This diploma thesis deals with the study of high-strength, high-volume fly ash concrete. The theoretical part of this thesis focuses on the detailed characteristic and main principles of high-strength concrete, high-volume fly ash concrete. In addition, according to the findings, the technology of high-strength and high-volume fly ash concrete, including principles of high strength, has been described. On the basis of the findings, high-strength, high-volume fly ash concrete for specific compressive strengths has been designed and created in the experimental section. These concretes were then subjected to a number of tests.

Master’s thesis examines the effect of the shrinkage reducing additives on rheological properties of high-strength concrete. The first part is focused on high-strength concrete in terms of their composition and properties. The second part contains a detailed analysis of the cementitious composites shrinkage problems. Total shrinkage is divided into individual elementary shrinkages. For each of them there is a detailed description of causes and factors that affect their sizes. The next part describes the basic additives used to reduce the shrinkage of cementitious composites. The experimental part is focused on verifying the effectiveness of the shrinkage reducing additives during preparation of high-strength concrete. Usage of shrinkage drains for relative strain measurement enables to determine the process of shrinkage immediately after placing the concrete in the form and to obtain the overall curve of the hight-strength concrete volume changes during its setting and hardening. At the end of the thesis, there are overall analysis and summary of the results of the performed experiments.

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Stahldrahtseile haben sich aufgrund ihrer hohen Bruchkraft und Betriebssicherheit sowie langjähriger Erfahrungen als Übertragungs-, Verbindungs- und Sicherheitselemente in intermittierenden Förderern, wie Kranen und Aufzügen etabliert. Sie weisen jedoch Nachteile, wie hohe Eigenmasse, geringe Biegeelastizität und Korrosionsempfindlichkeit auf. Steigende Anforderungen an ein energieeffizientes und ressourcenschonendes Betreiben von technischen Anlagen erfordern zunehmend neue Materialien, Technologien und Verfahren. Demzufolge rücken auch textile Maschinenelemente in Form von HM-HT-Faserseilen (engl.: high modulus - high tenacity) in den Fokus der Betrachtungen. Diese bieten aufgrund ihres günstigen Bruchkraft-Masse-Verhältnisses eine vielversprechende Alternative zu den Stahldrahtseilen. Mit den wachsenden Innovationen gehen jedoch auch neue Schadensfälle einher, da es an Erfahrungswerten und Langzeitstudien textiler Zug- und Tragmittel fehlt. Das umfassende Ziel dieser Arbeit ist es, den Forschungsstand hinsichtlich des Verschleiß- und Alterungszustandes und Einflussgrößen auf die Lebensdauer und Kriterien zur Ablegereifeerkennung hochfester Faserseile zu erweitern. Hierfür wurde eine Herangehensweise zur Schadensanalyse sowie eine Kategorisierung von Schadensarten, Schadensursachen, Verschleiß- und Alterungserscheinungen von Faserseilen erarbeitet. Weiterhin erfolgte die Entwicklung neuer Prüfmethoden zur Ermittlung des Gebrauchszustandes der Lebensdauer und Ablegekriterien von laufenden Faserseilen auf Basis spezifischer visueller Verschleißerscheinungen sowie elektrisch leitfähiger Merkmale der Faserseile. / Steel wire ropes have a high breaking strength and operational reliability as well as many years of experience. For these reasons steel wire ropes are used as transmission, connection and safety elements in intermittent conveyors, such as cranes and elevators. However, they have disadvantages such as high intrinsic mass, low bending elasticity and corrosion sensitivity. Increasing demands on energy-efficient and resource-efficient operation of technical systems require new materials, technologies and processes. Therefore, textile machine elements such as HM-HT fibre ropes (high modulus - high tenacity) are also in the focus of considerations. Due to their favorable breaking force-mass ratio fibre ropes offer a promising alternative to the steel wire ropes. However, new cases of damage also go hand in hand with the growing innovations. It lacks on experience and long-term studies of textile tensile elements. The aim of this study is to extend the state of research regarding of wear and ageing phenomena as well as influencing factors of the lifetime and discard criteria for high-strength fibre ropes. For these reasons an approach of a damage analysis for fibre ropes worked out. Furthermore new test methods to determine the state of use and define discard criteria of running fibre ropes developed and carried out.

