Serviceability Behaviour of Reinforced UHPFRC Tensile Elements

Abstract

[ES] Todas estructuras, especialmente las conformadas con hormigón armado, no solo deben cumplir con la seguridad necesaria bajo los Estados Límites Últimos (ULS), además es imprescindible que garanticen un comportamiento adecuado frente a condiciones de servicio. En general, los requisitos fundamentales de servicio que debe cumplir este tipo de estructuras son: la funcionalidad, comodidad para el usuario y la apariencia. Sin embargo, estos no se pueden verificar de forma directa; por lo tanto, ha sido necesario definir criterios de desempeño tales como control de deflexión, control de vibración y control de agrietamiento para dar cumplimiento a lo indicado anteriormente. Además, se dificulta el cálculo de la capacidad de servicio debido al fenómeno de agrietamiento, el efecto de rigidez por tensión, la contracción y los efectos de fluencia. Por lo tanto, el control de la fisuración en estructuras de hormigón armado generalmente se logra limitando la tensión en el refuerzo de acero y la matriz de hormigón. Siendo así que, en los diseños incluidos en códigos relevantes a hormigón, especifican la tensión máxima del refuerzo de acero después de la fisuración y el ancho máximo de fisura para los miembros estructurales de CR o FRC, no obstante los aspectos de capacidad de servicio del diseño para el hormigón reforzado con fibras de ultra alto rendimiento reforzado (R-UHPFRC), no han sido incluidos en los códigos o recomendaciones de UHPFRC. A pesar de que se han realizado muchos esfuerzos en la investigación tanto experimental como teórica sobre el comportamiento de servicio de los elementos estructurales de CR o FRC durante las últimas décadas, para el R-UHPFRC se debe desarrollar aún más su conocimiento relacionado con los requisitos para el diseño de capacidad de servicio, incluyendo su comportamiento de tensión y agrietamiento. En este marco, el objetivo principal de la presente tesis doctoral es evaluar el comportamiento de servicio de R-UHPFRC. Por tal razón, es fundamental realizar la evaluación del comportamiento de deformación y fisuración de los elementos de tracción R-UHPFRC. Para ello, se abordaron y cumplieron adecuadamente dos puntos principales. El primero, diseñar una metodología de prueba innovadora y adecuada para ejecutar los experimentos requeridos para este proyecto de doctorado. En segundo lugar, se llevó a cabo la evaluación de la respuesta de rigidez a la tensión y el comportamiento de agrietamiento del R-UHPFCR, que son parámetros primordiales para el diseño de capacidad de servicio. Para estudiar estos dos parámetros, se consideraron algunos parámetros importantes tales como: el efecto del volumen del contenido de fibra, el tipo de fibra, el efecto del tamaño, el efecto de la relación de refuerzo y el efecto de la contracción. Finalmente, para evaluar los parámetros mencionados, se presentan cuatro campañas experimentales. Cada una de ellas, representa un nivel diferente de estudio. El primero corresponde a la validación de la metodología de ensayo de tracción propuesta y examinar los datos experimentales obtenidos, para emplearlos en futuros estudios de este proyecto. El segundo nivel consistió en establecer y realizar experimentos completos con dos tipos de fibra de acero, modificando además su cantidad, es así como se utilizaron diferentes proporciones de refuerzo y sección transversal para evaluar el efecto tanto del tamaño como del contenido de fibra, respectivamente. También, en un estudio experimental específico se indagó sobre el efecto de la combinación de micro y microfibras de acero en la deformación y el comportamiento de agrietamiento de los elementos R-UHPFRC de tracción. El tercer nivel corresponde a una prueba de contracción intensiva, necesaria para obtener el valor de contracción del UHPFRC utilizado en esta investigación. El último nivel comprende la modificación de la geometría de la probeta y el uso de probetas en forma de hueso de perro para evaluar el ancho medio y máximo de fisura (valor

[CA] Totes les estructures, especialment les conformades amb formigó armat, no només han de complir amb la seguretat necessària sota els Estats Límits Últims (ULS), a més és imprescindible que garanteixin un comportament adequat davant de condicions de servei. En general, els requisits fonamentals de servei que ha de complir aquest tipus d'estructures són: la funcionalitat, la comoditat per a l'usuari i l'aparença. Això no obstant, aquests no es poden verificar de forma directa; per tant, ha calgut definir criteris d'acompliment com ara control de deflexió, control de vibració i control d'esquerdament per a donar compliment al que s'ha indicat anteriorment. A més, es dificulta el càlcul de la capacitat de servei a causa del fenomen d'esquerdament, l'efecte de rigidesa per tensió, la contracció i els efectes de fluència. Per tant, el control de la fissuració en estructures de formigó armat generalment s'aconsegueix limitant la tensió al reforç d'acer i la matriu de formigó. És així que en els dissenys inclosos en codis rellevants a formigó, especifiquen la tensió màxima del reforç d'acer després de la fissuració i l'amplada màxima de fissura per als membres estructurals de CR o FRC, no obstant els aspectes de capacitat de servei del disseny per al formigó reforçat amb fibres d'ultra alt rendiment reforçat (R-UHPFRC), no han estat inclosos als codis o recomanacions d'UHPFRC. Tot i que s'han realitzat molts esforços en la investigació tant experimental com teòrica sobre el comportament de servei dels elements estructurals de CR o FRC durant les últimes dècades, per al R-UHPFRC s'ha de desenvolupar encara més el seu coneixement relacionat amb els requisits per al disseny de capacitat de servei, incloent el comportament de tensió i esquerdament. En aquest marc, l'bjectiu principal de la present tesi doctoral és avaluar el comportament de servei de R-UHPFRC. Per aquesta raó, és fonamental fer l'avaluació del comportament de deformació i fissuració dels elements de tracció R-UHPFRC. Per això, es van abordar i van complir adequadament dos punts principals. El primer, dissenyar una metodologia de prova innovadora i adequada per executar els experiments requerits per a aquest projecte de doctorat. En segon lloc, es va fer l'avaluació de la resposta de rigidesa a la tensió i el comportament d'esquerdament del R-UHPFCR, que són paràmetres primordials per al disseny de capacitat de servei. Per estudiar aquests dos paràmetres, es van considerar alguns paràmetres importants com ara l'efecte del volum del contingut de fibra, el tipus de fibra, l'efecte de la mida, l'efecte de la relació de reforç i l'efecte de la contracció.

