Evaluation of the performance of steel fibre reinforced self-compacting concrete in elevated slab systems; from the material to the structure

Degree of Doctor of Philosophy of Structural/Civil Engineering

The advent of steel fibre reinforced self-compacting concrete (SFRSCC) complemented the continuous advances in concrete technology to respond the growing need for a new generation of cement-based materials with advanced mechanical properties in civil engineering applications. The additional resistance to the crack opening governed by the bridging mechanism of fibres leads to a significant improvement in the fracture toughness and ductility of the SFRSCC. The present work aims to explore the potentialities of the post-cracking response of SFRSCC in elevated (E-SFRSCC) slab system where due to the support redundancy character of the structure, the benefits of SFRSCC are more efficiently mobilised and the stress redistribution capacity provides an ultimate load that is much greater than the load at crack initiation. Therefore, in this structural system, the conventional reinforcement of slab can be substituted by the reinforcing mechanism of discrete fibres. In an extensive experimental programme, the post-cracking response of different series of SFRSCCs was characterised, at the material levels, through various approaches conventionally used in the literature. In this experimental programme, the influence of the test methodology was evaluated on the derived constitutive laws of SFRSCC. At the structural level, a quarter-scale prototype of E-SFRSCC was built and tested for assessing the performance of this structural system under serviceability and ultimate limit state conditions. These two experimental levels are correlated with each other by performing advanced FEMbased numerical simulations. Furthermore, a novel methodology is presented based on the yield line theory which is capable of taking into consideration the volume fraction of fibres and the fibre segregation on the height of slab’s cross section to predict the load carrying capacity of ESFRSCC slab panels under the uniformly distributed and concentric load.

O betão auto-compactável reforçado com fibras de aço (SFRSCC) tem sido desenvolvido para contribuir para o avanço da tecnologia do betão, de forma a alargar o campo de aplicações dos materiais de matriz cimentícia a aplicações de engenharia civil cada vez mais exigentes do ponto de vista do seu comportamento material e estrutural, com competitividade e sustentabilidade. Os mecanismos de reforço das fibras oferecem resistência à propagação de fissuras, permitindo que o SFRSCC apresente elevada capacidade de absorção de energia durante o processo de fendilhação da matriz, com notáveis benefícios em termos de ductilidade e durabilidade destes materiais. O presente trabalho pretende explorar as potencialidades da resistência pós fendilhação em tração do SFRSCC, utilizando-o como material base de lajes maciças apoiadas em pilares, aqui designadas por lajes elevadas (E-SFRSCC). Tratando-se de uma estrutura com apoios redundantes (hiperestática), as fibras asseguram uma carga máxima que pode ser muito superior à carga de início da fendilhação, dependendo do grau de redundância e do nível de resistência e capacidade de deformaçãopós fissuração do SFRSCC. Assim, nesta aplicação a armadura convencional pode ser praticamente toda substituída por fibras, sendo apenas utilizada uma armadura de anti-colapso progressivo disposta no alinhamento dos pilares. Um extenso programa experimental foi executado para caracterizar o comportamento pósfissuração do SFRSCC usando diversas configurações de ensaio. As leis que governam este comportamento foram obtidas quer por intermédio dos resultados obtidos neste programa experimental, bem como da aplicação de análise inversa recorrendo a ferramentas numéricas e analíticas. Para avaliar o potencial do SFRSCC desenvolvido para E-SFRSCC, um protótipo à escala ¼ foi concebido, construído e ensaiado quer para carregamentos correspondentes a estados limites de utilização como últimos, o que permitiu demonstrar o excelente comportamento deste sistema construtivo. As leis constitutivas do SFRSCC obtidas dos programas experimentais e derivadas de análise inversa foram empregues na simulação do comportamento do protótipo, e a sua aplicabilidade é comentada. Para o dimensionamento deste tipo de estruturas foi desenvolvida uma formulação baseada na teoria das linhas de rotura, a qual considera de forma explícita a percentagem volumétrica de fibras e sua dispersão ao longo da espessura da laje. A excelente capacidade preditiva desta formulação foi demonstrada simulando os ensaios de rotura realizados com o protótipo de E-SFRSCC.