The influence of fibre orientation on the post-cracking tensile behaviour of steel fibre reinforced self-compacting concrete

Adding fibres to concrete provides several advantages, especially in terms of controlling the crack opening width and propagation after the cracking onset. However, distribution and orientation of the fibres toward the active crack plane are significantly important in order to maximize its benefits. Therefore, in this study, the effect of the fibre distribution and orientation on the post-cracking tensile behaviour of the steel fibre reinforced self-compacting concrete (SFRSCC) specimens is investigated. For this purpose, several cores were extracted from distinct locations of a panel and were subjected to indirect (splitting) and direct tensile tests. The local stress-crack opening relationship (σ-w) was obtained by modelling the splitting tensile test under the finite element framework and by performing an Inverse Analysis (IA) procedure. Afterwards the σ-w law obtained from IA is then compared with the one ascertained directly from the uniaxial tensile tests. Finally, the fibre distribution/orientation parameters were determined adopting an image analysis technique.

Post-failure behaviour of impulsively loaded circular plates

The dynamic plastic response of a simply supported circular plate is analysed. Emphasis is given to the plate behaviour after it has broken free from the supports due to a local material failure. The theoretical rigid plastic analysis predicts various features of the response such as the time to failure, residual kinetic energy and the critical velocity at failure. The residual kinetic energy of the plate could be significant enough to cause secondary impact damage. It is shown that the shape of the plate changes after breaking free from the supports, which is important for forensic investigations. The solution for various cases were proven to be exact in the context of the upper and lower bounds theorems of the theory of plasticity. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Modelo para calcular a resistência à punção de lajes lisas simétricas reforçadas com fibras de aço

O presente artigo discute a metodologia de um novo modelo para calcular a resistência à punção simétrica de lajes de concreto reforçado com fibras de aço (CRFA). O modelo é fundamentado na teoria da fissura crítica de cisalhamento de Muttoni e seus coautores e na proposta do ModelCode10 para simular o comportamento pós-fissuração do CRFA. O desempenho do modelo é avaliado a partir de um banco de dados (BD), coletado da literatura técnica, que totaliza 154 lajes. Os resultados são avaliados em função da precisão, da dispersão e do nível de conservadorismo, a partir do parâmetro λ=Vexp/Vteo, sendo Vexp e Vteo, respectivamente, os resultados obtidos do BD e do modelo. Finalmente, para confirmar o desempenho do modelo, os seus resultados são comparados a outros 7 modelos da literatura técnica e ambos são classificados segundo o critério modificado de Collins, o Demerit Points Classifications – DPC.

Influence of casting condition on the anisotropy of the fracture properties of Steel Fibre Reinforced Self-Compacting Concrete (SFRSCC)

Identification of the tensile constitutive behaviour of Fibre Reinforced Concrete (FRC) represents an important aspect of the design of structural elements using this material. Although an important step has been made with the introduction of guidance for the design with regular FRC in the recently published fib Model Code 2010, a better understanding of the behaviour of this material is still necessary, mainly for that with self-compacting properties. This work presents an experimental investigation employing Steel Fibre Self-Compacting Concrete (SFRSCC) to cast thin structural elements. A new test method is proposed for assessing the post-cracking behaviour and the results obtained with the proposed test method are compared with the ones resulted from the standard three-point bending tests (3PBT). Specimens extracted from a sandwich panel consisting of SFRSCC layers are also tested. The mechanical properties of SFRSCC are correlated to the fibre distribution by analysing the results obtained with the different tests. Finally, the stress-crack width constitutive law proposed by the fib Model Code 2010 is analysed in light of the experimental results.

