Scriptieprijs 2017

Experimental and analytical analysis of the shear capacity of prestressed steel fibre reinforced concrete beams.

Maure De Smedt
Het mechanische gedrag van voorgespannen staalvezelversterkte betonbalken belast met dwarskracht is experimenteel en analytisch onderzocht, door middel van zes voorgespannen balken met een lengte van 7 m.
Het onderzoek beoogde bij te dragen aan het beter begrijpen van het materiaal en zijn complexe gedrag onder dwarskrachtbelasting, aangezien de toepassing ervan nog beperkt is ten opzichte van zijn mogelijkheden.
Dit wordt voornamelijk veroorzaakt door het gebrek aan analytische modellen en internationale ontwerpcodes voor staalvezelversterkte betonnen structurele elementen.

Beton en staalvezels, een goed huwelijk?

BETON EN STAALVEZELS, EEN GOED HUWELIJK?

 

Hoewel er tegenwoordig soms gesproken wordt over een ‘betonstop’, blijft beton één van de meest gebruikte materialen in de bouwsector. Op zoek gaan naar verbeteringen is bijgevolg een grote uitdaging. Staalvezelversterkt beton is zo’n vernieuwing, die tijd- en kostenbesparend kan zijn. De toepassing ervan is echter nog beperkt ten opzichte van de mogelijkheden, voornamelijk door het gebrek aan rekenmodellen en internationale ontwerpcodes. Dit thesisonderzoek draagt bij tot de verdere ontwikkeling ervan.

 

Staalvezelversterkt beton, wablieft?!

Traditioneel gewapend beton bestaat uit beton dat versterkt is met stalen staven, zowel in de langs- als dwarsrichting. Deze staven worden geplooid tot wapeningskorven of -netten. Het plooien en plaatsen van dit staal is arbeidsintensief en daardoor ook kostelijk. Bij staalvezelversterkt beton worden korte staalvezels toegevoegd aan het betonmengsel. Deze vezels zijn enkele centimeters lang en minder dan een millimeter dik. Doordat ze mee gestort worden met het beton, zitten ze overal willekeurig verspreid in het materiaal. Er is dus minder werk en tijd nodig om dit te maken. De vraag blijft echter: is dit soort beton even sterk als het traditioneel gewapend beton?

 

Betonnen balken van 7 meter lang kapot maken

In dit onderzoek worden zes balken van zeven meter lang experimenteel getest op hun sterkte, door middel van de zogenaamde vierpuntsbuigproef (getoond in figuur 2 en 3). Dit betekent dat de balken op twee steunpunten worden gelegd en dat er in het midden langzaamaan op gedrukt wordt. Door de toename van dit gewicht zal de balk op een bepaald moment breken. Hieruit kan de sterkte bepaald worden, maar ook de manier waarop de balk kapot gaat, is belangrijk. Van de zes balken zijn er twee met traditioneel gewapend beton en vier waarbij een deel van de traditionele wapening vervangen is door staalvezels. Twee van die vier balken hebben 20 kg/m³ staalvezels, de andere twee 40 kg/m³.

Naast de staalvezels of traditionele wapening is er in elke balk ook voorspanwapening aanwezig. Dit zijn stalen strengen die opgespannen worden door eraan te trekken. Daarrond wordt het beton gestort, waarna de strengen losgelaten worden. Dit vergroot de sterkte van de balk. Hoe hard er in het begin aan de strengen getrokken wordt, bepaalt de zogenaamde voorspanning op de balk. In het onderzoek is de helft van de balken volledig voorgespannen (1488 MPa) en de andere helft niet volledig (750 MPa). De combinatie van voorspanning en het type wapening geeft dus zes verschillende balken. Elke balk heeft een eigen nummer, gaande van 401 tot 406. Figuur 1 geeft een overzicht van de zes balken en hun nummer.

