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.