shear capacity of steel fibre reinforced concrete beams ...460512/fulltext01.pdf · i shear...

152
i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement Tvärkraftskapacitet hos fiberbetongbalkar utan konventionell armoring ELEONORA MONDO Master of Science Thesis Stockholm, Sweden 2011

Upload: lyminh

Post on 09-Mar-2018

217 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

Page 1: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

i

Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear

Reinforcement

Tvärkraftskapacitet hos fiberbetongbalkar utan konventionell armoring

ELEONORA MONDO

Master of Science Thesis Stockholm, Sweden 2011

Page 2: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement Tvärkraftskapacitet hos fiberbetongbalkar utan konventionell armoring

Eleonora Mondo

Page 3: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

 

       

                                 ©Eleonora Mondo, 2011  Royal Institute of Technology (KTH) Department of Civil and Architectural Engineering Division of Structural Design and Bridges Stockholm, Sweden, 2011  Politecnico di Torino Dipartimento di Ingegneria Strutturale

Page 4: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

           

                             

  

  

TRITA‐BKN. Master Thesis 331 Structural Design and Bridges, 2011 

ISSN 1103‐4297 ISRN KTH/BKN/EX‐331‐SE 

 

Page 5: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement
Page 6: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

iii 

Preface 

This master thesis is the result of my studies at Politecnico di Torino and at the Royal Institute  of  Technology  of  Stockholm  where  I  did  my  last  year  of  M.Sc.  within  the Erasmus Exchange program. 

After the first five months in this University, the knowledge and the availability of the Professors,  the  friends  I  met  and  the  great  experiences  I  had,  led  me  to  extend  my studies here for doing my master thesis. 

Professor Johan Silfwerbrand, Professor Bernardino Chiaia and Professor Alessandro Pasquale Fantilli gave me the possibility to do this thesis on the field of the shear of SFRC beams.  I would  like  to express my sincere gratitude  to Professor  J. Silfwerbrand  three times, for this opportunity, for bringing me to know this innovative material and for the time spent on my work. Further I would like to thank Professor B. Chiaia and Professor A.P. Fantilli for their great co‐operation, supervision and help. 

I would  like  to  thank the employees at the Swedish Cement and Concrete Research Institute for their assistance and positive attitude and the Politecnico di Torino for the technical background provided to me and the scholarship I received. 

During  this  unique  experience  I  met  special  people  that  became  friends,  I  saw amazing places and I discovered interesting cultures. They will always stay in my heart. 

Finally, I wish to express my greatest thanks to my family and friends who gave me the support I needed without any exception. 

     Stockholm, September 2011 

    

Eleonora Mondo  

Page 7: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement
Page 8: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

Abstract 

While the increase in shear strength of Steel Fibre Reinforced Concrete (SFRC) is well recognized,  it  has  yet  to  be  found  common  application  of  this  material  in  building structures  and  there  is  no  existing  national  standard  that  treats  SFRC  in  a  systematic manner. 

The aim of the diploma work is to investigate the shear strength of fibre reinforced concrete  beams  and  the  available  test  data  and  analyse  the  latter  against  the  most promising  equations  available  in  the  literature.  The  equations  investigated  are: Narayanan  and  Darwish’s  formula,  the  German,  the  RILEM  and  the  Italian  guidelines. Thirty  articles,  selected  among  over  one  hundred  articles  taken  from  literature,  have been used to create the database that contains almost 600 beams tested in shear. This large number of beams has been decreased  to 371 excluding all  those beams and  test that  do  not  fall  within  the  limitation  stated  for  this  thesis.  Narayanan  and  Darwish’s formula can be utilized every time that the fibre percentage, the type of fibres, the beam dimensions,  the  flexural  reinforcement  and  the  concrete  strength  class  have  been defined. On the opposite, the parameters introduced in the German, the RILEM and the Italian  guidelines  always  require  a  further  characterization  of  the  concrete  (with bending test) in order to describe the post‐cracking behaviour. The parameters involved in the guidelines are the residual flexural tensile strengths according to the different test set‐ups.  A  method  for  predicting  the  residual  flexural  tensile  strength  from  the knowledge of the fibre properties, the cylindrical compressive strength of the concrete and the amount of fibres percentage is suggested. The predictions of the shear strength, obtained using the proposed method for the residual flexural tensile strength, showed to be satisfactory when compared with the experimental results.  

A  comparison among  the aforementioned equations  corroborate  the validity of  the empirical formulations proposed by Narayanan and Darwish nevertheless only the other equations  provide  a  realistic  assessments  of  the  strength,  toughness  and  ductility  of structural  elements  subjected  to  shear  loading.  Over  the  three  investigated  equations, which work with the post‐cracking characterization of the material, the Italian guideline proposal is the one that, due to its wide domain of validity and the results obtained for the gathered database of beams, has been selected as the most reliable equation. 

 Keywords: Steel Fibre Reinforced Concrete, shear, Narayanan and Darwish’s Equation, 

RILEM, CNR, DafStB, post‐cracking, flexural tensile strength.  

Page 9: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement
Page 10: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

vii 

Sammanfattning 

Trots att  fiberbetongens utökade  tvärkraftskapacitet är väl känd har  fiberbetongen ännu  inte  uppnått  en  ställning  som  ett  vanligt  alternativ  inom  husbyggnad.  Det  finns heller inga nationella standarder som behandlar fiberbetong på ett systematiskt sätt. 

Målet  med  föreliggande  examensarbete  är  att  undersöka  tvärkraftkapaciteten  hos fiberbetongbalkar  genom  tillgängliga  försöksresultat  samt  analysera  försöksresultaten mot  de  mest  lovande  ekvationerna  som  är  tillgängliga  i  litteraturen.  De  undersökta ekvationerna är följande: Narayanans och Darwishs ekvation samt de tyska, RILEMs och de italienska rekommendationernas ekvationer. Trettio artiklar, som valts ut bland över 100 artiklar från litteraturen, har använts för att skapa en databas som innehåller över 600 balkar som provats i skjuvning. Detta stora antal har reducerats till 371 genom att alla balkar  som  faller utanför avhandlingens begränsningar uteslutits. Narayanans och Darwishs  ekvation  kan  användas  så  fort  man  känner  fiberinnehållet,  fibertypen, balkdimensionerna, böjarmeringen och hållfasthetsklassen.  I motsats  till det kräver de tyska, RILEMs och de italienska rekommendationerna en mer utförlig beskrivning över fiberbetongen  (genom  böjprovning)  för  att  beskriva  hur  fiberbetongen  fungerar  efter uppsprickning.  Den  nödvändiga  parametern  i  rekommendationerna  är  fiberbetongens residualhållfasthet  bestämd  genom  olika  varianter  av  böjning  av  fiberbetongbalkar.  I rapporten  har  författaren  utvecklat  en  ett  förslag  till  metod med  vars  hjälp man  kan uppskatta  residualhållfastheten  ur  uppgifter  om  fiberns  egenskaper,  betongens cylinderhållfasthet  samt  fiberinnehåll.  Bestämningen  av  skjuvhållfastheten,  genom användning  av  denna  metod,  visade  sig  stämma  väl  överens  med  experimentella resultat. 

En jämförelse mellan de ovan nämnda ekvationerna visar giltigheten hos Narayanans och  Darwishs  empiriska  ekvation,  även  om  enbart  de  andra  tre  ger  en  realistisk bedömning  av  bärförmåga  och  seghet  hos  konstruktionselement  som  belastas  i skjuvning. Bland de tre undersökta ekvationerna, som beaktar materialets verkningssätt efter uppsprickning, är de italienska rekommendationernas metodik de som förespråkas här, eftersom den har en bred giltighet och stöd i databasen. 

 Nyckelord: Fiberbetong,  skjuvning, Narayanans och Darwishs ekvation, RILEM, CNR, 

DafStB, verkningssätt efter uppsprickning, böjdraghållfasthet.  

Page 11: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement
Page 12: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

ix 

Sommario 

Il calcestruzzo fibrorinforzato è un materiale composito ottenuto introducendo fibre corte d’acciaio in una matrice di calcestruzzo. L’aggiunta di queste fibre ad una matrice cementizia,che  è  caratterizzata  da  un  comportamento  fragile  a  trazione,  rallenta  il processo  di  fessurazione  aumentando  la  duttilità  e  la  capacità  di  assorbimento  di energia  del  materiale  composito.  Inoltre,  come  è  ampiamente  riconosciuto  dalla letteratura scientifica,  le fibre aumentano la capacità a taglio degli elementi strutturali. Tuttavia, resta la necessità di stabilire meccanismi di resistenza e di redigere normative nazionali riguardanti il taglio che permettano di trattare il problema in modo affidabile e sistematico. 

La presente tesi intende esaminare le molteplici formulazioni analitiche per il calcolo della resistenza ultima a taglio, testimoniate dalle molte pubblicazioni scientifiche e non, presenti in letteratura. Nello specifico, sono state confrontate la formula di Narayanan e Darwish e le equazioni proposte dagli enti normativi Tedesco (DafStB), Italiano (CNR) e dal  RILEM.  Lo  studio  è  fondato  su  trenta  campagne  sperimentali,  selezionate  tra  un centinaio di pubblicazioni, per un totale di 600 elementi trave di dimensioni reali testati a  taglio.  Escludendo  i  test  su  elementi  le  cui  proprietà  non  rientrano  nel  dominio investigato da questa tesi, si è ottenuto un database di 371 elementi trave. 

La formula di Narayanan and Darwish ha la peculiarità di poter essere utilizzata tutte le  volte  che  sono  note  le  dimensioni  della  trave,  la  percentuale  in  volume  di  fibre,  le caratteristiche fisiche‐meccaniche delle fibre, il quantitativo di armatura longitudinale e la  classe  del  calcestruzzo.  Le  linee  guida  del  DafStB,  del  RILEM  e  del  CNR,  invece, contengono  all’interno delle  loro  formulazioni  un parametro  legato  al  comportamento del  materiale  nella  fase  posteriore  alla  fessurazione,  ovvero  la  resistenza  residua desunta  da  prove  a  flessione.  Questi  tre  metodi,  pertanto,  richiedono  una caratterizzazione del materiale  che  consiste  in un ulteriore  test  a  flessione  (differente per  ogni  ente  normativo)  su  un  provino  di  piccole  dimensioni,  dal  quale  si  possono desumere le resistenze residue del materiale. Al fine di proseguire nel confronto, che è precipuamente  l’oggetto  di  questa  tesi,  la  scarsità  di  questa  tipologia  di  dati  é  stata superata  performando  una  back  analysis;  la  formulazione  analitica  ottenuta,  una  per ciascun  ente,  si  basa  sulla  percentuale  di  fibre,  sulle  caratteristiche  delle  fibre  e  sulla resistenza  cilindrica  a  compressione  del  calcestruzzo,  restituendo  il  valore  della tensione residua mancante. La capacità a  taglio, basata sulle  tensioni  residue calcolate con la formulazione analitica presentata in questo lavoro, mostra risultati soddisfacenti quando viene comparata con la capacità a taglio misurata durante le prove sperimentali riportate nel database. 

Ampie  interpretazioni  e  discussioni  generate  dai  risultati  ottenuti  con  le sovramenzionate  equazioni,  confermano  la  validità  della  formulazione  empirica  di Narayanan e Darwish commisurando difficoltà e risultati; nonostante tutto,  le altre  tre 

Page 13: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

equazioni sono in grado di dare maggiori indicazioni relative alla resistenza, alla tenacità e  alla  duttilità  dell’elemento  trave  soggetto  ad  azioni  taglianti.  Tra  queste  ultime  la proposta  italiana, grazie al  suo esteso dominio di validità ed ai  risultati ottenuti, viene indicata come la piú promettente formula per la computazione della capacità a taglio di una trave fibrorinforzata in assenza di armatura specifica. 

 Parole  chiave:  Calcestruzzo  fibrorinforzato,  sforzi  di  taglio,  Narayanan  e  Darwish, 

RILEM, DafStB, CNR, post fessurazione, tensione residua.  

Page 14: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

xi 

Contents 

Preface .......................................................................................................................................... iii 

Abstract .......................................................................................................................................... v 

Sammanfattning ....................................................................................................................... vii 

Sommario ..................................................................................................................................... ix 

Contents ........................................................................................................................................ xi 

Notations ................................................................................................................................... xiii 

Abbreviations ............................................................................................................................ xv 

  Introduction ......................................................................................................... 1 Chapter 1

1.1  Background ............................................................................................................................... 1 

1.2  Scope of the Thesis ................................................................................................................. 3 

1.3  Limitation .................................................................................................................................. 3 

1.4  Outline of the Thesis .............................................................................................................. 4 

  Theoretical Background .................................................................................. 7 Chapter 2

2.1  Fibre Reinforced Concrete: Material, Geometries and Physical Properties. ..... 7 

2.2  Mechanisms of Crack Formation and Propagation ................................................. 13 

2.3  Test Methods ......................................................................................................................... 20 

  Shear Capacity .................................................................................................. 27 Chapter 3

3.1  Alternative I: Narayanan & Darwish ............................................................................. 31 

3.2  Alternative II: Equation Developed from the German Committee for 

Reinforced Concrete (DAfStB)......................................................................................... 36 

3.3  Alternative III: RILEM TC 162‐TDF (2003) ................................................................. 38 

3.4  Alternative IV: Italian Guideline CNR DT 204‐2006 ................................................ 42 

  Analysis and Comparison of the Specimens .......................................... 45 Chapter 4

4.1  Introduction .......................................................................................................................... 45 

4.2  Presentation of all the Data ............................................................................................. 48 

Page 15: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

xii 

4.3  Classification of the Specimens Based on the Main Properties........................... 57 

4.3.1  Test Methods & Post‐Cracking Parameters ..................................................................... 57 

4.3.2  Modes of Failure ......................................................................................................................... 66 

4.3.3  Strength of Concrete ................................................................................................................. 67 

4.3.4  Fibres & Volume Percentage ................................................................................................. 68 

4.3.5  Longitudinal Reinforcement .................................................................................................. 68 

4.3.6  Specimen Dimensions .............................................................................................................. 68 

4.3.7  Other Properties ......................................................................................................................... 69 

4.4  Data Processing .................................................................................................................... 70 

4.5  Comparison between the Test Data from Literature and the Theoretical 

Formulas of Chapter 3 ........................................................................................................ 94 

4.5.1  Effect of a/d Ratio ...................................................................................................................... 95 

4.5.2  Effect of the Maximum Aggregate Size .............................................................................. 96 

4.5.3  Effect of Fibres Percentage ..................................................................................................... 97 

4.5.4  Effect of Longitudinal Reinforcement ................................................................................ 98 

4.5.5  Effect of the Cylindrical Compressive Strength ............................................................. 99 

4.5.6  Effect of the RI and the Fibre Factor F ............................................................................ 100 

4.5.7  Effect of the Effective Depth d ............................................................................................ 102 

  Conclusion and Future Perspectives ...................................................... 105 Chapter 5

5.1  Discussion of the Results ................................................................................................ 105 

5.2  Proposal of the Best Alternative. ................................................................................. 106 

5.3  Future Perspectives .......................................................................................................... 108 

References ............................................................................................................................... 109 

Appendix A ............................................................................................................................... A‐1 

Appendix B    SFRC Papers and References ............................................................... B‐1 

Page 16: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

xiii 

Notations 

General notations 

(.)c  property (.) referred to concrete 

(.)d  design value of property (.)  

(.)exp  experimental value of property (.)  

(.)F  property (.) referred to fiber‐reinforced concrete  

(.)k  characteristic value of property (.)  

(.)m  medium value of property (.)  

(.)R  property (.) as resistance 

(.)s  property (.) referred to steel  

(.)S  property (.) as demand 

(.)u  ultimate value of property (.)   

[AXX]  article number XX 

   Uppercase Roman letters 

A'  nondimensional constant in Narayanan&Darwish's Eq. 

Ab  total bond area of the fibres across the inclined cracked section [mm2] 

Ac   area of the concrete cross‐section [m2] 

Af   area of a single fibre [mm2] 

As  area of tensile reinforcement [mm2] 

A's  area of compression reinforcement [mm2] 

B'  dimensional constant in Narayanan&Darwish's Eq. 

Vf  Fibre content by volume 

Ff  Fibre Factor 

Page 17: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

xiv 

EC  elasiticiy modulus of concrete 

Pu  observed ultimate load 

   Lowercase Roman letters 

a  shear span [mm] 

a/d  shear span/effective depth ratio 

b  width of the beam [mm] 

d  effective depth of the cross‐section [mm] 

da  maximum aggregates size [mm] 

df  fiber diameter (equivalent) [mm] 

df  bond factor in Narayanan&Darwish's Eq. 

fcc,cube 28   compressive cube strength of concrete [MPa] 

fcsp 28   splitting tensile strength of concrete [MPa] 

fsy  Yield stress of reinforceing steel [MPa] 

lf/df  Aspect ratios of fibres  

fcfl   flexural tensile strength of concrete [MPa] 

fcsp  splitting tensile strength of concrete [MPa] 

   Lowercase Greek letters 

φ  diameter of rebar [mm] 

ρf  fiber mass density [kg/m3] 

τ  fibre‐matrix interfacial bond stress [MPa] 

ρ'flex  percentage of area of tensile reinforcement = (A/bd) x 100 

ρ flex  percentage of area of compression reinforcement = (A's/bd)/100 

ρ tot  total ratio of reinforcement 

Page 18: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

xv 

Abbreviations 

3PBT  Three Point Bending Test 

4PBT  Four Point Bending Test 

ASTM   American Society for Testing and Materials 

CEN  Comitato Normativo Europeo ‐ European Committee for Standardization 

CNR  Consiglio Nazionale delle Ricerche ‐ National Research Council 

CRC  Chemical Rubber Company 

CSTR  The Concrete Society Technical Report (U.K.) 

CUR  Centre for Civil Engineering Research and Codes (Netherlands) 

DAfStB  the German Committee for Structural Concrete  

DBV DEUTSCHER BETON‐ UND BAUTECHNIK‐VEREIN German Society  for  concrete  and Technology 

DT  Diagonal tension ‐ Mode of Failure 

e.g.   exempli gratia, for example 

EC 2  Eurocode 2 

EN  Euro Norm 

F  Failure in Flexure 

FRC  Fibre Reinforced Concrete 

FRP  Fiber Reinforced Polymer 

FT  Flexural Tension ‐ Mode of Failure 

i.e.  id est, that is 

IB  Information Bulletin 

JCI  Japan Concrete Institute 

JSCE  Japan Society of Civil Engineers 

NA  Failure Mode not Available 

PC  Plain Concrete 

PCA  Portland Concrete Association (U.S.A.) 

PPR  Partial Prestressing Ratio 

Page 19: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

xvi 

RC  Reinforced Concrete 

RILEM 

Réunion  Internationale  des  Laboratoires  et  Experts  des  Matériaux,  Systèmes  de Construction  et  Ouvrages;  International  Meeting  of  Experts  and  Laboratories  for Materials, Building Systems and Structures 

S  Shearing ‐ Mode of Failure 

SC  Shear Compression ‐ Mode of Failure 

SCA  Swedish Concrete Association 

SLS  Serviceability Limit State 

ST  Failure in Shear Tension 

TC  Technical Committee 

ULS  Ultimate Limit State 

UNI  Ente Nazionale Italiano di Unificazione, Italian Organization for Standardization 

UTT  Uni‐axial Tensile Test 

WC  Web Crushing ‐ Mode of Failure 

WST  Wedge Splitting Test 

 

Page 20: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

 Chapter 1

 

Introduction 

1.1 Background 

In the second half of the XIX° century there were the first patents of the reinforced concrete, when the Parisian gardener Joseph Monier  incorporated the metal cage used to shape his flower pots and he understood that this strengthens the concrete in tension. He got is patents in the 1867. 

After this first experience concrete‐steel other products started to be realized in this manner:  pipes,  tanks,  flat  and  curved  slabs,  stairs  etc...  In  1855,  at  the  Universal Exhibition  in Paris  a  small  boat, built  by  the French  lawyer  J.  L. Lambot, with  a metal structure covered with concrete was exposed (Brencich A., 1992). 

In  the year of 1874, 19 years  later the Lambot’s boat, A. Berard first patented  fibre Reinforced Concrete (Balaguru et al., 1992). 

Since then a new concept of discrete reinforcement done with “fibres”  born and a lot of other fibres, than the steel one, were tried like silicon, carbon, ceramics, glass, nylon, polypropylene, asbestos, silicon carbide etc.. 

For long time the FRC was useless due to its high material costs, missing theoretical knowledge and simultaneous development of the RC. But when, at the end of 1950’ and beginning of 1960’, Romualdi, Batson and Mandel published papers about the  fracture mechanics design approach for FRC, it became to draw the modern countries (Romualdi and  Batson,  1963;  Romualdi  and  Mandel,  1964).  The  modern  era  of  research  of  FRC began interesting more and more users all over the word. Since the beginning its most common utilization is in the field of shotcrete applications. 

The expression “fiber‐reinforced concrete” is by ACI 116 (2000) and the definition of the  Italian National Agency  for  Standardization  states:  “composite material made  from concrete  base  in  which  a  fibrous  widespread  and  evenly  distributed  reinforcement  is embedded” (UNI 11039‐1, 2003). 

Page 21: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

There are mainly four kinds of FRC: (1) Steel Fibre Reinforced Concrete (SFRC), (2) Glass Fibre Reinforced Concrete (GFRC), (3) Natural Fibre Reinforced Concrete (NFRC) and (4) Synthetic Fibre Reinforced Concrete (SNFRC). 

Today, after realizing that asbestos is harmful to one’s health and the establishment of glass fibre is mostly limited to the production of cladding material, the better known is  the SFRC. As more experience  is  gained with SFRC,  thanks  to  its  applicability  in  the field of  the civil engineering construction, more applications and data are accepted by the engineering community. SFRC is widely used in structure where fibre reinforcement is not essential  for integrity and safety (i.e. slabs on grade, rock slope stabilization and repair) but then the industry and the researchers are testing fibres as substitutes of the shear reinforcement and they are trying to cover the lack of codes. 

It is now recognized that the paramount effect of fibres is that it enhances the post‐cracking  behaviour  and  the  toughness –  i.e.  the  capacity  of  transferring  stresses  after matrix cracking and  the  tensile strain at  rapture‐  rather  than  the  tensile strength. The addition  of  fibres  also  slightly  improves  compressive  strength,  elastic modulus,  crack resistance,  crack  control,  durability,  fatigue  life,  resistance  to  impact  and  abrasion, shrinkage, expansion, thermal characteristics, and fire resistance (ACI 544, 1996). 

The  first  works  of  Romualdi,  Batson  and  Mandel  (Romualdi  and  Batson,  1963; Romualdi and Mandel, 1964) were  focused on  the  thought  that  the  fibres  improve  the tensile strength and delay the widening of microcracks; they found confirmation during the  interpretation of  the  indirect  test methods  (i.e.  splitting  test  and  flexural  test  that highlight the increase of toughness) used to determine the tensile strength. 

On the other hand, also new modern research postulated the influence of the fibres on  the delay of  the widening of microcracks  like Nelson et al.  (2002) and Lawler et al (2003). 

From a practical viewpoint, however, the use of steel fibres became attractive in case where  they can  completely  replace bar‐type  shear  reinforcement. The  research points out that this is possible: FRC is able to replace the minimum quantity of stirrups request and to well perform connection between slabs and columns (De Hanai et al, 2008). 

 Considerable research, development, and applications of FRC as shear reinforcement 

are  taking  place  throughout  the  world.  The  numerous  research  papers,  articles, international symposia and state‐of‐the‐art demonstrate the increasing interests on the industry  and  the  potential  business  of  FRC  development.  The  ACI  Committee  544 published its first state‐of‐the‐art report  in 1973. RILEM’s technical committee 19‐FRC on  fibre  reinforced  cement  composites  published  a  report,  too.  The  latest  Fib’s Model Code 2010,  intended to serve as a basis  for  future codes and an operational document for  normal  design  situations,  gives  an  extensive  state‐of‐the‐art  regarding  SFRC  and their shear capacity. 

Despite  the  lack  of  codes,  the  literature  is  full  of  authors  that,  in  evaluating  their experimental  data,  have  proposed  different  analytical  equations  to  estimate  the  shear capacity  of  FRC;  each  theoretical model  agrees well  with  the  experimental  data  from which  the  model  equations  are  derived  but  they  don’t  show  the  same  degree  of agreement when applied to other published data. 

The evaluation of the shear capacity could follow two different thoughts: one, most common  in  the past but still utilized  today and recommended by RILEM (2000a),  that estimates the contribution of the fibres to the shear capacity as an independent addend (see  Narayanan  &  Darwish  (1987),  RILEM  TC  162‐TDF  (2003),  DAfStB  guidelines (2011), Etc.) and the other thought that states the contribution of concrete and fibre are 

Page 22: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

coupled  and,  thus,  must  be  solved  simultaneously  considering  the  toughness  of  the material (Fib Bulletin 57, 2010). 

