The dissertation thesis is focused on practical use of composite material with modified cement matrix. Especially the area of electrical behavior of composite materials in use has been examined, for strain sensing material. The experimental part solves the problematics of corrosion of carbon and metallic materials in alkaline environment of the cement matrix. The physical design of the sensor and its fabrication using functional composite cement material have been described here. The thesis has also discussed defining the influence of temperature change and humidity change on the change of electrical parameters of integrated sensors. An important part of the thesis is the area of evaluating a series of measurements of electrical parameters under dynamic loading. The thesis analyzes designed measurement method in detail, being suitable to determine electrical properties of cement composite materials including the construction of a monitoring system that enables practical application of sensors in complex structures.

Structure-property quantification of an A36 steel alloy was the focus of this study in order to calibrate and validate a plasticity-damage model. The microstructural parameters included grain size, particle size, particle number density, particle nearest neighbor distances, and percent of ferrite and pearlite. The mechanical property data focused on stress-strain behavior under different applied strain rates (0.001/s, 0.1/s, and 1000/s), different temperatures (293 K and 573 K), and different stress states (compression, tension, and torsion). Notch tension tests were also conducted to validate the plasticity-damage model. Also, failure of an A36 I-beam was examined in cyclic loads, and the crack growth rates were quantified in terms of fatigue striation data. Dynamic strain aging was observed in the stress-strain behavior giving rise to an important point that there exists a critical temperature for such behavior.

L'interaction fluide-structure vise à étudier le contact entre un fluide et un solide. Ce phénomène est très présent lors de l’impact d’une vague sur une structure ou l’inverse. La réponse de la structure peut être fortement affectée par l'action du fluide. L'étude de ce type d'interaction est motivée par le fait que les phénomènes résultants sont parfois catastrophiques pour les structures composites ou constituent dans la majorité des cas un facteur dimensionnant important. Le fluide est caractérisé par son champ de vitesse et de pression. Il exerce des forces aérodynamiques ou hydrodynamiques sur l'interface de la structure qui subit des déformations sous leurs actions. Ces déformations peuvent affecter localement le champ de l'écoulement et donc les charges appliquées. Ce cycle des interactions entre le fluide et le solide est caractéristique du phénomène de slamming. Pour une conception optimale des structures marines, la vitesse du navire est devenue un paramètre important. Par conséquent, les exigences de conception ont été optimisées par rapport au poids structurel. D'autre part, l'apparition des structures composites au cours des dernières décennies a favorisé l'exploitation de ces matériaux dans les grands projets de construction pour les applications marines et aérospatiales. Ceci est dû à la nature de leurs propriétés mécaniques, car elles présentent un rapport rigidité / poids élevé. En revanche, l'interaction entre les structures déformables et la surface libre de l'eau peut affecter le flux du fluide en contact avec la structure ainsi que et les charges hydrodynamiques estimées par rapport au corps rigide, en raison de l'apparition des effets hydro-élastiques. En outre, ces structures sont toujours soumises à des mécanismes de dommages différents et complexes sous un chargement dynamique. Pour ces raisons, la flexibilité et les modes de défaillance dans les matériaux composites présentent une complexité supplémentaire pour prédire les charges hydrodynamiques lorsqu'il y a une interaction avec un fluide (l'eau). Ceci a présenté un défi majeur pour utiliser ces matériaux dans les applications maritimes. Par conséquent, une attention particulière doit être accordée dans la phase de conception et l'analyse des performances pendant l'utilisation à vie. Les principales contributions de ce travail sont l’étude expérimentale et numérique du comportement dynamique des panneaux composites et la quantification de l'effet de la flexibilité de ces panneaux composites sur les