Design of reinforced concrete beams with steel fibers in the ultimate limit state

Abstract

Abstract This paper carries out a design analysis of reinforced concrete beams with steel fibers following the fib Model Code 2010 (MC 2010) procedures. The values obtained from the design calculations are compared with the experimental results of reinforced concrete beams with 20kg/m3 and 60 kg/m3 of steel fibers submitted to four-point bending tests. In the first part, the procedures for the classification and characterization of the material are explained. The experimental results of three-point bending tests performed on notched steel fiber reinforced concrete (FRC) beams following EN 14651 procedures are described. Moreover, the characterization of the FRC beams according to MC 2010, are carried out. In the second part, the flexural design of reinforced concrete beams with steel fibers, according to MC 2010, is carried out. A sectional analysis is performed in order to obtain the moment-curvature and the force-vertical displacement curves. The theoretical values are compared with the experimental results. Besides, a linear statistic analysis by means of the Rule of Mixture is carried out in order to analyze the variation of the flexural capacity of the reinforced beams with different amounts of steel fibers. The results demonstrated that the design rules described in the MC 2010 are on the safe side. The flexural resistance of concretes with different amounts of fiber incorporation can be determined by the Rule of Mixture, which has shown a high correlation factor (R2) with the experimental values.Resumo Este artigo faz uma verificação de vigas de concreto armado reforçadas com fibras de aço (CARF) seguindo as recomendações do fib Model Code 2010 (MC 2010). Os modelos de cálculo são comparados com os resultados experimentais de vigas de concreto armado reforçadas com 20 kg/m3 e 60 kg/m3 de fibras de aço, submetidas a ensaios de flexão em quatro pontos. Na primeira parte é descrito o procedimento para a classificação e caracterização do material. São apresentados os resultados dos ensaios à flexão em três pontos de vigas entalhadas de concreto reforçado com fibras de acordo com as prescrições da EN 14651. Além disso, é realizada a caracterização das vigas de CRF seguindo as recomendações do MC 2010. Na segunda parte é realizada a verificação à flexão das vigas de CARF seguindo os procedimentos de cálculo recomendados pelo MC 2010. É feita uma análise seccional pelo método das lamelas para a obtenção das curvas momento-curvatura e força-deslocamento vertical. Os resultados são comparados com os valores experimentais. Além disso, é realizada uma análise estatística linear a partir da Regra da Mistura (Rule of Mixture) para verificar a variação da resistência à flexão das vigas em função da quantidade de fibras incorporadas no concreto. Os resultados demonstraram que os procedimentos de cálculo descritos no MC 2010 estão a favor da segurança. A determinação da resistência à flexão de concretos com diferentes teores de fibras pode ser obtida a partir da Regra da Mistura, que mostrou um alto grau de correlação R2 em relação aos valores experimentais.