Theoretical-experimental behavior of steel fibers as a partial replacement for shear reinforcement in reinforced concrete beams

  • César Antonio Juárez Alvarado Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Civil, San Nicolás de los Garza, Nuevo León
  • José Manuel Mendoza Rangel Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Civil, San Nicolás de los Garza, Nuevo León
  • Bernardo Tadeo Terán Torres Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Civil, San Nicolás de los Garza, Nuevo León https://orcid.org/0000-0002-9034-2463
  • Pedro Leobardo Valdez Tamez Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Civil, San Nicolás de los Garza, Nuevo León
  • Gregorio Castruita Velázquez Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Civil, San Nicolás de los Garza, Nuevo León
DOI: https://doi.org/10.21041/ra.v11i3.548
Keywords: fiber reinforced concrete, beams, shear strength, analytical model, stirrups, steel fibers

Abstract

It is proposed to partially replace the stirrups with steel fibers and thus improve the shear strength concrete beams. The following variables were studied: water/cement ratios (w/c) = 0.55 and 0.35 and fiber volume (Vf) = 0, 0.3, 0.5, 0.7% and 0, 0.2, 0.4, 0.6% respectively, as well as the separation of the stirrups. The experimental results showed that the shear strength of the fiber-reinforced and stirrups, was greater than the strength of the control beams with only stirrups at a separation of d/2. From the comparison between the experimental data and the mathematical models, it was found that both models adequately predict the effect of the w/c ratio, Vf, the contribution of longitudinal steel and the presence of stirrups in the ultimate strength to shear. The proposed models predicted in most cases conservative values with respect to the ultimate shear strength.

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Author Biography

José Manuel Mendoza Rangel, Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Civil, San Nicolás de los Garza, Nuevo León

Profesor Investigador de Tiempo Completo A en la Facultad de Ingeniería Civil (FIC) de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL) desde 2010. Es Maestro en Metalurgia y Ciencia de los Materiales por el Instituto de Investigaciones Metalúrgicas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (UMSNH) y Maestro en Innovación en Técnicas, Sistemas y Materiales Constructivos (CEMCO 2007) por el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (Madrid, España), donde también realizó un Doctorado en el Departamento de Química Física de Materiales. Obtuvo su doctorado en Ciencias con especialidad en Física Aplicada por el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados de la Unidad Mérida del IPN (CINVESTAV-Unidad Mérida) en 2009, donde también realizó una estancia postdoctoral de 2009 a 2010. Fue jefe del Laboratorio de Investigación en Materiales de Construcción del Instituto de Ingeniería Civil de la UANL de 2011 a 2013. Actualmente se desempeña como Coordinador Académico de Estudios de Posgrado de la FIC y como Coordinador del Programa de Doctorado en Ingeniería con Énfasis en Materiales de Construcción. Es profesor titular de la disciplina “Mecánica de Materiales I” de la Carrera de Ingeniería Civil y de las disciplinas “Metodología de la Investigación”, “Prevención de Problemas Patológicos en Estructuras de Hormigón” y “Deterioro de Materiales de Construcción” del Curso de Postgrado. Miembro de ALCONPAT México desde 2005, miembro y Secretario Ejecutivo de ALCONPAT Internacional desde 2011, del cual también es miembro del Comité Científico. También es editor ejecutivo de la Revista ALCONPAT. Es miembro del American Concrete Institute (ACI) desde 2011. Es revisor (árbitro) de revistas científicas nacionales e internacionales como: Revista Ingeniería, Investigación y Tecnología de la UNAM, Revista ALCONPAT, Cement and Concrete Composites, Concreto y Cemento. Investigación y Desarrollo del IMCyC entre otros. Se desempeña como Secretario Técnico de la Red Temática PREVENIR del programa CYTED. Es egresado y actualmente dirige tesis de doctorado y maestría en programas de posgrado de la FIC-UANL e instituciones nacionales externas. Cuenta con proyectos de investigación financiados por CONACYT y internamente por la UANL. Es autor y coautor de artículos científicos publicados y distribuidos en artículos en revistas indexadas por SCI y JCR, con rigurosa revisión por pares, y en prestigiosos congresos nacionales e internacionales, donde también ha impartido conferencias. Pertenece al Sistema Nacional de Investigadores (SNI) y recibió reconocimiento del PROMEP por su perfil deseable para docentes de tiempo completo. Sus intereses de investigación incluyen los efectos del cambio climático global en las estructuras, la sostenibilidad de los materiales de construcción y las nuevas tecnologías para aumentar la durabilidad estructural.

References

ACI 318S-14, (2014), Requisitos de Reglamento para Concreto Estructural y Comentarios, Instituto Americano del Concreto, ACI.

Ashour, S. A., Hasanain, G. S., Wafa, F. F. (1992), Shear Behavior of High-Strength Fiber Reinforced Concrete Beams, ACI Structural Journal, Vol. 89, No. 2, March-April, pp. 176 – 184.

Aoude, H., Belghiti, M., Cook, W. D., Mitchell, D. (2012), Response of steel fiber-reinforced concrete beams with and without stirrups, ACI Structural Journal, Vol. 109, No. 3, pp. 359-367.

