Optimization of design procedures and quality control for FRC
Authors:   , Galeote Moreno Eduardo 
Published: July 2023

Fibre reinforced concrete (FRC) presents objectively proven advantages in terms of post-cracking strength and manufacturing procedures. As a result, FRC with structural responsibility is increasingly being used in the construction industry. However, some concerns still remain regarding design and performance given the uncertainties concerning the effect of the distribution and orientation of the fibres. In this context, further research is required to improve current tools to characterize and design FRC structures.
The main topics addressed in this thesis are oriented to analyse the influence of fibres at the design stage, verify whether the constitutive models are representative and suitable to predict the response of real-scale elements and simplify FRC quality control. At the design stage, the influence of size-effect on the bending tests used to determine the constitutive model has been analysed. Additionally, a model to estimate the residual strength of FRC based on the orientation of the fibres is proposed. Flexural tests on real-scale slabs reinforced with rebars and fibres have been analysed and compared to numerical simulations using the constitutive model of the Model Code 2010 (MC2010). Finally, a correlation based on the Barcelona test (BCN) is proposed as an alternative to the three-point bending test in quality control.
The first part of the study focuses on the pre-design stage of FRC. Standard and non-standard specimens were tested under a three-point bending test (3PBT) configuration to calculate the parameters defining the MC2010 constitutive model for FRC. The results revealed that the size-effect in small non-standard specimens can be mitigated if, instead of the CMOD, the rotation of the sample is used as the reference parameter to determine the residual strengths associated to the constitutive law.
Subsequently, a model to estimate the post-cracking strength of FRC is presented. Given a degree of isotropy and a content of fibres, the model assigns a position and an orientation to each fibre. Assuming that only fibres contribute to the tensile strength after cracking, the pull-out load of all the fibres combined with the sectional equilibrium can be used to determine the post-cracking strength of FRC. The estimations of the post-cracking strength curves are able to reflect the influence of the specimen dimension as well as the content and the orientation of the fibres.
After the pre-design stage, real-scale slabs with different combinations of rebars and fibres were tested to analyse the influence of fibres on the flexural behaviour, cracking patterns and ductility. The experimental results were used to verify the predicted flexural response of the slabs simulated by means of sectional analyses and finite element methods based on the constitutive law of the MC2010. The simulations revealed a general overestimation of the flexural performance when compared to the experimental results.
The last part of the study aims to present an alternative method to optimize and streamline quality control of FRC based on a correlation between the 3PBT and the BCN. For this purpose, an experimental programme on mixes with different rheologies, compressive strengths and types and contents of fibres was conducted. The procedure to determine such a correlation is described while showing the importance of considering confidence intervals in the presence of results with high variability as in FRC.
El hormigón reforzado con fibras (HRF) presenta ventajas objetivamente probadas en términos de resistencia residual y procesos de producción. En consecuencia, el HRF con responsabilidad estructural ha experimentado una creciente demanda en el sector de la construcción. No obstante, su uso aún suscita ciertas preocupaciones debidas esencialmente a la influencia de la distribución y la orientación de las fibras en la capacidad resistente. En este sentido, se hace necesario continuar investigando con el objeto de mejorar los métodos actuales de caracterización y diseño del HRF. Los principales aspectos que se abordan en esta tesis están orientados a analizar la influencia de las fibras en la etapa de diseño, verificar la capacidad de los modelos constitutivos para predecir la respuesta estructural de elementos a escala real y simplificar el control de calidad del HRF. En la etapa de diseño, se ha estudiado la influencia del efecto escala en los ensayos de flexión destinados a obtener las ecuaciones constitutivas de HRF. Asimismo, se ha propuesto un modelo para estimar la resistencia residual del HRF basado en la orientación de las fibras. Por otro lado, se ha analizado el comportamiento a flexión de losas reforzadas con fibras y barras de acero, tras lo que se ha comparado los resultados experimentales de dichos ensayos con simulaciones numéricas basadas en las ecuaciones constitutivas descritas en el Model Code 2010 (MC2010). Finalmente, se propone una correlación basada en el ensayo Barcelona (BCN) como alternativa al ensayo a flexión a tres puntos (3PBT) en la fase de control de calidad. La primera parte del estudio se enfoca en la etapa de pre-diseño del HRF. Para ello, se han ensayado probetas prismáticas de distintos tamaños bajo una configuración de ensayo 3PBT para calcular los parámetros que definen la ecuación constitutiva del HRF según los criterios del MC2010. Los resultados muestran que el efecto escala puede verse reducido utilizando el giro, en lugar del CMOD, como parámetro de referencia para calcular las resistencias residuales asociadas a la ecuación constitutiva. Posteriormente, se propone un modelo para estimar la resistencia residual del HRF. A partir de la isotropía y el contenido de fibras, se asigna a cada fibra una posición y una orientación determinada. Asimismo, el modelo asume que en estado fisurado únicamente las fibras contribuyen a la resistencia a tracción. De este modo, la contribución al arrancamiento de todas las fibras en combinación con el equilibrio seccional puede utilizarse para calcular la resistencia residual del HRF. De acuerdo con los resultados obtenidos, la resistencia residual calculada mediante el modelo es capaz de reflejar la influencia del tamaño de probeta, el contenido de fibras y su orientación. Tras el estudio de la fase de pre-diseño, se ensayaron losas a escala real con diferentes combinaciones de HA y HRF con el objeto de analizar la influencia de las fibras en la respuesta a flexión, la aparición de fisuras y la ductilidad. Los resultados experimentales se utilizaron para verificar la idoneidad del modelo constitutivo del MC2010 cuando se utiliza para simular el comportamiento a flexión mediante análisis seccional y tridimensional mediante elementos finitos. Este estudio muestra que los resultados de las simulaciones presentan una sobreestimación generalizada de la respuesta a flexión de las losas en comparación con los resultados experimentales.