Numerical investigations on the uniaxial tensile behaviour of Textile Reinforced Concrete [Elektronische Ressource] / Jens Hartig. Gutachter: Ulrich Häußler-Combe ; Ekkehard Ramm. Betreuer: Ulrich Häußler-Combe

Numerical investigations on the uniaxial tensile behaviour of Textile Reinforced Concrete [Elektronische Ressource] / Jens Hartig. Gutachter: Ulrich Häußler-Combe ; Ekkehard Ramm. Betreuer: Ulrich Häußler-Combe

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Numerical investigations on the uniaxialtensile behaviour of Textile ReinforcedConcreteNumerische Untersuchungen zum einaxialenZugtragverhalten von TextilbetonVon der Fakult¨ at Bauingenieurwesender Technischen Universit¨ at Dresdenzur Erlangung der Wurde¨ einesDoktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)genehmigteDissertationvorgelegt vonDipl.-Ing. Jens Uwe Hartiggeboren am 6. Dezember 1979 in RiesaGutachter:Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich H¨ außler-CombeProf. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Ekkehard RammTag der Verteidigung: 27.01.2011AbstractIn the present work, the load-bearing behaviour of Textile Reinforced Concrete (TRC), whichis a composite of a fine-grained concrete matrix and a reinforcement of high-performancefibres processed to textiles, exposed to uniaxial tensile loading was investigated based on nu-merical simulations. The investigations are focussed on reinforcement of multi-filament yarnsof alkali-resistant glass. When embedded in concrete, these yarns are not entirely penetratedwith cementitious matrix, which leads associated with the heterogeneity of the concrete andthe yarns to a complex load-bearing and failure behaviour of the composite. The main objec-tive of the work was the theoretical investigation of effects in the load-bearing behaviour ofTRC, which cannot be explained solely by available experimental results.

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Published 01 January 2011
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Numerical investigations on the uniaxial
tensile behaviour of Textile Reinforced
Concrete
Numerische Untersuchungen zum einaxialen
Zugtragverhalten von Textilbeton
Von der Fakult¨ at Bauingenieurwesen
der Technischen Universit¨ at Dresden
zur Erlangung der Wurde¨ eines
Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigte
Dissertation
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Jens Uwe Hartig
geboren am 6. Dezember 1979 in Riesa
Gutachter:
Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich H¨ außler-Combe
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Ekkehard Ramm
Tag der Verteidigung: 27.01.2011Abstract
In the present work, the load-bearing behaviour of Textile Reinforced Concrete (TRC), which
is a composite of a fine-grained concrete matrix and a reinforcement of high-performance
fibres processed to textiles, exposed to uniaxial tensile loading was investigated based on
numerical simulations. The investigations are focussed on reinforcement of multi-filament yarns
of alkali-resistant glass. When embedded in concrete, these yarns are not entirely penetrated
with cementitious matrix, which leads associated with the heterogeneity of the concrete and
the yarns to a complex load-bearing and failure behaviour of the composite. The main
objective of the work was the theoretical investigation of effects in the load-bearing behaviour of
TRC, which cannot be explained solely by available experimental results. Therefore, a model
was developed, which can describe the tensile behaviour of TRC in different experimental
test setups with a unified approach.
Neglecting effects resulting from Poisson’s effect, a one-dimensional model implemented
within the framework of the Finite Element Method was established. Nevertheless, the model
takes also transverse effects into account by a subdivision of the reinforcement yarns into
so-called segments. The model incorporates two types of finite elements: bar and bond
elements. In longitudinal direction, the bar elements are arranged in series to represent the
load-bearing behaviour of matrix or reinforcement. In transverse direction these bar
element chains are connected with bond elements. The model gains most of its complexity
from non-linearities arising from the constitutive relations, e. g., limited tensile strength of
concrete and reinforcement, tension softening of the concrete, waviness of the reinforcement
and non-linear bond laws. Besides a deterministic description of the material behaviour, also
a stochastic formulation based on a random field approach was introduced in the model.
