Εναλλακτικές μέθοδοι μη-συμβατικής όπλισης στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα για τη βελτίωση της συμπεριφοράς τους υπό μονότονη και ανακυκλιζόμενη φόρτιση, συνεκτιμώντας την εφελκυστική δυστένεια του σκυροδέματος

Abstract

The use of steel fibers as mass reinforcement of reinforced concrete (RC) is a non-conventional reinforcing method that is used to improve the post-cracking performance of RC. The composite material resulting from the addition of fibers is called steel fiber reinforced concrete (SFRC). Despite the many years of extensive research on various types of fibers and structural elements, it is not widely used in construction. This is due to the lack of complete knowledge on the response of the material subjected to seismic actions, as well as to the absence of a commonly accepted constitutive model that successfully describes the overall behavior of SFRC elements with conventional reinforcement. This dissertation includes an analytical, a numerical and an experimental investigation of the aforementioned issues. A new constitutive model is proposed that predicts the overall response of SFRC elements with conventional steel reinforcement under monotonic and reversal cyclic loading. The proposed model employs the nonlinearities of the materials with new and established constitutive relationships for the SFRC under compression and tension. Especially for the description of the tensional behavior of SFRC, the proposed model is based on the smeared crack approach. The proposed model utilizes the residual stiffness of the material by establishing special stress versus crack width relations (σ - w), encountering the tension stiffening and tension softening effects for the post-cracking SFRC tensile response. The model validation is performed by comparing experimental and numerical results. The numerical results emerged from the analysis of experimental specimens with finite element software, which were simulated using the proposed model. Test results of SFRC beam specimens, with conventional steel reinforcement, tested under monotonic flexural four-point loading from the literature are used to validate the developed model under monotonic loading. Furthermore, a series of experimental tests were performed to validate the proposed model under reversal cyclic loading and to study the influence of fibers on stiffness, strength, deformation capacity, and cracking of SFRC members subjected to reversal cyclic loading. The experimental program includes flexural and shear-critical SFRC beams with various ratios of longitudinal bars, closed stirrups (from 0 to 0.5%), and steel fiber volume fractions (from 0.5 to 3%). Axial tension tests of "I" shaped specimens are also included in this study to validate the proposed model at a material level. Comparisons between numerical and experimental results revealed that the proposed model is reliable and accurately predicts the response of SFRC beams under monotonic and reversal cyclic loading. The model captures well the key aspects of the response, such as the bending moment–curvature envelope, hysteretic loop, and influence of fibers on overall hysteretic performance. Beams with increased steel fiber volume fractions exhibited enhanced residual stiffness, strength, deformation, energy dissipation capacity and cracking performance.