1.2 Scope of the Thesis 

Today  fibre  reinforced  concrete  is  in  its  fourth  decade  of  development,  after Romualdi  et  al.  (1963  and  1964)  research,  and  it  has  established  itself  as  one  of  the major building material but nevertheless compared with its high performances it is still not widely used, not common in building structures with an inexplicable lack of national and international standards able to treat it in a systematic manner. 

The interests on fibre reinforced concrete are increasing day by day considering the economics advantages that can arise from its use like the substitution of the transversal reinforcement and the earn in terms of saving labour time and increasing durability of the structures. 

 The scope of this thesis is to compare the most used formulas for the calculation of 

the  shear  strength;  they well  agree with  the  experimental  data  from which  the model equations  are  derived  but  they  don’t  work  as  well  as  when  applied  to  other  data;  a further scope is to emphasise the difference between them. 

Last  but  not  least  the  aim  of  the  work  is  to  point  out  the  formula  that  better performed shear in a fibre reinforced beam considering the different key‐parameters. 

1.3 Limitation  

To deal with such a huge topic, several limitations have to be set. There are a  lot of different  fibres  (glass,  steel, natural,  synthetic, etc.) and even  the 

hybrid combination of metallic and non‐metallic fibres can offer potential advantages in improving  concrete  properties  as  well  as  reducing  the  overall  cost  of  concrete production  in  this  work,  we  will  go  exclusively  through  the  Steel  Fibre  Reinforced Concrete abbreviated in SFRC. Section 2.1 shows all the varieties of fibres but normally the samples contain steel end‐hook, crimped or straight fibres. 

Herein, only beams with flexural reinforcement and fibres are analysed while beams with fibres, shear reinforcement and flexural reinforcement are not considered. 

The samples investigated exhibits a strain‐softening behaviour and all the formulas are designed for this kind of material. 

With  regard  of  the  compressive  strength  of  the  samples  it  is worth  to  stress  that, from  the  beginning,  it  is  not  possible  to  make  a  categorical  exclusion  of  some compressive  classes  of  concrete.  The  decision  of  which  compressive  strength  can  be 

Page 23: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

accepted  depend  on  the  limitations  of  the  formulas  (if  present)  but  at  first  we  must define how the concrete can be classified. Normally it is divided into two big categories: “normal strength” and “high strength”. 

The perception of what level of compressive strength constitutes “high strength” has been continually revised upwards over the past 20 years or so and may well continue to rise  in  the  near  future.  A  simple  definition  would  be  “concrete  with  a  compressive strength  greater  than  that  covered  by  current  codes  and  standards”.  In  the  UK  this would  include  concrete with  a  characteristic  compressive  cube  strength of  60 MPa or more, but Eurocode 2 already includes concrete with characteristic cube strengths up to 105 MPa and Sweden and German had risen this limit up to 115 MPa, even this simple definition is not really adequate. Therefore for the purposes of this thesis, concrete with compressive  (cube)  strength  smaller  than  105  MPa  will  be  considered  as  “normal strength”. 

This  thesis  considers mainly normal  strength but  even  a minority  of  high  strength concrete is gathered in order to investigate their shear behavior. 

The formulas utilized come from the European setting (Germany, Italian and Swedish guidelines) even if they are well‐known all over the world. 

1.4 Outline of the Thesis 

When specimens are tested there are a  lot of parameters that  influence the results, especially when  the  formulas  used  have  an  empirical  background  and  they  had  been performed on a limited bunch of samples. 

This  thesis  consists  on  graphs  that  show  the  ratio  of  the  shear  strength  obtained from  the  test  and  the  shear  strength  coming  from  the  formula  related  to  the  key‐parameters  that  influence  the  shear  response  of  concrete  members  with  special emphasis of FRC toughness and size effect. 

The thesis consists of five chapters. In  Chapter  2  a  theoretical  background  is  given  to  better  understand  the  subject 

treated  in  the  next  chapters;  FRCs  are  described with  their  geometrical  and  physical properties  and  the mechanisms  of  crack  formation  and  propagation  are  explained.  In addition different test methods are presented. 

In Chapter 3  the  importance of  the shear strength  is pointed out and  four different alternatives to quantify it are presented, described and theoretical notions are given for each of the four alternatives. 

Chapter 4 is the soul of the thesis. After a brief introduction about the importance of the research in the shear field, in Section 4.2 all the articles gathered are presented and their  main  features  are  explained.  The  following  subchapter  (Section  4.3)  shows  the domain  investigated  in  this work  according  to  the main  characteristics  (percentage of fibre,  maximum  aggregate  size,  type  of  failure,  test  methods,  etc.).  In  Section  4.4  a method to obtain the post‐cracking parameters in case of absence of standard bending tests  is  proposed  and  also  the  data  processing  is  therein  explained.  In  the  next subchapter (Section 4.5) the theoretical results coming from the formulas of Chapter 3 are compared with the test results and the trend of each formula in different field tests is 

Page 24: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

evaluated. All the work is done paying particular attention to the different performance of the four alternatives. 

Chapter  5  leads  a  discussion  among  the  results  obtained  on  the  previous  chapters and  suggests  the  formula  that  best  suits  the  specimens  analysed;  in  addition  future perspectives of the work are presented. 

The thesis concludes with an alphabetical list of bibliographical sources cited in the text. 

  

Page 25: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement
Page 26: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

 Chapter 2

 

Theoretical Background  

The  continuous  research  in  the  construction  field  improves  the properties  and  the qualities of the concrete available on the market. 

First of all researchers tried to increase the strength but then they focused on other properties  like  the  weight,  the  workability,  the  permeability,  the  ductility  and  the toughness. 

The fibre reinforced concrete responds really well to the latter two needs. The main benefits of the inclusion of fibres in hardened concrete can be appreciated 

in the post‐cracking state, where the  fibres, bridging the cracks, contribute to  increase (1) the strength, (2) the failure strain and (3) the toughness of the composite. In tension, SFRC fails only after  the steel  fibres break or are pulled out of  the cement matrix (ACI Committee 544, 2002). 

2.1 Fibre Reinforced Concrete: Material, 

Geometries and Physical Properties. 

Fibre reinforced concrete is a concrete containing dispersed fibres. The concept of discrete reinforcement finds its root in 1874 when A. Berard patented 

it for the first time (Balaguru et al., 1992). Compared to the conventional reinforcement, the fibre reinforcement is: 

‐ distributed  throughout  a  cross  section  (whereas  bars  are  only  place where needed); 

‐ relatively short and closely spaced (while bars are continuous and not as closely spaced); 

Page 27: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

‐ not comparable, in term of area, to the one of the bars. 

As  stated  before,  the  addition  of  fibres  to  plain  concrete  totally  changes  the  post‐cracking  behaviour  leading  to  a  softening  branch  after  the  peak  load.  Moreover  the fibres ‐bridging the cracks‐ contribute to increase the strength, the failure strain and the toughness of the composite. 

The  toughness  is  significantly  increased  obtaining,  thus,  a  really  versatile construction material; but, fibre reinforced concrete becomes more and more attractive when  it  is  able  to  totally  replace  transversal  reinforcements  that  are  one  of  the more labour‐cost activities necessary  for concrete structures. This  technology also  improves the durability of concrete structures. 

The fibre reinforced concrete is not a recent concept, but, due to the lack of national and  international  standards,  it  is  not  used  in  really  significant  structural  applications. Nowadays it is mainly used in non‐structural elements like: 

‐ slabs  and  pavements  in  which  fibres  are  added  as  secondary reinforcement and with  the aim of withstanding  the crack  induced by the  humidity  and  the  temperature  variation  (crack  for  which  the conventional reinforcement is not effective); 

‐ tunnel linings, precast piles (that have to be hammered in the ground) and  blast  resistance  structures  that  have  to  carry  high  load  or deformation; 

‐ thin sheets or elements with complicated shape where the conventional reinforcement cannot be used and, in any case, due to the thin concrete cover, it will be difficult to preserve from corrosion. 

In most of the applications, the function of the fibres does not consist into increasing the  strength  (although  an  increase  of  tensile  strength  is  a  consequence)  but  just  to control and delay both widening cracks and the behaviour of the concrete after the crack of the matrix. 

 In a simple view, the elements involved in the system FRC are three: the concrete, the 

bond and the fibres. 

The Concrete 

The moderate addition of fibres has no effect on the mechanical material properties of  plain  concrete  before  cracking  unless  the  fibre  dosage  exceeds  around  80  kg/m3 (Technical  Report  No.  63).  The  design  of  such  high  performance  composites  is  not covered  in  this  thesis.  In  consequence  the  addition  of  fibres  does  not  change  the compression  strength  after  28  days,  that  is  the  main  characteristic  used  to  classify concrete (see Table 2.1). 

Page 28: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

Table 2.1 ‐ Strength Concrete Classification (PCA, 1994). 

 Conventional 

concrete 

High‐strength 

concrete 

Very high 

strength concrete 

Ultra high 

strength concrete 

Strength, MPa (psi) < 50 ‐7250 

50 ÷100 (7250÷14500) 

100÷150 (14500÷21750) 

> 150 ‐21750 

Water‐cement ratio  > 0.45  0.45÷30  0.30÷0.25  < 0.25 

Chemical Admixtures  Not necessary  WRA/HRWR  HRWR  HRWR 

Mineral Admixtures  Not necessary  Fly ash  Silica Fume  Silica Fume 

Permeability coefficient 

(cm/s) > 10‐10  10‐nov  10‐dic  < 10‐13 

Freeze‐thaw protection Needs air entrainment 

Needs air entrainment 

Needs air entrainment 

No freezable water 

 However,  fibre  addition  causes  a  less  brittle  failure;  this  is  due  to  the  fact  that 

compression  failure  of  concrete  is  related  to  its  tension  failure,  since  tensile  stresses cause  growth  of  the  pre‐existing  microcracks  in  the  concrete  (and  tanks  to  the  fibre bridging the stresses continue to increase). 

Nevertheless,  the addition of  fibres changes the consistence. The mutation depends upon  the  aspect  ratio  of  the  fibres  that  is  defined  as  the  ratio  of  its  length  lf  to  its diameter df  (when  cross  section  is  not  circular,  diameter  is  substituted  by  equivalent diameter). It is physically difficult to include fibres with an aspect ratio of more than 50 because  concrete  contains  about  70  %  by  volume  of  aggregate  particles  which, obviously, cannot be penetrated by fibres. 

Longer fibres of smaller diameter will be more efficient in the hardened FRC, but will make the fresh FRC more difficult to cast. This explains why the mix design of FRC often requires additives for obtaining the consistence needed.  

Another important factor that could not be ignored is the maximum aggregate size; every time that a concrete matrix is designed, particular attention should be paid to the determination of this parameter that influences the phenomenon of interlock. 

The Bond 

The bond between the matrix and the fibres influences the performances of the FRC. The value of the bond strength for a straight round steel fibre rarely exceeds 4 MPa, but, with  mechanical  deformation  of  the  fibre  or  devices  (anchors),  the  bond  slip  can  be avoided during the fibre failure. 

It is really difficult to predict the behaviour of the fibre; this is because it depends on both fibre shape and concrete strength. Therefore it is not possible to give a generalized “bond strength” which could be used in numerical calculations. The only certainty in the fibre behaviour is that the fibre bond lies between fibre slip and fibre failure. 

Page 29: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

10 

The Fibres 

Based  on  industrial  sources,  the  amount  of  fibres  used worldwide  is  estimated  at 300,000 tons per year, and  is projected to  increase.  In North America,  the growth rate has been placed at 20% per year. However, it should be pointed out that FRC remains a small fraction of the amount of concrete used each year in the construction industry (Li, V. C., 2002). As shown in Table 2.2,  there are many different  types of  fibres  in commerce with different properties. On the whole, steel  fibres remain the most used  fibres (50 % of total tonnage used), followed by polypropylene (20 %), glass (5 %) and other fibres (25 %) (Banthia, 2008). 

Table 2.2 ‐ Properties of fibres used as reinforcement in concrete (Banthia, 2008). 

Fibre type 

Tensile 

strength 

(MPa) 

Tensile 

modulus 

(GPa) 

Tensile strain 

(%) Fibre 

diameter 

(μm) 

Alkali 

stability 

(relative) min  max 

Asbestos  600÷3600  69÷150  0.1  0.3  0.02÷3  excellent Carbon  590÷4800  28÷520  1  2  7÷18  excellent Aramid  2700  62÷130  3  4  11÷12  good Polypropylene  200÷700  0.5÷9.8  10  15  10÷150  excellent Polyamide  700÷1000  3.9÷6  10  15  10÷50  ‐ Polyester  800÷1300  up to 15  8  20  10÷50  ‐ Rayon  450÷1100  up to 11  7  15  10÷50  fair 

Polyvinyl Alcohol  800÷1500  29÷40  6  10  14÷600  good 

Polyacrylonitrile  850‐1000  17÷18  9  19  good 

Polyethylene  400  2÷4  100  400  40  excellent Polyethylene pulp 

(oriented) 400  2÷4  100  400  1‐20  excellent 

High Density Polyethylene  2585  117  2.2  38  excellent 

Carbon steel  3000  200  1  2  50÷85  excellent Stainless steel  3000  200  1  2  50÷85  excellent AR‐Glass  1700  72  2  12÷20  good 

 The  type  of  fibres  to  be  used  depends  mainly  upon  the  application  of  the  FRC. 

Asbestos  fibres have been used  for a  long  time  in pipes and corrugated or  flat  roofing sheets.  Glass  fibres  find  their  application  as  reinforcing  materials  in  automotive  and naval industries or like cladding materials. Vegetable fibres have been used in low cost buildings.  Synthetic  fibres  like  polyethylene  (PE),  polypropylene  (PP),  acrylics  (PAN), polyvinylacetate  (PVA),  polyester  (PES)  and  carbon  are  incorporated  in  the  cement matrix mainly for reducing plastic shrinkage cracking and for increasing the resistance to fire spalling. 

At  any  rate,  the  most  interesting  fibres  in  the  building  materials  sector  are  those made  out  of metal.  They  improve  the  toughness  and  reduce  the  crack widths.  Surely, along the years, thanks to the new technology, their shape is changed and today modern steel fibres have higher slenderness and more complex geometry. 

This  master  thesis  deals  only  with  steel  fibres  that  are  more  developed  into structural applications. 

 In  particular, metallic  fibres  are made  of  either  carbon  steel  or  stainless  steel  and 

their tensile strength varies from 200 to 2600 MPa.  

Page 30: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

11 

The European Standard EN 14889‐1:2006 (CEN, 2006) says that “[...] steel fibres are straight  or  deformed  pieced  of  cold‐drawn  steel wire,  straight  or  deformed  cut  sheet fibres, melt extracted fibres, shaved cold drawn wire fibres and fibres milled from steel block  which  are  suitable  to  be  homogeneously  mixed  into  concrete  or  mortar  [...]”. Moreover, in that norm, steel fibres are divided into five general groups and are defined in accordance with the basic material used for the production of the fibres according to: 

‐ Group I, cold‐drawn wire; ‐ Group II, cut sheet; ‐ Group III, melt extracted; ‐ Group IV, shaved cold drawn wire; ‐ Group V, milled from blocks.  

There  are  also  many  other  classifications  made  by  other  standard  bodies  that consider  different  fibres  features.  The  Japanese  Society  of  Civil  Engineers  (JSCE)  has classified steel fibres according to the shape of their cross‐section: 

‐ Type 1: Square section; ‐ Type 2: Circular section; ‐ Type 3: Crescent section. 

ASTM A 820 provides a classification for four general types of steel fibres based upon the product used in their manufacture: 

‐ Type I—Cold‐drawn wire; ‐ Type II—Cut sheet; ‐ Type III—Melt‐extracted; ‐ Type IV—Other fibers. 

For  steel  fibres,  three  different  variables  are  used  for  controlling  the  fibres performance:  (1)  the  aspect  ratio;  (2)  the  fibre  shape  and  surface  deformation (including anchorages that  increase their performance) and (3) the surface treatments (Löfgren, 2005). 

 For  fibres,  in  order  to  be  effective  in  cementitious matrices,  it  has  been  found  (by 

both experiments and analytical studies) that they should have the following properties (Naaman, 2003): (1) a tensile strength significantly higher than the matrix (from two to three orders of magnitude); (2) a bond strength with the matrix preferably of the same order  as,  or  higher,  than  the  tensile  strength  of  the matrix;  (3)  an  elastic modulus  in tension significantly higher than that of the matrix (at least three times) and (4) enough ductility so that  the  fibre does not  fracture due to  its abrasion or bending.  In addition, the Poisson ratio (ν) and the coefficient of thermal expansion (α) should preferably be of the same order of magnitude for both fibre and matrix (Löfgren, 2005). 

 A  great  variety  of  fibre  shapes  and  lengths  are  available  depending  on  the 

manufacturing process as it is represented in Figure 2.1. 

Page 31: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

12 

 

 

 

Figure 2.1‐ Variety of fibres (Di Prisco, 2007 & IB39, 2009). 

The cross‐section of an individual fibre could be circular, rectangular,  irregular,  flat or  any  substantially  polygonal  shape.  Mechanical  deformation  along  their  length  can improve the bond strength producing smooth, indented, deformed, crimped, coiled and twisted  fibres.  Also  different  shaped  ends  could  improve  the  bond  strength  (end‐paddles,  end‐buttons,  end‐hooks  or  other  anchorages).  Steel  fibres  can  also  have coatings  like  zinc  (for  improving  corrosion  resistance)  or  brass  (for  improving  bond characteristics). 

Fibre  length ranges  from 10  to 60 mm with equivalent diameters between 0.5 and 1.2 mm (0.15‐0.40 mm thickness and 0.25‐0.90 mm in width) and an aspect  ratio  less than 100 (typically ranging from 40 to 80). 

While  the  straight  fibre  is  only  anchored  in  the  matrix  by  friction  and  chemical adhesion,  all  other  fibers, which  have  a  deformation  along  their  axis,  develop  greater bond  properties.  In  order  to  utilize  the  usually  high  tensile  strength  of  fibres  it  is important that fibres are well anchored in the concrete matrix. 

Hughes and Fattuhi (1976) indicated that crimped fibres show a better workability compared  to  straight  or  other  forms  of  fibers  for  a  similar  fibre  aspect  ratio  (Minelli, 2005). 

 The  orientation  and  the  distribution  of  fibres  are worth mentioning.  They  play  an 

important role for the mechanical performance of the FRC. Body random orientation is characterised  by  equi‐probable  and  unlimited  (free)  distribution  of  short  fibres throughout  the  body  of  the  concrete  (in  three  dimensional  space).  Plane  random orientation  occurs  in  thin  walled  elements  (flat  sheets,  plate,  thin  walls,  etc.).  The smaller  the  cross‐section  is,  the more  restricted  the  possibilities  of  free orientation of the fibres and a three dimensional bulk are. The mechanical behaviour must include the orientation  of  the  fibre  in  order  to  quantify  the  fibres  bridging  the  crack.  For  this purpose,  it  is  common  to  define  the  fibre  efficiency  factor  (b)  as  the  efficiency  of bridging,  in  terms  of  the  amount  of  fibres  bridging  crack,  with  respect  to  orientation effects.  

 The  fibre  content  in  a mixture, when  steel  fibres  are  used,  usually  varies  between 

0.25 and 2 % by volume, i.e. from 20 to 160 kg/m3. Normally lowest percentage is used 

Page 32: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

13 

in  slabs  on  grade  while  the  upper  value  is  used  for  structurally  more  complicated applications.  

Nowadays,  it  is  believed  that  a  proper  characterization  of  fibers  should  be undertaken by considering the post‐cracking behaviour itself rather than the geometry and  the amount of  fibres provided  in  the matrix.  In  fact,  the  same amount of  fibres  in different  types  of  concrete  give  quite  different  post‐cracking  behaviours  of  the composites (Minelli, 2005). 

2.2 Mechanisms of Crack Formation and 

Propagation 

The  first crack  that appears  in a beam normally  is  in correspondence of  the region where  the  bending moment  is maximum  and  the  shear  force  is  small;  the  cracks  are aligned whit each other and, more or less, perpendicular to the flexural stress; they are, therefore,  in mode  I  condition. As visible  in a  normal  load‐deflection plot,  at  a  certain point, the behaviour from linear becomes non‐linear (Figure 2.2, Karyhaloo, 1993). 

 

Figure  2.2  –  A  longitudinal  reinforced  concrete  beam  in  three‐point  bending.  First flexural cracks appear in the region of maximum bending moment (a) accompanied by nonlinearity  in  load‐deflection  response  (denoted  by  an  asterisk  in  (b)). More  flexural cracks appear away from the region of maximum moment under increasing load (c), and a dominant  crack propagates  towards  load point  until  ultimate  failure  by  crushing of compressive concrete (d) (Karihaloo, 1993). 

Increasing  the  load  more  cracks  are  formed  away  from  the  region  of  maximum bending moment  and  also  the  non‐linearity  increases;  these  further  cracks  are  along region where  the  shear  forces  are  no  longer  small,  for  this  reason  they  are  in mixed mode condition  (mode  I +  II),  but always normal  to  the major  tensile principal  stress. 

Page 33: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

14 

These cracks, growing, follow a bent path (due to mode II) and they are no more parallel to  the  direction  of  the  applied  load  (sometimes  these  are  incorrectly  called  shear cracks). Mode  II  is also responsible of  the sliding of  the crack  faces. Longitudinal bars, transversal  bars  and  fibres  counteract  the  opening  of  the  crack,  but  it  is  difficult  to separate their effects for quantifying the contribution of each element. 

Further  increasing  of  load  does  grow  a  dominant  crack  towards  the  reduced compression zone until failure take place. The response is generally ductile. 

Changing the beam dimensions or the reinforcement, another kind of collapse could be appreciated that consists  into the formation of a secondary crack which crosses the first flexural cracks (Figure 2.3). This mode of failure (due to the combination of shear and normal stresses) is often sudden and unstable and it is called the diagonal tension mode (or, incorrectly, shear mode).  

 

Figure 2.3‐ A secondary crack crossing the flexural cracks leads to sudden brittle failure (Karihaloo, 1993). 

The  sliding  displacement  of  the  inclined  crack  faces  bring  into  play  the  aggregate interlock which gives a contribution to the total shear strength. A  further contribution comes from the longitudinal reinforcement that acts as a dowel. Bond stresses also act between reinforcement and surrounding concrete caused by slip due to the opening of the crack (Karyhaloo, 1993). The contribution of dowel action, aggregate interlock and bond stress due to slip are very hard to quantify and even fracture mechanics is not able to describe the crack propagation in a correct way. 

The most significant effect of the presence of steel  fibres is the cracking behaviour; the  beams made  out  of  FRC  display  an  increased  number  of  both  flexural  and  shear cracks at closer spacing than the corresponding beams without fibres. Normally, also a reduction of spalling in the vicinity of the support and bond cracking can be found. The addition of  fibres  could  (not always)  lead  to achieve  the  flexural  failure; but,  although fibres beneficially and substantially  improve the crack and deformational behaviour as well as the ultimate strength, this does not always happen. 

The tensile fracture mechanism of concrete is a complex phenomenon and still it has not been  fully elucidated. The post‐cracking behaviour, as shown in Löfgren (2005),  is affected by two different mechanisms: 

‐ Aggregate bridging that is always present in the plain concrete  ‐ Fibre bridging that contributes to energy dissipation in FRC concrete. 

The fibre bridging is always predominant, but the final bearing in uni‐axial tension is the  combination of both  the  two mechanisms; aggregate bridging decays  to  zero  for a crack opening of around 0.3 mm. The addition of  fibres  increases  the work of  fracture (represented  by  the  area  under  the  stress‐crack  opening  curve)  and  the  critical  crack 

Page 34: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

15 

opening (from approximately 0.3 mm to half the fibre length – for steel fibres usually 10 to 30 mm). 

Aggregate Bridging 

Aggregate  bridging  is  the  major  toughening  mechanism  for  plain  concrete;  an aggregate that bridges the crack until 0.3 mm works almost in the same way as fibres do. The concrete crack bridging  is  the coalescence of microcracks  in the matrix due to the development of bond cracks between aggregate and matrix and the frictional pull‐out of aggregates  (Löfgren,  2005).  In plain  concrete,  in  addition  to  aggregate bridging, many different mechanisms are involved:  

‐ crack  shielding:  the  nucleation  of many microcracks,  around  the  tip  of  a propagating  crack,  has  a  significant  influence  on  the  propagation  of  the main  crack.  It  reduces  the  stress  intensity  factors  of  the  main  crack (Loehnert et al., 2007) ; 

‐ crack  deflection:  at  the  interface  of  dissimilar  materials  the  crack  can arrest or advance by either penetrating the interface or deflecting into the interface (He et al., 1989); 

‐ crack surface roughness‐induced closure: the mechanisms of crack closure arising from microscopic roughness of the fatigue fracture surfaces are not fully  understood.  It’s  known  to  strongly  influence  fatigue  crack  growth rates (Várkoly, 2001); 

‐ crack tip blunted by void; ‐ crack branching: the tip of the crack shares in two different branches, the 

main and the secondary crack tip. 

