Serviceability Analysis of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams

Abstract

In last decades, the use of steel fibre reinforced concrete (SFRC) as a construction material has developed beyond the traditional applications. Despite the notable research advances in the fibre reinforcement technology and the development of guidelines and recommendations for structural design, questions continue to arise regarding the characterization and modelling of SFRC. The definition of the constitutive models of SFRC and the development of methods for the prediction of deformation and cracking of SFRC structural elements either without or with a traditional bar reinforcement have been extensively studied by many researchers, though their adequacy for certain applications still remains an issue. These sub-jects require further research in order to work towards an accurate and efficient design procedure. This thesis investigates the deformation and cracking behaviour of SFRC beams with and without steel bars. Special attention is paid for the analysis of residual strength of tensile SFRC – the fundamental material characteristic for analysis of SFRC structures. With the aim of identifying the residual strength responses, an extensive experimental investigation of 48 flexural SFRC elements subjected to three- and four-point loading is executed. A simple technique for pre-diction of residual strength from standard three-point bending test is proposed. The main advantage of the proposed technique (in comparison with the standard methods) is its capability to calculate residual strength of tensile SFRC at any given loading or deflection. For prediction of deformation and cracking behaviour of SFRC beams with bar reinforcement a numerical simulation algorithm is developed. Unlike the most of the serviceability techniques that are used specifically either for deformation or crack analysis, the algorithm based on the stress-transfer approach allows to simultaneously model both the deflection and cracking response of SFRC beams with bar reinforcement. In addition to the residual strength, the laws characterising bond-slip and damage zone are the basic constitutive parameters governing the results of analysis. Being mechanically sound, the developed technique can be universally applied to any type of concrete (plain, high strength/performance) and reinforcement (steel, fibre reinforced polymer). To evaluate the adequacy of the developed technique, an experimental program consisting of 11 full scale rein-forced concrete beams with varying fibre content was performed. Comparison of numerical and experimental results proved the applicability of the proposed modelling method. The author have published 14 articles on the topic of the dissertation (5 of them in the journals with an Impact Factor and 3 in the conference proceedings referred by the Clarivate Analytics Web of Science database).

Pastaraisiais dešimtmečiais plieno plaušu armuotas betonas vis plačiau taikomas sudėtingose statinių konstrukcijose. Nepaisant atliktų reikšmingų mokslinių ty-rimų bei vystomų projektavimo rekomendacijų, dispersiškai armuoto betono savybių nustatymas ir modeliavimas vis dar yra pakankamai sudėtingas uždavinys. Standartiškai nustatytų plieno plaušu armuoto tempiamojo betono medžiagų modelių taikymas yra tinkamas dispersiškai armuotų konstrukcijų analizei, tačiau dažnai lemia dideles paklaidas betono konstrukcijų su strypine armatūra deformacijų ir pleišėjimo nustatymui. Tinkamas medžiagų modelių parinkimas, apimantis dispersiškai armuoto betono liekamuosius įtempius bei armatūros ir betono sąveiką, turi lemiamos įtakos, analizuojant konstrukcijų tinkamumo ribinį būvį. Disertaciniame darbe atliekama statine trumpalaike apkrova veikiamų, plieno plaušu armuotų betoninių ir gelžbetoninių elementų deformacijų bei pleišėjimo analizė. Plieno plaušu armuoto tempiamojo betono liekamojo stiprio nustatymui atlikta eksperimentinė programa, kurią sudarė 48 standartinio dydžio lenkiamieji elementai, apkrauti viena arba dviem koncentruotomis apkrovomis. Darbe pasiūlytas dispersiškai armuoto betono liekamųjų įtempių nustatymo metodas, kuris, taikant eksperimentinius standartinio dydžio dispersiškai armuotų be-toninių elementų duomenis, leidžia nustatyti liekamąjį stiprį bet kuriuo apkrovos veikimo momentu. Pasiūlytas metodas gali būti universaliai taikomas įvairaus dydžio ir geometrijos bandiniams. Disertacijoje pasiūlytas plieno plaušu ir strypais armuotų gelžbetoninių elementų deformacijų ir pleišėjimo modeliavimo metodas, paremtas įtempių perdavimo (diskretaus pleišėjimo) koncepcija. Skirtingai nuo daugelio tinkamumo ribinio būvio analizės algoritmų, šiuo metodu galima adekvačiai modeliuoti konstrukcijų deformacijas bei plyšių vystymąsi, įvertinant dispersiškai armuoto betono liekamąjį stiprį, strypinės armatūros ir betono sukibimo bei pažeidimo zonos reiškinius. Pasiūlytas įtempių perdavimo algoritmas gali būti universaliai tai-komas įvairių rūšių betonų (įprastam, didelio stiprio) ir skirtingų tipų plaušo ir strypinės armatūros (plieno, kompozitinės) analizei. Įvertinti modeliavimo rezultatų adekvatumui atlikti 11 realaus dydžio skirtingu plieno plaušo ir strypinės armatūros kiekiu armuotų gelžbetoninių elementų eksperimentiniai tyrimai. Gautų skaitinių ir eksperimentinių rezultatų analizė patvirtino siūlomo metodo tinkamumą plieno plaušu armuotų sijų tinkamumo ribinio būvio analizei. Autorius disertacijos tema paskelbė 14 mokslinių publikacijų, iš kurių 5 – žurnaluose turinčiuose cituojamumo rodiklį ir 3 – konferencijų rinkiniuose, referuojamuose Clarivate Analytics Web of Science duomenų bazėje.