Self-compacting concrete for prestressed bridge girders
Öngerilmeli köprü kirişleri için kendiliğinden yerleşen beton
- Tez No: 740941
- Danışmanlar: PROF. DR. CAROL K. SHİELD, PROF. DR. CATHERİNE E. FRENCH
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2008
- Dil: İngilizce
- Üniversite: University of Minnesota
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 432
Özet
Konvansiyonel betondan özellikle taze haliyle farklı olan kendinden konsolidasyonlu beton (SCC)), sıkışık donatıların içinden yalnızca kendi ağırlığı altında akan, segregasyona ugramadan kalıbı boşluksuz dolduran, işlenebilirliği yüksek bir betondur ve herhangi bir titreşim aracına ihtiyaç olmadan eleştirilebilir. Kendinden konsolide beton ilk olarak 1980'lerin başında Japonya'da geliştirildi ve SCC'nin gelişimini destekleyen ana konular, kalifiye işgücü eksikliği ve betonun yerleştirilmesini zorlaştıran ağır donatılı yapıların ortaya çıkmasıydı. Bazı hammaddeler ve kimyasal katkılar başlangıç maliyetini artırabilse de temel olarak geleneksel betona göre yerleşim kolaylığı nedeniyle prekast beton yapımında kullanımı dünya çapında artmaktadır. Prekast beton uygulamaları için SCC kullanmanın bazı faydaları, daha hızlı inşaat, azaltılmış gürültü seviyesi ve yama ihtiyacını ortadan kaldıran iyileştirilmiş yüzey kalitesi gibi kolaylıkla ölçülebilir. Diğer daha az somut faydalar arasında işçi güvenliği iyileştirmeleri ve ön döküm kalıplarının uzatılmış ömrü yer alır. SCC, dünya çapında çok sayıda prekast ve yerinde döküm uygulaması için geliştirilmiş ve başarıyla kullanılmış ve SCC'nin hem taze hem de sertleştirilmiş özellikleri araştırılmış olmasına rağmen, karışım oranları, SCC'nin plastik hali için kabul kriterleri ve SCC'nin uzun vadeli davranışları (örneğin, sürünme ve büzülme) için kabul kriterleri ile ilgili endişeler devam etmektedir. SCC elemanlarının uzun vadeli davranışlarını, özellikle sünme, büzülme ve elastik modülü değerlendirmek için sınırlı literatür mevcuttur. Ayrıca, SCC'nin uzun vadeli davranışına ilişkin bulgularda geniş bir çeşitlilik vardır. Bu nedenlerden dolayı, Minnesota Ulaştırma Bakanlığı (Mn/DOT) dahil olmak üzere birçok eyalet ulaştırma departmanı, prekast köprü kirişi uygulamaları için SCC'ye izin vermekte tereddüt etmiştir. Bu çalışma, Minnesota Eyaletinde prekast öngerilmeli SCC kirişlerin inşası için yerel prekast tesislerinde geliştirilen SCC'nin yerel olarak mevcut malzemelerle kullanılmasının uygulanabilirliğini araştırmak amacıyla başlatılmıştır. Araştırmanın birincil amacı, SCC köprü kirişlerinin hem kısa hem de uzun vadeli özelliklerini belirlemek, SCC köprü kirişleri için mevcut test prosedürlerinin, tasarım denklemlerinin ve malzeme modellerinin uygulanabilirliğini ve doğruluğunu değerlendirmekti. Araştırma birkaç aşamaya ayrıldı. İlk aşamada, iki yerel prekast beton tesisinden (Plant-A ve Plan-B) yerel olarak temin edilebilen malzemeler kullanılarak SCC deneme karışımları geliştirildi. Geliştirilen deneme SCC karışımları, çimento, yüksek oranda su azaltıcı katkı dozajı ve taze beton sıcaklığı gibi SCC'nin taze durumundaki performansını (örn. akışkanlık ve ayrışma direnci) etkileyen ana parametreleri belirlemek için çalışılmıştır. Çimento değirmeni raporunda farklılık olmaksızın aynı tedarikçiden çimento varyasyonlarının SCC'nin akışkanlığını önemli ölçüde etkileyebileceği bulundu ve beton sıcaklığının ve katkı dozajının taze beton özelliklerine etkisi için önerilere yer verildi. Ek olarak, SCC'nin statik ve dinamik tek boyutlu serbest akışı ve akışın, SCC'nin engebeli segregasyon dirençlerini ve iri agreganın manialardan geçme kabiliyetini değerlendirmek için bir test programı yapılmıştır. SCC karışımlarını yeterince değerlendirmek için gerekli sayıda test yöntemini en aza indirmek için farklı test sonuçları arasındaki korelasyonlar araştırıldı. Bir sonraki aşama, Plant-A ve Plant-B'den yerel olarak temin edilen malzemeler (fabrika başına üç kiriş) kullanılarak dört SCC ve iki geleneksel beton öngerilmeli köprü kirişinin dökümünü içeriyordu. Kirişler, 38 ft açıklık uzunluğuna sahip Mn/DOT 36M I-kirişlerdi ve serbest bırakmada 