Design of reinforced concrete slabs under the combined effect of restrained shrinkage and applied loads

Abstract

O controlo da fissuração em estruturas de betão armado (BA) é essencial para o correto funcionamento em serviço, ao longo do respetivo período de vida útil, sem custos de manutenção acrescidos. As recomendações e códigos de dimensionamento atuais fornecem metodologias para dimensionamento de elementos de BA sujeitos aos efeitos independentes de carregamento externo ou deformações impostas restringidas. No entanto, o cálculo de forças de restrição atuantes e de abertura de fendas em estruturas sujeitas à combinação dos dois efeitos é ainda um desafio devido à falta de conhecimento sobre a complexa interação que existe entre os efeitos da flexão, viscoelasticidade e deformações impostas no desenvolvimento da fissuração. Tendo como objetivo aprofundar os conhecimentos em relação à combinação de efeitos acima descritos, é apresentado um novo método experimental para ensaio de elementos de betão (tipo laje) restringidos. Este método consiste na utilização de um dispositivo para restrição axial de um elemento de BA sujeito, simultaneamente, a esforços de flexão e de corte. A restrição das deformações impostas é realizada através de atuadores hidráulicos conectados a uma das extremidades do proves, permitindo o ajuste progressivo do esforço axial atuante de forma a controlar a deformação de uma região de controlo previamente definida (restrição ativa). A campanha experimental apresentada fornece uma base de dados importante para validação de abordagens numérica e analíticas para previsão do comportamento estrutural em lajes restringidas sujeitas a cargas de serviço. O comportamento higro-mecânico dos provetes ensaiados é simulado com um modelo 3D multi-físico baseado no método de elementos finitos. A mesma estratégia de simulação, é adotada na análise de um caso de estudo referente ao comportamento em serviço de uma laje unidirecional totalmente restringida e sujeita a uma combinação de ações quase-permanente. É ainda proposto um método simplificado, baseado na compatibilidade de deformações, para estimativa da força de restrição atuante a longo prazo em estruturas longitudinalmente restringidas. Este método é validado com base nas análises experimentais e numérica abordadas nesta dissertação e pode ser aplicado em combinação com as formulações mais recentes para cálculo de abertura de fenda em estruturas de betão armado, considerando um cenário de flexão composta.

Cracking control of reinforced concrete (RC) is of paramount importance to ensure a proper service behaviour on RC structures, during their lifespan, without excessive maintenance costs. Current design codes and recommendations for RC structures provide methodologies for reinforcement design on elements subjected to the independent effects of either external loads or restraints due to imposed deformations. However, the determination of restraint forces and crack width control in structures subjected to the combination of such two effects is still a challenge, due to the lack of knowledge about the complex interplay between the effects of bending, viscoelasticity and imposed deformations on crack width development. To further investigate the aforementioned effects and their intricate interplay, a new experimental method is applied, in which a restraining device is used to constrain the axial deformation of a slab-like specimen, while allowing it to simultaneously endure bending and shear stresses. The deformation is restrained by two hydraulic actuators connected to one of the slab extremities, allowing a progressive adjustment of the axial force installed whilst controlling the deformation on a pre-defined region (active restraint). The experimental campaign provides an important and unprecedented database for validation of numerical and analytical approaches for prediction of the structural behaviour of restrained slabs subjected to service load. In this work, the hygro-mechanical behaviour of the tested specimens is simulated with a 3D Finite Element (FE) based multi-physics framework. Upon experimental validation of the multi-physics approach, the same numerical simulation strategy is used for the analysis of a case study regarding the serviceability behaviour of a fully restrained one-way slab, subjected to a quasi-permanent load combination. A simplified method based on the compatibility of deformation is also proposed for estimation of the long-term restraint forces. This method is validated with both experimental and numerical (based on multi-physics approach) analyses and may be applied in combination with the most up-to-date design code formulations for estimation of crack width in RC elements by considering a scenario of composed bending.