s high complexity and heterogeneity on multiple scales is that utilizing the full potential with changing demands is highly challenging, even for the established industry. We propose a framework based on an ontology, which automatically combines experimental data with numerical simulations. This not only simplifies experimental knowledge transfer, but allows the model calibration and the resulting simulation predictions to be reproducible and interpretable. This research shows a way towards a more performance oriented material design. Within this talk we present our workflow for an automated simulation of a precast element, demonstrating the interaction of the ontology and the finite element simulation. We show the automatic calibration of our early-age concrete model [1, 2], to improve the prediction of the optimal time for the removal of the form work.
The aim of the project LeBeDigital is to present opportunities of digitalization for concrete applications and show a way towards a performance oriented material design.
Due to the high complexity of the manufacturing process of concrete and the range of parameters affecting the effective composite properties, a global optimization is challenging.
Currently, most optimization is only carried out on a narrow scope related to the respective players, e.g. a mix optimization for a target strength, or a design optimization for minimum weight, using a given mix. To enable a path toward a full global optimization
requires a reproducible chain of data, accessible for all contributors.
We propose a framework based on an ontology, which automatically combines experimental data with numerical simulations. This not only simplifies experimental knowledge transfer, but allows the model calibration and the resulting simulation predictions to be
reproducible and interpretable. In addition to an optimized set of parameters, this setup allows to study the quality and uncertainty of the data and models, as well as giving information about optimal experiments to improve the data set.
We will present the proposed optimization workflow, using the example of a precast concrete element. The contribution will focus on the workflow and challenges of an interoperable FEM formulation.
With increasing focus on industrialized processing, investigating, understanding, and modelling the structural build-up of cementitious materials becomes more important. The structural build-up governs the key property of fresh printable materials -- buildability -- and it influences the mechanical properties after the deposition. The structural build-up rate can be adjusted by optimization of the mixture composition and the use of concrete admixtures. Additionally, it is known, that the environmental conditions, i.e. humidity and temperature have a significant impact on the kinetic of cement hydration and the resulting hardened properties, such as shrinkage, cracking resistance etc. In this study, small amplitude oscillatory shear (SAOS) tests are applied to examine the structural build-up rate of cement paste subject to different temperatures under controlled humidity. The results indicate significant influences of the ambient temperature on the intensity of the re-flocculation (Rthix) rate, while the structuration rate (Athix) is almost not affected. A bi-linear thixotropy model extended by temperature dependent parameters coupled with a linear viscoelastic material model is proposed to simulate the mechanical behaviour considering the structural build-up during the SAOS test
With increasing focus on industrialized processing, investigating, understanding, and modelling the structural build-up of cementitious materials becomes more important. The structural build-up governs the key property of fresh printable materials -- buildability -- and it influences the mechanical properties after the deposition. The structural build-up rate can be adjusted by optimization of the mixture composition and the use of concrete admixtures. Additionally, it is known, that the environmental conditions, i.e. humidity and temperature have a significant impact on the kinetic of cement hydration and the resulting hardened properties, such as shrinkage, cracking resistance etc. In this study, small amplitude oscillatory shear (SAOS) tests are applied to examine the structural build-up rate of cement paste subject to different temperatures under controlled humidity. The results indicate significant influences of the ambient temperature on the intensity of the re-flocculation (Rthix) rate, while the structuration rate (Athix) is almost not affected. A bi-linear thixotropy model extended by temperature dependent parameters coupled with a linear viscoelastic material model is proposed to simulate the mechanical behaviour considering the structural build-up during the SAOS test.