The aim of this thesis is to assess the time-dependent behavior of a new kind of composite railway bridge deck composed by two precambered and prestressed beams. The method used until now to design these bridge decks is a simple classical computation method with a variable modular ratio. They have been placed only with simply supported spans up to 26 m.<p>It is now considered to apply this construction method for the building of continuous bridges (with larger spans) by connecting simply supported decks on their supports. It is known that this kind of construction will induce an additional and strong time-dependent redistribution of internal forces within the structure. It was felt that an in-depth understanding of the influence of the concrete time-dependent effects in this kind of composite structures is needed before proceeding with the design of statically indeterminate bridges. Two cross-section analysis programs applying the principle of superposition were developed: the first used the age adjusted effective modulus method and the second the step-by-step method. However, it is known that the delayed behavior of concrete does not fully comply with the principle of superposition. It appears that after a period of compression creep, creep recovery is significantly less than predicted by the superposition principle. In the construction phases of this bridge deck, the concrete fibers belonging to the bottom side of prestressed beams undergo a stress/strain history of significant unloading when the permanent loads are applied step-by-step. Moreover, these methods assume that the relative humidity remains constant. Finally, a lot of bridge decks are heated in order to transfer the prestressing as soon as possible. To evaluate more finely the time-dependent effects of concrete in such composite (and rather complex) structures with variable loading history, several steps have been carried out: <p>-Analysis of the influence of the heat treatment applied in the workshop and the level of applied stress on the creep and the shrinkage of the concrete.<p>-Analysis of the recovery phenomenon of the concrete resulting in the selection of the two-function method with the recovery function proposed by Yue and Taerwe.<p>-Development of a cross-section analysis program applying the two-function method to take into account more finely the recovery phenomenon, what resulted in a optimization of the phases of construction of the bridge decks by decreasing the minimum age of concrete before prestressing from 40 hours to 20 hours. <p>-Development of a structural analysis program with beam finite elements and applying the two-function method,what has resulted in an optimization of the phases of construction of continuous bridges composed by the junction of two bridge decks. <p>-Proposition of a modelling based on the understanding of the physico-chemical phenomenona which are at the origin of the delayed effects and coupled to a local analysis of the evolution of the degree of hydration and the internal relative humidity in order to take into account the changes of the boundaries conditions in terms of heat and moisture exchanges occurring along the construction history of the bridge decks in the evaluation of their long-term behavior. For each component of the delayed strains (the thermal strain, the autogenous shrinkage, the desiccation shrinkage, the desiccation creep, the basic creep), a modelling has been proposed.<p>-Development of a cross-section analysis program based on the numerically stable algorithm with increasing time steps for integral-type aging creep proposed by Bažant and including the different components of the delayed effects according to the proposed modelling.<p>The results seem to be very promising since it was possible to reproduce in a more realistic way the evolutions of the measured strains of the composite railway bridge deck instrumented in June 2000 and situated near Brussels South Station. <p><p><p>L’objectif de cette thèse est de prédire le comportement à long terme de structure mixte type pont-bac composée de poutres préfléchies, précontraintes et construites par phases. A l’heure actuelle, ils sont dimensionnés à l’état limite de service par une méthode traditionnelle pseudo-élastique avec un coefficient d’équivalence acier-béton variable. Il est envisagé d’étendre ce type de construction à la réalisation de viaducs hyperstatiques permettant de franchir de plus grandes portées en établissant une continuité entre deux travées au droit de leur support commun. Il est connu que ce type de construction induit une importante redistribution des efforts internes dans la structure. Il est donc indispensable d’évaluer très finement l’influence des effets différés du béton sur ce type de construction. Deux programmes généraux d’analyse de section basés