Effect of multifilament yarn crack bridging on uniaxial behavior of textile reinforced concrete

Konrad, Martin Otto Alfred; Meskouris, Konstantin

doi:HT015880945

Effect of multifilament yarn crack bridging on uniaxial behavior of textile reinforced concrete = Einfluss der Multifilament-Rissüberbrückung auf das einaxiale Verhalten des textilbewehrten Betons

Konrad, Martin Otto Alfred (Author)

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Martin Otto Alfred Konrad

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2008

UmfangVI, 162 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Zusammenfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Meskouris, Konstantin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-11-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-26898
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50661/files/Konrad_Martin.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik (311810)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Textilbeton (Genormte SW) ; Nichtlineare Finite-Elemente-Methode (Genormte SW) ; Mehrskalenmodell (Genormte SW) ; Modellierung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Mikroebene (frei) ; Rissüberbrückung (frei) ; textile reinforced concrete (frei) ; micro scale (frei) ; crack bridge (frei) ; multi-scale simulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Textilbewehrter Beton ist ein in den letzten zehn Jahren entwickelter, neuartiger Verbundwerkstoff. Die Verwendung textiler Bewehrungsgelege aus korrosionsbeständigen Fasermaterialien in einer Betonmatrix ermöglicht die Erstellung von sehr filigranen Bauteilen. Im Vergleich mit anderen Verbundwerkstoffen kennzeichnet den Textilbeton eine ausgeprägte Heterogenität von Bewehrung und Betonmatrix. Insbesondere auf der Mikroebene weisen die Materialkomponenten große Abweichungen in ihrem geometrischen Aufbau, in ihren lokalen Eigenschaften und in der Qualität ihrer lokalen Bindungen untereinander auf. Die Schädigungslokalisierung beim textilbewehrten Beton weist deshalb eine gegenseitige Beeinflussung der wesentlichen Versagensmechanismen der Matrix, der Bewehrung und des Verbundes auf. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Rahmens für die detaillierte Beschreibung der Heterogenität in der Materialstruktur des textilbewehrten Betons unter einaxialer Belastung. Dieser wird gebildet durch drei aufeinander aufbauende Modelle: Faser-Interface-Modell (FIM), Rissüberbrückungsmodell (RBM), Stochastisches Rissüberbrückungsmodell (SRM). Das Faser-Interface-Modell (FIM) ist die Basis-Modellkomponente auf der Mikroebene. In diesem Model werden die Material- und Verbundcharakteristika einer einzelnen Faser abgebildet. Das Modell ermöglicht sowohl die parallele Kopplung an die Matrix als auch eine serielle Kopplung der FIM untereinander. Die Formulierung des gemeinsamen Materialmodells für die Faser und ihren Verbund zur Matrix unter Kombination von Plastizität und Schädigung ermöglicht die Erstellung von Schädigungsfunktionen, die neben der Dehnung der Faser auch den Schlupf zwischen Faser und Matrix berücksichtigen. Das Rissüberbrückungsmodell (RBM) verwendet das FIM sowohl zur Abbildung individueller Filamente als auch repräsentativer Gruppen von Filamenten mit ähnlichen Eigenschaften. Zwei verschiedene Ansätze werden vorgestellt: Das Statistische Rissüberbrückungsmodell (SRBM) repräsentiert die Heterogenität in Form von statistischen Verteilungen und gestattet die Ableitung der statistischen Momente der Materialantwort. Das Deterministische Rissüberbrückungsmodell (DRBM) verwendet Querschnittsprofile zur Abbildung der räumlichen Veränderlichkeit der Materialeigenschaften und ermöglicht so die Reproduktion von komplexen Interaktionen und Lastgeschichten. Das Stochastische Rissbildungsmodel (SRM) erlaubt eine direkte Auswertung des tension-stiffening-Effektes während der multiplen Rissbildung unter einaxialer Belastung. Die Kombination mit dem Rissüberbrückungsmodell (RBM) vervollständigt den mehrskaligen Rahmen, indem sie eine effiziente Methode zur Übertragung der mikromechanischen Materialcharakterisierung auf die Beschreibung des Bauteilverhaltens zur Verfügung stellt.

Textile reinforced concrete (TRC) has emerged in the last decade as a new composite material combining the textile reinforcement with cementitious matrix. Its appealing feature is the possibility to produce filigree high-performance structural elements that are not prone to corrosion as it is the case for steel reinforced concrete. In comparison with other composite materials, TRC exhibits a high degree of heterogeneity and imperfections that requires special treatment in the development of numerical models. In particular, the material structure at the micro scale shows a high amount of irregularities and imperfections in the geometrical layout of the basic components and in the quality of local bindings between them. As a result, the damage localization process of TRC exhibits interactions between elementary failure mechanisms in the matrix, in the reinforcement and in the bond. The objective of the work at hand is the development of a framework for the detailed description of the heterogeneity in the material structure of TRC under uniaxial loading including the micro, meso, and macro scale. The framework is constituted by three consecutive models: Fiber Interface Model (FIM), Crack Bridge Model (CBM), Stochastic Cracking Model (SCM). The Fiber Interface Model (FIM) is the basic model component on the micro level. In this model the material- and the bond-characteristics of a single fiber are represented. FIM can be used as a building block in more complex models by parallel and serial coupling. The compound formulation of the material model for the fiber and its interface to the matrix combines plasticity and damage providing the possibility of constructing damage laws including both the fiber strain and the slip between fiber and matrix. The Crack Bridge Model (CBM) employs the FIM for the representation of single filament or groups of filaments with similar properties. Two different approaches are introduced to describe the variation of the material properties. The Statistical Crack Bridge Model (SCBM) reflects the heterogeneity in form of statistical distributions, with the possibility to derive the statistical moments of the response. The Deterministic Crack Bridge Model (DCBM) uses cross-sectional profiles to represent the spatial variability of the material parameters and enables the reproduction of complex interactions and loading histories. The Stochastic Cracking Model (SCM) enables a direct evaluation of the tension stiffening effect during the multiple cracking under uniaxial tensile loading. The combination with the Crack Bridge model (CBM) completes the multi-scale framework by providing an efficient method to transfer the micromechanical characterization of the material structure into the prediction of the tensile behavior on the macro level.

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