Dowel action in reinforced concrete elements : numerical investigation and preliminary experimental study

The dowel action provided by steel rebars in reinforced concrete has been a research topic since the early 1940s, when its use started to spread for pavement slabs and airport runway construction. Nowadays, it is well known the importance of the stirrups and concrete cover for the activation of the resisting mechanism when a shear force is acting in the element. However, the field of investigation (theoretical and experimental) can still be expanded, especially with reference to out-of-date existing structures characterized by lack of construction details. In this framework, the investigation on the failure mechanisms due to dowel action of existing structures is developed in a Research Project of National Interest in Italy (PRIN), focusing in particular on cyclic loading. This thesis presents a numerical validation of a previous experimental study on dowel action under monotonic loads held on 1988 by Dei Poli, S., di Prisco, M. and Gambarova, P. from Politecnico di Milano. In total, 6 out of the 24 single-block-type specimens tested by the aforementioned authors for studying weak and strong mechanism of dowel action were numerically modelled using ABAQUS. The selection criteria of the specimens to be modelled is based on the characteristics of the PRIN specimens, in particular the diameter of the longitudinal bar (ɸ18mm), the distance of the first stirrup from the shear plane (1db), the concrete cover (1db, 2db), and the activation of strong and weak mechanism. Once numerical models were validated through a comparison with the experimental results, the numerical analysis was implemented once again in order to predict the behaviour of the dowel action against the concrete cover in a triple-block-type specimen, subjected to a monotonic displacement, as established on the PRIN project agenda. Subsequently, the triple-block-type specimen was tested in the laboratory, and the dowel action of the specimen was measured. Simultaneously, the concrete characteristics were experimentally determined in order to repeat the numerical analysis with the real values. Ultimately, a comparison between the PRIN numerical model and the experimental results was performed.

L’azione di spinotto fornita dall’acciaio nelle sezioni di calcestruzzo armato fessurate è un tema di ricerca sin dagli inizi degli anni 40, quando l’utilizzo di tale materiale inizió a diffondersi per la costruzione sia di lastre di pavimentazione sia di piste aeroportuali. Attualmente, è nota l’importanza delle staffe e del copriferro per l’attivazione del meccanismo resistente quando una forza di taglio agisce sull’elemento. Tuttavia, il campo di indagine può essere ulteriormente ampliato, considerando in particolare strutture esistenti caratterizzate da carenza di dettagli costruttivi. In tale contesto, la valutazione dei meccanismi di rottura dovuti all’azione di spinotto sulle strutture esistenti viene studiata all’interno di un Progetto di Ricerca di Interesse Nazionale (PRIN), con particolare attenzione ai carichi ciclici. Questo lavoro presenta una validazione numerica di un precedente studio sperimentale sulla azione di spinotto sotto carichi statici, condotto nel 1988 da Dei Poli, S., di Prisco, M. E Gambarova, P., del Politecnico di Milano. In totale, 6 dei 24 provini a blocco singolo provati dagli autori sopramenzionati sono stati modellati numericamente tramite il software ABAQUS. La scelta dei provini da modellare è stata fatta basandosi sulle caratteristiche fisiche dei provini PRIN, ossia il diametro delle barre longitudinali (ɸ18 mm), la distanza tra la prima staffa ed il piano di taglio (1db), i copriferri (1db e 2db), e l’attivazione di entrambi i meccanismi di rottura, debole e forte. Una volta che i modelli numerici sono stati validati tramite il confronto con i risultati sperimentali, l’analisi numerica è stato implementata di nuovo, questa volta al fine di prevedere il comportamento dell’azione di spinotto su un provino a blocco triplo sottoposto a uno spostamento monotono come stabilito dall’elenco delle attività del PRIN. Successivamente, le caratteristiche del calcestruzzo del provino a blocco triplo sono state misurate in laboratorio con lo scopo di utilizzare i valori reali nella previsione numerica. Infine, si è effettuato un confronto tra la modellazione numerica e i risultati esperimentali.