charges hydrodynamiques et les déformations résultantes. Pour étudier ces effets, des panneaux composites stratifiés et sandwichs avec deux rigidités différentes sont soumis à diverses vitesses d'impact à l'aide d'une machine de choc équipée d'un système de contrôle de la vitesse. La résistance dynamique a été analysée en termes de charges hydrodynamiques, de déformations dynamiques et de mécanismes de défaillance pour différentes vitesses d'impact. L'analyse des résultats expérimentaux a montré que l’effort maximal augmente avec l’augmentation de la flexibilité des panneaux. D'autre part, le modèle numérique de tossage a été implémenté dans le logiciel Abaqus / Explicit basé sur l'approche du modèle Couplé Euler Lagrange (CEL). En outre, différents modes de défaillance des matériaux composites ont été développés et implémentés à l'aide d'une subroutine « VUMAT » définie par l'utilisateur et mis en œuvre dans le code de calcul éléments finis. Pour couvrir tous les modes de défaillance possibles dans les structures composites, l’implémentation de l’endommagement comprend : la rupture intralaminar, la décohésion de l'interface peau / âme et le cisaillement de l’âme. La confrontation des résultats expérimentaux avec les modèles numériques sur la prédiction de la force hydrodynamique et de la déformation du panneau valide l’approche adoptée. / Generally, when marine vessels encounter the water surface on entry and subsequently re-enter the water at high speed (slamming), this can subject the bottom section of the vessels to both local and global effects and generate unwanted vibrations in the structure, especially over very short durations. In marine design, the vessel speed has become an important aspect for optimal structure. Therefore, design requirements have been optimized in relation to the structural weight. In other hand, the appearance of the composite structures in the last decades has encouraged the exploitation of these structures in major construction projects for lightweight marine and aerospace applications. This is due to the nature of their mechanical properties which shows a high stiffness-to-weight ratio. In contrast, the interaction between deformable structures and free water surface can be modified the fluid flow and changed the estimated hydrodynamic loads comparing with rigid body, due to appearance of hydroelastic effects. Moreover, these structures are always subject to different and complex damage mechanisms under dynamic loading. For these reasons, the flexibility and the damage failure modes in composite materials introduce additional complexity for predicting hydrodynamic loads when interactive with water. This considered a key challenge to use these materials in marine applications. Therefore, special attention must be taken in the design phase and the analysis of performances during lifetime use. The main contributions of this work are the experimental and numerical study of the dynamic behavior of composite panels and the quantification of the effect of the flexibility of these structures on the hydrodynamic loads and the resulting deformations. To study these effects, laminate composite and sandwich panels with two different rigidities and subjected to various impact velocities have been investigated experimentally using high speed shock machine with velocity control system. The dynamic resistance was analysed in terms of hydrodynamic loads, dynamic deformation and failure mechanisms for different impact velocities. The general analysis of experiment results were indicated that more flexible panel has a higher peak force as velocity increases compared with higher stiffness panels. On the other hand, the slamming model was implemented in Abaqus/Explicit software based on Coupled Eulerian Lagrangian model approach (CEL). In addition, different damage modes are developed and constructed using a user-defined material subroutine VUMAT and implemented in Finite element method, including the intralaminar damage, debonding in skin/core interface, and core shear to cover all possible damage modes throughout structures. The numerical model gave a good agreement results in judging with experimental data for prediction of the hydrodynamic force and panel deformation. Additionally, this study gives qualitative and quantitative data which provides clear guidance in design phase and the evolution of performances during lifetime of composite structures, for marine structure designers.

