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Schwerpunktprogramm „Zyklische Schädigungsprozesse in Hochleistungsbetonen im Experimental-Virtual-Lab“ (SPP 2020)

Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat im März 2016 die Einrichtung des Schwerpunktprogramms „Zyklische Schädigungsprozesse in Hochleistungsbetonen im Experimental-Virtual-Lab“ (SPP 2020) beschlossen. Als Laufzeit sind sechs Jahre vorgesehen. Die DFG lädt hiermit ein zur Antragstellung für die zweite dreijährige Förderperiode.

Problemstellung

Weitreichende Fortschritte in der Betontechnologie haben zur Entwicklung von Hochleistungsbetonen mit maßgeblich erweiterten Anwendungsmöglichkeiten geführt. Beispielhaft seien hier hochfeste und ultrahochfeste Betone mit stahlähnlichen Festigkeiten genannt. Diese Betone ermöglichen sehr schlanke, ästhetische und ressourcenschonende Betonbauwerke, die jedoch aufgrund ihres reduzierten Eigengewichts unweigerlich schwingungsanfälliger sind. Auch außerhalb des klassischen Bauwesens wird sich das Anwendungsspektrum für Hochleistungsbetone stark weiterentwickeln, beispielsweise im Maschinen- und Anlagenbau, wo sie zu einer Alternative zu metallischen und keramischen Werkstoffen werden können. Alle diese Konstruktionen werden hochzyklisch beansprucht, sodass das Ermüdungsverhalten entscheidend für ihre Auslegung und somit für die Realisierbarkeit neuartiger Betonanwendungen ist. Zur Materialdegradation von Beton unter Ermüdungsbeanspruchung ist jedoch zu wenig grundlegendes Wissen vorhanden. Infolgedessen ist der Ermüdungswiderstand hochzyklisch beanspruchter Konstruktionen mit sehr großen Abminderungen in der Bemessung belegt. Durch die vorhandenen Wissenslücken wird somit bereits heute der Einsatz moderner Hochleistungsbetone deutlich behindert, teilweise sogar verhindert.

 

Wissenschaftliche Ziele

Die wissenschaftliche Zielsetzung des Schwerpunktprogramms besteht darin, die Materialdegradation in Hochleistungsbetonen unter Ermüdungsbeanspruchung in Kombination neuester experimenteller und virtuell-numerischer Methoden zu erfassen, zu verstehen, zu beschreiben, zu modellieren und zu prognostizieren. Dabei liegt der Fokus auf der Ermittlung von Erkenntnissen zum mikrostrukturellen Verhalten beziehungsweise zu den Schädigungsprozessen im Betongefüge sowie auf der Entwicklung effektiver Berechnungsmodelle und Bewertungsmethoden. Schädigungsprozesse laufen zum Teil auf sehr kleinen Skalenebenen ab und lassen sich daher nicht vollständig und nur auf größeren Skalenebenen über Schädigungsindikatoren während des Belastungsversuchs beobachten und erfassen. Insofern können die für das Verständnis und die Modellierung des Ermüdungsverhaltens benötigten Erkenntnisse nur in enger Verzahnung der Baustoffwissenschaften und der numerischen Mechanik, das heißt in der Verzahnung von Experiment und Berechnung – im Experimental-Virtual-Lab – entwickelt werden. Die in diesem Schwerpunktprogramm zu entwickelnde Methodik des Experimental-Virtual-Labs soll die Basis sein für zukünftige, völlig neue Vorgehensweisen bei der Bewertung und (Weiter-)Entwicklung von Baustoffen. Die Untersuchungen sollen in drei Arbeitsbereichen durchgeführt werden:

1) Erfassung und Charakterisierung von Schädigungsmechanismen

Baustoffliche Einflüsse auf den Ermüdungsprozess werden gezielt experimentell untersucht, um anhand der im Experiment erfassbaren Messgrößen die Schädigungsmechanismen und -prozesse grundlegend beschreiben zu können.

2) Modellierung der Materialdegradation in Hochleistungsbetonen

Die Materialdegradation wird mithilfe makroskopischer Modelle beziehungsweise Stoffgesetze oder mithilfe gefügeorientierter, mikromechanischer Modelle beschrieben. Die Kalibrierung und Validierung der Modelle erfolgt anhand der im Arbeitsbereich 1 erfassten Daten, die modellspezifische Schädigungsindikatoren ebenso beinhalten wie Visualisierungen von Schädigungen.

3) Degradationsprognose

Die gewonnenen Erkenntnisse und die entwickelten Modelle werden zur Degradationsprognose weiterentwickelt.

Thematische Eingrenzung des Schwerpunktprogramms

In der ersten Phase des Schwerpunktprogramms wurden Schädigungsmechanismen im Ermüdungsprozess unter Berücksichtigung definierter Einflüsse experimentell untersucht, anhand von Schädigungsindikatoren beschrieben und durch bildgebende Verfahren visualisiert (Arbeitsbereiche 1 und 2). Schädigung wurde mithilfe verschiedener Ansätze und auf unterschiedlichen Skalenebenen, zunächst für wenige Lastwechsel, modelliert und anhand der Schädigungsindikatoren und Visualisierungen validiert und kalibriert. In der zweiten Phase des Schwerpunktprogramms liegt der Arbeitsschwerpunkt auf der Ermittlung ergänzender Erkenntnisse zu den Mechanismen der Ermüdungsschädigung, der Weiterentwicklung der Modelle und deren Verknüpfung zum Experimental-Virtual-Lab mit dem Ziel der Degradationsprognose. Es soll unter anderem der Einfluss komplexerer Beanspruchungszeitverläufe im Sinne von Betriebslasten auf die Schädigungsmechanismen untersucht und hinsichtlich der Schadensakkumulation ausgewertet werden. Neben der skalenübergreifenden Modellierung der Geometrie sollen insbesondere auch innovative Mehrskalenmethoden des zeitlichen Verlaufs betrachtet werden, die die Modellierung hoher Lastwechselzahlen in begrenzter Simulationszeit ermöglichen.

