Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: Steel fibre reinforced concrete (SFRC) is the most prominent fibre reinforced concrete composite that was engineered to enhance the material’s post-cracking behaviour. In certain situations it is utilised to replace conventional reinforcement and considered to be more cost-efficient. The purpose of this research is to characterise the moment redistribution behaviour of a statically indeterminate SFRC structure with varying volumes of fibres, with the focus on the development of the moment redistribution accompanied by the rotation of the plastic hinges at the critical sections in the structure. The material properties were characterised with a series of experimental tests. The compression behaviour was obtained with uniaxial compression tests while the uniaxial tensile behaviour was obtained with an inverse analysis performed according to flexural test results. These properties were utilised to derive a theoretical moment-curvature relation for each SFRC member which supplied the basis for the characterised moment-rotation behaviour and the finite element analyses (FEA) performed on the statically indeterminate structure. Experimental tests were conducted on the statically indeterminate structure in laboratory conditions to validate the theoretical findings. For the different SFRCs the material properties in compression were similar, while it resulted in an increased tensile resistance with an increase in the volume steel fibres. The theoretical momentcurvature and moment-rotation responses also indicated an increased structural capacity and member ductility with an increase in the volume fibres. From the finite element analyses the computational moment redistribution-plastic rotation relations were obtained. It was found that the final amount of moment redistribution decreased with an increase in the fibre volume, but that the rotational capacity increased. It was found that the experimental moment-curvature and moment-rotation results correlate well with the theoretical predictions. Also, unexpected structural behaviour was observed, but the issue was addressed with applicable computational analyses which confirmed the possible causes. It was concluded that the computational moment redistribution approximations were reasonably accurate. A parameter study indicated that the crack band width differed among the different SFRC members. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Staal vesel versterkte beton (SVVB) is die mees vooraanstaande vesel versterkte beton mengsel wat ontwikkel is om die materiaalgedrag na kraakvorming te verbeter. In sekere situasies kan dit gebruik word om konvensionele staal te vervang en lei soms to koste vermindering . Die einddoel van die studie is om die moment herverdeling gedrag te karaktiseer vir ‘n statiese onpebaalbare SVVB struktuur deur die invloed van verskillende volumes vesels en die rotasie kapasiteit by die kritieke posisies in ag te neem. Die materiaal eienskappe was geidentifiseer met ‘n reeks eksperimentele toetse. Die druk gedrag was geïdentifiseer deur eenassige druktoetse, terwyl die eenassige trek gedrag bekom is met die implementasie van ‘n inverse analise van die uitgevoerde buig toetse. Hierdie eienskappe is gebruik om die teoretise moment-kromming verhouding vir elke mengsel te bekom. Hierdie verhoudings word as die basis bestempel vir die teoretiese moment-rotasie verhouding en die eindige element analises (EEA) wat op ‘n staties onbepaalbare struktuur toegepas is. Eksperimentele toetse is op hierdie voorgestelde struktuur toegepas om die teoretiese verwagtings te verifieer. Dit is gevind dat die druk gedrag ooreenstem tussen die verskillende mengsels, alhoewel ‘n toename in die trek kapasiteit ervaar is met ‘n toename in die volume vesels. Die teoretiese momentkromming en moment-rotasie verwantskappe stel ook voor dat die strukturele kapasiteit en duktiliteit toeneem met ‘n toename in die volume vesels. Die teoretiese moment herverdeling-plastiese rotasie verwantskapppe is verkry deur middel van die eindige element analises. Dit is gevind dat die aantal moment herverdeling by faling afgeneem het vir ‘n toename in die volume vesels, maar dat dit to ‘n groter rotasie kapasiteit gelei het. Van die eksperimentele resultate is dit afgelei dat die teoretiese moment-kromming en momentrotasie verwantskappe goeie benaderings voorstel. Sekere invloede van die opstelling het daartoe gelei dat onverwagte strukturele gedrag bekom is, maar die moontlike invloede is verifieer met eindige element analises. Dit is afgelei dat die teoretiese beramings van die moment herverdeling gedrag redelik akkuraat is. ‘n Parameter studie het getoon dat die kraak spasiëring verskil tussen mengsels met verskillende volumes vesels.

