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In this thesis, a generic model for the post-failure behavior of concrete in tension is proposed. A mesoscale model of concrete representing the heterogeneous nature of concrete is formulated. The mesoscale model is composed of three phases: aggregate, mortar matrix, and the Interfacial Transition Zone between them. Both local and non-local formulations of the damage are implemented and the results are compared. Three homogenization schemes from the literature are employed to obtain the homogenized constitutive relationship for the macroscale model. Three groups of numerical examples are provided.
Experimental Validation of Dynamic Response of Small-Scale Metaconcrete Beams at Resonance Vibration
(2023)
Structures and their components experience substantially large vibration amplitudes at resonance, which can cause their failure. The scope of this study is the utilization of silicone-coated steel balls in concrete as damping aggregates to suppress the resonance vibration. The heavy steel cores oscillate with a frequency close to the resonance frequency of the structure. Due to the phase difference between the vibrations of the cores and the structure, the cores counteract the vibration of the structure. The core-coating inclusions are randomly distributed in concrete similar to standard aggregates. This mixture is referred to as metaconcrete. The main goal of this work is to validate the ability of the inclusions to suppress mechanical vibration through laboratory experiments. For this purpose, two small-scale metaconcrete beams were cast and tested. In a free vibration test, the metaconcrete beams exhibited a larger damping ratio compared to a similar beam cast from conventional concrete. The vibration amplitudes of the metaconcrete beams at resonance were measured with a frequency sweep test. In comparison with the conventional concrete beam, both metaconcrete beams demonstrated smaller vibration amplitudes. Both experiments verified an improvement in the dynamic response of the metaconcrete beams at resonance vibration.
Resonance vibration of structures is an unpleasant incident that can be conventionally avoided by using a Tuned Mass Damper (TMD). The scope of this paper contains the utilization of engineered inclusions in concrete as damping aggregates to suppress resonance vibration similar to a TMD. The inclusions are composed of a stainless-steel core with a spherical shape coated with silicone. This configuration has been the subject of several studies and it is best known as Metaconcrete. This paper presents the procedure of a free vibration test conducted with two small-scaled concrete beams. The beams exhibited a higher damping ratio after the core-coating element was secured to them. Subsequently, two meso-models of small-scaled beams were created: one representing conventional concrete and the other representing concrete with the core-coating inclusions. The frequency response curves of the models were obtained. The change in the response peak verified the ability of the inclusions to suppress the resonance vibration. This study concludes that the core-coating inclusions can be utilized in concrete as damping aggregates.
Die Abkürzung PCC bezieht sie sich hier auf Polymer modified Cement Concrete, also mit Kunststoffen modifizierte Mörtel und Betone. Hierfür hat sich diese Abkürzung auch international durchgesetzt. Sie bezeichnet Baustoffe, die neben dem mineralischen Bindemittel Zement auch Kunststoffe enthalten. Zement und Kunststoff erzielen im späteren Mörtel bzw. Beton eine gemeinschaftliche Bindemittelwirkung. Wiederholter Gegenstand von Schadensfällen ist das Versagen des Haftverbundes zu anderer Bausubstanz. Da PCC häufig als dünne Schutzschicht auf vorhandenen Beton aufgetragen werden, führt ein Versagen der Adhäsion früher oder später auch zu einem Versagen dieser Schutzfunktion. Umgekehrt kann ein Versagen des Schutzes infolge von Rissen im PCC auch im Nachhinein zum Ablösen der