Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Institut de structures IS (Laboratoire de maintenance, construction et sécurité des ouvrages MCS)

Structural behaviour of elements combining ultra-high performance fibre reinforced concretes (UHPFRC) and reinforced concrete

Habel, Katrin ; Brühwiler, Eugen (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3036.

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    Summary
    Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concretes (UHPFRC) have high mechanical strengths (fU,c > 150 MPa, fU,t > 6 MPa) and exhibit quasi-strain hardening in tension. Their very low permeability prevents the ingress of detrimental substances. In composite structural elements formed of normal strength reinforced concrete and Advanced Cementitious Materials (ACM), UHPFRC offer a high potential in view of the load carrying and protection function of the ACM layer. The objectives of the study described in this thesis are to determine the performance and structural behaviour of composite "UHPFRC-concrete" elements in bending. Towards this end, the current knowledge of UHPFRC properties is to be extended and modelling tools are to be developed in order to predict the structural behaviour of such composite elements and to make recommendations for their design. The experimental program is performed in order to characterize the UHPFRC and determine the structural behaviour of composite "UHPFRC-concrete" elements through 15 full-scale beam bending tests. The material tests focus on UHPFRC early age behaviour and on the determination of its outstanding tensile properties with an original uniaxial tensile test. They show that the UHPFRC properties become virtually constant after 90 days. The time-dependent behaviour of the composite beams is investigated during 11 weeks starting from the casting of the UHPFRC layer. After these long-term tests, the beams are subjected to bending until failure with the UHPFRC layer in tension. The parameters are the thickness of the UHPFRC layer, the presence of rebar in the UHPFRC and the static system. The time-dependent behaviour of composite "UHPFRC-concrete" members is investigated focusing on early age by means of test results and an existing numerical model. Using the results of the material tests as input, the numerical model is able to predict the behaviour of composite "UHPFRC-concrete" elements with the exception of self-desiccation of the UHPFRC. However, the deformations of composite "UHPFRC-concrete" members are correctly modelled by introducing autogenous shrinkage directly as volumetric deformation in the model. The structural response of the composite members under bending with the UHPFRC layer in tension is investigated with an original analytical model, which is an extension of the classical bending model for reinforced concrete. The influences of cross-section geometry, the UHPFRC tensile properties, the compressive strength of the substrate and the type of reinforcement are studied. This study demonstrates that the use of UHPFRC enhances the performance of composite "UHPFRC- concrete" elements in terms of resistance and stiffness. Furthermore, durability is extended due to the low permeability and tensile strain hardening properties of UHPFRC. The incorporation of rebar in the UHPFRC layer leads to a further increase in resistance and stiffness of the composite element and to a higher apparent magnitude of hardening in the UHPFRC. The investigated composite elements show monolithic behaviour under service conditions. The time-dependent behaviour is mainly controlled by autogenous shrinkage of the UHPFRC, which may induce a few evenly distributed small-width macrocracks in the case of statically indeterminate systems, thin UHPFRC layers (≤ 1 cm) or high magnitudes of autogenous shrinkage (≥ 750 µm/m at 28 days). The results show that the magnitude of autogenous shrinkage should not exceed 1000 µm/m (at 28 days) in order to avoid debonding and extensive formation of distributed macrocracks. Finally, three basic composite "UHPFRC-concrete" element configurations are proposed: Configuration P is designed for the protection function and consists of a thin UHPFRC layer. Configuration PR is proposed for existing elements with strongly deteriorated rebar and for new construction. It consists of an UHPFRC layer with reinforcement, and assumes no reinforcement in the concrete layer near the interface zone. Configuration R is proposed for existing structures requiring an enhancement of the structural behaviour. It is made of an UHPFRC layer with reinforcement, and assumes that there is reinforcement in the concrete layer near the interface zone.
