Constitutive modeling of anisotropic layered quasi-brittle materials : formulation and application to finite element analysis of layered rock mass and 3D printed concrete

Das mechanische Verhalten von geschichteten quasi-spröden Materialien, wie beispielsweise Gestein oder 3D gedrucktem Beton, ist durch irreversible Verformungen, verfestigendes Materialverhalten im Vorbruchbereich sowie Entfestigung, begleitet durch eine Reduktion der Materialsteifigkeit aufgrund von Schädigungsprozessen im Nachbruchbereich, gekennzeichnet. Darüber hinaus zeigt das Materialverhalten von geschichteten quasi-spröden Materialien eine starke Abhängigkeit von der Belastungsrichtung bezogen auf die Orientierung der Schichtungsebenen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die mathematische Beschreibung der konstitutiven Beziehungen von anisotropen quasi-spröden Materialien. Zu diesem Zweck ist die Arbeit in zwei Teile gegliedert. Der erste Teil befasst sich mit der Entwicklung eines konstitutiven Modells für geschichtetes intaktes Gestein und Gebirge. Basierend auf einer kritischen Beurteilung gängiger Modellierungsansätze zur Berücksichtigung transversaler Isotropie in elasto-plastischen Modellen wird das isotrope Rock Damage Plasticity (RDP) Modell von Unteregger u. a. (2015) auf transversal isotropes Materialverhalten erweitert. Um netzunabhängige Ergebnisse in FE-Simulationen zu erhalten, wird das entfestigende Materialverhalten durch eine über-nichtlokale implizite Gradientenerweiterung nach Schreter u. a. (2018b) regularisiert. Das erweiterte Modell, bezeichnet als TI-RDP Modell, wird mittels eines impliziten Integrationsalgorithmus in die Material Modelling Toolbox Marmot (Neuner u. a. (2021)) implementiert. Das TI-RDP Modell wird durch Integrationspunkt Simulationen sowie 3D FE-Simulationen von triaxialen Druckversuchen von Niandou u. a. (1997) an Tournemire Schiefer kalibriert und validiert. Dabei werden verschiedene Neigungswinkel der Schichtungsebenen in Bezug auf die Belastungsrichtung sowie unterschiedliche Umschnürungsdrücke berücksichtigt. Um den Einfluss der Orientierung von geschichtetem Gebirge auf den Vortrieb tiefliegender Tunnel zu untersuch
The mechanical behavior of anisotropic quasi-brittle materials, such as layered rock or 3D printed concrete, is characterized by irreversible deformations, pressure-dependent hardening plasticity in the pre-peak regime, and strain softening in the post-peak regime accompanied by degradation of the material stiffness due to damaging processes. In addition, the mechanical response of layered quasi-brittle materials depends on the loading direction with respect to the orientation of the layering. The aim of the present thesis is the development of a mathematical constitutive framework suitable for modeling such anisotropic quasi-brittle materials. To achieve this objective, the mechanical behavior of two distinct material types is analyzed. Hence, the thesis is divided into two major parts. The first part deals with the development of a constitutive model for layered intact rock and rock mass and its application to finite element simulations of deep tunneling. Based on a critical review of popular modeling approaches for considering transversely isotropic behavior in elasto-plastic models, the isotropic rock damage plasticity (RDP) model by Unteregger et al. (2015) is extended to inherent transversely isotropic material behavior. For obtaining mesh-insensitive results in finite element simulations, the softening behavior is regularized by an over-nonlocal implicit gradient-enhancement following Schreter et al. (2018b). The novel model, denoted as TI-RDP model, is implemented on the basis of an implicit time integration algorithm within the framework of the Material Modelling Toolbox Marmot (Neuner et al. (2021)). The TI-RDP model is calibrated and validated by integration point simulations and 3D finite element simulations of triaxial compression tests on Tournemire Shale by Niandou et al. (1997), performed for different inclination angles of the stratification planes with respect to the direction of axial loading and different confining pressures. For investigating th
Dipl.-Ing. Thomas Mader, BSc
Kumulative Dissertation aus fünf Artikeln
Kurzfassung in deutscher Sprache
Dissertation Universität Innsbruck 2023