Numerical modeling of the material behavior of micromechanically designed strain-hardening high performance fiber reinforced cementitious composites

Abstract

Elyaf takviyeli beton, üstün aşınma direnci ve yüksek gerilme mukavemet gibigüçlendirilmiş gerilme özelliklerine sahip olması nedeniyle betonarme elemanlarıngüçlendirilmesi için uygun hale gelmektedir. Son zamanlarda, güçlendirme malzemesiolarak liflerin kullanımı, bu teknik ile yapılan tasarımlar için sayısal araçlarıngeliştirilmesine yönelik motivasyonu arttırmıştır.Bu tez çalışmasında, kısa liflerle takviye edilmiş bir dizi beton kiriş üzerinde yapılansayısal analiz sonuçları sunulmaktadır. Bu amaçla, literatür mevcut olan deneyselçalışmalar derlenerek bir veri tabanı oluşturuldu. Güvenilir ve basit bir üç boyutlu SonluElemanlar (FE) modeli geliştirildi. Sayısal modeller, tüm malzemelerin doğrusal vedoğrusal olmayan davranışlarını, uygun bünye denklemleri ve kırılma kriterlerikullanılarak gerekli hassasiyette modelleyebilmektedir. Elyaf takviyeli betonun kırılmagerilimi davranışı, sağlam temellerine dayalı mikro mekanik bir yaklaşım kullanılarakmodellenmiştir.Elde edilen sonuçlar, bu tezde çalışmasında geliştirilen sayısal modellerin bu türbetonarme elemanların yük taşıma kapasitesini ve performansı doğru bir şekilde tahminedebildiğini ortaya koymaktadır. Ayrıca, elyaf takviyeli çimentolu beton kirişlerinperformansına etki eden tasarlanmış çimento esaslı kompozitlerin (ECC) agrega içeriği,ECClerin basınç dayanımı, maksimum agrega boyutu, karışım türü ve miktarı, su-çimentooranı, elyaf fiber elastisite modülü, elyaf takviyeli beton-düz beton basınç mukavemetioranı ve elyaf takviyeli beton tabaka kalınlığı gibi parametreler arasındaki ilişkiyiaraştırmak için bir parametrik çalışma yürütülmüştür.

Enhanced tensile properties of fiber reinforced concrete make it suitable for strengtheningof reinforced concrete elements due to their superior corrosion resistance and high tensilestrength properties. Recently, the use of fibers as strengthening material has increasedmotivating the development of numerical tools for the design of this type of interventiontechnique.This thesis presents numerical analysis results carried out on a set of concrete beamsreinforced with short fibers. To this purpose, a database of experimental results wascollected from an available literature. A reliable and simple three-dimensional FiniteElement (FE) model was defined. The linear and nonlinear behavior of all materials wasadequately modeled by employing appropriate constitutive laws and failure criteria in thenumerical simulations. To simulate the fiber reinforced concrete cracking tensile behavioran approach grounded on the solid basis of micromechanics was used.The results reveal that the developed numerical models in this thesis can accurately capturethe performance and predict the load-carrying capacity of such reinforced concretemembers. Furthermore, a parametric study is conducted to investigate the effect of ECCaggregate content, ECC compressive strength, maximum aggregate size, admixture typeand amount, water-cement ratio, fibre modulus of elasticity, fibre reinforced concrete-plainconcrete compressive strength ratio, and fibre reinforced concrete layer thickness on theperformance of fiber reinforced cementitious concrete beams.