When subjected to a combination of moment and shear force, a reinforced concrete (RC) beam with either little or no transverse reinforcement can fail in shear before reaching its full flexural strength. This type of failure is sudden in nature and usually disastrous because it does not give sufficient warning prior to collapse. To prevent this type of shear failure, reinforced concrete beams are traditionally reinforced with stirrups. However, the use of stirrups is not always cost effective since it increases labor costs, and can make casting concrete difficult in situations where closely-spaced stirrups are required. The use of steel fiber reinforced concrete (SFRC) could be considered as a potential alternative to the use of traditional shear reinforcement. Concrete is very weak and brittle in tension, SFRC transforms this behaviour and improves the diagonal tension capacity of concrete and thus can result in significant enhancements in shear capacity. However, one of the drawbacks associated with SFRC is that the addition of fibers to a regular concrete mix can cause problems in workability. The use of self-consolidating concrete (SCC) is an innovative solution to this problem and can result in improved workability when fibers are added to the mix. The thesis presents the experimental results from tests on twelve slender self-consolidating fiber reinforced concrete (SCFRC) beams tested under four-point loading. The results demonstrate the combined use of SCC and steel fibers can improve the shear resistance of reinforced concrete beams, enhance crack control and can promote flexural ductility. Despite extensive research, there is a lack of accurate and reliable design guidelines for the use of SFRC in beams. This study presents a rational model which can accurately predict the shear resistance of steel fiber reinforced concrete beams. The thesis also proposes a safe and reliable equation which can be used for the shear design of SFRC beams.

No description available.

Auf der Basis der Bemessungsgrundlagen (DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“, DBV-Merkblatt „Stahlfaserbeton“ und DIN 1045-1) wurden ausgewählte Bauteilversuche mit entsprechenden rechnerischen Überprüfungen der experimentell ermittelten Ergebnisse durchgeführt. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Ermittlung der Effizienz von ausgewählten Stahlfasern in Betonen mit und ohne Betonstahlbewehrung in durch Biegung ohne Längskraft belasteten Versuchskörpern unter Betrachtung der Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit (GZG) und Tragfähigkeit (GZT). Das Versuchsprogramms umfasste neben der Prüfung ausgewählter Frischbetoneigenschaften die Bestimmung von Festbetonparametern an standardisierten Probekörpern. Des Weiteren wurden 4-Punkt-Biegezugversuche an Balken mit den Abmessungen l/h/b = 70/15/15 cm aus reinem Stahlfaserbeton sowie stahlfaserbewehrtem Stahlbeton, in Anlehnung an das DBV-Merkblatt „Stahlfaserbeton“ und die Richtlinie „Stahlfaserbeton“ vom DAfStb, durchgeführt. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus den Materialversuchen im Labormaßstab wurden anschließend Untersuchungen an großformatigen Biegebalken (l/h/b = 420/40/20 cm) durchgeführt. Im Weiteren erfolgten Prüfungen und Auswertungen von Einzelfaserausziehversuchen mit ausgewählten Stahldrahtfasern in Verbindung mit Betonen unterschiedlicher Druckfestigkeit unter Berücksichtigung des Einflusses der Einbindelänge sowie des Einbindewinkels. Im Rahmen des Versuchsprogramms wurden die auf der Grundlage der 4-Punkt-Biegezugversuche ermittelten Ergebnisse analysiert und mit dem derzeit gültigen Bemessungsmodell nach DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ rechnerisch überprüft. Auf der Basis dieser Ergebnisse erfolgte die Entwicklung eines Ansatzes zur Optimierung der bestehenden Bemessungsansätze. Gegenstand dieser Forschungsarbeit war ebenfalls die Entwicklung eines Fasermodells, mit dem man auf der Grundlage des eingesetzten Fasergehaltes und der Faserart Rückschlüsse auf die Faseranzahl in einer rechteckigen Bruchfläche ziehen kann. Hierbei wurde ein Modell für Rechteckquerschnitte entwickelt, welches es ermöglicht, die durchschnittliche Faseranzahl in einer Bruchfläche, auf der Basis vereinfachter Annahmen, abzuschätzen. Die Verifizierung des Modells erfolgte durch den Vergleich der errechneten Faseranzahl mit zahlreichen experimentellen Versuchsergebnissen. Im letzten Abschnitt dieser Arbeit wurde die Herleitung bzw. Generierung von Bemessungshilfsmitteln zur Biegebemessung von Stahlfaserbeton mit und ohne Betonstahlbewehrung behandelt. Die Ausführungen beziehen sich dabei auf dimensionslose Bemessungstafeln und Interaktionsdiagrammen für Rechteckquerschnitte.

