Superkomputer: Zastosowania

Celem projektu badawczego jest wyjaśnienie mechanizmu powstawania i propagacji rys w betonie w obszarze statycznym w zależności od jego niejednorodnej mezo-struktury oraz opisanie go przy zastosowaniu nowoczesnego dwuskalowego modelu matematycznego, łączącego proces zarysowania na poziomie kruszywa (poziom mezo) z procesem zarysowania na poziomie struktury (poziom makro). Na poziomie mezo zostaną uwzględnione 4 najważniejsze fazy w betonie: kruszywo, zaprawa cementowa, makro-pory i strefy przejściowe między kruszywem a zaprawą cementową. Fazy te zostaną odtworzone na podstawie zdjęć z mikro-tomografu komputerowego 3D najnowszej generacji. Szczególną rolę w kształtowaniu własności betonu odgrywają strefy przejściowe. Strefy te będące najsłabszą fazą w betonie są obszarami inicjacji i propagacji mikro-rys, które łączą się następnie w makro-rysy poprzez mostkowanie. Wyniki numeryczne zostaną zwalidowane na podstawie doświadczeń laboratoryjnych (zginanie, rozłupywanie, jednoosiowe ściskanie), w których zostanie szczegółowo zbadany mechaniczny wpływ poszczególnych faz betonu na makroskopowe własności mechaniczne betonu (wytrzymałość, kruchość i geometria rys).
W ramach symulacji numerycznych zostanie sformułowane dwuskalowe prawo konstytutywne dla betonu, łączące proces zarysowania na poziomie kruszywa (poziom mezo) z procesem zarysowania na poziomie struktury (poziom makro). W pierwszym etapie zostaną przeanalizowane istniejące sformułowania dwuskalowe pod kątem ich przydatności ze względu na poziom skomplikowania oraz rzetelność przekazywania informacji dotyczącej pękania między poziomami makro i mezo. W drugim etapie zostaną zaproponowane własne propozycje modelu dwuskalowego w wersji zaawansowanej na bazie homogenizacji obliczeniowej, niewymagającej definicji modelu materiału na poziomie makro oraz w wersji uproszczonej na bazie homogenizacji numerycznej, polegającej na wyznaczeniu na poziomie mezo-parametrów dla fenomenologicznego prawa materiałowego na poziomie makro. Do opisu betonu na poziomie makro/mezo zostaną wykorzystane własne prawa konstytutywne dla betonu bazujące na: 1) ciągłym opisie zarysowania (wzbogacone o długość charakterystyczną poprzez zastosowanie teorii nielokalnej typu całkowego), 2) nieciągłym opisie rys w kontinuum (elementy kohezyjne, rozszerzona metoda elementów skończonych XFEM) oraz 3) najnowszym połączonym opisie ciągło-nieciągłym. Obliczenia zostaną wykonane z rzeczywistą geometrią 4 faz betonu na podstawie zdjęć z mikro-tomografu komputerowego 3D. Szczególna uwaga zostanie zwrócona na problem prawidłowej definicji reprezentatywnego elementu objętościowego w betonie. Wyniki numeryczne 2D i 3D z modelem dwuskalowym zostaną zwalidowane na podstawie wyników doświadczeń laboratoryjnych.