Universiẗat, Diss., 2002--Stuttgart.

Der Verbundwerkstoff Stahlbeton zeichnet sich durch das effektive Zusammenwirken seiner beiden Einzelkomponenten Stahl und Beton aus. Dieses wiederum kann nur durch ausreichend gute Verbundbedingungen zwischen beiden Baustoffen gewährleistet werden. Die Verbundeigenschaften werden von zahlreichen Faktoren beeinflusst, zu denen u.a. die Oberflächenprofilierung des Stahls, die Betonfestigkeit und die Umschnürungswirkung durch den umgebenden Beton oder eine Querbewehrung zählen. Auch eine quer zum Stab angreifende Belastung kann einen erheblichen Einfluss auf den Verbundmechanismus und die Verbundversagensart haben. Bei Stahlbetonbauteilen unter einer zweiaxialen Zugbelastung, wie sie z.B. in Behälterwänden oder zweiachsig gespannten Platten auftritt, unterliegt die Bewehrung sowohl einer Längszug- als auch einer Querzugbeanspruchung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss einer Querzugbelastung auf das Verbundverhalten zwischen Rippenstählen und Normalbeton mit Hilfe von würfelförmigen Ausziehkörpern mit einer kurzen Verbundlänge untersucht. Dabei lag das Querzugniveau stets unterhalb der Risslast des Betons, so dass keine Risse entlang des einbetonierten Stabes auftraten. Neben der Höhe der Querzugbelastung wurden im Versuchsprogramm die Betonfestigkeit, der Stabdurchmesser und die Betondeckung variiert. Anhand der Versuchsergebnisse konnte gezeigt werden, dass sich auch unter einer Querzugbelastung der Verlauf der Verbundspannungs-Schlupf-Beziehung nicht ändert. Die Art des Verbundversagens wird jedoch maßgeblich durch den Querzug beeinflusst, welcher ein Spaltbruchversagen in jedem Fall begünstigt. Mit steigendem Querzug tritt auch bei großen Betondeckungen statt eines Ausziehversagens ein Spaltbruchversagen ein. Mittels des vorgeschlagenen Berechnungsmodells können in Abhängigkeit des Querzugniveaus und der Größe der Betondeckung Grenzlinien für den Wechsel im Verbundversagensmodus bestimmt werden. Hierbei wurde ebenfalls der Einfluss der Probekörpergeometrie auf die Versuchsergebnisse in die Berechnung einbezogen, so dass die angegebenen Grenzlinien auch für reale Einbettungslängen der Bewehrung gelten. Weiterhin wurde anhand der Versuchsdaten sowie eines Datensatzes aus der Literatur ein Verbundmodell für kurze Verbundlängen entwickelt, das den Einfluss der bezogenen Rippenfläche der Bewehrung und der Betonfestigkeit sowohl auf die Verbundspannungen als auch auf die zugehörigen Schlupfwerte berücksichtigt. Über einen zusätzlichen Datensatz zum Einfluss der Verbundlänge im Ausziehversuch konnte ebenfalls die Abhängigkeit zwischen den mittleren Verbundspannungen, den zugehörigen Schlupfwerten und der Verbundlänge spezifiziert werden. Somit ist eine Übertragbarkeit der Ergebnisse von Ausziehversuchen mit kurzen Verbundlängen auf eine reale Einbettungslänge im Bauteil möglich. Für die Bemessung von Stahlbetonkonstruktionen in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit erfolgt die Ableitung geeigneter Verformungskriterien für die Relativverschiebung zwischen Betonstahl und Beton und deren Verifizierung an Versuchsdaten aus der Literatur. Die aufgestellten Verformungskriterien in Abhängigkeit der Stahlspannung erlauben eine direkte Ermittlung bemessungsrelevanter Verbundspannungen anhand experimenteller Ausziehversuche. Die Berücksichtigung einer Querzugbelastung ist dabei in allen vorgestellten Berechnungsansätzen ebenfalls möglich. / Reinforced concrete as composite material is characterised by an effective interaction of its individual components reinforcing steel and concrete. This only can be assured by adequate bond conditions between these two materials. The bond quality is influenced by a wide range of parameters, amongst others including the rib geometry of the bar, the concrete strength and the confining action by the surrounding concrete or transverse reinforcement. Moreover loads, which act transverse to the reinforcing bar, can influence the bond mechanism and the bond failure mode significantly. Reinforced concrete structures, such as containment walls or two-way slabs, are often exposed to multiaxial loading conditions. In case of biaxial tensile stresses, reinforcement and surrounding concrete are loaded in tension in longitudinal as well as in transverse direction. An extensive experimental program was carried out in order to investigate the bond behaviour between reinforcing steel and normal strength concrete due to transverse tension. Cubic-shaped pullout specimens with a short bond length were used. The transverse tension level remained always below the cracking stress of concrete, meaning that no crack occurred along