[pt] No presente trabalho foi investigado o comportamento mecânico de um concreto autoadensável reforçado com fibras de aço. Foram utilizadas fibras de aço torcidas e com ganchos, nos comprimentos de 25, 30 e 60 mm e diâmetros de 0,5, 0,62 e 0,75 mm. Para cada uma destas fibras e para cada uma das frações volumétricas investigadas (0,5, 1,0 e 2,0 por cento) foram realizados os ensaios de flexão em quatro pontos em corpos de prova prismáticos e de tração direta em corpos de prova do tipo dog bone shaped. Nos ensaios de flexão, os índices de tenacidade e as cargas residuais foram contabilizados. Alternativamente, determinou-se a energia absorvida nos ensaios de flexão de painéis circulares conforme a ASTM C1550, cuja abertura de fissuras foi medida com o auxílio de transdutores de deslocamento. Os corpos de prova reforçados com fibras de aço submetidos à tração direta se mostraram mais dúcteis com relação à matriz de concreto autoadensável, observando-se grande influência do volume e comprimento ancorado das fibras nas cargas residuais da zona de pós-fissuração. Nos ensaios de flexão, observaram-se grandes incrementos na tenacidade e deformações correspondentes às cargas residuais. Por fim, analisou-se a influência desses concretos no comportamento de vigas armadas sujeitas à flexão. A evolução da abertura de fissuras foi monitorada com sistema de correlação digital de imagens, sendo posteriormente correlacionadas com cargas aplicadas e com os deslocamentos obtidos nos ensaios. Observou-se nestes ensaios, que o reforço fibroso aumentou a capacidade de carga e a rigidez à flexão, atrasando consideravelmente o surgimento de fissuras. / [en] In the present work the mechanical behavior of a self-consolidating concrete reinforced with steel fibers was investigated. Twisted and hooked end steel fibers were used in lengths of 25, 30 and 60 mm and diameters of 0.5, 0.62 e 0.75 mm. For each of these fibers and for each volumetric fractions investigated (0.5, 1.0 and 2.0 percent), the four-point bending tests on prismatic specimens and direct tensile in dog bone shape specimens were performed. In the flexural tests, the toughness and residual strengths were computed. Alternatively, the energy absorption capacity in the round panel tests was determined following the ASTM C1550. During the test the crack opening was measured through displacement transducers. The steel fiber reinforced concrete subject to direct tensile loading was more ductile than the self-consolidating concrete matrix, showing a high influence of the volume and embedded length of the fibers in the residual loads in the post-cracking zone. In the bending tests, a large increase in the toughness and strains corresponding to the residual loads were observed. Finally, the influence of the fiber reinforced concretes on the behavior of reinforced beams subject to bending was investigated. The evolution of the crack openings was monitored with a digital image correlation system and correlated to the applied load and displacements. It was observed in these tests that the fibrous reinforcement considerably increased the load capacity and flexural stiffness, delaying the crack growth.