Short fibres of different materials are used for crack bridging in strain-hardening cement-based composites (SHCC). Their mechanical properties and the fibre-matrix interphase on the micro level have a significant influence on the macroscopic component properties. Investigations on the specific modification and adaptation of fibre properties in relation with the failure mechanisms at different strain rates hardly exist so far, since mainly commercially available fibres are used. In the frame of this work, two different fibre types – polypropylene (PP) fibres and alkali-resistant (AR) glass fibres – were produced on lab spinning devices and the properties were adapted in such a way that fundamental correlations between the influence of fibre geometry, mechanical properties, chemical functionalities and surface structure on the behaviour during fibre pull-out from the concrete matrix can be derived. The PP fibres were produced with different degrees of stretching, cross-sectional geometries (circular, trilobal) and fibre diameters, as well as without and with sizing. The resulting changes in the crystallinity of the PP structure, surface roughness and wetting behaviour could be demonstrated by differential scanning calorimetry (DSC), roughness measurements by atomic force microscopy (AFM), and contact angle measurements. AR glass fibres were used in the unsized state and various chemical surface treatments were applied. Aqueous polymer dispersions of different materials were characterized in detail regarding particle size, pH value, solid content, and surface tension. In addition, their film-forming properties were evaluated using prepared polymer films. Furthermore, the influence of cross-linking agents on the thermal and mechanical stability of polyurethane sizings was investigated using thermal analysis methods. After application of the sizings to the AR glass surface, changes in surface structure and roughness could be observed by scanning electron microscopy (SEM) and AFM. The amount of sizing, or rather the polymer content on the fibres, was systematically increased and investigated in the non-cross-linked and cross-linked state with respect to energy absorption during fibre pull-out. Using a high-strength concrete matrix, all modified PP and AR glass fibres were used to produce and test single-fibre model composites by single-fibre pull-out tests, whereby the fibre pull-out was either quasi-static or dynamic. Based on the test results, design strategies for PP and AR glass fibres were derived at the end of the thesis. / Für die Rissüberbrückung in hochduktilen Betonen (Strain-Hardening Cement-based Composites – SHCC) werden Kurzfasern verschiedener Materialien eingesetzt. Ihre mechanischen Eigenschaften und die Faser-Matrix-Grenzschicht auf der Mikroebene beeinflussen die makroskopischen Bauteileigenschaften deutlich. Untersuchungen zur gezielten Veränderung und Anpassung von Fasereigenschaften im Zusammenhang mit den Versagensmechanismen bei unterschiedlichen Dehnraten existieren bisher kaum, da überwiegend kommerziell verfügbare Fasern eingesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher zwei verschiedene Fasertypen – Polypropylen (PP)-Fasern und alkaliresistente (AR)-Glasfasern – an Laborspinnanlagen selbst hergestellt und die Eigenschaften so angepasst, dass sich grundlegende Zusammenhänge zwischen dem Einfluss von Fasergeometrie, mechanischen Eigenschaften, chemischen Funktionalitäten und Oberflächenstruktur auf das Verhalten bei Faserauszug aus der Betonmatrix ableiten lassen. Die PP-Fasern wurden mit verschiedenen Verstreckungsgraden, Querschnittsgeometrien (rund, trilobal), Faserdurchmessern sowie ohne und mit Schlichte hergestellt. Die dadurch hervorgerufenen Eigenschaftsveränderungen hinsichtlich Kristallinität der PP-Struktur, der Oberflächenrauheit und des Benetzungsverhaltens konnten durch dynamische Differenzkalorimetrie (DSC), Rauheitsmessungen mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Kontaktwinkelmessungen nachgewiesen werden. AR-Glasfasern wurden im ungeschlichteten Zustand verwendet und verschiedene chemische Oberflächenbehandlungen durchgeführt. Es wurden wässrige Polymerdispersionen verschiedener Materialien detailliert hinsichtlich ihrer Partikelgröße, pH-Wert, Feststoffgehalt und Oberflächenspannung charakterisiert sowie ihre Filmbildungseigenschaften anhand hergestellter Polymerfilme bewertet. Weiterhin wurde der Einfluss von Vernetzern auf die thermische und mechanische Stabilität von Polyurethanschlichten mit Methoden der thermischen Analyse untersucht. Nach dem Applizieren der Schlichten auf die AR-Glasoberfläche konnten Veränderungen der Oberflächenstruktur und Rauheit mit Rasterelektronenmikroskopie (REM) sowie AFM beobachtet werden. Die Schlichtemenge bzw. der Polymeranteil auf den Fasern wurde systematisch erhöht und im unvernetzten sowie vernetzten Zustand hinsichtlich der Energieabsorption bei Faserauszug untersucht. Mit allen modifizierten PP-Fasern und AR-Glasfasern wurden unter Einsatz einer hochfesten Betonmatrix Einzelfaser-Modellverbunde zur Durchführung von Einzelfaserauszugversuchen (Single-Fibre Pull-Out) hergestellt und geprüft, wobei der Faserauszug entweder quasistatisch oder dynamisch erfolgte. Basierend auf den Versuchsergebnissen wurden am Ende der Arbeit für PP-Fasern und AR-Glasfasern Designstrategien abgeleitet.