the pullout bar. The test program contained the variation of the transverse tension level, the concrete strength, the bar diameter and the concrete cover. From the test results no systematic influence of the transverse tension level on the shape of the bond stress-slip-relationship can be detected. The bond failure mode is significantly influenced by transverse tension, which promotes splitting failure. The higher the transverse tension level, even for high concrete covers, splitting failure occurs instead of pulling out the bar. From the test results, a failure criterion depending on the concrete cover and the transverse tension level could be determined, which indicates the failure mode and corresponding bond stress. For this purpose, the influence of the specimen geometry on the test results was considered, which results in a failure criterion that is also valid for real embedment lengths of the reinforcement. Furthermore, a bond model for short bond lengths has been developed, based on the test results and a dataset from literature. The model considers the influence of the related rib area of the reinforcing bar and the concrete strength on the bond stresses as well as on the corresponding slip values. By an additional dataset concerning the influence of bond length in pullout tests, the bond stresses and corresponding slip values could be specified as a function of the bond length. Therefore, the test results of pullout test with short bond lengths are transferable to real embedment lengths in structural elements. For the structural design of reinforced concrete elements in the ultimate and serviceability limit states, appli\\-cable deformation criterions concerning the relative displacement between reinforcing steel and concrete has been derived and verified by test data from literature. By means of the developed deformations criterions dependent on the steel stress, design bond stresses can be determined directly from experimental pullout tests. The consideration of transverse tensile loads is also possible for all presented design formulas.

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die gezielte Analyse des Verbundverhaltens zwischen Bewehrungsstahl und Beton unter kombinierter Beanspruchung aus Ermüdung und Querzug. Den Hintergrund bilden Stahlbetonbauteile, wie z. B. Fahrbahnplatten von Verbundbrücken, welche einen zweiaxialen Lastabtrag unter nicht vorwiegend ruhenden Belastungen aufweisen. Die Untersuchungen für normal- und hochfesten Beton erfolgten an Ausziehkörpern mit einem durch Querzugspannungen hervorgerufenen Längsriss entlang des Bewehrungsstabes. Das Versuchsprogramm beinhaltete hochzyklische Schwellversuche mit unterschiedlichen Schwingspielen und variierenden Längsrissbreiten bis zu einer Million Lastwechseln. Anhand der Entwicklung des Schlupfes zwischen Bewehrungsstab und Beton konnte eine deutliche Abhängigkeit des Verbundwiderstandes vom Querzug beobachtet werden. Aufbauend auf der Schlupfentwicklung erfolgt die Ableitung von normierten Wöhlerlinien der Verbundermüdung. Diese Wöhlerlinien können direkt in Beziehung zu den Wöhlerlinien der Betonstahlermüdung gesetzt werden und vereinfachen die Erstellung von Dauerfestigkeitsdiagrammen für Bemessungszwecke. Es wird deutlich, dass die Ermüdungsfestigkeit des Verbundes durch das Vorhandensein eines Längsrisses gegenüber der Betonstahlermüdung verstärkt an Bedeutung gewinnt. / The main focus of the present work is the specific analysis of the bond behaviour between reinforcement and concrete under combined loading due to fatigue and transverse tension. The background is formed by reinforced concrete elements such as bridge decks of steel-concrete composite bridges, which show a biaxial load bearing behaviour under not predominantly monotonic loading. The investigations for both normal strength and high performance concrete were conducted on pull-out specimens with a longitudinal crack along the reinforcing bar caused by transverse tensile stresses. The experimental program included high cyclic tests with different stress ranges and varying longitudinal crack widths up to one million load cycles. By means of the slip development, a definite dependency of the bond strength on the transverse tension could be observed. Based on the slip development, normalised S-N curves for bond fatigue have been deduced. These S-N curves can be set in direct relation to the S-N curves for steel fatigue and simplify creating constant life diagrams for design purposes. It becomes clear that the bond fatigue strength, due to an existing longitudinal crack, gains in importance in comparison to the fatigue strength of the reinforcing steel.

