Fibre Reinforced Concrete in Load-Carrying Structures: Structural Behaviour and Evaluation of Calculation Methods

Abstract

Denne masteroppgaven undersøker bruken av fiberarmert betong i bærende konstruksjoner. En fullskala forsøkserie er gjennomført for 16 plateelementer relatert til prosjektet Fibercon. I tillegg er det gjennomført et omfattende litteraturstudie om potensialet til fiberarmert betong. Målet var å sammenligne ulike støpemetoder for vertikal- og horisontalstøpte elementer. Samtidig sammenligne bruken av stål- og basaltfiber, både med og uten tradisjonell armering. I tillegg er fibermengde og -fordeling undersøkt, relatert til elementenes kapasitet og riss-mønster. Videre er testresultatene sammenlignet med resultatene fra beregningsregler i henhold til EC2 og NB38.

Resultatene er oppnådd gjennom laboratorietester og beregninger. For å fastslå de mekaniske egenskapene benyttes trykktesting av betong og trepunkts bøyetest. Disse egenskapene danner grunnlaget for beregninger på elementer. Beregningsmetodikken for fiberarmert betong er utført i henhold til EC2 og NB38. Momentkapasiteten til plateelementene er beregnet ved bruk av bruddlinjeteori og stripemetoden. Det ble gjennomført bøyetest av plater med opplegg på alle sider. Last-deformasjonskruven og riss utviklingen ble registrert fra dette forsøket. For å undersøke bakgrunnen for variasjonen i testresultatet ble fiberorientering og -fordeling bestemt gjennom induktiv testing.

Resultatene viser en betydelig høyere kapasitet for fiberarmert betong når tradisjonell armering er inkludert. Det ble oppnådd høyere kapasitet for horisontalstøpte elementer på grunn av gunstig fiberorientering. Elementene oppførte seg forskjellig avhengig av fibertype og betongblanding. Den stabile, selvkomprimerende betongen med stålfiber oppnådde høyest kapasitet for horisontalstøpte elementer. Videre viser vibrert betong høyest kapasitet for vertikalstøpte elementer. Fra beregningene av vegger med bare fiberarmert betong ble orienteringsfaktoren sett på som for konservativ. Når det gjelder beregning av rissvidde, viser resultatene i bruksgrensetilstand en oversstemmelse med EC2 sammenlignet med NB38.

This thesis examines the use of fibre reinforced concrete in load-bearing structures. A full-scale experimental investigation has been conducted for 16 plate elements, related to the project Fibercon. Prior to this, a comprehensive literature study regarding the potential of fibre reinforced concrete. The objective was to compare different casting methods for horizontal and vertical casted elements. The comparison involved the use of steel- and basalt fibre, with and without the inclusion of rebars. Also, the fibre content and distribution related to the obtained capacity and crack pattern for the elements have been investigated. Moreover, the obtained test results have been compared with the results derived from calculation rules according to EC2 and NB38.

The results are obtained by performing laboratory experiments and calculations. To determine the mechanical properties, the compression test and the three-point bending test are conducted. These properties form the basis for calculations performed on the plate elements. The calculation methodology for fibre reinforced concrete is done according to EC2 and NB38. The moment capacity of the plate elements is performed with both yield line analysis and strip method. Then, the full-scale experiment was conducted as a plate bending test with elements supported on all four sides. From this test, the load-displacement curve and the crack propagation are obtained. To justify variation in test results, the fibre orientation and distribution are determined by inductive test.

The results show a significantly higher capacity for fibre reinforced concrete when conventional reinforcement is included. In general, the highest capacity was achieved for the horizontally casted element due to favourable fibre orientation. However, the elements performed differently depending on fibre type and concrete mixtures. The stable self compacting concrete with steel fibre exhibits the highest capacity for horizontally casted elements. Further, the vibrator compacted concrete exhibits the highest capacity for the vertical casted elements. From the calculations, the orientation factor for walls, only reinforced with fibres, was found to be notably conservative. Also, the crack width calculations according to EC2 provide accurate results in the serviceability limit state compared to NB38.