Reinforced Concrete Structures Subjected to Imposed Deformations: A Study of Cracking due to Shrinkage in Slab Foundations for Residential Houses

Abstract

The need for limiting crack widths in reinforced concrete structures is due to durability, tightness towards gaseous and liquid substances, and for aesthetic reasons. Although concrete cracks at relatively low tensile stresses and can not be avoided, strategies for crack control can be adopted to meet the requirements. For certain structures, tensile stresses and consequently cracking may arise due to imposed deformations. That is when a restrained structure is exposed to temperature variations or shrinkage strains. Eurocode 2 provides guidance for crack control, but the formulas are adopted by assuming stabilized cracking, which may be a too conservative assumption for restrained structures. The study presented in this master thesis aims to investigate the crack behavior of reinforced concrete structures exposed to imposed deformations, where the focus is on smaller slab foundations for residential houses.
The crack behaviour was analysed with nonlinear finite element analysis in Atena 2D. First, real experimental tie-rod tests were modelled with finite elements and analysed with di↵erent fracture energy models, bond models and mesh sizes. It was shown that nonlinear finite element analysis can predict cracks well for the intended purpose. The obtained results and observations were the foundation for a further study of cracking in slab foundations. For that purpose, the drying was simulated with respect to modern concrete properties, and a shrinkage profile could be obtained. A parametric study was performed by varying following parameters: sti↵ness of the sub-base, friction, slab length, slab height, bar diameter, reinforcement ratio, concrete class, type of strain distribution. The obtained results were compared with analytical methods in Eurocode 2 and a method from Chalmers University by Engstro ̈m.
The parametric study showed that the number of cracks and the crack widths can be controlled by varying di↵erent parameters. The length of the slab and the sti↵ness in the sub-base were crucial parameters for the crack growth, but are, however, parame- ters that for a designer are di cult to control. Crack widths could on the other hand be limited by increasing the bar diameter or the reinforcement amount. Eurocode 2 guidelines for minimum reinforcement may be to conservative for smaller concrete slabs. For slabs in which the reinforcement ratio did not fulfil the requirement of minimum reinforcement, the crack widths obtained from the finite element analysis still turned out to be acceptable to some extent. The overall conclusion is that new guidelines for these types of structures is necessary.

Abstract (Swedish)

Sprickbredder i armerade betongkonstruktioner bör begränsas med hänsyn till hållbarhet, täthet och estetik. Eftersom betong har en relativt låg draghållfasthet kan sprickor dock sällan undvikas, men kan med olika strategier minskas för att uppfylla de givna kraven. I betongkonstruktioner kan dragspänningar och följaktligen sprickor uppstå på grund av tvångsdeformationer, som kan uppstå på grund av temperaturvariationer och krympning. I Eurocode 2 erhålls metoder för att beräkna minsta tillåtna armeringsinnehåll och erforderlig sprickbredd för en betongkonstruktion. Dessa metoder utgår från antagandet att all last i ett sprucket tvärsnitt ska bäras av armeringen och att uppsprickningen är fullt utvecklad, vilket sällan är fallet för konstruktioner utsatta för tvång. Studien som presenteras i detta examensarbete har som syfte att undersöka sprickbeteendet för plattor på mark utsatta för tvångsdeformationer, samt att utreda om tillgängliga analytiska metoder använder sig av för konservativa antaganden.


Sprickutvecklingen undersöktes med hjälp av icke-linjär finita elementmetod i Atena 2D. Ett centrisk armerad betongprisma utsatt för ren dragbelastning modellerades och jämfördes med experimentella försök för att utvärdera olika materialmodeller för brottenergi och vidhäftningsförmåga. De materialmodeller som vid kalibreringen upp-visade ett sprickbeteende likt de utförda försöken användes i fortsatta analyser, i vilka plattor på mark studerades. I det syftet erhölls en krympprofil genom att simulera uttorkning med hänsyn till materialegenskaper i modern betong. En parameterstudie utfördes för att undersöka hur utformning och materialval påverkar sprickutvecklingen och den slutgiltiga sprickbredden, samt hur väl dessa beräkningar stämmer överens med analytiska metoder. Parametrar som ingick i studien var följande: styvhet i undergrund, friktion, plattlängd, platthöjd, armeringsdiameter, armeringsinnehåll, betongkvalitet och olika typer av krympvariation över tvärsnittet.


Studien visar att längden på plattorna och styvheten i undergrunden är av stor betydelse för sprickbeteendet, men är parametrar som är svåra att påverka. Sprickbredden kan dock begränsas genom val gällande armeringsinnehåll och armeringsdiameter. I fall med ett lägre armeringsinnehåll än vad Eurocode 2 rekommenderar, uppvisar de numeriska beräkningarna ett liknande sprickbeteende som uppfyller dessa krav och sprickbredder som till ett visst mått kan anses acceptabla. Detta indikerar att Eurocode 2 är för konservativ när sprickor studeras i villaplattor utsatta för tvång. För att minska den erforderliga armeringsmängden i plattor på mark bör därför inverkan av återhållande element beaktas vid beräkning av minsta armeringsmängd.

Popular Abstract (Swedish)

Införandet av nya regler i kombination med nya, mer miljövänliga, betongtyper har gett upphov till ökade armeringsmängder i vissa betongkonstruktioner. Med detta som bakgrund har, med initiativ från Skanska Teknik i Malmö och Lunds Tekniska Högskola, en studie på villaplattor med avseende på sprickbeteende genomförts. Studien visar att mängden armering i de flesta fall överskattas, och att nya riktlinjer som tar hänsyn till tvång bör föreslås.

• author: Johansson, Henrik and Heinegård, Martin
• supervisor: Oskar Larsson; Viktor Rist
• organization: Division of Structural Engineering; Department of Building and Environmental Technology
• course: VBKM01 20201
• year: 2020
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Reinforced concrete structures, nonlinear finite element analysis, crack widths, imposed deformations, shrinkage, foundation slabs, fracture mechanics, Atena 2D
• publication/series: TVBK-5280
• report number: TVBK-5280
• ISSN: 0349-4969
• language: English
• additional info: Examinator: Miklos Molnar
• id: 9017916
• date added to LUP: 2020-06-15 10:58:48
• date last changed: 2020-06-15 10:58:48