J. Eberhardsteiner, G. Meschke, H.A. Mang:
"Triaxiales konstitutives Modellieren von Beton zum Zwecke der Durchführung vergleichender Traglastanalysen dickwandiger Stahlbetonkonstruktionen mittels der Methode der Finiten Elemente - Abschlussbericht über das vom Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung geförderte Projekt P5161";
TU Wien, Wien, Austria, 1987, 187 pages.
Traglastanalysen dickwandiger Stahlbetonkonstruktionen mittels der Methode der Finiten Elemente erfordern die Kenntnis des in der Regel nichtlinearen Spannungs-Dehnungs-Zusammenhanges unter allgemeiner nichtproportionaler Belastung. Angesichts der großen Leistungskapazitäten moderner Digitalcomputer sowie der ausgereiften numerischen Strategien in Finite-Elemente-Programmen jüngsten Datums stellt die vereinfachte Erfassung des Werkstoffverhaltens insbesondere bei räumlichen Stahlbetonstrukturen die Hauptursache der Abweichungen numerischer Resultate von Versuchsergebnissen dar. Räumlich (bzw. "dickwandig") ist dabei im Sinne von etwa gleicher Größenordnung des Baukörpers in allen Richtungen zu verstehen. Typische Beispiele für derartige Tragwerke, bei denen signifikante dreidimensionale Spannungszustände auftreten, sind Gewichts- oder Bogenstaumauern aber auch Krafteinleitungsbereiche von Spanngliedern in Flächen- oder Stabtragwerken.Wiewohl in den letzten Jahren einige dreiachsiale konstitutive Modelle für Beton auf der Grundlage unterschiedlicher mechanischer Theorien entwickelt wurden, lassen sich hinreichend allgemeine Aussagen über deren Eignung zur wirklichkeitsnahen Erfassung des Betonverhaltens nur schwer treffen. Ziel des vorliegenden, vom Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung geförderten Forschungsprojekts "Triaxiales konstitutives Modellieren von Beton zum Zwecke der Durchführung vergleichender Traglastanalysen dickwandiger Stahlbetonkonstruktionen mittels der Methode der Finiten Elemente" (Projektsnummer: P5161) waren - erstmalig - eine systematische Klassifizierung der existierenden dreiachsialen Werkstoffgesetze für Beton sowie die Untersuchung ausgewählter Modelle im Hinblick auf deren Eignung für den Einsatz im Rahmen räumlicher Finite-Elemente-Traglastanalysen. Dabei wurden von Dipl.-Ing. Eberhardsteiner vier Modelle aus der Kategorie "nichtlinear elastisch" sowie von Dipl.-Ing. Meschke fünf Modelle aus der Kategorie "elasto-plastisch" anhand von Ergebnissen proportionaler sowie nichtproportionaler, dreiachsialer Belastungsversuche verschiedener Institute einer eingehenden Analyse unterzogen. Die Implementierung ausgewählter Stoffgesetze in das Programmsystem MARC sowie die Durchführung vergleichender Traglastanalysen dickwandiger Stahlbetonkonstruktionen ist Inhalt des vom Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung geförderten Projekts P6040.
Einer zusammenfassenden Beschreibung von Versagensmechanismen und Bruchkriterien für Beton (Kapitel B.I) folgt eine ausführliche Dokumentation des aktuellen Forschungsstandes auf dem Gebiet konstitutiver Modelle für Beton: In Kapitel B.II werden nichtlinear-elastische Stoffgesetze, in Kapitel B.III Modelle auf der Grundlage der Plastizitätstheorie beschrieben. Dabei sind über die klassische Fließtheorie hinaus jene Modelle eingeschlossen, die als konstituierenden Bestandteil das Auftreten plastischer Verzerrungen aufweisen. Der Beschreibung der Versuchsdaten sowie der Belastungspfade, die der vergleichenden Untersuchung aller Modelle zugrundeliegen (Kapitel B.IV.1), folgt eine Liste der für die Nachrechnung dieser Versuchsergebnisse verwendeten Materialparameter in B.IV.2.
In C.I bis C.IV werden vier Modelle aus der Kategorie nichtlinear elastischer Stoffgesetze und in C.V bis C.IX fünf Modelle aus der Kategorie elasto-plastischer Stoffgesetze untersucht. Bei den nichtlinear-elastischen Gesetzen handelt es sich um das totale Sehnenmodell von Kotsovos und Newman (C.I), das orthotrope Modell von Elwi und Murray (C.II), das hypoelastische Modell von Stankowski und Gerstle (C.III) sowie das Modell von Shafer und Ottosen (C.IV). Dem zweiten sowie dem letztgenannten Modell liegt eine äquivalent einachsiale Spannungs-Dehnungsbeziehung zugrunde. Bei den elasto-plastischen Modellen handelt es sich um das nichtassoziierte Modell von Han und Chen (C.V), das assoziierte Modell von Glemberg (C.VI) sowie die beiden Grenzflächenmodelle von Fardis et al. (C.VII) bzw. Buyukozturk und Chen (C.VIII). In Kapitel C.IX wird ein im Rahmen der vorliegenden Studie von Meschke entwickeltes, in die Kategorie hypoplastischer Modelle fallendes Modell vorgestellt.
In Kapitel C.X werden die wichtigsten Eigenschaften der untersuchten Werkstoffmodelle für Beton tabellarisch zusammengefaßt.