Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Institut de structures IS (Laboratoire de construction en béton IS-Beton)

Zum Tragverhalten von zugbeanspruchten Bauteilen aus Ultra-Hochleistungs-Faserbeton

Jungwirth, Jörg ; Muttoni, Aurelio (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3429.

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    Summary
    Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concrete (UHPFRC) can be considered, due to its high strength and improved durability, as one of the leading recent innovations in civil engineering. Material scientists have developed a very efficient, high-tech material by optimizing the concrete composition and improving the density of the cement matrix. Its structural behavior and in particular its relatively high ductility, despite the brittle behavior of the cement matrix, is influenced significantly by the crack-bridging behavior of the fibers. This behavior affects not only the tensile behavior, but also the global material behavior, i.e.: bending (tension by bending), compression (transversal tension, confinement), shear, punching, concentrated load introduction, etc. In the presented study, the tensile behavior of UHPFRC is analyzed as a basis for its structural behavior. The investigations extend from the 'micro-scale' behavior of the crack-bridging fibers in one crack to the 'macro-scale' behavior of tension members composed of UHPFRC. To obtain efficient tensile performance, the use of the UHPFRC in combination with reinforcing bars is expedient. The bond between the reinforcing bars and the UHPFRC is investigated, in order to analyze and understand the structural response of reinforced UHPFRC tension members. At each level of investigation, emphasis is placed on comprehension of the mechanical process. The influence of the fiber orientation, creep, shrinkage, and pre-stressing is discussed. Based on the studied mechanical processes, micro- and macro-scale modeling of the structural behavior is carried out. The cracking mechanisms of UHPFRC are examined in the research work. For the structural response of reinforced UHPFRC tension members, the influence of the double multi-cracking behavior is particularly relevant. First, multiple meso-cracks form controlled by the fibers and then multiple macro-cracks form controlled by the bond between the UHPFRC and the reinforcing steel. With a model based on these mechanisms, the structural response of tension members made from different types of UHPFRC can be described. Depending on the configuration of the tension member (i.e.: type of UHPFRC, reinforcement ratio, steel type, pre-stressing), five different failure regimes result for reinforced UHPFRC tension members. For practical applications the following conclusions can be drawn: Tension members composed of UHPFRC show very efficient structural behavior. The resistance of the UHPFRC supplements the steel resistance according to its strain-respective cracking state. The well distributed cracking of the UHPFRC leads to a considerable increase in the rigidity of the tension member (high tension stiffening effect). To obtain an efficient tension member with a large deformation capacity, a relatively high reinforcement ratio is necessary. Due to the associated continuous hardening behavior and significant elastic deformation, the use of high-strength reinforcing steel without a yielding plateau is favorable.
    Zusammenfassung
    Ultra-Hochleistungs-Faserbeton (UHLFB) ist wegen seiner hohen Druckfestigkeit und seiner verbesserten Dauerhaftigkeit als einer der Innovationen der letzten Jahre im Bauingenieurwesen anzusehen. Materialtechnologen haben durch Optimierung der Betonzusammensetzung und Verbesserung der Packungsdichte einen sehr leistungsfähigen "High-Tech" Werkstoff entwickelt. Sein Tragverhalten und insbesondere sein, trotz des spröden Verhaltens der hochfesten Matrix, duktiles Verhalten werden massgebend durch die rissüberbrückende Wirkung der Fasern beeinflusst. Hierdurch wird nicht nur das Zugtragverhalten verbessert, sondern auch die globalen Trageigenschaften des Materials: Biegetragverhalten (Biegezug), Druck (Querzug, Umschnürung), Querkraft, Durchstanzen, konzentrierte Lasteinleitungen, etc... Die vorliegende Arbeit behandelt das Zugtragverhalten des UHLFB als Grundlage für das globale Tragverhalten. Die Untersuchungen erstrecken sich von der ‚microscale’ Betrachtung des Verhaltens der rissüberbrückenden Fasern in einem Riss bis zur ‚macroscale’ Betrachtung von zugbelasteten Bauteilen aus UHLFB. Um ein effizientes Zugtragverhalten zu erhalten, ist es sinnvoll in Kombination mit dem UHLFB Bewehrungselemente einzusetzen. Es wird daher das Verbundverhalten zwischen Bewehrungselementen und UHLFB untersucht, um daraus das Tragverhalten von bewehrten UHLFB Zugelementen zu entwickeln und zu diskutieren. In allen Betrachtungsebenen wird ausführlich auf das Verständnis der mechanischen Vorgänge eingegangen. Es werden die