Tobias CORDES
Mechanische Eigenschaften von Grenzschichten zwischen zementgebundenen Materialien
2013
- Kurzfassung auf Deutsch
Abstract
This thesis is concerned with the development of a constitutive model for cementitious bimaterial interfaces and investigations for the quantification of their fracture properties. To this end, the constitutive model is implemented into a finite element analysis program system and validated by numerical simulations of small scale tests.
The interface in question is located between cold-jointed cementitious solids. Since no further connection means are used, the fracture properties of the interface only depend on the surface adhesion and the properties of the adjacent interface transition zone (or overlay interface zone).
The interfacial fracture properties are determined by three point bending tests, modified torsion tests (cf. figure) and splitting tests and they are compared to fracture properties of monolithic specimens determined in the same way. Hence tensile and shear strengths, mode I and mode II specific fracture energies are measured and the softening functions are determined by inverse analyses. For the latter properties the influence of different surface treatments are taken into account by three test series: high pressure water jetting, steel brushing and smooth cleaning of the interface surfaces. The different interface surfaces are digitized with the focus-variation method and are characterised by several surface parameters. The most significant parameters for describing surface treatments are identified.
To provide accurate macroscale failure analyses of these interfaces, the mesoscale cohesive zone model of Caballero et al. [2008] and Carol et al. [1997] is modified. The modification enhances the model for shear dominated failure consistent with the fracture modes of the experimental setups. The elasto-plastic interface model is implemented as a traction separation law for zero thickness interface elements in Abaqus [Simulia Corp., 2012]. Additional requirements regarding robustness, accuracy and efficiency are evaluated by ISO-error plots for the implemented algorithm. Improvements of the latter features are achieved by an adaptive sub-stepping method developed along the lines of the work of Pérez-Foguet et al. [2001] and by an alternative starting point of the Newton-iteration.
The numerical simulations of the three point bending tests and the modified torsion tests are employed for validation of the implemented interface model for the fracture mode I, II and mixed-mode I-II. Excellent agreement between numerical and experimental load-crack-opening diagrams can be stated.
Modified torsion test
Im Rahmen dieser Dissertation wird ein konstitutives Materialmodell für Grenzschichten zwischen zementgebundenen Materialschichten entwickelt und dessen mechanische und bruchmechanische Parameter bestimmt. Das Grenzschichtmodell wird in ein Finite-Elemente Programm implementiert und durch numerische Berechnungen von Kleinversuchen validiert.
Die Eigenschaften der Grenzschicht ergeben sich aus der Adhäsion zwischen den zwei in Kontakt stehenden Grenzfächen und der Materialeigenschaften der angrenzenden porösen Interface Transition Zone (akkurater Overlay Interface Zone) der neuen zementgebundenen Materialschicht.
Die mechanischen und bruchmechanischen Eigenschaften werden mit dem Drei-Punkt-Biegezugversuch, einem dafür modifizierten Torsionsscherversuch (siehe Abbildung) und dem Spaltzugversuch ermittelt und mit den identisch ermittelten Eigenschaften der monolithischen Versuchsserie verglichen. Die Festigkeiten auf Zug und Schub und die spezifischen Bruchenergien unter Modus I und Modus II werden hierfür experimentell bestimmt und die Parameter der Entfestigungsfunktionen unter Modus I und Modus II invers berechnet. Für die Charakterisierung der Grenzschicht wird der Einfluss aus drei Oberflächennachbehandlungen der Grenzfläche: hochdruckwassergestrahlt, gebürstet und glatt gereinigt untersucht. Diese Oberflächennachbehandlungen werden mit oberflächentopografischen Kennwerten charakterisiert und die Abhängigkeiten zwischen diesen Kennwerten und den Grenzschichteigenschaften bewertet.
Das zur Simulation des Grenzschichtversagens weiterentwickelte Kohäsivzonenmodell zur makroskopischen Beschreibung der Grenzschichten mit der Methode der finiten Elemente basiert auf den Arbeiten von Caballero u. a. [2008] und Carol u. a. [1997]. Die Modifikation des Grenzschichtmodells erfolgt mit einem konsistent zur experimentellen Methodik gewählten bruchmechanischen Versagensansatz. Dieser kombiniert die Versagensmodi I, II und IIa und ermöglicht eine gute Abbildung von Überwiegend auf Schub beanspruchten Grenzschichten. Das elasto-plastische Grenzschichtmodell wird als Traction-Separation Gesetz im Kontext einer Zero-Thickness Interface-Element Formulierung in Abaqus [Simulia Corp., 2012] implementiert. Die Robustheit, die Genauigkeit und die Effizienz des implementierten Algorithmus sind wichtige Eigenschaften für den Einsatz und die Aussagekraft des Interface-Modells. Sie werden durch Konturdiagramme für einen großen Bereich an vorgegebenen Relativverschiebungsinkrementen beurteilt und durch eine adaptive Sub-Stepping Methode, aufbauend auf der Arbeit von Pérez-Foguet u. a. [2001], sowie einen alternativen Startpunkt der Newton-Iteration verbessert.
Die Validierung des implementierten Interface-Modells zeigt abschließend für das Modus I, II und Mixed-Mode Versagen I-II sehr gute Übereinstimmungen der Nachrechnungen mit den Drei-Punkt-Biegezugversuchen und den Torsionsscherversuchen.