The overall objective of this study was to develop an optimised Ultra-High-Performance Concrete (UHPC) matrix based on the modified Andreasen and Andersen optimum particle packing model by using available South African materials. The focus of this study was to determine the optimum combined fibre and superplasticiser content for UHPC by using a response surface design. The UHPC was appropriately designed, produced and tested. Various changes in mechanical properties resulting from different combinations of steel fibre and superplasticiser contents was investigated. The flowability, density and mechanical properties of the designed UHPC were measured and analysed. Both the fibre and superplasticiser content play a significant role in the flowability of the fresh concrete. The addition of fibres significantly improved the strength of the concrete. The results show that the superplasticiser content can be increased if a more workable mix is required without decreasing the strength significantly. The statistical analysis of the response surface methodology confirms that the designed models can be used to navigate the design space defined by the Central Composite Design. The optimum combined fibre and superplasticiser content depend on the required mechanical properties and cost. Using the modified Andreasen and Andersen particle packing model and surface response design methodology, it is possible to efficiently produce a dense Ultra-High-Performance Fibre Reinforced Concrete (UHPFRC) with a relatively low binder amount, low fibre content and good workability. The effect of heat curing on the mechanical properties was investigated. It was concluded that heat curing is not recommended when considering the long-term strength development. The estimated strength development of concrete obtained by using the fib Model Code 2010 (2013) does not incorporate the detrimental effect of high curing temperatures on long-term strength and therefore overestimate the long-term strengths. The strength estimates for both early and long-term ages can be improved by considering this effect in the strength development functions obtained from fib Model Code 2010 (2013). The effect of specimen size on the compressive and flexural tensile strength of UHPFRC members were established. It was found that the specimen size has a significant effect on the measured cube compressive strength. Smaller beam specimens showed higher ductility compared to those of the larger beam specimens. The crack width decreased as the beam’s depth decreased. A lower variability was experienced in the beams with limited depth (< 45 mm). Further testing is required to determine whether a span-to-depth ratio of 10 would yield optimum results. The utilisation of by-products, such as undensified silica fume and fly ash, as cement replacement materials makes UHPFRC sustainable, leading to a reduced life-cycle cost. The calculated Embodied Energy per unit strength (EE/unit strength) and Embodied Carbon per unit strength (EC/unit strength) values for the UHPFRC mixture yield lower values compared to that of the 30 MPa concrete mixture, indicating that UHPFRC can be used to reduce the environmental footprint of the concrete industry. The inverse analysis method used was successful in providing an improved simplified stress-strain response for the UHPFRC. The analysis provided valuable information into the stress-strain, load-deflection and moment-curvature responses of the UHPFRC. Standard material test results were used to theoretically calculate moment-curvature responses and were then compared to the experimental results obtained. The study demonstrated that it is possible to efficiently produce a dense and workable UHPFRC with relatively low binder amount and low fibre content. This can result in more cost-effective UHPFRC, thus improving the practical application thereof. / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2020. / Civil Engineering / MEng (Structural engineering) / Unrestricted

Diese Arbeit basiert auf der Untersuchung von hochfesten und ultrahochfesten Betonen mit und ohne Fasern unter zwei- und dreiaxialer Druckbeanspruchung. Die Auswirkung der unterschiedlichen Betonzusammensetzung ist für verschiedene Beanspruchungen nicht gleich ausgeprägt, dennoch konnten grundlegende Zusammenhänge herausgearbeitet werden. Anhand der Bruchbilder konnten die drei Versagensmechanismen Druck-, Spalt- und Schubbruch identifiziert werden, deren Charakteristik über die Kalibrierung an vier speziellen Versuchswerten direkt in das Bruchkriterium einfließen. Dieses stellt eine Erweiterung der Formulierung von OTTOSEN dar, so dass das spröde und z. T. anisotrope Verhalten von Hochleistungsbeton berücksichtigt wird. Die beobachteten Spannungs-Dehnungs-Verläufe korrelieren mit den Versagensformen. Deshalb wird ein Stoffgesetz getrennt für den Druck- und den Zugmeridian aufgestellt, dessen Parameter sich mit zunehmendem hydrostatischen Druck verändern. In die Anfangswerte fließen die Betonzusammensetzung und herstellungsbedingte Anisotropien ein. Die lastinduzierte Anisotropie infolge einer gerichteten Mikrorissbildung wird in dem vorgestellten Stoffgesetzt über richtungsabhängige Parameter ebenfalls berücksichtigt.