Freileitungsmaste aus herkömmlichen Beton werden bereits heute in großer Zahl in Mittelspan-nungsnetzen eingesetzt. Im Bereich der Hochspannungsfreileitungen existieren bisher international nur wenige erste Freileitungen mit Masten aus herkömmlichen Beton. Um zukünftig Elektroenergie über große Entfernungen über Trassen mit geringen Flächenbedarf transportieren zu können, sind neue Hochspannungsfreileitungen in kompakter Bauweise notwendig. Um dieses Ziel zu erfüllen, sollen die Kompaktmaste aus ultra-hochfestem Beton (UHPC) hergestellt werden. Dafür ist eine neue Sorte von UHPC mit hoher Festigkeitsklasse zu entwickeln. Die mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften des neuen Betonmaterials waren zunächst unbekannt. Bisher gab es kaum Kenntnisse über die elektrischen und thermischen Belas-tungen, die auf die Betonmaste einer Freileitung in kompakter Bauweise einwirken. Ein Teilthema im interdisziplinären Forschungsprojekt „KoHöMaT“ (gefördert durch das Bundesmi-nisterium für Wirtschaft und Energie) war es, gemeinsam mit Forschungsinstituten (IMB, Fichtner, Lapp, Europoles, KIT, iBMB) die Materialparameter des neuen UHPC zu bestimmen. Den Einfluss der elektromagnetischen Belastungen auf die Lebensdauer und die Festigkeit des Ver-bundes aus Stahl und Beton habe ich untersucht. Aufgabe meiner Arbeit ist es auch, die elektrischen und thermischen Eigenschaften, wie die elektrische Leitfähigkeit, die elektrische Festigkeit, die Per-mittivität, den Verlustfaktor und die Wärmeleitfähigkeit experimentell zu bestimmen. Anhand der experimentellen Untersuchungen wurde der Versagensmechanismus des UHPC-Betons bei Span-nungsbelastung identifiziert. Die am Betonmast auftretenden elektrischen und thermischen Belas-tungen wurden mit Hilfe von verschiedenen FEM-Modellen berechnet und den gemessenen Fes-tigkeiten gegenübergestellt. Es wurde der Einfluss permanenter elektrischer Felder auf die mechanischen Eigenschaften des UHPC bestimmt. Hierfür wurde die Druckfestigkeit des Betons vor und nach Dauerversuchen bei verschiedenen Spannungsbelastung gemessen. Der Verbund zwischen Stahl und Beton wurde in Lastwechselversuchen thermisch hoch beansprucht und dessen mechanische Festigkeit vor und nach der thermischen Belastung bei Auszugsversuchen gemessen. Aufgrund der befürchtenden gesundheitlichen Risiken für Menschen und Tiere, sowie der gegen-seitigen Beeinflussung benachbarter elektronischer Systeme (EMV) dürfen die elektromagnetischen Felder von Freileitungen die jeweiligen maximal zulässigen Grenzwerte nicht überschreiten. Ich habe die Berechnungen der elektrischen und magnetischen Feldverteilung für die im Verbundvorhaben entwickelten Mastdesigns durchgeführt. Gemeinsam mit den Forschungsinstituten (Europoles, Fichtner, Lapp) wurden die Mastdesigns hinsichtlich der Feldverteilung optimiert. / The Overhead line towers made of conventional concrete are already used in large numbers in the medium voltage nowadays. So far, only a few towers of overhead transmission line made of con-ventional concrete which exists internationally in the area of high voltage. In order to be able to transmit electrical energy over long distances by routes of less floor space requirements, new high voltage overhead lines in compact construction are necessary. To achieve this goal, the compact towers have to be made of ultra-high-performance concrete (UHPC). Therefore, a new kind of UHPC with a high strength class has to be developed. For this kind of new concrete, the mechanical, electrical and thermal characteristics were unknown till now either, there was rare knowledge about the