Composite slab flooring systems for steel-framed buildings consist of a profiled steel deck and a cast in-situ slab. The slab traditionally includes a layer of light gauge steel mesh reinforcement. This mesh is placed near the surface, which controls the early-age cracking caused by concrete drying and shrinkage. The steel mesh also performs a vital structural role at high temperatures. Structural fire tests and numerical investigations over the last 15 years have established that the mesh can provide enhanced fire resistance. A load-carrying mechanism occurs in fire with the mesh acting as a tensile catenary, spanning between perimeter supports. This structural mechanism is currently utilised regularly in the performance-based fire engineering design of steel-framed buildings. In a recent development, this mesh can be removed by using concrete with dispersed polymer fibre reinforcement to form the composite slab. The polymer-fibre-reinforced concrete (PFRC) is poured onto the deck as normal, and the fibres resist early crack development. For developers this technique has several advantages over traditional reinforcing mesh, such as lower steel costs, easier site operations and faster construction. However, to date the fire resistance of such slabs has been demonstrated only to a limited extent. Single element furnace tests with permissible deflection criteria have formed the basis for the fire design of such slabs. But these have not captured the full fire response of a structurally restrained fibre-reinforced slab in a continuous frame. The polymer fibres dispersed throughout the slab have a melting point of 160ºC, and it is unclear how they contribute to overall fire resistance. In particular, there has been no explanation of how such slabs interact with the structural perimeter to maintain robustness at high deflections. This project was designed to investigate the structural fire behaviour of restrained polymer-fibre-reinforced composite slabs. An experimental series of six slab experiments was designed to investigate the effects of fibre reinforcement and boundary restraint. A testing rig capable of recording the actions generated by the heat-affected slab was developed and constructed. Model-scale slab specimens were tested with different reinforcement and perimeter support conditions, to establish the contributions to fire resistance of the polymer fibres and applied structural restraint.

Die Zielstellung des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Erprobung von speziellen Indikatoren, welche im Zuge einer Probebelastung für die sichere Beurteilung der Tragfähigkeit von Massivbaukonstruktionen mit geringem Ankündigungsverhalten geeignet sind. Der Begriff "Ankündigung“ bezieht sich dabei auf die beim Belastungsversuch wichtige Bestimmung der Versuchsgrenzlast, deren Überschreiten zu inakzeptablen Schädigungen führt und daher mit ausreichender Sicherheit ausgeschlossen werden muss. Durch den Einsatz und vor allem die Kombination moderner Messverfahren kann eine wesentliche Verbesserung der Informationsqualität während des Belastungsversuches erreicht werden. Eine Echtzeitauswertung der Messergebnisse erlaubt die Definition objektiver Kriterien der Versuchsgrenzlast. Dadurch soll zukünftig gewährleistet werden, dass bereits minimales nichtlineares Strukturverhalten unmittelbar während des Versuches festgestellt und damit die Versuchsgrenzlast nahezu schädigungsfrei ermittelt werden kann. Den Kernpunkt der Sensorik und Datenverarbeitung bilden flexibel einsetzbare photogrammetrische Verfahren zur automatisierten hochgenauen flächenhaften Erfassung von Schädigungen bei Probebelastungen aus Bilddaten von Digitalkameras mit permanenter Rechnerverbindung. Durch die Anwendung von speziellen Verfahren der Bildanalyse kann die Auswertung der Bilddaten weitestgehend automatisiert werden und in Echtzeit während des laufenden Versuchs erfolgen. Durch Subpixeloperatoren und geeignete Kalibrierverfahren können Genauigkeiten im Bereich weniger Mikrometer erzielt werden. Dieser Abschlussbericht gibt einen Überblick über die bisher durchgeführten theoretischen und experimentellen Untersuchungen zur Anpassung und aufgabenspezifischen Entwicklung der gewählten Messverfahren (Photogrammetrie und Schallemissionsanalyse). Diese wurden in Tastversuchen und Schubversuchen an Stahlbetonbauteilen ohne Bügelbewehrung erprobt und erlauben durch die Kombination der Messinformationen Schlussfolgerungen auf eine messbare Vorankündigung auch bei nicht-duktilen Massivbaukonstruktionen.

