Orientation of short steel fibres in concrete: measuring and modelling

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2014-04-04
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2014
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
226
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 28/2014
Abstract
This research focuses on a cementitious composite formed by mixing of concrete matrix with short steel fibres, SFRC. This composite is quite extensively employed in the construction industry, for example in floors resting on soil and even in some load-bearing structures, such as floor-slabs. The complexity of SFRC is the presence of the anisotropic behaviour occurring due to different alignments of short fibres. The examinations performed comprise two research branches: measuring of fibre orientations from the hardened concrete matrix and modelling of composite properties considering the orientation distribution of fibres. Two methods of measuring fibre orientations are developed: slicing method and X-ray micro-tomography. Parts extracted from the full-size floor-slabs are used as samples. The slicing with photometry approach is improved by DC-conductivity testing joined with image analysis. X-ray micro-tomography is performed on sufficiently large samples and the orientation of fibres is specified by the analysis of 3D voxel images of scanned fibres. The received measuring results proved that both DC-conductivity testing combined with photometry and X-ray micro-tomography have high accuracy and they can be applied in defining fibre orientations from real concrete samples reliably. The material model developed for one meso-volume element of SFRC is based on an orthotropic hyperelastic material model where the second-order terms of the strain energy function are employed resulting in orthotropic St. Venant-Kirchhoff model. The orthotropic meso-symmetry of the composite is modelled by the structural tensors based on the eigenvectors of the second-order alignment tensor, which represent the dominating alignment of fibres. The material model developed for SFRC consists of an isotropic part presenting the concrete and the orthotropic part including the influence of short steel fibres. The orientation distribution function of fibres is utilized to evaluate the orthotropic effect in the defined material symmetry directions. The advantage of the material model developed is that it uses the full orientation information of fibres and employs tensor quantities, which are independent of any reference frame. Finally, the implementation of the model is demonstrated by examples based on fibre orientations measured from test samples.

Tutkimuksessa tarkastellaan betonin ja lyhyiden teräskuitujen muodostamaa yhdistelmämateriaalia, jota on laajasti käytetty rakennusalalla esimerkiksi maanvaraisissa lattioissa ja Suomen ulkopuolella myös kantavissa välipohjalaatoissa. Tämän yhdistelmämateriaalin toiminnan arvioinnissa haasteet liittyvät materiaalin anisotrooppisuuteen, joka aiheutuu kuitujen suuntautuneisuuden ja määrän vaihteluista betonissa. Tutkimus jakaantui kahteen pääosaan, joista ensimmäisessä tarkasteltiin kuitujen suuntaisuuden määrittämistä kovettuneesta betonista ja toisessa kehitettiin menetelmä kuitujen orientaation huomioon ottamiseksi materiaalimallissa. Kuitujen suunnan määritykseen työssä syntyi kaksi menettelyä, jotka perustuivat joko näytekappaleen viipalointiin tai röntgensädettä hyödyntävään mikrotomografiaan. Menetelmiä kehitettiin testikappaleilla, jotka oli otettu mitoiltaan ja valmistustavaltaan todellisia välipohjalaattoja vastaavista koerakenteista. Viipaleiden fotometrista tarkastelua parannettiin testaamalla pisteittäin viipaleiden pintojen välistä sähkönjohtavuutta robottiohjatulla tasasähkölähteellä. Mikrotomografiamittaus suoritettiin riittävän suurilla koekappaleilla, joista kuitujen suuntautuneisuus määritettiin analysoimalla kolmiulotteisia kuvamatriiseja. Saadut mittaustulokset osoittivat sekä fotometrian yhdistettynä tasasähkön johtavuuteen että mikrotomografian olevan tarkkoja menetelmiä, joita voidaan luotettavasti soveltaa kuitujen suuntautuneisuuden määrittämiseen todellisista betonikappaleista. Kehitetty materiaalimalli kuitubetonin mesotilavuutta kuvaavalle osuudelle perustuu hyperelastiseen materiaaliin, jossa sovelletaan muodonmuutosenergian toisen kertaluvun termejä. Yhdistelmämateriaalin symmetria on kuvattu toisen kertaluvun suuntautuneisuustensorin ominaisvektoreilla, jolloin isotrooppinen St. Venat-Kirchhoff-malli voidaan täydentää ominaisvektoreista muodostetuilla rakennetensoreilla. Tuloksena saadaan ortotrooppinen St. Venant-Kirchoff-materiaali, jonka isotroopinen osa kuvaa betonia ortotropian kuvatessa kuitujen vaikutusta. Kuitujen suuntautuneisuuden tiheysfunktiota hyödynnetään laskettaessa suunnasta riippuvien kimmovakioiden vaikutusta määrättyihin symmetriasuuntiin. Johdetun materiaalimallin etuna on, että siinä hyödynnetään kaikki tieto kuitujen suuntautuneisuudesta soveltaen tensorisuureita, jotka ovat valitusta koordinaatistosta riippumattomia. Lopuksi mallin soveltamista on havainnollistettu esimerkeillä, joissa on hyödynnetty koekappaleista mitattuja tietoja kuitujen suuntautuneisuudesta.
Description
Supervising professor
Puttonen, Jari, Prof., Aalto University, Department of Civil and Structural Engineering, Finland
Thesis advisor
Herrmann, Heiko, Dr. rer. nat., Tallinn University of Technology, Estonia
Keywords
short steel fibre orientation, constitutive mappings, slicing, micro-computed tomography, steel fibre reinforced concrete, lyhyiden teräskuitujen suuntautuminen, konstitutiivinen malli, viipalaointi, mikrotomografia, teräskuitubetoni
Other note
Parts
  • [Publication 1]: M. Eik and J. Puttonen. Challenges of steel fibre reinforced concrete in load bearing structures. Rakenteiden mekaniikka (Journal of Structural Mechanics), 44, 1, 44-64, http://rmseura.tkk.fi/rmlehti/2011/nro1/, June 2011.
  • [Publication 2]: H. Herrmann and M. Eik. Some comments on the theory of short fibre reinforced materials. Proceedings of the Estonian Academy of Sciences, 60, 3, 179-183, http://dx.doi.org/10.3176/proc.2011.3.06, June 2011.
  • [Publication 3]: M. Eik and H. Herrmann. Raytraced images for testing the reconstruction of fibre orientation distributions. Proceedings of the Estonian Academy of Sciences, 61, 2, 128-136, http://dx.doi.org/10.3176/proc.2012.2.05, June 2012.
  • [Publication 4]: J.-P. Suuronen, A. Kallonen, M. Eik, J. Puttonen, R. Serimaa and H. Herrmann. Analysis of short fibres orientation in steel fibre reinforced concrete (SFRC) using X-ray tomography. Journal of Materials Science, 48, 3, 1358-1367, http://dx.doi.org/10.1007/s10853-012-6882-4, February 2013.
  • [Publication 5]: M. Eik, K. Lõhmus, M. Tigasson, M. Listak, J. Puttonen and H. Herrmann. DC-conductivity testing combined with photometry for measuring fibre orientations in SFRC. Journal of Materials Science, 48, 10, 3745-3759, http://dx.doi.org/10.1007/s10853-013-7174-3, May 2013.
  • [Publication 6]: M. Eik, J. Puttonen and H. Herrmann. Fibre orientation phenomenon in concrete composites: measuring and theoretical modelling. 7th International Conference FIBRE CONCRETE 2013, Technology, Design, Application; Conference Proceedings, 1-4, September 2013.
Citation