Gegenstand dieser Dissertation ist die Etablierung des Elastizitätsmoduls als Parameter, der qualitative Aussagen über den Schädigungszustand des Baustoffs Straßenbeton ermöglicht. Zu diesem Zweck erfolgte eine systematische Ermüdung von labormaßstäblichen Betonprobekörpern bei zeitgleicher Messung des Elastizitätsmoduls mit Hilfe von unterschiedlichen Verfahren. Im ersten Schritt wurde ein Versuchsprogramm entwickelt, mit dem Probekörper mittels des Spaltzug-Schwellversuchs gezielt in einen definierten Ermüdungszustand versetzt werden können. Hierfür wurde der Parameter des Grenz-Elastizitätsmoduls definiert, welcher, wenn er unterschritten wird, zum Pausieren des Versuchs führt. In diesen systematisch eingehaltenen Lastpausen erfolgten begleitende Untersuchungen der Ultraschalllaufzeit und der Eigenfrequenz zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls der Probekörper während des Ermüdungsvorganges. Es zeigt sich zwischen den Ergebnissen aller untersuchten Verfahren eine sehr gute Synchronität hinsichtlich des qualitativen ermüdungsbedingten Verlaufs des Elastizitätsmoduls. Die vier angewandten Verfahren, die sich voneinander unabhängiger physikalischer Phänomene bedienen, ermöglichen neben einer qualitativen Aussage über die Schädigung des Materials die Bestimmung von Absolutwerten des Elastizitätsmoduls. Je nach verwendetem Verfahren weichen die absoluten Elastizitätsmoduln leicht voneinander ab. Der Elastizitätsmodul bestätigt sich als geeigneter Parameter zur Beschreibung der Degradation des Baustoffs Straßenbeton im Zuge des Ermüdungsprozesses. Im zweiten Schritt wurden der Einfluss längerer Lastpausen sowie die Verminderung der Betonfestigkeit im Zuge der Materialermüdung tiefergehend untersucht. Es wurde festgestellt, dass längere Lastpausen in der zyklischen Belastung einen signifikanten Einfluss auf den ermüdungsbedingten Verlauf des Elastizitätsmoduls haben können. Weiterhin legen die Untersuchungen nahe, dass es im Zuge einer starken Ermüdung zu einer zum Teil signifikanten Verminderung der Festigkeit kommt. Als Resultat der Untersuchungen konnten sowohl ein Verfahren zur Bestimmung charakteristischer Verläufe für die Verminderung des Elastizitätsmoduls als auch ein Verfahren zur Abschätzung der materialspezifischen Verminderung der Festigkeit im Zuge der Ermüdung entwickelt werden. Diese Verfahren könnten zukünftig den Regelwerken der RSO Beton und der RDO Beton zugeführt werden, um die ermüdungsbedingte zeitliche Entwicklung des Elastizitätsmoduls und der Festigkeit in den durch die Regelwerke festgeschriebenen Prognose- und Dimensionierungsprozessen zu berücksichtigen. Durch die Einbeziehung zeitlich veränderlicher Werte im Prognoseverfahren, welches als Grundlage für die RSO Beton dienen soll, wird in dieser Dissertation exemplarisch gezeigt, dass die Berücksichtigung der Auswirkungen der Betonermüdung auf diese für die Prognose und die Dimensionierung von Betonfahrbahnbefestigungen sehr relevanten Parameter zur signifikanten Erhöhung der Ausfallrate gegenüber der Verwendung konstanter Werte führen kann. / The subject of this doctoral dissertation is the establishment of the elastic modulus as a parameter that enables qualitative statements about the state of damage of the concrete pavement building material. For this purpose, a systematic fatigue of laboratory-scale concrete specimens was carried out with simultaneous measurement of the elastic modulus by means of different methods. In the first step, a test program was developed for the targeted and systematic fatigue of concrete specimens by means of the cyclic indirect tensile test. For this purpose, a limit value for the elastic modulus was defined. When the elastic modulus fell below the limit, the test was paused to perform accompanying investigations of the ultrasonic transit time and the natural frequency in order to determine the change of the elastic modulus of the specimens during the fatigue process. There is a very good synchronicity between the results of all investigated methods for the qualitative determination of the elastic modulus. The four methods applied, which make use of physical phenomena that are independent of each other, allow, in addition to a qualitative statement about the damage to the material, the determination of absolute values of the elastic modulus. Although there are slight differences between the methods for the determination of the elastic modulus, it is confirmed as a suitable parameter for describing the degradation of the concrete pavement building material in the course of the fatigue process. In the second step, the influence of longer loading pauses and the reduction of concrete strength due to material fatigue were investigated in more detail. It was found that longer loading pauses during cyclic loading can have a significant influence on the fatigue-related course of the elastic modulus. Furthermore, the investigations suggest that in the course of severe fatigue there is a sometimes significant reduction in strength. As a result of the investigations, both a method for determining characteristic curves for the reduction of the elastic modulus and a method for estimating the material-specific reduction of strength in the course of fatigue could be developed. In the future, these methods could be implemented into the RSO Beton and RDO Beton regulations in order to take into account the fatigue-related temporal development of the elastic modulus and the strength in the forecasting and dimensioning processes specified by the regulations. By including time-varying values in the forecasting procedure, which is to serve as the basis for the RSO Beton, this doctoral dissertation exemplifies that the consideration of the effects of concrete fatigue on these very relevant parameters for the forecasting and dimensioning of concrete pavements, can lead to the significant increase of the failure rate compared to the use of constant values.