Figure 2.4 ‐ Some toughening mechanisms in plain concrete (Shah et al., 1995). 

The  toughening mechanisms  can  be  divided  into  crack  frontal,  crack  tip  and  crack wake mechanisms (where the aggregate bridging , but more fibre bridging, mechanism is  developed);  they  can  also  be  classified  in  long‐range  effect  over  a  large  crack extension  distance  (e.g.  microcracking  and  aggregate  and  fibre  bridging)  and  short‐

Page 35: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

16 

range  effect  over  a  small  crack  extension  distance  (e.g.  crack  deflection,  bowing  and pinning). 

The major toughening mechanism of plain concrete  is  the aggregate bridging and a lot  of  experimental  and  numerical  observations  support  this  hypothesis.  The  stress‐crack  opening  relationship  has  been  investigated  changing  all  the  parameters  that influence  it.  In  particular,  several  researchers  have  investigated  the  effects  that aggregates  play  changing  the  type,  the  size,  the  shape  and  the  volume  fraction  (see Tasderi  and Karihaloo,  2001;  van Mier,  1991,  1997; Giaccio  and Zerbino,  1997). After these numerous studies  the uniaxial behaviour can be depicted as  in  the Figure 2.5.  It has  been  observed  that,  even  before  any  stresses  have  been  applied,  pre‐existing microcracks exist within the concrete, and this is due to the internal restrain caused by the aggregate and both shrinkage and  thermal deformations. With  the development of externally  caused  stresses,  the microcracks  start  to  grow,  at  first  between  the  cement paste and the aggregates (A) and later also into the mortar (B). After the peak stress (C), microcracks propagate in an unstable manner and crack localisation occurs; at this time macro‐cracks  propagate  through  the  specimen with  the  stress‐drop  consequence  (D). The  toughening  action  of  the  aggregates  and  crack  branching  are  responsible  for  the long softening tail (D‐E) observed during experiments. 

 

Figure  2.5  ‐  Schematic  description of  the  fracture process  in  uni‐axial  tension and  the resulting stress‐crack opening relationship (Löfgren, 2008).  

The graph shown in Figure 2.5 can change shape considering lightweight concrete or high‐strength concrete because the aggregates may became the weak link and aggregate rupture  may  occur,  which  reduce  the  bridging  effect  and  results  in  a  more  brittle fracture process. 

Fibre Bridging 

The  fibre  bridging,  like  the  aggregate  one,  depends  on  many  parameters  and,  for simplicity,  an  isolated  fibre  is  investigated  along  a  crack.  The  fibre  contributes  to dissipate  energy  thanks  to:  (1)  matrix  fracture  and  matrix  spalling,  (2)  fibre‐matrix interface debonding,  (3) post‐debonding  friction between  fibre  and matrix  (fibre pull‐out), (4) fibre fracture and (5) fibre abrasion and plastic deformation (or yielding) of the fibre.  

Page 36: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

17 

 

Figure 2.6 ‐ (a) A schematic illustration of some of the toughening effects and crack front debonding,  the  Cook‐Gordon  effect,  and  debonding  and  sliding  in  the  crack  wake.  (b) Matrix spalling and matrix cracking. (c) Plastic bending (deformation) of  inclined fibre during pull‐out – both at the crack and at the end‐anchor (Löfgren, 2008). 

The  mechanical  behaviour  of  FRC  depends  surely  on  the  amount  of  fibre  (which shows benefits from 1 % until 15 %, for engineered cementitious composites ECC), on the  orientation  of  the  fibres  and  largely  on  the  pull‐out  versus  load  (or  load‐slip) behaviour of the individual fibres. In particular, the pull‐out depends on the type and the mechanical/geometrical  properties  of  the  fibres,  on  the  mechanical  properties  of  the interface between fibre and matrix, on the angle of inclination of the fibre with respect to  the  direction  of  loading  and  on  the  mechanical  properties  of  the  matrix.  A  large amount of literature covers this subject. 

The fibre pull‐out behaviour is the gradual debonding of an interface surrounding the fibre, followed by frictional slip and pull‐out of fibre.  

The  bond  (responsible  of  the  forces  transmission  between  fibre  and  matrix)  has different components: 

‐ the physical and/or chemical adhesion between fibre and matrix; ‐ the frictional resistance; ‐ the mechanical component (arising from the fibre geometry, e.g. deformed, 

crimped or hooked‐end); ‐ the fibre‐to‐fibre interlock; 

Several pull‐out models exist, the simplest  ignore the elastic stress transfer and the matrix  deformation  (e.g.  Hillerborg  (1980)  and  Wang  (1989))  while  other  models assume  elastic  interfacial  shear  bond  stresses  that  gradually  change  into  a  frictional forces because of the debonding of the interface (e.g. Gopalaratnam and Shah (1987)). 

 The debonding criterion can be described with two different approaches: 

‐ strength‐based  criterion  (or  stress‐based)  where  it  is  assumed  that  the debonding  initiates  when  the  interfacial  shear  stress  exceeds  the  shear strength; 

‐ fracture‐based  criterion  that  considers  the  debonding  zone  as  an interfacial  crack  together with  the evaluation of  fracture parameters and energy consideration; 

Page 37: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

18 

 

Figure 2.7 ‐ Different debonding models for fibre pull‐out (Löfgren, 2008). 

Once  debonding  has  taken  place,  stress  transfer  develops  owing  to  frictional resistance that, in its turn, can be described, as depicted in Figure 2.7, with the following different relationships: 

‐ constant friction ‐ decaying friction (or slip softening) ‐ slip hardening friction. 

In  the  literature,  there  can be  found huge differences on  the  interfacial  shear bond strength,  ranging  from  1  up  to  10  MPa  (Minelli,  2005);  moreover  interfacial  shear friction capacity  (ranging  from 0,5  to 20 MPa) makes  the correct  interpretation of  the pull‐out test difficult (Löfgren, 2005). 

The  dissipated  energy  is  equal  to  the  area  beneath  the  load‐displacement  (slip) curve. The pull‐out energy (both debonding and friction) increases with the embedment length, unless  the embedment becomes too  long and the  fibre breaks, and depends on the end of the fibres (crimped, straight, hooked, etc.) as shown in Figure 2.8. 

 

Figure 2.8 ‐ Typical fibre pull‐out relationship between end‐slip and load for straight and end‐hooked fibre (Löfgren, 2008). 

The  behaviour  of  different  fibres  during  the  pull‐out  test  depends  on  both  their mechanical  and  geometrical  properties,  as  well  as  on  their  chemical  affinity  to  the 

Page 38: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

19 

matrix.  The  pull‐out  behaviour  of  a  hooked‐end  fibre  differs  from  straight, crimped/corrugated,  indented  fibres  or  the  one  named  Torex  (with  polygonal  cross section twisted along its axis). 

When the fibre is not perpendicular to the concrete block, the pull‐out energy is also influenced  from  the  angle  of  inclination,  and,  in  this  case,  it  is  related  to  the  matrix strength. In particular, it increases for flexible fibres (e.g. synthetic) and stiff but ductile fibres (e.g. steel, but only up to about 45°, Löfgren, 2008) while  it decreases for brittle fibres (e.g. carbon). 

It  is well known that a  fibre‐reinforced concrete consists of several  fibres which,  in most cases, have random orientation; throughout this observation, Bentur and Mindess (1990)  explained  that  the  process  of  debonding  and  pull‐out  is  quite  different  in  an actual fibre‐reinforced specimen compared to a simple pull‐out test on a reinforcing bar. It  is  also  important  to  note  is  that  the  pull‐out  behaviour  and maximum  load  depend upon the spacing of the fibres. 

Aggregate and Fibre Bridging, a Cooperative Mechanisms.  

The  two  phenomena  explained  above  during  the  cracks  formation  act simultaneously; fibre act as an additional bridging mechanism; the final result is that the critical  crack  opening  increases  by  a  factor  larger  than  10  and,  consequently,  the fracture energy increases too. 

To summarise the fibre‐reinforced concrete behaviour is a combination of the effects caused by aggregate and fibre bridging where the former has a relatively short working range in comparison with the latter. 

Figure 2.9 depicts a schematic description of the effect of  the  fibres on the  fracture process in uni‐axial tension; three distinct zones are pointed out (Löfgren, 2005): 

‐ a traction‐free zone, which occurs for relatively large crack opening; ‐ a  bridging  zone  ,  where  stress  is  transferred  by  fibre  pull‐out,  and 

aggregate bridging; ‐ a zone of microcracking and microcrack growth. 

 

Figure 2.9 ‐ Schematic description of the effect of  fibres on the  fracture process  in uni‐axial tension (Löfgren, 2008). 

The  contribution  from  fibre  bridging  comes  gradually  and  it  is  not  until  crack opening reaches, at least, 0.05 mm that it has any major influence. 

Obviously,  the  kind,  the  mechanical  characteristic,  the  percentage  and  the  aspect ratio of the fibres can change the shape of this graph. 

Page 39: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

20 

2.3 Test Methods 

It should now be clear that  the properties of an FRC could not be represented by a single  characteristic  (compression  strength)  as  it  happens  for  normal  concretes.  In particular, seeing that the addition of fibres increases significantly the toughness leaving the compression strength almost unchanged, for fibre‐reinforced concrete some sort of toughness property is required, and thus other tests have to be used to characterise it. 

The moderate addition of fibre (<1 %) does not change significantly the compressive strength  and  the  pre‐peak  properties,  so,  as  suggested  by  the  RILEM  Technical Committee TDF‐162, “Test and design methods  for SFRC”,  the compressive strength of SFRC should be determined by means of standard tests that,  in the case of Eurocode 2 (CEN,  2006),  could  be  done  on  either  concrete  cylinders  or  cubes.  Furthermore,  the concrete  is  classified  according  to  the  same  strength  classes  as  in  Eurocode  2  (CEN, 2006). As it is shown in Figure 2.10, in case of addition of microfibres and for high fibre volumes (>1 %), it is possible to appreciate an increase of the compressive strength. 

 

Figure 2.10 ‐ Schematic description of the behaviour of concrete and FRC in compression (Löfgren, 2008). 

In the last forty years the researchers experienced different methods to characterise the  tensile  behaviour  of  a  fibre‐reinforced  concrete  like  determining  dimensionless toughness  indices  (as  prescript  in ASTM C  1018)  as well  as,  determining  the  residual flexural strength for specified deflection or measuring the flexural strength. 

The  presence  of  fibres  mainly  affects  ductility  and  this  influence  is  strongly dependent on the fibre content and fibre type (Fib Bulletin 57, 2010).   

The main test‐set‐ups used are: 

‐ uni‐axial tension test or direct tensile test (UTT); ‐ flexural test: 

Three  Point  Bending  Test  (3PBT)  (notched/unnotched):  it  is  the most  widespread  method  on  beam/prism  specimens;  it  is suggested also by RILEM TC 162‐TDF (2002b) for SFRC; 

Four Point Bending Test (4PBT) (notched/unnotched); ‐ panel test or plate test (used for shotcrete and for specific  load condition 

that simulates a design situation in a real structure); ‐ wedge‐splitting test (WST) that sometimes is an alternative to the UTT and 

the 3PBT. 

Page 40: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

21 

The  RILEM  Technical  Committee  TDF‐162,  “Test  and  design  methods  for  SFRC”, proposed the UTT and the 3PBT on notched beams. 

Uni‐axial Tensile Test  

As proposed in the RILEM Recommendations (2000b) the influence of the fibres on a strain softening FRC, after the crack, can be determined directly in terms of stress‐crack opening (‐) relation with the uni‐axial tensile test (UTT). The method, however, is not intended  for  the  determination  of  the  tensile  strength  that  is  recommended  to  be determined independently (Døssland, 2008). 

Cast specimens have to follow geometrical condition as depicted in Figure 2.11. 

 

Figure 2.11 ‐ UTT specimen as proposed by RILEM TC‐162 TDF. 

This  test  consists  of  a  controlled  tensile  displacement  imposed  at  the  end  of  a notched cylindrical specimen; it is characterized by a high rotational stiffness (provided by four turnbuckles). 

Typical results, from the UTT experiments, show, in the (‐) graph, that in the pre‐peak region the curve  is  linear up to the stress  level of about 70 % of  the peak‐stress, and after this point the curve deviates and a non‐linear behaviour can be observed. The magnitude of  the deformation  in  the pre‐peak non‐linear zone  is quite  small but after the peak‐stress a softening response is observed and large displacements arise. 

 

Figure 2.12 ‐ Typical results from the UTT experiments: (a) stress‐deformation response in  the  pre‐  and  immediate  post‐peak  behaviour;  (b)  Stress‐crack  opening  relationship (Löfgren, 2005). 

Page 41: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

22 

This  test  is  rarely  utilized  due  to  the  complex  test  set  up.  The  test  is  also  time‐consuming  and  difficult  to  carry  out;  it  demands  highly  trained  and  experienced personnel. Other tests (e.g.  Wedge Splitting Test, WST, and Bending Test, BT) are more economical  without  compromising  the  reliability  of  the  method.  They  are,  normally, used for the determination of the (‐) relationship in advanced design procedures. 

 

Three Point Bending Test (3PBT) 

In  the  three  points  bending  test  proposed  by  RILEM,  the  tensile  behaviour  is evaluated  in  terms of  the  load bearing  capacity at  a  certain deflection or  crack mouth opening on a notched specimen (RILEM TC 162‐TDF, 2002a). 

This  test method can be used  for determination of:  (1)  the  limit of proportionality, (2) the equivalent flexural tensile strength and (3) the residual flexural tensile strength. Furthermore,  it  evaluates  the  flexural  performance  of  toughness  parameters  derived from fibre‐reinforced concrete in terms of areas under the load‐deflection curve. When toughness  is  determined  in  terms  of  areas  under  the  load‐deflection  curve,  it  is  an indication  of  the  energy  absorption  capability  of  the  particular  test  specimen  during deformation,  and,  consequently,  its  magnitude  depends  directly  on  the  geometrical characteristics of the test specimen and the loading system (ASTM C1018‐97). 

Figure 2.13 shows the specimen geometry and loading conditions in the three point bending  test  according  to  RILEM  Recommendation  (RILEM  TC  162‐TDF,  2002a).  The suggested standard  test  specimen  is not  intended  for concrete with  steel  fibres  longer than 60 mm and/or aggregates larger than 32 mm; the beam are cast in moulds, cured and notched using wet sawing. 

 

Figure 2.13 ‐ Test set‐up for the three‐point bending test in notched beams according to RILEM TC 162‐TDF. 

The results of this standard test method are dependent on the size of the specimen, it follows that those obtained using a certain size moulded specimen may not correspond to those obtained from larger/smaller moulded specimens, concrete in  large structural units or specimens sawn from such units. 

This  difference  may  occur  because  the  degree  of  preferential  fibre  alignment becomes more pronounced  in moulded specimens containing  fibres  that are relatively long  compared  with  the  cross‐sectional  dimensions  of  the  mould  (ASTM  C1609‐ C1609M‐10). 

The advantage of using notched specimen is that the crack will form in a predefined position and not in the weakest section. Consequently, notched beam tests tend to give higher  values  of  flexural  strength  than  un‐notched  beam  tests  but  with  a  lower coefficient of variation. 

Page 42: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

23 

The tests are normally performed under crack mouth opening displacement (CMOD). 

Four Point Bending Test (4PBT) 

Appendix of the JCI guidelines (JCI 2007) presents a method of calculating the tensile strength  and  ultimate  tensile  strain  of  fibre‐reinforced  cementitious  composites  using the maximum bending moment and curvature.  

Corresponding methods of the JCI bending test are used in the Norwegian design rule draft, in the Italian standards (UNI, 2003), in the German guideline (DAfStB, 2011b), in the  Swedish Concrete Association design  rule  and  in  the design  guidelines  for Dramix steel fibres. 

Normally, as displayed in Figure 2.14, the dimension of the specimen are 150 x 150 x 600 mm  (these  are  the  exactly  dimensions  according  to  DAfStB  (2011b)  and  CNR DT 204‐2006)  and,  similarly  to  the  3PBT,  can  be  used  un‐notched  or  notched  beam, depending on the standard to which they refer; the beams are loaded up to failure under four point bending across a span of 450 mm. The bending moment along the span, in the middle of the two point loads, is constant; this is, on one hand, an advantage because the crack  will  appear  at  the  weakest  section  (incorporating  the  effect  of  variation  in  the material’s strength) but, on the other hand, a disadvantage because the position of the crack  cannot  be  predicted  making  harder  the  measurement  of  the  crack  opening deflections. 

 Figure 2.14 ‐ (a, b) Specimen geometry and (c, d) testing setup for the larger and the smaller beams (Sorelli et al., 2005). 

Toughness  and  the  equivalent  flexural  strength  can  be  calculated  from  the  mid‐span deflection that is measured during the whole test. 

Page 43: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

24 

According  to  the  Italian  guideline,  specimens  can  have  different  dimensions  than those above‐mentioned;  in order to obtain a more clear comparison between different specimen geometries, experimental results from bending tests are reported in terms of nominal stress N defined according to a linear stress distribution asEquation Chapter (Next ) Section 1Equation Chapter (Next) Section 1 

sp

N 2

b b 0‐

FL

B H a     (Eq. 2.1) 

where  F  =  force;  Bb  and Hb  =  beam  thickness  and  depth,  respectively;  Lsp  =  span length; and a0= notch depth. 

Experimental  results  from  fibre  reinforced  concrete  with  low  fibre  contents  are sensitive to the number of fibres in the cracked sections which have a higher degree of variation in the smaller surface areas, especially when notched specimens are adopted. 

 The  fibre  orientation  has  to  be  considered  by  cutting  a  block  from  the  beam 

specimen and making an average of the number of fibres crossing the two cross‐sections (only  the  longitudinal  fibres).  The  block  is  sawn  from  the  middle  part  of  the  beam between the twin loads at a minimum distance from the crack of 2/3 lf, where  lf  is the length of the fibre. It is important to highlight that this valuation does not consider that some fibres may be ineffective due to reduced anchorage. These data are totally missed in the specimens treated in Chapter 4. 

Wedge Splitting Test (WST) 

The wedge  splitting  test  is  interesting  since  it  does  not  require  sophisticated  test equipment; it is also time‐and‐cost efficient, with good reproducibility. Despite all these good characteristics it is still not widely applied (Löfgren, 2008). 

 

Figure 2.15 ‐ (a) Schematic view of the equipment and test set‐up and (b) photo of test set‐up (Löfgren, 2008). 

Since the beginning it has had a wide range of application;  in fact,  it can be used to evaluate  fracture  properties,  fatigue  crack  growth  in  high‐strength  concrete,  stress‐crack opening relationships for plain and fibre‐reinforced concrete. 

Page 44: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

25 

 

Figure 2.16 – Specimen with notches on the sides of the specimen to prevent horizontal cracks (Löfgren, 2008). 

Figure  2.15  and  Figure  2.16  clarify  the  geometry  and  the  loading  procedure;  the specimen has a groove (for the application of the splitting load), a starter notch (for the crack propagation)  and  a  guide notch  (for preventing horizontal  crack  in  case of  high fibre volume fractions). Two steel plates with roller bearing are placed partly on top of the  specimen  and  partly  into  the  groove;  the  splitting  force,  Fsp,  is  applied  through  a wedging  device. During  the  test,  are monitored  both  the  load  in  the  vertical  direction (Fv)  and  the  crack  mouth  opening  displacement  on  top  of  the  specimen  (CMOD); moreover, the load is applied in a deformation controlled way and Fv is related with Fsp. 

For steel fibre‐reinforced concrete, a small number of references about specimen size and  experimental  interpretations  can  be  found.  In  2004,  Löfgren  provided  some recommendations  for  using  WST  for  FRC;  in  that  research  he  pointed  out  that  the specimen size, in order to avoid the wall effects and provide a larger fracture surface as well  as  reducing  the  scatter,  should  follow  these  recommendations:  (1)  the  outer dimension of the specimen should be at least 3 times the fibre length and/or 5 times the maximum aggregate size; (2) the length of the ligament should be at least 1,5 times the fibre length and/or 5 times the maximum aggregate size. 

The  same  research  found  that  the  WST,  compared  to  UTT  and  3PBT,  has  lower scatter, although the scatter in general is large for all methods. 

 The  test  methods  used  for  the  determination  of  the  parameters  included  in  the 

formula presented in Chapter 3 will be deeply discussed in section 4.3.1.  

Equation Chapter 3 Section 1 

  

Page 45: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement
Page 46: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

27 

 Chapter 3

 

Shear Capacity 

A  really  short  historical  review  is  here  necessary  to  better  understand  the importance  of  the  shear  design. Hennebique  and Ritter  at  the  end  of  the  19th  century were the pioneers in the study of stirrups and shear. In 1908 Mörsch stated the simple or multiple truss system model where the concrete is the compressed strut and stirrups or  bent‐up  bars  are  the  tensile  member.  Later  Kupfer  proposed  a  variable  strut inclination (even smaller than 45 degrees within following limits:  with α = inclination of the compressive strut to the axis of the member). Worthy to note are models developed by Kani (with is comb‐like mechanism), Leonhardt (that with the web compression failure giving the upper limit of shear resistance), Thürliman and Warlaven (who  corroborated  the  positive  influence  of  prestressing  on  the  shear  capacity). Moreover, Collins and Vecchio in 1986 developed the modified compression field theory for  reinforced concrete elements. Nowadays,  fib  is working  to  find  the best procedure for shear design based on earlier experiences with MC78, MC90 as well as MC2010. 

The majority of the analytical models, introduced here before, have to be re‐arranged when  steel  fibres  are  added  in  concrete  matrix,  because  they  considerably  influence shear behaviour as well as the shear capacity (fib Bulletin 57, 2010). 

At  any  rate,  along  these  decades,  year  by  year,  different  experiments  done  by researchers all over the word, have tried to predict the shear capacity of members with and without transverse reinforcement. 

 As  it  can  be  seen  in  Chapter  4,  each  researcher  after  his  own  studies  usually 

proposed  empirical  relationship  that  is  based  on  a  limited  batch  of  specimens  with similar characteristics. This relationship fits really well with the set of shear test results from  which  they  come  from.  In  reality,  when  those  formulas  are  applied  to  other specimens the results are not as satisfactory as expected.  

 The  growing  interest  of  the  researcher  community  can  be  observed  looking  at  the 

number of papers on shear design published  in ACI  Journal since  the beginning of  the last century. 

0 25 tgα 1.00.

Page 47: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

28 

 

Figure 3.1 ‐ Number of papers published in ACI Journal since the beginning of the last Century (Minelli, 2005). 

Since catastrophic shear failure happened (like the failure of roof beams in Air Force warehouse on August 1955 in Ohio) the common aim was to fully understand and avoid the brittleness of these events (Minelli F., 2005). 

In spite of the huge amount of material available in literature, when a shear scholar try  to  collect  a  systematic  presentation  of  the  influence  of  the  basic  parameters,  like concrete  strength,  percentage  of  longitudinal  reinforcement,  shear  length,  volume  of fibres,  this  turn  out  to  be  almost  impossible  to  witness  that  the  shear  mechanism  is difficult to be totally understood. 

 Kani, from the University of Toronto, in 1966 stated that “The primary reason for this 

limited  understanding  of  the  problem  of  diagonal  failure  is  the  great  number  of parameters  influencing the beam strength: grade of steel, percentage of steel, grade of concrete, shape of the cross section, shear arm ratio, type of web reinforcement, the type of  loading  […],  the  type of beam […], and prestress  in  the  longitudinal,  transverse and vertical direction which, of course, create additional parameters”. 

Kani  postulated  the  shear  domain  and  investigated  the  influence  of  the reinforcement  ratio.  Moreover  he  theorized  the  “beam  behaviour”  for  beams  with  a shear‐to‐dept ratio greater than about 2.5 (Kani, 1964). 

Further  researchers  gave  their  contribute  to  the  shear  design  and  the  most significant  are  presented  in  Chapter  4  (e.g.  Narayanan,  Darwish,  Voo,  Foster,  Gilbert, Swamy, Bahia, etc.). 

 In the last decades particular attention was devoted to FRC that nowadays are largely 

available  in the market. They are more and more utilized thanks to  the opportunity to totally substitute the transverse reinforcement, that require a time and cost consuming work and to the improved performance of FRC after cracking. 

Several equations based on test data and theoretical analyses have been proposed for calculating  the  shear  capacity of  SFRC beam. These equations  can be divided  into  two categories. The first category assumes that steel fibres give shear strength in addition of 

Page 48: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

29 

the  shear  strength  provided  by  the  plain  concrete  and  the  stirrups  that  the  fibre  can totally substitute. This kinds of formulas have a basic format as follow: 

c s f                                                   V V V V     (Eq. 3.1) 

Where Vf, Vc  and Vs  are  the  shear  strength  carried  by,  respectively,  the  fibres,  the concrete and (when present) the stirrups. 