Beschichtung führen. Ursächlich für dieses kohäsive Versagen sind dabei i. d. R. die Auswahl falscher bzw. nicht aufeinander abgestimmter Baustoffsysteme oder schlicht Verarbeitungsfehler. Das Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, welchen Einfluss die kohäsiven und adhäsiven Eigenschaften von PCC auf deren Dauerhaftigkeit, insbesondere bei der Anwendung als Beschichtungsmaterial, haben. Dazu wurden vier maßgebliche Schwerpunkte bearbeitet. Eine zentrale Rolle für die Dauerhaftigkeit eines Beschichtungsmaterials spielt dessen Längenänderungsverhalten. Der Betrag der positiven und negativen Längenänderungen ist bestimmend für die Spannungen, die im Beschichtungsmaterial entstehen können. Sind die auftretenden Spannungen höher als die Zugfestigkeit des PCC erfolgt der Spannungsabbau durch Risse. Es kommt also zum Kohäsionsversagen im Mörtel. Wird der PCC als Beschichtungsmaterial genutzt, werden die Spannungen im Idealfall über die Verbundebene zum Beschichtungsuntergrund übertragen. Übersteigen dabei diese Spannungen die maximal aufnehmbaren Verbundspannungen, kommt es zum Adhäsionsversagen zwischen Beschichtung und Untergrund. In Modellversuchen werden die Effekte des Längenänderungsverhaltens kunststoffmodifizierter Zementsteine auf den Haftverbund zu einer Gesteinskörnung untersucht. Dadurch werden Rückschlüsse auf die Kohäsion innerhalb der PCC durch die Beschreibung des adhäsiven Verbundes zwischen Zementsteinmatrix und Gesteinskörnung gezogen. Neben der Längenänderung sind auch die Festigkeitseigenschaften der PCC bedeutsam für deren Dauerhaftigkeit. Es werden die Festigkeitseigenschaften kunststoffmodifizierter Mörtel und Betone nicht nur von der mechanischen Seite betrachtet. Der Focus liegt vielmehr auf der Beschreibung der durch die Kunststoffe beeinflussten kohäsiven Eigenschaften bei mechanischer Belastung. Es wird das Verhalten der polymeren Matrix nach einer Kurzzeitbelastung untersucht. Damit werden die Vorgänge, die letztlich zu einer Beeinflussung der Festigkeitseigenschaften führen, dargestellt. In diesem Zusammenhang wird auch der Einfluss der Temperatur auf die Festigkeit der PCC betrachtet. Die Untersuchung des Frost-Taumittel-Widerstandes mittels CDF- bzw. CIF-Verfahrens ist eine gute Möglichkeit, neben der Beurteilung der Dauerhaftigkeit auch Rückschlüsse auf die kohäsiven als auch, im mikroskopischen Maßstab betrachtet, die adhäsiven Eigenschaften der PCC zu ziehen. Damit ist gemeint, dass die Kohäsion von PCC durch deren adhäsive Eigenschaften zwischen kunststoffmodifizierter Zementsteinmatrix und Gesteinskörnern maßgeblich bestimmt wird. Einerseits kann bei starkem Abfall des relativen dynamischen E-Moduls von einer geringeren Kohäsion des PCC ausgegangen werden. Dies würde dann bei einem Mörtel eher zu Rissen führen, über die wiederum betonaggressive Medien eindringen können. Im Gegensatz dazu deutet ein konstant bleibender relativer dynamischer E-Modul auf eine hohe Kohäsion und damit, bei Anwendung des PCC als Beschichtungsmaterial, auf ein höheres adhäsives Versagensrisiko der Beschichtung hin. Andererseits stellt eine höhere Abwitterung, also sozusagen das schichtenweise kohäsive Versagen, eine Gefahr bei dünnen Beschichtungen dar. Dies könnte noch durch die Anwendung anderer Taumittel (z. B. organischer) verstärkt werden. Unter diesen Gesichtspunkten wurden Untersuchungen auf der Basis des CDF-Testes sowie zur Lösungsaufnahmefähigkeit der PCC durchgeführt. Der adhäsive Verbund von PCC zu Beton ist von vielen Faktoren abhängig. Bisher kaum betrachtet wurde die Art des Aufbringens oder der Einfluss der Probengeometrie bei Laborversuchen. Diese sowie der Einfluss einer Salzbelastung des Untergrundes bzw. der Beschichtung wurden untersucht. Ein Teil der durchgeführten Untersuchungen wurde im Rahmen des Teilprojektes B3 „Dauerhaftigkeit polymermodifizierter Mörtel und Betone“ des von der DFG geförderten Sonderforschungsbereiches 524 „Werkstoffe und Konstruktionen für die Revitalisierung von Bau-werken“ realisiert.