sur la méthode du module effectif ajusté et la méthode pas-à-pas ont tout d’abord été développés. Ces méthodes appliquent le principe de superposition. Des limitations propres à ces méthodes ont été relevées pour des historiques où le béton subit plusieurs déchargements significatifs par rapport à son état de contrainte initial juste après le transfert de la précontrainte. Ces méthodes ont aussi l’inconvénient de supposer une humidité relative constante. Enfin,pour pouvoir être mis en précontrainte le plus tôt possible, les ponts-bacs sont chauffés. Les caractéristiques de retrait et de fluage s’écartent de celles déterminées en laboratoire sur des éprouvettes conservées à 20°C. Pour lever les limitations des méthodes classiques et évaluer plus finement l’état de contrainte et de déformation à long terme dans ce type de structure, plusieurs étapes ont été effectuées :<p>-Analyse de l’influence d’un traitement thermique appliqué dans les mêmes conditions que celles effectuées chez le préfabricant ainsi que du niveau de contrainte appliqué sur les déformations différées du béton. <p>-Analyse de l’influence de l’application de déchargements à des âges divers sur les éprouvettes de béton permettant de mettre en évidence le fait que la méthode dite aux deux fonctions avec la fonction de recouvrance proposée par Yue et Taerwe reproduit la plupart des résultats expérimentaux de manière très satisfaisante.<p>-Développement d’un programme d’analyse en section suivant la méthode pas-à-pas étendu à la méthode aux deux fonctions afin de mieux tenir compte de la recouvrance, ce qui a permis d’optimiser les phases de préfabrication des ponts-bacs en changeant l’instant de mise en précontrainte. Les simulations ont montré que si le béton du pont-bac est chauffé, la mise en précontrainte peut s’effectuer à 20 heures d’âge du béton. <p>-Développement d’un programme d’analyse de structure au moyen d’éléments finis de type poutre et dont l’algorithme de résolution applique la méthode aux deux fonctions, ce qui a permis d’optimiser les phases de construction de viaducs hyperstatiques constitués par la jonction de deux ponts-bacs. <p>-Proposition d’une modélisation fondée sur la compréhension des phénomènes physico-chimiques à l’origine des effets différés et couplée à une étude locale de l’évolution du degré d’hydratation et de la teneur en eau permettant de tenir compte des changements de conditions aux limites en terme d’échange de chaleur et d’humidité qui ont lieu au cours de l’histoire des ponts-bacs dans l’évaluation de leur comportement à long terme. Pour chaque composante des déformations différées (le retrait thermique, le retrait endogène, le retrait et le fluage de dessiccation, le fluage fondamental), une modélisation a été proposée.<p>-Développement d’un programme d’analyse de section basé sur une approche incrémentale avec l’algorithme récursif et exponentiel proposé par Bažant et dans lequel les composantes des effets différés ont été intégrées suivant la modélisation proposée. <p>Les résultats sont encourageants car ils ont permis de reproduire de manière beaucoup plus réaliste les évolutions des déformations mesurées dans le pont-bac instrumenté à Bruxelles. <p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der experimentellen Analyse des Tragverhaltens von Hochleistungsbeton unter mehraxialer Beanspruchung. Dabei wurden sowohl die zwei und die dreiaxiale Drucktragfähigkeit als auch das Verhalten unter zweiaxialer kombinierter Druck Zug Beanspruchung untersucht. Für die Analyse kamen jeweils drei Betonfestigkeitsklassen zum Einsatz, C 55/67, C 70/85 und C 90/105. Innerhalb der durchgeführten Versuchsreihen wurden sowohl die jeweiligen Bruchlasten als auch die Spannungs Dehnungs Beziehungen ermittelt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden mit denen verglichen, die an Normalbeton gewonnen wurden. Aus diesem Vergleich wurden Schlußfolgerungen für den Einsatz von Hochleistungsbetonen abgeleitet. Zur mathematischen Beschreibung des Tragverhaltens von Hochleistungsbeton wurden für die untersuchten Beanspruchungsregime Näherungsfunktionen angegeben. / The subject of this paper is the experimental analysis of the behavior of High Performance Concrete under multiaxial loading. Thereby the behavior under bi- and triaxial compression as well as the behavior under combined compression-tension stresses were examined. Three concrete grades were examined, C 55/67, C 70/85 and C 90/105. Within the test series, the ultimate loads and the stress-strain-relationships were determined. The results of the examinations were compared to the results which are already known for normal strength concrete. From these comparisons conclusions for the usage of high performance concrete were made. For the examined states of stress mathematical approximations are specified.