The  second  category  considers  that  the  steel  fibers  directly  influence  the  shear capacity of concrete (this  influence  is determined by appropriate tests e.g. split  tensile cylinder  and  modulus  of  rupture  tests)  and  it  does  not  explicitly  consider  the characteristics of the fibres. 

This  kind of  formula  includes  in  the  concrete member  the  characteristics  obtained from the  fibre addition and  it  is based on observation that  fibres of  the same type can achieve different results if added in different matrix, formwork, etc. as well as different fibres  can  get  the  same  results;  the  inventors  of  this  second  category  of  formulas strongly believe that it is impossible to draw out the shear force carried out by the fibres only knowing the kind of fibre and its percentage. 

The  aim of  this  thesis  is  to  find  the  formula,  among all  those present  in  literature, which  best mirrors  the  results  of  perform all  the  specimens  collected  in  the  database presented in Chapter 4 [Appendix A]. 

 The characteristics that a good formula has to supply are listed below: 

‐ it  has  to  give  lower  scatter  compared with other  formula  applied on  the same batch of specimens; 

‐ it should be developed from a consistent batch of specimens; ‐ it has to be easy to handle in order to be widely used from the community 

of engineer and designers; ‐ it has to involve parameters plainly available for the users; ‐ it should be valid for a large variety of parameter values. ‐ mechanically sound 

Rules  of  design  of  SFRC  have  been  drafted  in  almost  all  European  countries; Switzerland produced  its Recommendation SIA 162/6  in 2008;  Italy  followed with the CNR DT 204‐2006, Italian guidelines; in Sweden the Swedish Concrete Association (SCA) developed its first recommendations for SFRC in 1995 (SCA, 1997) and at that moment they were considered to be one of the most cutting‐edge recommendations; Austria has its  own  “Fibre‐reinforced  concrete”  guideline  (Österreichische  Vereinigung  für  Beton‐ und Bautechnik “Richtlinie Faserbeton”); Netherlands also set out recommendations for the  testing and dimensioning of  steel‐fibre‐reinforced concrete based on  the CUR  (the Centre  for  Civil  Engineering  Research  and  Codes)  rules  and  RILEM Recommendation; United  Kingdom  historically  adopted  the  Japanese  beam  test  JCI‐SF4  but  recently  the RILEM beam test has been incorporated almost totally into BS EN 14651; moreover the Concrete  Society  with  its  Technical  Report  No.  63  (2007)  summaries  the  current applications  for  SFRC  considering  practical  aspects  such  as  production  and  quality control;  it  does  not  give  a  definitive  design  guidelines  but  the  information  for  the designers  to  exercise  judgement  in  this  area  of  evolving  technology;  Germany  has  its DAfStB  guideline  for  steel‐fibre‐reinforced  concrete  (DAfStB,  2011b);  The  Norwegian Concrete Association set out its first recommendation in the Technical Specification and Guidelines  in  1993;  Steel‐fibre‐reinforced  concrete  has  also  been  included  in  the  fib Model Code 2010 (fib Bulletin 55, 2010).  

Page 49: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

30 

After  these  considerations  four  different  formulas  have  been  chosen  for  being compared in this thesis. Worthy to note is the distinction between formulations that are empirical  or  semi‐empirical model  based  on  test  results  and  those  that  are  analytical model based on theoretical studies. Alternative I is an empirical model, and it is already included in the Swedish Concrete Report No. 4 (SCA, 1997), while Alternative II, III and IV are analytical  formulations  included  in  the DAfStB guideline,  in  the RILEM TC 162‐TDF and in the CNR DT 204‐2006, respectively.    

Page 50: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

31 

3.1 Alternative I: Narayanan & Darwish 

In 1987, two researchers, Narayanan and Darwish, postulated their formula that, in the following years, has been one of the most used and has later been shown to be one of the best alternatives through comparison with published data (Hällgren, 1997).  

R.  Narayanan  obtained  his  first  civil  engineering  degree  in  India  and  a  master’s degree  from  the  University  of  London.  Since  his  PhD,  he worked  in  the  University  of Manchester  and University  of Wales  (Cardiff), with more  than  25  years  of  experience working in the construction industry.  

I.  Y.  S.  Darwish  obtained  his  first  degree  from  the  University  of  Damascus  and  his master’s degree from the University College (Cardiff). At the time of the publication, he was taking his PhD at the University College. 

Their  formula was presented,  for  the  first  time,  in  the ACI Structural  Journal, May‐June  1987  volume,  into  the  article  “Use  of  Steel  Fibers  as  Shear  Reinforcement” (Narayanan et al., 1987). 

Their  purpose  was  to  investigate  the  behaviour  of  steel  fibre  reinforced  concrete beams  subjected  to  predominant  shear.  After  their  investigation  they  presented  the semi‐empirical equations that are tools to be used for design purposes. 

These  predictive  equations  are  suggested  for  evaluating  (1)  the  cracking  shear strength and (2) the ultimate shear strength of fibre reinforced concrete beams. 

In the paper mentioned above they established that the inclusion of steel fibres in RC beams results  in a  substantial  increase  in  their  shear  strength  (e.g. when 1 % volume fraction of fibres was used, an increase of up to 170 % in the ultimate shear strength was observed). 

 The  test  program  consisted  on  fabricating  49  beams  having  identical  rectangular 

cross  section  of  85  x  150  mm,  and  testing  them  under  four  symmetrically  placed concentrated loads. 

Four clear spans and four shear spans were employed. Three different types of beam were  tested:  (1)  beams  without  web  reinforcement,  (2)  beams  with  conventional stirrups and (3) beams containing crimped steel fibres as web reinforcement. 

The fabrication data, the material used and all the characteristics that could influence the shear behaviour of the specimens, available on the article, are quoted in Appendix A. Test  result  showed that  the  first‐crack shear  strength  fcr  increased significantly due  to the  crack‐arresting mechanism  of  the  fibres.  Even  for  a  fibre  volume  fraction  of  1 %, which was the optimum percentage, the ultimate shear strength improvements were of the same order as those obtained from conventional stirrups. 

They recognized that the shear force V withstood by a beam could have the following form: 

a b c                                                   dV V V V V     (Eq. 3.2) 

where  Va  is  the  vertical  component  of  the  interlocking  force,  which  results  from interlocking  of  aggregate  particles  across  a  crack; Vb  is  the  vertical  component  of  the fibre  pull‐out  forces  along  the  inclined  crack;  Vc  is  the  shearing  force  across  the compression  zone  and  Vd  is  the  transverse  force  induced  in  the  main  flexural reinforcement by dowel action. However,  it  should be noted  that  the above  four shear forces are not necessarily additive when failure is imminent. In the formula hereinafter 

Page 51: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

32 

shown, the contribution of the aggregate interlocking has been ignored (this assumption gives a safe prediction). 

 

Figure 3.2 ‐ Free body diagram of part of the shear span of a simple supported beam fibre reinforced concrete beam (Narayanan et al., 1987). 

To use properly this formula some terms have now to be defined: 

Fibre factor  F  given by 

f f

LF d

D

    (Eq. 3.3) 

Where L/D is the fibre aspect‐ratio, f is the fibre volume fraction and df is the bond factor  that  accounts  for differing  fibre bond  characteristics;  based on  a  large  series  of pull‐out tests, df was assigned a relative value of 0.5 for round fibres, 0.75 for crimped fibres and 1.0 for indented fibres. 

Split cylinder strength of  fibre concrete ( fspf)   

Direct  tension  tests, modulus of  rupture  tests and cylinder split  tests have all been employed to measure the tensile strength of FRC. 

The determination of  true  tensile strength by direct  tensile  test of  fibre concrete  is not  easy  because  of  the  stress  concentration  at  the  grips  of  the  testing  machines.  Moreover, it is affected by machine stiffness, specimen alignment, the size and the shape of the specimen, the fibre orientation and so on, giving, thus, a wide scatter of results. 

A quick and safe estimation of split cylinder strength fspf of FRC that relates it with its compressive strength and fibre factor has been found: 

cufspfc  

ff B C F

A     (Eq. 3.4) 

Where  fcuf  is  the  cube  strength  of  fibre  concrete,  A  is  a  nondimensional  constant having  a  value  of  ! = (20 − √(),  B  is  a  dimensional  constant  having  a  value  of  0.7 N/mm2  and C  is  a  dimensional  constant  having  a  value  of  1 N/mm2;  the  formula  has been obtained by a regression analysis, thus: 

Page 52: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

33 

cuf

pfc   0.7 120

s

ff F

F

    (Eq. 3.5) 

The ultimate shear strength (N/mm2), as mentioned before, consists of three terms, I, II and III, according to Eq.3.2, they will be described in the following paragraphs. 

Part I  

b 0.41v F     (Eq. 3.6) 

To evaluate the vertical component Vb [N], one may start with the number of fibres at a cross section nw, which according to Romualdi et al. (1964) is given by 

fw

1.64n

D

    (Eq. 3.7) 

where f is the volume fraction of fibres and D is the diameter of the fibres. Assuming that the shear crack will have an inclination of α to the horizontal (see FIGURA[1]) and therefore  a  length  equal  approximately  to  jd/sinα,  the  total  number  of  fibres  at  the inclined cracked section of the fibre reinforced concrete beam will be: 

w sin

jdn n b

    (Eq. 3.8) 

where b is the width of the beam. The total bond area of fibres across the inclined cracked section is thus 

b 4

DLA n

    (Eq. 3.9) 

where L/4  is assumed  to be  the average pull‐out  length since  the  latter may range between 0 and L/2. Assuming that the forces of the fibres are normal to the crack, the total force Fb developed is given by 

b bF A     (Eq. 3.10) 

where  is the average fibre matrix interfacial bond stress. The fibre pull‐out force Vb is given by 

b b cos [kN]V F     (Eq. 3.11) 

or in term of strength 

bb 2

cos N

mm

Fv

b j d

    (Eq. 3.12) 

assuming α = 45 degrees, the stress vb can be written from Eq. (3.8), (3.9), (3.10) and (3.12) as  

b f0.41L

vD

    (Eq. 3.13) 

To allow its application for the different pull‐out resistance offered by different types of  fibres,  it  is  essential  that  this  is modified by  introducing  the bond  factor df  into Eq. (3.13). 

Page 53: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

34 

b f f0.41 Lv dD     (Eq. 3.14) 

or, introducing the fibre factor F, Eq. (3.14) becomes as the Eq. (3.6). With  steel  fibres  in  cementitious  composites,  the  fibre  matrix  interfacial  bond  is 

mainly a combination of adhesion and friction and mechanical interlocking (see Section 2.2). The available investigations on the fibre bond resistance have shown a large scatter of  test  results  (Narayanan  et  al.,  1987).  However,  the  indirect  methods  adopted  by Swamy, Mangat and Rao (1974) seem to be more realistic and the value of 4.15 N/mm2 suggested  by  them  for  the  ultimate  bond  stress    was  adopted  in  the  Narayanan  & Darwish study. For this reasons it will also be adopted in Chapter 4. 

Part II  

c spfc'v e A f     (Eq. 3.15) 

This  term  considers  the  shear  span  ratio  a/d  and  the  split  cylinder  strength  fspfc calculated by Eq. (3.5). All the units are in Newton (N) and millimetres (mm). The term e is a non‐dimensional factor that takes into account the effect of arch action and is given by 

1.0 when  / 2.8

2.8  when  / 2.8

e a d

de a d

a

    (Eq. 3.16) 

It is emphasized that e is a non‐dimensional factor, and it is unaffected by the system of units.  In reinforced concrete beam, Zsutty (1971) has obtained the value e  to be 2.5 d/a  when  a/d  2.5.  But  as  the  inclusion  of  fibres  improves  the  arch  action,  through enhancing  the  split  compressive  strength  of  concrete,  a  higher  value  of  e  is  not unreasonable. 

A’ is a non‐dimensional constant having a value of 0.24; e and A’ (like the constant B’ presented  in equation (3.17)) were evaluated by a  regression analysis of  the  test data through  computer.  The  purpose  of  such  statistical  analysis  was  to  determine  that combination  of  the  constants  which,  when  applied  to  published  data,  would  yield  an average  value  of  the  ratio  of  observed  to  predicted  ultimate  shear  loads  equal  to  one with a minimum standard deviation. 

Part III  

d 'd

v e Ba

    (Eq. 3.17) 

The  last  and  third  term,  considers  the  dowel  action  provided  by  the  amount  of longitudinal  tensile  reinforcement    =  As/bd  with  the  shear  span  ratio  a/d;  B’  is  a dimensional constant having the value of 80 N/mm2. 

The data reported in the article present a wide range of variables, such as concrete strength,  a/d  ratio,  fibre  factors,  amount  of  tensile  reinforcement,  shapes  and  cross section (rectangular, I or T section) and size of specimen. 

Page 54: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

35 

Worthy to note is the consistency of the formula that when f = 0 or F = 0 predicts appropriate values for reinforced concrete. The authors also suggested one equation for predicting the cracking shear strength of fibre reinforced concrete beams. 

The predicted values obtained from the equation for the ultimate shear strength gave to Narayanan and Darwish (1987) acceptable results compared with available test data of beams collapsing by shear failure. The mean value of the ratio between the observed ultimate  shear  and  the  predicted  ultimate  shear  of  91  tests was  1.09 with  a  standard deviation  of  0.157.  This  means  that  the  formula  is  applicable  for  a  wide  range  of parametric variations and is validated by tests carried out by the authors and by more than 30 years of its utilization.    

Page 55: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

36 

3.2 Alternative II: Equation Developed from 

the German Committee for Reinforced 

Concrete (DAfStB) 

The German Committee for Reinforced Concrete (DAfStB) was founded in 1907 and is  a  nationally  and  internationally  recognized  and  respected professional  body  for  the promotion of concrete structures. The scope of the work focuses on research activities, the  preparation  of  guidelines  for  concrete  structures  and  the  documentation  of  the information in its own publications. Essential characteristic of the bodies of DAfStB is its composition  in  the  form  of  a  "round  table"  on  which  the  balance  is  needed  between representatives from the different fields as: 

‐ Contractors and construction supervision,  ‐ Building materials and construction, ‐ Science and engineering consultants. 

The results of the research activities are often implemented in the DAfStB guidelines that are usually introduced by the concrete construction bodies and in this case ‐ as well as relevant standards ‐ recognized rules of the art (DAfStB, 2011a). 

Before  the  publication  of  the  DAfStB  Guidelines,  the  DBV  “Steel‐fibre‐reinforced concrete“  recommendation  (Deutscher  Beton‐  und  Bautechnik‐Verein  e  V.,  DBV‐ Merkblatt Stahlfaserbeton. October 2001) has been available in Germany for the design of  steel‐fibre‐reinforced  concrete  elements.  This  was  based  on  the  DBV  “Tunnel Engineering”  recommendation  and  includes  European  developments  in  the  field  of standardisation. The DBV “Steel‐fibre‐reinforced concrete” recommendation provides a well‐founded aid to the design of steel‐fibre‐reinforced concrete. Anyway, this code does not have the character of a standard. In view of this fact, the DAfStB decided to draft a Guidelines orientated around DIN 1045‐1. The  final  edition of  the DAfStB  “Steel‐fibre‐reinforced  concrete”  Guidelines was  published  in  2011.  These  Guidelines  replace  and complement  parts  of  DIN  1045‐1  and  after  being  taken  up  in  the  List  of  Building Materials they have a status of a code (Tunnel, 2011). 

Fibres  for  concrete  (steel  fibres  and  polymer fibres)  have  now  been  standardized throughout  Europe  and  their  use  in  concrete,  according to  EN  206‐1/DIN  1045‐2,  is allowed.  Other  fibres, according  to  DAfStB  standard,  may  be added  to  the  concrete; however,  their  load‐bearing  effect  may  not  be  considered.  Polymer  fibres  and  steel fibres  formed into bundles  in a metering package require National Technical Approval for proving that they can be mixed evenly throughout the concrete (VDZ, 2009). 

The DAfStB doesn’t change the validity of the: 

‐ DIN 51220, “Werkstoffprüfmaschinen – Allgemeines zu Anforderungen an Werkstoffprüfmaschinen und zu deren Prufung and Kalibrierung“; 

‐ DIN RN 12390 – 5, “Prüfung von Festbeton – Teil 5: Biegezugfestigkeit von Probekörpern“ and 

‐ DVB – “Merkblatt Stahlfaserbeton“ Ausgabe 2001‐10. 

The guideline consists of three parts: 

‐ explanation about the size/shape of the beam ‐ production, design and conformity of materials 

Page 56: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

37 

‐ practical description of the work. 

The Guidelines has a limitation that consists to be valid for normal concrete until the class C50/60. 

 The formula for the calculation of the shear capacity in a SFRC beams contains  two 

terms: 

f fRd,ct Rd,ct Rd,cfV V V     (Eq. 3.18) 

where VfRd,ct, VRd,ct, VfRd,cf are the total shear capacity of the element, the shear capacity carried  out  by  the  concrete  and  the  shear  capacity  due  to  the  fibres,  respectively. Moreover: 

f fc ctR,u

Rd,cf fct

wf b hV

    (Eq. 3.19) 

where αfc  is  a  coefficient  taking  into account  long  term and unfavourable effects of SFRC (preferable value = 1.00), ffctR,u is a characteristic value of residual tensile strength of SFRC at the larger displacement value and fct  is a partial safety factor for SFRC that could be chosen according to Section 2.4.2.4 of the EC 2.    

Page 57: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

38 

3.3 Alternative III: RILEM TC 162‐TDF (2003) 

RILEM (which acronym comes  from the name in French Réunion  Internationale des Laboratoires et Experts des Matériaux, systèmes de construction et ouvrages) was founded in June 1947, with the aim to promote scientific cooperation in the area of construction materials and structures. 

Moreover, the mission of the association is to advance scientific knowledge related to construction  materials,  systems  and  structures  and  to  encourage  transfer  and application of this knowledge worldwide. 

This  mission  is  achieved  through  collaboration  of  leading  experts  in  construction practice and  science  including academics,  researchers,  testing  laboratories,  authorities and a constant production of materials easily available on the web (RILEM, 2011). 

In a context where empirical and semi‐empirical design methods bind the designer to certain types of fibres and do not allow them to develop a rational optimized process, in April 1995 the RILEM Technical Committee 162‐TDF (Test and Design Methods for Steel Fibre Reinforced Concrete) has been setup. Most of the members were already active in standardization with regard to SFRC in their own country.  

The objectives of RILEM TC 162‐TDF are:  ‐  to  develop  design  methods  to  accurately  evaluate  the  behaviour  of  SFRC  in 

structural  applications  (both  in  SLS  and  ULS)  and  to  supply  the  lack  of  national  and European building code requirements for this material;  

‐  to  make  recommendations  for  appropriate  test  methods  to  characterize  the parameters that are essential in the design methods (toughness)  and not only take pre‐peak behaviour  into account  (typically Young’s modulus and compressive strength) as happened up to now.  

The work of  the Technical Committee  found  its  result  in RILEM Recommendations published  in  Materials  &  Structures  in  2000  and  2001  and  later  in  RILEM  Final Recommendations  in 2002 and 2003. The RILEM Workshop  in Bochum (Germany, 20‐21 March 2003) gave background information to the previous Recommendations.  

 The RILEM Technical Committee based its first approach on the experimental results 

of Vandewalle and Dupont (2000), which performed experiments on 43 full‐scale beams. The  former,  due  to  her  valid  contribution  for  the  research  in  SFRC materials, was 

elected Chairlady of the here before mentioned committee. During  the  RILEM  Workshop  in  Bochum  the  results,  of  tests  carried  out  for 

investigating  the  design  proposal, were  analysed.  Due  to  the  results  found within  the Brite/Euram project (about 38 beams tested) it can be concluded, that the shear design proposed by RILEM TC 162‐TDF (RILEM, 2000b) is a simple way to calculate the shear resistance with  a  sufficient margin  of  safety. However,  in  the  final  draft  of  the RILEM Recommendations (RILEM TC 162‐TDF, 2002) the equivalent flexural tensile strength is replaced by the residual flexural tensile strength; the equivalent flexural tensile strength is  derived  from  the  contribution  of  the  steel  fibres  to  the  energy  absorption  capacity (area  under  the  load‐deflection  curve)  while  the  residual  flexural  tensile  strength  is derived  from  the  load  at  a  definitely  crack  mouth  opening  displacement  (CMOD)  or midspan deflection (δR). The value which is used for the ULS is fRk,4 (CMOD4 = 3.5 mm or δR,4 = 3.0 mm) is related to the strain of 2.5 %. Also the factor that takes into account the height of the member is replaced by the factor used in the final draft of the EC 2. 

Page 58: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

39 

The  RILEM  Design Method  is  based  on  the  European  pre‐standard  ENV  1992‐1‐1 (Eurocode  2).  This method  calculates  the  shear  capacity V  as  consisting  of  3  separate contributions: 

c w f                                                  V V V V     (Eq. 3.20) 

This  is  the equation given  in  the  first draft of EC 2  (1993) with  the addition of  the term  for  the  contribution  of  the  fibres  Vf.  However,  the  shear  resistance  of  the  plain concrete Vc  is  taken  from  the  second  draft  of  the  EC  2  (2001) with  the  partial  safety factor c = 1.5. 

 

Table 3.1 ‐ Shear design for steel fibre reinforced concrete members according to RILEM Recommendations (RILEM TC 162‐TDF, 2003a). 

 

1/3cd l cpc

0.18100 0.15

2001 2

fck wV k f b d

kd

  (Eq. 3.21) 

 

fd f l fd wV k k b d   (Eq. 3.22) 

fd R,4

f ff f

w

l

0.12

1  and  1.5

2001 2

f

h hk n k

b d

kd

 

(Eq. 3.23) 

 With:   

2ck  charactersitics cylinder compressive strength [N/mm ];f  

 width of the beam [mm];b  

 effective depth of the beam [mm];d  

sll

w

0.02;A

b d

    (Eq. 3.24) 

f  factor for taking into account the contribution of the flanges in T‐section; it is equal  

         to 1 for rectangular sections;

k

f  the height of the flange;h  

f  the width of the flange;b  

w  the width of the web;b  

Page 59: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

40 

 shear span;a  

f w w

f f

33 and 

b b bn n

h h

    (Eq. 3.25) 

In the RILEM Recommendations, dated 2000, the influence of the height for the shear resistance due  to  the  steel  fibers Vfd  is  taken  into  account by  the  factor defined  in Eq. (3.27).  

l

1600 >1 factor for taking into account the size effect of the member;1000

dk    (Eq. 3.26) 

This  is  the  factor  kd  used  in  the  first  draft  of  the  EN  1992‐1  (EC  2,  1993).  It  is proposed to use the factor 

l

2001 2k

d  

used  in  the  formula  for  the  shear  resistance  of  the  plain  concrete  because  this  is closer to the final draft of the Eurocode 2 (EC2, 2001). 

2df Rk,40.12  [N/mm ];f

 

R,4R,4 2

sp

3

2

F Lf

b h

    (Eq. 3.27) 

where FR,4 is the load corresponding to a CMOD of 3.5 mm in the 3PBTs performed, L is the span of the specimen (500 mm), b the width of the specimen and hsp is the distance between the tip of the notch and the top of the cross section (125 mm). 

The test programme involved both plain concrete and steel fibre reinforced concrete. The variables were the content of steel fibres, the longitudinal reinforcement ratio, the conventional  shear  reinforcement  ratio  (stirrups)  and  the  cross  section  shape  (T  or rectangular section). The used fibre type for all specimens was Dramix RC‐65/60‐BN. It was planned to check if there are influences of the addition of steel fibres on the shear resistance of the plain concrete Vcd or the shear resistance due to the stirrups Vwd and if there are influences of the varied parameters (a/d, l, w, h, cross section shape) on the shear  resistance  due  to  the  fibers  Vfd.  The  amount  of  the  tested  beams  was  38.  All specimen were  single‐span  beams.  The  reinforcements were  chosen  in  that way,  that nearly all beams were expected to fail in shear. A few of the beams were foreseen to fail in flexure to check the sensible range of the use of steel  fibres as shear reinforcement. The variation of the parameters is shown in Appendix A. 

It  is  really  interesting  to  observe  that  the  crack  propagation  occurred  in  different ways.  The  course  of  the  crack  propagation  was  smoother  for  the  beams  with  fibres. Furthermore,  the  time dependent  crack propagation  in  the  region of  the uncontrolled crack propagation (see Figure 3.3) could be followed with the eyes for the beams with fibres while this was not possible for the beams without fibres. For beams without fibres the last step before the compression zone was chopped through, the crack propagation grows in a sudden way. 

