Fiberarmerte betongkonstruksjoner: Prøving av prefabrikerte bjelker med oppleggsnese

Abstract

Oppgaven har sett på bruk av fiberarmert betong i lastbærende konstruksjoner med utgangspunkt i en oppleggsnese ved bjelkeende. Det er utført fullskala laboratorieforsøk av 16 bjelkeneser med ulik armering og fiberbetongtype.

Oppgaven begynner med et litteraturstudie. Litteraturdelen baserer seg på tidligere forskning innenfor fiberbetong og fiberarmerte konstruksjoner. Det blir vurdert ulike fibertyper, fibrenes materialegenskaper samt fibrenes egenskaper i betong. Det finnes ingen dimensjonsregler for fiberbetong som er godkjent til bruk i lastbærende konstruksjoner, men et forslag til slike dimensjoneringsregler er under utarbeidelse av COIN. I oppgaven fokuseres det på beregningsmodeller present i COIN- rapport 2010, men også andre publiserte beregningsmodeller for dimensjonering av fiberbetong er blitt vurdert.

Det ble valgt å undersøke to forskjellige fiberbetongtyper, en med 1 vol% Dramix 65/60 stålfiber og en med en blanding av 0,75 vol% Dramix 65/60 og 0,75 vol% Shogun BarChip48 syntetiske fibre. For å finne en støpbar selvkomprimerende betong ble det foretatt prøvestøp med fiberbetong hvor synk, utbredelse og eventuell separasjon ble vurdert. Prøvestøpen resulterte i to tilfredsstillende betongresepter som ble benyttet i fullskala laboratorieforsøk.

Utstøpingen av fullskalabjelkene ble utført hos Spenncon avd. Verdal. Det ble støpt ut tilsammen 8 bjelker med oppleggsnese i begge endene slik at det kunne utføres to forsøk på hver bjelke. Det ble også støpt ut til sammen 12 standardbjelker for måling av fibrenes reststrekkfasthet og 12 terninger for trykktesting av de to valgte fiberbetongene. Terningene ble trykktestet etter 28 døgns fasthetsutvikling. Standardbjelkene ble testet i 3 punktsforsøksrigg i henhold til prøvemetode NS-EN 14651. Resultatene fra denne prøvemetoden gir et grunnlag for beregning av fiberbetong som skal være gjeldende for alle typer fiberarmerte konstruksjoner.

Fullskalabjelkene ble testet i laboratorium ved Institutt for Konstruksjonsteknikk ved NTNU.Instrumentering av bjelkenesen hadde som formål å måle tøyning i armering, trykktøyninger i betongen og rissutviklinger. I tillegg ble det målt nedbøying av bjelken. Målinger fra instrumenteringen ble loggført ved pålasting. De fiberarmerte bjelkene ble sammenlignet med en tradisjonelt armert bjelke med standard B45 betong. Det ble funnet at fiberbetongbjelkene oppnådde lik kapasitet og lignende duktilitet som referansebjelken selv med betydelig reduksjon av armeringsmengden i oppleggsnesen. Dette beviser at bruk av fiberarmert betong er gunstig for bjelker med oppleggsnese. Syntetiske fibre viste seg imidlertid å være lite egnet til å oppta skjærbelastninger.

Det er blitt foretatt kapasitetsberegninger av bjelkenesene basert på COIN-rapport 2010både med målt- og teoretisk utledet reststrekkfasthet. For de fiberarmerte bjelkene med vertikalarmering stemte beregningene godt overens med testresultatene. Det ble foretatt fibertelling av fullskalabjelker for å vurdere fibrenes orientering i betongen. Det ble funnet en høyere orienteringsfaktor for fibrene i NS-EN 14651 bjelkene enn i fullskalabjelkene. Dette tyder på at reststrekkfastheten som blir funnet i benyttet prøvemetode gir høyere verdier enn for bjelker med større dimensjoner.

This paper considers the use of fiber-reinforced concrete in load-bearing structures. The main focus is on a dapped beam end. Full scale laboratory testing was performed on 16 dapped beam ends where the reinforcement and types of fiber-reinforced concrete varies.

The paper opens with a literary study. This study is based on previous and current researchin the field of fiber-reinforced concrete. The rapport evaluates different types of fibers, thematerial properties of the fibers and the behavior of fiber-reinforced concrete. There are currently no approved design rules on the use of fiber-reinforced concrete in load-bearing structures, but a proposal for such design rules are being prepared by COIN. This paper focuses on the COIN-report 2010, but also other published models for the design of fiberreinforced concrete has been considered.

It was chosen to investigate two different types of fiber-reinforced concrete, one with 1 vol% Dramix 65/60 steel fibers and one with a mixture of 0.75 vol% Dramix 65/60 and 0.75 vol% Shogun BarChip 48 synthetic fibers. Several tests were performed to find a flowable selfcompacting concrete. These tests resulted in two satisfactory concrete recipes that were used in the full-scale beams.

The full-scale beams were cast at the Spenncon factory in Verdal. 8 beams with dapped beam ends at both sides were cast with the purpose of performing two laboratory tests on each beam. In addition to this 12 small-scale beams and 12 cubes were cast to measure there sidual tensile strength and the compressive strength of the concrete. Compression tests of the cubes were performed after 28 days of hardening. The small-scale beams underwent a 3point bending test according to NS-EN 14651. The residual tensile strength from this test is the foundation for calculating the capacity of fiber-reinforced concrete and is supposed to be valid for all types of fiber-reinforced concrete structures.

The full-scale beams were tested in the laboratory at the department of structural engineering at NTNU. Strain in the reinforcement, strain in the concrete, propagation of cracks and beam deflection was measured. The fiber-reinforced beams were compared to a conventionally reinforced beam cast with a standard B 45 concrete. Results from the fullscale tests displayed that the fiber-reinforced beams achieved the same capacity and similar ductility as the reference beam even with a significant reduction in reinforcement at the dapped beam end. This proves that the use of fibre-reinforced concrete on dapped beamends is favorable. The synthetic fibers were however not effective in carrying shear loads.

Capacity calculations were performed on the beams based on the COIN-report 2010, with both measured and theoretically derived residual tensile strength. For the beams reinforced with vertical reinforcement the calculations are conservative and consistent with test results.It was performed a fiber count of the full-scale and small-scale beams to assess the orientation of the fibers in the concrete. There was a higher orientation factor for the fibers inthe EN-14651 beams than in the full-scale beams. This suggests that the residual tensile strength that was found in the above mentioned test method gives higher values than for beams with larger dimensions.