O reforço de elementos estruturais de concreto armado com uso de polímeros reforçados com fibras de carbono (PRFC) está cada vez mais conhecido, seguro e acessível. Em todo o mundo, a aplicação do PRFC vem sendo estudada sob diversas técnicas. Características como elevada resistência à tração e à corrosão, baixo peso, facilidade e rapidez de aplicação são os principais fatores para essa disseminação. Em particular, a técnica aqui estudada é conhecida como Near Surface Mounted (NSM), que consiste na inserção de laminados de PRFC em entalhes realizados no concreto de cobrimento de elementos de concreto armado. Com dupla área de aderência, ela vem a suprir uma deficiência comum no reforço colado externamente, que é o seu destacamento prematuro. Como nas demais técnicas de reforço à flexão, o material é colado na região do concreto tracionado. Sabe-se que, na prática da intervenção, essa região frequentemente encontra-se danificada por razões diversas, como fissuração causada por ações externas, corrosão da armadura e deterioração do concreto, o que exige a sua prévia reparação. Considerando que a boa qualidade desse reparo é imprescindível à eficiência do reforço, propõe-se uma inovação técnica pela reconstituição da face tracionada da viga com um compósito cimentício de alto desempenho, que sirva como substrato para aplicação do PRFC e elemento de transferência de esforços à estrutura a ser reforçada. Produzido à base de cimento Portland, fibras e microfibras de aço, o compósito tem também potencial para retardar a abertura de fissuras e aumentar a rigidez da viga, melhorando o aproveitamento do reforço. Com apoio da mecânica do fraturamento, foi possível encontrar as taxas de fibras e microfibras de aço a serem adicionadas a uma matriz cimentícia especialmente desenvolvida. Foram realizados ensaios de aderência para estudar o processo de transferência de tensões cisalhantes do laminado para o compósito na zona de ancoragem da viga. Uma vez conhecido o comportamento do sistema, foram ensaiadas vigas de concreto armado de tamanho representativo de estruturas reais, em três diferentes versões de ancoragem do laminado, sendo duas delas com uso do compósito cimentício. Comprovou-se a eficiência da inovação proposta, constatando-se o aumento da rigidez e da capacidade de carga da viga reforçada, com excelente aproveitamento do laminado. Além disso, as fibras e microfibras diminuíram a abertura das fissuras em estágios mais avançados de carregamento, sem que se observasse fissuras horizontais próxima ao reforço, que poderiam indicar destacamento iminente do laminado de PRFC. / Strengthening of reinforced concrete elements with carbon fiber reinforced polymer (CFRP) is increasingly well known, safe and accessible. The application of CFRP has been studied worldwide using various techniques. Features like high tensile strength, corrosion resistance, lightweightness and easy and speedy application are the main factors for dissemination. In particular, the technique here analyzed is known as Near Surface Mounted (NSM), which involves inserting CFRP strips into grooves made on the concrete cover of reinforced concrete elements. With double bonding area, this technique avoids the premature peeling-off that usually takes place in externally bonded CFRP reinforcement. As in others flexural strengthening techniques, the material is bonded in the concrete tension region. It is known in strengthening practice that this region usually requires prior repair. Often it shows up damaged by several reasons such as cracking caused by external actions, reinforcement corrosion and deterioration of the concrete. Whereas the good quality of this repair is essential to strengthening efficiency, an innovative technique is proposed. A high-performance cementitious composite is used as a transition layer for insertion of CFRP strips. The composite is made of Portland cement, steel fibers and microfibers of steel. It also has the potential to delay crack opening and to increase the beam stiffness. Based on fracture mechanics, it was possible to find suitable volume fractions of steel fibers and microfibers to be added to the cementitious matrix. Bonding tests were performed to analyze the shear stress transferring from the CFRP laminate to the beam anchorage zone. Once known the system behavior, real size reinforced concrete beams were tested in three different versions of the anchorage conditions, two of them with use of cementitious composites. The efficiency of the proposed innovation was proved by confirming increased stiffness and load capacity of the strengthened beam. In addition, fibers and microfibers allowed the decrease of the crack opening in later loading steps. No horizontal cracks near to the reinforcement were noticed, which means that CFRP laminate peeling-off was not likely to occur.