Die Vision bei diesem Projekt bestand darin, zukünftig anstelle massiver Betontragsysteme mit meist ungleichmäßiger Materialausnutzung am Kraftfluss orientierte, filigrane, stabartige Tragwerke zu entwerfen, die sich neben der Gewichtsreduktion und einer höheren Transparenz auch durch eine bessere Ressourcennutzung auszeichnen. Dabei wurde eine modulare Bauweise angestrebt, bei der die Einzelkomponenten Druckstab und vorgespannter Zugstab sowie Teile des Verbindungsknotenelements vorgefertigt und am Einsatzort zusammengefügt werden. Sowohl im Hinblick auf die Tragfähigkeits- und Verbundeigenschaften als auch auf die Dauerhaftigkeit sollten die Stäbe aus faserverstärktem Ultrahochleistungsbeton (UHPFRC) hergestellt sowie ausschließlich mit nichtmetallischen Elementen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) bewehrt bzw. vorgespannt werden. Im geförderten Zeitraum lag das Hauptaugenmerk auf der Entwicklung filigraner, formoptimierter Druck- und vorgespannter Zugstäbe. Zum Knotenelement wurden theoretische Überlegungen sowie erste Tastversuche angestellt. [Aus: Projektidee und Zielsetzung] / The vision of this project was to replace massive concrete structures with mostly inhomogeneous material utilization in the future by designing filigree concrete truss supporting structures in accordance with the principle form follows force instead. Thus, besides weight reduction and a higher transparency also a higher resource efficiency can be achieved. A modular construction method, in which the components compression strut, prestressed tie and connection joint elements are prefabricated and joined together at the construction site, was aspired. With regard to load-bearing capacity and bonding behaviour as well as durability, the struts and ties are made of Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concrete (UHPFRC) and are reinforced or prestressed exclusively with non-metallic elements made of f bre-reinforced polymers (FRP). Within the funding period, the focus was on the development of f ligree, shape-optimized struts and prestressed ties. Regarding the connection joint element, theoretical considerations were made and first basic tests were carried out. [Off: Vision and objective]

Byggindustrin har i dagsläget en negativ klimatpåverkan och infrastrukturen likaså. Många länder har därför försökt undersöka möjligheten att hitta ett långsiktigt och hållbart alternativ till det konventionella reparationsmaterialet. Olika material undersöks, olika optimerade betongrecept testas för att förstå hur miljöpåverkan har minimeras för att förlänga livslängden hos betongkonstruktioner. Vid reparation av en bro är det viktigt att ta hänsyn till både kostnader och miljöpåverkan under hela dess livscykel. Kostnader som uppstår är investeringskostnader samt drift- och underhållskostnader. Miljöpåverkan från betongkonstruktioner i produkt skedet består av materialframställning, byggtransporter och produktion på byggarbetsplatserna. totala växthusgasutsläppet summeras och beräknas i kg CO2-ekv. Syftet med detta examensarbete är att studera den långsiktiga hållbarheten hos UHPC med hjälp av beräkningsmodeller såsom livscykelanalys och livscykelkostnadsanalys med avsikt att applicera reparationstekniken. Flera UHPC recept ställs mot det konventionella reparationsmaterialet detta för att kunna bedöma miljöpåverkan och kostnadseffektiviteten hos materialen. Dvs om det går det att minska klimatutsläppet och kostnaderna. De jämförda recepten är olika UHPC-recept samt traditionell betong. Recepten appliceras slutligen på en befintlig bropelare för att undersöka de olika receptens tillämpbarhet som reparationsmaterial ur ett hållbarhetsperspektiv. Det saknas tillräckligt med kunskap om UHPC:s långtidseffekter, speciellt om reparationsintervall. Med åtanke på materialets höga draghållfasthet och beständighet tillsammans med UHPC:s strukturella egenskaper har antaganden gjorts att materialet är reparationsfri under konstruktionens livslängd. Det vill säga att bropelaren som undersökts med UHPC i studien inte behövt repareras under sin livslängd. Resultatet från livscykelkostnadsanalysen visar att UHPC är dyrare i både kubikmeter (m3) och kvadratmeter (m2) med tanke på täckskiktets tjocklek än traditionell betong i materialpriset. Men med tanke på att UHPC är underhållsfritt har den en mindre livscykelkostnad. Resultatet från livscykelanalysen visar att UHPC blandningarna har större miljöpåverkan per kubikmeter. Då de olika täckskiktetstjocklek relateras till pelarens längd erhålls resultat där UHPC medför slankare konstruktioner och besparingar upp emot 50% mindre betongvolym (för den 6 m långa pelaren i fallstudien). Med UHPC som reparationsmaterial medför det till att bron inte behöver repareras under dess livslängd. Bropelaren som repareras med UHPC kommer därför ha en mindre miljöpåverkan än den traditionella betongen. Långsiktig hållbarhet och mindre totala växthusgasutsläpp (som är i riktlinje med EU:s och regeringens klimatkrav) erhålls för anläggningskonstruktioner med UHPC. / The construction industry has a negative climate impact and so does the infrastructure. Which is due to frequent repairs that are not sustainable. Many countries have therefore tried to explore the possibility of finding a long-term and sustainable alternative to conventional repair materials. Different materials are examined, different optimized concrete recipes are tested to understand how the environmental impact can be minimized and the service life of concrete structures extended. When