La dystrophie musculaire de Duchenne (DMD) entraine une perte progressive de la force musculaire. L'objectif de ce présent travail est d'étudier la sensibilité d'une méthode acoustique échographique (50 MHz) et d'une méthode résonante (25 kHz) aux changements de propriétés des tissus musculaires de souris mdx modèles. Les paramètres mesurés sont l'atténuation ultrasonore pour la méthode échographique et le module complexe de cisaillement pour la méthode résonante. Dans ce manuscrit nous exposons le développement de ces deux méthodes adaptées à l'étude de deux tissus musculaires de souris : le diaphragme et la peau. La méthode échographique a permis de quantifier les changements de propriétés biologiques du diaphragme en fonction du pourcentage de zone non musculaire sur des souris âgées de 3 mois à 24 mois. La méthode résonante, génère un champ de pression dans le tissu induisant un cisaillement dans le tissu. Cette méthode a permis d'estimer des différences de propriétés mécaniques sur le diaphragme et sur la peau entre les tissus sains et tissu pathologiques. Les résultats obtenus autorisent à penser que le développement de la méthode résonante pour des applications in vivo chez l'Homme atteint de DMD est possible. / The muscular dystrophy of Duchenne (DMD) lead a progressive loss of the muscular strength. The objective of this present work is to study the sensibility of an ultrasound acoustic method (50 MHz) and a résonant method (25 kHz) to the changes of properties of muscle tissues of mdx mice models. The mesured parameters are the ultrasound attenuation for the echographic method and the complexe shear modulus for the résonant method.In this manuscript we explain the development of these two methods adapted to the study of two muscular tissues of mouse: the diaphragm and the skin. The ultrasound method allowed to quantify the changes of biological properties of the diaphragm according to the percentage of non muscular area on 3-month-old mice in 24 months. The résonant acoustic method, generates a field pressure in the tissue leading a shearing tissue. This method allowed to estimate différences of mechanical properties on the diaphragm and on the skin between healthy tissues and pathological tissues. We think the obtained results authorize the development of the resonant method for in vivo applications to human touched by DMD.

[EN] The test for determining the resonance frequencies has traditionally been used to investigate the mechanical integrity of concrete cores, to assess the conformity of concrete constituents in different accelerated durability tests, and to ascertain constitutive properties such as the elastic modulus and the damping factor. This nondestructive technique has been quite appealed for evaluation of mechanical properties in all kinds of durability tests. The damage evolution is commonly assessed from the reduction of dynamic modulus which is produced as a result of any cracking process. However, the mechanical behavior of concrete is intrinsically nonlinear and hysteretic. As a result of a hysteretic stress-strain behavior, the elastic modulus is a function of the strain. In dynamic tests, the nonlinearity of the material is manifested by a decrease of the resonance frequencies, which is inversely proportional to the excitation amplitude. This phenomenon is commonly referred as fast dynamic effect. Once the dynamic excitation ceases, the material undergoes a relaxation process whereby the elastic modulus is restored to that at rest. This phenomenon is termed as slow dynamics. These phenomena (fast and slow dynamics) find their origin in the internal friction of the material. Therefore, in cement-based materials, the presence of microcracks and interfaces between its constituents plays an important role in the material nonlinearity. In the context of the assessment of concrete durability, the damage evolution is based on the increase of hysteresis, as a result of any cracking process. In this thesis three different nondestructive techniques are investigated, which use impacts for exciting the resonant frequencies. The first technique consists in determining the resonance frequencies over a range of impact forces. The technique is termed Nonlinear Impact Resonant Acoustic Spectroscopy (NIRAS). It consists in ascertaining the downward resonant frequency shift that the material undergoes upon increasing excitation amplitude. The second technique consists in investigating the nonlinear behavior by analyzing the signal corresponding to a single impact. This is, to determine the instantaneous frequency, amplitude and attenuation variations corresponding to a