In reinforced concrete (RC) structures, adequate bond between the reinforcement and concrete is required to achieve a true composite system, in which reinforcing steel carries tensile stress, once concrete cracks, and concrete and reinforcing steel carry compression. Determining bond strength and required development length for shear transfer between concrete and reinforcement is an ongoing research subject in the field of reinforced concrete with advances in the concrete and reinforcement materials requiring continuous experimental efforts. Finite element analysis (FEA) provides opportunities to explore structural behavior of RC structures beyond the limitations of experimental testing. However, there is a paucity of research studies employing FEA to investigate the reinforcement-concrete bond-zone behavior and related failure mechanism. Instead, most FEA-based research associated with RC bond has centered on developing a bond (or interface) constitutive model for use in FEA that, by itself, can characterize bond-zone behavior, typically represented by the bond stress-slip displacement relationship. This class of bond models is useful for simulating the global behavior of RC structures but is limited in its ability to simulate local bond resistance for geometries and material properties that differ substantially from those used to calibrate the model. To fill this gap in research, this study proposes a finite element (FE) modeling approach that can simulate local bond-zone behavior in reinforced concrete. The proposed FE model is developed in a physics-based way such that it represents the detailed geometry of the bond-zone, including ribs on the deformed reinforcement, and force transfer mechanisms at the concrete-reinforcement interface. The explicit representation of the bond-zone enables simulation of the local concrete compression due to bearing of ribs against concrete and subsequent hoop tension in the concrete. This causes bond failure either due to local concrete crushing (leading to reinforcement pullout) or global concrete splitting. Accordingly, special attention is given to the selection and calibration of a concrete model to reproduce robust nonlinear response. The power of the proposed modeling approach is its ability to predict bond failure and damage patterns, based only on the physical and material properties of the bond area. Thus, the successful implementation and application of this approach enables the use of FEA simulation to support the development of new design specifications for bond zones that include new and improved materials.

Advanced composites have become one of the most popular methods of repairing and/or strengthening civil infrastructure in the past couple of decades. While the use of Fiber Reinforced Polymer laminates and sheets for the repair and strengthening of reinforced concrete structures is well established, research on the application of FRP composites to steel structures has been limited. The use of FRP material for the repair and rehabilitation of steel members has numerous benefits over the traditional methods of bolting or welding of steel plates. Carbon FRPs (CFRPs) have been preferred over other FRP material for strengthening of steel structures since CFRPs tend to posses higher stiffness. The emergence of high modulus CFRP plates, with an elastic modulus higher than that of steel, enables researchers to achieve substantial load transfer in steel beams before the steel yields. This research investigates both analytically and experimentally, the bond characteristics between ultra high modulus CFRP strengthened steel members and the flexural behavior of these members. A series of double strap joint tests with two different CFRP strip widths are carried out to evaluate the development length of the bond. Both ultra high modulus and normal modulus CFRP laminates are used to compare strengthened member performance. Steel plates reinforced with CFRP laminates on both sides are loaded in tension to evaluate the load transfer characteristics. Debonding under flexural loads is also studied for ultra high modulus CFRP strengthened steel girders. Flexural tests are carried out under 4-point bending on several small scale wide flange beams. This study also introduces the novel ultra high modulus CFRP plate strip panels for strengthening of steel bridge girders. The first field application of ultra high modulus CFRP laminates in strengthening steel bridge girders in the United States is also carried out as part of the research. Full scale load tests carried out before and after the strengthening are utilized to measure the degree of strengthening achieved and checked against the expected results. A finite element model is developed and calibrated using data obtained from the field testing of the bridge. The model is then used to evaluate the behavior of the bridge under different conditions before and after the strengthening process.