7.5 ksi ve 28 günde 9.0 ksi beton basınç dayanımları tasarladı. Kirişler, alt flanşta 36 düz şerit ve üst flanşta dört şerit içerecek şekilde tasarlanmıştır (toplam 40 şerit). Bu büyük miktarda öngerilmeli halat, SCC akışına için donatı açısından sıkışık bir durum yaratmak için kullanıldı. Ek olarak, büyük miktarda ön gerilim kuvveti, beton sünmesini en üst düzeye çıkarmak için alt beton lifindeki serbest bırakma sırasında izin verilen basınç gerilmelerini en üst düzeye çıkardı. Bölüm, SCC'nin uygulanması için en kritik uygulamalardan birini temsil ediyordu. Kirişlere ek olarak, basınç dayanımını, elastisite modülünü, sürünmeyi ve zaman içindeki büzülmeyi izlemek için beton silindirler dökülmüştür. Kirişler, transfer uzunluğu, kavis ve ön gerilim kayıplarını içeren hem kısa hem de uzun vadeli performansı izlemek için yaklaşık 2 yıllık bir süre boyunca açık havada bir depolama sahasında enstrümante edildi ve depolandı. Kirişlerin hem kısa vadeli (örneğin elastik kısalma) hem de uzun vadeli performansı (örneğin ön gerilim kayıpları) ölçülmüş ve AASHTO (2004 ve 2007), PCI Tasarım El Kitabı 6. Baskı (2004) ve PCI Genel Yöntemi ile karşılaştırılmıştır (PCI, 1975). Sonuçlar, geleneksel silindirlerden elde edilen ölçülen malzeme özellikleri kullanılarak AASHTO 2004, PCI Tasarım El Kitabı 6. Baskı (2004) ve PCI Genel Yöntemi (PCI, 1975) ile hesaplanan tahmini toplam uzun vadeli ön gerilim kayıplarının hem SCC hem de geleneksel için guvenli olduğunu göstermiştir. SCC konvansiyonel silindirlerinin biraz değiştirilmiş bir işlemle üretildiğini unutmayın; silindirleri her kaldırmadan sonra çubuklamak yerine, kalıbın kenarlarına lastik tokmakla vuruldu. İzleme dönemlerinin sonunda tahmin edilen uzun vadeli kayıplar (yani, Plant-A ve Plant-B için sırasıyla yaklaşık 600 gün ve 450 gün), AASHTO 2004 Götürü Toplam Yöntemi için ölçülen kayıplardan %2 ila %5 daha büyüktü, Tüm kirişler için AASHTO 2004 Rafine Yöntemi için %12 ila 15, PCI Genel Yöntemi için %4 ila %7 ve PCI Tasarım El Kitabı Yöntemi için %8 ila 11. Ancak, AASHTO-2007 (Zamana Bağlı Kayıpların Yaklaşık Tahmini) ile hesaplanan uzun vadeli öngerilme kayıpları ya güvenli tarafta değildi ya da izleme periyotlarının sonunda hem SCC hem de geleneksel beton kirişler için ölçülen kayıplara çok yakındı. Ölçülen ve tahmin edilen kayıplar arasındaki farkın büyüklüğü hem geleneksel hem de SCC kirişler için karşılaştırılabilirdi. Son olarak, kirişler, Minnesota Üniversitesi Yapılar Laboratuvarı'nda çatlama ve çatlak yeniden açılma yüklerini belirlemek için üç noktalı eğilmede test edildi. Deneysel olarak ölçülen çatlak yeniden açılma yükleri, kalan etkin ön gerilim kuvvetlerini ve toplam ön gerilim kayıplarını dolaylı olarak hesaplamak için kullanıldı. Ayrıca, sahada ölçülen kayıpları doğrulamak için kalan tendon kuvvetlerini deneysel olarak ölçmek için yarı yıkıcı bir test yöntemi kullanıldı. Ölçülen kiriş ön gerilim kayıpları, eşlik eden silindir verilerine dayalı zamana bağlı sürünme ve büzülme modellerini içeren fiber tabanlı bir sonlu eleman analizinden belirlenenlerle karşılaştırıldı. Ölçülen, tahmin edilen ve hesaplanan ön gerilim kayıpları genellikle iyi bir uyum içindeydi. Çalışma, ölçülen yardımcı silindir sünme ve büzülme verilerine dayalı olarak geliştirilen sürünme ve büzülme malzeme modellerinin hem geleneksel hem de SCC öngerilmeli köprü kirişlerinin ölçülen alan öngerilme kayıplarını makul bir şekilde tahmin etmek için kullanılabileceğini göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Self-consolidating concrete (SCC), which is different from conventional concrete especially in its fresh state, is a highly workable concrete that flows through congested reinforcement under its own weight alone, filling the formwork without segregation of its constituent materials with a void-free structure, and can be placed without any vibration. Self-consolidating concrete was first developed in Japan in the early 1980s, and the main issues that promoted the development of SCC were the shortage of skilled labor and the emergence of heavily reinforced structures that made it difficult to sufficiently