Η προσθήκη χαλύβδινων ινών ως οπλισμός μάζας του σκυροδέματος θεωρείται μία μη συμβατική μέθοδος όπλισης που χρησιμοποιείται για να βελτιώσει τη συμπεριφορά του υλικού κυρίως μετά τη ρηγμάτωση. Το σύνθετο υλικό που προκύπτει από την προσθήκη των ινών ονομάζεται ινοσκυρόδεμα ή ινοπλισμένο σκυρόδεμα. Παρά την πολυετή και πολυπληθή έρευνα σε διάφορους τύπους ινών και δομικών στοιχείων, δεν εφαρμόζεται ευρέως στις κατασκευές. Αυτό οφείλεται αφ’ ενός στην έλλειψη ολοκληρωμένων γνώσεων σχετικά με την απόκριση του υλικού έναντι σεισμικών δράσεων και αφ’ ετέρου στην απουσία ενός κοινά αποδεκτού προσομοιώματος που να περιγράφει επιτυχώς τη συνολική συμπεριφορά δομικών στοιχείων ινοσκυροδέματος με συμβατικούς οπλισμούς. Η παρούσα διδακτορική διατριβή περιλαμβάνει μια αναλυτική, αριθμητική και πειραματική διερεύνηση που πραγματεύεται τα ανωτέρω ζητήματα. Στο πλαίσιο αυτό προτείνεται ένα νέο καταστατικό προσομοίωμα για τη συνολική συμπεριφορά στοιχείων ινοπλισμένου σκυροδέματος με συμβατικούς χαλύβδινους οπλισμούς υπό μονότονη και εναλλασσόμενη φόρτιση λαμβάνοντας υπόψη τη μη γραμμικότητα του ινοσκυροδέματος υπό θλίψη και εφελκυσμό. Ειδικότερα, η συμπεριφορά του ινοσκυροδέματος υπό εφελκυσμό βασίζεται στη θεώρηση της διανεμημένης ρηγμάτωσης και οι καταστατικές σχέσεις που αναπτύσσονται έχουν τη μορφή τάσης – εύρους ρωγμής με φθίνοντα κλάδο συνεκτιμόντας την εφελκυστική δυστένεια του ινοσκυροδέματος. Πειραματικά αποτελέσματα δοκιμών υπό άμεσο αξονικό εφελκυσμό που υλοποιήθηκαν σε στοιχεία μορφής “I” από ινοπλισμένο σκυρόδεμα τεκμηριώνουν το προτεινόμενο μοντέλο. Επιπλέον, αναπτύσσεται ένα τριδιάστατο μη γραμμικό αριθμητικό μοντέλο ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων το οποίο λαμβάνει υπόψη τις προτεινόμενες καταστατικές σχέσεις του ινοσκυροδέματος και παρέχει αξιόπιστα αποτελέσματα για τη συνολική απόκριση στοιχείων ινοπλισμένου σκυροδέματος με καμπτική ή διατμητική συμπεριφορά υπό μονότονη και ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Συγκεκριμένα, για την επαλήθευση του προσομοιώματος υπό μονότονη φόρτιση επιλέχθηκαν από τη βιβλιογραφία δοκοί ινοπλισμένου σκυροδέματος με συμβατικούς οπλισμούς που είχαν υποβληθεί σε πειραματικές δοκιμές μονότονης φόρτισης τεσσάρων σημείων. Περαιτέρω, με σκοπό την επαλήθευση του προτεινόμενου μοντέλου υπό εναλλασσόμενη φόρτιση και τη μελέτη της επιρροής των ινών στη στιβαρότητα, την αντοχή, την ικανότητα παραμόρφωσης και τη μορφή της ρηγμάτωσης στοιχείων υπό εναλλασσόμενη φόρτιση πραγματοποιήθηκε μία σειρά πειραματικών δοκιμών. Το πειραματικό πρόγραμμα περιλαμβάνει καμπτικές και διατμητικές δοκούς με διαφορετικά γεωμετρικά ποσοστά διαμήκη οπλισμού (0.55% και 1.0%), κλειστών συνδετήρων (από 0 έως 0.5%) και διαφορετικά ογκομετρικά ποσοστά χαλύβδινων ινών (από 0.5 έως 3%). Η σύγκριση μεταξύ αριθμητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων έδειξε ότι το προτεινόμενο μοντέλο είναι αξιόπιστο και προβλέπει με ικανοποιητική ακρίβεια την υστερητική απόκριση δοκών ινοπλισμένου σκυροδέματος υπό μονότονη και ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Το μοντέλο καταγράφει επιτυχώς κρίσιμες πτυχές της συνολικής συμπεριφοράς, όπως η περιβάλλουσα ροπών - καμπυλοτήτων, ο υστερητικός βρόγχος και η επιρροή ινών στη μορφή ρηγμάτωσης και αστοχίας. Με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα συμπεραίνεται επίσης ότι η αύξηση της περιεκτικότητας των ινών στο μείγμα βελτιώνει σημαντικά την απόκριση των δοκών υπό εναλλασσόμενη φόρτιση. Δοκοί με μεγαλύτερα ποσοστά ινών παρουσίασαν αυξημένη πλαστιμότητα, μεγαλύτερη ικανότητα απορρόφησης ενέργειας και περιορισμένη ρηγμάτωση.