Constitutive bond-slip modelling of reinforced concrete members at service load

Abstract

The current dissertation aims to introduce a new interaction model between concrete and reinforcement to effectively address the inner mechanism of Reinforced Concrete (RC) structures. For investigating the concrete-reinforcement interaction, traditional methods have typically dealt with a constant bonding relationship or a perfect interaction between two materials. This can further lead to numerous models that lack consistency and compatibility with one another. However, current research advocates for implementing the stress transfer methodology, which suggests the presence of force exchange between the reinforcement bars and the surrounding concrete, in other words, the bond stress. The present study develops a new model that establishes the ascending part of a bond–slip model. It is an essential step towards a constitutive bond–slip model in future, which will be able to accurately predict the serviceability performance of RC members, such as deflection, crack spacing/width etc. The first chapter reviews the mechanism of the reinforcement–concrete interface under the tensile load. Multiple approaches have been discussed to investigate the serviceability performance of RC structures. A major part of this chapter is dedicated to reviewing the existing bond stress and bond–slip models with their respective backgrounds. The last part of the chapter reviews various strain monitoring tools and techniques to extract strains from the core of the reinforcement bars encased within the concrete. The second chapter represents three experimental campaigns which consist of double pull-out tests of 14 short RC ties equipped with three distinct bar diameters (16.20 and 25 mm). The results of the mentioned tests, in terms of reinforcement strain distribution along the specimen lengths, have been displayed. A mathematical algorithm programmed in MatLab has been introduced, capable of deriving bond–slip relationships from the experimental strain output. Lastly, the obtained bond–slip relationships of all 14 specimens have been portrayed at multiple load levels. The third chapter demonstrates the formation of a novel bond–slip model based on the experimental dataset. In the latter part, the newly proposed model has been validated with the experimental results of 14 (in-sample) specimens and eight independent (out-of-sample) specimens. Furthermore, a novel validation tool has been demonstrated, which is capable of predicting reinforcement strains from a given bond–slip model. Based on the tool, another layer of validation has been performed with independent data through reinforcement strain distribution. The chapter ends with a thorough statistical analysis for assessing the existing bond–slip models in terms of their strain prediction capability.

Šioje disertacijoje pristatomas naujas betono ir armatūros sąveikos modelis, lei-džiantis tiksliai ir efektyviai modeliuoti gelžbetoninių (toliau – GB) konstrukcijų armatūros ir betono sukibimo elgseną. Tyrinėjant betono ir armatūros sąveiką tradiciniais metodais, dažnai daromos itin supaprastintos prielaidos, kurios dažnai neatspindi realios konstrukcijų elgse-nos – laikoma, kad tarp armatūros ir betono egzistuoja ideali sąveika, arba daroma prielaida, jog sukibimo įtempiai tarp betono ir armatūros per visą nagrinėjamojo elemento ilgį yra pastovūs. Dėl šių supaprastinimų yra sukurta daugybė priešta-ringų teorinių modelių, kurių rezultatai dažnai neatitinka realios GB elementų su-kibimo elgsenos. Šioje disertacijoje, remiantis įtempių perdavimo gelžbetoninėse konstrukcijose metodika, kuri pagrįsta armatūros strypų ir juos supančio betono jėgų sąveikos prielaida, kitaip tariant, sukibimo įtempių perdavimu, siūloma su-kibimo įtempių ir slinkties modelio nauja kylančioji dalis. Pirmajame skyriuje apžvelgiamas armatūros ir betono sąveikos mechanizmas veikiant eksploatacinei apkrovai. Taip pat aptariami keli literatūroje plačiai žinomi metodai, taikomi GB konstrukcijų tinkamumui eksploatuoti užtikrinti. Didžioji šio skyriaus dalis skirta esamų sukibimo įtempių ir slinkties modelių apžvalgai. Paskutinėje šio skyriaus dalyje apžvelgiami įvairios deformacijų stebėsenos prietaisai ir metodai, skirti ar-matūros deformacijoms betone nustatyti. Antrajame skyriuje pristatomos trys eksperimentinės programos, kurias vyk-dant buvo atlikta 14 trumpų GB tempiamų elementų dvipusio ištraukimo bandy-mai naudojant tris skirtingo skersmens strypus (16, 20 ir 25 mm). Šiame skyriuje taip pat pateikiami minėtųjų bandymų rezultatai, susiję su armatūros deformacijų pasiskirstymu išilgai nagrinėjamų bandinių. Pristatomas matematinis algoritmas, suprogramuotas naudojant MATLAB programinį paketą, kuriuo, remiantis eks-perimentiniais armatūros deformacijų rezultatais, galima nesunkiai nustatyti suki-bimo ir slinkties ryšį. Skyriaus pabaigoje pateikiamos visų 14 bandinių sukibimo įtempių priklausomybės nuo slinkties kreivės. Trečiajame skyriuje aprašoma, kaip, remiantis surinkta eksperimentinių duo-menų imtimi, sukuriamas naujas sukibimo ir slinkties modelis. Modelis tikrina-mas remiantis 14 bandinių iš autoriaus eksperimentinės programos ir 8 nepriklau-somų bandinių iš įvairių literatūros šaltinių eksperimentiniais rezultatais. Be to, pristatyta nauja programa, leidžianti prognozuoti armatūros deformacijas pagal atitinkamą sukibimo ir slinkties modelį. Taikant šią programą ir pasitelkiant ne-priklausomus duomenis, surinktus iš įvairių šalių literatūros šaltinių, buvo atlikta armatūros deformacijų patikra. Skyriaus pabaigoje pateikiama išsami statistinėa-nalizė, skirta esamiems sukibimo ir slinkties modeliams įvertinti, atsižvelgiant į jų gebėjimą prognozuoti armatūros deformacijas.