 

Page 60: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

41 

 

 

Figure  3.3  ‐  Failure  mechanism  observed  at  beams  with  and  without  steel  fibres, respectively, and without stirrups (RILEM TC 162‐TDF, 2003a). 

A minimum shear reinforcement is not necessary for steel fibre reinforced concrete members. Anyway it must be guaranteed that the fibre dosage has a significant influence on the shear resistance. This can be assumed if the residual flexural tensile strength is at least fR,4 = 1.0 N/mm2. Similar proposals were made in the German DBV‐guideline (DBV, 2001), in the DAfStB guideline (Section 3.2) and in the Italian guideline (Section 3.4).  

Rosenbusch  and  Teutsch,  after  their  studies  (2003),  established  that  the  RILEM proposal with the two additional terms is a simple way to calculate the shear resistance with  a  sufficient margin  of  safety  and  due  to  the  fact  that  it  is  a  conservative  design method  (standard  method).  Moreover,  they  said  that  the  proposal  also  leads  to  a sufficient margin  of  safety  for  the  cases  of  higher  fibre  contents,  shear  reinforcement ratios and longitudinal reinforcement ratios.  

This formula is suitable for both rectangular and T cross sections and in presence or absence of stirrups. The presence of a flange, in a T‐section, increases the ultimate shear load‐carrying  capacity  significantly  in  comparison  with  a  rectangular  beam.  The  test results  suggest  that  there  is  a  limit  in  the  flange  depth  beyond  which  there  is  a significant  increase  in  the  load‐carrying  capacity  and  ductility.  For  beams with  lower flange depth and  rectangular beams  there  can be  found no  significant  influence of  the flange depth on  the  first‐crack and maximum  load while  there  is  a  big  increase of  the loads for the beam with a large flange depth. The exact depth limit is not defined within this master thesis.    

Page 61: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

42 

3.4 Alternative IV: Italian Guideline CNR DT 

204‐2006 

The Italian National Research Council (CNR) is the largest public research institution in  Italy,  it  is  the  only  one  under  the  Research  Ministry  performing  multidisciplinary activities.  It was  founded on November 18 of 1923. Since 1945,  the National Research Council (CNR) is a public organization. 

Its mission  is  to perform research  in  its own  Institutes,  to promote  innovation and competitiveness of the national industrial system, to promote the internationalization of the national research system, to provide technologies and solutions to emerging public and private needs, to advice Government and other public bodies, and to contribute to the qualification of  human  resources.  Since 14  July 2004 Prof.  Fabio Pistella has been CNR Chairman. 

CNR  is  framed  in  departments  that  are  organizational  units,  structured  by macro‐areas of technological and scientific research, with the task of planning, coordinating and monitoring research activities in the affiliated institutes, by assuring them the necessary financial  resources.  Each  department  furthermore  has  its  national  and  international relations,  dealing  with  its  macro–area  of  interest.  Every  department  sets  up  its  own research strategies and programmes, also  in cooperation with other departments, and follows  up  their  implementation  through  specific  research  projects.  The  department decides,  together  with  its  institutes,  single  project’s  scientific  lines,  identifying  the research  groups  to  be  entrusted  with  the  relevant  research  tasks,  at  the  same  time providing  them with  the necessary  resources.  Each group of  researchers,  in  charge of carrying out a single scientific line, thus gives its contribution to the achievement of the project goals.  

The 11 departments are: (1) Agrifood, (2) Cultural Heritage, (3) Cultural Identity, (4) Earth and Environment, (5) Energy and Transport, (6) Information and Communication Technologies, (7) Life Sciences, (8) Materials and Devices, (9) Medicine, (10) Molecular Design, (11) Production Systems. 

CNR is distributed all over Italy through a network of institutes aiming at promoting a wide diffusion of its competences throughout the national territory and at facilitating contacts and cooperation with local firms and organizations (CNR, 2011). 

The  Council was motivated  by  the  belief  that  the  development  of  design  codes  for construction  plays  a  crucial  role  in  the  outgrowth  of  a modern  industrial  community. Furthermore,  the  council  thinks  that  guidelines help meeting  the  safety  requirements, promoting  the  transfer  of  technological  innovation,  and  opening  the  global market  to fair and equitable competition. 

Within this context, the National Research Council (CNR) has played an active role in the  technical  culture  of  Italy  since  its  foundation.  For more  than  fifty  years,  the  CNR activity,  which  resulted  in  the  formulation  of  Design  Codes,  Instructions  and  specific Recommendations, has been supported by general agreement. 

Since the publication of the CNR‐DT 200/2004, concerning coating of reinforced and pre‐stressed  concrete  as  well  as  masonry  structures  through  the  use  of  long  fibres reinforced  composite  materials  (FRP),  CNR  started  its  activity  in  the  composite materials  like  SFRC,  arriving  at  the  publication  of  CNR‐DT  204/2006:  Guide  for  the Design and Construction of Fiber‐Reinforced Concrete Structures. 

Page 62: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

43 

After its publication, CNR‐DT 204/2006 was subject to a public hearing and after that some  modifications  and  integrations  have  been  made  to  the  document  including corrections of  typos,  additions of  subjects  that had not been dealt with  in  the original version and elimination of others deemed not to be relevant. 

This  Technical  Document  has  been  approved  as  a  final  version  on  Nov.  28,  2007, including  the  modifications  derived  from  the  public  hearing,  by  the  “Advisory Committee on Technical Recommendation for Construction” (CNR, 2008). 

 The design value for the shear resistance in members with conventional longitudinal 

reinforcement and without shear reinforcement is given by: 13

FtukRd,F 1 ck cp w

c ctk

0.18100 1 7.5 0.15

fV k f b d

f

    (Eq. 3.28) 

Where: 

c is the partial safety factor for the concrete matrix without fibres; 

k is a factor that takes into account the size effect and equal to 200

1 2;kd

 

d is the effective depth of the cross section; 

l= sl

w

0.02A

b d

 is the reinforcement ratio for longitudinal reinforcement; 

Asl is the cross sectional area of the reinforcement which is bonded beyond the considered section; 

fFtuk is the characteristic value of the ultimate residual tensile strength for the FRC, by considering wu=1.5mm; 

fctk is the characteristic value of the tensile strength for the concrete matrix in accordance to the current Codes; 

fck is the characteristic value of cylindrical compressive strength in accordance to the current Codes; 

cp=NEd/Ac is the average stress acting on the concrete cross section,  

Ac, for an axial force NEd due to loading or prestressing actions (shall be considered positive compression stresses); 

bw is the smallest width of the cross‐section in the tensile area. 

The shear resistance VRd,F, is assumed to be not less than the minimum value, VRd,Fmin, defined as: 

Rd,Fmin min cp0.15 wV v b d     (Eq. 3.29) 

with: 

3 12 2

min 0.035 ckv k f     (Eq. 3.30) 

For members with  loads applied on  the upper side within a distance 0.5d ≤ a ≤ 2d from the edge of a support (or centre of bearing where flexible bearings are used), the 

Page 63: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

44 

acting  shear  force may be  reduced by β = a/(2d). This  is  only  valid  provided  that  the longitudinal  reinforcement  is  fully anchored at  the support. For a ≤ 0.5d the value a = 0.5d should be used. 

When  point  loads  close  to  the  support  or  in  diffusive  regions  are  present,  the verification can be carried out with strut-and-tie models. 

Equation Chapter (Next) Section 1 

 

Page 64: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

45 

 Chapter 4

 

Analysis and Comparison of the 

Specimens  

4.1 Introduction 

The determination of the shear behaviour of the FRC is challenging due to the large number of parameters involved, e.g. shear span to depth ratio, scale effect, type of fibre, fibre content and orientation, bonding between fibre and concrete and also contribution from any longitudinal reinforcement bars placed to sustain the flexural moments. 

There are several methods for determining the shear capacity as show in Table 4.1. Many of these formulas are just empirical equations based on fitting of a limited series of experiments  that  do  not  properly  account  for  all  parameters  that  influence  the  shear capacity. Moreover these formulas differ due to the different data required in them. 

One  hundred  and  sixty‐five  shear  failure  tests  are  recorded  in  28  references  from previously conducted shear failure tests in SFRC beams without stirrups, and fifty‐eight shear  failure  tests on  reinforced concrete beams without any  shear  reinforcement are included  in  the  database  of  this  thesis.  A  complete  list  of  the  tests  used  and  their references are tabulated in Annex B. 

Page 65: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

46 

Table 4.1 ‐ Articles and models collected in the thesis database. Paper 

Design equations for the shear strength [MPa]  References   

tot w c

w cu w

c R

fcu f f c

f

fu fcu fu f f c

f

0.9

3.75

0.41  for 

0.41 1  for 4

w

V V V

V b d

V b d

lV l l

d

dV l l

l

 R. Narayan Swamy, R. Jones and Andy T.P. Chiam 

(Eq. 4.1) 

u 0.7 ´ 7 17.2c

d dv f F

a a  

Modification of ACI Building equation by Ashour et al. (1992) 

(Eq. 4.2) 

1

33

u c

1

33

u c b

for  / 2.5

2.11 ´ 7

for  / 2.5

2,52.11 ´ 7 2.5

a d

dv f F

a

a d

d d av f F v

a a d

 

Modification of Zsutty´s equation by Ashour et al. (1992) 

(Eq. 4.3) 

f w f f0.24

where 

ultimate interfacial bond stress fibre‐matrix

V U b d l

U

 Kaushik et al. (1987) 

(Eq. 4.4) 

u c w tu

c

w

tu

0.504 176 / /

where 

 cylinder compressive strength of PC

ratio of area if tension steel to area of web

/  ratio of moment to shear

 ultimate tensile strength offered by fi

V f p d M V bd

f

P

M V

bre

  Saluja et al. (1992) 

(Eq. 4.5) 

10 

0.25

uf t

dv k f

a

  Sharma (1986)  (Eq. 4.6) 

Page 66: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

47 

11 

For beams with a/d<3 

n sp b0.22 217 0.834d

v f va

 

For beams with a/d>3 

n sp b0.19 93 0.834d

v f va

 

Shin et al. (1994) 

(Eq. 4.7) 

12 u cu

cu

0.517 0.283

where  concrete flexural strength 

v

 

Swamy et al. (1985) 

(Eq. 4.8) 

15 

2.330.46 '1/2 0.91 '0.38 0.96

uf s c s c yl

fb st yst f

f

0.97 0.2

      1.75 0.5 ctg

av f f f

d

lI f V

d

  Ding et al. (2011) 

(Eq. 4.9) 

16  u f c0.325 0.15 0.51 /10V V f bd  

Hanai et al. (2008) 

(Eq. 4.10) 

22 

13

uc c s s

1 43 3

uc c s s

fuf cu f

f

u uc uf

10 ' / 2.5

160 ' / 2.5

0.5

v f d a a d

v f d a a d

h c h clv v

d d d

v v v

 

Al‐Ta’an et al. (1990) 

(Eq. 4.11) 

29 

1 32/3

u bspfc

b

3.7 0.8

0.41

1 for  / 3.4

3.4  for  / 3.4

dv ef v

a

v F

a d

e da d

a

  Kwak et al. (2002) 

(Eq. 4.12) 

 All test beams were loaded with one or two point loads and they were provided with 

high  longitudinal reinforcement ratios ρ  sufficient  to secure shear  failure that  involves web  crushing  rather  than  flexural  or  combined  flexural  and  shear  failure  of  tested beams.  Nonetheless,  in  343  tests,  other  than  aforementioned,  failures  are  caused  by flexure or  the  combined  effects  of  shear  and  flexure, which  are not  considered  in  this study. That is because this study only addresses shear failures in order to facilitate SFRC ultimate shear strength prediction. 

Page 67: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

48 

4.2 Presentation of all the Data 

The  intention,  here,  is  to  do  a  brief  summary  of  all  articles,  papers  and  books included  in  Appendix  B  highlighting  the most  salient  and  interesting  concepts  for  the purposes of this thesis. 

 Paper 1, Swamy et al. (1993). 

This  article  concerns  about  SFRC  beams  done  in  lightweight  concrete  I‐beams  (fly ash, PFA, was used as a  replacement  for both  the  cement and  the  sand);  it underlines that most of  the test  reported so  far are on rectangular beams, which are not  the best cross sections  for  flexural members. Fibres are also  less effective  in  such members.  In account  of  the  reduced  modulus  of  elasticity  and  the  lower  tensile  strength  of lightweight concrete, the benefit of adding a relatively high modulus fibre, such steel, on the strength and deformation characteristics may be more pronounced than for normal weight  concrete.  The  purpose  of  the  paper  is  thus  to  assess  the  effectiveness  of  steel fibres as shear reinforcement in lightweight concrete beams. A simple theoretical model is  presented  to  compute  the  ultimate  strength  in  shear.  This  model  leads  to  simple equations to predict ultimate shear strength of lightweight and normal weight concrete beams (see Table 4.1). The fibre concrete beams displayed an increased number of both flexural  and  shear  cracks  at  closer  spacing  than  the  corresponding  concrete  beams without  fibres. The cracking behaviour clearly showed the ability of  the steel  fibres  in mobilizing  the  tension  zone  of  the  beam  in  resisting  the  shear  forces.  The  method presented by the authors was also valid to predict the shear strength of normal weight fibre concrete beams containing steel fibres as shear reinforcement. 

In this article previous tests done by Muhidin and Regan (1977) and La Fraugh and Moustafa  (1975)  are  used  to  compare  the  validity  of  the  formula  proposed  by  the authors. 

 Paper 2, Dinh et al. (2010). In  this paper 28  relatively  large SFRC beams  subjected  to  shear,  simply  supported, 

are  investigated  with  the  aim  to  investigate  the  effectiveness  of  the  fibre  as  shear reinforcement in a beam without stirrup reinforcement. The result showed that the use of  hooked  steel  fibres  in  a  volume  fraction  equal  or  greater  than  to  0,75  %  led  to multiple  diagonal  cracking  and  substantial  increase  in  shear  strength  compared  to reinforced  concrete  (RC)  beams  without  stirrup  reinforcement.  Moreover,  all  SFRC beams sustained a peak shear stress of at  least 0.33,-′/. The test result also indicated that  the  hooked  steel  fibres  evaluated  in  this  investigation  can  safely  be  used  as minimum shear reinforcement in RC beams constructed with normal‐strength concrete and  within  the  range  of  member  depths  considered.  Data  presented  herein  provide information  on  the  effect  of  parameters  such  as  fibre  geometry,  strength,  volume fraction and longitudinal reinforcement ratios on the shear behaviour of relatively large SFRC beams. The  flexural behaviour of  the SFRCs was evaluated through ASTM C1609 (2005) four‐point bending test 150 x 150 x 510 mm beams (455 mm clear span). Each test was continued up to a midspan deflection of 1/150 of the span length (3 mm). 

Page 68: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

49 

 

Figure 4.1 ‐ Deflection under the loading point and load along the horizontal axis and vertical axis, respectively (Dinh et al., 2010).  

These responses represent the average of three or more individual tests, except for Beam 27‐5,  for which only two beams were tested.  In  this graph the effect of different addition of fibres can be seen. 

 Paper 3, Ashour et al. (1992). 

The  authors  present  test  results  on  18  rectangular  high‐strength  fibre  reinforced concrete  beams  subjected  to  combined  flexure  and  shear.  All  beams,  were  singly reinforced  and  without  shear  reinforcement.  The  main  variables  were  the  steel  fibre content, the longitudinal steel ratio and the shear‐span/depth ratio. The concrete matrix compressive  strength  was  about  93  MPa  containing  only  one  type  of  fibre.  Two empirical  equations  are  proposed  to  predict  the  shear  strength  of  high‐strength  fibre reinforced concrete beams without shear reinforcement. It is worth noting that HSFRC is more difficult to mix efficiently than conventional concrete because of the relatively low water content, high cement content, absence of large coarse aggregate and presence of fibres. For these reasons a superplasticizer was used and the mixing time was increased to produce a uniform mix without segregation. The authors performed the calculations of  the  shear  capacity  of  the  specimens  with  Narayanan  and  Darwish’s  equation  and Sharma’s  equation,  too.  Moreover,  as  shown  in  Table  4.1,  the  authors  purposed  two modifications  of  the  ACI  building  Code  equation  and  of  Zutty’s  equation;  these  were defined after that a regression analysis was carried out on the 18 test results. Even the 

Page 69: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

50 

good  prediction  of  the  shear  strength  for  the  tested  beam  the  two  equations  are  no longer used.  

 Paper 6, Kaushik et al. (1987). 

This paper is an attempt to study the ultimate strength of fibre reinforced concrete beams vis‐a‐vis shear failure. The scope of the study was limited to observation on the gain  in  strength  compared  to  ordinary  R.C.  beams  without  fibres,  looking  at  the deflections,  the  curvatures,  the  rotations  and  the  crack  pattern,  too.  The  resistance offered by  the  fibres  crossing a major diagonal  crack was evaluated using an effective fibre‐spacing equation and the total force developed through the fibre lying in a vertical plane. The test program consisted of 10 series, with 2 beams in each series, classified as A, B, C, D, E, F, G, H, I and J. All the details are reported in Appendix A. The fibres utilized in  the  beams  were  obtained  by  cutting  black  annealed  mild  steel  wires  (26SWG)  of suitable length. 

 Paper 7, Murty et al. (1987). 

This  investigation  was  designed  to  provide  a  comprehensive  experimental  and analytical evaluation of steel fibres as shear reinforcement. To obtain this information, a batch of rectangular beams was tested to  failure. Variables  that were studied  included shear  span/depth  ratio,  aspect  ratio of  the  fibre and volume percentage of  fibres. The experimental  programme  involved  tests  on  eleven  reinforced  concrete  rectangular beams of same cross‐section under two point loading; out of eleven beams, two beams were without any web reinforcement, two had conventional stirrups and the remaining seven  were  provided  with  fibres  in  the  test  zone.  The  non‐test  zone  was  reinforced against shear failure by providing web reinforcement in the form of vertical stirrups. 

 Paper 8, Narayanan et al. (1987a). 

The research reported in this paper established the formula discussed in Section 3.1. The  authors  investigated  49  shear  tests  carried  out  on  simply  supported  rectangular beam  under  symmetrically  placed  concentrated  loads;  out  of  49  beams,  10  beams contained  conventional  stirrups  and  33  were  reinforced  with  crimped  steel  fibers instead of web reinforcement. The parameters varied were the volume fraction f of the fibres,  fibres  aspect  ratio  L/D,  the  concrete  strength  fcu,  the  amount  of  longitudinal reinforcement    and  the  shear‐span/effective  depth  ratio  a/d.  Beams  B1  to  B6  were similar except  for  the volume  fraction of  fibres which was  increased  from 0.5 percent, Beam B1 to 3.0 percent in Beam B6. Beam B1 was observed to fail in shear while Beam B2, which has f = 1 %, exhibited a flexural‐shear failure. Increasing the volume fraction of  fibres  above  1  percent  (Beam  B3  to  B6)  the  failure  resulted  in  a  predominantly flexural mode. How the mode of failure changed from the shear to the flexural type when the volume fraction of fibres was significantly increased can be seen in Figure 2.1. FRC beams  having  a  low  volume  fraction  of  fibres  (i.e.,  less  than  1  percent  by  volume) exhibited  a  sudden  failure  at  the  ultimate  stage,  although  this  was  less  catastrophic compared with conventionally reinforced beam without any shear reinforcement.  

 

Page 70: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

51 

 

 

 

 

Figure 4.2 ‐ Crack patterns for beams B1, B2, B4 and B7 (Narayanan et al, 1987). 

Narayanan  and  Darwish  observed  that  the  crack  pattern  that  develops  in  SFRC beams  subjected  to  shear  is  similar  to  that  observed  in  the  corresponding  reinforced concrete  beams  with  conventional  stirrups.  This  remark  comes  from  comparison between the performances of beams reinforced only with stirrups and of beams without stirrups but prepared with SFRC using  fibres  in a percentage equivalent  to  that of  the stirrups  in  the  shear  span  of  the  corresponding  conventionally  reinforced  beam:  the improvement  in the ultimate mean shear strength  is not significant, but  the  first crack shear  strength  increased  noticeably.  The  same  authors,  in  a  subsequent  paper (Narayanan et al., 1988) came to the conclusion that  the  fibres cannot entirely replace the  conventional  shear  reinforcement  when  the  structural  elements  are  subjected  to very high shear stress. 

 Paper 9, Saluja et al. (1992). 

In  this  paper,  attempt  has  been  made  to  suggest  a  method  to  have  a  reasonable estimation  of  shear  strength  of  fibre  reinforced  concrete  beams  (as  reported  in  Table 4.1). On account of the lack of fibre characteristic used in the tests; in order to work in the  safe  side  the  following  assumptions  have  been  taken:  aspect  ratio  lf/df  =100  and shape of the fibre as “round”. 

 Paper 10, Sharma (1986). 

The  aim  of  the  paper  was  to  show  that  steel  fibres  added  at  the  normal  shear reinforcement can be effectively used for increasing the shear strength of concrete; tests have  shown  that  a  combination of  stirrups  and  fibre  reinforcement  forms an  effective system  of  shear  reinforcement  in  a  structural  member.  At  any  rate  the  only  beam included  in  this  thesis  are  the  one  in  PC  and SFRC without  any  stirrups;  out  of  seven beams, the ones these characteristics were three. 

 Paper 11, Shin et al. (1994). 

This  paper  reports  the  results  of  an  investigation  on  the  strength  and  ductility  of fibre  reinforced  high  strength  concrete  beams  (with  concrete  compression  strength equal  to  80  MPa)  with  and  without  steel  fibre  reinforcement,  the  diagonal  cracking strength as well as the nominal shear strength of the beams were determined. 22 beam specimens were tested under monotonically  increasing  loads applied at mid‐span. The major  test parameters  included  the  volumetric  ratio  of  steel  fibres,  the  shear‐span‐to‐

Page 71: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

52 

depth  ratio,  the  amount  of  longitudinal  reinforcement  and  the  amount  of  shear reinforcement..  Empirical  equations  are  suggested  for  evaluating  the  nominal  shear strength of SFR high‐strength concrete beams (Table 4.1). 

 Paper 12, Swamy et al. (1985). 

The  aim  of  this  study was  to  quantify  the  contribution  of  steel  fibres  to  the  shear resistance of concrete members, in order to develop the design rules for such members. The tests reported in this paper were designed to clarify further the role of steel fibre in shear  failures,  and  in  particular,  to  evaluate  the  effectiveness  of  steel  fibres  in  shear strength and shear deformation of reinforced concrete beams. The tests were conducted on  T‐beams  and  rectangular  beams,  3.4  m  long.  Nine  T‐beams  and  two  rectangular beams were tested in this study. All the beams were simply supported with a clear span of 2.8 m and a moment/shear ration equal to 4.5. 

 Paper 13, Tan et al. (1995). 

This  paper  presents  a  systematic  study  on  the  behaviour  of  partially  pre‐stressed SFRC  beams  subjected  to  shear.  A  simple  approach  is  developed  to  determine  the contribution of steel fibres, when used as partial or complete replacement of stirrups, to the shear‐carrying capacity of partially pre‐stressed beams. A test program was carried out with the partial pre‐stressing ratio,  the shear span‐to‐effective depth ratio and the steel  fibre  content  of  the  beam  as  major  parameters.  The  partial  pre‐stressing  ratio (PPR)  is  a  quantity  used  to  represent  the  extent  of  pre‐stressing  in  a  beam  and  it  is defined  as  the  ratio  of  the  ultimate  moment  of  resistance  due  to  the  pre‐stressed reinforcement (Mu)p  to the moment of resistance due to all  tensile steel reinforcement (Mu)p+s. 

 Paper 14, Rosenbusch et al. (2003). 

This paper mainly deals with the work carried out within the framework of subtask 4.2  “Trial  Beams  in  shear”  of  the  Brite/Euram project  BRPR‐CT98‐0813  and with  the change  between  the  RILEM  Recommendation  TC  162‐TDF  (2000)  and  the  final Recommendations  (2003).  In  the  latter  the  equivalent  flexure  tensile  strength  was replaced by the residual flexural tensile strength and the factor which takes into account the height of the member was replaced by the factor used in the EC 2 (Eq.3.26). 

Rosenbusch and Teutsch looking for a coefficient to convert -01,3  to -4,5 established that the conversion factor could be taken equal to 1. The tests were conducted on 38 T‐beams and rectangular beams. Out of 38 beams, eight beams were with steel  fibre and stirrups, five beams were without any shear reinforcement and the left beams were with fibres. 

 Paper 15, Ding et al. (2011). 