Hochduktiler Beton ist ein mit kurzen Kunststofffasern bewehrter Hochleistungs-verbundwerkstoff auf Zementbasis, der unter Zugbelastung eine hohe nichtelastische Verformbarkeit und ein verfestigendes Materialverhalten aufweist. Dieses Verhalten wird durch die Zugabe von diskontinuierlich verteilten Kurzfasern aus Kunststoff erzielt. In der vorliegenden Arbeit wurden einachsige Bauteilzugversuche durchgeführt auf deren Basis das globale und lokale Zugtragverhalten der großformatigen Versuchskörper beschrieben werden kann. Ausgangspunkt sind experimentelle Untersuchungen zum Tragverhalten des Stabstahls und des hochduktilen Betons sowie zu deren gemeinsamen Verbundverhalten. Die Untersuchungen zeigen, dass der Herstellungsprozess das Betongefüge und damit auch das mechanische Verhalten von hochduktilem Beton beeinflusst und dieser auf Grund seiner Zusammensetzung ein ausgeprägtes Schwindverhalten aufweist. Beides muss bei der Untersuchung großformatiger Versuchskörper berücksichtigt werden. Dazu wurden sowohl unbewehrte als auch bewehrte Dehnkörper mit unterschiedlichem Bewehrungsgehalt unter kontrollierten Herstellungsbedingungen in einem konventionellen Mischwerk hergestellt. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchung erlauben die Abbildung des Last-Verformungsverhaltens unter Berücksichtigung der hohen Schwindmaße durch isoliert ermittelte Spannungs-Dehnungs-Beziehungen des hochduktilen Betons und des reinen Stahls. Dieses Verfahren erlaubt eine einfache Beschreibung des kombinierten Tragverhaltens unter Berücksichtigung der rissüberbrückenden Wirkung der Fasern. / SHCC is an advanced construction material developed especially for strain-hardening, quasi-ductile behaviour. Both are achieved through the combined interaction of short polymer fibres dispersed in the cementitious matrix. The resulting tensile behaviour of SHCC is characterized by a progressive formation of multiple cracks and high strain capacity, which influences the structural behaviour especially in combination with steel reinforcement. This thesis reports on experimental investigations to analyse the load-bearing behaviour of R/SHCC members. The investigations included the determination of relevant material properties as well as uniaxial tension tests on steel reinforced slab elements. The aim was to study the effect of multiple cracking on the bond interaction with steel reinforcement and their combined load-deformation behaviour. Specific attention was also given to the influence of the production process and shrinkage behaviour of SHCC. It was shown that production and size related changes of material properties influence the cracking behaviour of SHCC, which can lead to a significant reduction of tensile strain capacity in a structural element. The interaction with steel reinforcement, on the other hand, was found to facilitate multiple cracking and enhance tensile strain capacity during the stage of elastic steel deformations. However, a mutual dependency of SHCC fracture and plastic steel deformations could be observed in the post-yielding stage of the steel rebar. The experimental results were discussed with respect to their implications for constitutive modelling of the tensile load-bearing behaviour. The resulting relationships are based upon the individual material behaviour as well as their bond interaction. Further to that, the effects of SHCC shrinkage and early strain-hardening of steel reinforcement were assessed based on the experimental data. These results contribute to the understanding of the mechanical processes in order to determine the behaviour of steel reinforced SHCC for practical applications.

Tesis por compendio / [ES] Todas estructuras, especialmente las conformadas con hormigón armado, no solo deben cumplir con la seguridad necesaria bajo los Estados Límites Últimos (ULS), además es imprescindible que garanticen un comportamiento adecuado frente a condiciones de servicio. En general, los requisitos fundamentales de servicio que debe cumplir este tipo de estructuras son: la funcionalidad, comodidad para el usuario y la apariencia. Sin embargo, estos no se pueden verificar de forma directa; por lo tanto, ha sido necesario definir criterios de desempeño tales como control de deflexión, control de vibración y control de agrietamiento para dar cumplimiento a lo indicado anteriormente. Además, se dificulta el cálculo de la capacidad de servicio debido al fenómeno de agrietamiento, el efecto de rigidez por tensión, la contracción y los efectos de fluencia. Por lo tanto, el control de la fisuración en estructuras de hormigón armado generalmente se logra limitando la tensión en el refuerzo de acero y la matriz de hormigón. Siendo así que, en los diseños incluidos en códigos relevantes a hormigón, especifican la tensión máxima del refuerzo de acero después de la fisuración y el ancho máximo de fisura para los miembros estructurales de CR o FRC, no obstante los aspectos de capacidad de servicio del diseño para el hormigón reforzado con fibras de ultra alto rendimiento reforzado (R-UHPFRC), no han sido incluidos en los códigos o recomendaciones de UHPFRC. A pesar de que se han realizado muchos esfuerzos en la investigación tanto experimental como teórica sobre el comportamiento de servicio