Tijdens de testen worden verschillende eigenschappen opgemeten met zowel traditionele als geavanceerde optische meettechnieken. Een voorbeeld van deze laatste categorie is de ‘stereo-vision digital image correlation’ (DIC). Hierbij wordt op delen van de balk een uniek gespikkeld DIC patroon aangebracht (zie figuur 2 en 3). Door elke seconde foto’s te nemen van het patroon, kan de beweging van de balk en het ontstaan van scheuren nauwkeurig in beeld gebracht worden. Zo kan bijvoorbeeld de scheurwijdte van de balken nauwkeurig gemeten en vergeleken worden, zoals getoond wordt in figuur 4.

 

Figuur 1: De zes verschillende balken met hun nummer en types wapening.

Image removed.

Figuur 1: De zes verschillende balken met hun nummer en types wapening.

Figuur 2: Opstelling van de vierpuntsbuigproef.

Image removed.

Figuur 2: Opstelling van de vierpuntsbuigproef.

Figuur 3: Foto uit het labo van een balk in de testopstelling.

Image removed.

Figuur 3: Foto uit het labo van een balk in de testopstelling.

Figuur 4: Typische DIC-resultaten: reconstructie van het gekromde balkoppervlak, horizontale en verticale verplaatsing van de balk tijdens de toename van de belasting (waarbij het ontstaan van de scheur zichtbaar wordt) en meting van de scheurwijdte.

Image removed.

Figuur 4: Typische DIC-resultaten: reconstructie van het gekromde balkoppervlak, horizontale en verticale verplaatsing van de balk tijdens de toename van de belasting (waarbij het ontstaan van de scheur zichtbaar wordt) en meting van de scheurwijdte.

 

Is het even sterk?

Figuur 5 toont de belasting waarbij de verschillende balken gefaald zijn en figuur 6 toont de manier waarop ze kapot gegaan zijn. Is staalvezelversterkt beton even sterk als het traditioneel gewapend beton? ‘Ja, maar…’ Een hoeveelheid van 40 kg/m³ staalvezels kan de traditionele wapening vervangen om een gelijke sterkte te bekomen, maar de manier van falen is wel verschillend. Balken zonder vezels ‘exploderen’, ze hebben één grote scheur (B401 en B404 in figuur 6). Balken met vezels hebben meerdere kleinere scheuren doordat de vezels het materiaal meer samenhouden. Daarnaast zijn deze resultaten geldig voor dit type experimenten, maar kunnen ze niet veralgemeend worden naar alle types.

Niet enkel de staalvezels, maar ook de hoeveelheid voorspanning heeft invloed op de manier van falen en de sterkte. Hoe hoger de voorspanning, hoe meer belasting opgenomen kan worden. Daarnaast hebben de scheuren een lagere helling, ze verlopen dus ‘platter’, en zijn ze ook breder. Uit de DIC-meting wordt berekend dat de scheur van balk B402 tot 6 mm opengaat en die van balk B405 slechts tot 4 mm.

 

Figuur 5: Belasting waarbij de zes verschillende balken kapot gegaan zijn.

Image removed.

Figuur 5: Belasting waarbij de zes verschillende balken kapot gegaan zijn.

Figuur 6: Verschillende manieren van falen van de zes balken, afhankelijk van hun eigenschappen.

Image removed.

Figuur 6: Verschillende manieren van falen van de zes balken, afhankelijk van hun eigenschappen.

 

Wat is hier nu het nut van?

Nu we weten dat staalvezelversterkt beton in deze proeven even sterk kan zijn, zijn er ook ontwerpregels nodig om het te gebruiken in de bouwsector. Er bestaan reeds een aantal modellen om de sterkte te berekenen. De uitgevoerde proeven worden vergeleken met de berekening volgens deze modellen. Figuur 7 toont dat alle berekeningen de werkelijke sterkte onderschatten. Een beetje onderschatting is goed om extra veiligheid in te bouwen, te veel onderschatting zorgt voor te dure ontwerpen. Overigens heeft elk model zijn voor- en nadelen, waardoor er geen ‘beste model’ gekozen kan worden. Verder onderzoek is dus nodig, zowel om ook andere proeven op staalvezelversterkt beton uit te voeren als om de modellen te verbeteren. Alleen zo kan het economisch interessanter worden om dit soort beton te gebruiken.