single impact event. This technique is termed as Nonlinear Resonant Acoustic Single Impact Spectroscopy (NSIRAS). Two techniques are proposed to extract the nonlinear behavior by analyzing the instantaneous frequency variations and attenuation over the signal ring down. The first technique consists in discretizing the frequency variation with time through a Short-Time Fourier Transform (STFT) based analysis. The second technique consists of a least-squares fit of the vibration signals to a model that considers the frequency and attenuation variations over time. The third technique used in this thesis can be used for on-site evaluation of structures. The technique is based on the Dynamic Acousto- Elastic Test (DAET). The variations of elastic modulus as derived through NIRAS and NSIRAS techniques provide an average behavior and do not allow derivation of the elastic modulus variations over one vibration cycle. Currently, DAET technique is the only one capable to investigate the entire range of nonlinear phenomena in the material. Moreover, unlike other DAET approaches, this study uses a continuous wave source as probe. The use of a continuous wave allows investigation of the relative variations of the elastic modulus, as produced by an impact. Moreover, the experimental configuration allows one-sided inspection. / [ES] El ensayo de determinación de las frecuencias de resonancia ha sido tradicionalmente empleado para determinar la integridad mecánica de testigos de hormigón, en la evaluación de la conformidad de mezclas de hormigón en diversos ensayos de durabilidad, y en la terminación de propiedades constitutivas como son el módulo elástico y el factor de amortiguamiento. Esta técnica no destructiva ha sido ampliamente apelada para la evaluación de las propiedades mecánicas en todo tipo de ensayos de durabilidad. La evolución del daño es comúnmente evaluada a partir de la reducción del módulo dinámico, producido como resultado de cualquier proceso de fisuración. Sin embargo, el comportamiento mecánico del hormigón es intrínsecamente no lineal y presenta histéresis. Como resultado de un comportamiento tensión-deformación con histéresis, el módulo elástico depende de la deformación. En ensayos dinámicos, la no linealidad del material se manifiesta por una disminución de las frecuencias de resonancia, la cual es inversamente proporcional a la amplitud de excitación. Este fenómeno es normalmente denominado como dinámica rápida. Una vez la excitación cesa, el material experimenta un proceso de relajación por el cual, el módulo elástico es restaurado a aquel en situación de reposo. Este fenómeno es denominado como dinámica lenta. Estos fenómenos ¿dinámicas rápida y lenta¿ encuentran su origen en la fricción interna del material. Por tanto, en materiales basados en cemento, la presencia de microfisuras y las interfaces entre sus constituyentes juegan un rol importante en la no linealidad mecánica del material. En el contexto de evaluación de la durabilidad del hormigón, la evolución del daño está basada en el incremento de histéresis, como resultado de cualquier proceso de fisuración. En esta tesis se investigan tres técnicas diferentes las cuales utilizan el impacto como medio de excitación de las frecuencias de resonancia. La primera técnica consiste en determinar las frecuencias de resonancia a diferentes energías de impacto. La técnica es denominada en inglés: Nonlinear Impact Resonant Acoustic Spectroscopy (NIRAS). Ésta consiste en relacionar el detrimento que el material experimenta en sus frecuencias de resonancia, con el aumento de la amplitud de la excitación. La segunda técnica consiste en investigar el comportamiento no lineal mediante el análisis de la señal correspondiente a un solo impacto. Ésta consiste en determinar las propiedades instantáneas de frecuencia, atenuación y amplitud. Esta técnica se denomina, en inglés, Nonlinear Single Impact Resonant Acoustic Spectroscopy (NSIRAS). Se proponen dos técnicas de extracción del comportamiento no lineal mediante el análisis de las variaciones instantáneas de frecuencia y atenuación. La primera técnica consiste en la discretización de la variación de la frecuencia con el tiempo, mediante un análisis basado en Short-Time Fourier Transform (STFT). La segunda técnica consiste en un ajuste por mínimos cuadrados de las señales de vibración a un modelo que considera las variaciones de frecuencia y atenuación con el tiempo. La tercera técnica empleada en esta tesis puede ser empleada para la evaluación de estructuras in situ. La técnica se trata de un ensayo acusto-elástico en régimen dinámico. En inglés Dynamic Acousto-Elastic Test (DAET). Las variaciones del módulo elástico obtenidas mediante los métodos NIRAS y NSIRAS proporcionan un comportamiento promedio y no permiten derivar las variaciones del módulo elástico en un solo ciclo de vibración. Actualmente, la técnica DAET es la única que permite investigar todo el rango de fenómenos no lineales en el material. Por otra parte, a diferencia de otras técnicas DAET, en este estudio se emplea como contraste una onda continua. El uso de una onda continua permite investigar las variaciones relativas del módulo elástico, para una señal transito / [CA] L'assaig de determinació de les freqüències de ressonància ha sigut tradicionalment empleat per a determinar la integritat mecànica de testimonis de formigó, en l'avaluació de la conformitat de mescles de formigó en diversos assajos de durabilitat, i en la terminació de propietats constitutives com són el mòdul elàstic i el factor d'amortiment. Esta tècnica no destructiva ha sigut àmpliament apel·lada per a l'avaluació de les propietats mecàniques en tot tipus d'assajos de durabilitat. L'evolució del dany és comunament avaluada a partir de la reducció del mòdul dinàmic, produït com resultat de qualsevol procés de fisuración. No obstant això, el comportament mecànic del formigó és intrínsecament no lineal i presenta histèresi. Com resultat d'un comportament tensió-deformació amb histèresi, el mòdul elàstic depén de la deformació. En assajos dinàmics, la no linealitat del material es manifesta per una disminució de les freqüències de ressonància, la qual és inversament proporcional a l'amplitud d'excitació. Este fenomen és normalment denominat com a dinàmica ràpida. Una vegada l'excitació cessa, el material experimenta un procés de relaxació pel qual, el mòdul elàstic és restaurat a aquell en situació de repòs. Este fenomen és denominat com a dinàmica lenta. Estos fenòmens --dinámicas ràpida i lenta troben el seu origen en la fricció interna del material. Per tant, en materials basats en ciment, la presència de microfissures i les interfícies entre els seus constituents juguen un rol important en la no linealitat mecànica del material. En el context d'avaluació de la durabilitat del formigó, l'evolució del dany està basada en l'increment d'histèresi, com resultat de qualsevol procés de fisuración. En esta tesi s'investiguen tres tècniques diferents les quals utilitzen l'impacte com a mitjà d'excitació de les freqüències de ressonància. La primera tècnica consistix a determinar les freqüències de ressonància a diferents energies d'impacte. La tècnica és denominada en anglés: Nonlinear Impact Resonant Acoustic Spectroscopy (NIRAS). Esta consistix a relacionar el detriment que el material experimenta en les seues freqüències de ressonància, amb l'augment de l'amplitud de l'excitació. La segona tècnica consistix a investigar el comportament no lineal per mitjà de l'anàlisi del senyal corresponent a un sol impacte. Esta consistix a determinar les propietats instantànies de freqüència, atenuació i amplitud. Esta tècnica es denomina, en anglés, Nonlinear Single Impact Resonant Acoustic Spectroscopy (NSIRAS). Es proposen dos tècniques d'extracció del comportament no lineal per mitjà de l'anàlisi de les variacions instantànies de freqüència i atenuació. La primera tècnica consistix en la discretización de la variació de la freqüència amb el temps, per mitjà d'una anàlisi basat en Short-Time Fourier Transform (STFT). La segona tècnica consistix en un ajust per mínims quadrats dels senyals de vibració a un model que considera les variacions de freqüència i atenuació amb el temps. La tercera tècnica empleada en esta tesi pot ser empleada per a l'avaluació d'estructures in situ. La tècnica es tracta d'un assaig acusto-elástico en règim dinàmic. En anglés Dynamic Acousto-Elastic Test (DAET). Les variacions del mòdul elàstic obtingudes per mitjà dels mètodes NIRAS i NSIRAS proporcionen un comportament mitjà i no permeten derivar les variacions del mòdul elàstic en un sol cicle de vibració. Actualment, la tècnica DAET és l'única que permet investigar tot el rang de fenòmens no lineals en el material. D'altra banda, a diferència d'altres tècniques DAET, en este estudi s'empra com contrast una ona contínua. L'ús d'una ona contínua permet investigar les variacions relatives del mòdul elàstic, per a un senyal transitori. A més, permet la inspecció d'elements per mitjà de l'accés per una sola cara. / Eiras Fernández, JN. (2016). Studies on nonlinear mechanical wave behavior to characterize cement based materials and its durability [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/71439 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales