Characterisation of the cyclic behaviour of reinforced concrete elements with plain bars

Abstract

Sismos recentes comprovam a elevada vulnerabilidade dos edifícios existentes de betão armado. A resposta das estruturas aos sismos é fortemente condicionada pelas características da aderência aço-betão, que exibe degradação das propriedades iniciais quando sujeitas a carregamentos cíclicos e alternados. Este fenómeno é ainda mais gravoso para elementos com armadura lisa, predominantes na maioria das estruturas construídas até à década de 70 nos países do sul da Europa. A prática corrente de conceção, dimensionamento e pormenorização das estruturas antigas leva a que tenham características de comportamento e níveis de segurança associados não compatíveis com as exigências atuais. Os estudos realizados sobre o comportamento cíclico de elementos estruturais de betão armado com armadura lisa são ainda insuficientes para a completa caracterização deste tipo de elementos. Esta tese visou a caraterização da relação tensão de aderência versus escorregamento para elementos estruturais com armadura lisa e o estudo da resposta cíclica de pilares e nós viga-pilar de betão armado com armadura lisa. Foram realizados dez séries de ensaios de arrancamento (nove monotónicos e um cíclico) em provetes com varões lisos. Os resultados destes ensaios permitiram propor novas expressões empíricas para a estimativa dos parâmetros usados num modelo disponível na literatura para representação da relação tensão de aderência versus escorregamento. É ainda proposto um novo modelo monotónico para a relação tensão de aderência versus escorregamento que representa melhor a resposta após a resistência máxima de aderência. Uma campanha de ensaios unidirecionais em pilares e nós viga-pilar foi também realizada com o objetivo principal de caracterizar o comportamento cíclico deste tipo de elementos. No total foram realizados oito ensaios em pilares, sete ensaios em nós viga-pilar interiores e seis ensaios em nós viga-pilar exteriores representativos de estruturas antigas de betão armado com armadura lisa. Os resultados experimentais permitiram avaliar a influência do escorregamento e estudar o mecanismo de corte em nós e a evolução dos danos para elementos com armadura lisa. Com base nos resultados experimentais foi proposta uma adaptação na expressão do Eurocódigo 8-3 para o cálculo da capacidade última de rotação de elementos com armadura lisa. Foi também desenvolvido um estudo paramétrico, com diferentes estratégias de modelação não linear, para a simulação da resposta de pilares considerando o escorregamento da armadura lisa. Por último, foi proposto um novo modelo simplificado trilinear para o aço que contempla o efeito do escorregamento da armadura lisa.

Recent earthquakes have shown the significant vulnerability of existing reinforced concrete buildings. The seismic response of structures is largely conditioned by the bond-slip properties that may experience an accelerated degradation under cyclic loading. The influence of this effect can be even larger for elements with plain reinforcing bars, as typically used in structures built before the 1970s in Southern European countries. The principles, design and practice adopted in the past do not guarantee that the existing reinforced concrete structures meet performance requirements recommended in modern codes. The available studies on the cyclic behaviour of reinforced concrete elements with plain reinforcing bars are still limited. This thesis intended to contribute for the characterization of the bond-slip relationship for plain reinforcing bars and to study of the cyclic response of columns and beam-column joints reinforced with plain bars representative of existing building structures. Ten sets of pull-out tests (nine monotonic and one cyclic) were performed on specimens built with plain bars, which allowed to propose new empirical expressions for some parameters adopted in bond-slip models available in the literature for plain bars. Also, a new monotonic bond-slip model was proposed better representing the post-peak strength bond-slip relationship. An experimental campaign of unidirectional tests on full-scale columns and beam-column joints was carried out to characterize their cyclic response. In total eight columns, seven interior beam-column joints and six exterior beam-column joints were tested, representing old reinforced concrete building structures. The experimental results confirms the influence of the reinforcing bars’ slippage and allowed to better understand the shear mechanism in the joints and damage evolution of elements with plain reinforcing bars. Based on the experimental results, it was proposed a modification to the Eurocode 8-3 expression used to calculate the ultimate rotation capacity of elements with plain reinforcing bars. A comparative study of different strategies for the non-linear numerical modelling of columns taking into account the slippage was also developed. Finally, a new simplified tri-linear steel model was proposed that includes the effect of slippage of plain reinforcing bars.