This paper presents  the  results  of  an  experimental  research program on  the  shear behaviour of  steel  fibre  reinforced  SCC beams. The major  aims of  this program are  to evaluate the possibility of replacing stirrups by steel fibres, to study the hybrid effect of steel  fibres  and  stirrups  on  the  mechanical  behaviour  of  beams,  and  to  analyze  the influence of steel fibres in the failure mode and shear strength. The beams studied in the test program had a cross section of 200 mm x 300 mm and 2400 mm length. They were tested  on  a  span  of  2100 mm having  two  stirrups  ratio  and  two  fibre  contents.  They were 9 beams, but only 3 over these were suitable  for  the  investigation carried  in this work.  Moreover  the  authors  investigated  the  validity  of  the  existing  semi‐empirical 

Page 72: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

53 

equation for predicting the shear strength and they suggested a new formula (Table 4.1). This formula is used for predicting the values from data from different sources included, in their turn, in the database (appendix A). The article reports the data of the works of Ashour (already in paper 3), Kwak (partially included in paper 29), Noghabai and Zhang. 

 Paper 16, Hanai et al. (2008). 

This  paper  discusses  the  influence  of  steel  fibre  on  both  punching  strength  of  flat slabs and shear strength of concrete beams. Similarities  in  the structural  behaviour of analogous  slab  and  beam  were  observed  in  many  experimental  analyses  present  in literature,  even  in  the DAfStB  formulas  for beams and  slabs  there  is  a  strong analogy. The  authors  designed  concrete  mixtures  to  attain  different  strength  levels,  from ordinary to high‐strength range. Ultimate load capacity and ductility of analogous slabs and beams showed the same performance tendencies as the fibre content varied from 0 to 2 %. The main conclusion of the study is that shear tests on prismatic beams provide useful information for SFRC mixture design for slab application. Five series of analogous  slabs  and  beams  (S1  to  S5)  were  tested  for  a  total  of  15  beams  designed  with  four different concrete mixes and with the  inclusion of hooked steel  fibre in a 0 %, 0.75 %, 1.50 % volume fraction. The ACI 318M‐02 equation to evaluate the ultimate shear force for beams without stirrups, in order to consider the steel fibre effect, has been modified as reported in Table 4.1. 

 Paper 17, Lim et al. (1999). 

The  purpose  of  this  study  was  to  explore  the  shear  characteristics  of  reinforced concrete beams containing steel fibres. The tests reported in this article consist of nine beams  reinforced with  stirrups  and  steel  fibres.  The main  aims  of  this  study were  to investigate (1) the mechanical behaviour of reinforced concrete beams containing steel fibres  under  shear,  (2)  the  potential  use  of  fibres  to  replace  the  stirrups  and  (3)  the combinations  of  stirrups  and  steel  fibres  for  improvements  in  ultimate  and  shear cracking strengths as well as ductility. A method of predicting ultimate shear strength of beams, when reinforced with stirrups and steel fibres, is proposed. 

 Paper 18, Sachan et al. (1990). 

This  paper  describes  an  experimental  investigation  to  study  the  strength  and behaviour of SFRC deep beam. In total 14 beams were tested. The variation of the fibre content,  the  percentage  of  longitudinal  reinforcement  and  the  type  of  loading  were investigated.  The  ultimate  load  carrying  capacity,  the  mode  of  failure  and  the  load deflection  behaviour  are  reported.  A  simple  model  is  proposed  to  predict  the  load‐carrying capacity of the beams (Table 4.1). 

It  is worth noting that the non‐linear nature of concrete  together with the cracking owing to the low tensile strength makes the behaviour of reinforced deep beams more complex  than  can  be  predicted  by  theoretical  studies  of  linear  homogeneous  elastic material.  Some  really  important  information  like  the  kind  of  steel  fibres  and  the presence of  stirrups  are missing.  Even making  some assumptions on  the  safe  side  the results  obtained  performing  Alternative  I  are  not  consistent  and  not  included  in  the database. 

 Paper 19, Cucchiara et al (2004). 

The aim of the paper consists of the evaluation of the improvement in the post‐peak behaviour due to the presence of fibres and in particular to the coupled effects of fibres 

Page 73: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

54 

and  stirrups. The  load‐deflection  graphs  recording  the post‐peak branch,  allowing  the conclusion  that  the  inclusion  of  fibres  can modify  the  brittle  shear mechanism  into  a ductile  flexural  mechanism,  thus  allowing  a  larger  dissipation  of  energy  necessary especially  in  seismic  resistant  reinforced  concrete  framed  structures.  The  tests  were carried out by considering two different values of shear span, different volume of fibre and stirrups, for two series of eight beams. 

 Paper 20, Roberts et al. (1982). 

The article presents the investigation of nine deep SFRC beams. The beams contained conventional tensile steel reinforcement but different percentages of steel fibres in place of conventional shear reinforcement. All nine beams were simply supported and loaded to failure by a central load distributed through two bearing plates. The results confirm that steel  fibres can prevent shear  failure  in deep beams and also  indicate  the various modes of failure of deep beams.  

 Paper 21, Adhikary et al. (2006). 

The  paper  presents  the  development  of  artificial  neural  network  models  for predicting  the  ultimate  shear  strength  of  SFRC  beams.  Neural  networks  are  being applied  to  an  increasing  large  number  of  real  word  problems.  Neural  networks constitute  an  information  processing  techniques  based  on  the way  biological  nervous systems,  such  as  the  brain,  process  information.  The  fundamental  concept  of  neural networks  is  the  structure  of  the  information  processing  system.  Composed  of  a  large number  of  highly  interconnected  processing  elements  or  neurons,  a  neural  network system uses  the human‐like  technique of  learning by example  to  solve problems. This thesis does not  focus on  the neural network but  the data used  in  the article,  the ones which  come  from  the  literature,  can  be  included  in  the  database  of  Appendix A.  Even some  parameters  are  totally  missing  this  bunch  of  tests  can  be  used  to  perform  the Narayanan and Darwish’s formula.  

 Paper 22, Al‐Ta’an et al. (1990). 

In  this  paper  predictive  equations  are  suggested  for  evaluating  the  cracking  and ultimate shear strength of rectangular fibre‐reinforced concrete beams without stirrups (see Table 4.1). The method shows good agreement with the published test results of 89 beams  which  failed  in  shear.  The  data  relative  to  these  beams  were  reported  in Appendix  A  but  utilized  for  performing  only  the  Alternative  I  owing  to  the  lack  of parameters needed to run the other alternatives. 

 Paper 23, Tan et al. (1993). 

This  study  presents  an  investigation  of  the  behaviour  of  SFRC  beams  subjected  to predominant  shear. Although  several  semi‐empirical  relations have been  suggested  to determine  the ultimate shear capacity,  the author wanted an analysis on  the complete shear response with detailed strain measurements in the beams. 

Tests  were  conducted  on  six  simply  supported  beams  in  order  to  obtain  strain measurements  in  the  steel  reinforcement  and  the  web  of  the  SFRC  beams  under predominant shear and giving more attentions on the post‐cracking tensile strength. 

 Paper 24, Batson et al. (1972). 

The purpose of  this  study was  to  investigate  the various  shapes of  steel  fibres,  the fibre  size,  the  fibre  volume  concentration  and  the  effectiveness  when  the  fibres 

Page 74: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

55 

substitute the vertical stirrups in conventional reinforced beams. The shear span ratio, a/d, was decreased with increasing steel fibre content. The 72 beam have all 101 x 152 mm cross section with a clear span of 915 mm. 

The  authors,  after  their  investigation,  concluded  that  the  replacement  of  vertical stirrups  by  round,  flat  or  crimped  steel  fibre  provides  effective  reinforcement  against shear failure. 

 Paper 25, Londhe (2010). 

The main aim of this paper was to study the performance of the RC beams in shear experimentally reinforced with longitudinal tension steel only, and reinforced with steel fibres and to know the relative contribution of the different mechanism through which shear are transmitted between two adjacent plane in a reinforced concrete beam. 

In  this work an attempt  is made  to  investigate shear strength and ductility of  fiber reinforced concrete beams by using hooked steel fibres. All the test beam specimen were 100 mm in width, 150 mm in depth and 1200 mm in  length and  the primary variable investigated  were  percentage  of  fibres  (0.5  to  5  %),  percentage  longitudinal  tension steel (0.8 to 3.22 %) and cube compressive strength of concrete (in the range of 34 of 41 MPa) for a total of twenty beams. The shear span‐depth ratio was kept constant at 3.20. All the beam specimens were tested under four‐point loading test set‐up and the failure load, crack pattern and deflections were recorded. Thirty six beams were cast and tested for various fibre contents and longitudinal reinforcements. 

 Paper 26, Narayanan et al. (1987b). 

In  their previous study Narayanan and Darwish (1987) were not able  to  locate  the influence  of  the  fibres  on  the  behaviour  of  pre‐stressed  concrete  beams  under predominant  shear  loading.  The  studies  reported  in  this  paper  are  aimed  at investigating  the  combined  (beneficial)  influence  of  fibre  reinforcement  and  pre‐stressing. The results of 36 shear tests on pre‐stressed concrete beams, containing steel fibres  as  web  reinforcement  are  presented  and  discussed.  One  analytical  method  of predicting the shear capacity of pre‐stressed concrete beams is developed to include the effect of fibre incorporation (Table 4.1). 

 Paper 27, Voo et al. (2003). 

This  study  reports  the  results  of  testing  seven pre‐stressed beams  failing  in  shear. The beams were cast using 150‐170 MPa steel fibre reinforced reactive powder concrete and  were  designed  to  assess  the  ability  of  steel  fibre  reinforced  reactive  powder concrete  to  carry  shear  stresses  in  thin  webbed  pre‐stressed  beams  without  shear reinforcement. The authors, comparing the crack patterns of specimens, observed that the quantity and  the  types of  fibres  in  the concrete mix did not significantly affect  the initial  shear  cracking  load  but,  increasing  the  volume  of  fibres,  the  failure  load  is increased. Moreover the tests were also analyzed using finite element modelling and the variable engagement constitutive model (VEM). 

 Paper 28, Pauw et al (2008). 

In this experimental program the behaviour of precast pre‐tensioned concrete beams made with steel  fibre concrete and without ordinary shear reinforcement  is compared with  the  behaviour  of  a  standard  beam  made  with  concrete  without  fibres  but  with stirrups  as  shear  reinforcement.  Furthermore  a  beam made  of  plain  concrete without shear  reinforcement  is  tested  to  investigate  the effect of  the  shear  reinforcement. The 

Page 75: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

56 

beams were loaded to failure in a three point bending test. The results showed that the beams made with the steel fibre concrete can resist shear forces as well as the standard beam  with  the  stirrups.  Four  I‐shaped  beams  with  a  total  length  of  10.9  m  were manufactured. This paper is really interesting because it reports both test results on the small  scale  tests  and  on  the  full  scale  beams;  the  former  provide  the  value  on  the compression  strength  and  the  equivalent  and  flexural  strength  coming  from  both  the 4PBT (according to the Belgian standard NBN B15‐238) and the 3PBT (according to the RILEM method);  the  latter, on the other hand, give the most  important  load values  for each beams like the load at first bending crack, the load at first shear crack, the load at final manual measurement and the failure load. The value of 678 = 9:;/!7 is not directly explicit in the text but it is deduced by a value that comes from other calculation; 9:; is the axial  force  in  the cross–section due  to  loading or pre‐stressing  [in N]  (9:; > 0  for compression) and !7 is the area of the concrete cross‐section [mm2]. 

 Paper 29, Kwak et al (2004). 

Twelve reinforced concrete beams were tested to failure to evaluate the influence of fibre‐volume  fraction,  a/d  and  concrete  compressive  strength  on  beam  strength  and ductility.  The  beams  denoted  by  the  letters  FHB  (fibre‐reinforced,  higher‐strength concrete beams) were constructed with concrete having a compressive strength near 65 MPa while the one denoted by FNB2 had an average compressive strength of 31 MPa. No stirrups were included in the shear span, only behind the supports in order to preclude the possibility of anchorage failure of the longitudinal bars. 

The authors’ results demonstrated that the nominal stress at shear cracking and the ultimate shear strength increased with increasing concrete compressive strength,  fibre volume, and decreasing shear span‐depth ratio. Moreover the results of 139 tests of FRC beams without stirrups were used to evaluate existing and proposed empirical equation for  estimating  shear  strength  (Table  4.1).  The  evaluation  indicated  that  the  equation developed by Narayanan and Darwish and  the equation proposed herein provided  the most accurate estimates of shear strength. 

 Paper 30, Kearsley et al (2004). 

The authors of  this paper  investigated  the effect of  stainless  steel  fibres by  casting nine different series of beams. 

Three beams  in each series were cast,  resulting  in a  total of 27 beams. Out of nine series,  one  series was  done  in  plain  concrete without  any  shear  reinforcement,  three series  were  with  fibre  reinforcement  and  five  series  were  with  both  fibre  and conventional  shear  reinforcement.  To  evaluate  the  effect  of  the  fibres,  the  equivalent flexural tensile strength of the SFR‐concrete was determined applying load in control of displacement on 150 x 150 x 750 beams in four point bending test (clear span equal to 600 mm). 

The  test  values  confirm  that  the  stainless  steel  cast  fibres  are  significantly  less effective in providing post‐cracked concrete strength than draw wire fibres. 

From Table 4.1 it can be observed that the contribution of fibres to the ultimate shear strength  depends  essentially  on  the  volume  fraction  of  the  fibres,  on  their  geometric characteristics and on the fibre‐matrix interfacial bond that determines the resistance to fibre pull‐out.  

Page 76: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

57 

4.3 Classification of the Specimens Based on 

the Main Properties 

4.3.1 Test Methods & Post‐Cracking Parameters 

Fibres  have  no  effect  on  the  pre‐cracking  mechanical  material  properties  of  plain concrete unless  the  fibre dosage exceeds around 80 kg/m3  (~1 %). The design of high performance  composites  (Vf  >1  %)  is  not  covered  in  this  thesis  although  some  tests incorporate fibres up to 2 % (volume percentage). In this way the material properties of un‐cracked  SFRC  can  be  estimated  by  treating  it  as  plain  concrete  (e.g.  applying  the formulas given in Eurocode 2). The material properties of SFRC in tension are discussed below. 

The axial tensile strength and the flexural strength of SFRC with a softening behaviour do  not  change  from  the  ones  of  plain  concrete.  The  differences  between  PC  (plain concrete) and SFRC (steel fibre reinforced concrete) arise beyond these two strengths. It follows that  the axial strength and the  flexural strength of SFRC are determined  in the same way of the PC using, for example, the formula proposed by the EC 2: 

2 3ctk(0.05) ck0.21f f     (Eq. 4.13) 

2 3ctm ck

cmctm

0.3 C50/60

2.12 ln(1 C50/6010

f f

ff

    (Eq. 4.14) 

where  -7FG(H.HI)  is  the  lower  characteristic  tensile  strength  of  concrete,  -7FJ  is  the mean  tensile  strength  of  concrete  and  -7G  is  the  characteristic  cylinder  strength  in compression.  The  “true”  tensile  strength  of  concrete  can  be  determined  in  direct  or indirect (splitting) tests (see Section 2.3). 

The  flexural strength of SFRC is calculated from the failure load in a standard beam tests, making the usual assumption that the stress distribution is linear over the depth of the  section.  The  assumption  of  a  linear  stress  distribution  is  reasonable  up  to  first cracking but not at the peak load, which corresponds to the flexural strength. Eurocode 2 defines the flexural strength of concrete in terms of the tensile strength as follow: 

ctk,fl ctk(0.05) ctk(0.05)max 1.6 ;1000

hf f f

    (Eq. 4.15) 

ctm,fl ctm ctmmax 1.6 ;1000

hf f f

  (Eq. 4.16) 

where -7FG,KL  is  the  lower characteristic  flexural  strength, -7FJ,KL  is  the mean  flexural strength, h is the section depth in mm and -7FJ is the mean value of axial tensile strength of concrete calculated like -7FJ = 0,30-7G

(M 3⁄ ) ≤ C50/60. Specific tests for the qualification of the SFRC material ductility are: 

‐ beam  tests  for  determining  the  residual  flexural  strength  and,  in  some tests, a measure of toughness, as already introduced in Section 2.3; 

‐ plate  tests  for  determining  the  toughness  in  terms  of  energy  absorption 

Page 77: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

58 

capacity and for more realistic models the biaxial bending that can occur in some applications (they are not deal in this thesis). 

The  results  from  these  two  kinds  of  test  are  not  directly  comparable  in  terms  of specifying ductility. Designers should be careful not to specify demanding requirements that may not be directly relevant to a particular design. Normally, the residual strength is  required where  the  concrete  characteristics  are  used  in  a  structural  design model, whereas  the  energy  absorption  is  required  in  more  relevant  situations  such  as  rock bolting  in  conjunction  with  shotcrete,  i.e.  where  energy  has  to  be  absorbed  during deformation under service conditions. 

The residual flexural strength of SFRC after cracking depends on the fibre type, fibre dosage  and  concrete  strength.  It  is  determined  experimentally  since  it  cannot  be calculated reliably in terms of the properties of the plain concrete matrix and the steel fibres.  Standard  test  methods  are  available  to  determine  the  residual  strength  in bending  and  tension  as  its  toughness.  Standard  flexural  test  procedures  have  been proposed  by  several  organisations  including  RILEM,  the  Japanese  Concrete  Institute (JCI), ASTM, the German Committee for Structural Concrete (DAfStB), the EFNARC (the European Federation of Producers and Applicators of Specialist Products for Structures) and the Italian National Research Council (CNR)  

Theoretically,  uniaxial  tension  tests  are preferable  to beam  tests  since  they  can be used to characterise the stress –crack opening (σ‐w) response of SFRC, which is needed in advanced design methods. Commonly,  in practice, beam tests are preferred because they  are  simpler  to  execute  than  tension  tests  and  simulate  the  conditions  in  many practical applications. For this reason the majority of the formulas concerning the post‐cracking  behaviour  of  SFRC  are  based  on  the  parameters  that  can  be  determined throughout the beams tests. Herein only the test methods proposed by DAfStB, RILEM and  CNR  are  presented,  because  they  are  necessary  to  perform  calculations  using Alternatives II, III and IV (see Sections 3.2, 3.3 and 3.4) which correspond respectively to their proposed  formula  for  the evaluation of  the shear capacity  in SFRC beam without shear reinforcement. 

1) German Committee for Structural Concrete (DAfStB) 

The  identification  of  the  parameters  necessary  to  characterize  the  post‐cracking softening behaviour of SFR mix is described in the DAfStB Guidelines proposed in 2011 (Section 9. Baustoffe, DAfStB, 2011b). The characterization is determined through four‐point bending test. The test specimen is a concrete beam of 150 x 150 mm cross‐section with a  fixed clear span of 600 mm and a  total  length of 700 mm (see Figure 4.3). The beam is unnotched and the distance between the two loads is equal to one third of the clear span. 

 

Figure 4.3 – Position of the load and supports of the beam specimen (DAfStB, 2011). 

Page 78: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

59 

During  the  test,  the  load  at  predefined  displacements,  different  from  the  SLS (identified by the abbreviation L1) and the ULS (L2), are recorded for each specimen. On the load‐midspan deflection graph (Figure 4.4) the load at the displacement of 0.5 mm (F0.5) and the load at the displacement of 3.5 mm (F3.5) are read‐out for the SLS and the ULS, respectively. 

 

Figure 4.4 ‐ Load‐deflection diagram (DAfStb). 

To obtain the tensile strength of the concrete (-7FS,TK ) requested in the Eq. 3.19 for the evaluation of the shear capacity the following procedures has to be done: 

‐ plot the load‐deflection graph for the n tested specimens (n ≥ 6); ‐ read‐out the value of F3.5 from each graph; ‐ calculate -7KLJ,UMK  using the following formula 

3.5,fcflm,L2 2

1

1 ni

i i i

F lf

n b h

    (Eq. 4.17) 

where l is the clear span of the beam, b is the width of the beam, h is the depth of the beam and n is the number of specimens; 

‐ calculate -7KLG,UMK  

fcflm,L2 sf f

cflk,L2 cflm,L2e 0.51Lf k Ls

f f

 

where: 

f fcflm,L2 cfl,L2,i

3.5,fcfl,L2,i 2

2f fcflm,L2 cfl,L2,i

1ln

ln

1

i

i i

Lf fnF l

fb h

Lf fLs

n

 

VW is the standard deviation from Table 4.2; 

 

Page 79: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

60 

Table 4.2 ‐ Values of ks based on the number of tests (DAfStb). 

 

‐ with the value of -7KLG,XY3.I,UMK  determine L2 as the closest value of the ones standing on Table 4 (Figure) and take the correspondent value of -7FH,TK ; 

 

 

Figure 4.5 ‐ Table for the characterization of the SFRC mix (DAfStb). 

‐ determine -7FS,TK  with the following formula 

f f f fctR,u F G ct0,uf f  

fF

f fG ct

fct

0.5 for walls 

1 for slabs  5

1.0 0.5 1.70

0.9 c

b h

A

A A

 

where Z[K  is the factor to take into consideration the dimension of the test, Z\K  is the factor  to  take  into consideration  the  fibre orientation and !7FK   is  the area between  two cracks. 

Page 80: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

61 

2) The  International  Union  of  Laboratories  and  Experts  in  Construction Materials, Systems and Structures (RILEM, from the name in French). 

This  test method  evaluates  the  tensile  behaviour  of  steel  fibre‐reinforced  concrete either in terms of areas under the load‐deflection curve or by the load bearing capacity at a certain deflection or crack mouth opening displacement (CMOD) obtained by testing a simply supported notched beam under three‐point loading (Figure 4.6). 

 

Figure 4.6 – Position of the load and supports of the beam specimen (RILEM 2002b). 

This standard is not intended to be applied in the case of shotcrete. This test method can be used for the determination of: (i) the limit of proportionality (LOP), i.e. the stress which  corresponds  to  the  point  on  the  load‐deflection  or  load‐crack  mouth  opening displacement  (CMOD)  curve  (U  (that  is  equal  to  the  highest  value  of  the  load  in  the interval  (]  or  CMOD)  of  0.05 mm)(see  Figure  4.7);  (ii)  two  equivalent  flexural  tensile strengths  (-̂ _,`  and  -̂ _,5)  which  identify  the  material  behaviour  up  to  the  selected deflection;  (iii)  four  residual  flexural  tensile  strengths  which  identify  the  material behaviour  at  selected  deflections  or  CMODs.  In  the  final  RILEM Recommendations  TC 162‐TDF (2003) the equivalent flexural tensile strength -̂ _,3 is replaced by the residual flexural tensile strength -S,5; due this change it might be necessary to adjust the design formulas: the relation between -̂ _,3 and -S,5 for the SFRCs used within the Brite/Euram project was found to be -S,5 = 0.87-̂ _,3 but in a case that the branch in the post cracked region is nearly on the same level, the value for -̂ _,3 and -S,5 will be approximately the same, while  in  case of  a  great decrease  in  the post‐cracked branch  the  ratio -S,5/-̂ _,3  may be lower than 0.87. So it  is proposed to replace  -̂ _,3 by -S,5 without adjusting the design formula (i.e. -̂ _,3=-S,5). 

 

Figure 4.7 ‐ Load‐CMOD diagram (RILEM, 2003b). 

Page 81: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

62 

The test specimen is a concrete beam of 150 x 150 mm cross section with a minimum length of 550 mm; moreover the beam is notched using wet sawing and the notch is not larger  than 5 mm and  the beam has an unnotched depth ℎc8 of 125 mm ± 1 mm. The clear span length of the three‐point loading test is 500 mm (Figure 4.8). 

The  residual  flexural  tensile  strengths -S,`  and -S,5,  respectively,  are defined at  the following crack mouth opening displacement (CMODi) or mid span deflections (]S,e): 

CMOD1=0.5 mm    ]S,` = 0.46 mm CMOD2=3.5 mm    ]S,M = 3.00 mm 

and,  assuming  a  linear  stress  distribution  among  the  cross  section,  can  be determined by means of the following expression: 

R,iR,i 2

sp

3

2

F Lf

b h

    (Eq. 4.18) 

where: 

g = width of the specimen [mm]  

ℎc8 = distance between tip of the notch and top of cross section [mm] (often called ligament) 

y = span of the specimen [mm]  

The relation between “characteristic” and “mean” residual  flexural  tensile strength, according to EC 2 in case of lack of tests for developing statistic values, is: 

fctk,fl fctm,fl0.7f f      

Hardened  SFRC  is  classified  using  two  parameters  that  are  determined  from  the residual flexural strengths -S,` and -S,5. The first parameter FL0.5 is given by the value of fR,1 reduced to the nearest multiple of 0.5 MPa, and can vary between 1 and 6 MPa. The second parameter FL3.5 is given by the value of fR,4 reduced to the nearest multiple of 0.5 MPa, and can vary between 0 and 4 MPa. These  two parameters denote  the minimum guaranteed  characteristic  residual  strengths  at  CMOD  values  of  0.5  and  3.5  mm, respectively.  The  residual  strength  class  is  represented  as  FL  (yH.I (y3.I⁄ ,  with  the corresponding values of the two parameters. For example, a SFRC with a characteristic cylinder compressive strength of 30 MPa, -S,` = 2.2 MPa and -S,5 = 1.5 MPa would have (yH.I = 2.0 MPa, (y3.I = 1.5 MPa and will be classified as C30/37 FL 2.0/1.5.

