Failure and toughness of steel fiber reinforced concrete under tension and shear

Abstract

La tesis se enmarca en la caracterización, a nivel material, de la fractura del hormigón reforzado con fibras de acero (SFRC) bajo solicitaciones de tracción y cortante, y sobre la determinación de parámetros que representan la tenacidad del material sometido a esos dos modos de carga. Asimismo, se han realizado ensayos hasta rotura por cortante de elementos estructurales a escala real, los cuales se han analizado utilizando formulaciones existentes en distintos códigos de diseño.<br/><br/>El comportamiento a tracción uniaxial del hormigón reforzado con fibras de acero se caracteriza utilizando cilindros entallados, elaborados con hormigones de resistencia normal y alta, con y sin fibras de acero. La metodología se extiende también para testigos extraídos de elementos de mayor tamaño. Los resultados se utilizan para definir parámetros de tenacidad y resistencia equivalentes de post-pico utilizables para representar el comportamiento del material y para un posible diseño estructural. Además, se desarrolla un estudio paramétrico experimental, que considera diferentes variables del ensayo y forma de probetas, para definir una configuración confiable del ensayo. Se analizan los modos de rotura observados y se evalúa la respuesta tensión-ancho de fisura. Asimismo, se propone una relación tensión-apertura de fisura característica para el diseño y análisis estructural. El comportamiento a tracción uniaxial se compara también con el de flexión y tracción por compresión diametral.<br/><br/>La fractura por cortante se estudia a nivel material, en hormigones de resistencia normal y alta, con y sin fibras de acero, utilizando la configuración de cortante directo denominada push-off. Se analizan el modo de rotura y la respuesta tensión-desplazamiento. Además, se definen parámetros basados en la tenacidad y tensiones equivalentes de cortante para una posible utilización en el diseño estructural.<br/><br/>Con el fin de obtener resultados que validen la utilización de las fibras de acero como refuerzo de cortante y al mismo tiempo estudiar la fractura por cortante a nivel estructural, se han realizado ensayos a escala real sobre vigas de sección rectangular y en T. Se analizan las respuestas carga-flecha y carga-ancho de fisura de vigas rectangulares de hormigón reforzado con fibras de acero variando su altura y de vigas T variando las dimensiones del ala. Los resultados obtenidos experimentalmente se utilizan para verificar la aplicabilidad de los métodos de diseño existentes en el caso del hormigón reforzado con fibras de acero. Además, se presenta una propuesta para el diseño a cortante basada en la respuesta tensión-desplazamiento relativo obtenida a partir del ensayo push-off de cortante directo.

The thesis deals with the characterization of the failure of steel fiber reinforced concrete (SFRC) in tension and shear, on the material level, and the determination of parameters that represent the toughness in these two modes of failure. Tests have been performed on large-scale beams failing under shear failure, which have been analyzed using existing design code formulas. The toughness parameters determined from the material are used in the design against such failure.<br/><br/>The uniaxial tensile behavior of SFRC is characterized using notched cylinders of normal and high strength concretes, with and without steel fibers. The methodology is also extended to cores extracted from large elements. Results are used to define toughness parameters and equivalent post-peak strengths to be used for representing the material behavior and for possible structural design. Furthermore, a parametric study considering different test variables and specimen shape is carried out in order to define a reliable test configuration. The observed modes of failure are analyzed and the stress-crack width response is evaluated. Also, a characteristic stress-crack width response is proposed for structural analysis and design. The uniaxial tension behavior is also compared with that of flexural and splitting-tension.<br/><br/>The shear failure is studied using the direct shear push-off test configuration, in normal and high strength concretes with and without steel fibers. The mode of failure and the stress-slip and stress-crack opening responses are analyzed. Toughness parameters and equivalent shear strengths based on the test results are defined for structural design.<br/><br/>In order to provide results for validating the use of steel fibers as shear reinforcement and for studying shear failure at the structural level, full-scale tests on rectangular and T-beams were performed. The load-deflection and load-crack width responses are analyzed and compared with results of plain concrete beam tests. The experimentally-obtained results are used to evaluate the applicability of existing design methods for steel fiber reinforced concrete. Furthermore, a proposal for shear design based on the shear stress versus slip relationship from the push-off shear test is presented.