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Treten im Beton mehraxiale Spannungszustände auf, führen diese gegenüber einer einaxialen Beanspruchung zu einer signifikanten Änderung des Materialverhaltens. Neben einer festigkeitssteigernden bzw. -abmindernden Wirkung ergeben sich ebenfalls große Unterschiede im Spannungs-Dehnungs-Verhalten. Zur effizienten Konzipierung von Betonstrukturen unter komplexen Beanspruchungszuständen ist daher die Kenntnis des veränderten Materialverhaltens notwendig. Zur experimentellen Bestimmung des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens eines Ultrahochleistungsbetons mit einer einaxialen Druckfestigkeit von über 170 N/mm² wurden mehraxiale Belastungsversuche an würfelförmigen Probekörpern durchgeführt. Die Untersuchung umfasste insgesamt 35 zwei- und dreiaxiale Spannungsverhältnisse unter proportionaler Laststeigerung mit vorrangiger Betrachtung von Zug-Druck-Druck-Beanspruchungen. Für die Einleitung der Zugbeanspruchungen in die Prüfkörper wurde eine neue Methode entwickelt, bei der mittels einbetonierter Schrauben die Belastung auf den Beton übertragen wird. Die Bestimmung des Verformungsverhaltens erfolgte im Inneren der Probekörper mit sechs tetraederförmig angeordneten Faser-Bragg-Gittern. Die somit direkt gemessenen Dehnungen ermöglichen die nachträgliche Berechnung der Komponenten des Dehnungstensors des Bezugskoordinatensystems. Für den untersuchten Ultrahochleitsungsbeton fallen die auf die einaxiale Druckfestigkeit bezogenen mehraxialen Festigkeitswerte mit zunehmendem hydrostatischen Druckspannungsanteil der Beanspruchung geringer aus als bei Normalbetonen. Weiterhin weist das Verformungsverhalten eine größere Sprödigkeit gegenüber Normalbetonen auf, so dass auch unter dreiaxialen Druckspannungszuständen die Probekörper schlagartig versagen. Aus den gemessenen Spannungs-Dehnungs-Linien werden neben den maximalen Festigkeiten die Festigkeitswerte an der Elastizitätsgrenze, der Affinitätsgrenze sowie beim Volumenminimum der Probekörper bestimmt. Zur Approximation dieser charakteristischen Werte wurde eine Grenzflächenbeschreibung entwickelt und an den Versuchsergebnissen kalibriert. Des Weiteren erfolgte die Zusammenstellung einer Datenbank mit in der Literatur verfügbaren mehraxialen maximalen Festigkeitswerten von Betonen mit einaxialen Druckfestigkeiten von 10 N/mm² bis 180 N/mm² und die Kalibrierung des entwickelten Modells zur Grenzflächenbeschreibung in Abhängigkeit der einaxialen Druckfestigkeit. Die bei der Kalibrierung der Grenzfläche für einzelne Betonfestigkeitsklassen bestimmten Freiwerte hängen dabei stark von den vorliegenden Versuchsdaten und speziell vom Wertebereich der hydrostatischen Spannungsanteile der maximalen Beanspruchungen ab. Die Approximation des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens der mehraxial beanspruchten Probekörper erfolgt mittels eines schädigungsbasierten Materialgesetzes. Hierbei wird für den anfänglich isotropen Beton zum einen eine lastinduzierte isotrope Schädigung und zum anderen eine lastinduzierte orthotrope Schädigung angenommen, die von den auftretenden Hauptdehnungen abhängig ist. Mit dem entwickelten Materialgesetz werden sehr gute Übereinstimmungen mit den gemessenen Spannungs-Dehnungs-Linien erreicht, so dass sich ebenfalls eine gute Vorhersage der maximalen Festigkeitswerte ergibt. / Concrete under multiaxial stress states shows significant changes of the material behaviour compared to uniaxial loading. Besides strength increasing and decreasing effects, also great differences in the stress-strain behaviour occur. In order to design concrete structures efficiently concerning complex stress states, the knowledge about the modified material behaviour is necessary. To determine experimentally the stress-strain behaviour of an ultra high performance concrete with a uniaxial compressive strength of about 170 N/mm², multiaxial loading tests on cubic-shaped specimens were carried out. Altogether, the investigation contained 35 biaxial and triaxial stress ratios under proportionally increasing load with primarily tension-compression-compression loadings. Applying the tensile load on the specimen, a new method was developed, which uses screws embedded in the concrete to transfer the loading. The deformations were measured by using six tetrahedron-shaped arranged Fibre Bragg Gratings inside the concrete specimen. Subsequently, with the directly measured strains the components of the strain