repairing a bridge, it is important to take into account both costs and environmental impact throughout its life cycle. Costs that arise are investment costs as well as operating and maintenance costs. The environmental impact from concrete structures in the product phase consists of material production, construction transports and production at construction sites. The total greenhouse gas emissions are summed up and calculated in kg CO2 eq. The purpose of this thesis is to study the long-term sustainability of UHPC using calculation models such as life cycle analysis and life cycle cost analysis with the intention of applying the repair technique. Several UHPC prescriptions are set against the conventional repair material in order to be able to assess the environmental impact and cost-effectiveness of the materials. That is, if it is possible to reduce climate emissions and costs. The compared recipes are different UHPC recipes and traditional concrete. The recipes are finally applied to an existing bridge pillar to investigate the applicability of the various recipes as repair materials from a sustainability perspective. There is a lack of knowledge about the long-term effects of UHPC, especially about repair intervals. Given the high tensile strength and durability of the material together with the structural properties of the UHPC, it has been assumed that the material is repair-free for the life of the structure. That is, the bridge pillar examined with UHPC in the study did not need to be repaired during its lifetime. The results from the life cycle cost analysis show that UHPC is more expensive in both cubicmeters (m3) and square meters (m2) given the thickness of the cover layer than traditional concrete in the material price. However, given that UHPC is maintenance free, it has a lower lifecycle cost. The results from the life cycle analysis show that the UHPC mixtures have a greater environmental impact per cubic meter when the cover layer varies. As the thickness of the different cover layers is related to the length of the pillar, results are obtained where UHPC leads to slimmer constructions and savings of up to 50% less concrete volume (for the 6 m long pillar in the case study). With UHPC as repair material, this means that the bridge does not need to be repaired during its service life. The bridge pillar that is repaired with UHPC will therefore have a smaller environmental impact than the traditional concrete. Long-term sustainability and smaller total greenhouse gas emissions (which are in line with EU and government climate requirements) are obtained for plant constructions with UHPC.

Tesis por compendio / [ES] El hormigón, material de construcción fundamental en la ingeniería civil, ha sido muy estudiado para cuantificar y mejorar su resiliencia y vida útil. La exposi-ción prolongada a ciertas condiciones ambientales, y la carga mecánica en con-diciones de servicio, pueden resultar en la aparición de fisuras (< 0.4 mm), que no amenazan la integridad de la estructura, pero en algunos casos pueden redu-cir su durabilidad. En los últimos años, se han buscado nuevos enfoques para ob-tener la autosanación o autorreparación de fisuras en el hormigón. El hormigón autosanable se considera un enfoque prometedor para desarro-llar materiales de construcción duraderos y respetuosos con el medio ambiente. La autosanación en el hormigón implica la reducción de las fisuras, lo que reduci-ría las consecuencias negativas de su presencia. El hormigón tiene una capacidad inherente de autosanación, denominada sanación autógena, pero su capacidad es limitada. Se han investigado diversos enfoques para estimular la autosanación, incluida la introducción de productos innovadores dentro de la matriz del hor-migón o la mejora de sus capacidades inherentes. Esta tesis examina la capacidad de autosanado de varios tipos de hormigón, incluidos los convencionales, de altas prestaciones y de ultra altas prestaciones, y estudia y propone diferentes metodologías para evaluar y comparar hormigones con diferente comportamiento, como aquellos con tendencia a la multifisura-ción. Las metodologías realizadas son ensayos de cierre de fisuras, ensayos de permeabilidad y ensayos de penetración de cloruros. La tesis también examina la incorporación de diversos aditivos, como Aditivos Cristalinos, Polímeros Su-perabsorbentes, sepiolita, nanofibras de alúmina, nanocelulosa y bacterias, con el fin de estudiar su potencial mejora de la capacidad de autosanado. El objetivo de esta investigación surge de la necesidad de comprender me-jor los mecanismos de autosanado y su efecto en la durabilidad de las estructuras de hormigón. Esto incluye la evaluación y cuantificación del autosanado de dife-rentes hormigones, que sanaron en diferentes ambientes y condiciones de ini-ciación. Estos parámetros se eligen para proporcionar una evaluación integral de la respuesta del material. La aplicabilidad práctica de los resultados obtenidos se verifica en prototipos reducidos y a escala real, ampliando los experimentos más allá de las limitaciones del laboratorio y aumentando el nivel de madurez de la tecnología. Esta tesis proporciona un análisis amplio y en profundidad del hormigón au-tosanable. Los resultados obtenidos tienen el potencial no sólo de mejorar el conocimiento académico en el campo sino también de estimular mejoras en el diseño y la construcción de estructuras de hormigón duraderas y resilientes. / [CA] El formigó, un material de construcció fonamental a l'enginyeria civil, ha