An analytical method for determining the crack spacing and crack width in reinforced concrete beams and one-way slabs is presented in this thesis. The locations and the distribution of cracks developed in a loaded member are predicted using the calculated concrete stress distributions near flexural cracks. To determine the stresses, a concrete block bounded by top and bottom faces and two transverse sections of the beam is isolated and analysed by the finite element method. Two types of blocks are analysed. They are: (i) block adjacent to the first flexural crack, and (ii) block in between successive cracks. The calculated concrete stress distribution adjacent to the first flexural crack is used to predict the locations of primary cracks (cracks formed at sections where the stresses have not been influenced by nearby cracks). The concrete stress distributions in between successive cracks, calculated for various crack spacings and load levels, are used to predict the formation of secondary cracks in between existing cracks. The maximum, minimum and the average crack spacing at a given load level are determined using the particular crack spacing that would produce a concrete tensile stress equal to the flexural strength of concrete. The resulting crack width at reinforcement level is determined as the relative difference in elastic extensions of steel and surrounding concrete. The accuracy of the present method is verified by comparing the predicted spacing and width of cracks with those measured by others. The analytical method presented in this thesis is subsequently used to investigate the effects of various variables on the spacing and width of cracks, and the results are presented. These results are used to select the set of parameters that has the most significant effect. A parametric study is then carried out by re-calculating the spacing and width of cracks for the selected parameters. Based on the results of this parametric study, new formulas are developed for the prediction of spacing and width of cracks. The accuracy of these formulas is ascertained by comparing the predicted values and those measured by other investigators on various types of beams under different load levels. The calculated stress distributions between successive cracks are also used to develop a new method of incorporating the tension stiffening effect in deflection calculation. First, curvature values at sections between adjacent cracks are determined under different load levels, using the concrete and steel stresses. These results are used to develop an empirical formula to determine the curvature at any section between adjacent cracks. To verify the accuracy of the new method, short-term deflections are calculated using the curvature values evaluated by the proposed formula for a number of beams, and the results are compared with those measured by others.

A series of research studies have recently identified an issue called strain localization in welded wire reinforced (WWR) members. This phenomenon reportedly concentrates strains at welded cross wire locations and severely limit ductility. Those that identified the phenomenon used it to imply that WWR is unsafe because it does not warn of failure. This dissertation is investigating details to mitigate the strain localization effect and demonstrate the WWR can be used safely. A moment curvature analysis is developed using Response2000 program and calibrated using experimental data. Parametric study was developed to present a recommendation of details and minimum reinforcement required for WWR slabs. The effect of different types of WWR coating on mechanical properties were investigated. The dissertation next examined the effects of strain rate on the mechanical properties of WWR and traditional rebar. In total, fifty four slabs have been constructed using WWR and rebar with various cross wire spacing, using a realistic design. The strain localization phenomenon was not demonstrated, but WWR slabs are somewhat less ductile than traditionally reinforced members. The WWR members were shown to provide adequate ductility for warning of impending failure visually and with a well-accepted ductility measure. The WWR members were also shown the ability of load redistribution. The effect of coating demonstrates that both galvanizing WWR and coating WWR with epoxy has a positive effect on mechanical properties, along with adding corrosion resistance. The effect of strain rate shows that increase in loading rate tend to increase the yield and ultimate stresses and percent area reduction, however the loading rate increase does not have a significant effect on elastic modulus, elongation and uniform elongation.

Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση της αποτελεσματικότητας της ενίσχυσης στοιχείων τύπου πλάκας μέσω ενός νέου σύνθετου υλικού. Το νέο αυτό σύνθετο υλικό συντίθενται από ινοπλέγματα δύο διευθύνσεων σε ανόργανη μήτρα. Τα ινοπλέγματα αποτελούνται από ίνες άνθρακα ή ίνες υάλου, ενώ η ανόργανη μήτρα αποτελείται από κονίαμα. Ο όρος που έχει προταθεί από συγγραφείς για το νέο αυτό υλικό είναι Textile Reinforced Concrete, που στην Ελληνική γλώσσα θα μπορούσε να αποδοθεί ως Ινοπλέγματα Ανόργανης Μήτρας (ΙΑΜ). Για τον λόγο αυτό, παρασκευάσθηκαν δοκίμια τύπου πλάκας επί τεσσάρων περιμετρικών δοκών. Συνολικά κατασκευάσθηκαν τέσσερα δοκίμια τύπου πλάκας, εκ των οποίων τρία ενισχύθηκαν μέσω ΙΑΜ και ένα ήταν το δοκίμιο αναφοράς. Τα δύο δοκίμια ενισχύθηκαν με μία και δύο στρώσεις πλεγμάτων συνεχών ινών από άνθρακα, ενώ το τρίτο ενισχύθηκε μέσω εφαρμογής τριών στρώσεων πλεγμάτων συνεχών ινών υάλου. Τονίζεται πως τρεις στρώσεις πλέγματος συνεχών ινών υάλου έχουν ισοδύναμη δυστένεια με μία στρώση πλέγματος συνεχών ινών από άνθρακα. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι ιδιότητες των ινών και της ανόργανης μήτρας, καθώς επίσης και η μηχανική συμπεριφορά του σύνθετου υλικού. Τέλος, γίνεται μια ανασκόπηση της έρευνας που έχει διεξαχθεί στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας των Υλικών, γύρω από το πεδίο των ενισχύσεων μέσω ΙΑΜ στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα. Στο δεύτερο κεφάλαιο συνοψίζονται οι ήδη υπάρχουσες τεχνικές επισκευής και ενίσχυσης πλακών. Επίσης, αναφέρονται παραδείγματα ενισχύσεων στοιχείων τύπου πλάκας από την διεθνή βιβλιογραφία. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται οι εργασίες που πραγματοποιηθήκαν προκειμένου να κατασκευασθούν τα δοκίμια. Το κεφάλαιο αυτό χωρίζεται σε τέσσερις βασικές ενότητες. Στην πρώτη ενότητα παρουσιάζονται οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν για την παρασκευή και ενίσχυση των δοκιμίων, καθώς και οι διαδικασίες μέσω των οποίων αυτές διακριβώθηκαν. Στην δεύτερη και τρίτη ενότητα, αναφέρονται οι εργασίες που διενεργήθηκαν κατά την φάση της σκυροδέτησης και της ενίσχυσης αντίστοιχα των δοκιμίων, ενώ στην τέταρτη ενότητα αναλύεται η πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την διεξαγωγή των πειραμάτων. Το κεφάλαιο αυτό χωρίζεται σε τρεις ενότητες. Στην πρώτη ενότητα περιγράφεται η συμπεριφορά κάθε δοκιμίου ξεχωριστά. Στην δεύτερη ενότητα γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων που εξήχθησαν για όλα τα δοκίμια, ενώ στην τρίτη και τελευταία ενότητα παρουσιάζονται εν συντομία τα βασικότερα συμπεράσματα, που προέκυψαν από την πειραματική διαδικασία. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται οι βασικές σχέσεις μέσω των οποίων μπορεί να εκτιμηθεί το φορτίο αστοχίας πλακών δύο διευθύνσεων ενισχυμένων μέσω ΙΑΜ. Για τον λόγο αυτό δίνονται προσομοιώματα και σχέσεις, ενώ στην συνέχεια συγκρίνεται το φορτίο αστοχίας εκ των προτεινόμενων σχέσεων με το καταγραφόμενο φορτίο αστοχίας. Το έκτο και τελευταίο κεφάλαιο, παραθέτει συνοπτικά τα βασικότερα αποτελέσματα της παρούσας Διατριβής Διπλώματος Ειδίκευσης. Γενικά η νέα τεχνική ενίσχυσης, είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική, αφού αυξάνεται σημαντικά το φορτίο αστοχίας των ενισχυμένων δοκιμίων συγκριτικά με το δοκίμιο αναφοράς. Παράλληλα η συμπεριφορά του πλέγματος είναι άριστη, αφού μέχρι και την στιγμή της αστοχίας δεν παρατηρείται αποκόλλησή του από την επιφάνεια του σκυροδέματος. Αξίζει να σημειωθεί πως η αστοχία των δοκιμίων συνέβη λόγω διάτρησης. Στο τέλος του κεφαλαίου αναφέρονται προτάσεις για μελλοντική έρευνα. / The aim of the present thesis is to investigate the efficiency of a new composite material for the strengthening of two way slabs. This new material is called “Textile Reinforced Concrete - (TRC)”. It comprises textiles, that is fabric meshes made of long woven, knitted or even unwoven fiber rovings in at least two orthogonal directions, impregnated with inorganic binders such as cement based mortars. For the purposes of this study, four specimens of two way slabs were produced. Three of them were strengthened with TRC, and the remaining specimen was kept as control. Two specimens were strengthened with one and two layers of textile respectively, whose yarns consisted of carbon fibers. The third one was strengthened with three layers of textile whose yarns consisted of glass fibers. It is worth mentioning that three layers of textiles with glass fibers, are equivalent in terms of stiffness and strength with one layer of textile with carbon fiber. The first chapter analyses the properties of fibers, yarns, textiles, and those of the inorganic matrix. The principles of the bond behavior are also presented. Moreover, the work done in the area of strengthening of concrete members at the faculty of Civil Engineering of the University of Patras is discussed. The second chapter summarizes the existing techniques of enhancement in strength of two way slabs. The purpose of the third chapter is to describe the course of action towards the construction of the specimens. The test procedure and measurements are also included in this chapter. The results as derived from the testing procedure are discussed in the fourth chapter of this dissertation. Comparisons of the results for each specimen are also drawn. In the fifth chapter, several experimentally and analytically based expressions have been used to evaluate the two-way capacity of slabs. The sixth chapter recapitulates the findings of the present research. It has been generally shown that the suggested technique appears to be effective. Noteworthy is the fact that all specimens experienced punching shear failure.