Aufgrund des visko-elastoplastischen Materialverhaltens von Beton wird Probekörpern und Bauteilen infolge zyklischer Beanspruchungen Energie zugeführt. Die entsprechenden Energiegrößen werden durch Hystereseflächen der Spannungs-Dehnungslinien beschrieben. In der Literatur finden sich dabei unterschiedliche Ansätze, wofür diese Energie verwendet wird. Erste Untersuchungen zeigen, dass zumindest ein Teil dieser dissipierten Energie in thermische Energie umgewandelt wird. Mithilfe der in diesem Beitrag beschriebenen Methodik lassen sich diese Energiegrößen für jeden Lastwechsel eines Ermüdungsversuches schnell und zuverlässig bestimmen. Anschließend wurden mit dem implementierten Algorithmus die dissipierten Energien von insgesamt 27 zyklischen Versuchen ausgewertet. Analog zu der Dehnungsentwicklung und der Steifigkeitsdegradation weisen auch die Verläufe der dissipierten Energie über die Lastwechselzahl einen dreiphasigen Verlauf auf. Die Auswertung zeigt außerdem eine Korrelation zwischen der Bruchlastwechselzahl und der dissipierten Energie. Auch der Zusammenhang zwischen Probekörpererwärmung und dissipierter Energie konnte bestätigt werden.
The goal of the collaborative research center (SFB 532) >Textile reinforced concrete (TRC): the basis for the development of a new material technology< installed in 1998 at the Aachen University is a complex assessment of mechanical, chemical, economical and productional aspects in an interdisciplinary environment. The research project involves 10 institutes performing parallel research in 17 projects. The coordination of such a research process requires effective software support for information sharing in form of data exchange, data analysis and data archival. Furthermore, the processes of experiment planning and design, modification of material compositions and design parameters and development of new material models in such an environment call for systematic coordination applying the concepts of operational research. Flexible organization of the data coming from several sources is a crucial premise for a transparent accumulation of knowledge and, thus, for a successful research in a long run. The technical information system (TRC-TIS) developed in the SFB 532 has been implemented as a database-powered web server with a transparent definition of the product and process model. It serves as an intranet server with access domains devoted to the involved research groups. At the same time, it allows the presentation of selected results just by granting a data object an access from the public area of the server via internet.
The nonlinear behavior of concrete can be attributed to the propagation of microcracks within the heterogeneous internal material structure. In this thesis, a mesoscale model is developed which allows for the explicit simulation of these microcracks. Consequently, the actual physical phenomena causing the complex nonlinear macroscopic behavior of concrete can be represented using rather simple material formulations. On the mesoscale, the numerical model explicitly resolves the components of the internal material structure. For concrete, a three-phase model consisting of aggregates, mortar matrix and interfacial transition zone is proposed. Based on prescribed grading curves, an efficient algorithm for the generation of three-dimensional aggregate distributions using ellipsoids is presented. In the numerical model, tensile failure of the mortar matrix is described using a continuum damage approach. In order to reduce spurious mesh sensitivities, introduced by the softening behavior of the matrix material, nonlocal integral-type material formulations are applied. The propagation of cracks at the interface between aggregates and mortar matrix is represented in a discrete way using a cohesive crack approach. The iterative solution procedure is stabilized using a new path following constraint within the framework of load-displacement-constraint methods which allows for an efficient representation of snap-back phenomena. In several examples, the influence of the randomly generated heterogeneous material structure on the stochastic scatter of the results is analyzed. Furthermore, the ability of mesoscale models to represent size effects is investigated. Mesoscale simulations require the discretization of the internal material structure. Compared to simulations on the macroscale, the numerical effort and the memory demand increases dramatically. Due to the complexity of the numerical model, mesoscale simulations are, in general, limited to small specimens. In this thesis, an adaptive heterogeneous multiscale approach is presented which allows for the incorporation of mesoscale models within nonlinear simulations of concrete structures. In heterogeneous multiscale models, only critical regions, i.e. regions in which damage develops, are resolved on the mesoscale, whereas undamaged or sparsely damage regions are modeled on the macroscale. A crucial point in simulations with heterogeneous multiscale models is the coupling of sub-domains discretized on different length scales. The sub-domains differ not only in the size of the finite elements but also in the constitutive description. In this thesis, different methods for the coupling of non-matching discretizations - constraint equations, the mortar method and the arlequin method - are investigated and the application to heterogeneous multiscale models is presented. Another important point is the detection of critical regions. An adaptive solution procedure allowing the transfer of macroscale sub-domains to the mesoscale is proposed. In this context, several indicators which trigger the model adaptation are introduced. Finally, the application of the proposed adaptive heterogeneous multiscale approach in nonlinear simulations of concrete structures is presented.
