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Shear behaviour of infra lightweight concrete (ILC)

Elshahawi, Mahmoud Sami Mohamed

ILC stands for "Infra" Lightweight Concrete, a versatile construction material that is characterized by its substantial lightweight (dry density ≤ 800 kg/m3), an excellent heat insulation and a sufficient bearing strength. Given such a unique combination of properties, ILC has been presented as a promising approach for modern building envelopes, offering a viable alternative to conventional building façades. This implies that composite exterior walls, combining a bearing element and several heat insulating layers can be efficiently replaced with a single ILC layer. This replacement offers several architectural, construction and ecological advantages. The first successful ILC mix was developed and used in the construction of a residential building in Berlin, 2007. Since that time, ILC has built a solid reputation among architects and ecologically aware builders. As a result, many successful ILC mixes were developed, reflecting a significant improvement on its mechanical properties. Moreover, several studies into the structural behaviour of ILC were conducted, including studies on its bond, compressive and flexural behaviour. The major aim of this research is to widen the scientific knowledge of ILC's structural behaviour, which will undoubtedly inspire architects and structural engineers to use ILC in more contemporary structures in the future. This study focuses mainly on ILC's shear behaviour that has not been academically investigated. Research aims were set and divided into three main research sections: (1) shear behaviour of ILC beams without stirrups, (2) shear behaviour of ILC beams with stirrups, and (3) the effective compressive strength of shear cracked struts and the maximum shear strength of ILC. Five ILC mixes were developed, covering a wider range of dry densities and compressive strengths. Fresh and hardened properties of these mixes were fully identified through several tests conducted in both stages. The ILC's shear behaviour was identified by testing and analysing results of more than 45 ILC beams in 4-point bending test. Beams configuration and test setups were adapted to completely meet research aims derived from each research section. Results of ILC beams without web stirrups revealed a significant influence of ILC's excessive shrinkage on reducing the diagonal cracking load and developing wide cracks. A design approach has been developed, whereby the ILC's excessive shrinkage was processed by reducing the tensile strength of ILC. The ILC's shear strength, corresponding to the 1st diagonal cracking load, seemed to be connected to this reduced tensile strength and the depth of the compressed zone, with no major influence of aggregate interlocking or dowel action. For ILC beams with web stirrups, observations at failure demonstrated a partial-to-complete loss of mechanisms governing the ILC contribution to shear stress carrying mechanisms. In parallel, the ultimate shear capacity of most ILC beams was found to match closely with that calculated using the original 45° truss model. However, beams with relatively high web stirrup ratios and / or low strength, failed prior to yielding of web stirrups due to a partial loss of bond, causing a spalling of the concrete cover in the upper part of tested ILC beams. To address this, a yield strength reduction factor ϕy was implemented upon calculating the ultimate shear strength of ILC beams with web stirrups. This factor was linked to the stirrup ratio and the ILC strength, being the key parameters influencing the bond failure mechanism. The effective compressive strength of shear cracked struts was estimated by testing and analysing five ILC beams, representing different compressive strengths. The beams were configured and tested in such a way to fail by excessive compressive stress in inclined strut in the shear region. The equalization of experimental to theoretical strength of inclined struts assisted in obtaining the ILC's strut effectiveness factor (βs = 0.83). The maximum shear strength was, then, linked to the strut capacity that is directly related to the ILC strength and the estimated βs.
