Deflection analysis of concrete beams prestressed with basalt fiber reinforced polymer bars subjected to cyclic loading

Abstract

The behaviour of prestressed concrete beams reinforced with non-metallic reinforcement under cyclic loading is analysed in this doctoral thesis. Review on the advantages and disadvantages of non-metallic reinforcement is provided, strength properties and the most crucial parameter values, necessary for the development of the topic of this thesis, are investigated and determined. Arguments on why and at which certain situations the use of this reinforcement can be superior compared to steel are provided. A separate experimental program is developed to determine the behaviour of non-metallic reinforcement undergoing repetitive or cyclic loading. The effect of initial prestressing level and stress range caused by the cyclic load to the final number of load cycles endured is also analysed. Moreover, the influence of cyclic loading on the mechanical properties of concrete is being investigated in this study. The dissertation consists of introduction, three main chapters, general conclusions, the lists of references and author’s publications on the topic of the dissertation. The introductory chapter presents the problem formulation, the relevance of the thesis and research object, formulates the aim of the study, describes research methodology, scientific novelty and practical significance of the obtained results. Chapter 1 describes the fatigue phenomena and the main reasons causing fatigue to concrete and composite reinforcement. Besides, attention to static, cyclic creep of concrete and recommendations of the evaluation of these effects in design codes are reviewed. Chapter 2 is dedicated generally for the description of the proposed deflection calculation method based on the principles of structural dynamics concerning cyclic creep of concrete and a possible decrease in mechanical properties of composite reinforcement due to cyclic loading. A detailed calculation algorithm of the proposed method and general assumptions are provided. The 3rd and final Chapter describes in detail the experimental study performed investigating basalt fibre reinforced polymer bars and tests of BFRP prestressed concrete beam deflection estimation results which are compared to the proposed and other authors methods. The adequacy of proposed method is evaluated thru statistical analysis. The topic of the thesis has been published in 7 articles: 5 – in the jour-nals with an Impact Factor, 1 – in scientific journals of other international databases and 1 in the conference proceedings referred by the Clarivate Analytics Web of Science.

Disertacijoje nagrinėjama nemetaline iš anksto įtempta armatūra armuotų lenkiamųjų elementų elgsena veikiant ciklinėms apkrovoms. Apžvelgiami ne-metalinės armatūros privalumai ir trūkumai, tiriamos šios armatūros mechaninės savybės bei nustatomos svarbiausios nagrinėjamai temai plėtoti reikalingos parametrų vertės. Pateikiami argumentai kodėl ir kokiose situacijose ši armatūra gali būti pranašesnė nei plieno armatūra. Sudaroma atskira eksper-imentinių tyrimų programa neplieninės armatūros elgsenos nustatymui, veikiant kartotinėms arba ciklinėms apkrovoms. Taip pat analizuojama išanks-tinio įtempimo lygio ir ciklinės apkrovos sukeliamų įtempių amplitudės įtaka ribiniam atlaikomam apkrovos ciklų skaičiui. Be to, darbe yra analizuojama ciklinės apkrovos įtaka betono mechaninėms savybėms augant apkrovos ciklų skaičiui. Disertaciją sudaro įvadas, trys pagrindiniai skyriai, bendrosios išvados, naudotos literatūros sąrašas bei autoriaus publikacijų sąrašas disertacijos tema. Įvadiniame skyriuje formuluojama darbo problema, aprašomas darbo aktualumas ir tyrimų objektas, formuluojamas darbo tikslas bei aptariami darbo uždaviniai. Taip pat aprašoma tyrimų metodika, darbo mokslinis naujumas ir rezultatų praktinė reikšmė. Pirmajame skyriuje aprašomos ciklinės apkrovos sukeliamo nuovargio efekto priežastys ir pasekmės betonui bei kompozitinei armatūrai. Atskiras dėmesys skiriamas betono statiniam ir cikliniam valkšnumui, apžvelgiamos galiojančių projektavimo normų ir rekomendacijų nuorodos šių efektų vertinimui armuotų betoninių konstrukcijų projektavime. Antrajame skyriuje aprašomas siūlomas įlinkių skaičiavimo metodas, pagrįstas statybinės dinamikos principais, vertinantis betono ciklinį valkšnumą bei galimą kompozitinės armatūros mechaninių savybių pokytį dėl apkrovos cikliškumo. Pateikiamas detalus siūlomo metodo skaičiavimo algoritmas bei taikomos prielaidos. Trečiajame skyriuje detaliai aprašomi atlikti bazalto pluošto armatūros bei iš anksto įtemptųjų sijų, armuotų minima armatūra, eksperimentiniai tyrimai. Šioje dalyje gauti rezultatai yra palyginami su siūlomo metodo bei kitų autorių įlinkio skaičiavimo metodų rezultatais. Taip pat atliekama siūlomo metodo adekvatumo statistinė analizė. Disertacijos tema paskelbti 7 moksliniai strapsniai: 5 – žurnaluose turinčiuose citavimo rodiklį, 1 – kitų tarptautinių duomenų bazių leidiniuose ir 1 – konferencijų rinkinyje, referuojamame Clarivate Analytics Web of Science duomenų bazėje.