Evaluering av beregningsmetoder for fiberarmert betong i bruddgrensetilstand

Abstract

Dagens bruk av fiberarmering er begrenset til konstruksjoner hvor brudd ikke forårsaker nedfallsfare, som i sprøytebetong og gulv på grunn. Fiberarmering har stort potensial og kan bidra til mer optimalisert utførelse med tanke på miljø og økonomi. Derfor har det de senere årene blitt forsket mye for å undersøke om bruken av fiberarmering også kan utvides til bærende konstruksjonsdeler. Denne masteroppgaven inngår i et større forskningsprosjekt med navn FiberCon. Entreprenører, byggherrer og rådgivere innenfor betongbransjen tar del i forskningen, hvor målet er å legge til rette for verdiskapning og være bidragsytende til å kutte klimautslipp i byggindustrien.

Norsk betongforenings publikasjon 38: fiberarmert betong i bærende konstruksjoner (NB38) er i dag eneste norske retningslinjer for prosjektering av fiberarmert betong. Det arbeides også med en revisjon av Eurokode 2, hvor et nytt tilhørende anneks omhandler fiberarmering (Fpr 1992-1-1, Anneks L).

Gjennom arbeidet med oppgaven er det gjennomført forsøk av 16 kvadratiske fiberarmerte betongelementer utsatt for bøye-moment. Elementene er støpt etter forskjellig støpemetode og utforming, hvor ulike variasjoner er: betong/fiberkombinasjon, støpeorientering, med/uten stangarmering og elementdimensjon. Strekkegenskapene (restbøyestrekkfastheten) til de forskjellige betongbatchene benyttet i forsøket, er bestemt med 3-punkts bjelketest iht. NS-EN 14651. Det er også gjennomført induktive tester av kuber skåret fra bjelkeneprøvene for å evaluere sammenheng mellom restbøyestrekkfasthet, fiberorientering og fiberinnhold.

Momentkapasiteten er beregnet etter NB38 og Anneks L, og er deretter regnet om til teoretisk bruddlast ved hjelp av stripe-, flytlinje-, og lineærelastisk elementmetode. Det er også beregnet kapasitet og teoretisk bruddlast mot gjennomlokking. Målet med oppgaven er å evaluere hvor godt beregnet bruddlast stemmer med forsøkene og hvilke faktorer som påvirker fibrenes bidrag til bæreevne.

Teoretisk bruddlast fra bøyemoment beregnet etter de to publikasjonene stemmer godt overens med forsøksresultatene. Ved bruk av bruddlinjeteori overstiger enkelte elementer, armert med en kombinasjon av fiber og stangarmering, målt bruddlast. Om man kun evaluerer de elastiske beregningene gir også disse elementene gode svar sammenlignet med testresultatene. For veggelementer kun armert med fiber er beregningene generelt for konservative. Ingen av platene i forsøket utviklet gjennomlokkingsbrudd og resultatene viser derfor at kapasiteten mot gjennomlokking er høyere enn for moment.

Resultatene gir også tydelige indikasjoner på hvordan stangarmering og støpemetodene påvirker fiberfordeling og fiberorientering. Fibrenes bidrag til bæreevne reduseres når slakkarmering introduseres. Hvorvidt elementene er støpt horisontalt som plate eller vertikalt som vegg, har også betydelig innvirkning på fiberbidraget. Her er det tydelig at horisontalt støpte plater får en mer gunstig fiberfordeling og derav høyere kapasitet. Stålfibre virker til å være mer sensitive for støpeorientering sammenlignet med basaltfibre. Disse funnene stemmer godt overens med resultater fra tidligere forskning.

The current use of fiber reinforcement is limited to structures where failure does not pose a risk of collapse, such as shotcrete and ground slabs. Fiber reinforcement has great potential and can contribute to more optimized solutions in terms of environmental and economic considerations. Therefore, extensive research has been conducted in recent years to investigate the possibility of expanding the use of fiber reinforcement to load-bearing structural elements. This master’s thesis is part of a larger research project called FiberCon. Contractors, developers and cosultants in the concrete industry participate in the research, with the goal of value creation and contribution to reduce carbon emissions from the construction industry.

The Norwegian Concrete Association’s publication 38: Fiber-reinforced concrete in load-bearing structures (NB38) is currently the only Norwegian guideline for the design of fiber-reinforced concrete. Work is also underway to revise Eurocode 2, where a new annex addresses fiber reinforcement (Fpr 1992-1-1, Annex L).

During the work on this thesis, experiments were conducted on 16 square fiber-reinforced concrete elements subjected to concentrated loads, inducing bending moments. The elements were cast using different casting methods and designs, with various variations including concrete/fiber combinations, casting orientation, with/without steel bar reinforcement and element dimensions. The tensile properties (residual flexural tensile strength) of the different concrete batches used in the experiment were determined through 3-point bending tests according to NS-EN 14651. Inductive tests were also conducted on cubes cut from the beam specimens to evaluate the relationship between residual flexural tensile strength, fiber orientation, and fiber content.

The moment capacity was calculated according to NB38 and Annex L, and then converted to failure loads using the strip method, yield-line method, and linear elastic element methods. Capacity and theoretical ultimate load against punching shear were also calculated. The aim of the assignment is to evaluate how well the calculated ultimate load corresponds to the experiments and to identify factors that affect the contribution of fibers to the load-bearing capacity.

The theoretically calculated ultimate load based on the two publications corresponds well with the experimental results. Some elements, reinforced with a combination of fiber and rebar, exceed the measured failure loads when using yield-line theory. If only the elastic calculations are evaluated, they provide good results for these elements compared to the test results. For wall elements only reinforced with fibers the calculations where generally too conservative. None of the plates in the experiment developed punching shear failure, indicating that the capacity against punching is higher compared to moment capacity.

The results also provide clear indications of how steel reinforcement and casting methods affect fiber distribution and orientation. The contribution of fibers to load-bearing capacity decreases when bar reinforcement was introduced. Whether the elements are cast horizontally as slabs or vertically as walls also has a significant impact on fiber contribution. Horizontally cast plates got a more favorable fiber distribution and therefore higher capacity. Steel fibers appeared to be more sensitive to the casting proces compared to basalt fibers. These findings align well with previous research results.