 

Figuur 7: Experimentele faallasten (Vu,exp op de horizontale as) vergeleken met de berekende voorspellingen (Vu,pred op de verticale as) volgens de verschillende modellen voor de vier balken met vezels. Op de diagonale lijn is de berekening gelijk aan de experimentele waarde, eronder is de experimentele waarde groter dan de berekening.

Image removed.

Figuur 7: Experimentele faallasten (Vu,exp op de horizontale as) vergeleken met de berekende voorspellingen (Vu,pred op de verticale as) volgens de verschillende modellen voor de vier balken met vezels. Op de diagonale lijn is de berekening gelijk aan de experimentele waarde, eronder is de experimentele waarde groter dan de berekening.

 

Dit artikel toonde u een glimp van de wondere wereld van, jawel, beton. Een materiaal dat we dagelijks tegenkomen, maar waar ook veel onderzoek achter zit. Een materiaal dat we moeten blijven vernieuwen. En de volgende keer dat u quizt, dan weet u het: ‘staalvezelversterkt beton kan even sterk zijn als traditioneel gewapend beton (voor het beperkte aantal en type proeven dat in dit onderzoek uitgevoerd werd)’.

Bibliografie

[1] J. M. Alwan, A. E. Naaman, and P. Guerrero. Effect of mechanical clamping on the pull-out response of hooked steel fibers embedded in cementitious matrices. Concrete Science and Engineering, 1(1):15–25, 1999.

[2] B. E. Barragán. Failure and toughness of steel fiber reinforced concrete under tension and shear. PhD thesis, Universitat Politécnica de Catalunva, Barcelona, Spain, 2002.

[3] C. Bedard and P. C. Aitcin. A la recherche d’un béton de 150 MPa. Canadian Journal Civil Engineering, 10(4):600–613, 1983.

[4] A. Belarbi and T. T. C. Hsu. Constitutive laws of concrete in tension and reinforcing bars stiffened by concrete. ACI Structural Journal, 91(4):465–474, 1994.

[5] E. C. Bentz, F. J. Vecchio, and M. P. Collins. Simplified modified compression field theory for calculating shear strength of reinforced concrete elements. ACI Structural Journal, 103(4):614–624, 2006.

[6] CEN. NBN EN 12390-6: Testing hardened concrete - Part 6: Tensile splitting strength of test specimens, 2001.

[7] CEN. NBN EN 12390-13: Testing hardened concrete - Part 5: Flexural strength of test specimens, 2009.

[8] CEN. NBN EN 12390-3: Testing hardened concrete - Part 3: Compressive strength of test specimens, 2009.

[9] CEN. EN 14651: Test method for metallic fiber concrete - measuring the flexural tensile strength (limit op proportionality (LOP), residual), 2014.

[10] CEN. NBN EN 12390-13: Testing hardened concrete - Part 13: Determination of secant modulus of elasticity in compression, 2014.

[11] M. P. Collins. Towards a rational theory for RC members in shear. Journal of the Structural Division - ASCE, 104(4):649–666, 1978.

[12] M. P. Collins, E. C. Bentz, and E. G. Sherwood. Where is shear reinforcement required? review of research results and design procedures. ACI Structural Journal, 105(5):590–600, 2008.

[13] K. De Wilder. Shear capacity of prestressed and reinforced concrete members. PhD thesis, Faculty of Engineering Science, KU Leuven, Belgium, October 2014.

[14] K. De Wilder, M. De Smedt, P. Lava, E. Reynders, G. De Roeck, and L. Vandewalle. Experimental analysis of the mechanical behaviour of shear-deficient pretensioned steel-fibre reinforced concrete beams. In BEFIB 2016 - 9th Rilem International Symposium in Fiber Reinforced Concrete, Vancouver, Canada, September 2016.