The model has a number of advantageous features, which are provided in this combination
only in a few of the existing models concerning TRC. It provides stress distributions in the
reinforcement and the concrete as well as properties of concrete crack development like crack
spacing and crack widths, which are in some of the existing models input parameters and
not a result of the simulations. Moreover, the successive failure of the reinforcement can be
studied with the model. The model was applied to three types of tests, the filament pull-out
test, the yarn pull-out test and tensile tests with multiple concrete cracking.
The results of the simulations regarding the filament pull-out tests showed good
correspondence with experimental data. Parametric studies were performed to investigate the influence
of geometrical properties in these tests like embedding and free lengths of the filament as
well as bond properties between filament and matrix. The presented results of simulations
of yarn pull-out tests demonstrated the applicability of the model to this type of test. It
has been shown that a relatively fine subdivision of the reinforcement is necessary to
represent the successive failure of the reinforcement yarns appropriately. The presented results
showed that the model can provide the distribution of failure positions in the reinforcement
and the degradation development of yarns during loading. One of the main objectives of
III
the work was to investigate effects concerning the tensile material behaviour of TRC, which
could not be explained, hitherto, based solely on experimental results. Hence, a large number
of parametric studies was performed concerning tensile tests with multiple concrete
cracking, which reflect the tensile behaviour of TRC as occurring in practice. The results of the
simulations showed that the model is able to reproduce the typical tripartite stress-strain
response of TRC consisting of the uncracked state, the state of multiple matrix cracking
and the post-cracking state as known from experimental investigations. The best agreement
between simulated and experimental results was achieved considering scatter in the material
properties of concrete as well as concrete tension softening and reinforcement waviness.Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit besch¨ aftigt sich mit Untersuchungen zum einaxialen
Zugtragverhalten von Textilbeton. Textilbeton ist ein Verbundwerkstoff bestehend aus einer Matrix aus
Feinbeton und einer Bewehrung aus Multifilamentgarnen aus Hochleistungsfasern, welche zu
textilen Strukturen verarbeitet sind. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf
Bewehrungen aus alkali-resistentem Glas. Das Tragverhalten des Verbundwerkstoffs ist komplex, was
aus der Heterogenit¨ at der Matrix und der Garne sowie der unvollst¨ andigen Durchdringung
der Garne mit Matrix resultiert. Das Hauptziel der Arbeit ist die theoretische Untersuchung
von Effekten und Mechanismen innerhalb des Lastabtragverhaltens von Textilbeton, welche
nicht vollst¨ andig anhand verfugbarer¨ experimenteller Ergebnisse erkl¨ art werden konnen.¨
Das entsprechende Modell zur Beschreibung des Zugtragverhaltens von Textilbeton soll
verschiedene experimentelle Versuchstypen mit einem einheitlichen Modell abbilden k¨ onnen.
Unter Vernachl¨assigung von Querdehneffekten wurde ein eindimensionales Modell entwickelt
und im Rahmen der Finite-Elemente-Methode numerisch implementiert. Es werden jedoch
auch Lastabtragmechanismen in Querrichtung durch eine Unterteilung der
Bewehrungsgarne in sogenannte Segmente beruc¨ ksichtigt. Das Modell enth¨ alt zwei Typen von finiten
Elementen: Stabelemente und Verbundelemente. In L¨ angsrichtung werden Stabelemente
kettenf¨ ormig angeordnet, um das Tragverhalten von Matrix und Bewehrung abzubilden.
In Querrichtung sind die Stabelementketten mit Verbundelementen gekoppelt. Das Modell
erh¨ alt seine Komplexit¨ at haupts¨ achlich aus Nichtlinearit¨ aten in der Materialbeschreibung,
z.B. durch begrenzte Zugfestigkeiten von Matrix und Bewehrung, Zugentfestigung der
Matrix, Welligkeit der Bewehrung und nichtlineare Verbundgesetze. Neben einer
deterministischen Beschreibung des Materialverhaltens beinhaltet das Modell auch eine stochastische
Beschreibung auf Grundlage eines Zufallsfeldansatzes. Mit dem Modell konnen¨
Spannungsverteilungen im Verbundwerkstoff und Eigenschaften der Betonrissentwicklung, z.B. in Form
von Rissbreiten und Rissabst¨ anden untersucht werden, was in dieser Kombination nur mit
wenigen der existierenden Modelle fur¨ Textilbeton m¨ oglich ist. In vielen der vorhandenen
Modelle sind diese Eigenschaften Eingangsgr¨ oßen fur¨ die Berechnungen und keine Ergebnisse.