electric and thermal loads which have an effect on the concrete towers of an overhead line in compact construction method. The main purpose part of this interdisciplinary research project 'KoHöMaT “, which funded by the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy), was to identify the material parameters of the new UHPC together with the following research institutes (IMB, Fichtner, Lapp, Europoles, KIT, iBMB). It was examined the influence of electromagnetic loads on the lifetime and its’ strength bond be-tween both of composite steel and concrete, also as my major involve was to determine the elec-trical and thermal properties experimentally, such as electrical conductivity, electrical strength, per-mittivity, dissipation factor and finally thermal conductivity. As a result, the failure mechanism of the UHPC under the electrical stresses has been identified then,the electrical and thermal loads on the concrete towers were calculated by using various FEM models accordingly, the measured values were used in the determination of electrical strength. All mentioned theoretical calculated parameters were compared with the real measured parameters. The influence of permanent electric fields on mechanical properties of the UHPC was determined as well. Mainly, the compressive strength of the concrete was measured before and after durability tests at different voltage loads. In addition, the composite (interface) between steel and concrete was thermal extremely loaded by alternating load tests. Its mechanical strength has been measured by pull-out tests before and after this thermal loads. Due to the fear of health risks for both humans and animals, as well as the mutual influence of neighboring electronic systems (EMV), the electromagnetic fields of open lines must not exceed the respective maximum permissible limit values. The calculations of the electrical and magnetic field distribution were carried out for the mast design developed in the composite project. Together with the other research institute (Europoles, Fichtner, Lapp). the tower designs were optimized with re-gard to the field distribution.

Die Cu – Ag - Mikroverbund – Werkstoffe besitzen das Potenzial die gegensätzlichen Anforderungen an das Leitermaterial für den Einsatz in einem Hochfeldmagneten, wie hohe Festigkeit bei gleichzeitig hoher elektrischen Leitfähigkeit und ausreichender Verformbarkeit, zu erfüllen. Außerdem bieten diese Werkstoffe gegenüber den anderen, die dafür in Frage kommen können, den großen technologischen Vorteil einer konventionellen schmelzmetallurgischen Herstellung. Jedoch wurde bisher dafür eine sehr aufwändige Technologie verwendet, die die Herstellung des Leitermaterials nur im Labormaßstab ermöglicht. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einer Technologie der Herstellung von Leitern, die den Anforderungen für den Einsatz in einem Hochfeldmagneten genügen können und in einem großtechnischen Maßstab verfügbar sind. Der Schwerpunkt der Leiterherstellung aus Cu – Ag - Legierung lag in der Einstellung der geeigneten Mikrostruktur über metallkundliche Mechanismen vor der Drahterzeugung. Hierfür wurden während der einzelnen Prozessschritten die Gefügeentwicklung und für die Anwendung relevante Eigenschaften der Legierungen in binären Cu – Ag – Legierungen und in ternären Cu – Ag -X –Legierungen untersucht. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Mikrostruktur und der Zusammensetzung auf die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Drähte ermittelt sowie eine Korrelation zwischen Mikrostruktur und elektrischen Eigenschaften aufgestellt.