ASTM International. (2018). ASTM C33 / C33M-18, Standard Specification for Concrete Aggregates. Annual Book of ASTM Standards, American Society of Testing Materials. https://doi.org/10.1520/C0033_C0033M-18

ASTM International. (2020). ASTM A615 / A615M-20, Standard Specification for Deformed and Plain Carbon-Steel Bars for Concrete Reinforcement. West Conshohocken, PA. https://doi.org/10.1520/A0615_A0615M-20

ASTM International. (2016). ASTM A820 / A820M-16, Standard Specification for Steel Fibers for Fiber-Reinforced Concrete. West Conshohocken, PA. https://doi.org/10.1520/A0820_A0820M-16

ASTM International. (2020). ASTM C143 / C143M-20, Standard Test Method for Slump of Hydraulic-Cement Concrete. West Conshohocken, PA. https://doi.org/10.1520/C0143_C0143M-20

ASTM International. (2019). ASTM C192 / C192M-19, Standard Practice for Making and Curing Concrete Test Specimens in the Laboratory, Annual Book of ASTM Standards, American Society of Testing Materials. https://doi.org/10.1520/C0192_C0192M-19

ASTM International. (2021). ASTM C39 / C39M-21, Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens. West Conshohocken, PA. https://doi.org/10.1520/C0039_C0039M-21

ASTM International. (2017). ASTM C496 / C496M-17, Standard Test Method for Splitting Tensile Strength of Cylindrical Concrete Specimens. West Conshohocken, PA. https://doi.org/10.1520/C0496_C0496M-17

ASTM International. (2017a). ASTM C231 / C231M-17a, Standard Test Method for Air Content of Freshly Mixed Concrete by the Pressure Method. West Conshohocken, PA. https://doi.org/10.1520/C0231_C0231M-17A

Dinh, H. H., Parra-Montesinos, G. J., Wight, J. K. (2010), Shear behavior of steel fiber-reinforced concrete beams without stirrup reinforcement, ACI Structural Journal, Vol. 107, No. 5, pp. 597-606.

Dupont, D., Vandewalle, L. (2003), Shear Capacity of Concrete Beams Containing Longitudinal Reinforcement and Steel Fibers, ACI Structural Journal, Vol. 216, pp. 79 – 94.

Haisam, E. Y. (2011), Shear Stress Prediction: Steel Fiber - Reinforced Concrete Beams without Stirrups, ACI Structural Journal, Vol. 108, No. 3, May-June, pp. 304 – 314.

Juarez, C., Valdez, P., Durán, A., Sobolev, K. (2007), The diagonal tension behavior of fiber reinforced concrete beams, Cement & Concrete Composites, 29(5):402-408. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2006.12.009

Jun Z., Jingchao L., Liusheng C. and Fuqiang S. (2018), Experimental Study on Shear Behavior of Steel Fiber Reinforced Concrete Beams with High-Strength Reinforcement. Materials, 11 (9), 1682, pp. 1-19. https://doi.org/10.3390/ma11091682

Khuntia, M., Stojadinovic, B. (2001), Shear Strength of Reinforced Concrete Beams without Transverse Reinforcement, ACI Structural Journal, Vol. 98, No. 5, September-October, pp. 648 – 656.

Marì Bernat, A., Spinella, N., Recupero, A. (2020), Mechanical model for the shear strength of steel fiber reinforced concrete (SFRC) beams without stirrups. Materials and Structures. 53(28). https://doi.org/10.1617/s11527-020-01461-4

Narayanan, R., Darwish, I. Y. S. (1987), Use of Steel Fibers as Shear Reinforcement, ACI Structural Journal, 84 (3), May – June, pp. 216 – 226.

Organismo Nacional de Normalización y Certificación de la construcción y Edificación, S.C. (ONNCCE) (2017). NMX-C-414-ONNCCE: Industria de la Construcción – Cementos Hidráulicos - Especificaciones y Métodos de Prueba. Norma Mexicana.

Park, P., Paulay, T. (1990), “Estructuras de Concreto Reforzado”, Editoriales Limusa y Noriega, Nueva Edición, pp. 288 – 294. https://www.u-cursos.cl/usuario/7ed3df485e955c4de1ffa12120d4bb52/mi_blog/r/estructuras_de_concreto_reforzado_-_r._park___t._paulay.pdf

Sarhat, S. R., Abdul-Ahad, R. B. (2006), The Combined Use of Steel Fibers and Stirrups as Shear Reinforcement in Reinforced Concrete Beams, SP, American Concrete Institute, vol. 235, pp. 269 – 282.

Shin, S. W., Oh, J. G., Ghosh, S. K. (1994), Shear Behavior of Laboratory-Sized High Strength Concrete Beams Reinforced with Bars and Steel Fibers, American Concrete Institute, Volume 142. pp. 181-200.

Swamy, R. N., Bahía, H. M. (1985), The Effectiveness of Steel Fibers as Shear Reinforcement, Concrete International, Design and Construction, Vol. 7, No. 3, March, pp. 35 – 40.

Swamy, R. N., Mangat, P. S., Rao, C. V. S. K. (1974), The Mechanics of Fiber Reinforcement of Cement Matrices, Symposium Paper, American Concrete Institute, 44, pp. 1 – 28.

Swamy, R. N., Narayan, J., Roy, Chiam, T. P. (1993), Influence of Steel Fibers on the Shear Resistance of Lightweight Concrete I – Beams, ACI Structural Journal, Vol.90, No. 1, January – February, pp. 103 – 114. https://doi.org/10.14359/4201

Published
2021-09-01
How to Cite
Issue
Vol. 11 No. 3 (2021): Volume 11, Issue 3 (2021)
Section
Basic Research

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