Effiziente Simulation großer Mauerwerksstrukturen mit diskreten Rissmodellen

In dieser Arbeit wird ein Strukturmodell für die effiziente Berechnung von großen Mauerwerksstrukturen im Rahmen der Finite-Elemente-Methode entwickelt. Bei großskaligen experimentellen Versuchen zeigten sich typische Rissmuster mit überwiegend horizontaler, vertikaler und diagonaler Ausrichtung, die auf den Mauerwerksverband mit der regelmäßigen Struktur von Stein und Mörtelfugen zurückzuführen sind. Im numerischen Modell wird mit einer sogenannten Einheitszelle das Tragverhalten eines repräsentativen Mauerwerksausschnitts beschrieben. Die Einheitszelle besteht aus einem Element-Patch, um mit entsprechend orientierten Kontaktelementen die jeweiligen Versagensmoden diskret abzubilden. Mit dieser Vernetzung werden Struktureigenschaften des Mauerwerksverbands makroskopisch beschrieben und geometrische Größen wie Steinformat und Überbindemaß berücksichtigt. Das treppenförmige Fugenversagen durch Stoßund Lagerfuge wird vereinfacht mit einem diagonalen Kontaktelement beschrieben. Dadurch konnte die gute Qualität der diskreten Rissmodellierung auf der Mesoskala mit der numerischen Effizienz von herkömmlichen Makromodellen kombiniert werden.

Für Fugen- und Steinversagen sind separate Materialgesetze vorgesehen. Im Vergleich zu einem homogenisierten Ersatzwerkstoff bleiben die Versagensmodelle und die Identifizierung von Materialparametern für die Komponenten Stein und Mörtel relativ einfach. Das Strukturmodell erzielte bei der Validierung an Schubwänden bestehend aus quadratischen Steinen sehr gute Berechnungsergebnisse. Durch einfache geometrische Anpassung bei der Vernetzung konnte die Einheitszelle auf weitere Steinformate angewendet werden.