Non-linear behaviour of insufficiently grouted posttensioned concrete members
Abstract
Denne masteroppgaven har som mål å undersøke de konstruksjonstekniske effektene av manglende mørtel i etteroppspente betongkonstruksjoner. Dette ble gjort ved å gjennomføre ikke-lineære analyser i elementmetodeprogrammet DIANA10.
Oppgaven er delt inn i to hoveddeler. Den første delen av oppgaven baserer seg på å gjenskape forsøk funnet i forskningsartikler for å få nærmere kjennskap til programmet. Forsøkene som ble modellert var firepunkts bøyetester på en passivarmert, og to etteroppspente bjelker. Ved å sammenligne de numeriske resultatene med forsøkene, kunne det bekreftes at modellene var korrekte, og at de valgte innstillingene og iterasjonsmetodene kunne brukes videre i arbeidet. En av de etteroppspente bjelkemodellene ble deretter brukt videre for å kartlegge hvordan manglende mørtel kan modelleres i DIANA, dette ved hjelp av et konsept kalt "bond-slip reinforcements". Dette konseptet går ut på at den forspente armeringen modelleres diskret, med elementer på overflaten som kalles "interface elements". Ved å regulere normal- og skjærstivheten på disse elementene, kan graden av heft mellom betong og stål justeres. For å finne korrekt stivhet på "iterface elements", ble det gjennomført en parameterstudie. Parameterstudien viste at stivheten på "interface elements" i stor grad påvirket spennkrafttapet under oppspenning.
I den andre delen av oppgaven ble det forsøkt å knytte problemstillingen til eksisterende konstruksjoner. Dette ble gjort ved å modellere et generelt bjelkebruspenn, inspirert av Rossvollbrua. Videre ble det regnet på opptredende trafikklaster etter "Håndbok R412 - Bruklassifisering". En ny parameterstudie av stivhetsparametere ble gjennomført, ettersom stivheten til "interface elements" er avhengig av modellens elementstørrelse og armeringens geometri. Det viste seg at stivhetsparameterene som ga den minste forskjellen mellom numeriske og eksperimentelle resultater i del én, ikke kunne brukes for brumodellen. Til slutt ble det utført en ikke-lineær analyse av brumodellen.
Resultatene fra bjelkemodellene og brumodellen viste de samme tendensene. Det ble funnet svært liten forskjell mellom oppførselen til et fullstendig mørtelinjisert og et uinjisert spennarmeringsrør. Frem til oppsprekking hadde de to modellene helt lik lineær oppførsel. For den ikke-lineære delen av last-deformasjonskurven og frem til brudd, hadde modellen uten mørtel en noe lavere lastkapasitet, og ved brudd var denne 7,6% lavere for bjelkemodellen, og 1,8% lavere for brumodellen. Sprekkemønsteret var også svært likt, uavhengig av om mørtel var til stede, men resultatene antyder at sprekkene konsentreres i grupper for uinjiserte spennarmeringsrør. The purpose of this master thesis was to investigate the structural effects of insufficiently grouted post-tensioned concrete members. This was carried out by performing non-linear analyses in the Finite element analysis program DIANA10.
The thesis is divided into two main parts. Part I was based on the recreation of experiments to gain a greater knowledge of the program. The modelled experiments were four-point bending tests performed on one ordinary reinforced beam and two post-tensioned beams. By comparing the numerical results to the experiments, it could be confirmed that the modelling and iterative analyses were correctly performed and could be used in the further work. One of the post-tensioned beam models was used to investigate how insufficient grouting can be modeled in DIANA by using a concept called "bond-slip reinforcements". This concept allows the user to model the tendon discretely with interface elements. By adjusting the normal and shear stiffness of these elements, the level of bonding could be defined. To find appropriate values for the stiffnesses of these elements, a parametric study was performed. The study demonstrated that the choice of stiffnesses had a great impact on the loss of prestress in the tendon.
In Part II of the thesis, the research question was connected to real structures. This was done by modelling a generic span of a post-tensioned beam bridge, inspired by the bridge Rossvollbrua. "Håndbok R412 - Bruklassifisering" was used to calculate the relevant traffic loads. A new parametric study of the stiffness parameters on the tendon interfaces was performed, as these parameters proved to depend greatly on the element size and geometry of the tendon. Finally, a non-linear analysis was performed on the bridge model.
The results from the beam models and the bridge model showed the same tendencies. The difference between the behaviour of a completely grouted tendon and a tendon without any grouting was small. Until the point of cracking, the two models had the same linear behaviour. For the non-linear part of the load-deformation curves, the ungrouted model had a slightly lower capacity, giving a 7,6 % reduction of ultimate load capacity for the beam models and a 1,8 % lower capacity for the bridge model. The crack pattern when comparing the two cases were very similar, but the results suggest that the cracks of an ungrouted concrete member are concentrated in groups, contrary to the more evenly distributed cracks of a grouted concrete member.