 

Figure 4.8 ‐ Arrangement of displacement monitoring gauges and specimen dimensions (RILEM, 2003b). 

Page 82: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

63 

 

Figure 4.9 ‐ Detail of the notch (RILEM, 2003). 

The RILEM beam test has almost been incorporated totally into EN 14651. 

3) Italian National Research Council (CNR) 

For  the  Italian National Research Council  (CNR‐DT‐204/2006)  the  identification of the constitutive parameters of softening behaviour material  through bending tests can be done with a linear elastic model or with a rigid‐plastic model.  

The linear elastic model identifies two reference values, -[Fc  and -[FT, concerning SLS and ULS behaviour, respectively. They have to be defined through equivalent values of flexural strength using the following equations: 

Fts eq1 = 0.45f f     (Eq. 4.19) 

uFtu Fts 2 1

i2

= 0.5 0.2 0Fts eq eq

wf k f f f f

w

    (Eq. 4.20) 

Where: -̂ _` is the post cracking equivalent strength useful for SLS; -̂ _M is the post cracking equivalent strength useful for ULS; V  is  a  coefficient  equal  to  0.7  for  cross  section  fully  subjected  to  tensile  stresses  and equal to 1 in other cases; ~eM is the mean value of the crack opening at the endpoints of the interval where -̂ _M is evaluated (see Figure 4.10(b)). 

 

Figure 4.10 ‐ Tensile Strength determined through bending test in softening materials (CNR‐DT 204, 2006). 

Equations 4.17 and 4.18 are still valid when the local values -̀  and -M, are considered instead  of  the  average  values,  under  the  condition  that ~eM  is  assumed  equal  to  the largest value of the considered interval (CTOD2, Figure 4.10(a)). These equations may be 

Page 83: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

64 

deduced  through  simple  equilibrium  considerations  concerning  rectangular  section under  bending,  corresponding  to  the  critical  section  of  the  tested  specimen  assuming (for crack opening values typical of serviceability conditions ~  ≤  0.6 mm) the following assumptions: 

‐ plane sections remain plane after bending; ‐ elasto‐plastic tensile behaviour (with maximum value equal to -[Fc; Figure 

4.10(b)); ‐ linear‐elastic compressive behaviour (Figure 4.11(a)). 

 

Figure 4.11 ‐ Stress diagrams for the determination of the tensile strength (CNR‐DT 204, 2006). 

The Equation 4.17  is obtained considering a  linear constitutive  law between points with abscissa wi1 and wi2, up to the point with abscissa ~T (Figure 4.10(b)). 

The rigid‐plastic model identifies a unique reference value, -[FT, based on the ultimate behaviour that is determined as: 

eq2Ftu 3

ff     (Eq. 4.21) 

Equation  4.19  is  obtained  from  the  equilibrium  as  in  the  previous  case  (with reference to ULS). 

In accordance to the standard UNI 11188 and using the symbol of the standard UNI 11039 it is assumed: 

Page 84: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

65 

Table  4.3  ‐  Four  point  bending  test  on  notched  and  unnotched  specimens  with  the parameters involved (CNR‐DT 204/2006). 

 

 

‐For notched specimen  ‐For unnotched specimen 

 

 

 

 

-̂ _`G = -̂ _(H�H.Ä)Å  evaluated in the interval 0 ≤ ~ ≤ 0.6 mm -̂ _MG = -̂ _(H.Ä�3.H)Å  evaluated in the interval  0.6 ≤ ~ ≤ 3.5 mm  In order to consider the notch, the value of the tensile strength may be assumed: 

-[F = 0.9-7F 

-̂ _`G = -̂ _(H�H.Ä)Å = -̀ F[G  evaluated in the interval 3~É ≤ ~ ≤ 5~É -̂ _MG = -̂ _(H.Ä�3.H)Å = -[F[G  evaluated in the interval  0.8~T ≤ ~ ≤ 1.2~T  where ~É is the crack opening calculated at cracking at the maximum recorded load in the  interval  0 ≤ ~ ≤ 0.1 mm  and ~T = 3 mm  

 For  structures  subjected  to  bending  with  section  depth  less  than  150 mm  (or  for 

hardening  bending  behaviour)  it  is  better  to  carry  out  the  identification  process  of material properties by taking into account the casting direction and the small thickness of the structure without notching the specimens. 

As shown in Table 4.3, specimens can have different dimensions but always the same proportions;  in order  to obtain a more  clear comparison between different  specimens geometries,  experimental  results  from bending  tests  are  reported  in  terms of nominal stress Ñ defined according to a linear stress distribution as reported in Eq. 2.1. 

Correlations  between  different  test  methods  could  significantly  improve  the confidence level between the results and performance classification. It also would help if the results obtained with one specific test method could be used to deduce parameters needed  for  another  design  method  (for  another  application).  This  would  drastically reduce the number of tests needed to explore specific applications for the material. The results presented in the literature show that these correlations exist and depend on the deflection/cracking load. 

Page 85: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

66 

Table 4.4 ‐ Comparison between flexural test methods according to DAfStb, RILEM and CNR recommendations. 

  DAfStb  RILEM  CNR notched  CNR unnotched  SCA 

Type of bending   4‐point bending (4PB) 

3‐point bending (3PB) 

4‐point bending (4PB) 

4‐point bending (4PB) 

4‐point bending (4PB) 

Notch depth [mm]  0  25  a  0  0 Span length [mm]  600  500  3l  3l  450 Beam length [mm]  700  550  4l  not specified  500 Beam width [mm]  150  150  not specified  not specified  125 Beam height [mm]  150  150  h+a=l  h  75 Net height [mm]  150  125  h  h  75 Slenderness l/h  3  3.33  3  3l/h  6 

4.3.2 Modes of Failure 

When beams  are  tested  under  a  load  up  to  the  failure  it  is  essential  to  record  the mode in which the beam fails observing the crack path and position at failure. The types and formation of cracks depend on both the span‐to‐depth ratio of the beam and the  load. These variables influence the moment and shear along the length of the beam. For a simply supported  beam  under  uniformly  distributed  load  or  concentrated  load  at  the  midspan, without pre‐stressing, three types of cracks are identified (Amlan et al, 2011): 

‐ Flexural cracks: these cracks are located near the midspan; they start from the bottom of the section and propagate vertically upwards. 

‐ Web shear cracks: these cracks are located near the neutral axis and close to the support, they propagate inclined to the beam axis. 

‐ Flexure shear cracks: these cracks start at the bottom of the beam due to flexure and propagate inclined due to both flexure and shear. 

Beams with low span‐to‐depth ratio or inadequate shear reinforcement often present a shear failure. A failure due to shear is sudden if compared to a failure due to flexure, cracks are more  localized and most of  them are  located above and along the  inclined  line  joining the support with the point at which the load is applied. The following five modes of failure due to shear are identified: 

a) Diagonal tension failure: in this mode, an inclined crack propagates rapidly due to inadequate shear reinforcement; 

b) Shear  compression  failure:  there  is  crushing  of  the  concrete  near  the compression flange above the tip of the inclined crack; 

c) Shear  tension  failure:  due  to  inadequate  anchorage  of  the  longitudinal bars, the diagonal cracks propagate horizontally along the bars; 

d) Arch  rib  failure:  for  deep  beams,  the web may  buckle  and  subsequently crush. There can be anchorage failure or failure of the bearing; 

e) Web crushing failure: the concrete in the web crushes owing to inadequate web thickness; 

The modes are shown through sketches in Figure 4.12. 

Page 86: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

67 

 

Figure 4.12 ‐ Modes of failure: (a) diagonal tension failure, (b) shear compression failure, (c) shear tension failure, (d) arch rib failure and (e) web crushing  failure (Amlan et al, 2011). 

The occurrence of a mode of failure depends on the span‐to‐depth ratio, loading, cross‐section  of  the  beam,  amount  and  anchorage  of  reinforcement  as  well  as  the  concrete strength.  The  flexural  failure,  opposite  to  the  shear  one,  is  characterized  by  crack  that appear progressively, allowing the beam to reach significant ductility (Figure 4.13)  

 

Figure 4.13 ‐ Crack patterns at flexural ultimate condition (Chucchiara et al., 2003) 

4.3.3 Strength of Concrete 

For the specimens included in the database the SFRC specified compressive strength for  standard  cylinders, -7Ö,  ranges  from 12.3  to  171 MPa.  327  specimens  have  normal specified  compressive  strength  (less  than  60  MPa),  and  the  remaining  47  specimens have high compressive strength -7Ö. The SFRC compressive strength  for standard cube, -7,7TÜ^Ö , ranges from 14.8 to 187 MPa. The tensile strength obtained from splitting tests range from 1.87 to 10.9 MPa 

Alternative II, III and IV suggest that the ultimate shear capacity predictions for steel fibre reinforced concrete (SFRC) beams can be made based on the post‐cracking tensile 

Page 87: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

68 

strength while the Alternative I recommends the use of tensile strength obtained using split‐cylinder tests.  

Table 4.5 ‐ Ranges of the concrete properties from the database. 

  Min  Max 

áàâ,àäãåçéèêÖ  [N/mm2]  12.3  171 

áàâ,àâëèÖ  [N/mm2]  14,8  187 

áíìîàÖ  [N/mm2]  1.87  10.9 

ïà   [N/mm2]  18700  26300 

4.3.4 Fibres & Volume Percentage 

The six different types of steel fibres that were used in the test are hooked, crimped, round, cut wire, stainless and duoform. Steel  fibre tensile strength  in most of  the tests was greater than 1100 MPa. The fibre volume fractions ranged from 0.20 to 3.00 % (per unit volume of cured SFRC). The ratio of fibre length to fibre diameter, Lf/Df, varies from 37 to 133 and the fibre lengths ranges between 13 and 60 mm.  

Table 4.6 ‐ Ranges of the fibre properties from the database. 

  Min  Max 

ñî  [mm]  0.20  1.05 

óî  [mm]  13  60 

óî ñî⁄   37  133 

òî  [%]  0.20  3 

ïí   [GPa]  210  231 

4.3.5 Longitudinal Reinforcement 

The  longitudinal  reinforcement ratio ôflex  ranges  from 0.80  to 9.4 %, depending on the cross section of the beam (Table 4.7). 

Table 4.7 ‐ Ranges of the longitudinal reinforcement from the database. 

  Min  Max 

úîãèù  [%]  0.80  9.4 

ú′îãèù  [%]  0.13  3.7 

ïí   [GPa]  200  235 

4.3.6 Specimen Dimensions 

The beam widths ranged from 50 to 300 mm and the effective depths ranged from 80 to 810 mm. The beam clear spans ranged from 274 to 10300 mm. The span‐depth ratio (a/d) ranged from 0.81 to 6 (Table 4.8). 

Page 88: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

69 

Table  4.8  ‐  Ranges  of  the  geometrical  properties  of  the  specimens  collected  in  the database. 

  Min  Max 

û ñ⁄   0.81  6 

ü  [mm]  100  900 

üî   [mm]  50  230 

ñ  [mm]  80  810 

†  [mm]  50  300 

†î   [mm]  140  1000 

ó  [mm]  274  10300 

°  [mm]  455  10900 

4.3.7 Other Properties 

Other properties stand in Table 4.9. 

Table 4.9 ‐ Further properties of the specimens included in the database. 

  Min  Max 

¢ £⁄  §û•¶ß  0.19  0.70 

Age test   [é®ä]  7  60 

Max aggr. size [©©]  6.30  20 

™â  [´¨]  30.9  1081 

≠â  [¨/©©Æ]  0.14  19,9 

   

Page 89: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

70 

4.4 Data Processing 

Before the beginning of the calculations, the database has to be cleaned up from the specimens that for different reasons do not fulfil the following requests: 

‐ The materials have to be classified with the compressive strength (either cubes or cylinder), the fibre volume and the fibre aspect ratio ØK ∞K⁄ . 

‐ The cross‐sections of the beams have always to be reported in the articles. ‐ The  beams  must  not  contain  stirrups  or  other  shear  reinforcement 

different than the fibres along the span. ‐ The mode of failure must be in shear. 

Particularly attention should be paid to the last statement: the aim of the thesis is to investigate the shear behaviour of the SFRC beams but the failure of a beam can depend upon  other  phenomena,  like  the  flexural  failure,  not  directly  related  to  the  shear. Normally the failure mode changes from the shear to the flexure at the increase of the fibre  percentage.  Omitting  those  beams  that  do  not  have  the  characteristics  stated above, the number of specimens becomes 573 instead of 370. 

Not all the beams contained in the reduced database are suitable to develop the back analysis;  this  because  only  some  articles  (see  Figure  4.14  ‐  Group  1)  contain  both RC beams and the respective SFRC beams. 

At the moment of the evaluation of the shear strength according to the four formulas reported  in Chapter 3,  it  can easily be noted  that, while  the Narayanan and Darwish’s formula can be immediately applied to all those beams contained in the database, many of  the  papers  are  not  reporting  the  main  parameters  that  are  needed  for  using  the DAfStB formula as well as the RILEM one and the CNR one. The parameter omitted from all  the articles  (with  the exception of article 14  for  the RILEM formula)  is  the residual flexural tensile strengths) estimated according to the different tests set‐up as shown in Section 4.3.1. 

The direct compression test on concrete is well established and standardized and is found  by  casting  either  cubes  or  cylinders  and  testing  them  in  direct  compression. Unfortunately it is not the same regarding the post‐cracking characteristics. This lack is evident  if  we  think  that  among  a  selection  of  about  one  hundred  articles  only  five characterize  the  specimens  according,  at  least,  to  one  of  the  standards  explained  in Section 4.3.1 and among these only one is suitable for the shear investigation carried out in this thesis. This scarceness of data changes what was the first aim of the thesis, i.e. a comparison between shear strength coming from the application of different formulas, adding one more piece of work: try to get the missing value using a new relation based on the available data. 

Page 90: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

71 

 

Figure 4.14 ‐ Division of the database in three different groups to satisfy the analysis developed in this Section. 

In  this section,  in order to obtain the missing parameters, a back analysis has been developed. From the back analysis it is expected to obtain a relation able to describe the post‐cracking  behaviour,  or,  at  least,  an  estimation  of  the  residual  flexural  tensile strength,  necessary  to  use  the  Alternatives  II,  III  and  IV  and  to  estimate  the  shear capacity of SFRC beam. 

The Back Analysis  

The paramount concept on which the back analysis is based is that the SFRC has the same safety factor as the corresponding RC beam; the safety factor ±̂ ≤8 ±F≥F⁄  is the ratio between  ±̂ ≤8,  the  shear  force  experienced  during  the  test,  and  ±F≥F,  the  shear  force calculated by the formula. The prior statement about the safety factor means to assume that  beams  designed,  performed  and  tested  in  the  same  laboratory  and  by  the  same authors are affected mainly by the same variables. Moreover all the three formulas have 

Page 91: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

72 

the purpose to be feasible even in case of RC without any addiction of steel fibres. This fact reinforces the previous assumption as it is normal to think that a formula has been constructed in order to have a safety margin ±̂ ≤8 ±F≥F⁄  almost constant all‐interior of its domain of validity. Furthermore this seems to be the only possible starting point of the analysis related to the database possessed while, with a database with more articles that report  the  residual  flexural  tensile  strengths, a direct  linear  regression on  these  could also have been a good alternative. 

To better understand the process that has been used look at Figure 4.15. Once that the shear force, under which the beam failed, is known (from the run of the 

test) and the safety factor is fixed for all the three formulas: 

DafStb

f f1/3 c ctR,u

Rd,F l fck cpf fct ct

0.15100 0.15 w

w

f b hV k f b d  

RILEM

1/3

Rd,F l fck cp f l Rk,4fct

0.18100 0.15 0.12 wV k f k k f b d

    (Eq. 4.22)

 

13

CNR

FtukRd,F 1 ck cp w

c ctk

0.18100 1 7.5 0.15

fV k f b d

f

 

the only unknowns remain respectively -7FS,TK , -SG,5 and -[FTG. Applying  the  following  inverse  formulas  the  unknowns  can  be  obtained  for  each 

specimen: 

DafStb

f1/3Rd,Ff ct

ctR,u l fck cpf fct c

0.15100 0.15

w w

Vf k f

b d b h 

RILEM 1/3Rd,FRk,4 l fck cpf

f lct

0.18 1100 0.15

0.12w

Vf k f

b d k k 

CNR

3Rd,F cctk

Ftukl ck w

11

7.5 100 0.18

Vff

f k b d 

They are for the DafStB, RILEM and CNR alternative, respectively. The  process  is  depicted  in  Figure  4.15;  once  that  all  the  residual  flexural  tensile 

strengths have been calculated  there  is  the need  to  find  the parameters  that  influence the post‐cracking behaviour and that will be included like variables of the formulation. The  variables  that  seem  to  affect  mostly  the  shear  capacity  and  the  post‐cracking behaviour are: 

‐ The ratio index defined as ¥µ = ±K∂∑∏∑    that  includes the effects of the fibre 

percentage and their aspect ratio; it is expressed in percentage. ‐ The cylindrical compressive strength of the concrete -′7 used to make the 

beam tests. 

The ratio index RI is used as variable along the x axis while the compressive strength -′7 is  used  to  obtain  a  nondimensional  factor;  the  nondimensional  factor,  that  varies along the y axis, is defined as -π^c -′7⁄  where -π^c is the residual flexural tensile strength 

Page 92: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

73 

at  the defined displacement.  It  is  good  to  remind  that  the process herein  explained  is done  three  times  and  that  each  time,  according  to  the  Guidelines  considered,  the 

nondimensional factor ∫ªºΩ∫Öæ is specifically 

 ∫æø¿,¡∑

∫Öæ, ∫¿¬,√∫Öæ and 

∫ƒø¡¬∫Öæ

 for DafStB, RILEM and CNR 

Guidelines, respectively. On  the  defined  graph  all  the  SFRC  beams  are  included  that  come  from  the  same 

article; doing a regression analysis on the bunch of tests it is possible to get two different lines: 

‐ ≈ = ∆« + g  that  defines  a  line  with  an  intercept  equal  to  b;  for convenience  this kind of  lines are  identified with  the uppercase  letter  “I” (Intercept). 

‐ ≈ = ∆« that defines a line with an intercept equal to 0, crossing the origin of the Cartesian plane; for convenience this kind of lines are identified with the uppercase letter “O” (Origin). 

Requiring the passage of  the  line through the origin of  the Cartesian plane  leads to lines  with  a  higher  slope m  than  the  line  of  I  type  and,  moreover,  farther  from  the realistic value that  the specimens show (especially  for high values of RI). Anyway,  this line is necessary for connecting the I line to the origin: it is easy to understand that the formula,  in  case  of  absence  of  fibre  added  in  the mix  (RI = 0  because Vf  =  0),  have  to satisfy the boundary condition with the RC beams. Looking at the Equations 4.22, this is possible  only  by  establishing  a  relation  that  for  RI  =  0  returns  to  a  residual  flexural tensile strength value equal to 0. The process is explained in Figure 4.15. 

Page 93: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

74 

 

Figure 4.15 – Description of the process followed for the creation of a clean bundle of lines. 

Every article will have six equations, three of the I‐type and 3 of the O‐type, two for every  code.  As  first  check  the  formulas  obtained  are  applied  back  on  the  specimens which they come from  like  in a design process (γDafStB = 1.25 and γRILEM = γCNR = 1.50). Obviously  the  results  are  on  the  safe  side with  values  of Vexp/Vtot  almost  all  the  time higher than 1 (thanks to the application of the safety coefficient γ). 

Plotting all the equations obtained on the same graph, one for each code, dividing the I  lines  from the O  lines, we obtain the graphs depicted  in Figure 4.17, Figure 4.18 and Figure 4.19.  

Page 94: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

75 

 

Figure 4.16 ‐ Development of the bundle of lines. 

Page 95: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

76 

 

Figure 4.17 ‐ Graphs of the DafStB Code. The first three graphs are obtained by the process described in Figure 4.15 while the bottom right graph comes from the process 

depicted in Figure 4.20. 

Analyzing  Figure  4.17  it  seems  that  there  is  a  light  dependence  on  the  cylindrical compressive strength  f’c  (as expected) being most of all  the  lines placed  in descending order of f’c from the bottom to the top. From the graphs we can immediately notice that articles A07  and A26  are  practically  horizontal,  articles A19  and A28 have  a  negative slope and that articles A02, A14, A13 and A15 are positioned far from the bundle of lines that is delimited from articles A23 and A11. Figure 4.16 shows the process followed to obtain the bundle of lines. 

Looking at the I‐lines, Figure 4.17, these are the conclusions: 

‐ A02 cannot be included, the cause could be the presence of stirrups along half of the span of the beams; 

‐ A14 presents  a wide  range  of  beam  characteristics  (like  the  longitudinal reinforcement  ôKL^≤  that  ranges  from  1,15  to  3,56)  for  this  reason  it  is divided in sub‐populations with similar ôKL^≤; however the new equations are not contained in the bundle of lines and they are deleted. This article is handled more  in  detail  in  Section  4.4  “The Check”  because  it  is  the  only one, among all the articles, that contains the values of the residual flexural tensile strength according to RILEM Code. 

‐ A13  and A15  contain  only  two beams,  this  could  be  the  reason why  the linear regression does not give satisfactory results, with equations that go out of the bundles of lines; nothing can be done more than exclude these to articles. 

Page 96: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

77 

‐ A19 has a negative  slope m  that  is not a  realistic value;  in  fact  the  shear strength is supposed to improve at the increasing of the RI or at least up to the limit value. 

‐ A08 and A16 are divided in sub‐populations according to the compressive strength of their beams; the equations obtained are satisfactory. 

‐ A26  needs  to  be  divided  in  sub‐populations  because  its  beams  differ  to much  in  cross  section  and  flexural  reinforcement ôKL^≤;  only one of  three equations has been included in the bundle of lines. 

‐ A28 as A19 have negative slope and only two beams that do not permit the creation of any sub‐populations. 

No analysis and reasoning can be done on the second graph “DafStB‐O” (Figure 4.17 top right corner) more than deleting the respectively O‐lines of the ones deleted in the graph “DafStB‐I”.    

Page 97: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

78 

 

Figure 4.18 ‐ Graphs of the RILEM Code. The first three graphs are obtained by the process described in Figure 4.15 while the bottom right graph comes from the process 

depicted in Figure 4.20. 

The analysis for the RILEM bundle of lines (see Figure 4.18) reaches the same results of the DafStB one: with the same deleted articles and the same sub‐divisions. The only difference is that A16 is not divided in sub‐populations because equations stand out of the  bundle  (by  the way  also  this  sub‐division  shows  to  be  under  the  influence  of  the compressive strength f’c). 

This  similarity  on  the  behaviour  might  be  attributed  at  the  similarities  in  the structure of the two formulas (DafStB and RILEM) that add the contribution of the fibres at  the  shear  strength of members not  requiring  the design of  the  shear  reinforcement (according to EC 2, Equation 6.2.a). 

Page 98: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

79 

 

Figure 4.19 ‐ Graphs of the CNR Code. The first three graphs are obtained by the process described in Figure 4.15 while the bottom right graph comes from the process depicted 

in Figure 4.20. 

The  graph  “CNR‐I”  looks  different  than  the  previous  graphs  (see Figure  4.19);  this might be because  the  formula  is  slightly different and  the  contribution of  the  fibres  is taken  into  account  modifying  the  equation  for  the  shear  strength  of  members  not requiring the design of the shear reinforcement (EC 2, Eq. 6.2.a). 

The  graphs  “CNR‐I”  and  “CNR‐O”  show  fewer  differences  between  themselves compared to the other graphs (“DafStB‐I” vs “DafStB ‐O” and “RILEM‐I” vs “RILEM ‐O”) probably due to the structure of the formula (Eq. 4.22). 

Anyway the articles that give problems standing out of the delineated bundle of lines are  always  the  same;  this  is  comfortable  because  it  means  that  those  articles  for different  reason  (like  the  test  set‐up or because outside  the domain  investigated),  are not suitable for this investigation through the different Codes. 

For  CNR  the  articles  A13,  A14  and  A15 make  an  exception  being  included  for  the calculation of the average equation line (Aaverage). 

Consideration: The dislocation of  the  lines within  the bundle has been  investigated according  to  the  compressive  strength  f’c,  the  a/d  ratio  and  the  longitudinal reinforcement ôKL^≤ but they do not look affected by these quantities except that for the f’c; most of all the lines are placed in descending order of f’c from the bottom to the top especially in the DafStB and RILEM graphs. 

Now  that  the  bundles  are  defined  from  these  it  is  useful  to  get  a  unique  equation named  Aaverage;  it  is  obtained  by  the weighted  average  on  the  number  of  beams  from which every equation come from. 