consolidate the concrete which is crucial for its durability. Although some raw materials and chemical admixtures may increase the initial cost, its use is on the rise worldwide for precast concrete construction mainly due to its ease of placement over conventional concrete. Some benefits of using SCC for precast concrete applications are easily quantified such as faster construction, reduced noise level, and improved surface finish which eliminates the need for patching. Other less tangible benefits include worker safety improvements and extended life of the precasting forms. Although SCC has been developed and successfully used for numerous precast and cast-in-place applications worldwide, and both fresh and hardened properties of SCC have been investigated, concerns have remained regarding mix proportioning, acceptance criteria of SCC in its plastic state, and long term behavior (e.g., creep and shrinkage) of SCC precast/pretensioned elements in service. Limited literature is available to evaluate the hardened and long-term behavior of SCC members, particularly creep, shrinkage, and elastic modulus. Furthermore, there is a wide variation in the findings regarding the long-term behavior of SCC. Due to these reasons, many state departments of transportation, including the Minnesota Department of Transportation (Mn/DOT), have been hesitant to allow SCC for precast bridge girder applications. This study was initiated with the intent to investigate the viability of using SCC developed at local precast plants with locally available materials for the construction of precast prestressed SCC girders in the State of Minnesota. The primary objective of the research was to determine both short-term and long-term properties of SCC bridge girders, evaluate the applicability and accuracy of available test procedures, design equations, and material models for SCC bridge girders. The research was divided into several phases. In the first phase, SCC trial mixes were developed using locally available materials from two local precast concrete plants (Plant-A and Plan-B). The developed trial SCC mixes were studied to identify the main parameters that affect the performance of SCC in its fresh state (e.g., flowability and segregation resistance) such as cement, high-range water reducing admixture dosage, and fresh concrete temperature. It was found that variations in cement from the same supplier with no difference in the cement mill report can significantly affect the flowability of SCC, and recommendations were included for the effect of concrete temperature and admixture dosage on fresh concrete properties. In addition, a testing program was undertaken to evaluate the static and dynamic one-dimensional free flow and flow through reinforcing obstacle segregation resistances of SCC and passing ability of coarse aggregate through reinforcing obstacles. Correlations between different test results were investigated to minimize the required number of test methods to adequately evaluate SCC mixtures. The next phase involved casting four SCC and two conventional concrete precast prestressed bridge girders using locally available materials from Plant-A and Plant-B (three girders per plant). The girders were Mn/DOT 36M I-girders with a span length of 38 ft, and design concrete compressive strengths of 7.5 ksi at release and 9.0 ksi at 28 days. The girders were designed incorporating 36 straight strands in the bottom flange, and four strands in the top flange to avoid the need to drape strands (total of 40 strands). This large amount of prestressed strand was used to create a situation with congested reinforcement to challenge the SCC flow. In addition, the large amount of prestress maximized the allowable compressive stresses at release in the bottom concrete fiber to maximize the concrete creep. The section represented one of the most severe cases for the application of SCC. In addition to the girders, companion cylinders were cast to monitor compressive strength, modulus of elasticity, creep, and shrinkage over time. The girders were instrumented and stored in an