[15] K. De Wilder, P. Lava, D. Debruyne, Y. Wang, G. De Roeck, and L. Vandewalle. Experimental investigation on the shear capacity of prestressed concrete beams using digital image correlation. Engineering Structures, 82(1):89–92, 2015.

[16] M. di Prisco, G. Plizzari, and L. Vandewalle. Fibre reinforced concrete: new design perspectives. Materials and Structures, 42(9):1261–1281, 2009.

[17] H. H. Dihn, G. Parra-Montesinos, and J. Wight. Shear strength model for steel fiber reinforced concrete beams without stirrup reinforcement. ASCE Journal of Structural Engineering, 137(10):1039–1051, 2011.

[18] Fédération Internationale du Béton (fib). Shear and torsion: Explanatory and viewpoint papers on Model Code chapters 11 and 12 prepared by members of CEB Commission V. CEB-Bulletin 126, 1978.

[19] Fédération Internationale du Béton (fib). fib Model Code for Concrete Structures 2010. Wilhelm Ernst und Sohn Verlag für Architektur, Berlin (Germany), 2013.

[20] L. Ferrara and M. di Prisco. Three- vs. four-point bend tests: a numerical investigation on plain concrete, studi e ricerche, Politecnico di Milano. Scuola di specializzazione in costruzioni in cemento armato, Italcementi, 22:73–119, 2001.

[21] N. M. Hawkins, D. A. Kuchma, R. F. Mast, M. L. Marsh, and K. H. Reineck. NCHRP report 549: simplified shear design of structural concrete members. Technical report, Transportation Research Board of The National Academies, 2005.

[22] R. C. Hibbeler. Sterkteleer. Achtste editie (in Dutch). Pearson, Benelux, 2012.

[23] T. Hsu and L. X. Zhang. Nonlinear analysis of membrane elements by fixed-angle softened-truss model. ACI Structural Journal, 94(5):483–492, 1997.

[24] F. Isla, G. Ruano, and B. Luccioni. Analysis of steel fibres pull-out. Experimental study. Construction and Building materials, 100:183–193, 2015.

[25] Joint ASCE-ACI Task Committee 426 on Shear and Diagonal Tension of the Committee on Masonry and Reinforced Concrete of the Structural Division. The shear strength of reinforced concrete members. Journal of Structural Division, 99(6):1091–1187, 1973.

[26] G. N. J. Kani. The riddle of shear and its solution. ACI Journal Proceedings, 61(4):441–467, 1964.

[27] P. Lava, S. Cooreman, S. Coppieters, M. De Strycker, and D. Debruyne. Assessment of measuring errors in DIC using deformation fields generated by plastic FEA. Optics and Lasers in Engineering, 47(7-8):747–753, 2009.

[28] P. Lava, S. Cooreman, and D. Debruyne. Study of systematic errors in strain fields obtained via DIC using heterogeneous deformation generated by plastic FEA. Optics and Lasers in Engineering, 48(4):457–468, 2010.

[29] M. K. Lee and B. I. G. Barr. An overview of the fatigue behaviour of plain and fibre reinforced concrete. Cement and Concrete Composites, 26(4):299–305, 2004.

[30] I. Löfgren. Fibre-reinforced concrete for industrial constrution - a fracture mechanics approach to material testing and structural analysis. PhD thesis, Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, 2005.

[31] J. W. Luo and F. J. Vecchio. Behaviour of steel fiber-reinforced concrete under reversed cyclic shear. ACI Structural Journal, 113(1):75–84, 2016.

[32] F. Minelli. Plain and fiber reinforced concrete beams under shear loading: structural behaviour and design aspects. PhD thesis, University of Brescia, Italy, 2005.

[33] F. Minelli and G. A. Plizzari. On the effectiveness of steel fibres as shear reinforcement. ACI Structural Journal, 110(3):379–389, 2013.

