Zugl.: Clausthal-Zellerfeld, Techn. Univ., Diss., 2009

Zugl.: Siegen, Univ., Diss., 2009

Diese Dissertation fokussiert auf den Hochduktilen Beton, eine Entwicklung faserverstärkten Feinbetons, mit erheblichem Zugdehnungspotential. In Laborversuchen stellen Dehnwerte von 4 - 5% keine Seltenheit dar. Die praktische Anwendbarkeit dieses Werkstoffs leidet unter einigen Wissenslücken bezüglich der mechanischen Eigenschaften und der Langzeitstabilität. Eine Vielzahl der bisher mit diesem Material geleisteten Forschungsarbeit wurde im Labormaßstab mit Proben unter 40 cm in der längsten Dimension und im Bereich der Faser-Matrix-Interaktion durchgeführt. Bisher ausgeführte großmaßstäbliche Anwendungen beruhen zumeist auf diesen kleinmaßstäblichen Versuchen. Die im Buch beschriebenen experimentellen und theoretischen Arbeiten beleuchten das Feld des zyklischen Materialverhaltens. Bei den Untersuchungen stehen das grundlegende Verständnis des Materialverhaltens und die Beschreibung der Schädigungsmechanismen im Vordergrund. Dazu wurden verschiedene quasi-statische und zyklische Zug-Schwell- als auch Wechselbelastungen am Kompositwerkstoff untersucht. Aufgrund der Vielzahl experimenteller Ergebnisse konnte die Dominanz einzelner Schadmechanismen in Abhängigkeit der Belastung bestimmt werden. Darauf aufbauend konnte das Auftreten der beschriebenen Degradationsmechanismen auch an großmaßstäblichen Prüfkörpern unter zyklischer Belastung nachgewiesen werden und somit ein erster Transferschritt vom Labormaßstab zu praxisrelevanten Abmessungen erfolgen. Zur Vereinheitlichung des gemeinsamen Verständnisses zwischen Numerik und Experiment wurde eine Modellvorstellung basierend auf rheologischen Elementen entwickelt. Diese ermöglichen eine realitätsnahe Beschreibung der Vorgänge rückgeführt auf die physikalischen Prozesse und erleichtern somit die Darstellung des Schädigungsablaufes. Basierend auf dem entwickelten Modell werden maßgebliche Einflussgrößen auf die Schädigung herausgestellt und somit Ansätze für Materialoptimierungen geliefert.

Eines der Hauptanwendungsgebiete von Geokunststoffen ist der Verkehrswegebau. Hier haben sich neben Trenn- und Filterlagen Geokunststoffbewehrungen etabliert. Ihr Zugkraft-Dehnungsverhalten hat Einfluss auf die Nutzungsdauer des Fahrbahnaufbaus. Dort wo diese Geokunststoffe zyklischen Beanspruchungen durch den Verkehr ausgesetzt sind, ist grundsätzlich von einem Einfluss auf das Zugkraft-Dehnungsverhalten auszugehen. Somit ist es erforderlich, die zyklischen Einwirkungen bei der Ermittlung der Bemessungszugfestigkeit von Geokunststoffen für derartige Anwendungen zu berücksichtigen. Die Arbeit stellt dafür ein praktikables Verfahren vor. Auf der Basis polymertypischer Merkmale, die sich in den Zugkraft-Dehnungskurven widerspiegeln, wurde eine Kombination aus zyklischen Zugversuchen und chemischen Analysen untersucht, die es erlaubt, ohne die sehr aufwendig zu ermittelnden Wöhler- bzw. Smith-Diagramme Aussagen zum Verhalten der Geokunststoffe für die im Verkehrswesen relevanten Lastwechselzahlen zu machen.