tensor of the reference coordinate system could be determined. For the investigated ultra high performance concrete the increase of the multiaxial strength, referring to the uniaxial compressive strength, decreases compared to normal strength concrete with the increasing hydrostatic stress component of the load. Moreover, the deformation behaviour shows an increased brittleness compared to normal strength concrete, so that even under triaxial compressive stress states the specimens fail abruptly. Besides the ultimate strength, from the measured stress-strain curves the strength at the proportional limit, at the limit of affinity as well as at the minimum volume of the specimen is determined. To approximate these characteristic values, a description of a hypersurface is developed and calibrated with the test results. Furthermore, a database with multiaxial ultimate strength values of concretes with uniaxial compressive strengths between 10 N/mm² to 180 N/mm² available from literature was compiled and a calibration of the developed hypersurface model depending on the uniaxial compressive strength was carried out. Thereby, the obtained values of arbitrary parameters of individual concrete strength classes depend severely on the available test results, especially on the range of values of the hydrostatic stress component of the ultimate strength. The approximation of the stress-strain behaviour of the multiaxial loaded specimens is carried out by means of a damage-based material law. For this purpose, concerning the initially isotropic concrete, a load-induced isotropic and orthotropic damage depending on the principle strains is assumed. With the developed material law, very good accordance with the measured stress-strain curves could be achieved, so that also results in a good approximation of the ultimate concrete strength.

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Das Institut für Tragwerksentwurf (ITE) und das Institut für Baustof e, Massivbau und Brandschutz (iBMB) der TU Braunschweig bearbeiteten in der ersten Förderperiode des SPP 1542 „Leicht Bauen mit Beton“ gemeinsam das Teilprojekt „Entwicklung neuartiger Verbindungen für geometrisch komplexe Flächen- und Stabwerkselemente aus UHPC“. Schwerpunkt waren umfangreiche Untersuchungen zu geometrisch komplexen und hochpräzise hergestellte trocken gefügten Stoßverbindungen für dünnwandige UHPC-Bauteile zur Übertragung von Druck-, Biege- und Scherkräften. Zur Verbesserung der Zugtragfähigkeit und des Nachbruchverhaltens wurde im Forschungsprojekt stahlfaserverstärkter ultrahochfester Beton (UHPFRC) verwendet. Die einzelnen Arbeitspakete waren entsprechend der Expertisen der beiden Institute aufgeteilt. Während sich das ITE insbesondere mit der Entwicklung der Bauteil- und Fugengeometrien sowie dem Schalungsbaus befasste, lagen Planung und Umsetzung der experimentellen und numerischen Material- und Bauteiluntersuchungen in der Verantwortung des iBMB. [Aus. Einleitung) / The Institute of Structural Design (ITE) and the Institute of Building Materials, Concrete Structures and Fire Safety (iBMB) of the Technical University of Braunschweig worked together in the f rst funding period of the SPP 1542 “Concrete Light” on the subproject “Development of novel jointing systems for complex beam surface and spatial elements made of UHPFRC”. The focus was on extensive investigations of geometrically complex and high-precision dry-jointed connections for thin-walled UHPC components for the transmission of compressive, bending and shear forces. Steel f bre reinforced ultra-high performance concrete (UHPFRC) was used in the research project to improve the tensile strength and post fracture behaviour. The individual work packages were divided according to the expertise of the two institutes. While the ITE was particularly concerned with the development of the component and joint geometries as well as the formwork construction, the iBMB was responsible for the planning and implementation of the experimental and numerical material and element analyses. [Off: Introduction]