Darub¨ er hinaus kann anhand des Modells auch das sukzessive Versagen der
Bewehrungsgarne studiert werden. Das Modell wurde auf drei verschiedene Versuchstypen angewendet:
den Filamentauszugversuch, den Garnauszugversuch und Dehnk¨ orperversuche.
¨Die Berechnungsergebnisse zu den Filamentauszugversuchen zeigten eine gute
Ubereinstimmung mit experimentellen Resultaten. Zudem wurden Parameterstudien durchgefuhrt,¨
um Einflusse¨ aus Geometrieeigenschaften wie der eingebetteten und freien Filamentl¨ange
sowie Materialeigenschaften wie dem Verbund zwischen Matrix und Filament zu
untersuchen. Die Berechnungsergebnisse zum Garnauszugversuch demonstrierten die
Anwendbarkeit des Modells auf diesen Versuchstyp. Es wurde gezeigt, dass fur¨ eine realit¨ atsnahe
Abbildung des Versagensverhaltens der Bewehrungsgarne eine relativ feine Au߬ osung der
Bewehrung notwendig ist. Die Berechnungen lieferten die Verteilung von Versagenspositionen
IIIIV
in der Bewehrung und die Entwicklung der Degradation der Garne im Belastungsverlauf.
Ein Hauptziel der Arbeit war die Untersuchung von Effekten im Zugtragverhalten von
Textilbeton, die bisher nicht durch experimentelle Untersuchungen erkl¨ art werden
konnten. Daher wurde eine Vielzahl von Parameterstudien zu Dehnk¨ orpern mit mehrfacher
Matrixrissbildung, welche das Zugtragverhalten von Textilbeton ahnlic¨ h praktischen
Anwendungen abbilden, durchgefuhrt.¨ Die Berechnungsergebnisse zeigten, dass der
experimentell beobachtete dreigeteilte Verlauf der Spannungs-Dehnungs-Beziehung von
Textilbeton bestehend aus dem ungerissenen Zustand, dem Zustand der Matrixrissbildung und
dem Zustand der abgeschlossenen Rissbildung vom Modell wiedergegeben wird. Die beste
¨Ubereinstimmung zwischen berechneten und experimentellen Ergebnissen ergab sich unter
Einbeziehung von Streuungen in den Materialeigenschaften der Matrix, der Zugentfestigung
der Matrix und der Welligkeit der Bewehrung.Preface
This dissertation was prepared during my activity as a research associate at the Institute of
Concrete Structures of the Faculty of Civil Engineering at Technische Universit¨ at Dresden.
The topic of this thesis corresponds to one of the research projects within
Sonderforschungsbereich 528 (collaborative research centre 528) funded by Deutsche Forschungsgemeinschaft
(DFG, German Research Foundation).
At this exposed position I want to express sincere thanks and acknowledgement to several
persons. As their and also my mother tongue is German I will proceed on the next two pages
in German language as well.
An erster Stelle m¨ ochte ich meinem Doktorvater Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich H¨
außlerCombe danken. Er hat es mir durch meine Anstellung am Lehrstuhl fur¨ Spezielle
Massivbauwerke erst erm¨ oglicht, die Schritte zur Promotion gehen zu konnen.¨ W¨ ahrend meiner
T¨ atigkeit am Lehrstuhl stand er mir zudem stets mit Rat und Tat zur Seite und trug durch
eine wohl dosierte Erh¨ ohung des “Promotionsdrucks” zur Vollendung der Arbeit bei.
Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Ekkehard Ramm von der Universit¨ at Stuttgart
¨danke ich fur¨ die Ubernahme des Gutachtens und die wertvollen Hinweise zu dieser Arbeit.
