Motivation
Der Werkstoff Beton hat sich seit vielen Jahren in unterschiedlichsten Anwendungen im Bauwesen bewährt. Sein Verhalten unter mechanischer Belastung ist gut verstanden und lässt sich mit aktuell verfügbaren Berechnungsmethoden über Zeiträume, die der üblichen Lebensdauer von Betonbauwerken (ca. 30 bis 50 Jahre) entsprechen, zuverlässig vorhersagen. Seit kurzer Zeit werden jedoch auch Nutzungsszenarien diskutiert, für die eine Prognose des Materialverhaltens über sehr viel längere Zeiträume zwingend erforderlich ist. Herausragendes Beispiel für ein solches Szenario ist der Einsatz von Beton bei der Errichtung von Abdichtbauwerken zum Verschluss von Bergwerken, in denen radioaktive Abfallstoffe endgelagert werden. Das im Frühjahr 2017 verabschiedete Standortauswahlgesetz verlangt hier einen rechnerischen Nachweis der Sicherheit über eine Million Jahre. Diese Anforderung liegt weit außerhalb des Gültigkeitsbereichs traditioneller Modellierungsansätze für das Verhalten von Beton.
Ziele und Vorgehen
Vor diesem Hintergrund ist es Ziel des Verbundvorhabens „ProVerB“, ein softwaregestütztes Simulations- und Prognosewerkzeug für das Langzeitverhalten von Beton unter Einwirkung äußerer Lasten zu entwickeln. Die Projektpartner GNS mbH aus Braunschweig und das Institut für Nichtlineare Mechanik der Universität Stuttgart untersuchen neuartige Materialmodelle für Beton, die das aus vorhandenen Langzeitmessungen bekannte Verhalten besser wiedergeben und insbesondere eine realitätsnahe Extrapolation zulassen. Ein wesentlicher Bestandteil der Modellbildung liegt in der mathematischen Beschreibung der Alterungsprozesse des Werkstoffs. Auf der Basis dieser mathematischen Modelle folgt dann die Entwicklung und Implementierung zugehöriger Simulationssoftwarekomponenten. Diese können in ein bestehendes Programmpaket integriert werden und bisherige Module zur Simulation wesentlich kürzerer Zeiträume ergänzen. Somit wird erstmalig das Aufstellen einer Langzeitprognose des Materialverhaltens ermöglicht, wobei insbesondere Deformationen sowie die Bildung und Ausbreitung von Rissen über lange Zeiträume berücksichtigt werden.
Innovationen und Perspektiven
Die Entwicklung und Implementierung dieses Software-Werkzeugs wird begleitet durch Experimente, die der Validierung der mathematischen Modelle und der Algorithmen sowie der Bestimmung der zu den Modellen gehörigen Parameter für in der Praxis besonders wichtige spezielle Typen von Beton dienen. Im Ergebnis kann die Eignung von Beton zum Verschluss von Bergwerken zur Endlagerung radioaktiver Abfallstoffe deutlich sicherer eingeschätzt und damit eine aktuelle gesellschaftliche Anforderung abgedeckt werden. Darüber hinaus können Teilergebnisse auch auf andere Betonbauwerke angewandt werden.