Eine intelligente Brücke, die durch in Calciumlactat eingekapselte Bakterien ihre eigenen Risse heilen sollte, ist gescheitert. Die Risse heilten nicht, und der Beton verlor seine selbstheilende Fähigkeit. Die Frage, die Ingenieure beantworten müssen, ist, ob die Mikrokapseln während des Gießens vorzeitig brachen oder ob die Porosität des Materials die biologische Aktivierung verhinderte.
Forensische Diagnose mittels Mikrotomographie und finiten Elementen 🧪
Um diesen Fehler zu beheben, wurde ein multidisziplinärer Arbeitsablauf eingesetzt. Zuerst verarbeitete VGSTUDIO MAX die Daten der Röntgen-Mikrotomographie und erstellte ein volumetrisches 3D-Modell der Risse und der eingebetteten Kapseln. Diese Analyse ergab, dass 30 % der Kapseln bereits vor der Rissbildung im Beton gebrochen waren und das Heilmittel vorzeitig freisetzten. Anschließend wurde die Geometrie nach Ansys exportiert, um die Eigenspannungen zu simulieren. Die Finite-Elemente-Simulation bestätigte, dass die mechanische Ermüdung während des Erhärtens und das plastische Schwinden Spannungsspitzen von über 12 MPa in den Kapselwänden erzeugten, die deren Bruchgrenze überschritten.
Lehren für die Ermüdungssimulation in Verbundwerkstoffen 🔧
Die Kombination von GOM Inspect für die Analyse von Oberflächenverformungen und Ansys für die Simulation zyklischer Ermüdung ermöglichte es, die Zonen hoher Porosität mit dem Bruch der Kapseln zu korrelieren. Der Fehler lag nicht bei den Bakterien, sondern beim Behälter. Dieser Fall zeigt, dass die strukturelle Validierung der Mikrokapseln mittels 3D-Simulation entscheidend ist, um vorzeitige Ausfälle in selbstheilenden Materialien zu vermeiden. Die Ermüdung des Opfermaterials muss vor der Anwendung auf der Baustelle modelliert werden.
Wie modelliert man in der Finite-Elemente-Simulation einer Brücke aus selbstheilendem Beton die Kinetik der bakteriellen Aktivierung, wenn die Mikrokapseln durch zyklische Ermüdung brechen und das Calciumlactat zeitlich ungleichmäßig freigesetzt wird?
(PS: Materialermüdung ist wie deine nach 10 Stunden Simulation.)