Einflüsse durch die Faserorientierung, durch Schwinden und Kriechen sowie durch Vorspannung diskutiert. Basierend auf den mechanischen Überlegungen wird eine Modellierung des Tragverhaltens in den verschiedenen Betrachtungsebenen durchgeführt. Mit der Arbeit werden die Rissbildungsmechanismen des UHLFB erarbeitet. Für das Tragverhalten bewehrter UHLFB-Zugelemente ist hierbei insbesondere der Effekt der doppelten Multirissbildung relevant. Dabei bilden sich zunächst, bedingt durch die Fasern, multiple Mesorisse und folgend, durch den Verbund mit der Bewehrung, multiple Makrorisse aus. Mit der basierend auf diese Mechanismen entwickelten Modellierung, kann das Tragverhalten von Zugelementen aus beliebigen UHLFB gut wiedergegeben werden. In Abhängigkeit der Konfiguration des Zugelements (Typ des UHLFB, Bewehrungsgrad, Stahltyp, Vorspannung) ergeben sich für bewehrte UHLFB-Zugelemente fünf verschiedene Versagensregime. Für baupraktische Anwendungen können zusammenfassend folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: Zugelemente aus bewehrtem UHLFB weisen ein sehr effizientes Tragverhalten auf. Die Festigkeit des UHLFB addiert sich entsprechend seines Dehnungs- bzw. Risszustandes zur Stahlfestigkeit. Die fein verteilte Rissbildung des UHLFB führt zu einer erheblichen Erhöhung der Steifigkeit des Zugelements (hoher "tension stiffening" - Effekt). Um ein effizientes Zugelement mit einem grossen Verformungsvermögen zu erhalten, ist ein hoher Bewehrungsgrad nötig. Der Einsatz von hochfesten Bewehrungsstählen ohne Fliessplateau ist, aufgrund des kontinuierlich verfestigenden Verhaltens und der grossen elastischen Verformung, zu empfehlen.
    Résumé
    Le béton fibré à ultra haute performance (BFUHP) constitue, grâce à sa résistance à la compression élevée et à sa durabilité améliorée, une des innovations de ces dernières années dans le domaine de la construction. La science des matériaux a développé un matériau « high-tech » très performant par l'optimisation de la composition du béton et par l'amélioration de la densité de sa matrice cimentaire. Son comportement structural et sa ductilité relativement élevée, malgré le comportement fragile de la matrice, sont principalement influencés par l'effet des fibres qui traversent les fissures formées. Ce phénomène influence non seulement le comportement à la traction, mais aussi le comportement structural des éléments de structure: comportement à la flexion (traction par flexion), compression (traction transversale, confinement), effort tranchant, poinçonnement, introduction ponctuelle des efforts, etc.… La thèse traite le comportement à la traction du BFUHP comme base pour le comportement structural global. L'étude comporte l'analyse à l'échelle microscopique du comportement des fibres traversant une fissure, puis s'élargit vers l'analyse d'un élément de structure en BFUHP soumis à la traction. Pour obtenir un comportement structural efficace à la traction, il est judicieux de disposer une armature dans les éléments structuraux en BFUHP. L'adhérence entre les barres d'armature et le BFUHP est analysée, pour en déduire et comprendre le comportement structural des tirants en BFUHP armé. L'analyse met l'accent sur la compréhension des processus mécaniques. L'influence de l'orientation des fibres, du retrait et du fluage ainsi que de la précontrainte est discutée. La modélisation du comportement structural se fait sur la base de réflexions mécaniques pour chaque niveau d'analyse. Ce travail de recherche décrit les mécanismes de fissuration du BFUHP. Pour le comportement structural de tirants en BFUHP armés, l'effet de la « multi fissuration double » est d'importance primordiale. Dans une première phase, les fibres permettent la formation des « meso-fissures multiples », alors que dans une deuxième phase l'adhérence de la matrice aux barres d'armature mène à la formation de « macro-fissures multiples ». La modélisation développée sur la base de ces mécanismes permet de reproduire le comportement structural de tirants en différents types de BFUHP. En fonction de la configuration du tirant (type de BFUHP, taux d'armature, type d'acier, précontrainte) cinq régimes de rupture différents peuvent être mis en évidence. Pour l'application pratique, les conclusions suivantes peuvent être formulées : Les tirants en BFUHP armés démontrent un comportement structural efficace. La résistance du BFUHP s'additionne selon son état de déformation ou de fissuration à la résistance de l'acier. La distribution fine de la fissuration du BFUHP amène à une augmentation significative de la rigidité de l'élément en traction (effet « tension-stiffening » élevé). Pour obtenir un élément de traction efficace avec une grande capacité de déformation, un taux d'armature élevé est nécessaire. L'emploi d'aciers à haute résistance sans plateau d'écoulement est conseillé. La grande déformation élastique et le comportement durcissant continu de ces aciers conduisent à un meilleur comportement du tirant.