In this thesis, novel bulk Al-based alloys with high content of Al have been produced by powder metallurgy methods from amorphous and partially amorphous materials. Different processing routes, i.e. mechanical alloying of elemental powder mixtures, controlled pulverization of melt-spun glassy ribbons and gas atomization, have been employed for the production of the Al-based powders. Among the different processing routes, gas atomization is the best choice for the production of Al-based amorphous and partially amorphous powders as precursors for the subsequent consolidation step because it allows the production of large quantities of powders with homogeneous properties (e.g. structure and thermal stability) along with a uniform size distribution of particles. Amorphous and nanocrystalline powders have to be consolidated to achieve dense bulk specimens. However, consolidation of these phases is not an easy task and special care has to be taken with respect to accurate control of the consolidation parameters in order to achieve dense bulk specimens without inducing undesirable microstructural transformations (e.g. crystallization and grain coarsening) or insufficient particle bonding. Consequently, the effect of temperature on viscosity as well as on phase formation has been studied in detail in order to select the proper consolidation parameters. Following their characterization, the Al-based powders have been consolidated into bulk specimens by hot pressing (HP), hot extrusion and spark plasma sintering (SPS) and their microstructure and mechanical properties have been extensively investigated. Consolidation into highly-dense bulk samples cannot be achieved without extended crystallization of the glassy precursors. Nevertheless, partial or full crystallization during consolidation leads to remarkable mechanical properties. For example, HP Al84Gd6Ni7Co3 samples display a remarkably high strength of about 1500 MPa, which is three times larger than the conventional high-strength Al-based alloys, along with a limited but distinct plastic deformability (3.5 – 4%). Lower strength (930 MPa) but remarkably larger plastic strain exceeding 25 % has been achieved for the Al87Ni8La5 gas-atomized powders consolidated by SPS above their crystallization temperature. Similarly, HP Al90.4Y4.4Ni4.3Co0.9 bulk samples display high compression strength ranging between 820 and 925 MPa combined with plastic strain in the range 14 – 30%. Finally, preliminary tensile tests for the Al90.4Y4.3Ni4.4Co0.9 alloy reveal promising tensile properties comparable to commercial high-strength Al-based alloys. The mechanical behavior of the consolidated specimens is strictly linked with their microstructure. High strength and reduced plasticity are observed when a residual amorphous phase is present. On the other hand, reduced strength but enhanced plastic deformation is a result of the complete crystallization of the glass and of the formation of a partially or fully interconnected network of deformable fcc Al. These results indicate that the combined devitrification and consolidation of glassy precursors is a particularly suitable method for the production of Al-based materials characterized by high strength combined with considerable plastic strain. Through this method, the mechanical properties of the consolidated samples can be varied within a wide range of strength and ductility depending on the microstructure and the consolidation techniques used. This might open a new route for the development of innovative high-performance Al-based materials for transport applications.

El empleo de estructuras mixtas de acero-hormigón ha experimentado un aumento creciente en las últimas décadas, dado qu permiten un mejor aprovechamiento de las características de los materiales empleados, en comparación con estructuras de hormigón armado y acero trabajando de forma independiente. Este trabajo de investigación se centra en el estudio y análisis de pilares mixtos de tipo perfil tubular de acero, CFT (Concrete Filled Tube), rectangular o cuadrado, rellenos de hormigón de alta resistencia. Este tipo de pilares cuenta con ventajas respecto a otros pilares mixtos como el hecho de que el perfil de acero sirve de enconfrado para el núcleo de hormigón y a su vez, cuenta con suficiente capacidad resistente como para soportar las cargas exixtentes en fase de construcción. Todo ello permite un importante ahorro, tanto económico, como en las plazos de ejecución. Otras ventajas de estos pilares es que el perfil tubular confina el núcleo de hormigón y este a su vez evita que se produzca el pandeo local del tubo de acero, permitiendo así su plastificación y máximo aprovechamiento. Estas ventajas, proporcionan a los soportes ductibilidad característica muy importante frente a la acción sísima, de ahí que el uso de este tipo de pilares se haya extendido en países como Japón, Estados Unidos y China. Es importante, también, destacar el aumento de resistencia al fuego del sistema en comparación con un perfil de acero hueco. A partir del análisis del