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Model components and experimental methods for improved characterization of fatigue behavior of plain and reinforced concrete
2022
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak03
Hauptberichter/Gutachter
; ;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-07-07
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-07281
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/850136/files/850136.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
bond (frei) ; constitutive modeling (frei) ; cyclic loading (frei) ; damage accumulation (frei) ; damage-plasticity (frei) ; fatigue (frei) ; interfaces (frei) ; loading sequence effect (frei) ; microplane theory (frei) ; thermodynamics (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624
Kurzfassung
Trotz der bemerkenswerten Erkenntnisse, die in den letzten Jahren bei der Modellierung und Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von Beton gewonnen wurden, bleiben noch viele offene Fragen zu klären, um einen tieferen und allgemeinen Einblick in die Phänomenologie der Ermüdung von Beton zu ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein numerischer, theoretischer und experimenteller Rahmen für die Analyse und Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von Beton entwickelt, um das Verständnis der Ermüdungsphänomenologie in Bezug auf die grundlegenden Ermüdungsschädigungsmechanismen zu verbessern, die in der inneren Materialstruktur auftreten. Die vorgestellte Arbeit zielt darauf ab, die Basis für eine effizientere Analyse und Bewertung des Ermüdungsverhaltens von Beton zu schaffen, was langfristig zur Formulierung zuverlässiger und wirtschaftlicher Bemessungskonzepte und Normen für Stahlbetonbauwerke unter Ermüdungsbelastung beiträgt. Die in dieser Arbeit entwickelten Modellierungskomponenten basieren auf einer erweiterten Hypothese zur Modellierung der Ermüdung, welche die dissipativen Mechanismen im Zusammenhang mit kumulativen zyklischen Scherverformungen bei subkritischen Belastungsniveaus konsistent repräsentiert und im Rahmen der Thermodynamik formuliert ist. Die verfeinerte Ermüdungshypothese wird im Rahmen der Verbundermüdung verwendet, um die Verbundschädigung unter Ermüdungsbeanspruchung zu beschreiben, und wird für duktile und spröde Arten des Verbundverhaltens kalibriert und validiert. Das Interface-Modell wird weiterentwickelt, um die 3D-Kinematik des Verhaltens von Grenzflächen unter monotoner und Ermüdungsbeanspruchung konsistent zu beschreiben und ein allgemeines konstitutives Ermüdungsgesetz bereitzustellen, das in einer Vielzahl von strukturellen Applikationen eingesetzt werden kann. Um die triaxiale Spannungsumlagerung innerhalb der Betonstruktur unter Druckermüdungsbeanspruchung zu erfassen, wird ein neues Microplane-Ermüdungsmodell entwickelt, das die vorgestellte Ermüdungshypothese mit kumulativen Ermüdungsschädigungen in Folge von Gleiten verwendet. Das Modell wird anhand eines begleitend durchgeführten Versuchsprogramms für normal- und hochfeste Betone kalibriert und validiert. Darüber hinaus wird im Vergleich zu den derzeitigen Ermüdungscharakterisierungsmethoden, die eine große Anzahl von teuren Experimenten erfordern, eine kombinierte numerische, experimentelle und theoretische Methodik eingesetzt, mit der sich die Auswirkungen der Belastungsreihenfolge auf das Ermüdungsverhalten von Beton charakterisieren lassen. Als Ergebnis wird eine erweiterte Bewertungsregel zur Prognose der Ermüdungslebensdauer von Beton unter Druck vorgeschlagen, welche die Auswirkungen der Belastungsreihenfolge berücksichtigt. Dieser Ansatz demonstriert eindrucksvoll den potenziellen Beitrag der fortgeschrittenen und effizienten numerischen Modellierungsansätze zur Formulierung zuverlässiger Bemessungskonzepte im Zusammenhang mit dem Ermüdungsverhalten von Materialien und Strukturen.In spite of the considerable achievements that have been made in recent years in modeling and characterizing the fatigue behavior of concrete, still many open questions need to be fundamentally addressed in order to gain a deep and general insight into the fatigue phenomenology of concrete. In this thesis, a numerical, theoretical and experimental framework for the analysis and characterization of the fatigue behavior of concrete is developed to improve the understanding of the fatigue phenomenology in terms of the fundamental fatigue damage mechanisms occurring in the internal structure of the material. The presented framework aims to provide the basis for a more efficient analysis and evaluation of the fatigue behavior of structural concrete, which in the long run can contribute to the formulation of reliable and economical design concepts and codes for reinforced concrete structures under fatigue loading. The developed modeling components in this thesis are based on an enhanced fatigue modeling hypothesis that consistently represents the dissipative mechanisms associated with cumulative cyclic shear deformation at subcritical loading levels and is formulated within the thermodynamic framework. The refined fatigue hypothesis is applied within the context of bond fatigue to describe the bond deterioration under fatigue loading, and is calibrated and validated for ductile and brittle types of bond behavior. Further enhancement of the one-dimensional interface model is provided to consistently capture the 3D kinematics of zero-thickness interfaces response under monotonic and fatigue loading and providing a generic fatigue constitutive law that can be applied in a wide range of structural applications. To capture the tri-axial stress redistribution within the concrete structure under compressive fatigue loading, a novel microplane fatigue model is developed that employs the introduced fatigue hypothesis with cumulative fatigue damage due to sliding. A systematic calibration and validation procedure of the model response is provided based on accompanying performed experimental program including normal- and high-strength concretes subjected to several loading scenarios of compressive loading. Moreover, in comparison of the current fatigue characterization methods, which require a large number of expensive experiments, a combined numerical, experimental and theoretical methodology is employed to characterize the effects of the loading sequence on the fatigue behavior of concrete. As a result, an enhanced assessment rule for predicting the fatigue life of concrete under compression is proposed that takes into account the effects of the loading sequence. This rule demonstrates the potential contribution of the advanced and efficient numerical modeling approaches to the formulation of reliable design concepts related to the fatigue response of materials and structures.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT021462282
Interne Identnummern
RWTH-2022-07281
Datensatz-ID: 850136
Beteiligte Länder
Germany
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