Finalment, per avaluar els paràmetres mencionats, es presenten quatre campanyes experimentals. Cadascuna representa un nivell diferent d'estudi. El primer correspon a la validació de la metodologia dassaig de tracció proposada i examinar les dades experimentals obtingudes, per a emprar-les en futurs estudis daquest projecte. El segon nivell va consistir a establir i realitzar experiments complets amb dos tipus de fibra d'acer, modificant-ne a més la quantitat, és així com es van utilitzar diferents proporcions de reforç i secció transversal per avaluar l'efecte tant de la mesura com del contingut de fibra, respectivament. També, en un estudi experimental específic, es va indagar sobre l'efecte de la combinació de micro i macrofibres d'acer en la deformació i el comportament d'esquerdament dels elements R-UHPFRC de tracció. El tercer nivell correspon a una prova de contracció intensiva, necessària per obtenir el valor de contracció de l'UHPFRC utilitzat en aquesta investigació. L'últim nivell comprèn la modificació de la geometria de la proveta i l'ús de provetes en forma d'os de gos per avaluar l'amplada mitjana i màxima de fissura (valor real detectat) provocat per esforços de tracció en els elements de tracció R-UHPFRC . És important esmentar que es van fer diferents anàlisis per a cada investigació experimental i es van ac

[EN] All structures, particularly reinforcement concrete structures, apart from meeting necessary security against Ultimate Limit States (ULS), must exhibit appropriate behaviour under service conditions. Generally, the fundamental serviceability requirements that concrete structures should meet are functionality, user comfort and appearance. These requirements cannot, however, be directly checked. Therefore, performance criteria, such as deflection control, vibration control and cracking control, are defined to meet these requirements. Serviceability calculation is complicated because of the cracking phenomenon, the tension stiffening effect, shrinkage, and creep effects. Cracking control in reinforced concrete (RC) structures is generally achieved by limiting stress in steel reinforcement and the concrete matrix. Many concrete code designs specify a maximum steel reinforcement stress after cracking and a maximum crack width for RC or fibre-RC (FRC) structural members, while the design serviceability aspects for Reinforced Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concrete (R-UHPFRC) are poorly considered in UHPFRC codes or recommendations. Many efforts have been made in experimental and theoretical research into the serviceability behaviour of RC or FRC structural elements in the last few decades. However, for R-UHPFRC, knowledge about tension and cracking behaviour must improve and serviceability design requirements have to be further studied. Within this framework, the main purpose of the present PhD thesis is to evaluate the serviceability behaviour of R-UHPFRC. For this purpose, the evaluation of the deformation and cracking behaviour of R-UHPFRC tensile elements is essential. To that end, two main items were addressed and adequately met. The first one was to design an innovative and adequate test methodology to carry out the experiments required for this PhD project. The second involved evaluating the tension stiffening response and cracking behaviour of R-UHPFRC, which are fundamental parameters for R-UHPFRC structures' serviceability design. To study these two parameters, important parameters were considered, such as fibre content, fibre type, size effect, reinforcement ratio and shrinkage effect. In order to evaluate the aforementioned parameters, four experimental campaigns are presented. Each campaign represents a different study level. The first corresponds to the validation of the proposed tensile test methodology and to the examination of the obtained experimental data for future studies required for this PhD project. The second experimental study level corresponds to establishing and undertaking comprehensive experimental programmes with two different steel fibre types and fibre contents. Different cross-section and reinforcement ratios were used to evaluate the size effect and fibre content effect, respectively. The effect of the micro- and macro-steel fibres combination on the deformation and cracking behaviour of tensile R-UHPFRC elements was investigated in a specific experimental study. The third level corresponds to an intensive shrinkage test, which was conducted to obtain the shrinkage value of the UHPFRC used in this PhD study. The final level corresponds to a specific experimental study, done by modifying the specimen's geometry and using the dog bone-shaped specimens to evaluate the average and maximum crack width (real detected value) caused by tensile stresses in R-UHPFRC tensile elements. It is worth mentioning that different analyses were performed for each experimental research and appropriate results were achieved to fulfil the thesis aims.

Keywords: cracking behaviour, design criteria, durability, fragility curve, post-cracking tensile stiffness, serviceability behaviour, shrinkage, SLS requirements, structural design, tensile elements, tension stiffening, test method, tie, UHPFRC.