Experimental investigation of shear behavior of two-span fiber reinforced concrete beams

• Autorzy: Krassowska J. , Kosior-Kazberuk M.

Identyfikatory

DOI

10.2478/ace-2019-0017

Warianty tytułu

PL

Badania doświadczalne ścinanych dwuprzęsłowych belek wykonanych z betonu z dodatkiem włókien

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Experimental tests were carried out to assess the failure model of steel and basalt fiber reinforced concrete two-span beams. Experimental research was focused on observing the changes in behavior of tested elements in dependence on the ratio of shear reinforcement and type of fiber. The beams had varied stirrup spacing. The steel fiber content was 78.5 kg/m3 (1.0% by vol.) and basalt fiber content was 5.0 kg/m3 (0.19% by vol.). Concrete beams without fibers were also examined. Two-span beams with a cross-section of 120×300 mm and a length of 4150 mm were loaded in a five-point bending test. Shear or flexural capacity of tested members was recorded. The effectiveness of both sorts of fibers as shear reinforcement was assessed and the differences were discussed. It was shown that fibers control the cracking process and the values of deflections and strains. Fibers clearly enhance the shear capacity of reinforced concrete beams.

PL

Zagadnienia teoretyczne pracy żelbetowych elementów konstrukcyjnych poddanych ścinaniu, jak również problemy projektowania tych elementów, wciąż wymagają wyjaśnienia, pomimo dużej liczby prac eksperymentalnych dotyczących tych problemów. Zastosowanie tradycyjnych strzemion jako zbrojenia na ścinanie jest skuteczne, ale wiąże się z wysokimi kosztami stali zbrojeniowej, a także kosztami ich montażu w konstrukcji. Alternatywnym rozwiązaniem może być zastosowanie w strefie ścinania belki betonu ze zbrojeniem rozproszonym w formie włókien. Celem badań eksperymentalnych była identyfikacja sposobu niszczenia żelbetowych belek dwuprzęsłowych wykonanych z betonu z włóknami stalowymi lub bazaltowymi. Badania skupiały się na obserwacji zmian zachowania elementów konstrukcyjnych w zależności od ilości zbrojenia na ścinanie (w postaci strzemion) i rodzaju włókien. Zastosowano belki o zróżnicowanym rozstawie strzemion oraz belki bez zbrojenia na ścinanie. Zawartość włókien stalowych w betonie wynosiła 78.5 kg/m3 (1.0% obj.), a zawartość włókien bazaltowych - 5.0 kg/m3 (0,19% obj.). Badano również belki referencyjne z betonu bez włókien. Belki dwuprzęsłowe o przekroju 120 x 300 mm i długości 4150 mm (efektywna długość przęseł 2000 mm) zostały obciążone w warunkach pięciopunktowego zginania. Rejestrowano nośność na ścinanie lub zginanie belek oraz ich odkształcenia. Oceniono i przedyskutowano efektywność obu rodzajów włókien jako alternatywnego zbrojenia na ścinanie. Wykazano, że obecność włókien determinuje proces zarysowania belek oraz znacząco wpływa na wartości ugięć i odkształceń. Pomimo, że włókna bazaltowe charakteryzują się mniejszą sztywnością niż włókna stalowe, ze względu na ich geometrię i wartość modułu Younga mniejszą w porównaniu do włókien stalowych, ich wpływ na nośność na zginanie i ścinanie badanych belek należy uznać za znaczący. Oba rodzaje włókien zmieniają właściwości betonu, co znacząco wpływa na zachowanie się belek w warunkach ścinania. Obecność włókien w betonie powoduje, przede wszystkim, opóźnienie momentu zniszczenia wskutek ścinania, a także zmianę mechanizm zniszczenia ze ścinania na zginanie, z jednoczesnym podwyższeniem nośności i odporności na zarysowanie. Istotny wpływ włókien stalowych zaobserwowano już w przypadku serii belek z pełnym zbrojeniem na ścinanie w postaci strzemion. Natomiast, wpływ włókien bazaltowych ujawnił się dopiero w trakcie analizy belek ze zbrojeniem na ścinanie zredukowanym do połowy. Potwierdzają to zarówno wyniki pomiarów ugięć, jak i analiza odkształcenia betonu w strefie rozciąganej. Wprowadzenie włókien stalowych, jak i bazaltowych przyczyniło się do zwiększenia wartości siły niszczącej w porównaniu do belek bez zbrojenia rozproszonego. Obecność włókien bazaltowych powodowała redukcję odkształceń i ograniczenie ugięć belek w mniejszym stopniu niż wprowadzenie włókien stalowych. Jednakże, wyniki przeprowadzonych badań wskazują na potrzebę poszukiwania sposobów uwzględnienia obecności włókien bazaltowych w procedurach projektowania betonowych elementów zginanych.

Słowa kluczowe

EN

two-span beam; shear failure; cracking; deflection; fibre reinforced concrete; steel fiber; basalt fiber

PL

belka dwuprzęsłowa; zniszczenie; ścinanie; zarysowanie; ugięcie; beton zbrojony włóknami; włókno stalowe; włókno bazaltowe

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 65, nr 2
• Strony: 35--55
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Krassowska J.

• Bialystok University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Bialystok, Poland

autor

Kosior-Kazberuk M.

