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Zusammenfassung
  • In vielen Bereichen des Bauwesens spielt die Methode der numerischen Simulation eine zunehmend größere Rolle. Dazu gehört unter anderem auch die (Weiter-)Entwicklung von Materialgesetzen sowie die Überprüfung bzw. Erweiterung ihrer Anwendungsgrenzen zur immer realistischeren Abbildung des Werkstoffverhaltens. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird der Bereich der Schadensprognose in Bezug auf die Rissbildung zementgebundener Estrichplatten auf Dämmschicht näher beleuchtet. Regelmäßig auftretende Schadensbilder bei dieser besonders schwindanfälligen Bindemittelart zeigen, dass die Bemessungsgrundlage, die auf Jahrzehnte zurückliegenden Versuchsreihen basiert, einer Überprüfung bedarf. Im Bemessungskonzept bisher unberücksichtigte Schwindeinflüsse und daraus resultierende Aufschüsselungen an den Bauteilrändern wurden als eine mögliche Ursache identifiziert. Materialmodelle für die numerische Abbildung vor allem von Rissen gibt es für den Estrichähnlichen Werkstoff Beton. Es ist anzunehmen, dass diese insbesondere für Zementestrich geeignet sind und ein sinnvolles Werkzeug bieten, um die Anwendbarkeit und Beantwortung dieser offenen Fragestellung systematisch zu untersuchen. Dazu wurde eine Modellumgebung entwickelt, die eine ausreichende Netzunabhängigkeit der Ergebnisse gewährleistet. Der Erhärtungs- bzw. Schwindprozess selbst wurde nicht direkt simuliert, sondern die resultierende charakteristische Schüsselform vereinfacht abgeschätzt und als Vorverformung berücksichtigt. Zur Validierung des Modells wurden Balken- und Plattenversuche herangezogen. Mithilfe des entwickelten Modells wurde anhand einer Parameterstudie der Einfluss sowohl infolge Schwinden als auch infolge verschiedener Steifigkeitseinflüsse aus Dämmstoff-Zusammendrückbbarkeit und Estrichdicke auf das Versagen untersucht. Die hier erfolgte Extrapolation des experimentell validierten Parameterspektrums ließ eine grundlegende Beurteilung zwar nicht zu, im validierten Bereich zeigte sich jedoch bereits, dass der Einfluss aus Schwinden auf die Bruchlast vernachlässigbar ist. Die Parameterstudie zeigte keinerlei Indizien dafür auf, dass ein Variieren weiterer Randbedingungen einen größeren Einfluss der Aufschüsselung auf die Tragfähigkeit offenbaren wird. Aufgrund fehlender Bewehrung besteht eine erhöhte Notwendigkeit zur Überprüfung der Netzunabhängigkeit der Ergebnisse bei der Simulation der Biegebeanspruchung. Daher wurden die in Abaqus und Ansys – als für Rissmodellierung übliche Software-Vertreter – implementierten Rissmodelle und deren Umgang mit der Netzabhängigkeit verglichen und einem weiteren Ansatz aus der Literatur gegenübergestellt. Als Ergebnis dieses Vergleichs ergibt sich zum einen ein besseres Verständnis des hier zur Regularisierung verwendeten Parameters der charakteristischen Länge, aber auch eine bessere Beurteilung der Anwendungsgrenzen der entsprechenden Softwarelösungen. Hier konnten bei Betrachtung eines einfachen Zugversuchs bereits Diskrepanzen zwischen analytischer Lösung und Ergebnissen in der Software herausgestellt werden. Mithilfe des Modells wurden Balkenversuche und typische Laststellungen auf schwimmenden Estrichplatten simuliert. Anhand verformungsgesteuert geführter Biegezugprüfungen ließ sich der Nachbruchbereich numerisch sehr gut abbilden. Aufgrund stark spröden Versagens des für die Platten verwendeten Fließestrichs konnte der Nachbruchbereich für diese nicht erfasst odervalidiert werden. Ein Vergleich der experimentellen und numerischen Daten zeigte bis zum Bruch eine gute Übereinstimmung. Insgesamt lässt sich festhalten, dass sich für Beton entwickelte Rissmodelle auf Zementestrichanwenden lassen, unter der Bedingung, dass die Netzunabhängigkeit der Ergebnisse sicher gestellt wird. Mithilfe des Modells lassen sich typische Laststellungen auf Estrichplatten numerisch abbilden, wobei das Modell jedoch genauerer Validierung durch weitere experimentelle Datenbedarf. Der Einfluss aus Schwinden und Dämmsteifigkeit auf das Versagen kann im validierten Bereich als vernachlässigbar eingestuft werden. Im Hinblick auf das Bemessungskonzept besteht in diesem Zusammenhang zunächst kein Handlungsbedarf. Allerdings stellen bereits die Ergebnisse der experimentellen Untersuchung den in anerkannten Bemessungskonzepten als maßgebend identifizierte Lastfall „Einzellast am Plattenrand“ gegenüber dem Lastfall „Einzellast an der Plattenecke“ aufgrund des kritischeren Spannungszustands, der keine Umlagerungen zulässt, und der geringeren Versagenslast zumindest infrage. Es ist nicht eindeutig, welcher Lastfall maßgebend ist. Diese Ergebnisse motivieren eine genauere Gegenüberstellung der beiden Lastfälle, wofür sich das hier entwickelte Modell als numerisches Werkzeug heranziehen lässt. Aus diesem Vergleich ließen sich unter Umständen bindende Handlungsempfehlungen für ein verbessertes Sicherheitskonzept ableiten.