Einleitung: Aufgrund der hohen Inzidenz der vorderen Kreuzbandverletzungen und der damit einhergehenden funktionellen Einschränkung besteht ein anhaltendes Interesse an der Verbesserung bestehender und Entwicklung neuer, besserer Techniken zur Rekonstruktion dieser Bandstruktur des Kniegelenkes. In dieser Studie wurde der Einfluss des Verankerungsniveaus (anatomisch vs. extrakortikal) und der Verankerungsart (direkt vs. indirekt) auf das mechanische Verhalten von drei exemplarischen, in der Klinik häufig angewandten Rekonstruktionstechniken, untersucht. Material & Methoden: An insgesamt 24 Kniegelenken humaner Spender mittleren Alters (40 Jahre) wurden drei Rekonstruktionstechniken (n=8 pro Gruppe) des VKB durchgeführt. Als Transplantat wurden jeweils humane Hamstringsehnen verwendet: 1.) HADBIO: anatomische und direkte Verankerung mit biodegradierbaren Interferenzschrauben, 2.) HADTIT: semi-anatomische und direkte Verankerung mit Titanschrauben, 3.) HEIButton: extrakortikale, indirekte Verankerung mit Faden-Button Verbindung. Alle rekonstruierten Kniegelenke wurden einer zyklischen, inkremental zunehmenden Belastung bis zum Versagen unterzogen. Es wurden die Parameter Konstruktsteifigkeit, absorbierte Energie, Transplantatauslenkung und Laxizitätszunahme bei Belastungen von 200, 300, 400 N, sowie die maximale Steifigkeit und Versagenskraft bestimmt. Ergebnis: Die anatomische und direkte Transplantatverankerung mit biodegradierbarer Interferenzschraube zeigt die vorteilhaftesten mechanischen Eigenschaften, während die extrakortikale und indirekte Verankerung die niedrigsten mechanischen Eigenschaften aufwies. Die tibiale Verankerungsseite ist bei Interferenzschraubenverankerung der Schwachpunkt, während die Fadenverbindungen bei der extrakortikalen Verankerungstechnik die Schwachstelle darstellten. Auch bei anatomischer und direkter Transplantatfixation findet ein nicht zu vernachlässigender permanenter Verankerungsverlust bei vergleichsweise geringer Versagenskraft statt, der vor allem auf der tibialen Verankerungsseite zu beobachten ist. Diskussion: Eine anatomische und direkte Transplantatverankerung ist von mechanischem Vorteil. Allerdings hängt die Konstruktsteifigkeit auch in erheblichem Maße vom Fixationsobjekt ab. Extrakortikale Fixationstechniken, die eine indirekte Faden-Knoten-Transplantatverbindung erfordern, unterliegen einer erheblichen nicht-reversiblen Lockerung unter zyklischer Belastung und sollten durch direkte Verankerungstechniken ersetzt werden. Aufgrund der permanenten Laxizitätszunahme auch in der anatomischen und direkten Interferenzschraubenverankerung, vor allem der tibialen Seite, sollte über Sicherungsverankerungen, so genannten Hybridfixationen nachgedacht werden, um die mechanischen Vorteile dieser Rekonstruktionsart voll zum Tragen bringen zu können. / Introduction: There is a continuous interest in the improvement and development of new techniques for the reconstruction of the anterior cruciate ligament (ACL) because of the high incidence of its injury and the resulting functional deficit. Purpose of this study was the impact of fixation level (anatomic vs. extracortical) and fixation method (direct vs. indirect) on the mechanical properties of three frequently used reconstruction techniques. Material & Methods: 24 human cadaveric knees with an average age of 40 years were used for simulation of three reconstruction techniques (n=8 per group). Human hamstring tendons were utilized as tendon grafts. 1.) HADBIO: anatomic and direct fixation with biodegradable interference screws, 2.) HADTIT: semi-anatomic and direct fixation with titanium interference screws, 3.) HEIButton: extracortical, indirect fixation with tape/button combination. All reconstructed knee joints underwent cyclic incremental loading until failure. Construct stiffness, absorbed energy, displacement and laxity increase were calculated at loads up to 200, 300, 400 N. Maximum stiffness and failure load were also recorded. Results: The anatomic and direct graft fixation with biodegradable interference screws provided the highest, while the combination of extracortical and indirect fixation showed the lowest mechanical properties. The tibial fixation site is the critical factor in interference screw fixation, while the tape/suture interfaces were the location of failure in the extracortical reconstructions. Even in the anatomic and direct reconstruction technique a considerable permanent loss of fixation, especially at the tibial fixation site and a comparably lower failure load were observed. Discussion: The combination of anatomic and direct fixation showed to be of mechanical benefit. However, construct stiffness seemed to be also affected by the fixation device. Extracortical fixation techniques, which require suture-tape/knot interfaces for graft fixation, undergo significant permanent loosening of fixation under cyclic loads and should be replaced by direct fixation techniques. Since a permanent laxity increase was still observed in the anatomic and direct interference screw reconstructions, especially on the tibial site, backup or so called hybrid fixations should be considered, which would allow to take full advantage of the mechanical improvements in these reconstruction techniques.