Infraleichtbeton (engl. Infra-Lightweight Concrete, ILC) ist ein vielseitiger Baustoff, der sich durch geringes Gewicht (Trockendichte ≤ 800 kg/m3), gute Wärmedämmeigenschaften und ausreichende Tragfähigkeit auszeichnet. Angesichts dieser einzigartigen Kombination an Eigenschaften wird ILC als vielversprechender Ansatz für moderne Gebäudehüllen vorgestellt, der eine praktikable Alternative zu herkömmlichen Gebäudefassaden ermöglicht. Dies bedeutet, dass Verbundaußenwände, die ein tragendes Element und mehrere wärmedämmende Schichten kombinieren, effizient durch eine einzige ILC-Schicht ersetzt werden können. Dieser Ersatz bietet mehrere architektonische, bautechnische und ökologische Vorteile. Die erste erfolgreiche ILC-Mischung wurde 2007 entwickelt und beim Bau eines Wohngebäudes in Berlin eingesetzt. Seitdem hat sich ILC einen guten Ruf bei Architekten und ökologisch bewussten Bauherren erworben. Folglich wurden viele erfolgreiche ILC-Mischungen entwickelt, die eine deutliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften widerspiegeln. Außerdem wurden mehrere Studien über das Tragverhalten von ILC durchgeführt, einschließlich über das Verbund-, Riss- und Biegetragverhalten. Das Hauptziel dieser Forschungsarbeit ist es, das akademische Wissen über das Tragverhalten von ILC zu erweitern, was Architekten und Bauingenieure dazu inspirieren soll, ILC in Zukunft in moderneren Strukturen zu verwenden. Diese Studie konzentriert sich hauptsächlich auf das Schubtragverhalten von ILC, das bisher nicht wissenschaftlich untersucht wurde. Die Forschungsziele wurden festgelegt und in drei Hauptforschungsabschnitte unterteilt: (1) Schubtragverhalten von ILC-Balken ohne Bügel, (2) Schubtragverhalten von ILC-Balken mit Bügeln und (3) die effektive Druckfestigkeit der Druckstreben und die maximale Scherfestigkeit von ILC. Es wurden fünf ILC-Mischungen verwendet, die einen größeren Bereich von Trockendichten und Druckfestigkeiten abdecken. Die Frisch- und Festbetoneigenschaften dieser Mischungen wurden durch mehrere Tests in beiden Phasen vollständig ermittelt. Das Schubtragverhalten von ILC wurde durch experimentelle und analytische Untersuchungen von mehr als 45 ILC-Balken im 4-Punkt-Biegeversuch ermittelt. Die Balkenkonfiguration und die Versuchsaufbauten wurden so entworfen, dass die aus den einzelnen Forschungsabschnitten abgeleiteten Forschungsziele vollständig erfüllt wurden. Die Ergebnisse der ILC-Balken ohne Bügel zeigten einen signifikanten Einfluss des Schwindens des ILC auf die Verringerung der Risslast diagonalen Druckstrebe und die Entwicklung breiter Risse. Es wurde ein Bemessungsansatz entwickelt, bei dem das Schwinden des ILCs durch eine Reduzierung der Zugfestigkeit des ILCs berücksichtigt wurde. Die Schubtragfähigkeit von ILC, die der ersten diagonalen Risslast entspricht, schien mit dieser reduzierten Zugfestigkeit und der Breite der Druckzone zusammenzuhängen, ohne dass die Verzahnung der Gesteinskörnung oder die Dübelwirkung der Längsbewehrung einen wesentlichen Einfluss hatten. Bei ILC-Balken mit Bügeln zeigte sich beim Versagen ein teilweiser bis vollständiger Verlust der Tragmechanismen, die einen wichtigen Beitrag des ILC zur Schubspannungsübertragung leisten. Gleichzeitig wurde festgestellt, dass die Tragfähigkeit der meisten ILC-Balken weitgehend mit denjenigen übereinstimmt, die mit einem 45°-Fachwerkmodell berechnet wurde. Allerdings versagten Balken mit relativ hohen Stegbügelverhältnissen und/oder geringer Festigkeit vor dem Nachgeben der Bügel aufgrund eines teilweisen Verlustes des Verbundes, was zu einem Abplatzen der Betondeckung im oberen Teil der geprüften ILC-Balken führte. Um dem entgegenzuwirken, wurde bei der Berechnung der Schubfestigkeit von ILC-Balken mit Bügeln ein Faktor ϕy zur Verringerung der Streckgrenze eingeführt. Dieser Faktor wurde mit dem Bügelverhältnis und der ILC-Festigkeit verknüpft, weil sie die Schlüsselparameter sind, die den Versagensmechanismus der Verbindung beeinflussen. Die effektive Druckfestigkeit von Druckstreben mit Schubrissen wurde durch die experimentelle und analytische Untersuchungen von fünf ILC-Balken mit unterschiedlichen Druckfestigkeiten ermittelt. Die Balken wurden so konfiguriert und getestet, dass sie durch eine übermäßige Druckspannung in den geneigten Druckstreben im Schubbereich versagen. Die Angleichung der experimentellen an die theoretische Tragfähigkeit der geneigten Druckstrebe half bei der Ermittlung des Druckstrebeneffektivitätsfaktors des ILC (βs = 0,83). Die maximale Schubfestigkeit wurde dann mit der Druckstrebenkapazität verknüpft, die direkt mit der ILC-Festigkeit und dem ermittelten βs zusammenhängt.