Das Themenspektrum dieses Schwerpunktprogramms ist eingegrenzt auf:

  • Hochleistungsbetone
  • den Degradationsprozess charakterisierende Indikatoren und Visualisierungen von Gefügeveränderungen
  • Low-Cycle-Fatigue und High-Cycle-Fatigue
  • Hauptbelastungsarten: Druck, Zug (Querzug), Biegung

Nicht im Fokus des Schwerpunktprograms stehen:

  • Ermittlung von Bruchlastwechselzahlen, Ableitung von Wöhlerkurven, Entwicklung von Bemessungskonzepten
  • Ermittlung von Einwirkungen auf Bauwerke im Sinne von Eingangsgrößen für die Bemessung
  • bauteilspezifische Fragestellungen
  • Modellierung im nanoskaligen Bereich im Sinne der Molekulardynamik
  • Methodenentwicklung im Bereich Computertomografie inklusive der Entwicklung von Auswertungsmethoden

Zur besseren vergleichenden Betrachtung der Ergebnisse aus verschiedenen Teilprojekten und damit zur Erhöhung des Gesamt-Benefits des Schwerpunktprogramms wurden in der ersten Phase ein hochfester und ein ultrahochfester Beton als Referenzbetone entwickelt und in den Projekten berücksichtigt. Es wird ausdrücklich begrüßt, wenn diese Referenzbetonzusammensetzungen auch in den beantragten Projekten Berücksichtigung finden. Insbesondere angesprochen sind Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Baustoffwissenschaften und der Mechanik. Zur Stärkung der interdisziplinären Zusammenarbeit ist die Einreichung von Tandemanträgen ausdrücklich erwünscht.

Reichen Sie Ihren Antrag für die zweite Förderperiode bitte bis spätestens 7. Oktober 2019 bei der DFG ein. Die Antragstellung erfolgt ausschließlich über das elan-Portal zur Erfassung der antragsbezogenen Daten und zur sicheren Übermittlung von Dokumenten. Sofern Sie beabsichtigen, einen Neuantrag einzureichen, wählen Sie bitte unter „Antragstellung – Neues Projekt – Schwerpunktprogramm“ im elektronischen Formular aus der angebotenen Liste „SPP 2020 – Zyklische Schädigungsprozesse in Hochleistungsbetonen im Experimental-Virtual-Lab“ aus.

Handelt es sich bei dem Antrag innerhalb dieses Schwerpunktprogramms um Ihren ersten Antrag bei der DFG, beachten Sie, dass Sie sich vor der Antragstellung im elan-Portal registrieren müssen. Ohne Registrierung bis zum 30. September 2019 ist eine Antragstellung nicht möglich. Bitte wählen Sie im Registrierungsformular bei den abschließenden Angaben ebenso wie bei der Antragstellung Ihr Schwerpunktprogramm aus der angebotenen Liste der Ausschreibungen aus. Die Bestätigung der Registrierung erfolgt in der Regel bis zum darauffolgenden Arbeitstag.

Antragstellerinnen und Antragsteller, die bereits gefördert werden und einen Fortsetzungsantrag stellen wollen, müssen den Antrag über die Registerkarte „Antragstellung – Antragsübersicht/Fortsetzungsantrag“ einreichen. Hier wird Ihr in der Förderung befindliches Projekt angezeigt, und Sie können Ihren Fortsetzungsantrag stellen.

Berücksichtigen Sie bitte beim Aufbau Ihres Antrags das DFG-Merkblatt 54.01 zu Sachbeihilfen mit Leitfaden für die Antragstellung und die Hinweise im Merkblatt Schwerpunktprogramm 50.05, Teil B. Bitte senden Sie ein weiteres Exemplar des Antrags in elektronischer Form an den Koordinator des Programms, Prof. Dr.-Ing. Ludger Lohaus (lohaus@baustoff.uni-hannover.de).

Weiterführende Informationen

Detaillierte Informationen zum Schwerpunktprogramm erhalten Sie im Internet unter:
www.spp2020.uni-hannover.de

Das elan-Portal der DFG zur Einreichung der Anträge finden Sie unter:
https://elan.dfg.de

Die Merkblätter DFG-Vordruck 50.05 und 54.01 stehen unter:
www.dfg.de/formulare/50_05
www.dfg.de/formulare/54_01

Inhaltliche Fragen beantwortet Ihnen der Koordinator des Schwerpunktprogramms:

Prof. Dr.-Ing. Ludger Lohaus, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Institut für Baustoffe, Appelstr. 9a, 30167 Hannover, Tel. +49 511 762-3722, lohaus@baustoff.uni-hannover.de



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Redaktion: Dipl.-Ing. Fahima Fischer
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