    Zusammenfassung
    Ultra-hochleistungsfähige Faserbetone (UHLFB) haben hohe mechanische Festigkeiten (fU,c > 150MPa, fU,t > 6 MPa) und zeigen verfestigendes Verhalten unter Zugbeanspruchung. Die sehr geringe Permeabilität begrenzt oder verhindert sogar das Eindringen schädlicher Substanzen. In Verbundbauteilen, bestehend aus traditionellem Stahlbeton und hochleistungsfähigen zementösen Werkstoffen (HZW) bieten UHLFB ein großes Potential im Bezug auf die Trag- und Schutzfunktion der HZW-Schicht. Das generelle Ziel dieser Arbeit ist, die Leistungsfähigkeit und das Tragverhalten von "UHLFBBeton" Verbundbauteilen unter Biegebelastung zu bestimmen. Dazu muss der Kenntnisstand über UHLFB erweitert werden, und Modelle müssen zur Verfügung gestellt werden, mit denen das Tragverhalten derartiger Verbundbauteile vorhergesagt werden kann. Die Untersuchungen münden in Empfehlungen zum Entwurf von "UHLFB-Beton" Verbundbauteilen. Die Werkstoffeigenschaften von UHLFB und das Tragverhalten von 15 großen "UHLFB-Beton" Verbund-Biegebalken werden experimentell untersucht. Die Schwerpunkte der Werkstoffversuche liegen in der Bestimmung der UHLFB-Eigenschaften in jungem Alter und des UHLFB-Zugverhaltens mit einem neuartigen einachsigen Zugversuch. Die Versuche zeigen, dass die UHLFB-Eigenschaften nach 90 Tagen praktisch konstant bleiben. Das zeitabhängige Verhalten der Verbundbalken wird während 11 Wochen untersucht, beginnend mit dem Betonieren der UHLFB-Schicht. Anschließend werden die Balken unter Biegung bis zum Bruch belastet. Dabei befindet sich die UHLFB-Schicht unter Zug. Parameter der Bauteilversuche sind die Dicke der UHLFB-Schicht, das Vorhandensein von Bewehrung in der UHLFB-Schicht und das statische System. Das zeitabhängige Verhalten von "UHLFB-Beton" Verbundbauteilen wird anhand der Versuche und eines bestehenden numerischen Modells untersucht. Die Betrachtungen konzentrieren sich auf das junge Alter. Das Modell verwendet die Versuchsergebnisse aus den Werkstoffversuchen als Eingabewerte und ist in der Lage, das Verhalten von "UHLFB-Beton" Verbundbauteilen vorherzusagen mit Ausnahme der Selbstaustrocknung des UHLFB. Die Verformungen der "UHLFB-Beton" Verbundbauteile werden jedoch zutreffend modelliert, wenn autogenes Schwinden als volumetrische Verformung eingegeben wird. Die Tragwerksantwort von Verbundbauteilen unter Biegebeanspruchung mit der UHLFB-Schicht unter Zug wird mit einem analytischen Modell bestimmt, welches eine Erweiterung des klassischen Biegemodells für Stahlbeton ist. Die Einflüsse der Querschnittsgeometrie, der Zugeigenschaften der UHLFB, der Druckfestigkeit des Betons des Untergrunds und die Art der Bewehrung werden untersucht. Diese Arbeit zeigt, dass die Leistungsfähigkeit von "UHLFB-Beton" Verbundbauteilen im Hinblick auf die Steifigkeit und das Tragvermögen durch die Verwendung von UHLFB gesteigert wird. Zusätzlich wird die Dauerhaftigkeit verlängert infolge der geringen Permeabilität und des verfestigenden Zugverhaltens der UHLFB. Bewehrungsstäbe in der UHLFB-Schicht führen zu einer weiteren deutlichen Steigerung des Tragvermögens und der Steifigkeit und zu einem scheinbar größeren verfestigenden Bereich. Die untersuchten Verbundbauteile zeigen monolithisches Verhalten unter Gebrauchslasten. Das zeitabhängige Verhalten wird hauptsächlich von autogenem Schwinden des UHLFB bestimmt. Einige wenige verteilte Makrorisse mit kleinen Rissöffnungen können in der UHLFB-Schicht entstehen im Fall von statisch unbestimmten Systemen, in dünnen (≤ 1 cm) UHLFB-Schichten oder bei hohem autogenem Schwinden (≥ 750 µm/m nach 28 Tagen). Letzeres sollte 1000 µm/m (nach 28 Tagen) nicht überschreiten. Schließlich werden drei grundlegenden Konfigurationen für "UHLFB-Beton" Verbundbauteile vorgeschlagen: Konfiguration P ist für die Schutzfunktion konzipiert und besteht aus einer dünnen UHLFB-Schicht. Konfiguration PR wird für bestehende Bauteile mit stark beschädigter Bewehrung und für Neubauten vorgeschlagen. Der Querschnitt besteht aus einer UHLFB-Schicht mit Bewehrung und es befindet sich keine Bewehrung im Untergrund nahe der Grenzschicht. Konfiguration R setzt sich aus einer bewehrten UHLFB und einem bewehrten Untergrund zusammen und sollte in bestehenden Bauteilen angewendet werden, wenn eine Steigerung des Tragverhaltens gefordert ist.