Die Festigkeitsentwicklung des Zementbetons basiert auf der chemischen Reaktion des Zementes mit dem Anmachwasser. Durch Nachbehandlungsmaßnahmen muss dafür gesorgt werden, dass dem Zement genügend Wasser für seine Reaktion zur Verfügung steht, da sonst ein Beton mit minderer Qualität entsteht. Die vorliegende Arbeit behandelt die grundsätzlichen Fragen der Betonnachbehandlung bei Anwendung von Straßenbetonen. Im Speziellen wird die Frage des erforderlichen Nachbehandlungsbedarfs von hüttensandhaltigen Kompositzementen betrachtet. Die Wirkung der Nachbehandlung wird anhand des erreichten Frost-Tausalz-Widerstandes und der Gefügeausbildung in der unmittelbaren Betonrandzone bewertet. Der Fokus der Untersuchungen lag auf abgezogenen Betonoberflächen. Es wurde ein Modell zur Austrocknung des jungen Betons erarbeitet. Es konnte gezeigt werden, dass in einer frühen Austrocknung (Kapillarphase) keine kritische Austrocknung der Betonrandzone einsetzt, sondern der Beton annährend gleichmäßig über die Höhe austrocknet. Es wurde ein Nomogramm entwickelt, mit dem die Dauer der Kapillarphase in Abhängigkeit der Witterung für Straßenbetone abgeschätzt werden kann. Eine kritische Austrocknung der wichtigen Randzone setzt nach Ende der Kapillarphase ein. Für Betone unter Verwendung von Zementen mit langsamer Festigkeitsentwicklung ist die Austrocknung der Randzone nach Ende der Kapillarphase besonders ausgeprägt. Im Ergebnis zeigen diese Betone dann einen geringen Frost-Tausalz-Widerstand. Mit Zementen, die eine 2d-Zementdruckfestigkeit ≥ 23,0 N/mm² aufweisen, wurde unabhängig von der Zementart (CEM I oder CEM II/B-S) auch dann ein hoher Frost-Tausalz-Widerstand erreicht, wenn keine oder eine schlechtere Nachbehandlung angewendet wurde. Für die Praxis ergibt sich damit eine einfache Möglichkeit der Vorauswahl von geeigneten Zementen für den Verkehrsflächenbau. Betone, die unter Verwendung von Zementen mit langsamere Festigkeitsentwicklung hergestellt werden, erreichen einen hohen Frost-Tausalz-Widerstand nur mit einer geeigneten Nachbehandlung. Die Anwendung von flüssigen Nachbehandlungsmitteln (NBM gemäß TL NBM-StB) erreicht eine ähnliche Wirksamkeit wie eine 5 tägige Feuchtnachbehandlung. Voraussetzung für die Wirksamkeit der NBM ist, dass sie auf eine Betonoberfläche ohne sichtbaren Feuchtigkeitsfilm (feuchter Glanz) aufgesprüht werden. Besonders wichtig ist die Beachtung des richtigen Auftragszeitpunktes bei kühler Witterung, da hier aufgrund der verlangsamten Zementreaktion der Beton länger Anmachwasser abstößt. Ein zu früher Auftrag des Nachbehandlungsmittels führt zu einer Verschlechterung der Qualität der Betonrandzone. Durch Bereitstellung hydratationsabhängiger Transportkenngrößen (Feuchtetransport im Beton) konnten numerische Berechnungen zum Zusammenspiel zwischen der Austrocknung, der Nachbehandlung und der Gefügeentwicklung durchgeführt werden. Mit dem erstellten Berechnungsmodell wurden Parameterstudien durchgeführt. Die Berechnungen bestätigen die wesentlichen Erkenntnisse der Laboruntersuchungen. Darüber hinaus lässt sich mit dem Berechnungsmodell zeigen, dass gerade bei langsam reagierenden Zementen und kühler Witterung ohne eine Nachbehandlung eine sehr dünne Randzone (ca. 500 µm – 1000 µm) mit stark erhöhter Kapillarporosität entsteht.