[34] E. Mondo. Shear capacity of steel fibre reinforced concrete beams without conventional shear reinforcement. Master’s thesis, Royal Institute of Technology KTH, Stockholm, Sweden, 2011.

[35] E. Mörsch. Der Eisenbetonbau - Seine Theorie und Anwendung. Verlag von Konrad Wittwer, Stuttgart, 1908.

[36] A. Muttoni, J. Schwartz, and B. Thurlimann. Design of Concrete Structures with Stress Fields. Birkhaüser/Springer, Basel (Switserland), 1997.

[37] A. E. Naaman. Engineered steel fibers with optimal properties for reinforcement of cement composites. Journal of Advanced Concrete Technology, 1(3):241–252, 2003.

[38] E. Nakamura, A. R. Avendano, and O. Bayrak. Shear database for prestressed concrete members. ACI Structural Journal, 110(6):909–918, 2013.

[39] A. Nanni. Fatigue behaviour of steel fiber reinforced concrete. Cement and Concrete Composites, 13(4):239–245, 1991.

[40] NBN. NBN EN 1990: Basics of structural design, 2002.

[41] NBN. NBN EN 1992-1-1 ANB: Design of concrete structures - Part1-1: General rules and rules for buildings, 2010.

[42] NBN. NBN EN 1992-1-1 ANB in eurocode 2: Ontwerp en berekening van betonconstructies - deel 1-1: Algemene regels en regels voor gebouwen (in dutch) - national application document, 2010.

[43] M. P. Nielsen and L. C. Hoang. Limit analysis and concrete plasticity, 3rd edition. CRC Press, Boca Raton, FL (USA), 2011.

[44] H. G. Park, K. K. Choi, and J. K. Wight. Strain-based shear strength model for slender beams without web reinforcement. ACI Structural Journal, 103(6):783–793, 2006.

[45] A. Parvez and S. J. Foster. Fatigue behaviour of steel-fiber-reinforced concrete beams. ASCE Structural Engineering Journal, 141(4):04014117, 2014.

[46] A. Pompo, P. R. Stupak, L. Nicolais, and B. Marchese. Analysis of steel fibre pull-out from a cement matrix using video photography. Cement and concrete Composites, 18:3–8, 1996.

[47] J. A. Ramirez and et al. ASCE-ACI Committee 445 on Shear and Torsion: Recent approaches to shear design of structural concrete. Journal of Structural Engineering, 124(12):1375–1417, 1998.

[48] K. H. Reineck. Ultimate shear force of structural concrete members without transverse reinforcement derived from a mechanical model. ACI Structural Journal, 22(5):592–602, 1991.

[49] K. H. Reineck. Shear design of members without transverse reinforcement in DIN 1045-1. Technical report, University of Stuttgart, University of Leipzig, TU München, 1999.

[50] K. H. Reineck, E. C. Bentz, B. Fitik, D. A. Kuchma, and O. Bayrak. ACIDAfStb database of shear tests on slender reinforced concrete beams without stirrups. ACI Structural Journal, 110(5):867–875, 2013.

[51] K. H. Reineck, D. A. Kuchma, K. S. Kim, and S. Marx. Shear database of reinforced concrete beams without shear reinforcement. ACI Structural Journal, 100(2):240–2495, 2003.

[52] K. H. Reineck and L. Todisco. Database with shear tests on non-slender reinforced concrete beams without stirrups. ACI Structural Journal, 111(6):1363–1371, 2014.

[53] W. Ritter. Die bauweise hennebique. Schweizerische Bauzeitung, 33:41–61, 1899.

[54] J. Romualdi and G. Batson. Mechanics of crack arrest in concrete. ASCE Engineering Mechanics Journal, 89(3):147–168, 1963.

[55] J. Romualdi and J. Mandel. Tensile strength of concrete affected by uniformily distributed closely spaced short lengths of wire reinforcement. ACI Journal, 61(6):657–671, 1964.

