Concrete slabs-on-ground are commonly used in many types of industrial floors, warehouses, highways, parking lots and buildings. Cracks and deflection of slabs are undesired events caused by differential shrinkage, which limits the service life of the slabs. Non-linear behavior of cracks and deflections, interaction of concrete and reinforcement increase the complexity in predicting the occurrence and positioning of cracks. The Eurocode 2 provides a reference for theoretical approximation for design of concrete structures. This thesis intent to investigate the crack behavior of slabs-on-ground subjected to gradient shrinkage using nonlinear finite element analysis, as implemented in the software package Atena 2D. The first part of the thesis is focused on suitable modeling techniques for predicting cracks in concrete slabs-on-ground due to gradient shrinkage. The second part is directed towards parametric studies, performed to explore the significance of varying thickness, length, concrete strength class, bond types, reinforcement content and friction coefficient. The results obtained with the Atena 2D was validated using the design software WIN-statik for calculating the maximum crack width in the context of obtaining realistic results. Finally, the WSP guide recommended parameters were tested as inputs to the model. A slab-on-ground was modeled in Atena 2D considering these as statically indeterminate structures, where both slab and grade were included and the convergence analysis performed under plane stress conditions enabling prediction of the maximum crack widths for increasing applied shrinkage loads. Parametric studies demonstrate the dependency of the slab length, showing that a smaller length reduces the crack width, since such a slab is less constrained by the sub-base. To avoid cracks in the slabs their relative thickness should not be increased above a certain thickness, instead the reinforcement content should be increased. The numerical simulation shows that different concrete strength classes give similar cracks widths. Sand as sub-base provides less crack widths for interface materials EPS, sand and gravel. Although, dry sand as interface material gives similar crack widths as EPS, it is the best to use EPS that is also used to retard the moisture diffusion from the sub-base. The numerical model developed was validated for the recommended values given by the WSP guide, which gives less crack widths and deflections. The numerical model gives less crack widths compared to the Eurocode 2, which considers only the statistically determinant problems overestimating the crack widths. The presented examples demonstrate that the developed model can accurately predict crack formation, crack behavior and vertical deflection in concrete slabs-on-ground subjected to gradient shrinkage loads.

[pt] O presente trabalho tem como foco a caracterização do concreto reforçado com fibras de álcool polivinílico (CRFPVA) com diferentes frações volumétricas para utilização como pavimento aeroportuário. Para isso foram determinados os parâmetros como resistência residual e tenacidade dos compósitos através de ensaios de flexão em três pontos definidos pela norma EN 14651 para serem aplicados no dimensionamento de lajes apoiadas em base elástica, proposto pela TR-34 e comparar estes resultados ao dimensionamento e a ensaios do pavimento de concreto de cimento Portland convencional regulamentado pela Federal Aviation Administration (FAA), através da circular AC150/5320-6F. Também foram utilizadas fibras de polipropileno, que são amplamente empregadas na construção de pisos industriais, para comparação com os CRFPVA. Os CRF apresentaram comportamento deflection softening e, acréscimo de tensões pós fissuração e tenacidade com o aumento da fração volumétrica de fibras. Ensaios de flexão cíclicos foram realizados mostrando que para carregamentos de até 70% da carga de primeira fissura, para corpos de prova não fissurados ou, 70% da carga em CMOD1 para corpos de prova pré-fissurados, combinados com 100 mil ciclos, há pouco ou nenhum dano aparente para os CRF. Finalmente, os ensaios estruturais em lajes sobre apoio elástico apresentaram com a adição de fibras, ganhos de até 2,8 vezes no valor da carga de primeira fissura comparado ao concreto convencional, além de redução das deformações e da fissuração das lajes, mostrando o CRF como uma alternativa para a aplicação em pavimentos aeroportuários. / [en] The present work focuses on the characterization of polyvinyl alcohol fiber reinforced concrete (PVA-FRC) with different volume content to be applied as airport pavement. The parameters that characterize the FRC were obtained through three point bending tests defined by EN 14651 and were applied in the slabs on ground design as proposed by TR-34. The results were compared to the design and tests of the plain Portland cement concrete pavement regulated by the Federal Aviation Administration (FAA) advisory circular AC150/5320-6F. Polypropylene fiber reinforced concrete (PP-FRC), which are widely used in industrial floor design and construction, were also tested for comparison. The FRC showed a deflection softening behavior improving the post-cracking strength and toughness values with the increase in the fiber content. Cyclic bending tests were performed with noncracked and pre-cracked specimens with 70 per cent of the first crack load and 70 per cent of the CMOD1 load respectively for 100k cycles. These tests showed little or no damage to the FRC samples compared to the monotonic bending tests. Finally, the structural scale tests on slabs on ground showed that with the fiber addition, the value of the load at first crack is improved up to 2.8 times compared to the plain concrete slab and also reduced deflection and displacement are seen, indicating that he PVAFRC, and also the PP-FRC are suitable to be used as airport pavement.

