In der vorliegenden Arbeit werden die experimentellen Ergebnisse eigener Untersuchungen an unbewehrtem und bewehrtem polymermodifiziertem Beton unter mehrfach wiederholter Druck- und Zugbeanspruchung vorgestellt und mit den Ergebnissen ähnlicher Versuche an Normalbeton und hochfestem Beton verglichen. Besondere Aufmerksamkeit wird dabei dem Formänderungsverhalten, der Steifigkeitsdegradation und der Energiedissipation sowie dem Kriechverhalten und der Mitwirkung des Betons zwischen den Rissen gewidmet. Die beobachtete signifikante Steifigkeitsdegradation sowie der ausgeprägt nichtlineare Zusammenhang zwischen der viskosen Verformung und der elastischen Stauchung zeigen, dass bei der Analyse der Kriech¬aus¬wirkungen des polymermodifizierten Betons auf das Tragverhalten entsprechender Kon¬struktionen neben den Gebrauchslasten auch die während der Lastgeschichte aufgetretenen maximalen Beanspruchungssituationen sowie die damit verbundenen Strukturveränderungen zu berücksichtigen sind. Auf der Basis der Versuchsergebnisse und der visko-elastisch-plastischen Kontinuumsschädigungstheorie werden rheologische Modelle zur Beschreibung des zeit- und beanspruchungsabhängigen Tragverhaltens von Betonbauteile vorgeschlagen. Die numerische Umsetzung der vorgeschlagenen Modelle erfolgt unter Berücksichtigung des zeitabhängigen Materialverhaltens des Betons auf der Basis des HAMILTON-Prinzips unter Vernachlässigung der Trägheitskräfte. Durch eine zeitliche Diskretisierung kann die Problembeschreibung auf das Prinzip von LAGRANGE vom Minimum des Gesamtpotentials zurückgeführt und als nichtlineare Optimierungsaufgabe formuliert werden. Die Simulation des beanspruchungsabhängigen Tragverhaltens von Stahlbetonverbundquerschnitten verdeutlicht die Qualität und Leistungsfähigkeit der vorgeschlagenen Modellbildung.
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.
Encapsulation-based self-healing concrete (SHC) is the most promising technique for providing a self-healing mechanism to concrete. This is due to its capacity to heal fractures effectively without human interventions, extending the operational life and lowering maintenance costs. The healing mechanism is created by embedding capsules containing the healing agent inside the concrete. The healing agent will be released once the capsules are fractured and the healing occurs in the vicinity of the damaged part. The healing efficiency of the SHC is still not clear and depends on several factors; in the case of microcapsules SHC the fracture of microcapsules is the most important aspect to release the healing agents and hence heal the cracks. This study contributes to verifying the healing efficiency of SHC and the fracture mechanism of the microcapsules. Extended finite element method (XFEM) is a flexible, and powerful discrete crack method that allows crack propagation without the requirement for re-meshing and has been shown high accuracy for modeling fracture in concrete. In this thesis, a computational fracture modeling approach of Encapsulation-based SHC is proposed based on the XFEM and cohesive surface technique (CS) to study the healing efficiency and the potential of fracture and debonding of the microcapsules or the solidified healing agents from the concrete matrix as well. The concrete matrix and a microcapsule shell both are modeled by the XFEM and combined together by CS. The effects of the healed-crack length, the interfacial fracture properties, and microcapsule size on the load carrying capability and fracture pattern of the SHC have been studied. The obtained results are compared to those obtained from the zero thickness cohesive element approach to demonstrate the significant accuracy and the validity of the proposed simulation. The present fracture simulation is developed to study the influence of the capsular clustering on the fracture mechanism by varying the contact surface area of the CS between the microcapsule shell and the concrete matrix. The proposed fracture simulation is expanded to 3D simulations to validate the 2D computational simulations and to estimate the accuracy difference ratio between 2D and 3D simulations. In addition, a proposed design method is developed to design the size of the microcapsules consideration of a sufficient volume of healing agent to heal the expected crack width. This method is based on the configuration of the unit cell (UC), Representative Volume Element (RVE), Periodic Boundary Conditions (PBC), and associated them to the volume fraction (Vf) and the crack width as variables. The proposed microcapsule design is verified through computational fracture simulations.
Im Rahmen der Arbeit wird das Tragverhalten von dampfgehärtetem Porenbeton unter einachsiger Druckbeanspruchung untersucht. Ziel ist es, einen Zusammenhang zwischen makroskopischen Spannungs-Dehnungs-Beziehungen, beanspruchungsbedingten Strukturänderungen und der Dauerstandfestigkeit herzustellen. Die Dauerstandfestigkeit stellt im Sinne der Arbeit eine elementare Gefügeschwelle dar, durch sie wird das stabile vom instabilen Tragverhalten abgegrenzt. Der Zusammenhang zwischen Strukturänderungen und Spannungs-Dehnungs-Verhalten wird anhand mechanischer Modelle analysiert. Diese Untersuchungen liefern die konzeptionelle Orientierung für die durchzuführenden Laborversuche. Die experimentelle Basis der Arbeit bilden Kurzzeit- und Langzeitversuche an Porenbetonzylindern unter einachsiger Druckbeanspruchung. Es werden Probekörper von drei Porenbetonwerken untersucht. Um den Einfluss der Lastgeschichte aufzuzeigen, wird die Versuchsdauer zwischen einer Sekunde und mehreren Wochen variiert. Die Versuche werden mit unterschiedlichen Lastregimen durchgeführt: sowohl mit monoton gesteigerter Beanspruchung bis zum Versagen bzw. bis zum vorgesehenen Beanspruchungsniveau als auch mit niederzyklischer Beanspruchung. Die Messdaten werden unter Einbeziehung der dreidimensionalen Ansätze der Spannungs- und Deformationstheorie hinsichtlich des sphärischen und des deviatorischen Anteils des Spannungs- und Verformungszustandes ausgewertet. Diese auf die separate Betrachtung der Volumen- und Gestaltänderung gestützte Auswertung liefert zusätzliche Erkenntnisse hinsichtlich der Zuordnung von reversiblen und irreversiblen Verformungen zu den Teiltensoräquivalenten. Entsprechend den Versuchsergebnissen ändert sich die Kompressibilität des Porenbetons belastungsabhängig. Bereits kurzzeitige Überlastungen oberhalb der experimentell ermittelten Dauerstandgrenze sind von signifikanten Änderungen der Kompressionssteifigkeit begleitet. Das qualitative Tragverhalten des Porenbetons, das bei Beanspruchungen oberhalb der Dauerstandfestigkeit grundsätzliche Änderungen erfährt, lässt sich so bereits im Kurzzeitversuch abgrenzen. Zusätzliche Auswertungen für Normalbeton und selbstverdichtenden hochfesten Beton weisen auf analoges Verhalten hin. Auf der Basis der durchgeführten Untersuchungen werden Konzepte vorgestellt, mit denen die Dauerstandfestigkeit im Kurzzeitversuch, das heißt mit einer Versuchsdauer von wenigen Stunden, prognostiziert werden kann. Damit können Untersuchungen zur Dauerstandfestigkeit, die eine grundlegende Größe zur Beurteilung der Tragfähigkeit darstellt, routinemäßig durchgeführt werden.