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It has been known that the nucleation and growth of cracks and defects dominate the fatigue damage process in brittle or quasi-brittle materials, such as woven fabric composites and concrete. The behaviors of these materials under multiaxial tensile or compression fatigue loading conditions are quite complex, necessitating a unified approach based on principles of mechanics and thermodynamics that offers good predictive capabilities while maintaining simplicity for robust engineering calculations. A unified approach has been proposed in this dissertation to simulate the change of mechanical properties of the woven fabric composite and steel fiber reinforced concrete under uniaxial and biaxial fatigue loading. The boundary surface theory is used to describe the effect of biaxial fatigue loading. A fourth-order response tensor is used to reflect the high directionality of the damage development, and a second-order response tensor is used to describe the evolution of inelastic deformation due to damage. A direction function is used to capture the strength anisotropic property of the woven fabric composite. The comparisons between model prediction results and experimental data show the good prediction capability of models proposed in this dissertation.

Die Anzahl an Brücken aus Textil- bzw. Carbonbeton wächst stetig und umso dringender wird die Fragestellung nach einer sicheren Ermüdungsbemessung von Carbonbeton. Die bloße Einführung von Abminderungsfaktoren als Widerstand gegen die Ermüdungsbelastung ist hierbei keine Option. Für eine wirtschaftliche Bemessung von Carbonbeton unter Zugschwellbelastung ist ein materialgerechtes Bemessungskonzept vonnöten, welches zunächst eine umfangreiche Untersuchung des Materialverhaltens unter Ermüdungsbelastung erfordert. Hierzu leistet die vorliegende Arbeit einen essentiellen Beitrag. Zunächst wird dabei der für die durchgeführten Untersuchungen relevante Wissensstand zusammengefasst. Anschließend werden umfangreiche Ermüdungsuntersuchungen vorgestellt, welche an zwei verschiedenen, marktüblichen Materialkombinationen durchgeführt wurden. Dabei wurden sowohl das Zug- als auch das Verbundtragverhalten von Carbonbeton unter Zugschwellbelastung betrachtet. Neben den erreichbaren Schwingspielzahlen und Resttragfähigkeiten von Durchläufern wurden auch das Spannungs-Dehnungs- bzw. -Verformungs-Verhalten, die Veränderung der Gestalt der Hystereseschleifen, die Probekörperdehnungen bzw. -verformungen und die Probekörpersteifigkeiten während der Ermüdungsbelastung untersucht. Anhand der erzielten Untersuchungsergebnisse wird schlussendlich ein Vorschlag für ein Bemessungskonzept für Carbonbeton unter Zugschwellbeanspruchung zusammengestellt. Die in der vorliegenden Arbeit erzielten Ergebnisse tragen somit dazu bei, ein grundlegendes Verständnis für das Materialverhalten von Carbonbeton bei Ermüdungsbelastung zu erhalten und die Ermüdungsbemessung für die untersuchten Materialien durchzuführen. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf weitere Materialkombinationen ist in weiterführenden Untersuchungen zu überprüfen.

Crack propagation in structures when subjected to fatigue loading, follows three different phases namely - short crack growth, stable crack growth and unstable crack growth. Accurate fatigue life prediction demands the consideration of every crack propagation phase rather than only the stable crack growth stage. Further, the use of existing crack growth laws in structures with small cracks under-predicts the growth rate compared to experimentally observed ones, thereby leading to an unsafe design and keeping the structure in a potentially dangerous state. In the present work, an attempt is made to establish fatigue crack propagation laws for plain concrete, reinforced concrete and concrete-concrete jointed interfaces from first principles using the concepts of dimensional analysis and self-similarity. Different crack growth laws are proposed to understand the behavior in each of the three regimes of the fatigue crack growth curve. Important crack growth characterizing material and geometrical parameters for each zone are included in the proposed analytical models. In real life applications to structures, the amplitude of cyclic loading rarely remains constant and is subjected to a wide spectrum of load amplitudes. Furthermore, the crack growth behavior changes in the presence of high amplitude load spikes within a constant amplitude history and this is incorporated in the model formulation. Using scaling laws, an improved understanding of the scaling behavior on different parameters is achieved. The models describing different regimes of crack propagation are finally unified to obtain the entire crack growth curve and compute the total fatigue life. In addition, crack growth analysis is performed for a reinforced concrete member by modifying the model derived for plain concrete in the Paris regime. Energy dissipation occurring due to shake-down phenomenon in steel reinforcement is addressed. The bond-slip mechanism which is of serious concern in reinforced concrete members is included in the study and a method is proposed for the prediction of residual moment carrying capacity as a function of relative crack depth. The application of the proposed analytical model in the computation of fatigue crack growth is demonstrated on three practical problems – beam in flexure, concrete arch bridge and a patch repaired beam. Through a sensitivity study, the influence of different parameters on the crack growth behavior is highlighted.