    Résumé
    Les bétons fibrés ultra-performants (BFUP) ont des résistances mécaniques élevées (fU,c > 150 MPa, fU,t > 6 MPa), un comportement ductile en traction uniaxiale ainsi qu'une très faible perméabilité qui leur permet de réduire la pénétration des substances agressives. Dans les éléments composés de béton armé ordinaire et de matériaux cimentaires avancés (MCA), les BFUP présentent un grand potentiel du point de vue de la capacité portante et de la protection des armatures des structures existantes. L’objectif de cette étude est la détermination du comportement structural des éléments composés formés de béton armé ordinaire et de BFUP soumis à la flexion. Pour cela, les connaissances des propriétés des BFUP sont élargies et des modèles sont développés pour prédire le comportement structural des éléments composés. Finalement, des recommandations sont élaborées pour leur conception. Des essais ont été effectués pour caractériser le BFUP et pour déterminer le comportement structural de 15 poutres composées soumises à la flexion. Les essais de caractérisation de matériau permettent de déterminer le comportement au jeune âge d’un BFUP et son comportement en traction avec un essai de traction uniaxiale original. Ils démontrent que les propriétés de BFUP deviennent pratiquement constantes après 90 jours. L’évolution du comportement des éléments composés est mesurée pendant 11 semaines, à partir du bétonnage de la couche supplémentaire de BFUP. Les poutres sont ensuite sollicitées en flexion jusqu'à leur rupture avec la couche de BFUP en traction. Les différents paramètres de l’étude sont l'épaisseur de la couche de BFUP, la présence des barres d'armature dans le BFUP et le système statique. Le comportement au jeune âge et à long terme des éléments composés est étudié avec les résultats d'essais et un modèle numérique existant. Alimenté par les résultats d’essais sur les matériaux, le modèle est capable de prédire correctement le comportement des éléments composés en considérant le retrait endogène du BFUP, les déformations thermiques et le comportement viscoélastique. La réponse structurale des éléments composés en flexion, pour laquelle la couche de BFUP est soumise à la traction, est étudiée avec un modèle analytique original, qui est une extension du modèle classique en flexion pour le béton armé. Les influences de la géométrie de la section, des propriétés en traction du BFUP, de la résistance à la compression du support et du type d'armature y sont présentées. Les résultats de l'étude montrent que l'utilisation des BFUP améliore la performance des éléments composés à l'égard de la résistance et de la rigidité. En plus, leur durabilité est prolongée grâce à leur faible perméabilité et au comportement ductile en traction des BFUP. L'incorporation des barres d'armature conduit à une augmentation supplémentaire de la résistance et de la rigidité des éléments composés et à l'allongement apparent de la phase d'écrouissage du BFUP. Par ailleurs, les éléments composés étudiés montrent un comportement monolithique en conditions de service. Le comportement des éléments composés dans le temps est surtout contrôlé par le retrait endogène des BFUP et peut conduire à la formation de quelques macrofissures distribuées avec des faibles ouvertures dans le cas où on a un système hyperstatique, des couches minces de BFUP (≤ 1 cm) ou des valeurs élevées du retrait endogène (≥ 750 µm/m à 28 jours). Les résultats montrent que le retrait endogène ne devrait pas dépasser 1000 µm/m (à 28 jours) afin d'éviter la délamination et une formation prononcée des macrofissures distribuées. Finalement, l’analyse du comportement structural des éléments composés de béton ordinaire et de BFUP a permis de déterminer trois configurations de base qui remplissent différentes fonctions: La configuration P est conçue pour la fonction de protection et est composée d'une couche mince en BFUP. La configuration PR est proposée pour des éléments existants avec des barres d'armature fortement détériorées ou pour de nouvelles constructions ; la section est formée d'une couche en BFUP renforcée avec des barres d'armature et aucune armature est située dans le support proche de la zone d'interface. La configuration R est proposée pour des structures existantes qui nécessitent une amélioration du comportement structural ; la section est constituée d'une couche en BFUP renforcée avec des barres d'armature et une armature localisée dans le support proche de la zone d'interface.