de los elementos estructurales de CR o FRC durante las últimas décadas, para el R-UHPFRC se debe desarrollar aún más su conocimiento relacionado con los requisitos para el diseño de capacidad de servicio, incluyendo su comportamiento de tensión y agrietamiento. En este marco, el objetivo principal de la presente tesis doctoral es evaluar el comportamiento de servicio de R-UHPFRC. Por tal razón, es fundamental realizar la evaluación del comportamiento de deformación y fisuración de los elementos de tracción R-UHPFRC. Para ello, se abordaron y cumplieron adecuadamente dos puntos principales. El primero, diseñar una metodología de prueba innovadora y adecuada para ejecutar los experimentos requeridos para este proyecto de doctorado. En segundo lugar, se llevó a cabo la evaluación de la respuesta de rigidez a la tensión y el comportamiento de agrietamiento del R-UHPFCR, que son parámetros primordiales para el diseño de capacidad de servicio. Para estudiar estos dos parámetros, se consideraron algunos parámetros importantes tales como: el efecto del volumen del contenido de fibra, el tipo de fibra, el efecto del tamaño, el efecto de la relación de refuerzo y el efecto de la contracción. Finalmente, para evaluar los parámetros mencionados, se presentan cuatro campañas experimentales. Cada una de ellas, representa un nivel diferente de estudio. El primero corresponde a la validación de la metodología de ensayo de tracción propuesta y examinar los datos experimentales obtenidos, para emplearlos en futuros estudios de este proyecto. El segundo nivel consistió en establecer y realizar experimentos completos con dos tipos de fibra de acero, modificando además su cantidad, es así como se utilizaron diferentes proporciones de refuerzo y sección transversal para evaluar el efecto tanto del tamaño como del contenido de fibra, respectivamente. También, en un estudio experimental específico se indagó sobre el efecto de la combinación de micro y microfibras de acero en la deformación y el comportamiento de agrietamiento de los elementos R-UHPFRC de tracción. El tercer nivel corresponde a una prueba de contracción intensiva, necesaria para obtener el valor de contracción del UHPFRC utilizado en esta investigación. El último nivel comprende la modificación de la geometría de la probeta y el uso de probetas en forma de hueso de perro para evaluar el ancho medio y máximo de fisura (valor / [CA] Totes les estructures, especialment les conformades amb formigó armat, no només han de complir amb la seguretat necessària sota els Estats Límits Últims (ULS), a més és imprescindible que garanteixin un comportament adequat davant de condicions de servei. En general, els requisits fonamentals de servei que ha de complir aquest tipus d'estructures són: la funcionalitat, la comoditat per a l'usuari i l'aparença. Això no obstant, aquests no es poden verificar de forma directa; per tant, ha calgut definir criteris d'acompliment com ara control de deflexió, control de vibració i control d'esquerdament per a donar compliment al que s'ha indicat anteriorment. A més, es dificulta el càlcul de la capacitat de servei a causa del fenomen d'esquerdament, l'efecte de rigidesa per tensió, la contracció i els efectes de fluència. Per tant, el control de la fissuració en estructures de formigó armat generalment s'aconsegueix limitant la tensió al reforç d'acer i la matriu de formigó. És així que en els dissenys inclosos en codis rellevants a formigó, especifiquen la tensió màxima del reforç d'acer després de la fissuració i l'amplada màxima de fissura per als membres estructurals de CR o FRC, no obstant els aspectes de capacitat de servei del disseny per al formigó reforçat amb fibres d'ultra alt rendiment reforçat (R-UHPFRC), no han estat inclosos als codis o recomanacions d'UHPFRC. Tot i que s'han realitzat molts esforços en la investigació tant experimental com teòrica sobre el comportament de servei dels elements estructurals de CR o FRC durant les últimes dècades, per al R-UHPFRC s'ha de desenvolupar encara més el seu coneixement relacionat amb els requisits per al disseny de capacitat de servei, incloent el comportament de tensió i esquerdament. En aquest marc, l'bjectiu principal de la present tesi doctoral és avaluar el comportament de servei de R-UHPFRC. Per aquesta raó, és fonamental fer l'avaluació del comportament de deformació i fissuració dels elements de tracció R-UHPFRC. Per això, es van abordar i van complir adequadament dos punts principals. El primer, dissenyar una metodologia de prova innovadora i adequada per executar els experiments requerits per a aquest projecte de doctorat. En segon lloc, es va fer l'avaluació de la resposta de rigidesa a la tensió i el comportament d'esquerdament del R-UHPFCR, que són paràmetres primordials per al disseny de capacitat de servei. Per estudiar aquests dos paràmetres, es van considerar alguns paràmetres importants com ara l'efecte del volum del contingut de fibra, el tipus de fibra, l'efecte de la mida, l'efecte de la relació de reforç i l'efecte de la contracció. Finalment, per avaluar els paràmetres mencionats, es presenten quatre campanyes experimentals. Cadascuna representa un nivell diferent d'estudi. El primer correspon a la validació de la metodologia dassaig de tracció