Die Zielstellung des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Erprobung von speziellen Indikatoren, welche im Zuge einer Probebelastung für die sichere Beurteilung der Tragfähigkeit von Massivbaukonstruktionen mit geringem Ankündigungsverhalten geeignet sind. Der Begriff "Ankündigung“ bezieht sich dabei auf die beim Belastungsversuch wichtige Bestimmung der Versuchsgrenzlast, deren Überschreiten zu inakzeptablen Schädigungen führt und daher mit ausreichender Sicherheit ausgeschlossen werden muss. Durch den Einsatz und vor allem die Kombination moderner Messverfahren kann eine wesentliche Verbesserung der Informationsqualität während des Belastungsversuches erreicht werden. Eine Echtzeitauswertung der Messergebnisse erlaubt die Definition objektiver Kriterien der Versuchsgrenzlast. Dadurch soll zukünftig gewährleistet werden, dass bereits minimales nichtlineares Strukturverhalten unmittelbar während des Versuches festgestellt und damit die Versuchsgrenzlast nahezu schädigungsfrei ermittelt werden kann. Den Kernpunkt der Sensorik und Datenverarbeitung bilden flexibel einsetzbare photogrammetrische Verfahren zur automatisierten hochgenauen flächenhaften Erfassung von Schädigungen bei Probebelastungen aus Bilddaten von Digitalkameras mit permanenter Rechnerverbindung. Durch die Anwendung von speziellen Verfahren der Bildanalyse kann die Auswertung der Bilddaten weitestgehend automatisiert werden und in Echtzeit während des laufenden Versuchs erfolgen. Durch Subpixeloperatoren und geeignete Kalibrierverfahren können Genauigkeiten im Bereich weniger Mikrometer erzielt werden. Dieser Abschlussbericht gibt einen Überblick über die bisher durchgeführten theoretischen und experimentellen Untersuchungen zur Anpassung und aufgabenspezifischen Entwicklung der gewählten Messverfahren (Photogrammetrie und Schallemissionsanalyse). Diese wurden in Tastversuchen und Schubversuchen an Stahlbetonbauteilen ohne Bügelbewehrung erprobt und erlauben durch die Kombination der Messinformationen Schlussfolgerungen auf eine messbare Vorankündigung auch bei nicht-duktilen Massivbaukonstruktionen.

Les matériaux composites à matrice céramique (CMC) sont élaborés à partir de constituants fragiles. Le comportement mécanique et le développement de la fissuration dépendent des propriétés des constituants élémentaires des CMC. La connaissance de l’influence de ces propriétés sur l’évolution de la fissuration et du comportement mécanique fournit une aide au concepteur de matériaux composites.L’objectif de ce travail est de modéliser l’évolution du réseau de fissures au sein du CMC sollicité en traction, à l’échelle du fil et à l’échelle du composite tissé. L’approche proposée est une alternative aux principaux modèles de comportement des CMC.A l’échelle du fil, l’endommagement intervient d’abord sous forme de fissures matricielles accompagnées de décohésions à l’interface fibre/matrice. Les analyses de ces deux mécanismes ont permis d’exprimer leur évolution au sein du fil en traction. Le comportement en traction résultant de l’endommagement et l’ouverture de la fissure matricielle sont aussi exprimés semi-analytiquement.Les comparaisons avec un modèle numérique de zones cohésives et avec les essais expérimentaux montrent une bonne corrélation des résultats.Enfin ces expressions à l’échelle du fil sont utilisées pour modéliser l’endommagement du fil longitudinal au sein du composite tissé en traction. De plus, un outil numérique est développé pour modéliser la fissuration matricielle inter-fil dans le composite tissé. / Ceramic matrix composite materials (CMC) are elaborated from fragile constituents. Their mechanical behaviour and crack growing depend on the properties of the CMC elementary constituent. Knowing the influence of these properties on crack development and mechanical behaviour provides support to the composite material designer.This work aims at modelling the crack networks development within the CMC under axial tension, at the yarn scale as well as at the woven composite scale. The proposed approach is an alternative to the main CMC behaviour models.At the yarn scale, matrix cracking with interfacial debonding between fiber and matrix first happen. Both mechanisms are analysed and their development are expressed. The mechanical behaviour resulting from damage and the crack opening displacement are also described using semi-analytical equations. Comparisons with numerical cohesive zone model and also with experimental testing shows good correlation between results.These semi-analytical expressions are then used for modelling damage within each yarns at the woven composite scale. In addition, a numerical tool is developed for matrix cracking and interfacial debonding between yarns of the woven composite.

