Fibre reinforced concrete column-supported flat slabs : from material and structural characterization to design and economic optimization

Abstract

Fibre reinforced concrete (FRC) has proven to be a suitable material for statically indeterminate elements. The FRC column-supported flat slabs with partial or even total substitution of reinforcing steel bars constructed within the scope of this thesis provided the positive outcomes from both technical and sustainability perspectives, being a supporting evidence for this statement. Despite the successful experiences of FRC slab construction, the widespread use of this technology is still hindered because of a number of factors related to the general comprehension of the material’s properties, design procedure, and accurate assessment of both technological and economic aspects. In this context, further research is required to complement the current scope of knowledge, providing to practitioners and researchers a clear example of structural capacity of FRC column-supported flat slabs. Moreover, straightforward procedures focused on the design and following evaluation of the potential technological and economic benefits due to use of FRC should be de-rived. Therefore, a rather comprehensive doctoral thesis that covers the majority of the above-mentioned topics is proposed herein. The first part of the study focuses on the material characterization and analysis of the flexural behavior of FRC column-supported flat slab. A full-scale FRC slab was constructed and tested under different load magnitudes, assessing the structural response at both ultimate and serviceability limit states. The results derived proved the sufficient flexural strength at ultimate conditions along with the capacity of moment redistribution and the ductility of the system. Furthermore, the studied FRC slab evidenced the acceptable performance in terms of cracking and deflections. Subsequently, the straightforward design-oriented method is proposed to estimate the structural response of FRC column-supported flat slabs in terms of flexural strength, cracking control, and instantaneous deformations. The results derived were compared with a nonlinear analysis, highlighting a suitable accuracy and precision of the proposed approach. Finally, an industrial-oriented study was carried out with the main objective of elaborating a simplified method for the preliminary comparison of traditional and FRC solutions for column-supported flat slabs in terms of economic benefits. The results reflected an increment of direct costs for both fibre and hybrid (fibre + reinforcing steel bars, HFRC) solutions; however, these increments can be compensated by the reduction of the construction period and, as a consequence, time-dependent costs (i.e. preliminaries, equipment costs, overheads, and finance costs).

El hormigón reforzado con fibras (HRF) ha demostrado ser un material adecuado para elementos sujetos a condiciones de contorno que conducen a hiperestaticidad. La construcción de forjados de HRF soportados por pilares ha proporcionado resultados positivos tanto desde el punto de vista técnico como de la sostenibilidad. A pesar de las experiencias de éxito en la sustitución parcial o incluso total del refuerzo tradicional (barras de acero) por fibras, el uso de esta tecnología todavía sigue siendo limitada debido a una serie de factores relacionados con la compresión general de las propiedades de HRF, los métodos de diseño junto con el análisis de los aspectos tecnológicos y económicos. En este contexto, se hace necesario continuar investigando el comportamiento de las losas bidireccionales de HRF con el objeto de complementar el marco actual de conocimiento, proporcionando a los profesionales evidencias de la capacidad estructural de este tipo de elementos. Además, la industria requiere los métodos de diseño prácticos junto con herramientas para llevar a cabo el análisis comparativo de diferentes soluciones en términos de beneficios tecnológicos y económicos. Por este motivo, se plantea una tesis doctoral generalista que abarca la mayoría de los temas mencionados en el ámbito de la tecnología de los forjados de losa maciza de hormigón reforzado con fibras. La primera parte del estudio se enfoca en la caracterización del material y posterior análisis del comportamiento a flexión de un forjado de HRF soportado por pilares. Para ello, se ha construido y ensayado una losa a escala real bajo diferentes magnitudes de carga, evaluando la res-puesta estructural del elemento en estado límite de servicio y último. Los resultados obtenidos han mostrado la suficiente resistencia a flexión bajo las cargas últimas junto con una elevada ductilidad y capacidad de redistribuir los esfuerzos en el sistema hiperestático. Asimismo, la losa de HRF analizada ha cumplido con los requisitos del estado límite de fisuración y de deformaciones. Posteriormente, se propone un método de diseño analítico para estimar la respuesta estructural de las losas de HRF soportadas por pilares en términos de resistencia a flexión, control de fisuración y de deformaciones instantáneas. Los resultados derivados se compararon con un análisis no lineal mediante el método de los elementos finitos, destacando una precisión adecua-da desde el punto de vista ingenieril del método propuesto. En la última parte se presenta un método simplificado para llevar a cabo un análisis comparativo de soluciones tradicionales y de HRF para las losas apoyadas sobre pilares en términos eco-nómicos. Los resultados del estudio comparativo demostraron un incremento de los costes directos para las soluciones con fibra (sustitución parcial o total del refuerzo tradicional); sin embargo, este incremento de los costes puede compensarse debido a la reducción del periodo de construcción y, como consecuencia, reducción de los costes indirectos (costes de maquinaria y herramientas, gastos de administración y dirección técnica, costes financieros).