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die gezielte Analyse des Verbundverhaltens zwischen Bewehrungsstahl und Beton unter kombinierter Beanspruchung aus Ermüdung und Querzug. Den Hintergrund bilden Stahlbetonbauteile, wie z. B. Fahrbahnplatten von Verbundbrücken, welche einen zweiaxialen Lastabtrag unter nicht vorwiegend ruhenden Belastungen aufweisen. Die Untersuchungen für normal- und hochfesten Beton erfolgten an Ausziehkörpern mit einem durch Querzugspannungen hervorgerufenen Längsriss entlang des Bewehrungsstabes. Das Versuchsprogramm beinhaltete hochzyklische Schwellversuche mit unterschiedlichen Schwingspielen und variierenden Längsrissbreiten bis zu einer Million Lastwechseln. Anhand der Entwicklung des Schlupfes zwischen Bewehrungsstab und Beton konnte eine deutliche Abhängigkeit des Verbundwiderstandes vom Querzug beobachtet werden. Aufbauend auf der Schlupfentwicklung erfolgt die Ableitung von normierten Wöhlerlinien der Verbundermüdung. Diese Wöhlerlinien können direkt in Beziehung zu den Wöhlerlinien der Betonstahlermüdung gesetzt werden und vereinfachen die Erstellung von Dauerfestigkeitsdiagrammen für Bemessungszwecke. Es wird deutlich, dass die Ermüdungsfestigkeit des Verbundes durch das Vorhandensein eines Längsrisses gegenüber der Betonstahlermüdung verstärkt an Bedeutung gewinnt. / The main focus of the present work is the specific analysis of the bond behaviour between reinforcement and concrete under combined loading due to fatigue and transverse tension. The background is formed by reinforced concrete elements such as bridge decks of steel-concrete composite bridges, which show a biaxial load bearing behaviour under not predominantly monotonic loading. The investigations for both normal strength and high performance concrete were conducted on pull-out specimens with a longitudinal crack along the reinforcing bar caused by transverse tensile stresses. The experimental program included high cyclic tests with different stress ranges and varying longitudinal crack widths up to one million load cycles. By means of the slip development, a definite dependency of the bond strength on the transverse tension could be observed. Based on the slip development, normalised S-N curves for bond fatigue have been deduced. These S-N curves can be set in direct relation to the S-N curves for steel fatigue and simplify creating constant life diagrams for design purposes. It becomes clear that the bond fatigue strength, due to an existing longitudinal crack, gains in importance in comparison to the fatigue strength of the reinforcing steel.

Der Verbundwerkstoff Stahlbeton zeichnet sich durch das effektive Zusammenwirken seiner beiden Einzelkomponenten Stahl und Beton aus. Dieses wiederum kann nur durch ausreichend gute Verbundbedingungen zwischen beiden Baustoffen gewährleistet werden. Die Verbundeigenschaften werden von zahlreichen Faktoren beeinflusst, zu denen u.a. die Oberflächenprofilierung des Stahls, die Betonfestigkeit und die Umschnürungswirkung durch den umgebenden Beton oder eine Querbewehrung zählen. Auch eine quer zum Stab angreifende Belastung kann einen erheblichen Einfluss auf den Verbundmechanismus und die Verbundversagensart haben. Bei Stahlbetonbauteilen unter einer zweiaxialen Zugbelastung, wie sie z.B. in Behälterwänden oder zweiachsig gespannten Platten auftritt, unterliegt die Bewehrung sowohl einer Längszug- als auch einer Querzugbeanspruchung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss einer Querzugbelastung auf das Verbundverhalten zwischen Rippenstählen und Normalbeton mit Hilfe von würfelförmigen Ausziehkörpern mit einer kurzen Verbundlänge untersucht. Dabei lag das Querzugniveau stets unterhalb der Risslast des Betons, so dass keine Risse entlang des einbetonierten Stabes auftraten. Neben der Höhe der Querzugbelastung wurden im Versuchsprogramm die Betonfestigkeit, der Stabdurchmesser und die Betondeckung variiert. Anhand der Versuchsergebnisse konnte gezeigt werden, dass sich auch unter einer Querzugbelastung der Verlauf der Verbundspannungs-Schlupf-Beziehung nicht ändert. Die Art des Verbundversagens wird jedoch maßgeblich durch den Querzug beeinflusst, welcher ein Spaltbruchversagen in jedem Fall begünstigt. Mit steigendem Querzug tritt auch bei großen Betondeckungen statt eines Ausziehversagens ein Spaltbruchversagen ein. Mittels des vorgeschlagenen Berechnungsmodells können in Abhängigkeit des Querzugniveaus und der Größe der Betondeckung Grenzlinien für den Wechsel im Verbundversagensmodus bestimmt werden. Hierbei wurde ebenfalls der Einfluss der Probekörpergeometrie auf die Versuchsergebnisse in die Berechnung einbezogen, so