Note: Forschungsauftrag AGB 2005/004, VSS Bericht Nr 644, Janvier Reference EPFL-REPORT-163980 Record created on 2011-03-02, modified on 2016-08-09

The resistance as well as strain hardening and softening properties of UHPFRC depend on the type of matrix and mainly on the initial fibre dosage and final fibre distribution and orientation in the cast element. According to the final fibre distribution and orientation these properties may vary in a wide range. The strength and deformability distribution in a thin UHPFRC panel is studied. Tensile and flexural specimens cut in different directions and at different positions in the panel are analysed in order to determine locally the mechanical material properties. The real fibre dosage, distribution and orientation are determined. The results show a wide scatter of the mechanical properties, whereas the physical properties, especially the air permeability, are not affected by the mechanical scatter.

Structural Behaviour of Composite Elements Combining Reinforced Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concrete (UHPFRC) and Reinforced Concrete Due to their high strengths, high deformability and low permeability Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concretes (UHPFRC) are suitable for the improvement and rehabilitation of existing concrete structures. Thin layers of reinforced UHPFRC that are applied to existing concrete members, increase both the load bearing capacity and the serviceability. By comprehensive experimental studies the behaviour of UHPFRC with additional bar reinforcement was investigated. The reinforcement of UHPFRC is advantageous in order to increase the strain hardening capacity of UHPFRC, its load bearing capacity and to reduce the scatter of its mechanical properties. Low or high strength steel grades with various surface characteristics can be used as reinforcement of UHPFRC. Finally two on site applications are presented.

Der Beitrag behandelt das Tragverhalten von Stahlbetonbauteilen, auf die duenne Schichten von Ultra-Hochleistungs-Faserbeton (UHFB) aufgebracht wurden. Die Untersuchungen umfassen zwei Arten von Ergaenzungen. Das ist zum einen eine 25 bis 30 mm dicke UHFB-Schicht, die lediglich eine Schutz- und Abdichtungsfunktion ausuebt, zum anderen eine bewehrte UHFB-Schicht von 30 bis 80 mm Dicke, die die Tragfaehigkeit erhoehen und gleichzeitig eine Schutzfunktion ausueben soll. Die Eigenschaften beider Varianten wurden in umfangreichen Versuchsreihen ermittelt, wobei das besondere Interesse dem Einfluss des Bewehrungstahls mit fuenf untersuchten Stahlsorten galt. Die zunaechst durchgefuehrten Laborversuche umfassten die experimentelle Untersuchung von Einzelaspekten des bewehrten UHFB. Dazu gehoerten Ausziehversuche zur Bestimmung der Verbundspannungs-Schlupfbeziehungen sowie einachsiale Zugversuche zur Ermittlung der Spannungs-Dehnungsbeziehungen und der Spannungs-Rissoeffnungsbeziehungen. An die Laborversuche schloss sich die Ermittlung des Tragverhaltens von Stahlbetonbauteilen mit einer Deckschicht aus bewehrtem UHFB durch Pruefung von Biegebalken an. Die Ausziehversuche lieferten charakteristische Verbundspannungs-Schlupfbeziehungen fuer alle untersuchten Stahlsorten. Mit den einachsialen Zugversuchen konnten Erkenntnisse ueber die Interaktion zwischen dem faserbewehrten UHFB und der Betonstahlbewehrung gewonnen werden. Bei allen Bewehrungsarten konnte eine Verfestigung des UHFB bis mindestens zu einer Dehnung von 3,5 Promille erreicht werden. Es kann festgehalten werden, dass die eingelegte Betonstahlbewehrung sowohl das Verformungsvermoegen als auch die Tragfaehigkeit des UHFB positiv beeinflusst. Bei den Biegeversuchen wurde deutlich, dass die Betonstahlbewehrung den Grossteil der Steigerung der Bauteiltragfaehigkeit bewirkt. Die Ausbildung eines abgeschlossenen Rissbildes ist durch die UHFB-Schicht nicht behindert. Allerdings besteht eine Inkompatibilitaet der Verfomungen zwischen dem abgeschlossenen Rissbild des Stahlbetons und der lokalen Makrorissbildung in der UHFB-Schicht. Dies fuehrt zu einem schlagartigen Abschaelen des UHFB, wenn die Bewehrung im UHFB versagt. Der Bericht stellt auch zwei Anwendungsbeispiele von Deckschichten aus bewehrtem UHFB vor. Das ist zum einen die Erhoehung der Tragfaehigkeit einer Hochbaudecke, zum anderen die Instandsetzung und Verstaerkung der Fahrbahnplatte einer Stahlbeton-Bogenbruecke. ABSTRACT IN ENGLISH: Due to their high strengths, high deformability and low permeability Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concretes (UHPFRC) are suitable for the improvement and rehabilitation of existing concrete structures. Thin layers of reinforced UHPFRC that are applied to existing concrete members, increase both the load bearing capacity and the serviceability. By comprehensive experimental studies the behaviour of UHPFRC with additional bar reinforcement was investigated. The reinforcement UHPFRC is advantageous in order to increase the strain hardening capacity of UHPFRC, its load bearing capacity and to reduce the scatter of its mechanical properties. Low or high strength steel grades with various surface chacteristics can be used as reinforcement of UHPFRC. Finally two on site applications are presented. (A)

Aujourd’hui, le beton arme est le materiau de construction le plus utilise. Il possede une performance satisfaisante dans la plupart des applications, cependant il presente un manque de durabilite sous des conditions severes, en particulier dans le cas des structures existantes construites il a y plusieurs decades qui peuvent presenter des degâts importants. L’utilisation des betons fibres ultra-performants (BFUP) dans des elements composes pour augmenter la durabilite est une option prometteuse, vu le potentiel extraordinaire de ces materiaux. Dans ce type d’applications le retrait des couches protectrices en BFUP entrave par le beton existant joue un role important. Une section transversale d’un pont conceptuel, compose de beton arme et de BFUP, a ete analysee numeriquement. Deux parametres principaux, la resistance en traction ainsi que la capacite d’ecrouissage ont ete varies. L’analyse montre l’importance de l’ecrouissage du BFUP, l’influence de sa resistance en traction sur la reponse structurale dans des conditions de retrait entrave (deformation imposee), ainsi que sous l’effet des charges de trafic (force imposee). Les resultats obtenus valident l’utilisation de couches minces en BFUP pour l’augmentation de la durabilite des ouvrages en beton.

Reinforced concrete being the most applied construction material today performs very well in most applications but still lacks durability under severe environmental conditions. Especially existing structures built decades ago show degradation. Using Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) to improve durability is a promising option seen the extraordinary performance of this material when applied in a composite section. Restrained shrinkage of the overlay plays an important role in this type of application. A conceptual bridge cross section combining UHPFRC and reinforced concrete has been numerically analysed. Two main parameters, tensile strength and strain hardening capacity, were varied. The analysis indicates the importance of strain hardening of UHPFRC and the influence of its tensile strength on the structural response under restrained shrinkage (deformation controlled loading) and traffic loads (force controlled loading). The results validate the concept of using a UHPFRC layer to improve the structural durability of concrete constructions.

Specific parts of reinforced concrete structures such as crash barrier walls on highway bridges suffer from severe exposure to concrete aggressive substances such as de-icing salts and impact like action. Such elements often show insufficient durability when built using conventional reinforced concrete.