¨Des Weiteren danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Bernd W. Zastrau fur¨ die Ubernahme
des Vorsitzes und Herrn Prof. Dr.-Ing. Peer Haller fur¨ die Mitwirkung in der
Promotionskommission. Nicht unerw¨ ahnt soll hier auch die wohlwollende F¨ orderung beider w¨ ahrend
meiner Zeit als studentische und wissenschaftliche Hilfskraft sowie als Diplomand an ihren
Lehrstuhlen¨ bleiben, die sicherlich auch zum Wunsch zur Promotion beigetragen hat.
Herrn Prof. Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine und Herrn Prof. Dr.-Ing. Manfred Curbach danke
ich ebenfalls fur¨ die Mitwirkung in der Promotionskommission. Herrn Prof. Curbachs Wirken
als treibende Kraft hinter dem Sonderforschungsbereich 528 “Textile Bewehrungen zur
bautechnischen Verst¨ arkung und Instandsetzung” sei hier zudem hervorgehoben. Da diese
Arbeit innerhalb eines Teilprojekts des Sonderforschungsbereichs entstand, m¨ ochte ich auch
dafur¨ meine Anerkennung ausdruc¨ ken.
Mein Dank gilt außerdem den Mitarbeitern und Mitarbeiterinnen des Instituts fur¨
Massivbau und den Mitgliedern des Sonderforschungsbereichs 528 fur¨ die gute Zusammenarbeit.
Herausheben m¨ochte ich an dieser Stelle die “Besatzung des Raums Bey85”, insbesondere
die Herren Dipl.-Ing. Mirko Kitzig, Dipl.-Ing. Dipl.-Inf. Kai Schicktanz, Dr.-Ing. Patrick
Pr¨ ochtel, M.Sc. Henry Sch¨afer und M.Sc. Joachim Finzel. Die Gespr¨ ache und Diskussionen
ub¨ er die Jahre haben sicherlich zu meiner Entwicklung beigetragen. Mirko und Kai sei noch
einmal besonders fur¨ die Opferung vieler Sommerabend- und Wochenendstunden fur¨ das
Korrekturlesen der Arbeit gedankt.
VVI
Bei der Erstellung der zahlreichen Abbildungen fur¨ diese Arbeit waren mir meine
studentischen Hilfskr¨ afte Herr Maximilian Weidner und Herr Eric Teichmann eine große Hilfe. Beim
Erkenntnisgewinn in der Welt der Stochastik hat mich Frau Daniela Wolf sehr unterstutzt.¨
Nicht zuletzt m¨ ochte ich meinen Eltern und meiner Familie fur¨ die stete bewusste und
unbewusste Unterstutzung¨ in den letzten Jahren danken, ohne die der erfolgreiche Abschluss
der Promotion zumindest wesentlich schwieriger gewesen w¨are.
Selbstverst¨ andlich haben mich noch wesentlich mehr Personen auf ihre Weise unterstutzt.¨
Ein Aufz¨ ahlung all jener birgt immer die Gefahr jemanden zu vergessen. Ich mache es daher
kurz und sage herzlichst: “You know who you are!” Danke!