dass die angegebenen Grenzlinien auch für reale Einbettungslängen der Bewehrung gelten. Weiterhin wurde anhand der Versuchsdaten sowie eines Datensatzes aus der Literatur ein Verbundmodell für kurze Verbundlängen entwickelt, das den Einfluss der bezogenen Rippenfläche der Bewehrung und der Betonfestigkeit sowohl auf die Verbundspannungen als auch auf die zugehörigen Schlupfwerte berücksichtigt. Über einen zusätzlichen Datensatz zum Einfluss der Verbundlänge im Ausziehversuch konnte ebenfalls die Abhängigkeit zwischen den mittleren Verbundspannungen, den zugehörigen Schlupfwerten und der Verbundlänge spezifiziert werden. Somit ist eine Übertragbarkeit der Ergebnisse von Ausziehversuchen mit kurzen Verbundlängen auf eine reale Einbettungslänge im Bauteil möglich. Für die Bemessung von Stahlbetonkonstruktionen in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit erfolgt die Ableitung geeigneter Verformungskriterien für die Relativverschiebung zwischen Betonstahl und Beton und deren Verifizierung an Versuchsdaten aus der Literatur. Die aufgestellten Verformungskriterien in Abhängigkeit der Stahlspannung erlauben eine direkte Ermittlung bemessungsrelevanter Verbundspannungen anhand experimenteller Ausziehversuche. Die Berücksichtigung einer Querzugbelastung ist dabei in allen vorgestellten Berechnungsansätzen ebenfalls möglich. / Reinforced concrete as composite material is characterised by an effective interaction of its individual components reinforcing steel and concrete. This only can be assured by adequate bond conditions between these two materials. The bond quality is influenced by a wide range of parameters, amongst others including the rib geometry of the bar, the concrete strength and the confining action by the surrounding concrete or transverse reinforcement. Moreover loads, which act transverse to the reinforcing bar, can influence the bond mechanism and the bond failure mode significantly. Reinforced concrete structures, such as containment walls or two-way slabs, are often exposed to multiaxial loading conditions. In case of biaxial tensile stresses, reinforcement and surrounding concrete are loaded in tension in longitudinal as well as in transverse direction. An extensive experimental program was carried out in order to investigate the bond behaviour between reinforcing steel and normal strength concrete due to transverse tension. Cubic-shaped pullout specimens with a short bond length were used. The transverse tension level remained always below the cracking stress of concrete, meaning that no crack occurred along the pullout bar. The test program contained the variation of the transverse tension level, the concrete strength, the bar diameter and the concrete cover. From the test results no systematic influence of the transverse tension level on the shape of the bond stress-slip-relationship can be detected. The bond failure mode is significantly influenced by transverse tension, which promotes splitting failure. The higher the transverse tension level, even for high concrete covers, splitting failure occurs instead of pulling out the bar. From the test results, a failure criterion depending on the concrete cover and the transverse tension level could be determined, which indicates the failure mode and corresponding bond stress. For this purpose, the influence of the specimen geometry on the test results was considered, which results in a failure criterion that is also valid for real embedment lengths of the reinforcement. Furthermore, a bond model for short bond lengths has been developed, based on the test results and a dataset from literature. The model considers the influence of the related rib area of the reinforcing bar and the concrete strength on the bond stresses as well as on the corresponding slip values. By an additional dataset concerning the influence of bond length in pullout tests, the bond stresses and corresponding slip values could be specified as a function of the bond length. Therefore, the test results of pullout test with short bond lengths are transferable to real embedment lengths in structural elements. For the structural design of reinforced concrete elements in the ultimate and serviceability limit states, appli\\-cable deformation criterions concerning the relative displacement between reinforcing steel and concrete has been derived and verified by test data from literature. By means of the developed deformations criterions dependent on the steel stress, design bond stresses can be determined directly from experimental pullout tests. The consideration of transverse tensile loads is also possible for all presented design formulas.