Abstract
  • Numerical simulation methods are playing an increasingly important role in many areas of civil engineering. This also includes the (further) development of material laws as well as the verification or extension of their application limits for an increasingly realistic representation of material behavior. The present work takes a closer look at the area of damage prediction in relation to the cracking of cement-bound floating screeds on an insulating layer. Regularly occurring damage patterns with this particularly shrinkage-prone type of binder show that the design basis, which is based on test series’ dating back decades, needs to be reviewed. Shrinkage influences not previously considered in the design concept and the resulting bowling up at the edges of the plates were identified as a possible cause. Material models for the numerical simulation of cracks are available for concrete, a materialsimilar to screed. It can be assumed that these are suitable for cement-based screeds and offer a useful tool for systematically investigating the applicability and answering this open research aspects. For this purpose, a model environment was developed that ensures sufficient mesh independence of the results – which is often limited in crack models. The hardening or shrinkage process itself was not simulated directly, but the resulting characteristic bowl shape was estimated in a simplified manner and taken into account as a pre-deformation. Beam and slab tests were used to validate the model. With the help of the developed model, the influence ofboth shrinkage and various stiffness influences from insulation compressibility and screed thickness on the failure was investigated using a parameter study. Although the extrapolation of the experimentally validated parameter spectrum carried out here did not allow a fundamentalassessment, the validated range already showed that the influence of shrinkage on the breaking load is negligible. The parameter study showed no indication that varying other boundary conditions would reveal a greater influence of shrinkage on the load-bearing capacity. Due to the lack of reinforcement, there is an increased need to check the mesh independence of the results when simulating the bending stress. Therefore, the crack models implemented in Abaqus and Ansys - as common software representatives for crack modeling - and their handling of mesh dependency were compared and contrasted with another approach from the literature.The result of this comparison gives a better understanding of the parameter of the characteristiclength used here for regularization, but also a better assessment of the application limits of the corresponding software solutions. By looking at a simple tensile test, discrepancies between the analytical solution and the results in the software could already be identified.The model was used to simulate beam tests and typical load positions on floating screed slabs. Using deformation-controlled tensile bending tests, the post-cracking behaviour could be reproduced very well numerically. Due to the highly brittle failure of the flowing screed used for theslabs, the post-failure range for these could not be recorded or validated. A comparison of the experimental and numerical data showed good agreement up to the fracture. Overall, it can be stated that crack models developed for concrete can be applied to cementitious screed, provided that the mesh independence of the results is ensured. The model can be used to numerically represent typical load positions on screed slabs, although the model requires more precise validation using further experimental data. The influence of shrinkage and insulation stiffness on the failure can be classified as negligible in the validated range. With regard to the design concept, at this time there is no need for action in this context. However, the results of the experimental investigation already call into question the load case ”concentrated load at the slab edge ïdentified in recognized design concepts as decisive compared to the load case ”concentrated load at the slab corner”. This is due to the more critical stress state, which does not allow any redistributions, and the lower failure load for the corner load case. It is not clear which load case is decisive. These results motivate a more precise comparison of the two load cases, for which the model developed here can be used as a numerical tool. Binding recommendations for an improved safety concept could possibly be derived from this comparison.
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