[56] S. Sarkar, O. Adwan, and B. Bose. Shear stress contributions and failure mechanisms of high strength reinforced concrete beams. Materials and Structures, 32:112–116, 1999.

[57] J. Schlaich, K. Schafer, and M. Jennewein. Toward a consistent design of structural concrete. Journal Prestressed Concrete Institute, 32(3):74–150, 1987.

[58] B. Schnütgen. Das Festigkeitsverhalten von mit Stahlfasern bewehrtem Beton unter Zugbeanspruchung. PhD thesis, Ruhr-Universität Bochum, Germany, 1975.

[59] S. P. Shah and et al. ACI Committee 554: Report 554.4R-88: Design considerations for steel fiber reinforced concrete. Technical report, American Concrete Institute, 1988.

[60] T. Soetens. Design models for the shear strength of prestressed precast steel fiber reinforced concrete girders. PhD thesis, Faculty of Engineering Science and Architecture, UGent, Belgium, 2015.

[61] T. Soetens, A. Van Gysel, S. Matthys, and L. Taerwe. A semi-analytical model to predict the pull-out behaviour of inclined hooked-end steel fibres. Construction and Building materials, 43:253–265, 2013.

[62] H. P. Taylor. The fundamental behavior of reinforced concrete beams in bending and shear. In ACI Special Publication SP-42: Shear in Reinforced Concrete, pages 43–78, 1974.

[63] L. Todisco, K. H. Reineck, and O. Bayrak. Database with shear tests on nonslender reinforced concrete beams with vertical stirrups. ACI Structural Journal, 112(6):761–769, 2015.

[64] L. Vandewalle. Ontwerp van constructiecomponenten: Beton, deel 1 (in Dutch). CuDi VTK vzw, Faculty of Engineering, KU Leuven, 2010.

[65] L. Vandewalle. Berekening en deaillering van constructies in spanbeton (in Dutch). CuDi VTK vzw, Faculty of Engineering, KU Leuven, 2014.

[66] L. Vandewalle and D. Dupont. Dwarskrachtcapaciteit van staalvezel-betonbalken (in Dutch). Cement, 8, 2002.

[67] L. Vandewalle and et al. RILEM TC162-TDF: Test and design methods for steel fibre reinforced concrete - Design of steel fibre reinforced concrete using the s-e-method. Materials and Structures, 33(226):75–81, 2000.

[68] L. Vandewalle and et al. RILEM TC162-TDF: Test and design methods for steel fibre reinforced concrete - Design of steel fibre reinforced concrete using the s-e-method - Final Recommendation. Materials and Structures, 36(262):560–567, 2003.

[69] F. J. Vecchio. Disturbed stress field model for reinforced concrete: Formulation. Journal of Structural Engineering - ASCE, 126(9):1071–1077, 2000.

[70] F. J. Vecchio and M. P. Collins. The modified compression-field theory for reinforced-concrete elements subjected to shear. Journal of the American Concrete Institute, 83(2):219–231, 1986.

[71] J. C. Walraven. Aggregate interlock: a theoretical and experimental analysis. PhD thesis, Technische Universiteit Delft, TU Delft, The Netherlands, 1980.

[72] J. C. Walraven. Fundamental analysis of aggregate interlock. Journal of Structural Division - ASCE, 107(11):2245–2270, 1981.

[73] Y. Yang. Shear behaviour of reinforced concrete members without shear reinforcement. A new look at an old problem. PhD thesis, Technische Universiteit Delft, TU Delft, The Netherlands, 2014.

[74] Stang, H., Zhang, J. and V. C. Li. Fatigue life prediction of fiber reinforced concrete under flexural load. Internal journal of fatigue, 21(10):1033–1049, 1999.

Universiteit of Hogeschool
Master in de ingenieurswetenschappen: bouwkunde
Publicatiejaar
2016
Promotor
prof. dr. ir. L. Vandewalle en dr. ir.-arch. K. De Wilder
Kernwoorden