Structural reliability of ultra-high performance fibre reinforced concrete structures
Date
2022-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The current lack of established guidelines for ultra high-performance fibre reinforced concrete
(UHPFRC) structures has resulted in their design and construction being based on recommendations
adapted from provisions for either conventional reinforced concrete or steel fiber reinforced
concrete. Despite these approaches being associated with a fair amount of uncertainty
with respect to the performance of the material, the margin of structural safety of UHPFRC
structures designed using these guidelines has not been extensively probed in a probabilistic
context.
Structural reliability provides the most objective and consistent measure of structural
safety and allows, in a probabilistic context, comparison of alternative design solutions. As
such, it forms a key part of the standardisation of modern structural codes of practice through
the prescription of partial safety factors calibrated to conform to minimum levels of safety and
is used in probabilistic performance-based design philosophies to target the relevant levels of
safety (or performance) directly by explicitly computing the probability of failure.
Therefore, to stochastically quantify the level of structural safety in UHPFRC structures,
and to take steps towards standardisation for their efficient design, this dissertation presents
five studies associated with the development and calibration of methodologies for considering
the structural reliability of UHPFRC structures. The first and second studies consider the
reliability-based design of UHPFRC beams under the limit states of flexure and shear, respectively.
Based on the model uncertainty characterised in these studies, global resistance factors
for flexural and shear resistance models of UHPFRC beams are calibrated in the third study.
The reliability of existing reinforced concrete beams strengthened with UHPFRC tensile layers is
considered in the fourth study. Lastly, a work on Bayesian calibration of temperature-dependent
thermal physical properties of UHPFRC and structural reliability of UHPFRC beams under
the fire limit state of the load-bearing function is presented.
AFRIKAANS OPSOMMING: Die huidige gebrek aan gevestigde riglyne vir strukture met ultraho¨eprestasie veselversterkte beton (UHPFRC) het daartoe gelei dat hul ontwerp en konstruksie gebaseer is op aanbevelings wat aangepas is vir ´of konvensionele beton ´of staalveselversterkte beton. Ten spyte daarvan dat hierdie benaderings geassosieer word met ’n redelike mate van onsekerheid met betrekking tot die werkverrigting van die materiaal, is die omvang van strukturele veiligheid van UHPFRC strukture wat ontwerp is met behulp van hierdie riglyne nie omvattend ondersoek in ’n waarskynlikheidskonteks nie. Strukturele betroubaarheid verskaf die mees objektiewe en konsekwente maatstaf van strukturele veiligheid en maak dit moontlik om alternatiewe ontwerpoplossings in ’n waarskynlikheidskonteks te vergelyk. Sodanig vorm dit ’n sleuteldeel van die standaardisering van moderne strukturele praktykkodes deur van gedeeltelike veiligheidsfaktore voor te skryf wat gekalibreer is om te voldoen aan minimum vlakke van veiligheid en word dit gebruik in probabilistiese prestasie-gebaseerde ontwerpfilosofie¨e om die relevante vlakke van veiligheid te teiken (of prestasie) direk deur die waarskynlikheid van mislukking uitdruklik te bereken. Om die vlak van strukturele veiligheid in UHPFRC-strukture stogasties te kwantifiseer, en om stappe te neem in die rigting van standaardisering vir hul doeltreffende ontwerp, bied hierdie proefskrif vyf studies aan wat verband hou met die ontwikkeling en kalibrering van metodologie ¨e vir die oorweging van die strukturele betroubaarheid van UHPFRC-strukture. Die eerste en tweede studies oorweeg die betroubaarheid-gebaseerde ontwerp van UHPFRC-balke onder die grenstoestande van buiging en skuif, onderskeidelik. Gebaseer op die modelonsekerheid wat in hierdie studies gekenmerk word, word wˆereldwyd weerstandsfaktore vir buig- en skuifweerstandsmodelle van UHPFRC-balke in die derde studie gekalibreer. Die betroubaarheid van bestaande gewapende betonbalke wat met UHPFRC-treklae versterk is, word in die vierde studie oorweeg. Laastens word ’n werk oor Bayesiaanse kalibrasie van temperatuurafhanklike termiese fisiese eienskappe van UHPFRC en strukturele betroubaarheid van UHPFRC-balke onder die brandgrenstoestand van die lasdraende funksie aangebied.
AFRIKAANS OPSOMMING: Die huidige gebrek aan gevestigde riglyne vir strukture met ultraho¨eprestasie veselversterkte beton (UHPFRC) het daartoe gelei dat hul ontwerp en konstruksie gebaseer is op aanbevelings wat aangepas is vir ´of konvensionele beton ´of staalveselversterkte beton. Ten spyte daarvan dat hierdie benaderings geassosieer word met ’n redelike mate van onsekerheid met betrekking tot die werkverrigting van die materiaal, is die omvang van strukturele veiligheid van UHPFRC strukture wat ontwerp is met behulp van hierdie riglyne nie omvattend ondersoek in ’n waarskynlikheidskonteks nie. Strukturele betroubaarheid verskaf die mees objektiewe en konsekwente maatstaf van strukturele veiligheid en maak dit moontlik om alternatiewe ontwerpoplossings in ’n waarskynlikheidskonteks te vergelyk. Sodanig vorm dit ’n sleuteldeel van die standaardisering van moderne strukturele praktykkodes deur van gedeeltelike veiligheidsfaktore voor te skryf wat gekalibreer is om te voldoen aan minimum vlakke van veiligheid en word dit gebruik in probabilistiese prestasie-gebaseerde ontwerpfilosofie¨e om die relevante vlakke van veiligheid te teiken (of prestasie) direk deur die waarskynlikheid van mislukking uitdruklik te bereken. Om die vlak van strukturele veiligheid in UHPFRC-strukture stogasties te kwantifiseer, en om stappe te neem in die rigting van standaardisering vir hul doeltreffende ontwerp, bied hierdie proefskrif vyf studies aan wat verband hou met die ontwikkeling en kalibrering van metodologie ¨e vir die oorweging van die strukturele betroubaarheid van UHPFRC-strukture. Die eerste en tweede studies oorweeg die betroubaarheid-gebaseerde ontwerp van UHPFRC-balke onder die grenstoestande van buiging en skuif, onderskeidelik. Gebaseer op die modelonsekerheid wat in hierdie studies gekenmerk word, word wˆereldwyd weerstandsfaktore vir buig- en skuifweerstandsmodelle van UHPFRC-balke in die derde studie gekalibreer. Die betroubaarheid van bestaande gewapende betonbalke wat met UHPFRC-treklae versterk is, word in die vierde studie oorweeg. Laastens word ’n werk oor Bayesiaanse kalibrasie van temperatuurafhanklike termiese fisiese eienskappe van UHPFRC en strukturele betroubaarheid van UHPFRC-balke onder die brandgrenstoestand van die lasdraende funksie aangebied.
Description
Thesis (PhD) -- Stellenbosch Uiversity, 2022.
Keywords
Fiber-reinforced concrete -- Reliability, Concrete -- Mechanical properties, Engineering models, Global resistance factors, Bayesian calibration, Structural engineering, Reinforced concrete -- Thermal properties, Construction industry -- Safety measures, UCTD