Impact behavior of textile reinforced concrete slabs

Abstract

Reinforced concrete (RC) technology is still the most preferable and common method to build civil engineering structures. In accordance with design purposes and needs, these structures are built to resist various loading scenarios. Throughout the lifespan of RC structures, they may be subjected to high rate loading scenarios due to either expected or unexpected reasons such as impacts caused by vehicular collisions, debris generated by typhoons, tsunami or floods, rock or object falls to protective shelters. Therefore, understanding of impact behavior of RC members plays a vital role not only for design stages but also retrofitting and strengthening purposes thereafter. For this purpose, an experimental program was carried out to reveal the impact behavior of RC slabs strengthened with carbon textile reinforcements. In this program, four slabs specimens, two unstrengthened and two strengthened with two different carbon textile reinforcements, having dimensions of 1.5 m × 1.5 m × 0.2 m were tested by using an advanced impact testing facility at Otto-Mohr Laboratiorum of Technische Universität Dresden. In these tests, all slabs were tested under repeated impact loads by using the same steel striker with a 200 mm - diameter flat contact surface in the velocity range of 25.2 to 30.2 m/s. The results obtained from these tests are presented in terms of midpoint-displacement histories, reaction force histories, slab accelerations, and strain histories of steel reinforcements for each impact. As a result of the test program, it is shown that carbon textile reinforcements have significant effects on enhancing impact capacity as well as limiting maximum and residual midpoint displacements. By using the data obtained from tests, a finite element (FE) modeling study was performed by using the LS-DYNA software tool. In this study, two FE models with different mesh sizes were created and compared with each other to obtain efficient modeling conditions. In the light of the tests and validated models, a parametric study was performed to figure out efficient impact conditions and parameters for carbon textile reinforcements. It is shown that carbon textile reinforcements are more effective for limiting damage levels under low-velocity impacts.

Betonarme teknolojisi, inşaat mühendisliği yapılarında hala en çok tercih edilen ve en yaygın olan teknolojidir. Bu yapılar, tasarım amaçları ve ihtiyaçları doğrultusunda yüklere karşı koymak için tasarlanırlar. Betonarme yapılar, ömürleri boyunca araç çarpması, tayfunlar, tsunamiler ve sellerden dolayı oluşan enkaz çarpması, koruyucu sığınaklara kaya veya cisimlerin çarpması gibi, beklenen ya da beklenmeyen sebeplerle darbelere maruz kalabilirler. Bu yüzden, betonarme elemanların darbe davranışlarını anlamak, sadece tasarım aşamalarında değil, aynı zamanda sonrasında yapılan güçlendirme ve iyileştirme çalışmaları için de önemli bir rol oynamaktadır. Bu amaçla, karbon tekstil donatı ile güçlendirilmiş betonarme döşemelerin darbe davranışını ortaya koymak için deneysel bir çalışma yapılmıştır. Bu çalışmada, ikisi güçlendirilmemiş ve ikisi karbon tekstil donatı ile güçlendirilmiş, 1.5 m × 1.5 m × 0.2 m boyutlarında dört adet betonarme döşeme gelişmiş deney düzeneği kullanılarak Dresden Teknik Üniversitesi Otto-Mohr Laboratuvarlarında test edilmiştir. Bu testlerde, tüm döşemeler, 200 mm çapında düz yüzeye sahip çelik çarpan ile 25.2 ile 30.2 m/s hızlarda tekrarlı darbelere maruz bırakılmıştır. Testlerden elde edilen sonuçlar, her darbe için, orta nokta yer değiştirme, mesnetteki kuvvetler, döşemedeki ivmeler ve çelik donatılardaki gerinim değişimleri olarak sunulmuştur. Deney programının sonucu olarak, karbon tekstil donatıların, darbe kapasitesini artırmasının yanı sıra, orta nokta yer değiştirmelerini sınırlamada çok etkin olduğu gösterilmiştir. Deneylerden elde edilen sonuçlar kullanılarak, sonlu eleman modelleme çalışması LS-DYNA yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, etkin model koşullarını elde edebilmek amacıyla, farklı ağ örgüsü boyutlarına sahip iki adet sonlu eleman modeli oluşturulup incelenmiştir. Gerçekleştirilen deneyler ve doğrulanan modeller ışığında, karbon tekstil donatıları için etkili darbe koşulları ve değişkenlerini ortaya çıkarabilmek için parametrik bir çalışma yapılmıştır. Bu çalışma, karbon tekstil donatıların düşük darbe hızlarında hasar seviyelerini sınırlamakta daha etkin olduğunu göstermiştir.