es-tat estudiat sovint per quantificar i millorar la seva resiliència i vida útil. L'exposi-ció perllongada a certes condicions ambientals, i la càrrega mecànica en condi-cions de servei, pot resultar en l'aparició de fisures (< 0.4 mm), que no suposen un perill per a la integritat de l'estructura, però que en alguns casos poden re-duir la seua durabilitat. En els últims anys, s'han buscat nous enfocs per obtenir l'autosanació o autoreparació de fissures al formigó. El formigó autosanable es considera un enfoc prometedor per desenvolupar materials de construcció duraders i respectuosos amb el medi ambient. L'auto-sanació al formigó implica la reducció de les fissures, cosa que reduiria les con-seqüències negatives de la seva presència. El formigó té una capacitat inherent d'autosanació, anomenada sanació autògena, però la seva capacitat és limitada. S'han investigat diversos enfocs per estimular l'autosanació, inclosa la introduc-ció de productes innovadors dins la matriu del formigó o la millora de les capaci-tats inherents. Aquesta tesi examina la capacitat d'autosanat de diversos tipus de formigó, inclosos els convencionals, d'altes prestacions i d'ultra altes prestacions, i estudia i proposa diferents metodologies per avaluar i comparar formigons amb com-portament diferent, com aquells amb tendència a la multifisuració. Les metodo-logies realitzades són assaigs de tancament de fissures, assaigs de permeabilitat i assaigs de penetració de clorurs. La tesi també examina la incorporació de diver-sos additius, com Additius Cristal·lins, Polímers Superabsorbents, sepiolita, nano-fibres d'alumini, nanocel·lulosa i bactèries, per tal d'estudiar la potencial millora de la capacitat d'autosanat. L'objectiu d'aquesta investigació sorgeix de la necessitat de comprendre mi-llor els mecanismes dautosanat i el seu efecte en la durabilitat de les estructures de formigó. Això inclou l'avaluació i la quantificació de l'autosanat de diferents formigons, que van curar-se en diferents ambients i condicions d'iniciació. Aquests paràmetres es trien per proporcionar una avaluació integral de la res-posta del material. L'aplicabilitat pràctica dels resultats obtinguts es verifica en prototips reduïts ia escala real, ampliant els experiments més enllà de les limita-cions del laboratori i augmentant el nivell de maduresa de la tecnologia. Aquesta tesi proporciona una anàlisi àmplia i en profunditat del formigó au-tosanable. Els resultats obtinguts tenen el potencial no només de millorar el coneixement acadèmic al camp sinó també d'estimular millores en el disseny i la construcció d'estructures de formigó duraderes i resilients. / [EN] Concrete, a primary construction material in civil engineering, has been fre-quently examined to quantify and improve its resilience and lifespan. Prolonged exposure to certain environmental conditions, as well as mechanical loading in service conditions, may result in the development of small cracks (< 0.4 mm), which do not threaten the safety of the structure but, in some cases, may reduce its durability. In the last few years, researchers have pursued novel approaches to obtain self-healing or self-repair of cracks in concrete. Self-healing concrete has emerged as a promising approach to developing durable and environmentally friendly construction materials. Self-healing in concrete involves the reduction of cracks, which would reduce the negative consequences of its presence. Concrete has an inherent self-healing capacity and autogenous healing, but its capability is limited. Diverse approaches have been investigated to stimulate self-healing, including introducing innovative products inside concrete matrix or improving its inherent abilities. The current thesis examines the self-healing capability of various concrete types, including conventional, high-performance, and ultra-high-performance concretes, and studies and proposes different methodologies for evaluating and comparing concretes with different behavior, such as those with the tendency to show multi-cracking. The methodologies performed are crack closing tests, permeability tests, and chloride penetration tests. The thesis also examines the incorporation of various additives, such as Crystalline Admixture, Superabsor-bent Polymers, sepiolite, alumina nano-fibers, nanocellulose, and bacteria, to study their potential enhancement of the self-healing capability. The purpose of this research comes from the need to comprehend the self-healing mechanisms and their influence on the durability of concrete structures. This includes the evaluation and quantification of the material's performance in different concretes that healed in different healing exposures and with different initiation conditions. These parameters are chosen to provide a comprehensive assessment of the material's performance. The practical applicability of the re-sults obtained is verified in reduced and full-scale prototypes, upgrading the experiments beyond the limitations of the laboratory and increasing the Tech-nology Readiness Level. This thesis provides a broad and in-depth analysis of self-healing concrete, ex-amining its potential. The findings cannot only enhance academic knowledge but also stimulate improvements in the design and construction of long-lasting and resilient concrete structures. / Doostkami, H. (2024). Chloride penetration assessment on self-healing capability of conventional, high-performance, and ultra high-performance concrete [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207287 / Compendio