Dieses Projekt widmete sich einer neuen Bauweise für stabförmige Drucktragglieder aus ultrahochfestem Beton (UHFB), die - als UHFB-Rohre mit Stahlrohren ummantelt - hier als Hybridrohre bezeichnet werden. Durch eine äußere Wickelverstärkung aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) werden die beiden, für sich alleine betrachtet ausgeprägt spröden Hochleistungsmaterialien UHFB und CFK so kombiniert, dass sie zu besonders leichten Bauteilen hoher Tragfähigkeit mit ausgeprägt duktilem Versagensverhalten zusammengefügt werden. [Aus: Motivation und Zielsetzung] / This project was dedicated to a new construction method for rod-shaped support elements made of ultra-high performance concrete (UHPC), which - as UHPC tubes coated with steel sheets - are called hybrid tubes in this report. Through an exterior wrapping-reinforcement made of carbon fibre reinforced plastic (CFRP), the two high-performance materials UHPC and CFRP, which are distinctly brittle when viewed on their own, are combined in such a way that they form particularly light components of high load-bearing capacity with profound ductile failure behaviour. [Off: Motivation and objective]

Die Vision bei diesem Projekt bestand darin, zukünftig anstelle massiver Betontragsysteme mit meist ungleichmäßiger Materialausnutzung am Kraftfluss orientierte, filigrane, stabartige Tragwerke zu entwerfen, die sich neben der Gewichtsreduktion und einer höheren Transparenz auch durch eine bessere Ressourcennutzung auszeichnen. Dabei wurde eine modulare Bauweise angestrebt, bei der die Einzelkomponenten Druckstab und vorgespannter Zugstab sowie Teile des Verbindungsknotenelements vorgefertigt und am Einsatzort zusammengefügt werden. Sowohl im Hinblick auf die Tragfähigkeits- und Verbundeigenschaften als auch auf die Dauerhaftigkeit sollten die Stäbe aus faserverstärktem Ultrahochleistungsbeton (UHPFRC) hergestellt sowie ausschließlich mit nichtmetallischen Elementen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) bewehrt bzw. vorgespannt werden. Im geförderten Zeitraum lag das Hauptaugenmerk auf der Entwicklung filigraner, formoptimierter Druck- und vorgespannter Zugstäbe. Zum Knotenelement wurden theoretische Überlegungen sowie erste Tastversuche angestellt. [Aus: Projektidee und Zielsetzung] / The vision of this project was to replace massive concrete structures with mostly inhomogeneous material utilization in the future by designing filigree concrete truss supporting structures in accordance with the principle form follows force instead. Thus, besides weight reduction and a higher transparency also a higher resource efficiency can be achieved. A modular construction method, in which the components compression strut, prestressed tie and connection joint elements are prefabricated and joined together at the construction site, was aspired. With regard to load-bearing capacity and bonding behaviour as well as durability, the struts and ties are made of Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concrete (UHPFRC) and are reinforced or prestressed exclusively with non-metallic elements made of f bre-reinforced polymers (FRP). Within the funding period, the focus was on the development of f ligree, shape-optimized struts and prestressed ties. Regarding the connection joint element, theoretical considerations were made and first basic tests were carried out. [Off: Vision and objective]

Byggindustrin har i dagsläget en negativ klimatpåverkan och infrastrukturen likaså. Många länder har därför försökt undersöka möjligheten att hitta ett långsiktigt och hållbart alternativ till det konventionella reparationsmaterialet. Olika material undersöks, olika optimerade betongrecept testas för att förstå hur miljöpåverkan har minimeras för att förlänga livslängden hos betongkonstruktioner. Vid reparation av en bro är det viktigt att ta hänsyn till både kostnader och miljöpåverkan under hela dess livscykel. Kostnader som uppstår är investeringskostnader samt drift- och underhållskostnader. Miljöpåverkan från betongkonstruktioner i produkt skedet består av materialframställning, byggtransporter och produktion på byggarbetsplatserna. totala växthusgasutsläppet summeras och beräknas i kg CO2-ekv. Syftet med detta examensarbete är att studera den långsiktiga hållbarheten hos UHPC med hjälp av beräkningsmodeller såsom livscykelanalys och livscykelkostnadsanalys med avsikt att applicera reparationstekniken. Flera UHPC recept ställs mot det konventionella reparationsmaterialet detta för att kunna bedöma miljöpåverkan och kostnadseffektiviteten hos materialen. Dvs om det går det att minska klimatutsläppet och kostnaderna. De jämförda recepten är olika UHPC-recept samt traditionell betong. Recepten appliceras slutligen på en befintlig bropelare för att undersöka de olika receptens tillämpbarhet som reparationsmaterial ur ett hållbarhetsperspektiv. Det saknas