京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21748号 / 工博第4565号 / 新制||工||1712(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科都市社会工学専攻 / (主査)教授 大津 宏康, 准教授 PIPATPONGSA Thirapong, 教授 三村 衛 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21357号 / 工博第4516号 / 新制||工||1703(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科都市社会工学専攻 / (主査)教授 大津 宏康, 准教授 PIPATPONGSA Thirapong, 教授 三村 衛 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

Abstract : Deep reinforced concrete beams are commonly used as transfer girders or bridge bents, at which its safety is often crucial for the stability of the whole structure. Such elements are exposed to the aggressive environment in northern climates causing steel-corrosion problems due to the excessive use of de-icing salts. Fiber-reinforced polymers (FRP) emerged as non-corroded reinforcing materials to overcome such problems in RC elements. The present study aims to address the applicability of concrete deep beams totally reinforced with FRP bars. Ten full-scale deep beams with dimensions of 1200 × 300 × 5000 mm were constructed and tested to failure under two-point loading. Test variables were shear-span depth ratio (equal to 1.47, 1.13, and 0.83) and different configurations of web reinforcement (including vertical and/or horizontal web reinforcement). Failure of all specimens was preceded by crushing in the concrete diagonal strut, which is the typical failure of deep beams. The test results indicated that, all web reinforcement configurations employed in the tested specimens yielded insignificant effects on the ultimate strength. However, strength of specimens containing horizontal-only web reinforcement were unexpectedly lower than that of specimens without web reinforcement. The web reinforcement’s main contribution was significant crack-width control. The tested specimens exhibited reasonable deflection levels compared to the available steel-reinforced deep beams in the literature. The development of arch action was confirmed through the nearly uniform strain distribution along the length of the longitudinal reinforcement in all specimens. Additionally, the basic assumption of the strut-and-tie model (STM) was adequately used to predict the strain distribution along the longitudinal reinforcement, confirming the applicability of the STM for FRP-reinforced deep beams. Hence, a STM based model was proposed to predict the strength of FRP-reinforced deep beams using the experimental data, in addition to the available experimentally tested FRP-reinforced deep beams in the literature. Assessment of the available STMs in code provisions was conducted identifying the important parameters affecting the strut efficiency factor. The tendency of each parameter (concrete compressive strength, shear span-depth ratio, and strain in longitudinal reinforcement) was individually evaluated against the efficiency factor. Strain energy based calculations were performed to identify the appropriate truss model for detailing FRP-reinforced deep beams, hence, only four specimens with vertical web reinforcement exhibited the formation of two-panel truss model. The proposed model was capable to predict the ultimate capacity of the tested deep beams. The model was also verified against a compilation of a data-base of 172 steel-reinforced deep beams resulting in acceptable level of adequacy. The ultimate capacity and performance of the tested deep beams were also adequately predicted employing a 2D finite element program (VecTor2), which provide a powerful tool to predict the behavior of FRP-reinforced deep beams. The nonlinear finite element analysis was used to confirm some hypotheses associated with the experimental investigations. / Résumé : Les poutres profondes en béton armé (BA) sont couramment utilisées comme poutre de transfert ou coude de pont, comme quoi sa sécurité est souvent cruciale pour la sécurité de l’ensemble de la structure. Ces éléments sont exposés à un environnement agressif dans les climats nordiques causant des problèmes de corrosion de l’acier en raison de l’utilisation excessive de sels de déglaçage. Les polymères renforcés de fibres (PRF) sont apparus comme des matériaux de renforcement non corrodant pour surmonter ces problèmes dans les BA. La présente étude vise à examiner la question de l'applicabilité des poutres profondes en béton complètement renforcées de barres en PRF. Dix poutres profondes à grande échelle avec des dimensions de 1200 × 300 × 5000 mm ont été construites et testées jusqu’à la rupture sous chargement en deux points. Les variables testées comprenaient différents ratios de cisaillement porté/profondeur (égal à 1.47, 1.13 et 0.83) ainsi que différentes configurations d’armature dans l’âme (incluant un renforcement vertical avec ou sans renforcement horizontal). La rupture de tous les spécimens a été précédée par l’écrasement du béton dans le mât diagonal, ce qui est la rupture typique pour les poutres profondes en BA. Les résultats ont révélé que toutes les configurations de renforcement de l’âme employées dans les spécimens d'essais avaient un effet négligeable sur la résistance ultime. Toutefois, la résistance des spécimens contenant uniquement un renforcement horizontal était étonnamment inférieure à celle des spécimens sans renforcement. La contribution principale du renforcement de l’âme était dans le contrôle de la largeur de fissuration. Les spécimens examinés présentaient une déflexion raisonnable par rapport à ce qui est disponible pour les poutres profondes renforcées en acier dans la littérature. Le développement de l'effet d'arche a été confirmé par la distribution quasi uniforme des déformations le long du renforcement longitudinal dans tous les spécimens. En outre, l'hypothèse de base du modèle des bielles et tirants (MBT) a été utilisée adéquatement pour prédire la distribution de déformation le long du renforcement longitudinal, confirmant l'applicabilité du MBT pour les poutres profondes armées de PRF. Par conséquent, un modèle basé sur un MBT a été proposé afin de prédire la résistance des poutres profondes renforcées de PRF en utilisant les données expérimentales en plus de la mise à l'épreuve expérimentalement des poutres profondes renforcées de PRF trouvées dans la littérature. Une évaluation des MTB disponibles dans les dispositions des codes a été menée afin de déterminer les paramètres importants affectant le facteur d'efficacité de la bielle. La tendance de chaque paramètre (la résistance à la compression du béton, le ratio de cisaillement porté/profondeur, et la déformation dans le renforcement longitudinal) a été évaluée individuellement contre le facteur d'efficacité. Des calculs basés sur l’énergie des déformations ont été effectués pour identifier le modèle de treillis approprié afin de détailler les poutres profondes renforcées de PRF. Par conséquent, seulement quatre spécimens avec un renforcement vertical dans l’âme présentaient la formation de modèles avec deux panneaux de treillis. Le modèle proposé a été capable de prédire la capacité ultime des poutres profondes testées. Le modèle a également été vérifié contre une base de données de 172 poutres profondes renforcées en acier aboutissant en un niveau acceptable de pertinence. La capacité ultime et la performance des poutres profondes testées ont été également adéquatement prédites employant un programme d'éléments finis en 2D (VecTor2), ce qui fournira un puissant outil pour prédire le comportement des poutres profondes renforcées de PRF. L'analyse non linéaire par éléments finis a été utilisée afin de confirmer certaines hypothèses associées à l'étude expérimentale.