Tradicionalmente no reforço de pilares de concreto armado são empregados materiais já consagrados, como as chapas de aço, o próprio concreto armado, e, mais recentemente, o polímero reforçado com fibras (PRF). Porém existem ainda alguns problemas associados a estes materiais ou, mais especificamente, às técnicas utilizadas para promover o reforço, destacando-se a dificuldade de execução, comportamento frágil e perda de área útil em função do aumento da seção transversal do pilar original. Por outro lado, o desenvolvimento da tecnologia dos materias e a constante inovação tecnológica tem como resultado a oferta de uma grande variedade de materiais com características orientadas à solução de um determinado problema. Cita-se como exemplo o concreto reforçado com fibras de aço, inicialmente desenvolvido para aplicação em elementos submetidos à flexão, mas que apresenta atributos, que se bem explorados, são desejáveis para aplicação no reforço de pilares. Busca-se neste trabalho desenvolver estratégias e técnicas de reforço que busquem potencializar o aproveitamento de todos os atributos oferecidos pelos materiais comumente empregados e desenvolver um concreto reforçado com fibras de aço com diferentes comprimentos que possibilite sua aplicação no reforço de pilares. Os resultados da análise experimental demonstram que a escolha do material, da estratégia e técnica de reforço são fatores decisivos para aliar o melhor aproveitamento dos materiais empregados e o atendimento às exigências de projeto. Conclui-se ainda que a associação de fibras de aço de diferentes comprimentos possibilita a utilização do concreto reforçado com fibras no reforço de pilares de concreto, tendo como grande virtude a facilidade de execução, se comparado com o concreto armado. / Tradicionally the strengthening of reinforced concrete columns uses materials well known, such as steel plates, the reinforced concrete, and, more recently, fiber reinforced polymer (FRP). But there are still some problems associated with these materials, or more specifically, with the used techniques, specially the difficulty of implementation, brittle behavior and loss free space due to the increase of the original cross section of the column. On the other hand, the materials technology development and the constant innovation has resulted in the provision of a wide variety of materials with specifics caracteristics to solving a particular problem. For example, steel fiber reinforced concrete, originally developed for use in elements subject to bending, but it has some attributes, which if are well explored, are desirable for use in strengthening columns. This work presents the development of strategies and techniques that optimize the o use all the attributes offered by the commonly used materials, and develop a different lengths steel fiber reinforced concrete to enable its application on columns strengthening. The results of experimental analysis show that the choice of material, strategy and technique of strengtheningt is a key factor to combine the best use of the materials used and the design requirements. It is also concluded that the combination of steel fibers of different lengths allows the use of steel fibers reinforced concrete on the strengthening of concrete columns, with the great virtue of the ease of implementation, compared to the reinforced concrete.

No description available.

When subjected to a combination of moment and shear force, a reinforced concrete (RC) beam with either little or no transverse reinforcement can fail in shear before reaching its full flexural strength. This type of failure is sudden in nature and usually disastrous because it does not give sufficient warning prior to collapse. To prevent this type of shear failure, reinforced concrete beams are traditionally reinforced with stirrups. However, the use of stirrups is not always cost effective since it increases labor costs, and can make casting concrete difficult in situations where closely-spaced stirrups are required. The use of steel fiber reinforced concrete (SFRC) could be considered as a potential alternative to the use of traditional shear reinforcement. Concrete is very weak and brittle in tension, SFRC transforms this behaviour and improves the diagonal tension capacity of concrete and thus can result in significant enhancements in shear capacity. However, one of the drawbacks associated with SFRC is that the addition of fibers to a regular concrete mix can cause problems in workability. The use of self-consolidating concrete (SCC) is an innovative solution to this problem and can result in improved workability when fibers are added to the mix. The thesis presents the experimental results from tests on twelve slender self-consolidating fiber reinforced concrete (SCFRC) beams tested under four-point loading. The results demonstrate the combined use of SCC and steel fibers can improve the shear resistance of reinforced concrete beams, enhance crack control and can promote flexural ductility. Despite extensive research, there is a lack of accurate and reliable design guidelines for the use of SFRC in beams. This study presents a rational model which can accurately predict the shear resistance of steel fiber reinforced concrete beams. The thesis also proposes a safe and reliable equation which can be used for the shear design of SFRC beams.