In dieser Arbeit werden die Ergebnisse von experimentellen Untersuchungen an unbewehrten und bewehrten modifizierten Betonen unter monoton steigender Belastung bis zum Bruch, einfacher Kurzzeitbelastung im Grenzbereich der Tragfähigkeit und mehrfach wiederholter Belastung mit kontinuierlicher Be- und Entlastungsgeschwindigkeit vorgestellt und ausgewertet. Für die Modifizierung der Betone wurden zwei grundsätzliche Vorgehens¬weisen angewendet: die Variation der Gesteinskörnung und die Modifizierung der Bindemittelphase mit thermoplastischen Polymeren. Die Auswirkungen der Modifikationen auf die Festigkeitseigenschaften und das Formänderungsverhalten des Betons bei Kurzzeitbelastung waren dabei von besonderem Interesse.
Die beobachteten Veränderungen der Festbetoneigenschaften sowie der nichtlineare Zu-sammenhang zwischen den elastischen und nichtelastischen Verformungsanteilen signali-sieren, dass derartige Modifizierungen das Verformungs- und Bruchverhalten von Beton sig-nifikant beeinflussen und somit beim Nachweis der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit berücksichtigt werden müssen. Neben der Evaluierung des beanspruchungsabhängigen Formänderungsverhaltens werden die etablierten Ansätze zur Beschreibung der Gefügezu-standsbereiche bei Druckbelastung weiter entwickelt, so dass die Übergänge zwischen den Bereichen exakt ermittelt und die Ausprägung der Bereiche quantifiziert werden können. Damit ist ein genauerer Vergleich der durch die Modifizierungen hervorgerufenen Verände-rungen möglich.
Das Hauptziel der Arbeit war es zu klären, ob alkalihaltige Enteisungsmittel eine Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) auslösen und/oder beschleunigen können und was die dabei ggf. zugrunde liegenden Mechanismen sind. Die Untersuchungen dazu ergaben, dass die auf Verkehrsflächen eingesetzten alkalihaltigen Enteisungsmittel auf Basis von Natriumchlorid (Fahrbahndecken) bzw. auf Basis der Alkaliacetate und -formiate (Flugbetriebsflächen) den Ablauf einer AKR in Betonen mit alkalireaktiven Gesteinskörnungen auslösen und mitunter stark beschleunigen können. Dabei nimmt die AKR-fördernde Wirkung der Enteisungsmittel in der Reihenfolge Natriumchlorid - Alkaliacetate - Alkaliformiate erheblich zu.
Es zeigte sich, dass im Fall der Alkaliacetate und -formiate nicht allein die Zufuhr von Alkalien von Bedeutung ist, sondern dass es außerdem zu einer Freisetzung von OH-Ionen aus dem Portlandit und folglich zu einem Anstieg des pH-Wertes in der Porenlösung kommt. Dadurch wird der Angriff auf alkalireaktives SiO2 in Gesteinskörnungen verstärkt und der Ablauf einer AKR beschleunigt. Unter äußerer NaCl-Zufuhr kommt es hingegen nicht zu einem Anstieg des pH-Wertes, was der Grund für die weniger stark AKR-fördernde Wirkung von NaCl ist. Von Bedeutung sind hier die zugeführten Na-Ionen und offenbar ein sich andeutender, direkter Einfluss von NaCl auf das SiO2-Löseverhalten. Sind pH-Wert und Na-Konzentration in der Porenlösung ausreichend hoch, wird sich thermodynamisch bedingt AKR-Gel bilden. Die Bildung von FRIEDEL’schem Salz ist dabei nur eine Begleiterscheinung, aber keine Voraussetzung für den Ablauf einer AKR unter äußerer NaCl-Zufuhr.
Es zeigte sich weiter, dass sich mit der FIB-Klimawechsellagerung als Performance-Prüfung das AKR-Schädigungspotential von Betonen für Fahrbahndecken und Flugbetriebsflächen zuverlässig beurteilen lässt. Die Vorteile der FIB-Klimawechsellagerung liegen in der Prüfung kompletter, projektspezifischer Betonzusammensetzungen unter Beachtung aller praxisrelevanten klimatischen Einwirkungen und vor allem in der Berücksichtigung einer äußeren Alkalizufuhr. Innerhalb von 36 Wochen kann das AKR-Schädigungspotential einer Betonzusammensetzung für eine Nutzungsdauer von 20-30 Jahren in der Praxis sicher beurteilt werden.