outdoor storage site for a period of approximately 2 years to monitor both short-term and long-term performance, which included transfer length, camber, and prestress losses. Both short-term (e.g., elastic shortening) and long-term performance of the girders (e.g., prestress losses) were measured and compared to AASHTO (2004 and 2007), PCI Design Handbook 6th Edition (2004), and PCI General Method (PCI, 1975) predictions. The results indicated that the predicted total long-term prestress losses calculated with AASHTO 2004, PCI Design Handbook 6th Edition (2004), and PCI General Method (PCI, 1975) using measured material properties obtained from conventional cylinders were conservative for both SCC and conventional concrete girders (Note that the SCC conventional cylinders were fabricated with a slightly modified process; rather than rodding the cylinders after each lift, the sides of the mold were tapped with a rubber mallet). The predicted long-term losses at the end of the monitoring periods (i.e., approximately 600 days and 450 days for Plant-A and Plant-B, respectively) were larger than measured losses by 2 to 5% for AASHTO 2004 Lump Sum Method, 12 to 15% for AASHTO 2004 Refined Method, 4 to 7% for PCI General Method, and 8 to 11% for PCI Design Handbook Method for all girders. However, the long-term prestress losses computed with AASHTO-2007 (Approximate Estimate of Time-Dependent Losses) were either not conservative or very close to the measured losses for both the SCC and conventional concrete girders at the end of the monitoring periods. The magnitude of the difference between the measured and predicted losses was comparable for both the conventional and SCC girders. Finally the girders were tested in three-point bending to determine the cracking and crack re-opening loads at the University of Minnesota Structures Laboratory. The experimentally measured crack re-opening loads were used to indirectly calculate the remaining effective prestressing forces and total prestress losses. Also, a semi-destructive test method was used to experimentally measure the remaining tendon forces to verify the field measured losses. The measured girder prestress losses were compared to those determined from a fiber-based finite element analysis incorporating time-dependent creep and shrinkage models based on companion cylinder data. The measured, predicted, and calculated prestress losses were generally in good agreement. The study indicated that creep and shrinkage material models developed based on measured companion cylinder creep and shrinkage data can be used to reasonably predict measured field prestress losses of both conventional and SCC prestressed bridge girders.
Benzer Tezler
- Kendiliğinden yerleşen betonun reolojik özelliklerine bileşim parametrelerinin etkisi
Effects of component parameters on rheological properties of self compacting concrete
ALİ RAİF SAĞLAM
Doktora
Türkçe
2003
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HULUSİ ÖZKUL
- Kendiliğinden yerleşen hafif betonların fiziksel ve mekanik özelliklerinin araştırılması
The investigation of the mechanical and physical properties of the self compacting lightweight concrete
MURAT KURT
Doktora
Türkçe
2009
İnşaat MühendisliğiAtatürk Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RÜSTEM GÜL
- Kendiliğinden yerleşen betonlarda uçucu kül ve kalker tozu kullanımının durabilite özelliklerine etkisi
Effects of usage flying ash and limestone powder in self compacting concrete to durability properties
İSMAİL ALTINDAĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÜNAL ANIL DOĞAN
- Development of a new type of fly ash based geopolymer concrete
Yeni bir uçucu kül bazlı jeopolimer betonu geliştirilmesi
PESHKAWT YASEEN SALEH SALEH
Doktora
İngilizce
2018
İnşaat MühendisliğiHasan Kalyoncu Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET KARPUZCU
YRD. DOÇ. DR. DİLSHAD KAKASOR JAF
- Kendiliğinden yerleşen betonun lineer olmayan kırılma mekaniği prensipleriyle incelenmesi
Investigation of self-compacting concrete by using non-linear fracture mechanics methods
KÜRŞAT ESAT ALYAMAÇ