Dynamic loaded reinforced concrete: Influence of bond-slip behaviour

Abstract

Železobeton je jedním z nejpoužívanějších materiálů 20. století. Beton, který vykazuje schopnost odolávat tlakovým silám je kombinován s ocelí, která dokáže vzdorovat silám tahovým. Přenos sil mezi materiály je zajištěn soudržností. V případě, když se deformace betonu a oceli liší dochází k relativnímu posunu, který se nazývá pokluz výztuže. Konstrukce jsou vystaveny statickému zatížení, ale někdy také i dynamickému zatížení. Statické zatížení je zatížení, které je zůstává konstantní po celou dobu životnosti konstrukce. Naproti tomu dynamické rázové zatížení vzniká při střetu dvou těles. Síla v krátkém časovém intervalu rychle roste až do vrcholu a poté opět klesá na původní hodnotu. V této práci je zkoumáno chování soudržnosti betonu a výztuže při statickém a rázovém zatížení a různé metody numerické simulace.

Prvním úkolem této práce bylo vytvořit a provést zkoušku vytržení výztuže z betonu. Výsledky však byly ovlivněny chybou, a proto nemohly být použity k dalšímu zkoumání. Proto byla v literatuře nalezena data z jiného experimentu a vytvořen numerický model statické vytrhávací zkoušky a ten byl následně zkalibrován, aby odpovídal experimentální křivce. Dále byl použit experiment rázové vytrhávací zkoušky provedený na Chalmers University . Podle něj byl vytvořen a zkalibrován nový model s parametry vzešlými z předchozí simulace. Zkoumány byly různé hodnoty součinitele soudržnosti a dvě simulační metody ( metoda soudržnosti a metoda spojovacích prvků) , a to s ohledem na průhyb v čase a plastickou deformaci. Součástí této práce je také studie porovnávající výpočetní čas pro jednotlivé modely.

Výsledky obou metod jsou odlišné, ale srovnatelné. Metoda soudržnosti vykazuje sníženou tuhost při statickém zatížení, což koreluje s experimentálními výsledky. Jakmile však začne nelineární chování, metoda soudržnosti podhodnocuje experimentální výsledky a v tomto okamžiku lépe vystihuje experiment metoda spojovacích prvků. Při rázovém zatížení je metoda spojovacích prvků efektivnější z hlediska správného vystižení způsobu porušení a je časově úspornější. Metoda soudržnosti vykazuje výsledky bližší výsledkům experimentu, pokud jde o průhyb v čase. Bylo také zjištěno, že nižší soudržnost vede primárně k porušení v ohybu, což je pozitivní jev, protože toto porušení je méně křehké než porušení ve smyku.

Reinforced concrete is one of the most widely used materials of the 20th century. Concrete, which exhibits good abilities in resisting compressive forces, is combined with steel, which can resist tensile forces. The transfer of the forces between the materials is guaranteed by the phenomenon of bond. In a section, where strain in concrete and steel is different, a relative displacement occurs which is called bond-slip behaviour. Structures are subjected to a static load and sometimes also a dynamic load. A static load is a load that remains constant throughout the lifespan of a structure. In contrast, a dynamic impact load occurs when two bodies collide. The force grows rapidly in a short time interval until a peak and then drops again to the initial value. In this thesis, bond-slip behaviour of concrete and reinforcement under static and impact loading, as well as various numerical simulation methods, are investigated.

The first aim of the thesis was to design and conduct a series of pull-out experiments. The results were considered erroneous and therefore unsuitable to be a base for numerical investigations. Therefore, experimental data were obtained from the literature. The static pull-out model was created and calibrated to fit the experimental curve. In the next step, the impact loading experiment conducted in Chalmers University was utilized to create and calibrate a new model, with the parameters determined during previous calibration. Different bond coefficients and two simulation methods (Cohesive method, Connector method) were studied regarding deflection over time and plastic strain. Computational time study is also a part of this thesis.

The results of the two methods are different but comparable. The Cohesive method exhibits reduced stiffness under static loading, which correlates with experimental results, but when the non-linear behaviour initiates, it underestimates the experimental response and at that moment the Connector method is a better representation. Under impact loading, the Connector method is more effective in demonstrating the failure mode and is more time-efficient. The Cohesive method gives results that are closer to the experiment in regards to deflection over time. It was also discovered that lower bond strength primarily results in bending failure, which is a positive effect as this failure is less brittle than shear failure.