proposada i examinar les dades experimentals obtingudes, per a emprar-les en futurs estudis daquest projecte. El segon nivell va consistir a establir i realitzar experiments complets amb dos tipus de fibra d'acer, modificant-ne a més la quantitat, és així com es van utilitzar diferents proporcions de reforç i secció transversal per avaluar l'efecte tant de la mesura com del contingut de fibra, respectivament. També, en un estudi experimental específic, es va indagar sobre l'efecte de la combinació de micro i macrofibres d'acer en la deformació i el comportament d'esquerdament dels elements R-UHPFRC de tracció. El tercer nivell correspon a una prova de contracció intensiva, necessària per obtenir el valor de contracció de l'UHPFRC utilitzat en aquesta investigació. L'últim nivell comprèn la modificació de la geometria de la proveta i l'ús de provetes en forma d'os de gos per avaluar l'amplada mitjana i màxima de fissura (valor real detectat) provocat per esforços de tracció en els elements de tracció R-UHPFRC . És important esmentar que es van fer diferents anàlisis per a cada investigació experimental i es van ac / [EN] All structures, particularly reinforcement concrete structures, apart from meeting necessary security against Ultimate Limit States (ULS), must exhibit appropriate behaviour under service conditions. Generally, the fundamental serviceability requirements that concrete structures should meet are functionality, user comfort and appearance. These requirements cannot, however, be directly checked. Therefore, performance criteria, such as deflection control, vibration control and cracking control, are defined to meet these requirements. Serviceability calculation is complicated because of the cracking phenomenon, the tension stiffening effect, shrinkage, and creep effects. Cracking control in reinforced concrete (RC) structures is generally achieved by limiting stress in steel reinforcement and the concrete matrix. Many concrete code designs specify a maximum steel reinforcement stress after cracking and a maximum crack width for RC or fibre-RC (FRC) structural members, while the design serviceability aspects for Reinforced Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concrete (R-UHPFRC) are poorly considered in UHPFRC codes or recommendations. Many efforts have been made in experimental and theoretical research into the serviceability behaviour of RC or FRC structural elements in the last few decades. However, for R-UHPFRC, knowledge about tension and cracking behaviour must improve and serviceability design requirements have to be further studied. Within this framework, the main purpose of the present PhD thesis is to evaluate the serviceability behaviour of R-UHPFRC. For this purpose, the evaluation of the deformation and cracking behaviour of R-UHPFRC tensile elements is essential. To that end, two main items were addressed and adequately met. The first one was to design an innovative and adequate test methodology to carry out the experiments required for this PhD project. The second involved evaluating the tension stiffening response and cracking behaviour of R-UHPFRC, which are fundamental parameters for R-UHPFRC structures' serviceability design. To study these two parameters, important parameters were considered, such as fibre content, fibre type, size effect, reinforcement ratio and shrinkage effect. In order to evaluate the aforementioned parameters, four experimental campaigns are presented. Each campaign represents a different study level. The first corresponds to the validation of the proposed tensile test methodology and to the examination of the obtained experimental data for future studies required for this PhD project. The second experimental study level corresponds to establishing and undertaking comprehensive experimental programmes with two different steel fibre types and fibre contents. Different cross-section and reinforcement ratios were used to evaluate the size effect and fibre content effect, respectively. The effect of the micro- and macro-steel fibres combination on the deformation and cracking behaviour of tensile R-UHPFRC elements was investigated in a specific experimental study. The third level corresponds to an intensive shrinkage test, which was conducted to obtain the shrinkage value of the UHPFRC used in this PhD study. The final level corresponds to a specific experimental study, done by modifying the specimen's geometry and using the dog bone-shaped specimens to evaluate the average and maximum crack width (real detected value) caused by tensile stresses in R-UHPFRC tensile elements. It is worth mentioning that different analyses were performed for each experimental research and appropriate results were achieved to fulfil the thesis aims. Keywords: cracking behaviour, design criteria, durability, fragility curve, post-cracking tensile stiffness, serviceability behaviour, shrinkage, SLS requirements, structural design, tensile elements, tension stiffening, test method, tie, UHPFRC. / This work is part of Project “BIA2016-78460-C3-1-R” supported by the State Research Agency of Spain / Khorami, M. (2023). Serviceability Behaviour of Reinforced UHPFRC Tensile Elements [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192683 / Compendio