Riesa, im M¨arz 2011
Jens HartigContents
1. Introduction 1
1.1. Historical development and selected properties of textile reinforced concrete . 1
1.2. Objective,structureandscopeofthework ................... 4
2. Material properties and their experimental determination 7
2.1. Reinforcement. .................................. 7
2.1.1. Reinforcementcomposition........................ 7
2.1.2. Tensilepropertiesofalkali-resistantglass ................ 9
2.2. Matrix . ...................................... 14
2.2.1. Matrixcomposition ............................ 14
2.2.2. Tensile pre- and post-cracking behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3. Composite ..................................... 22
2.3.1. Mechanicalandstructuralproperties .................. 22
2.3.2. Tensile tests without matrix cracks - Filament pull-out tests . . . . . 23
2.3.3. Tensile tests with a single matrix crack - Yarn tests . . . . . 25
2.3.4. Tensiletestswithmultiplematrixcracking............... 28
2.4. Consequences for the modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3. Selected modelling approaches for the uniaxial tensile behaviour of TRC 37
3.1. Consideredmodels . ............................... 38
3.2. Modelling of reinforcement of multi-filament yarns . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.1. Materialbehaviourofreinforcement. .................. 41
3.2.2. Geometrical representation of reinforcement . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.3. Fibre bundle models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3. Material and cracking behaviour of concrete matrix . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4. Bondbehaviour .................................. 49
3.4.1. Bondstress-sliprelations . ........................ 49
3.4.2. Analytical models based on bond differential equation . . . . . . . . . 53
3.4.3. Numerical modelling of bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5. Requirementstoanimprovedmodel. ...................... 56
4. A one-dimensional model for the uniaxial tensile behaviour of TRC 57
4.1. Geometricalpropertiesofthemechanicalmodel ................ 57
4.2. Deterministicconstitutivemodels ........................ 61
4.2.1. Constitutive behaviour of concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.2.e behaviour of reinforcement . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2.3. Interaction between constituents of the composite . . . . . . . . . . . 65
4.3. Stochastic modelling of material properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.3.1. Stochastic representation of material properties . . . . . . . . . . . . 70
VIIVIII Contents
4.3.2. Randomfields............................... 72
4.3.2.1. Motivation of application and general formulation of random
fields. .............................. 72
4.3.2.2. Formulation and simulation of univariate non-Gaussian
randomfields ............................ 73
4.3.2.3. Formulation and simulation of cross-correlated non-Gaussian
randomfields .......................... 78
4.4. Numerical model based on the Finite Element Method . . . . . . . . . . . . 80
4.4.1. BasicsoftheFiniteElementMethod .................. 80
4.4.2. Application of boundary conditions and loading . . . . . . . . . . . . 83
4.4.3. Solution methods for non-linear FEM equations . . . . . . . . . . . . 85
4.4.3.1. Solution of linear algebraic . . . . . . . . . . . . . 85
4.4.3.2. of non-linear algebraic equations . . . . . . . . . . 87
4.4.3.3. Newton-Raphsonmethod ................... 89
4.4.3.4. ModifiedNewtonmethod . .................. 90
4.4.3.5. Quasi-Newtonmethods .................... 91
4.4.3.6. Linesearches .......................... 94
4.4.4. Usedelementtypes ............................ 97
4.4.4.1. One-dimensionalbarelement . ................ 97
4.4.4.2. Bondelement . ......................... 98
4.4.5. Structure and properties of the resulting stiffness matrix . . . . . . . 100
4.5. Abilities and limitations of the model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5. Simulations and parametric studies 105
5.1. Simulationsoffilamentpull-outtests ...................... 105
5.1.1. Referencecase. .............................. 105
5.1.2. Influence of free length of not embedded filament parts . . . . . . . . 108
5.1.3. of the embedding length of the fit . . . . . . . . . . . 110
5.1.4. Influence of variation of bond law parameters . . . . . . . . . . . . . 111
5.1.5. Remarks on the simulations of the filament pull-out tests . . . . . . . 113
5.2. Simulationsofyarnpull-outtests ........................ 113
5.2.1. Estimation of appropriate bar element length and number of
reinforcementlayers ................................ 114
5.2.2. Influence of reinforcement layer subdivision . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2.3. of varying bond between the reinforcement layers . . . . . . 119
5.2.4. Remarks on the simulations of yarn pull-out tests . . . . . . . . . . . 121
5.3. Simulationsoftensileplatespecimentests ................... 122
5.3.1. Referencesimulations........................... 122
5.3.1.1. Estimation of appropriate bar element length . . . . . . . . 122
5.3.1.2. Influence of the reinforcement discretisation . . . . . . . . . 126
5.3.1.3. of different reinforcement ratios . . . . . . . . . . . 131
5.3.2. Influence of bond properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.3.2.1. Influence of the frictional load transfer in the reinforcement
core ............................... 135
5.3.2.2. Influence of the adhesive bond strength . . . . . . . . . . . . 138
5.3.2.3. of scatter in bond strength . . . . . . . . . . . . . 142