Concrete fatigue modeling and characterization across scales: lattice-discrete and microplane models rooted in a unified dissipative hypothesis

Aguilar, Mario; Claßen, Martin; Pichler, Bernhard; Chudoba, Rostislav; Hegger, Josef

doi:45411

Concrete fatigue modeling and characterization across scales: lattice-discrete and microplane models rooted in a unified dissipative hypothesis

Aguilar, Mario^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Mario Aguilar Rueda

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Chudoba, Rostislav (Thesis advisor)^RWTH* ; Claßen, Martin (Thesis advisor)^RWTH* ; Hegger, Josef (Thesis advisor)^RWTH* ; Pichler, Bernhard (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-05-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-05584
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1036591/files/1036591.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Massivbau (311610)

Projekte

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Die Charakterisierung und Vorhersage der Betonermüdung sind von wachsender Bedeutung für die Bemessung und das Lebenszyklusmanagement von Infrastruktur, angetrieben durch alternde Bauwerke, Nachhaltigkeitsziele, ökoeffiziente Bindemittel und hybride Türme für Windenergieanlagen. Obwohl umfangreiche experimentelle Datensätze von konventionellen Betonen unter zyklischen Beanspruchungen mit idealisierten Belastungsbedingungen vorliegen, bestehen weiterhin grundlegende Wissenslücken, insbesondere hinsichtlich mehrachsiger Spannungszustände, Reihenfolgeeffekte, Umwelteinflüsse sowie des Ermüdungsverhaltens neuartiger Bindemittelsysteme. Das Schließen dieser Lücken erfordert physikalisch fundierte Modelle, die Degradationsmechanismen ausgehend von grundlegenden Prinzipien beschreiben. Die theoretische Grundlage bildet eine experimentell motivierte Hypothese, die ermüdungsbedingte Degradation in der Zuschlagstoff–Zementstein-Grenzfläche maßgeblich durch die Akkumulation inelastischer Dehnungen bestimmt wird. Diese Hypothese wird in einem thermodynamisch fundierten Ansatz formalisiert und in Form konstitutiver Gesetze in zwei komplementären Modellierungsansätzen implementiert: (i) in einer diskreten Formulierung innerhalb des Lattice Discrete Particle Model (LDPM) im Programmpaket MARS und (ii) im kontinuierlichen Microplane-Modell MS1, implementiert im Finite-Elemente-Programm ATENA zur Analyse auf der Bauteilebene. Die systematische Validierung erfolgt über mehrere Skalen: Materialpunktsimulationen, einaxiale Druckermüdungsversuche an zylindrischen und prismatischen Probekörpern, Punch-Through-Shear-Tests zur Erfassung mehrachsiger Spannungszustände unter kombinierter Druck- und Schubbeanspruchung sowie zyklische Versuche am vorgespannten Betonbalken. Eine energiebasierte Analyse der Ermüdungsdegradation verdeutlicht die Signifikanz von Reihenfolgeeffekten und demonstriert, dass die konventionelle Palmgren-Miner-Regel zu unsicheren Ergebnissen führen kann. Ein zentrales Ergebnis ist, dass die bis zum Versagen schädigungsinduzierte Dissipation über verschiedene Spannungsniveaus und Lebensdauern nahezu konstant bleibt und mit der Größe der Ermüdungsprozesszone skaliert. Dementsprechend ist für einen gegebenen Spannungszustand von einer charakteristischen volumetrischen Energiedissipationskapazität auszugehen, die während der Ermüdung erschöpft wird, weitgehend unabhängig von der Belastungsfolge. Die vorliegende Arbeit erweitert die Modellierung der Betonermüdung durch ein physikalisch motiviertes, thermodynamisch fundiertes Rahmenwerk, das mikrostrukturelle Degradationsmechanismen mit dem makroskopischen Tragwerksverhalten verbindet. Durch die Integration erstprinzipienbasierter konstitutiver Modelle in etablierte numerische Simulationsplattformen bietet der Ansatz neue Einblicke in die Mechanismen der Betonermüdung und trägt zu zuverlässigeren Bemessungsstrategien für ermüdungsbeanspruchte Betontragwerke bei.

The characterization and prediction of fatigue behavior in concrete structures have become increasingly critical for infrastructure design and lifecycle management, driven by aging structures, sustainability imperatives, eco-efficient binder deployment, and emerging applications such as hybrid towers for wind turbines. While extensive experimental datasets exist for conventional concrete under idealized cyclic loading, fundamental knowledge gaps persist regarding multiaxial stress states, load sequence effects, environmental interactions, and the fatigue response of novel binders. Bridging these gaps necessitates physics-based models capturing degradation mechanisms from first principles. This dissertation presents a multiscale computational framework for concrete fatigue in which a thermodynamically consistent constitutive framework, formulated at the microstructural level of concrete, is systematically calibrated and validated against experimental data across multiple length scales and loading configurations. The theoretical foundation is based on an experimentally rooted hypothesis that fatigue-driven degradation at the aggregate–cement paste interface is governed by cumulative inelastic strain evolution. This hypothesis is formalized within a thermodynamically based framework and implemented as constitutive relations in two complementary paradigms: (i) a discrete formulation within the Lattice Discrete Particle Model (LDPM) package MARS, enabling explicit representation of mesoscale heterogeneity and discrete crack evolution; and (ii) the continuum microplane model MS1, implemented in the finite element code ATENA for structural-scale analysis. Systematic validations are conducted across multiple scales: material point simulations, uniaxial compressive fatigue tests on cylindrical and prismatic specimens, punch-through shear tests imposing multiaxial stress states, and fatigue tests on prestressed concrete beams. An energy-based analysis elucidates load sequence effects, which may yield unsafe predictions when employing the conventional Palmgren–Miner damage accumulation rule. A principal finding is that cumulative damage-induced dissipation up to failure exhibits remarkable invariance across different stress amplitudes and fatigue lifetimes, scaling with the fatigue process zone size. This indicates a characteristic volumetric energy dissipation capacity for a given stress state that is exhausted during fatigue, largely independent of the applied loading sequence. This research advances computational modeling of concrete fatigue by establishing a physically motivated, thermodynamically rigorous framework linking microstructural degradation mechanisms to macroscopic structural response. By integrating first-principles-based constitutive formulations within established numerical simulation platforms, the proposed methodology yields fundamental insights into concrete fatigue mechanisms and provides a rational foundation for reliable and efficient design strategies for fatigue-loaded concrete infrastructure.

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