L’objectif de cette thèse est la prise en compte du comportement raidissant en traction sur des poutres en béton armé du à l’adhérence entre les armatures tendues et le béton. Un vaste programme expérimental sur des poutres minces et des poutres épaisses permet de quantifier expérimental le profil de contraintes dans le béton tendu entre deux fissures de flexion. La création d’un nouvel élément fini est ensuite mise en œuvre à partir des observations expérimentales. Les tests conduits sur des tirants ont permis de mettre en évidence à la fois l’existence d’une longueur de transfert et une longueur de totale décohésion qui caractérisent le phénomène d’adhérence entre l’acier le béton entre deux fissures consécutives de flexion. La longueur de transfert correspond à la mise en tension du béton et donc l’établissement de la contribution du béton tendu à la rigidité flexionnelle, ce qui limite la diminution de rigidité de la poutre après fissuration. Les mesures de la flèche en flexion des différentes poutres testées, minces ou épaisses, permettent de caractériser la longueur de transfert et de réaliser l’objectif de la thèse qui est de prendre en compte le béton tendu dans le calcul de la rigidité flexionnelle des poutres en béton armé / The aim of this thesis is to study the stiffening effect of tensile concrete in flexural reinforced concrete beams by controlling the bond between steel and concrete. The process consists of experimentally determining the strain profile in both deep and thin flexural beams. We created a new finite element model for both deep and thin beams in accordance with experimental observations. The experimental tests we conducted on tension members highlight the existence of both transfer length and length with total bond loss characterizing the bond between tensile steel and concrete. The transfer length contributes to the production of a tension stiffening effect, thus limiting the stiffness decrease of the flexural beam. Measuring the beam deflection makes it possible to determine the transfer length, and consequently to achieve the main objective, namely the contribution of tensile concrete to beam stiffness

Le comportement de l’interface acier-béton a une grande importance lorsque la fissuration des structures en béton armé est étudiée. Une approche par éléments finis a été proposée par (Torre-Casanova, 2013) et (Mang, 2016) pour représenter l'interface acier-béton dans les simulations de structures à grandes dimensions Le modèle proposé permet de calculer le glissement tangentiel entre l'acier et le béton. L’objectif de cette étude est d’améliorer ce modèle initial pour le rendre plus efficace et plus représentatif. Le document est découpé en trois parties : 1) Le modèle initial de liaison est évalué. Puis amélioré tant en chargement monotone qu’alterné. Le nouveau modèle est validé par plusieurs applications numériques. 2) L'effet de confinement est implémenté dans le modèle de liaison acier-béton. L'effet sur le comportement structural du confinement actif est étudié en utilisant le nouveau modèle. A partir des simulations proposées, il est montré, par l’utilisation du nouveau modèle, que l’effet de confinement actif peut jouer un rôle sur les comportements monotone que cyclique. 3) L'effet goujon est étudié avec le nouveau modèle liaison acier-béton. Deux campagnes expérimentales différentes sont simulées avec différents modelés de renforts (1D barre et poutre) et d’interface (liaison acier-béton et liaison parfaite). Les résultats montrent que le nouveau modèle de liaison acier-béton permet de mieux reproduire les résultats expérimentaux par rapport au modèle de liaison parfaite aux échelles globale et locale. / In numerical applications of reinforced concrete structures, the steel-concrete interface behavior has a vital importance when the cracking properties are investigated. A finite element approach for the steel-concrete interface to be used in large-scale simulations was proposed by (Torre-Casanova, 2013) and (Mang, 2016). It enables to calculate the slip between the steel and concrete in the tangential direction of the interface element representation. The aim is here to improve the initial bond-slip model to be more efficient and more representative. The document is divided into three parts: 1) The existing bond-slip model is evaluated. The bond-slip model is then improved by considering transversal and irreversible bond behaviors under alternative loads. The new bond-slip model is validated with several numerical applications. 2) Confinement effect is implemented in the bond-slip model to capture the effect of external lateral pressure. According to the performed numerical applications, it is demonstrated how the active confinement can play a role, through the steel-concrete bond, during monotonic and cyclic loading cases. 3) Dowel action is finally investigated with the new bond-slip model. Two different experimental campaigns (Push-off tests and four-point bending tests) are reproduced with different reinforcement (1D truss and beam) and interface (new bonds-slip and perfect bond) models. The results show that the proposed simulation strategy including the bond slip model enables to reproduce experimental results by predicting global (force-displacement relation) and local behaviors (crack properties) of the reinforced concrete structures under shear loading better than the perfect bond assumption which is commonly used in the industrial applications.

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.

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.

The article describes measurements of strains of concrete, steel and textile reinforcement with distributed fiber optic sensors (DFOS). The technology of distributed strain measurements gains currently increasing attention within the civil engineering field and indeed the DFOS can be applied in various measurement scenarios providing results and insights which were not possible before. Within this article, the fibers and adhesives that are most commonly used are compared and several measurement scenarios and their results are described, including precise strain measurements with high resolution as well as measurements on large-scale specimens. Concrete strains were measured in a multiaxial compression stress state and also during setting and hardening and in flexural tests. Strains of the steel and textile reinforcement were monitored along the bond zone and also in flexural tests. Finally, cracking patterns were observed and compared with digital image correlation methods. Validated examples of applications of DFOS in laboratory work are described.