This thesis documents the development of a simulation strategy to model the behavior of geomembranes at large deformations using the explicit finite difference code FLAC3D. The geomembrane is represented by special shell elements and interfaces at both sides of the geomembrane duplicating the interaction with the overlying and underlying materials. Chapter 1 provides an introduction to geotextiles and geomembranes, and their use in geotechnical engineering. Special attention is paid to pull-out tests because of their importance to describe the behavior at large deformations. Chapter 2 describes the proposed ‘liner’ model concept to simulate the interaction of a geomembrane with the over- and underlying material. Furthermore, this chapter documents in detail the simulation of uniaxial pull-out tests for validation of the proposed ‘liner’ model concept and compares it with the FLAC3D built-in geogrid element. To clarify more clearly the potential failure (crack propagation and rupture process) of the geomembrane, the ‘liner’ model under biaxial loading was investigated in Chapter 3. Chapter 4 documents a detailed parameter study with a special focus on the stiffness and frictional behavior of the ‘liner’ element using a simplified waste dump. In chapter 5 a new constitutive model (“Femesalz”) is proposed to describe the visco-elasto-plastic behavior of crushed salt and waste rock salt, respectively. The “Femesalz” constitutive model together with the ‘liner’ model is applied to simulate the behavior of a rock salt waste dump (2.5-dimensional) to validate both, the new constitutive model “Femesalz” as well as the ‘liner’ model. Chapter 6 documents the use of the ‘liner’ element and the “Femesalz” constitutive model to simulate salt dump models in 2D and 3D on different terrain types (mountain, valley, plain) for a time of 100 years to generate large deformations. Chapter 7 contains the main conclusions and recommendations.:ABSTRACT AND STRUCTURE OF THESIS 2 ACKNOWLEDGMENTS 4 CONTENTS 5 LIST OF TABLES 7 LIST OF FIGURES 10 NOMENCLATURE 16 CHAPTER 1: INTRODUCTION AND STATE-OF-THE-ART 22 1.1 Geosynthetic for geoengineering projects (overview) 22 1.2 Pull-out tests (overview) 29 CHAPTER 2: “LINER” CONCEPT AND NUMERICAL SIMULATIONS OF UNIAXIAL PULL-OUT TESTS 39 2.1 Introduction 39 2.2 Numerical calculations 39 2.2.1 General considerations 39 2.2.2 Concept of the 'liner' element 40 2.2.3 'Geogrid' versus 'liner' element 41 2.2.4 Verification of ‘liner’ element 42 2.2.5 Conclusions 58 CHAPTER 3: BIAXIAL LOADING OF “LINER” MODEL 61 3.1 Introduction 61 3.2 Model set-up 61 3.3 Results of biaxial pull-out test simulation 63 3.4 Summary and Conclusions 71 CHAPTER 4: PARAMETER STUDY OF EMBEDDED GEOMEMBRANE 74 4.1 Introduction 74 4.2 Model set-up 74 4.3 Results 77 4.3.1 Influence of interface stiffness 80 4.3.2 Influence of interface friction 87 4.4 Conclusions 93 CHAPTER 5: CONSTITUTIVE MODEL FOR SALT DUMP 95 5.1 Introduction 95 5.1.1 Overview of constitutive models for rock salt 97 5.1.2 Overview of constitutive models for crushed salt 104 5.2 ‘Femesalz’ constitutive model for crushed salt 106 5.2.1 Introduction 106 5.2.2 Compaction test 111 5.2.3 Triaxial test and realistic waste dump simulation 114 5.2.4 Numerical salt dump simulations 115 5.3 Summary 122 CHAPTER 6: SIMULATIONS CONSIDERING TOPOGRAPHY OF UNDERLYING MATERIAL 123 6.1 Introduction 123 6.2 Model set-up 123 6.3 Model parameters and calculation sequence 131 6.4 Calculation results 132 6.5 Discussion of results and conclusions 139 CHAPTER 7: CONCLUSIONS 141 REFERENCE 143