Im konstruktiven Betonbau haben sich Kurzfasern in Form von Makrofasern zur isotropen Verstärkung vorwiegend statisch unbestimmter Bauteile etabliert. Diese Fasern werden dem Frischbeton konventionell beigemischt und verleihen dem Festbeton bei üblichen Fasergehalten von etwa 1 Vol.-% die Eigenschaft, auch nach erfolgter Rissbildung einen gewissen Grad an Zugspannungen im Riss übertragen zu können. Die dabei übertragbaren Spannungen nehmen in der Regel mit zunehmender Rissweite ab. Das Hauptanwendungsgebiet stellen daher Bodenplatten und Industrieböden dar, deren Systemtragfähigkeit aufgrund ihrer hohen statischen Unbestimmtheit nicht auf die Querschnittstragfähigkeit begrenzt ist. Da die Tragwerk-Baugrund-Interaktion ein komplexer Prozess ist, gestaltet sich eine Aussage zu den Mindestanforderungen an das Entfestigungsverhalten konstruktiver Faserbetone zur Gewährleistung eines duktilen und überkritischen Systemtragverhaltens schwierig. Die Regelungen zur Akzeptanz und zum Einsatz von Faserprodukten für konstruktive Betonbauteile sind zudem insbesondere im deutschsprachigen Raum durch präskriptive Vorgaben wie in der DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ auf die Anwendung von Stahlfasern begrenzt. International können dagegen durch leistungsbezogene Normen, wie dem fib Model Code 2010, auch andere Fasermaterialien eingesetzt werden, sofern diese mit der Betonmatrix verträglich sind. Kurzfasern aus Glas dürfen im konstruktiven Betonbau momentan nicht auf die Tragfähigkeit von Bauteilen angerechnet werden. Insbesondere längere Makroglasfasern erscheinen aber als geeignet, Spannungen auch bei größeren Rissöffnungen übertragen zu können und insbesondere Betonbodenplatten eine höhere Tragfähigkeit und Duktilität zu verleihen. In dieser Arbeit wurde die Verwendung von Makroglasfasern mit einer Länge von 36 mm im Kontext ihrer Leistungsfähigkeit auf Material- und Bauteilebene untersucht. Auf Basis von Drei- und Vier-Punkt-Biegezugversuchen wurden Finite-Elemente-Modelle entwickelt und die Leistungsfähigkeit der Faserbetone auf Materialebene durch inverse Analysen bestimmt. Zusätzlich wurde ein eigener Ansatz für dieses Vorgehen entwickelt, mit dem einige der in den Regelwerken verankerten Parameter hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für Makroglasfaserbeton neu kalibriert wurden. Durch experimentelle und numerische Versuche an Decken- und Bodenplatten wurde das Materialverhalten des Makroglasfaserbetons auf Bauteilebene untersucht. Die im Vorfeld ermittelten Materialkennwerte bildeten die Eingangswerte für die Simulation der Bauteilversuche. Abschließend verdeutlichte eine Parameterstudie den Einfluss der Leistungsfähigkeit des Faserbetons und der Bodensteifigkeit auf die Tragfähigkeit von Bodenplatten. Insgesamt soll diese Arbeit einen wissenschaftlichen Beitrag zur Verwendung und statischen Anrechenbarkeit von Makroglasfasern in Konstruktionsbeton und seiner Anwendung in Bodenplatten leisten. Im Ergebnis ist festzuhalten, dass Makroglasfaserbeton innerhalb der untersuchten Fasergehalte ein dehnungsentfestigendes Materialverhalten aufweist. Die normativ verankerten Beiwerte für die Umrechnung der Nachrissbiegezugfestigkeit in die Nachrisszugfestigkeit sind teilweise zu hoch angesetzt, und die rechnerische Bruchdehnung sollte auf 18 ‰ begrenzt werden. Die Untersuchungen an Bodenplatten zeigen, dass selbst Faserbetone mit geringer Nachrisszugfestigkeit im Bereich größerer Rissweiten, eine deutliche Traglaststeigerungen nach Erstrissbildung im Bauteil erzeugen können. Erst ab einer Rissweite von etwa 0,4 mm bieten duktilere Fasern wie Kunststoff- oder