tillräckligt med kunskap om UHPC:s långtidseffekter, speciellt om reparationsintervall. Med åtanke på materialets höga draghållfasthet och beständighet tillsammans med UHPC:s strukturella egenskaper har antaganden gjorts att materialet är reparationsfri under konstruktionens livslängd. Det vill säga att bropelaren som undersökts med UHPC i studien inte behövt repareras under sin livslängd. Resultatet från livscykelkostnadsanalysen visar att UHPC är dyrare i både kubikmeter (m3) och kvadratmeter (m2) med tanke på täckskiktets tjocklek än traditionell betong i materialpriset. Men med tanke på att UHPC är underhållsfritt har den en mindre livscykelkostnad. Resultatet från livscykelanalysen visar att UHPC blandningarna har större miljöpåverkan per kubikmeter. Då de olika täckskiktetstjocklek relateras till pelarens längd erhålls resultat där UHPC medför slankare konstruktioner och besparingar upp emot 50% mindre betongvolym (för den 6 m långa pelaren i fallstudien). Med UHPC som reparationsmaterial medför det till att bron inte behöver repareras under dess livslängd. Bropelaren som repareras med UHPC kommer därför ha en mindre miljöpåverkan än den traditionella betongen. Långsiktig hållbarhet och mindre totala växthusgasutsläpp (som är i riktlinje med EU:s och regeringens klimatkrav) erhålls för anläggningskonstruktioner med UHPC. / The construction industry has a negative climate impact and so does the infrastructure. Which is due to frequent repairs that are not sustainable. Many countries have therefore tried to explore the possibility of finding a long-term and sustainable alternative to conventional repair materials. Different materials are examined, different optimized concrete recipes are tested to understand how the environmental impact can be minimized and the service life of concrete structures extended. When repairing a bridge, it is important to take into account both costs and environmental impact throughout its life cycle. Costs that arise are investment costs as well as operating and maintenance costs. The environmental impact from concrete structures in the product phase consists of material production, construction transports and production at construction sites. The total greenhouse gas emissions are summed up and calculated in kg CO2 eq. The purpose of this thesis is to study the long-term sustainability of UHPC using calculation models such as life cycle analysis and life cycle cost analysis with the intention of applying the repair technique. Several UHPC prescriptions are set against the conventional repair material in order to be able to assess the environmental impact and cost-effectiveness of the materials. That is, if it is possible to reduce climate emissions and costs. The compared recipes are different UHPC recipes and traditional concrete. The recipes are finally applied to an existing bridge pillar to investigate the applicability of the various recipes as repair materials from a sustainability perspective. There is a lack of knowledge about the long-term effects of UHPC, especially about repair intervals. Given the high tensile strength and durability of the material together with the structural properties of the UHPC, it has been assumed that the material is repair-free for the life of the structure. That is, the bridge pillar examined with UHPC in the study did not need to be repaired during its lifetime. The results from the life cycle cost analysis show that UHPC is more expensive in both cubicmeters (m3) and square meters (m2) given the thickness of the cover layer than traditional concrete in the material price. However, given that UHPC is maintenance free, it has a lower lifecycle cost. The results from the life cycle analysis show that the UHPC mixtures have a greater environmental impact per cubic meter when the cover layer varies. As the thickness of the different cover layers is related to the length of the pillar, results are obtained where UHPC leads to slimmer constructions and savings of up to 50% less concrete volume (for the 6 m long pillar in the case study). With UHPC as repair material, this means that the bridge does not need to be repaired during its service life. The bridge pillar that is repaired with UHPC will therefore have a smaller environmental impact than the traditional concrete. Long-term sustainability and smaller total greenhouse gas emissions (which are in line with EU and government climate requirements) are obtained for plant constructions with UHPC.