Shrinkage Influence on Tension-Stiffening of Concrete Structures

Abstract

Due to the use of refined ultimate state theories as well as high strength concrete and reinforcement, resulting in longer spans and smaller depths, the serviceability criteria often limits application of modern reinforced concrete (RC) superstructures. In structural analysis, civil engineers can choose between traditional design code methods and numerical techniques. In order to choose a particular calculation method, engineers should be aware of accuracy of differ-ent techniques. Adequate modelling of RC cracking and, particularly, post-cracking behaviour, as one of the major sources of nonlinearity, is the most im-portant and difficult task of deformational analysis. In smeared crack approach dealing with average cracking and strains, post-cracking effects can be modelled by a stress-strain tension-stiffening relationship. Most known tension-stiffening relationships have been derived from test data of shrunk tension or shear mem-bers. Subsequently, these constitutive laws were applied for modelling of bend-ing elements which behaviour differs from test members. Furthermore, such re-lationships were coupled with shrinkage effect. Therefore, present research aims at developing a technique for deriving a free-of-shrinkage tension-stiffening re-lationship using test data of shrunk bending RC members. The main objective of this PhD dissertation is to investigate shrinkage influence on deformations and tension-stiffening of RC members subjected to short-term loading. Present study reviews empirical and numerical techniques of deformation analysis of RC members as well as material models with the emphasis on shrin-kage and tension-stiffening effects. Experimental investigation results on con-crete shrinkage effect on cracking resistance, tension-stiffening and short-term deformations of lightly reinforced beams have been reported. An innovative numerical procedure has been proposed for deriving free-of-shrinkage tension-stiffening relationships using moment-curvature relationships of RC flexural members. The proposed procedure has been applied to the test data reported by the author. For beams of same reinforcement ratio, it was shown that tension-stiffening was more pronounced in those with a larger num-ber of tensile reinforcing bars. A statistical procedure for checking adequacy of theoretical predictions to the test data taking into account inconsistency of the data has been developed. Using this procedure, comparative statistical analyses of various free shrinkage and deflection/curvature prediction models have been performed. It was concluded that accuracy of deflection/curvature predictions by design codes and numerical techniques varied for different ranges of reinforcement ra-tio and load intensity. Numerical techniques gave more accurate predictions of short-term deflections when shrinkage effect was taken into account.

Pastaraisiais metais vis plačiau taikant stiprųjį betoną bei armatūrą, konst-rukcijų perdengiamos angos didėja, o skerspjūviai mažėja. Todėl projektuojant standumo (įlinkių) sąlyga vis dažniau tampa lemiamu veiksniu. Inžinieriai gelž-betoninių konstrukcijų apskaičiavimams gali taikyti empirinius normų arba skai-tinius metodus. Vieno ar kito skaičiavimo metodo parinkimas turi būti pagrįstas statistiniais tikslumo analizės rezultatais. Yra žinoma, kad adekvatus gelžbetoninio elemento pleišėjimo (ypač plyšių vystymosi stadijos) modeliavimas yra vienas sudėtingiausių netiesinės mechani-kos uždavinių. Toks uždavinys gali būti išspręstas taikant vidutinių plyšių kon-cepciją, kai pleišėjimo proceso modeliavimui naudojama tempiamojo betono vidutinių įtempių ir deformacijų diagrama. Dauguma tokių diagramų gautos, naudojant tempimo arba šlyties bandymo rezultatus. Pabrėžtina, kad šių diagra-mų taikymas lenkiamųjų gelžbetoninių elementų modeliavime duoda nemažas paklaidas. Kitas svarbus aspektas yra tai, kad gelžbetoniniuose bandiniuose, iki juos apkraunant trumpalaike apkrova, vyksta betono susitraukimas. Šiame darbe buvo siekiama sukurti metodą, leidžiantį pagal eksperimentinius lenkiamųjų gelžbetoninių elementų duomenis gauti tempiamojo betono vidutinių įtempių ir deformacijų diagramas, įvertinant betono susitraukimo įtaką. Pagrindinis diser-tacijos tikslas yra įvertinti ikieksploatacinių betono susitraukimo ir valkšnumo poveikį gelžbetoninių elementų, apkrautų trumpalaike apkrova, įtempių ir de-formacijų būviui. Disertacijoje apžvelgti skaitiniai ir analiziniai gelžbetoninių elementų de-formacijų skaičiavimo metodai bei aptarti medžiagų modeliai, akcentuojant be-tono susitraukimo ir betono bei armatūros sąveikos reiškinius. Pasiūlyta nauja skaitinė procedūra, leidžianti pagal gelžbetoninių lenkiamųjų elementų momentų ir kreivių priklausomybes gauti tempiamojo betono vidutinių įtempių ir defor-macijų diagramas, eliminuojant susitraukimo įtaką. Atlikti silpnai armuotų gelž-betoninių sijų, apkrautų trumpalaike apkrova, eksperimentiniai tyrimai. Iki ap-krovimo buvo matuotos betono laisvojo susitraukimo bei valkšnumo deformacijos. Taikant šiuos eksperimentinius duomenis bei pasiūlytąją procedū-rą, gautos tempiamojo betono įtempių ir deformacijų diagramos. Buvo sukurta skaičiavimo metodų tikslumo analizės statistinė procedūra, kuri įvertina eksperimentinių duomenų nehomogeniškumą. Taikant šią procedū-rą, atlikta skirtingais skaičiavimo metodais apskaičiuotų betono laisvojo susi-traukimo bei gelžbetoninių elementų įlinkių/kreivių tikslumo analizė. Analizė parodė, kad didžiausią įtaką visų metodų įlinkių apskaičiavimo tikslumui turi armavimo koeficientas bei apkrovimo intensyvumas. Skaitinių metodų tikslumas padidėjo, įvertinus betono susitraukimą.