estado actual del conocimiento se ha planteado una campaña experiemental que cubre los aspectos no estudiados hasta el momento, y que constituyen los casos más habituales en la práctica real: soportes esbeltos o semiesbeltos sometidos a carga axial y diagrama de momentos no constante. En total se han efectuado 78 ensayos sobre pilares mixtos. Los resultados experimentales se comparan con las previsiones de las normativas de referencia más importantes para el cálculo de pilares mixtos: EC4, AISC 2010, BS5-400:2005, AS5100-6, DBJ13-51, etc, comprobando su validez para el tipo de pilar estudiado. Finalmente se ha planteado un modelo de cálculo simplificado basado en el método de amplificación de momentos y se ha ajustado el factor de rigidez a flexión de los pilares, así como un factor de conversión a diagrama de momentos constantes. / Hernández Figueirido, D. (2012). Estudio experimental del pandeo de perfiles tubulares rectangulares de acero, rellenos de hormigón de alta resistencia, bajo carga axial y diagrama de momentos variables [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/14724 / Palancia

Idag är intresset för högpresterande betong (HPB) växande runt om världen då fördelarna är många, eftersom slankare, tätare, starkare och lättare konstruktioner kan tillverkas.   Detta examensarbete handlar om materialförsök och modellering för en typ av HPB som ska användas i husbyggnation. Arbetet inleddes med materialförsök i färskt tillstånd, där god gjutbarhet och konsistens eftersträvades. Utgångspunkten var från ett grundrecept med två olika ballastsorter (slaggballast med flygaska och krossballast från asfaltindustrin med silikastoft), vilka namngavs till pilotförsök 1 och pilotförsök 2. Vidare valdes pilotförsök 1 att provas i hårdnat tillstånd då det visades att det var mer ekonomiskt lönsam eftersom ballasten inte behövde siktas, lägre vct tillhandhölls och att flygaskan som användes i pilotförsök 1 är billigare än silikastoft som användes i pilotförsök 2. Resultaten efter 28 dygn för de materialförsök som utfördes i hårdnat tillstånd var: Tryckhållfasthet; 141,9 MPa Draghållfasthet; 7,0 MPa Böjdraghållfasthet; 10,0 MPa Elasticitetsmodul; 46,4 GPa Krympning efter 56 dygn; 0,5 ‰ Samtliga försök utfördes enligt svenska standarder (SS).   Dessutom vidareutvecklas och förbättrades ett redan arkitektoniskt gestaltat Attefallshus ur ett konstruktions- och hållbarhets perspektiv, där fokus låg på transport- och produktionsförutsättningar. Det resulterade i att horisontella avstyvningar tillades i väggelementen för att öka styvheten och minska risken för brott under transport och produktion. Huset är tänkt att produceras med prefabriceringsteknik. Avslutningsvis modellerades ett oarmerat väggelement i FE-programmet Abaqus under linjärt elastiskt tillstånd. Vid modelleringen användes de materialparametrar som erhölls från materialförsöken.  Det resulterade i att deformationer, spänningar samt knäcknings- och bucklingsanalys kunde redas ut. Väggelementen i huset klarar normenliga laster enligt modelleringen. / Nowadays the interest for high-performance concrete (HPC) is growing around the world as the benefits are many, for example slender, denser, stronger and lighter structures can be manufactured.   This thesis is about material and design experiments for a type of HPC to be used in building construction. The work began with materials experiments in the fresh state, where good workability and consistency were tried to be obtained. The starting point was from a basic recipe with two different aggregate types (slag aggregates with fly ash and crushed aggregates from the asphalt industry with silica fume), which were named as the pilot test 1 and the pilot test 2. Furthermore pilot test 1 was elected to be tested in hardened state as it turned out to be more economically profitable, had a lower vct, and that the flyash was cheaper than the silica fume used in the pilot test 2. The results after 28 days when the materials experiments were carried out in the hardened state were: Compressive strength; 141,9 MPa Tensile strength; 7,0 MPa Flexural strength; 10,0 MPa Modulus of elasticity; 46,4 GPa Shrinkage after 56 days; 0,5 ‰ All experiments were performed according to Swedish standards SS.   Moreover, an existing architecturally portrayed Attefallshus was further developed and improved from a design and a strength perspective that mainly focused on transport and production. It resulted in the horizontal stiffeners to be installed in the wall elements to increase rigidity and reduce the risk of breakage during shipment and production. The house is intended to be built with prefabrication technology. Finally the unreinforced wall elements were modeled in the FE program ABAQUS under linear elastic condition. During modeling the material parameters obtained from material tests were used in the model. Consequently, strain, stress and buckling analysis could be made. The wall sections in the house met the norm loads according to the model.

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