Caratterizzazione meccanica di calcestruzzi fibrorinforzati con fibre d'acciaio

L’utilizzo di materiali compositi come i calcestruzzi fibrorinforzati sta diventando sempre più frequente e diffuso. Tuttavia la scelta di nuovi materiali richiede una approfondita analisi delle loro caratteristiche e dei loro comportamenti. I vantaggi forniti dall’aggiunta di fibre d’acciaio ad un materiale fragile, quale il calcestruzzo, sono legati al miglioramento della duttilità e all'aumento di assorbimento di energia. L’aggiunta di fibre permette quindi di migliorare il comportamento strutturale del composito, dando vita ad un nuovo materiale capace di lavorare non solo a compressione ma anche in piccola parte a trazione, ma soprattutto caratterizzato da una discreta duttilità ed una buona capacità plastica. Questa tesi ha avuto come fine l’analisi delle caratteristiche di questi compositi cementizi fibrorinforzati. Partendo da prove sperimentali classiche quali prove di trazione e compressione, si è arrivati alla caratterizzazione di questi materiali avvalendosi di una campagna sperimentale basata sull’applicazione della norma UNI 11039/2003. L’obiettivo principale di questo lavoro consiste nell’analizzare e nel confrontare calcestruzzi rinforzati con fibre di due diverse lunghezze e in diversi dosaggi. Studiando questi calcestruzzi si è cercato di comprendere meglio questi materiali e trovare un riscontro pratico ai comportamenti descritti in teorie ormai diffuse e consolidate. La comparazione dei risultati dei test condotti ha permesso di mettere in luce differenze tra i materiali rinforzati con l’aggiunta di fibre corte rispetto a quelli con fibre lunghe, ma ha anche permesso di mostrare e sottolineare le analogie che caratterizzano questi materiali fibrorinforzati. Sono stati affrontati inoltre gli aspetti legati alle fasi della costituzione di questi materiali sia da un punto di vista teorico sia da un punto di vista pratico. Infine è stato sviluppato un modello analitico basato sulla definizione di specifici diagrammi tensione-deformazione; i risultati di questo modello sono quindi stati confrontati con i dati sperimentali ottenuti in laboratorio.

A simplified finite element model for assessing steel fibre reinforced concrete structural performance

The present numerical investigation offers evidence concerning the validity and objectivity of the predictions of a simple, yet practical, finite element model concerning the responses of steel fibre reinforced concrete structural elements under static monotonic and cyclic loading. Emphasis is focused on realistically describing the fully brittle tensile behaviour of plain concrete and the contribution of steel fibres on the post-cracking behaviour it exhibits. The good correlation exhibited between the numerical predictions and their experimental counterparts reveals that, despite its simplicity, the subject model is capable of providing realistic predictions concerning the response of steel fibre reinforced concrete structural configurations exhibiting both ductile and brittle modes of failure without requiring recalibration.

A numerical model for the description of the nonlinear behaviour of multi-leaf masonry walls

A nonlinear finite element model was developed to simulate the nonlinear response of three-leaf masonry specimens, which were subjected to laboratory tests with the aim of investigating the mechanical behaviour of multiple-leaf stone masonry walls up to failure. The specimens consisted of two external leaves made of stone bricks and mortar joints, and an internal leaf in mortar and stone aggregate. Different loading conditions, typologies of the collar joints, and stone types were taken into account. The constitutive law implemented in the model is characterized by a damage tensor, which allows the damage-induced anisotropy accompanying the cracking process to be described. To follow the post-peak behaviour of the specimens with sufficient accuracy it was necessary to make the damage model non-local, to avoid mesh-dependency effects related to the strain-softening behaviour of the material. Comparisons between the predicted and measured failure loads are quite satisfactory in most of the studied cases. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Numerical simulation of the punching shear behaviour of self-compacting fibre reinforced flat slabs

