Experimental and Theoretical Investigation of Stress-Strain Behavior of Reinforced Concrete Members subjected to Short-Term and Cyclic Loading

Abstract

A variety of concrete structures, i.e. bridge elements, roads, railway sleepers, foundations of wind turbines are constantly exposed to cyclic loads leading to the cracking of concrete, strength loss, rapid growth of deformations, and huge maintenance investments. The above-mentioned problems can not be resolved by examining their individual cases. Therefore, it has been decided to carry out a conceptual research of reinforced concrete composites subjected to different loading conditions. Present study consists of two interrelated topics: 1) the development of comprehensive fatigue assessment method, and 2) investigation of the versatility and relevance of innovative materials for improvement of structural durability. An experimental investigation on deformation behavior of concrete prisms subjected to cyclic compression has been performed. A new method to predict fatigue behavior of RC elements has been proposed. The results of numerical analysis on columns subjected to repeated loading has been compared to the most extensive fatigue assessment methods reported in the literature. It was obtained that the code techniques present inadequately high safety margin. Investigating the application of innovative materials and considering demands of Lithuanian civil engineering, the second part of the study focused on FRP reinforcement and biological self-healing concrete as the most promising alternatives for avoiding cracking of concrete and corrosion of steel reinforcement. Problematic issues (particularly, material properties of innovative materials) related to the design of RC structures have been discussed. In addition, the experimental investigation of RC ties strengthened with basalt FRP sheets has been performed. The obtained results has been used to formulate the guidelines and prospects for further research. The total scope of the master’s thesis – 82 pages, 81 formulae, 34 figures, 6 tables and 105 references.

Dauguma gelžbetoninių statinių bei konstrukcinių elementų, pvz., tiltai, keliai, geležinkelio pabėgiai, vėjo jėgainių pamatai ir kt., yra nuolat veikiami pasikartojančių apkrovų. Ciklinis konstrukcijų apkrovimo pobūdis sukelia betono pleišėjimą, spartų deformacijų augimą, mažina jų laikomąją galią. Tokių statinių eksploatacija reikalauja didelių finansinių sąnaudų. Minėtos problemos negali būti išspręstos nagrinėjant vien tik pavienius jų sprendimo atvejus, todėl, nagrinėjant skirtingus apkrovimo atvejus, šiame darbe buvo nuspręsta atlikti konceptualius armuoto betono elementų tyrimus. Magistro baigiamasis darbas susideda iš dviejų tarpusavyje susijusių temų: 1) universalios konstrukcinių elementų nuovargio vertinimo metodikos kūrimo ir 2) galimybių naudoti inovatyvias medžiagas statinių ilgaamžiškumui užtikrinti vertinimo. Buvo atlikti eksperimentiniai betoninių prizmių, veikiamų cikline gniuždymo apkrova, deformacijų elgsenos tyrimai. Sukurtas gelžbetoninių elementų nuovargio prognozavimo metodas. Skaitinei analizei atlikti buvo parinktos gelžbetoninės kolonos. Skaičiavimo rezultatai palyginti su plačiausiai taikomais nuovargio vertinimo metodais. Parodyta, kad normų metodai yra neadekvačiai konservatyvūs. Tiriant inovatyvių medžiagų taikymo galimybes ir atsižvelgiant į Lietuvos statybinių konstrukcijų gamybos poreikį, baigiamojo darbo antrojoje dalyje dėmesys skiriamas pluoštu armuotų polimerų konstrukciniams kompozitams ir biologiniam savaime gyjančiam betonui. Sprendžiant konstrukcijų pleišėjimo bei korozijos problemas, aptartos svarbiausios šių medžiagų savybės, susijusios su patikimu gelžbetoninių konstrukcijų projektavimu. Atlikti eksperimentiniai bazalto lakštais sustiprintų tempiamųjų gelžbetoninių elementų tyrimai. Gauti rezultatai panaudoti formuluojant gaires ir perspektyvas tolesniems moksliniams tyrimams. Darbo apimtis: 82 puslapiai teksto, 81 formulė, 34 paveikslai, 6 lentelės ir 105 bibliografiniai šaltiniai.