Zyklische Kohäsivzonenmodelle beschreiben irreversibles Separationsverhalten und Schädigungsakkumulation unter zyklischer Belastung. In der vorliegenden Arbeit wird die Formulierung zyklischer Kohäsivzonenmodelle systematisiert und ihr Potenzial zur Simulation von Ermüdungsvorgängen analysiert. Die Kohäsivspannungs-Separations-Beziehungen werden auf Basis etablierter thermodynamischer Konzepte der Schädigungsmechanik aufgestellt. Zyklische Schädigungsakkumulation wird über die Entwicklungsgleichung der Schädigungsvariablen unter Berücksichtigung einer zustandsabhängigen Dauerfestigkeit beschrieben. Das Kohäsivzonenmodell wird erfolgreich für die Simulation von Werkstoffermüdung angewandt. Numerisch mithilfe der Methode der finiten Elemente erzeugte Rissfortschrittskurven bilden das experimentell beobachtete Ermüdungsrisswachstumsverhalten in allen Bereichen ab. Über Parameterstudien wird der Einfluss der einzelnen Modellparameter ermittelt. Darüber hinaus wird die Anwendung des zyklischen Kohäsivzonenmodells auf die Simulation von Wöhler-Versuchen vorgestellt und der Probengrößeneffekt auf das Ermüdungsverhalten untersucht. Der Zusammenhang zwischen den lokalen Beanspruchungszuständen in der Kohäsivzone und dem vorhergesagten globalen Versagensverhalten wird aufgeklärt. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden die Grundlage für ein Konzept zur Identifikation der Kohäsivparameter, das auf der Auswertung von Wöhler- und Rissfortschrittskurven beruht. / Cyclic cohesive zone models describe irreversible separation behaviour and damage accumulation under cyclic loading. In the present thesis, the formulation of cyclic cohesive zone models is systemised and their potential to simulate fatigue processes is analysed. The relation between traction and separation is described based on established thermodynamical concepts of damage mechanics. Cyclic damage accumulation is controlled by a damage evolution equation taking into account a state-dependent endurance limit. The cohesive zone model is applied successfully to the simulation of material fatigue. Fatigue crack growth rate curves, which were obtained numerically by means of the finite element method, reproduce the experimentally observed behaviour in all stages. The influences of the particular parameters of the model are determined by parametric studies. In addition, simulations of uniaxial fatigue tests using the cyclic cohesive zone model are presented. Furthermore, the size effect on the fatigue behaviour is investigated. The relation between the local states within the cohesive zone and the predicted global failure modes is explained. These findings form the foundation for a concept of parameter identification which bases on the evaluation of Wöhler-curves and fatigue crack growth rate curves.

Zyklische Kohäsivzonenmodelle beschreiben irreversibles Separationsverhalten und Schädigungsakkumulation unter zyklischer Belastung. In der vorliegenden Arbeit wird die Formulierung zyklischer Kohäsivzonenmodelle systematisiert und ihr Potenzial zur Simulation von Ermüdungsvorgängen analysiert. Die Kohäsivspannungs-Separations-Beziehungen werden auf Basis etablierter thermodynamischer Konzepte der Schädigungsmechanik aufgestellt. Zyklische Schädigungsakkumulation wird über die Entwicklungsgleichung der Schädigungsvariablen unter Berücksichtigung einer zustandsabhängigen Dauerfestigkeit beschrieben. Das Kohäsivzonenmodell wird erfolgreich für die Simulation von Werkstoffermüdung angewandt. Numerisch mithilfe der Methode der finiten Elemente erzeugte Rissfortschrittskurven bilden das experimentell beobachtete Ermüdungsrisswachstumsverhalten in allen Bereichen ab. Über Parameterstudien wird der Einfluss der einzelnen Modellparameter ermittelt. Darüber hinaus wird die Anwendung des zyklischen Kohäsivzonenmodells auf die Simulation von Wöhler-Versuchen vorgestellt und der Probengrößeneffekt auf das Ermüdungsverhalten untersucht. Der Zusammenhang zwischen den lokalen Beanspruchungszuständen in der Kohäsivzone und dem vorhergesagten globalen Versagensverhalten wird aufgeklärt. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden die Grundlage für ein Konzept zur Identifikation der Kohäsivparameter, das auf der Auswertung von Wöhler- und Rissfortschrittskurven beruht. / Cyclic cohesive zone models describe irreversible separation behaviour and damage accumulation under cyclic loading. In the present thesis, the formulation of cyclic cohesive zone models is systemised and their potential to simulate fatigue processes is analysed. The relation between traction and separation is described based on established thermodynamical concepts of damage mechanics. Cyclic damage accumulation is controlled by a damage evolution equation taking into account a state-dependent endurance limit. The cohesive zone model is applied successfully to the simulation of material fatigue. Fatigue crack growth rate curves, which were obtained numerically by means of the finite element method, reproduce the experimentally observed behaviour in all stages. The influences of the particular parameters of the model are determined by parametric studies. In addition, simulations of uniaxial fatigue tests using the cyclic cohesive zone model are presented. Furthermore, the size effect on the fatigue behaviour is investigated. The relation between the local states within the cohesive zone and the predicted global failure modes is explained. These findings form the foundation for a concept of parameter identification which bases on the evaluation of Wöhler-curves and fatigue crack growth rate curves.