This paper presents the numerical simulations of the punching behaviour of centrally loaded steel fibre reinforced self-compacting concrete (SFRSCC) flat slabs. Eight half scaled slabs reinforced with different content of hooked-end steel fibres (0, 60, 75 and 90 kg/m3) and concrete strengths of 50 and 70 MPa were tested and numerically modelled. Moreover, a total of 54 three-point bending tests were carried out to assess the post-cracking flexural tensile strength. All the slabs had a relatively high conventional flexural reinforcement in order to promote the occurrence of punching failure mode. Neither of the slabs had any type of specific shear reinforcement rather than the contribution of the steel fibres. The numerical simulations were performed according to the Reissner-Mindlin theory under the finite element method framework. Regarding the classic formulation of the Reissner-Mindlin theory, in order to simulate the progressive damage induced by cracking, the shell element is discretized into layers, being assumed a plane stress state in each layer. The numerical results are, then, compared with the experimental ones and it is possible to notice that they accurately predict the experimental force-deflection relationship. The type of failure observed experimentally was also predicted in the numerical simulations.

Creep behaviour of cracked steel fibre reinforced self-compacting concrete laminar structures

Tese de Doutoramento - Civil Engineering

Polyolefin fibre-reinforced concrete : from material behaviour to numerical and design considerations

La presente Tesis proporciona una gran cantidad de información con respecto al uso de un nuevo y avanzado material polimérico (con base de poliolefina) especialmente adecuada para ser usada en forma de fibras como adición en el hormigón. Se han empleado fibras de aproximadamente 1 mm de diámetro, longitudes entre 48 y 60 mm y una superficie corrugada. Las prometedoras propiedades de este material (baja densidad, bajo coste, buen comportamiento resistente y gran estabilidad química) justifican el interés en desarrollar el esfuerzo de investigación requerido para demostrar las ventajas de su uso en aplicaciones prácticas. La mayor parte de la investigación se ha realizado usando hormigón autocompactante como matriz, ya que este material es óptimo para el relleno de los encofrados del hormigón, aunque también se ha empleado hormigón normal vibrado con el fin de comparar algunas propiedades. Además, el importante desarrollo del hormigón reforzado con fibras en los últimos años, tanto en investigación como en aplicaciones prácticas, también es muestra del gran interés que los resultados y consideraciones de diseño que esta Tesis pueden tener. El material compuesto resultante, Hormigón Reforzado con Fibras de Poliolefina (HRFP o PFRC por sus siglas inglesas) ha sido exhaustivamente ensayado y estudiado en muchos aspectos. Los resultados permiten establecer cómo conseguidos los objetivos buscados: -Se han cuantificado las propiedades mecánicas del PFRC con el fin de demostrar su buen comportamiento en la fase fisurada de elementos estructurales sometidos a tensiones de tracción. -Contrastar los resultados obtenidos con las bases propuestas en la normativa existente y evaluar las posibilidades para el uso del PFRC con fin estructural para sustituir el armado tradicional con barras de acero corrugado para determinadas aplicaciones. -Se han desarrollado herramientas de cálculo con el fin de evaluar la capacidad del PFRC para sustituir al hormigón armado con las barras habituales de acero. -En base a la gran cantidad de ensayos experimentales y a alguna aplicación real en la construcción, se han podido establecer recomendaciones y consejos de diseño para que elementos de este material puedan ser proyectados y construidos con total fiabilidad. Se presentan, además, resultados prometedores en una nueva línea de trabajo en el campo del hormigón reforzado con fibras combinando dos tipologías de fibras. Se combinaron fibras de poliolefina con fibras de acero como refuerzo del mismo hormigón autocompactante detectándose sinergias que podrían ser la base del uso futuro de esta tecnología de hormigón. This thesis provides a significant amount of information on the use of a new advanced polymer (polyolefin-based) especially suitable in the form of fibres to be added to concrete. At the time of writing, there is a noteworthy lack of research and knowledge about use as a randomly distributed element to reinforce concrete. Fibres with an approximate 1 mm diameter, length of 48-60 mm, an embossed surface and improved mechanical properties are employed. The promising properties of the polyolefin material (low density, inexpensive, and with good strength behaviour and high chemical stability) justify the research effort involved and demonstrate the advantages for practical purposes. While most of the research has used self-compacting concrete, given that this type of matrix material is optimum in filling the concrete formwork, for comparison purposes standard vibration compacted mixes have also been used. In addition, the interest in fibre-reinforced concrete technology, in both research and application, support the significant interest in the results and considerations provided by the thesis. The resulting composite material, polyolefin fibre reinforced concrete (PFRC) has been extensively tested and studied. The results have allowed the following objectives to be met: -Assessment of the mechanical properties of PFRC in order to demonstrate the good performance in the post-cracking strength for structural elements subjected to tensile stresses. -- Assessment of the results in contrast with the existing structural codes, regulations and test methods. The evaluation of the potential of PFRC to meet the requirements and replace traditional steel-bar reinforcement applications. -Development of numerical tools designed to evaluate the capability of PFRC to substitute, either partially or totally, standard steel reinforcing bars either alone or in conjunction with steel fibres. -Provision, based on the large amount of experimental work and real applications, of a series of guidelines and recommendations for the practical and reliable design and use of PFRC. Furthermore, the thesis also reports promising results about an innovative line in the field of fibre-reinforced concrete: the design of a fibre cocktail to reinforce the concrete by using two types of fibres simultaneously. Polyolefin fibres were combined with steel fibres in self-compacting concrete, identifying synergies that could serve as the base in the future use of fibre-reinforced concrete technology.