Auf der Basis der Bemessungsgrundlagen (DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“, DBV-Merkblatt „Stahlfaserbeton“ und DIN 1045-1) wurden ausgewählte Bauteilversuche mit entsprechenden rechnerischen Überprüfungen der experimentell ermittelten Ergebnisse durchgeführt. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Ermittlung der Effizienz von ausgewählten Stahlfasern in Betonen mit und ohne Betonstahlbewehrung in durch Biegung ohne Längskraft belasteten Versuchskörpern unter Betrachtung der Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit (GZG) und Tragfähigkeit (GZT). Das Versuchsprogramms umfasste neben der Prüfung ausgewählter Frischbetoneigenschaften die Bestimmung von Festbetonparametern an standardisierten Probekörpern. Des Weiteren wurden 4-Punkt-Biegezugversuche an Balken mit den Abmessungen l/h/b = 70/15/15 cm aus reinem Stahlfaserbeton sowie stahlfaserbewehrtem Stahlbeton, in Anlehnung an das DBV-Merkblatt „Stahlfaserbeton“ und die Richtlinie „Stahlfaserbeton“ vom DAfStb, durchgeführt. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus den Materialversuchen im Labormaßstab wurden anschließend Untersuchungen an großformatigen Biegebalken (l/h/b = 420/40/20 cm) durchgeführt. Im Weiteren erfolgten Prüfungen und Auswertungen von Einzelfaserausziehversuchen mit ausgewählten Stahldrahtfasern in Verbindung mit Betonen unterschiedlicher Druckfestigkeit unter Berücksichtigung des Einflusses der Einbindelänge sowie des Einbindewinkels. Im Rahmen des Versuchsprogramms wurden die auf der Grundlage der 4-Punkt-Biegezugversuche ermittelten Ergebnisse analysiert und mit dem derzeit gültigen Bemessungsmodell nach DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ rechnerisch überprüft. Auf der Basis dieser Ergebnisse erfolgte die Entwicklung eines Ansatzes zur Optimierung der bestehenden Bemessungsansätze. Gegenstand dieser Forschungsarbeit war ebenfalls die Entwicklung eines Fasermodells, mit dem man auf der Grundlage des eingesetzten Fasergehaltes und der Faserart Rückschlüsse auf die Faseranzahl in einer rechteckigen Bruchfläche ziehen kann. Hierbei wurde ein Modell für Rechteckquerschnitte entwickelt, welches es ermöglicht, die durchschnittliche Faseranzahl in einer Bruchfläche, auf der Basis vereinfachter Annahmen, abzuschätzen. Die Verifizierung des Modells erfolgte durch den Vergleich der errechneten Faseranzahl mit zahlreichen experimentellen Versuchsergebnissen. Im letzten Abschnitt dieser Arbeit wurde die Herleitung bzw. Generierung von Bemessungshilfsmitteln zur Biegebemessung von Stahlfaserbeton mit und ohne Betonstahlbewehrung behandelt. Die Ausführungen beziehen sich dabei auf dimensionslose Bemessungstafeln und Interaktionsdiagrammen für Rechteckquerschnitte.