Stahlfasern Vorteile. Bei der Herstellung von Makroglasfaserbeton ist besonderes Augenmerk auf den Mischvorgang zu legen. Mit zunehmender Mischzeit werden die Fasern aufgrund ihres grundsätzlich spröden Materialverhaltens und ihrer Zusammensetzung aus Einzelfilamenten geschädigt. Die Wahl des Betonmischers kann einen Unterschied von einer Leistungsklasse bedingen, weshalb die Leistungsfähigkeit von Makroglasfaserbeton immer an Prüfkörpern aus dem zum Einsatz kommenden Betonmischers erfolgen sollte. Im Rahmen dieser Arbeit wurden kurzzeitige Belastungen an Bodenplatten unter mittiger Lasteinleitung untersucht. Andere Belastungsszenarien sollten gesondert betrachtet werden. Die Überführung der Ergebnisse der untersuchten Bodenplatten in ein Berechnungsmodell für beliebige Plattengeometrien und Bodeneigenschaften stellt eine sinnvolle Verwertung der Forschungsergebnisse dar.:Vorwort Symbolverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Kurzfassung Abstract Inhalt 1 Einleitung 1.1 Problem- und Zielstellung 1.2 Thematische Abgrenzung 1.3 Aufbau der Arbeit, Methodik 2 Grundlagen Faserbeton 2.1 Allgemeines 2.1.1 Faserwerkstoffe 2.1.2 Faserformen 2.1.3 Betonmatrix 2.2 Tragverhalten von Faserbeton 2.3 Grundlagen der Bruchmechanik von Faserbeton 2.3.1 Rissbildungsmodelle 2.3.2 Betrachtungen zur charakteristischen Länge 2.4 Ermittlung der Leistungsfähigkeit von Faserbeton 2.4.1 Allgemeine Prüfverfahren 2.4.2 Drei-Punkt-Biegezugversuch nach DIN EN 14651 und fib Model Code 2010 2.4.3 Anwendungsvoraussetzungen von Faserbeton in tragenden Bauteilen nach fib Model Code 2010 2.4.4 Vier-Punkt-Biegezugversuch nach DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ 2.4.5 Anwendungsvoraussetzungen von Faserbeton in tragenden Bauteilen nach DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ 3 Konstruktiver Makroglasfaserbeton 4 Bodenplatten aus Faserbeton 4.1 Allgemeines 4.2 Bodeneigenschaften 4.2.1 Allgemeines 4.2.2 Elastizitätsmodul 4.2.3 Dynamischer Verformungsmodul 4.2.4 Bettungsmodul 4.2.5 Spannungen im Boden 4.2.5.1 Verfahren nach STEINBRENNER 4.2.5.2 Fließkriterium nach DRUCKER-PRAGER 4.3 Interaktion von Baugrund und Gründung 4.3.1 Phasen der Traglastentwicklung von Betonbodenplatten 4.3.2 Bodenmodelle 4.3.3 Ansätze zur Ermittlung der Tragfähigkeit von Bodenplatten 4.4 Eigener Ansatz 5 Beschreibung der experimentellen Untersuchungen 5.1 Übersicht zum Versuchsprogramm 5.2 Entwickelte Makroglasfaserbetonmischungen 5.2.1 Mischungskonzeption 5.2.2 Verwendete Makroglasfasern 5.2.3 Anforderungen an die Frischbetoneigenschaften 5.2.3.1 Verarbeitbarkeit 5.2.3.2 Luftporengehalt 5.3 Versuche an kleinformatigen Prüfkörpern 5.3.1 Übersicht 5.3.2 Druckfestigkeit 5.3.3 Elastizitätsmodul 5.3.4 Drei- und Vier-Punkt-Biegezugversuche an Biegebalken 5.3.5 Dauerhaftigkeit 5.3.5.1 Allgemein 5.3.5.2 Alkalität 5.3.5.3 Frost-Tausalzbeständigkeit 5.3.5.4 Mechanischer Abrieb 5.3.5.5 Wassereindringwiderstand 5.3.6 Untersuchungen zu Faserverteilung und Fasergehalt 5.3.7 Einfluss von Misch- und Transportzeiten auf Faserzustand und Tragverhalten 5.3.7.1 Einfluss der Mischzeit 5.3.7.2 Einfluss des Transportvorgangs 5.4 Bauteilversuche 5.4.1 Übersicht 5.4.2 Vierseitig liniengelagerte Platten 5.4.2.1 Untersuchungsgegenstand und Ziel 5.4.2.2 Versuchsaufbau 5.4.2.3 Versuchsablauf 5.4.3 Flächig gelagerte Platten 5.4.3.1 Untersuchungsgegenstand und Ziel 5.4.3.2 Versuchsaufbau 5.4.3.3 Versuchsablauf 6 Auswertung der experimentellen Untersuchungen 6.1 Frisch- und Festbetoneigenschaften der untersuchten Makroglasfaserbetone 6.1.1 Frischbetoneigenschaften 6.1.2 Grundlegende Festbetoneigenschaften 6.1.3 