Recycled steel fibre reinforced concrete failing in bending and in shear

Recent research is showing that the addition of Recycled Steel Fibres (RSF) from wasted tyres can decrease significantly the brittle behaviour of cement based materials, by improving its toughness and post-cracking resistance. In this sense, Recycled Steel Fibre Reinforced Concrete (RSFRC) seems to have the potential to constitute a sustainable material for structural and non-structural applications. To assess this potential, experimental and numerical research was performed on the use of RSFRC in elements failing in bending and in beams failing in shear. The values of the fracture mode I parameters of the developed RSFRC were determined by performing inverse analysis with test results obtained in three point notched beam bending tests. To assess the possibility of using RSF as shear reinforcement in Reinforced Concrete (RC) beams, three point bending tests were executed with three series of RSFRC beams flexurally reinforced with a relatively high reinforcement ratio of longitudinal steel bars in order to assure shear failure for all the tested beams. By performing material nonlinear simulations with a computer program based on the finite element method (FEM), the applicability of the fracture mode I crack constitutive law derived from the inverse analysis is assessed for the prediction of the behaviour of these beams. The performance of the formulation proposed by RILEM TC 162 TDF and CEB-FIP 2010 for the prediction of the shear resistance of fibre reinforced concrete elements was also evaluated.

Pre-Election Positions and Voting Behaviour in Parliament: Consistency among Swiss MPs

This article examines the determinants of positional incongruence between pre-election statements and post-election behaviour in the Swiss parliament between 2003 and 2009. The question is examined at the individual MP level, which is appropriate for dispersion-of-powers systems like Switzerland. While the overall rate of political congruence reaches about 85%, a multilevel logit analysis detects the underlying factors which push or curb a candidate's propensity to change his or her mind once elected. The results show that positional changes are more likely when (1) MPs are freshmen, (2) individual voting behaviour is invisible to the public, (3) the electoral district magnitude is not small, (4) the vote is not about a party's core issue, (5) the MP belongs to a party which is located in the political centre, and (6) if the pre-election statement dissents from the majority position of the legislative party group. Of these factors, the last one is paramount.