Este trabalho apresenta uma estratégia numérica desenvolvida usando o método dos elementos finitos para simular o processo de falha de compósitos cimentícios reforçados com fibras de aço. O material é descrito como um compósito composto por três fases: matriz cimentícia (pasta, argamassa ou concreto), fibras descontínuas discretas, e interface fibra-matriz. Um novo esquema de acoplamento para malhas de elementos finitos não-conformes foi desenvolvido para acoplar as malhas geradas independentes, da matriz cimentícia e de uma nuvem de fibras de aço, baseado na utilização de novos elementos finitos desenvolvidos, denominados elementos finitos de acoplamento. Utilizando este esquema de acoplamento, um procedimento não-rígido é proposto para a modelagem do complexo comportamento não linear da interface fibra-matriz, utilizando um modelo constitutivo de dano apropriado para descrever a relação entre a tensão de cisalhamento (tensão de aderência) e deslizamento relativo entre a matriz e cada fibra de aço individualmente. Este esquema também foi adotado para considerar a presença de barras de aço para as análises de estruturas de concreto armado. As fibras de aço são modeladas usando elementos finitos lineares com dois nós (elementos de treliça) com modelo material elastoplástico. As fibras são posicionadas usando uma distribuição randômica uniforme isotrópica, considerando o efeito parede. Uma abordagem contínua e outra descontínua são investigadas para a modelagem do comportamento frágil da matriz cimentícia. Para a primeira, é utilizado um modelo de dano isotrópico com duas variáveis de dano para descrever o comportamento de dano à tração e à compressão. A segunda emprega uma técnica de fragmentação de malha que utiliza elementos finitos degenerados, posicionados entre todos os elementos finitos que formam a matriz cimentícia. Para esta técnica é proposto um modelo constitutivo à tração, compatível com a abordagem descontínua forte contínua, para prever a propagação de fissura. Para acelerar o cálculo e aumentar a robustez dos modelos de dano contínuos para simular o processamento de falhas, um esquema de integração implícito-explícito é utilizado. Exemplos numéricos são apresentados ao longo do desenvolvimento desta tese. Inicialmente, exemplos numéricos com um único reforço são apresentados para validar a técnica desenvolvida e para investigar à influência das propriedades geométricas 7 das fibras e sua posição em relação à superfície de falha. Posteriormente, exemplos mais complexos são considerados envolvendo uma nuvem de fibras. Nestes casos, atenção especial é dada à influência da distribuição das fibras no comportamento do compósito relacionado ao processo de fissuração. Comparações com resultados experimentais demonstram que a aplicação da ferramenta numérica para modelar o comportamento de compósitos cimentícios reforçados com fibras de aço é muito promissora e pode ser utilizada como uma importante ferramenta para melhor entender os efeitos dos diferentes aspectos envolvidos no processo de falha deste material. / This work presents a numerical strategy developed using the Finite Element Method (FEM) to simulate the failure process of Steel Fiber Reinforced Cementitious Composites (SFRCCs). The material is described as a composite made up by three phases: a cementitious matrix (paste, mortar or concrete), discrete discontinuous fibers, and a fiber-matrix interface. A novel coupling scheme for non-matching finite element meshes has been developed to couple the independent generated meshes of the bulk cementitious matrix and a cloud of discrete discontinuous fibers based on the use of special finite elements developed, termed Coupling Finite Elements (CFEs). Using this approach, a nonrigid coupling procedure is proposed for modeling the complex nonlinear behavior of the fiber-matrix interface by adopting an appropriate constitutive damage model to describe the relation between the shear stress (adherence stress) and the relative sliding between the matrix and each fiber individually. This scheme has also been adopted to account for the presence of regular reinforcing bars in the analysis of reinforced concrete structural elements. The steel fibers are modeled using two-node finite elements (truss elements) with a one-dimensional elastoplastic constitutive model. They are positioned using an isotropic uniform random distribution, considering the wall effect of the mold. Continuous and discontinuous approaches are developed to model the brittle behavior of the bulk cementitious matrix. For the former, an isotropic damage model including two independent scalar damage variables for describing the composite behavior under tension and compression is considered. The discontinuous approach is based on a mesh fragmentation technique that employs degenerated solid finite elements in between all regular (bulk) elements. In this case, a tensile damage constitutive model, compatible with the Continuum Strong Discontinuity Approach (CSDA), is proposed to predict crack propagation. To increase the computability and robustness of the continuum damage models used to simulate the failure processes in both of the strategies, an implicit-explicit integration scheme is used. Numerical analyses are performed throughout the presentation of the work. Initially, numerical examples with a single reinforcement are presented to validate the technique and to investigate the influence of the fibers geometrical properties and its position relative to the crack surface. Then, more complex examples involving a cloud of steel fibers are considered. In these cases, special attention is given to the analysis of the influence of the fiber distribution on the composite behavior relative to the cracking process. Comparisons with experimental results demonstrate that the application of the numerical tool for modeling the behavior of SFRCCs is very promising and may constitute an important tool for better understanding the effects of the different aspects involved in the failure process of this material.