Ein rechnergestütztes Rahmenwerk für die mesoskalige Modellierung von Beton mit Anwendung auf ballistische Einschläge

Beton ist ein mehrphasiges Verbundmaterial, das aus hochfesten Zuschlagstoffen, einer Zementmatrix und der Interphasenzone (ITZ) besteht, deren inhärente Heterogenität eine entscheidende Rolle für das mechanische Verhalten spielt. Phänomenologische numerische Modelle gehen häufig von einem homogenen Material aus, was ihre Fähigkeit einschränkt, lokal begrenzte Versagensmechanismen und das Verhalten des Verbundmaterials abzubilden. Diese Studie stellt ein mesoskaliges Modellierungsrahmenwerk vor, das die Heterogenität von Beton explizit darstellt, indem die Zuschlagstoffverteilung in Finite-Elemente-Netze eingebunden wird, die aus Entwurfsparametern generiert werden. Der Ansatz wird auf ballistische Aufprallszenarien angewandt und anhand zuvor veröffentlichter Daten der Autoren validiert. Simulationen mit Finite-Elemente-Methoden reproduzierten wesentliche experimentelle Trends im Spannungs-Dehnungs-Verhalten, in der Restgeschwindigkeit des Projektils sowie im Massenverlust. Darüber hinaus erfasste die heterogene Formulierung Effekte wie größenabhängiges Verhalten, den Übergang von spröhem zu duktilen Verhalten und Projektilrotation – Effekte, die mit homogenisierten Modellen nicht verfügbar sind. Das Rahmenwerk ist skalierbar und effizient, was parametrische Studien zu Zuschlagstoffvolumenanteil, Partikelgrößenverteilung und Zuschlagstoffform ermöglicht. Dieser Modellierungsansatz kann verwendet werden, um Zuschlagstoffparameter während der Entwurfsphase einer Schutzstruktur als Reaktion auf eine definierte äußere Bedrohung zu optimieren. • Das mesoskalige Modell erfasste die Betonheterogenität mittels realistischer Zuschlagstoffgeometrie. • Das Rahmenwerk reproduzierte Größeneffekte und den sprödhart-zu-duktilen Übergang in Beton. • Simulationen spiegeln die experimentelle Streuung sowohl im Material- als auch im Ballistikversuch wider. • Der Ansatz unterstützt die Zuschlagstoffoptimierung für Schutzstrukturen.