Reinforced concrete deep beams are known for applications in tall buildings, foundations and offshore structures. Deep beams are structural elements with length and height within the same magnitude and have significantly smaller thickness compared to a conventional concrete beam. Deep beams in bending have non-linear strain distribution compared to conventional beams where Bernoulli’s hypothesis is valid. Crack formation is a common problem in reinforced concrete structures, which reduce the durability of the structure. Once the concrete cracks the tension reinforcement carry the tensile forces instead of the concrete. Therefore, the design of tension reinforcement is important since the serviceability should be retained even after the structure cracks. The crack widths can be limited by using proper reinforcement and one alternative is to combine tensile reinforcement with crack reinforcement.  The function of the reinforcement is to distribute the cracks over the cross section which leads to that many smaller cracks occur instead of fewer, wider cracks. Small cracks are seen as less of a problem compared to large cracks since larger cracks reduce the durability significantly. For deep beams, there is at the present no well-substantiated analysis model for how crack widths shall be calculated when having reinforcement in multiple layers with different diameters. The use of crack reinforcement in the outer bottom layer has by tradition been considered as a cost efficient way to achieve small crack widths. In this work the crack width in deep beams have been analysed using the finite element program Atena 2D. The numerical results have been verified by analytical calculations based on Eurocode 2. The aim is to achieve reduced crack widths  by analysing the combination of crack- and tensile reinforcement compared to the case with tensile reinforcement only. Tensile reinforcement has a larger diameter, for example ø25 mm, and crack reinforcement has smaller diameters, often between ø10 and ø16 mm. The result from the calculations with Atena showed that there was an improvement regarding the reduction of crack widths when using crack reinforcement in combination with tensile reinforcement compared to using tensile reinforcement only. However, this improvement decreased by using reinforcement in multiple layers since a tensile reinforcement bar 1ø25 mm needed to be replaced by approximately six crack reinforcement bars 6ø10 mm in order to achieve the same total reinforcement area. The main disadvantage was that more space was required to place all reinforcement bars in the cross section, which reduced the lever arm. The reduction of the lever arm resulted in a reduced capacity for the reinforcement and the cracks might unintentionally become wider than expected. Furthermore, significant reduction of both crack widths and reinforcement stresses were obtained when the total area for a case with 7ø25 mm was increased to 9ø25 mm. The increased total area of only tensile reinforcement ø25 mm reduced the crack width more compared to using a combination of crack- and tensile reinforcement, which could simplify the construction work at building sites and minimize time consumption. / Armerade höga betongbalkar är kända för tillämpningar i höga byggnader, grundsulor och offshore konstruktioner. Höga balkar är konstruktionselement med längd och höjd i samma storleksordning och har betydligt mindre tjocklek jämfört med en konventionell betongbalk. Höga balkar i böjning har en icke-linjär töjningsfördelning jämfört med konventionella balkar där Bernoullis hypotes gäller. Sprickbildning är ett vanligt problem i armerade betongkonstruktioner, vilket minskar beständigheten hos konstruktionen. När betongbalken spricker kommer armeringen att ta upp dragkraften istället för betongen därför är utformningen av böjarmering viktig eftersom bruksgränstillståndet bör behållas även efter att konstruktionen spricker. Sprickvidderna kan begränsas genom att använda korrekt armering och ett alternativ är att kombinera kraftarmering med sprickarmering. Armeringens funktion är att sprida ut sprickorna över tvärsnittet vilket leder till att många små sprickor uppkommer i stället för färre, bredare sprickor. Små sprickor ses som ett mindre problem jämfört med stora sprickor eftersom större sprickor minskar beständigheten avsevärt. För höga balkar finns det för närvarande ingen välunderbyggd analysmodell för hur sprickvidder ska beräknas när de har armering i flera lager och med olika diametrar. Användningen av sprickarmering har traditionellt ansetts vara ett kostnadseffektivt sätt att uppnå små sprickvidder. I detta arbete har sprickvidden i höga balkar analyserats med hjälp av finita elementprogrammet Atena 2D. De numeriska resultaten har verifierats med analytiska beräkningar baserade på Eurokod 2. Syftet är att uppnå reducerade sprickvidder genom att analysera kombinationen av sprick- och kraftarmering jämfört med fallet med endast kraftarmering. Kraftarmeringen har en större diameter, till exempel ø25 mm och sprickarmering har mindre diametrar, ofta mellan ø10 och ø16 mm. Resultaten från beräkningarna i Atena visade att sprickvidderna minskade vid användning av sprickarmering i kombination med kraftarmering jämfört med användning av endast kraftarmering. Denna förbättring minskade emellertid i och med användning av armering i flera lager. En kraftarmeringsstång 1ø25 mm behöver ersättas med ungefär sex sprickarmeringsstänger, 6ø10 mm, för att uppnå samma totala armeringsarea. Den största nackdelen var att det krävdes mer utrymme för att placera alla sprickarmeringsstänger i tvärsnittet, vilket minskade hävarmen. Minskningen av hävarmen medförde en reducerad kapacitet i armeringen och sprickorna blev bredare än förväntat. Vidare erhölls signifikant reduktion av både sprickvidder och armeringsspänningar när den totala arean för ett fall med 7ø25 mm ökades till 9ø25 mm. Den ökade totalarean av endast kraftarmeringsstänger ø25 mm minskade sprickvidden mer jämfört med att använda en kombination av sprick- och kraftarmering vilket skulle kunna förenkla byggarbetet på byggarbetsplatser och minimera tidsförbrukningen.