Flexural fatigue of pre-cracked fibre reinforced concrete: experimental study and numerical modelling

Abstract

Fibre reinforced concrete (FRC) is recognized as suitable material for structural applications. The number of national codes that have approved it is an evidence. Structures where FRC is generally used can be subjected to fatigue loads and are expected to resist millions of cycles during their service life. Cyclic loads affect significantly the characteristics of materials and can cause fatigue failures. The most demanded cross-sections being cracked under tensile stresses due to direct loads or imposed deformations. Commonly, publications report fatigue behaviour of concrete under compression and are valid for uncracked sections. Imprecision in fatigue prescriptions are reflected through formulation of models that contemplate a probabilistic approach, or an introduction of high safety coefficients within construction codes. The aim of the present doctoral thesis is to perform a structural design oriented analysis on the behaviour of pre-cracked FRC subjected to flexural fatigue loads. FRC with steel and polypropylene fibre with different volume content were investigated by means of three-point bending tests, considering an initial crack width accepted in the service limit state. The mechanical behaviour of FRC were analysed in terms of applied load level, crack opening displacement (CMOD) and fatigue life. The residual flexural tensile strength was assessed after these tests to estimate the impact of the cycles in the remaining resistant capacity of the specimens. Results suggest that the mechanism of crack propagation is independent of the fibre type and content and the monotonic load-crack opening displacement curve might be used as deformation failure criterion for FRC under flexural fatigue loading. The conducted probabilistic approach allows predicting the fatigue strength of concrete reinforced with steel fibres. The findings postulate the proposal of a model to predict the evolution of the crack-opening and the remaining resistant capacity. An optimisation procedure is proposed to derive the model parameters using a limited number of initial load cycles. This doctoral thesis provides knowledge and data that may aid further research and contribute to the future development of design recommendations.

El hormigón reforzado con fibra (FRC) se reconoce como material adecuado para aplicaciones estructurales. El número de normativas que lo han aprobado es una evidencia. Las estructuras donde generalmente se usa FRC pueden estar sujetas a cargas de fatiga y se espera que resistan millones de ciclos durante su vida útil. Las cargas cíclicas afectan significativamente a las características de los materiales y pueden causar roturas por fatiga. Las secciones transversales más demandadas se fisuran bajo tensión debido a cargas directas o deformaciones impuestas. Comúnmente, las publicaciones informan del comportamiento de fatiga del hormigón bajo compresión y son válidas para secciones no fisuradas. La imprecisión de las recomendaciones se refleja a través de la formulación de modelos que contemplan un enfoque probabilístico o la introducción de altos coeficientes de seguridad dentro de los códigos de construcción. El objetivo de la presente tesis doctoral es realizar un análisis orientado al diseño estructural sobre el comportamiento del FRC pre-fisurado sometido a cargas de fatiga por flexión. Se investigaron FRC con fibras de acero y polipropileno con diferentes contenidos de fibras mediante pruebas de flexotracción a tres puntos, considerando un ancho de fisura inicial aceptado en el estado límite de servicio. El comportamiento mecánico del FRC se analizó en términos de nivel de carga aplicada, desplazamiento de apertura de fisura (CMOD) y vida útil bajo fatiga. La resistencia residual a flexotracción se evaluó después de los ciclos de fatiga para estimar el impacto de los ciclos en la capacidad de resistencia restante de las muestras. Los resultados sugieren que el mecanismo de propagación de fisuras es independiente del tipo y contenido de fibra y la curva monotónica de CMOD podría ser utilizada como criterio de falla de deformación para FRC bajo carga de fatiga por flexotracción. El enfoque probabilístico realizado permite predecir la resistencia a la fatiga del hormigón reforzado con fibras de acero. Los resultados postulan la propuesta de un modelo para predecir la evolución de la apertura de fisura y la capacidad resistente remanente. Se propone un procedimiento de optimización para derivar los parámetros del modelo utilizando un número limitado de ciclos de carga inicial. Esta tesis doctoral proporciona conocimiento y datos que pueden ayudar a futuras investigaciones y contribuir al desarrollo futuro de recomendaciones de diseño.