Rissbildung und Zugtragverhalten von mit Stabstahl und Fasern bewehrtem Ultrahochfesten Beton (UHPC)

Ultrahochfester Beton (UHPC) ist ein sehr gefügedichter zementgebundener Werkstoff, der sich nicht nur durch eine hohe Druckfestigkeit, sondern auch durch einen hohen Widerstand gegen jede Form physikalischen oder chemischen Angriffs auszeichnet. Duktiles Nachbruchverhalten bei Druckversagen wird meist durch die Zugabe dünner kurzer Fasern erreicht. In Kombination mit konventioneller Betonstahl- oder Spannbewehrung ermöglicht UHPC die Ausführung sehr schlanker, weitgespannter Konstruktionen und eröffnet zugleich neue Anwendungsgebiete, wie zum Beispiel die flächenhafte Beschichtung von Brückendecks. Durch das Zusammenwirken kontinuierlicher Bewehrungselemente und diskontinuierlich verteilter kurzer Fasern ergeben sich unter Zugbeanspruchung Unterschiede gegenüber dem bekannten Stahl- und Spannbeton. In der vorliegenden Arbeit wird hierzu ein Modell entwickelt und durch eine umfangreiche Versuchsreihe abgesichert. Ausgangspunkt sind experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Verbundverhalten von Stabstählen in einer UHPC-Matrix und zum Einfluss einer Faserzugabe auf das Reiß- und Zugtragverhalten von UHPC. Die Modellbildung für UHPC-Zugelemente mit gemischter Bewehrung aus Stabstahl und Fasern erfolgt auf der Grundlage der Vorgänge am diskreten Riss, die daher sehr ausführlich behandelt werden. Für den elastischen Verformungsbereich der Stabbewehrung (Gebrauchslastbereich) kann damit das Last-Verformungs-Verhalten für kombiniert bewehrte Bauteile mechanisch konsistent unter Berücksichtigung des bei UHPC bedeutsamen hohen Schwindmaßes abgebildet werden. Für die praktische Anwendung wird durch Vereinfachungen ein Näherungsverfahren abgeleitet. Sowohl die theoretischen als auch die experimentellen Untersuchungen bestätigen, dass der faserbewehrte UHPC bei Kombination mit kontinuierlichen Bewehrungselementen selbst kein verfestigendes Verhalten aufweisen muss, um insgesamt verfestigendes Verhalten und damit eine verteilte Rissbildung mit sehr keinen Rissbreiten und Rissabständen zu erzielen. Diese Beobachtungen können mit Hilfe der bisher zur Verfügung stehenden Modelle, die im Wesentlichen eine Superposition isoliert ermittelter Spannungs-Dehnungs-Beziehungen des Faserbetons und des reinen Stahls vorsehen, nicht nachvollzogen werden. Wie die eigenen Untersuchungen zeigen, kann durch ausreichend dimensionierte Stabstahlbewehrung zielgerichtet und ohne unwirtschaftlich hohe Fasergehalte ein gutmütiges Verhalten von UHPC auf Zug erreicht werden. Die sichere Begrenzung der Rissbreiten auf deutlich unter 0,1 mm gewährleistet zugleich die Dauerhaftigkeit auch bei ungünstigen Umgebungsbedingungen. Durch die Minimierung des Material- und Energieeinsatzes und die zu erwartende lange Nutzungsdauer lassen sich so im Sinne der Nachhaltigkeit optimierte Bauteile realisieren.

Zum Querkrafttragverhalten von UHPC-Balken mit kombinierter Bewehrung aus Stahlfasern und Stabstahl