• Bialystok University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Bialystok, Poland

Bibliografia

• 1. F.J. Vecchio, "Analysis of shear-critical reinforced concrete beams", ACI Structural Journal 97: 102-110, 2000.
• 2. F.A. Farhat, D. Nicolaides, A. Kanellopoulos, B.L. Karihaloo, "High performance fibre-reinforced cementitious composite (CARDIFRC) ‒ Performance and application to retrofitting", Engineering Fracture Mechanics, 74: 151-167, 2007.
• 3. T. Ponikiewski, M. Pająk, "Experimental investigation on hybrid steel fibers reinforced self-compacting concrete under flexure", Procedia Engineering, 193: 218-225, 2017.
• 4. J. Michels, R. Christen, D. Waldmann, "Experimental and numerical investigation on postcracking behavior of steel fiber reinforced concrete", Engineering Fracture Mechanics, 98: 326-349, 2013.
• 5. A. Jansson, M. Flansbjer, I. Lofgren, K. Lundgren, K. Gylltoft, "Experimental investigation of surface crack initiation, propagation and tension stiffening in self-compacting steel-fibre-reinforced concrete", Materials and Structures, 45: 1127-1143, 2012.
• 6. A.M. Brandt, "Cement based composites: Materials, mechanical properties and performance", 2nd ed., Taylor & Francis Group, 2009.
• 7. Z. Owsiak, "Materiały kompozytowe: wybrane zagadnienia (Composite materials: selected problems)", Politechnika Świętokrzyska, Kielce, 2006 (In Polish).
• 8. R.N. Swamy, H.M. Bahia, "The effectiveness of steel fibers as shear reinforcement", Concrete International, 3: 35-40, 1985.
• 9. R. Narayanan, Y.S. Darwish, "Use of steel fibers as shear reinforcement", ACI Structural Journal, 3: 216-227, 1987.
• 10. A.K. Sharma, "Shear strength of steel fiber reinforced concrete beams", ACI Journal, 4: 624-628, 1986.
• 11. H.H. Dinh, G.J. Parra-Montesinos, J.K. Wight, "Shear behavior of steel fibre-reinforced concrete beams without stirrup reinforcement", ACI Structural Journal, 107: 597-606, 2010.
• 12. J. Susetyo, P. Gauvreau, F.J. Vecchio, "Effectiveness of steel fiber as minimum shear reinforcement", ACI Structural Journal, 108: 488-496, 2011.
• 13. Q. Chunxiang, I. Patnaikuni, "Properties of high-strength steel fiber-reinforced concrete in bending", Cement and Concrete Composites, 21: 73-81, 1999.
• 14. F. Minelli, G.A. Plizzari, "On the effectiveness of steel fibers as shear reinforcement", ACI Structural Journal, 3: 379-389, 2013.
• 15. M. Imam, L. Vandewalle, F. Mortelmans, D. Van Gemert, "Shear domain of fiber-reinforced high-strength concrete beams", Engineering Structures, 9: 738-747, 1997.
• 16. P. Kannam, V.R. Sarella, R.K. Pancharathi, " Hybrid effects of stirrup ratio and steel fibers on shear behaviour of self-compacting concrete", Archives of Civil Engineering, 64: 145-169, 2018.
• 17. K.-K. Choi, H.-G. Park, J. Wight, "Shear strength of steel fiber-reinforced concrete beams without web reinforcement", ACI Structural Journal, 104: 12-22, 2007.
• 18. A. Meda, F. Minelli, G.A. Plizzari, P. Riva, "Shear behavior of steel fiber reinforced concrete beams", Materials and Structures, 38: 343-351, 2005.
• 19. RILEM TC 162-TDF, "Test and design methods for steel fibre reinforced concrete", Materials and Structures, 36: 560-567, 2003.
• 20. Model Code 2010, Comité Euro-International du Béton fib (CEB-FIP), 2012.
• 21. C. High, H. M. Seliem, A. El-Safty, S. H. Rizkalla,“Use of basalt fibers for concrete structures”, Construction and Building Materials, 96: 37 - 46, 2015.
• 22. B. Wei, H. Cao, S. Song, "Environmental resistance and mechanical performance of basalt and glass fibers", Materials Science and Engineering A, 527: 4708-4715, 2010.
• 23. J. Sim, C. Park, D.Y. Moon, “Characteristics of basalt fibre as a strengthening material for concrete structures”, Composites Part B, 36: 504-512, 2005.
• 24. T.M. Borhan, "Properties of glass concrete reinforced with short basalt fiber", Materials and Design, 42: 265-271, 2012.
• 25. M. Kosior-Kazberuk, J. Krassowska, "Post-cracking behaviour of basalt fibre reinforced concrete", 6th International Conference on Mechanics and Materials in Design: M2D2015, Ponta Delgada, July 26-30, 2015, 673-682.
• 26. Resins BDDC et al., LCA Composietbrug Eindrapport (2e versie). Vestiging Rotterdam: VERTROUWELIJK. BECO Groep, Vestiging Rotterdam, 2009.
• 27. J. Krassowska, M. Kosior-Kazberuk, "Failure mode in shear of steel fiber reinforced concrete beams", 8th Scientific-Technical Conference on Material Problems in Civil Engineering: MATBUD’2018, Cracow, June 25-27, 163: 8, 2018.
• 28. EN 12390-3 Concrete tests - Part 3: Compressive strength of test specimens, 2011.
• 29. EN 12390-5 Concrete testing - Part 5: Bending strength of test specimens, 2011.
• 30. EN 12390-13 Concrete tests - Part 13: Determination of the secant elastic modulus under compression, 2014.
• 31. EN 12390-6 Concrete tests - Part 6: Tensile splitting strength of test specimens, 2011.
• 32. EN 1992-1-1 Eurocode 2 - Designing concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings, 2010.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).