Residuales Biegetragverhalten 6.1.3.1 Übersicht 6.1.3.2 Drei-Punkt-Biegezugversuche 6.1.3.3 Vier-Punkt-Biegezugversuche 6.1.3.4 Zusammenfassung und Vergleich der Biegeversuche 6.1.3.5 Einfluss des Mischertyps 6.1.4 Dauerhaftigkeit 6.1.4.1 Alkalität 6.1.4.2 Frost-Tauwechselbeständigkeit 6.1.4.3 Mechanischer Abrieb 6.1.4.4 Wassereindringwiderstand 6.1.5 Faserverteilung 6.1.5.1 Übersicht 6.1.5.2 Faserverteilung im Frischbeton 6.1.5.3 Faserverteilung im Festbeton 6.1.6 Einfluss von Misch- und Transportzeiten auf Faserzustand und Tragverhalten 6.1.6.1 Einfluss der Mischzeit 6.1.6.2 Einfluss der Transportzeit 6.2 Vierseitig liniengelagerte Platten 6.2.1 Zielstellung 6.2.2 Tragfähigkeit und Duktilität der untersuchten Serien 6.2.3 Verformungsfiguren und Rissbilder 6.3 Flächig gelagerte Platten 6.3.1 Zielstellung 6.3.2 Eigenschaften des Untergrundes 6.3.3 Tragfähigkeit und Duktilität der untersuchten Bewehrungsvarianten 6.3.4 Verformungsfiguren und Rissbilder 7 Numerische Simulation 7.1 Übersicht 7.2 Numerische Analyse des Entfestigungsverhaltens von Biegebalken 7.2.1 Überblick 7.2.2 Inverse Analyse der Biegebalken mit CONSOFT 7.2.3 Inverse Analyse der Biegebalken mit ATENA 7.2.4 Eigene Inverse Analyse auf Grundlage normativer Ansätze 7.3 Nachrechnung der Untersuchungen an Bodenplatten 7.3.1 Zielstellung 7.3.2 Aufbau des FE-Modells 7.3.2.1 Geometrisches Modell 7.3.2.2 Materialparameter 7.3.2.3 Verwendete Netzparameter 7.3.2.4 Belastungen 7.3.3 Ergebnisse der FE-Simulation 8 Versuchsübergreifende Auswertung 8.1 Entfestigungsverhalten von Makroglasfaserbeton anhand von Biegeversuchen 8.1.1 Überblick 8.1.2 Kalibrierung der ?-Faktoren 8.1.2.1 Drei-Punkt-Biegezugversuch 8.1.2.2 Vier-Punkt-Biegezugversuch 8.1.3 Interpretation der ermittelten Entfestigungskurven 8.2 Einfluss ausgewählter Parameter auf das Systemtragverhalten der untersuchten Bodenplatten 8.2.1 Überblick 8.2.2 Einfluss des Nachbruchverhaltens und der Bodenart 8.2.3 Fazit 9 Zusammenfassung und Ausblick Literatur Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang A: Ergänzungen zum Stand des Wissens Dauerhaftigkeit von Glasfaserbeton Einfluss der Glaszusammensetzung Einfluss der zementösen Matrix Bodenmodelle Halbraumtheorie Plattentheorie und Bettungsmodulverfahren Steifezifferverfahren Steifemodulverfahren 3D-Halbraumverfahren Berechnungsverfahren für Bodenplatten Grundlagen der Berechnung der ungerissenen Platte Grundlagen der Berechnung der gerissenen Platte Streifenmethode Bruchlinientheorie Analytischer Ansatz nach LANZONI ET AL. Modelle auf Basis numerischer Verfahren Modell von SHENTU ET AL. Modell von GOSSLA ET AL. Modelle auf Basis der nichtlinearen Bruchmechanik Modell nach BARROS und FIGUEIRAS Modell nach PLIZZARI ET AL. Anhang B: Betonzusammensetzung Betonmischungen Datenblätter Flugasche Betonzusatzmittel Festigkeiten Anhang C: Biegezugversuche Aufbereitung der Versuchsdaten Prüfprotokolle der Biegezugversuche Anhang D: Liniengelagerte Platten Vorbetrachtungen Zeichnungen Versuchsbegleitende Messungen Modifizierung der gemessenen Last-Verformungs-Kurven Bauteilverformungen über den Plattenquerschnitt Anhang E: Bodenplatten Bodenuntersuchungen Verformungen über die Plattendiagonale Rissbilder nach Versuchsende Anhang G: Inverse Analyse Entfestigungskurven der experimentellen und numerischen Biegezugversuche Vier-Punkt-Biegezugversuche Drei-Punkt-Biegezugversuche Anhang H: FE-Simulation der Bodenplatten Dimensionierung Einfluss des Elementtyps Netzkonfiguration Eingabewerte für die Materialmodelle Linear elastische Materialmodelle Betonmodelle Bewehrungsstahl Bodenmodelle Ergebnisse Anhang I: Parameterstudie