Ultrahochfester Beton besitzt aufgrund seiner Zusammensetzung eine sehr hohe Druckfestigkeit von 150 bis über 200 N/mm² und eine außergewöhnlich hohe Dichtigkeit. Damit werden Anwendungen in stark belasteten Bereichen und mit hohen Anforderungen an die Dauerhaftigkeit des Materials ermöglicht. Gleichzeitig zeigt ultrahochfester Beton bei Erreichen seiner Festigkeit ein sehr sprödes Verhalten. Zur Verhinderung eines explosionsartigen Versagens werden einer UHPC-Mischung Fasern zugegeben oder wird eine Umschnürung mit Stahlrohren ausgebildet. Die Zugabe von Fasern zur Betonmatrix beeinflusst neben der Verformungsfähigkeit auch die Tragfähigkeit des UHPC. Das Versagen der Fasern ist abhängig von Fasergeometrie, Fasergehalt, Verbundverhalten sowie Zugfestigkeit der Faser und gekennzeichnet durch Faserauszug oder Faserreißen. Zur Sicherstellung der Tragfähigkeit kann daher auf konventionelle Bewehrung außer bei sehr dünnen Bauteilen nicht verzichtet werden. Im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP 1182 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) wurden in dem dieser Arbeit zugrunde liegenden Forschungsprojekt die Fragen nach der Beschreibung des Querkrafttragverhaltens von UHPC-Bauteilen mit kombinierter Querkraftbewehrung und der Übertragbarkeit bestehender Querkraftmodelle auf UHPC untersucht. Neben einer umfassenden Darstellung vorhandener Querkraftmodelle für Stahlbetonbauteile ohne Querkraftbewehrung und mit verschiedenen Querkraftbewehrungsarten bilden experimentelle Untersuchungen zum Querkrafttragverhalten an UHPC-Balken mit verschiedener Querkraftbewehrung den Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit. Die experimentellen Untersuchungen beinhalteten zehn Querkraftversuche an UHPC-Balken. Diese Balken waren in Abmessungen und Biegezugbewehrung identisch. Sie unterschieden sich nur in der Art der Querkraftbewehrung. Die Querkraftbewehrungsarten umfassten eine Querkraftbewehrung aus Stahlfasern oder Vertikalstäben, eine kombinierte Querkraftbewehrung aus Stahlfasern und Vertikalstäben und einen Balken ohne Querkraftbewehrung. Obwohl für die in diesem Projekt untersuchten Balken Fasergehalte gewählt wurden, die zu einem entfestigenden Nachrissverhalten des Faserbetons führten, zeigten die Balkenversuche, dass die Zugabe von Stahlfasern die Querkrafttragfähigkeit steigerte. Durch die gewählte Querkraftbewehrungskonfiguration bei ansonsten identischen Balken konnte außerdem eine quantitative Abschätzung der einzelnen Traganteile aus den Versuchen abgeleitet werden. Der profilierte Querschnitt ließ einen großen Einfluss auf das Querkrafttragverhalten im Nachbruchbereich erkennen. Ein relativ stabiles Lastniveau nach Erreichen der Höchstlast konnte einer Vierendeelwirkung zugeordnet werden. Auf Basis dieser Versuchsergebnisse und analytischer Überlegungen zu vorhandenen Querkraftmodellen wurde ein additiver Modellansatz zur Beschreibung des Querkrafttragverhaltens von UHPCBalken mit einer kombinierten Querkraftbewehrung aus Stahlfasern und Vertikalstäben formuliert. Für die Formulierung der Traganteile des Betonquerschnitts und der konventionellen Querkraftbewehrung wurden bekannte Ansätze verwendet. Für die Ermittlung des Fasertraganteils wurde die Faserwirksamkeit zugrunde gelegt. Das Lastniveau im Nachbruchbereich aus Viendeelwirkung ergibt sich aus geometrischen Überlegungen.

Study of bond behaviour between FRP reinforcement and concrete

El uso de barras de materiales compuestos (FRP) se propone como una alternativa efectiva para las tradicionales estructuras de hormigón armadas con acero que sufren corrosión en ambientes agresivos. La aceptación de estos materiales en el mundo de la construcción está condicionada a la compresión de su comportamiento estructural. Este trabajo estudia el comportamiento adherente entre barras de FRP y hormigón mediante dos programas experimentales. El primero incluye la caracterización de la adherencia entre barras de FRP y hormigón mediante ensayos de pull-out y el segundo estudia el proceso de fisuración de tirantes de hormigón reforzados con barras de GFRP mediante ensayo a tracción directa. El trabajo se concluye con el desarrollo de un modelo numérico para la simulación del comportamiento de elementos de hormigón reforzado bajo cargas de tracción. La flexibilidad del modelo lo convierte en una herramienta flexible para la realización de un estudio paramétrico sobre las variables que influyen en el proceso de fisuración.