Page 99: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

80 

 Another investigation that can be developed is the one on the cloud of points. In the 

cloud of points it is less interesting to consider from which article the beams come from. During  this  step  the  criteria  for  deleting  specimens  from  the  cloud  (and  get  new equation from the linear regression on the whole batch of tests) were: 

‐ fres > fres,lim; ‐ fres < 0; ‐ both the aforementioned criteria at the same time. 

The process is schematized in Figure 4.20; from this four formulas are obtained: (1) Equation  B  from  the  whole  cloud  of  points;  (2)  Equation  C  from  the  cloud  of  points without the specimens that have a computed residual flexural strength higher than the limit value (according  to  the different codes);  (3) Equation D  from the cloud of points without  the  specimens  that have  a  computed  residual  flexural  strength  less  than  zero and (4) Equation E  from the cloud of points without  the specimens previously deleted for the Equation C and D. 

 

 

Figure 4.20 ‐ Process followed for the analysis of the cloud of points. 

Now we  have  five  equations,  four  (B,  C,  D  and  E)  plus  one  (A)  from  the weighted average  among  the bundle  of  lines,  for  each of  the  three  alternatives;  their  values  are shown in Table 4.10. 

Page 100: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

81 

Equations A‐E have been drawn in Figure 4.17, Figure 4.18 and Figure 4.19 (bottom right corner) the differences among them are few but not negligible 

Table 4.10 ‐ Equations A, B, C, D and E for the DafStB, RILEM and CNR's Guidelines. 

 

After  the  previous  statements  and  considerations  it  is  clear  that  the  shape  of  the equation  that  will  describe  the  post‐cracking  behaviour  of  a  SFRC  material  will  be  a straight line with three branches as the one drawn in Figure 4.21: 

(a) the first branch is the O‐line that link its point of intersection with the I‐line to the origin; 

(b) the second branch is the I‐line: (c) the  third branch  is  an horizontal  line  that  represents  the upper  limit 

that cannot be overcame. 

 

Figure 4.21 ‐ Ideal shape of the researched equation for the characterization of the post‐cracking behaviour of a SFRC beam. It consist in three branches:(a), (b) and (c). 

With regard to the first branch (a) some further explanations are necessary. It should be built only with the specimens contained in its range of validity (about 0 < RI ≲ 50); one attempt in this way shows that not all the articles contain test in this range and that even the ones that have the tests, give a slope of the  lines almost close to the one that comes  from  the  inverse  analysis  on  the  whole  batch  of  specimens  (that  is  the  one performed, finally). 

m b m b m b

A  I 0,010 0,852 0,045 2,610 0,038 0,795(average lines) O 0,021 0,000 0,078 0,000 0,044 0,000

B I 0,006 1,279 0,029 4,537 0,027 2,194(cloud points) O 0,019 0,000 0,073 0,000 0,048 0,000

C I 0,003 1,026 0,016 3,434 0,023 1,636(<f ct0,u) O 0,014 0,000 0,054 0,000 0,039 0,000D I 0,005 1,393 0,026 4,933 0,025 2,400(>0) O 0,019 0,000 0,074 0,000 0,048 0,000E I 0,004 1,288 0,013 3,795 0,022 1,800

O 0,016 0,000 0,055 0,000 0,039 0,000

DafStB RILEM CNR

'

0 c

'

res c res,limmin ; ;/ /f f m RI m RI b f f

Page 101: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

82 

Multiplying  the  nondimensional  factor  for  the  cylindrical  compressive  strength -′7 the equation varies as shown in Figure 4.22. 

 

Figure 4.22 ‐ Development of the researched equation for the different cylindrical compressive strength -′/ . 

   

' '

0 c cres res,limmin ; ;f m RI f m RI b f f

Page 102: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

83 

The Check 

Before applying the formulas back on Group 3 and Group 1 it is suitable to check the results  and  their  goodness  for  the  only  article  that  presents  the  post‐cracking characterization: A14 (Table 4.11). 

Table 4.11 ‐ Values reported in the article A14 for the characterization of the concrete according to the RILEM Recommendations and evaluation of the value of Vexp/Vtot due to the measured value of -4Å,5. 

 

As it is possible to see in Table 4.12 the values are quite different and the equivalent flexural  strengths  reported  into  the  article  (recognizable  by  the  star  “*”)  are  rather 

beamf eq,3             

MPa

f Rk,4                 

MPa

V*    

kNV exp/V*

f Rk,4< 4 

MPa

V*        

kNV exp/V*

f Rk,4/f 'c    

(%)

1.2/1 0,00 0,00 95,91 1,89 0,00 95,91 1,89 0,001.2/1 0,00 0,00 95,91 1,89 0,00 95,91 1,89 0,001.2/2 1,49 1,30 120,78 1,82 1,30 120,78 1,82 2,661.2/3 3,05 2,65 142,36 1,69 2,65 142,36 1,69 5,851.2/4 4,85 4,22 173,07 1,79 4,00 169,21 1,83 8,432.2/1 0,00 0,00 173,32 2,42 0,00 173,32 2,42 0,002.2/1 0,00 0,00 173,32 2,42 0,00 173,32 2,42 0,002.2/2 1,91 1,66 241,58 2,32 1,66 241,58 2,32 3,892.2/3 5,60 4,87 371,31 1,62 4,00 335,74 1,79 11,652.3/1 0,00 0,00 99,78 1,57 0,00 99,78 1,57 0,002.3/1 0,00 0,00 99,78 1,57 0,00 99,78 1,57 0,002.3/2 1,35 1,17 131,98 1,25 1,17 131,98 1,25 2,832.3/3 4,13 3,59 197,30 1,09 3,59 197,30 1,09 8,952.4/1 0,00 0,00 116,06 2,07 0,00 116,06 2,07 0,002.4/1 0,00 0,00 116,06 2,07 0,00 116,06 2,07 0,002.4/2 1,35 1,17 148,26 1,46 1,17 148,26 1,46 2,832.4/3 4,13 3,59 213,39 1,35 3,59 213,39 1,35 8,952.6/1 0,00 0,00 80,03 1,87 0,00 80,03 1,87 0,002.6/1 0,00 0,00 80,03 1,87 0,00 80,03 1,87 0,002.6/2 1,91 1,66 111,55 1,48 1,66 111,55 1,48 3,892.6/3 5,60 4,87 171,45 1,36 4,00 155,02 1,51 11,653.1/1 5,45 4,74 194,10 0,97 4,00 179,02 1,06 12,12

3.1/1 F2 5,58 4,85 197,34 1,14 4,00 179,96 1,25 12,063.1/2 5,45 4,74 281,85 0,88 4,00 260,27 0,96 12,1220*50 5,58 4,85 285,43 0,95 4,00 260,14 1,05 12,063.1/3 5,45 4,74 343,58 0,77 4,00 316,72 0,84 12,12

3.1/3 F2 5,58 4,85 349,34 1,10 4,00 318,38 1,20 12,068*50 5,58 4,85 340,43 0,99 4,00 308,04 1,10 12,063.2/1 5,45 4,74 349,35 0,82 4,00 318,95 0,90 12,12

10*50 F2 5,58 4,85 355,48 0,75 4,00 320,44 0,83 12,063.2/2 5,45 4,74 369,78 1,21 4,00 336,18 1,33 12,12

15*50 F2 5,58 4,85 376,40 0,73 4,00 337,68 0,82 12,0623*50 F2 5,58 4,85 392,27 1,09 4,00 350,75 1,22 12,063.2/3 5,45 4,74 385,27 1,13 4,00 349,25 1,25 12,123.2/4 5,45 4,74 385,27 1,07 4,00 349,25 1,18 12,12

1,36 1,41

f Rk,4<4 MPa

Average Average

Page 103: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

84 

bigger than the one calculated with the five different formulas (A – E) developed for the RILEM Code. 

Actually  the  reported  values  were  the  equivalent  flexural  tensile  strength  -̂ _,3 (according to the first draft of the RILEM Code) that the authors of the paper tune into the  residual  flexural  tensile  strength  -SG,5  (from  the  last  draft)  with  the  relation -SG,5 = 0.87-̂ _,3. 

Even through this reduction the computed values are too far from the test values and this fact can be attributed to the fact that at the beginning of the back analysis a safety factor for the SFRC beams was imposed equal to the respectively RC beams and almost 

of all of the latter had a safety factor  ºÀà øÕø

= 2. 

It  is worth nothing that  ºÀà ∗ has an average value equal to 1.41 using a  limit  for the 

value of -SG,5 (as imposed by the RILEM Recommendation (2003) -SG,5 < 4) or equal to 1.36 using the value found by the tests (Table 4.11). 

Page 104: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

85 

Table 4.12 ‐ Comparison between the values reported in the article A14 and the values estimated by using the formulas obtained from the back analysis. 

 

At this point it is interesting to try to do almost the same analysis done previously for the other articles but in this case the safety factor Vexp/Vtot it substituted by Vexp/V* that is  not  affected  by  the  one  of  the  formula  for  members  not  requiring  design  shear reinforcement  in  absence  of  fibres.  Plotting  the  point  on  the  graph  (RI,-SG,5/-′7)  and getting  the  linear  regression  the  results  obtained  are  not  satisfactory;  this  because RI ranges between 17 and 50 % and being a limited interval the line has a big slope that for values  of  RI  =  100  %  gives  improbable  high  values  (Figure  4.23).  A  logarithmic regression seems to fit better the behaviour of the  fRk,4 at the increasing ratio index RI. The equation has to be translated on order to satisfy the request of fRk,4 = 0 for RI = 0(at the argument of the natural logarithmic is added the value of RI for which ln(RI) = 0  RI = 9.2). Moreover, looking at the shape of the equation (Figure 4.25,(I)), once that they are multiplied by the cylindrical compressive strength, for f’c = 30 MPa and RI > 50 the limit  value  is  reached  incurring  into  an overestimation of  the  fRk,4;  for  that  reason  the 

f* V f * V e/V* f A f*‐f A V e/V f B f*‐f B V e/V f C f*‐f C V e/V f D f*‐f D V e/V f E f*‐f E V e/V

MPa kN ‐ MPa kN ‐ MPa kN ‐ MPa kN ‐ MPa kN ‐ MPa kN ‐

0,00 0 1,89 0,00 0,00 1,89 0,00 0,00 1,89 0,00 0,00 1,89 0,00 0,00 1,89 0,00 0,00 1,890,00 23 1,82 1,41 ‐0,11 1,79 0,61 0,69 2,02 0,45 0,85 2,08 0,61 0,69 2,02 0,45 0,84 2,081,30 47 1,69 2,44 0,21 1,73 1,13 1,52 2,08 0,84 1,82 2,17 1,14 1,51 2,07 0,84 1,81 2,172,65 70 1,83 3,29 0,71 1,98 1,87 2,13 2,35 1,38 2,62 2,52 1,88 2,12 2,35 1,40 2,60 2,514,22 0 2,42 0,00 0,00 2,42 0,00 0,00 2,42 0,00 0,00 2,42 0,00 0,00 2,42 0,00 0,00 2,420,00 68 2,32 1,21 0,45 2,51 0,52 1,14 2,87 0,39 1,28 2,95 0,53 1,14 2,87 0,39 1,27 2,950,00 163 1,79 2,74 1,26 2,11 1,56 2,44 2,54 1,15 2,85 2,73 1,56 2,44 2,54 1,16 2,84 2,731,66 0 1,57 0,00 0,00 1,57 0,00 0,00 1,57 0,00 0,00 1,57 0,00 0,00 1,57 0,00 0,00 1,574,87 32 1,25 1,18 0,00 1,25 0,51 0,67 1,45 0,38 0,80 1,50 0,51 0,66 1,45 0,38 0,80 1,500,00 99 1,09 2,63 0,97 1,26 1,49 2,10 1,55 1,10 2,49 1,68 1,50 2,09 1,54 1,11 2,48 1,670,00 0 2,07 0,00 0,00 2,07 0,00 0,00 2,07 0,00 0,00 2,07 0,00 0,00 2,07 0,00 0,00 2,071,17 32 1,46 1,18 0,00 1,46 0,51 0,67 1,66 0,38 0,80 1,71 0,51 0,66 1,66 0,38 0,80 1,713,59 99 1,35 2,63 0,97 1,54 1,49 2,10 1,85 1,10 2,49 1,99 1,50 2,09 1,85 1,11 2,48 1,980,00 0 1,87 0,00 0,00 1,87 0,00 0,00 1,87 0,00 0,00 1,87 0,00 0,00 1,87 0,00 0,00 1,870,00 31 1,48 1,21 0,45 1,60 0,52 1,14 1,83 0,39 1,28 1,89 0,53 1,14 1,83 0,39 1,27 1,881,17 75 1,51 2,74 1,26 1,78 1,56 2,44 2,15 1,15 2,85 2,31 1,56 2,44 2,14 1,16 2,84 2,303,59 81 1,06 2,10 1,90 1,35 0,98 3,02 1,61 0,72 3,28 1,68 0,98 3,02 1,61 0,73 3,27 1,680,00 81 1,25 2,17 1,83 1,58 1,00 3,00 1,89 0,74 3,26 1,98 1,01 2,99 1,89 0,75 3,25 1,980,00 116 0,96 2,10 1,90 1,21 0,98 3,02 1,45 0,72 3,28 1,51 0,98 3,02 1,44 0,73 3,27 1,511,66 118 1,05 2,17 1,83 1,32 1,00 3,00 1,59 0,74 3,26 1,66 1,01 2,99 1,58 0,75 3,25 1,664,87 145 0,84 2,10 1,90 1,07 0,98 3,02 1,28 0,72 3,28 1,34 0,98 3,02 1,28 0,73 3,27 1,344,74 145 1,20 2,17 1,83 1,52 1,00 3,00 1,82 0,74 3,26 1,91 1,01 2,99 1,82 0,75 3,25 1,914,85 152 1,10 2,17 1,83 1,42 1,00 3,00 1,74 0,74 3,26 1,83 1,01 2,99 1,74 0,75 3,25 1,834,74 164 0,90 2,10 1,90 1,19 0,98 3,02 1,47 0,72 3,28 1,55 0,98 3,02 1,47 0,73 3,27 1,554,85 164 0,83 2,17 1,83 1,08 1,00 3,00 1,34 0,74 3,26 1,42 1,01 2,99 1,34 0,75 3,25 1,424,74 181 1,33 2,10 1,90 1,78 0,98 3,02 2,24 0,72 3,28 2,38 0,98 3,02 2,24 0,73 3,27 2,374,85 181 0,82 2,17 1,83 1,08 1,00 3,00 1,37 0,74 3,26 1,45 1,01 2,99 1,36 0,75 3,25 1,454,85 194 1,22 2,17 1,83 1,63 1,00 3,00 2,08 0,74 3,26 2,22 1,01 2,99 2,08 0,75 3,25 2,214,74 194 1,25 2,10 1,90 1,70 0,98 3,02 2,16 0,72 3,28 2,30 0,98 3,02 2,16 0,73 3,27 2,304,85 194 1,18 2,10 1,90 1,60 0,98 3,02 2,04 0,72 3,28 2,17 0,98 3,02 2,03 0,73 3,27 2,16

1,41 1,08 1,61 1,97 1,87 2,20 1,96 1,97 1,87 2,19 1,96Average 

Page 105: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

86 

formula  has  been  tuned  imposing  a  coefficient  of  reduction  µ  that  has  an  inverse proportion with the cylindrical compressive strength  f’c. The coefficient of reduction  is chosen  fixing  the  coefficient  of  reduction  for  the  f’c  =  20 MPa  and  f’c  =  90 MPa.  Two different possibilities are investigated: 

‐ µ20 = 0.80 and µ90 = 0.35 (Figure 4.25, (II)). ‐ µ20 = 0.70 and µ90 = 0.35 (Figure 4.25, (III)). 

The formula of the equation is: 

Rk,4 c6.346 ln( 9,2) 14.126

'100

RIf f     (Eq. 4.23) 

Where μ is the coefficient of reduction as imposed (Table 4.13). Its trend is depicted in Figure 4.24 while in Figure 4.25 (II) and (III) can be seen the results of the application of µ. 

 

Figure 4.23 ‐ Analysis and regression on the article A14.  Table 4.13  ‐ Values of  the coefficient of  reduction μ  for  the  logarithmic  formula at  the variation of the cylindrical compressive strength -′/ . 

 

 

f' c  μ II  μ III

0,8 20 0,80 0,70

0,35 25 0,77 0,6830 0,74 0,6535 0,70 0,63

‐0,006428571 40 0,67 0,600,928571429 45 0,64 0,58

50 0,61 0,5555 0,58 0,5360 0,54 0,5070 0,48 0,4580 0,41 0,4090 0,35 0,35

Page 106: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

87 

 

Figure 4.24 –Variation of the coefficient of reduction µ according to the two different alternatives. 

   

Page 107: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

88 

 (I) 

 

(II) 

 

(III) 

 

Figure 4.25 – Different possibilities at the variation of the imposed coefficient of reduction µ. In (I), where there is no reductions, it can be seen that for  f’c > 30 MPa the limit of fRk,4 = 4 MPa is reached already for RI > 50 and this  is not realistic. (II) and (III) have been modelled with two different coefficients of reduction µ in order to obtain a more realistic shape of the graph. 

c

Rk,4 20 90

'min 6.346 ln 9.2 14.126 ; 4 1.0 & 1.0

100

ff RI

c

Rk,4 20 90

'min 6.346 ln 9.2 14.126 ; 4 0.7 & 0.35

100

ff RI

c

Rk,4 20 90

'min 6.346 ln 9.2 14.126 ; 4 0.8 & 0.35

100

ff RI

Page 108: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

89 

As  reported  in  Table  4.14  the  two  equations  are  able  to  decrease  the  difference between the measured values and the estimated ones. The equation with an interval of the coefficient of reduction, that ranges from 0.80 to 0.35, has a better performance with an average value of Vexp/Vtot equal to 1.52 against the value of 1.41 that comes from the data of the article. 

Table 4.14 ‐ Comparison between the values reported in the article A14 and the values estimated by using the formulas obtained from the back analysis performed only on the 

specimens contained in A14.  

 

For the RILEM alternative there are now seven equations, five coming from the back analysis  overall  the  articles  and  the  data  processing  of  the  cloud  of  points  and  two coming from the back analysis of the article A14, only. Comparing the formula, applying them  on  the  specimens  of  article  A14,  the  most  promising  one  is  the  logarithmic equations with µ20 = 0.80 MPa and µ90 = 0.35 MPa but a further step is the comparison over  the  whole  database.  This  is  carried  out  in  the  Section  “The  Choice  of  the  Best Formula”. 

f* V f * V e/V* f II f*‐f II V e/V f III f*‐f III V e/V

MPa kN ‐ MPa kN ‐ MPa kN ‐

0,00 0 1,89 0,00 0,00 1,89 0,00 0,00 1,890,00 23 1,82 1,96 ‐0,67 1,66 1,77 ‐0,48 1,701,30 47 1,69 2,81 ‐0,16 1,65 2,53 0,12 1,712,65 70 1,83 3,60 0,40 1,91 3,26 0,74 1,984,22 0 2,42 0,00 0,00 2,42 0,00 0,00 2,420,00 68 2,32 1,81 ‐0,15 2,26 1,62 0,04 2,330,00 163 1,79 3,26 0,74 1,96 2,92 1,08 2,061,66 0 1,57 0,00 0,00 1,57 0,00 0,00 1,574,87 32 1,25 1,78 ‐0,60 1,11 1,59 ‐0,42 1,150,00 99 1,09 3,18 0,41 1,16 2,84 0,75 1,220,00 0 2,07 0,00 0,00 2,07 0,00 0,00 2,071,17 32 1,46 1,78 ‐0,60 1,31 1,59 ‐0,42 1,353,59 99 1,35 3,18 0,41 1,43 2,84 0,75 1,490,00 0 1,87 0,00 0,00 1,87 0,00 0,00 1,870,00 31 1,48 1,81 ‐0,15 1,44 1,62 0,04 1,491,17 75 1,51 3,26 0,74 1,66 2,92 1,08 1,743,59 81 1,06 2,58 1,42 1,26 2,30 1,70 1,310,00 81 1,25 2,63 1,37 1,48 2,35 1,65 1,540,00 116 0,96 2,58 1,42 1,14 2,30 1,70 1,181,66 118 1,05 2,63 1,37 1,24 2,35 1,65 1,294,87 145 0,84 2,58 1,42 1,00 2,30 1,70 1,044,74 145 1,20 2,63 1,37 1,43 2,35 1,65 1,484,85 152 1,10 2,63 1,37 1,32 2,35 1,65 1,384,74 164 0,90 2,58 1,42 1,10 2,30 1,70 1,154,85 164 0,83 2,63 1,37 1,00 2,35 1,65 1,054,74 181 1,33 2,58 1,42 1,64 2,30 1,70 1,724,85 181 0,82 2,63 1,37 1,00 2,35 1,65 1,054,85 194 1,22 2,63 1,37 1,50 2,35 1,65 1,584,74 194 1,25 2,58 1,42 1,56 2,30 1,70 1,644,85 194 1,18 2,58 1,42 1,47 2,30 1,70 1,54

1,41 0,66 1,52 0,89 1,57Average 

Page 109: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

90 

The Choice of the Best Formula   

For the choice of the best formula among all those obtained it is essential test it on: 

‐ Group 3 (which contains all the articles that do not satisfy the requests and cannot be added in Group 1 and Group 2); 

‐ Group 1 (because also some tests contained in this articles have not been included in the back analysis); 

‐ the whole data base. 

With  a  first  glance  it  is  possible  to  individuate  the  articles  for which  the  formulas found are not suitable (for the DafStB those specimens that has Vexp/Vtot higher than 3.0 and lower than 0.8 are considered not suitable while, for RILEM and CNR; the ones with Vexp/Vtot  higher  than  2.5  and  lower  than  0.66).  This  diversification  on  the  Vexp/Vtot  is done  taking  into  account  the  security  coefficient  that  should  be  applied  in  the  design stage, equal to 1.25 for DafStB and to 1.5 for RILEM and CNR. Picking out these article it is feasible to decrease the average value of Vexp/Vtot and its standard deviation as well as putting the finishing touches to the domain of application of the formulas. 

Before  to  get  any  statistical  analysis  these  articles  have  to  be  deleted  from  the database; the articles are: 

‐ A02 due to the presence of stirrups on half of the span; ‐ A13  gives  too  high  safety  factor  owing  to  its  a/d  ratio  equal  to  2.5  and 

perhaps  because  the  pre‐stressed  reinforcement  has  much  more importance than the flexural one. 

‐ A14  has  only  two  tests  that  do  not  perform well  with  the  formula;  this because they have a a/d ratio equal to 1.54. 

‐ A20 confirms that the addition of fibres can improve shear strength even in deep beam but when the a/d ratio is reduced to value minor than 1.60 the formulas do not work anymore. 

‐ A24 does not  fit  the  formulas mainly  for  three  specimens  that has  a a/d ratio that ranges from 1.20 to 1.80 moreover it is worth noting that those beams have a percentage of fibre Vf equal to 1.76. 

‐ A27  shows  a  diffuse  trend  to  minimize  the  shear  strength  that  reactive powder concrete can carry obtaining value of Vexp/Vtot always higher than 2.3;  the  compressive  strength  around  150‐170  MPa,  more  than  the presence of pre‐compression, could be the reason of the under‐estimation of the residual flexural tensile strength.  

The CNR alternative, might due  to  its  structure,  seems  to  fit more  articles without giving value of Vexp/Vtot too high and so the only articles that give problems are A02, A20 and A24. 

Looking  at  DafStB,  Table  4.15,  it  is  possible  to  see  that  the  equation  that  better perform the value of Vexp/Vtot  is Equation A with an average value of Vexp/Vtot  equal  to 1.95 and a standard deviation equal to 0.59. Equation A is the equation obtained, in the previous section “The Back Analysis”, as the weight average of all the parameters of the lines found on the suitable articles (Group 1). The equation is drawn in Figure 4.26. 

Page 110: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

91 

Table 4.15 ‐ Comparison of the average values of the safety factor Vexp/Vtot and its standard deviations among the five possible equations for the DafStB alternative. 

  

 

Figure 4.26 – Equation of the DafStB alternative for the different cylindrical compressive strength. f’c. 

In Table 4.16, for the RILEM alternative, it can be seen that the equation that better perform the value of Vexp/Vtot is Equation (II) with an average value of Vexp/Vtot equal to 1.451 and a standard deviation equal to 0.45. Equation (II)  is the equation obtained in the previous section “The Check” (at page 83) that has a logarithmic shape translated in the origin and tuned with a coefficient of reduction µ that change linearly from 0.80 to 0.35  for  the  cylindrical  compressive  strength  equal  to  20  and  90,  respectively.  Figure 4.27 shows the plot of the selected equation. 

Table 4.16 ‐ Comparison of the average value of the safety factor Vexp/Vtot and its standard deviation among the seven possible equations for the RILEM alternative. 

  

Eq. A Eq. B Eq. C Eq. D Eq. E

average value 1,95 1,98 2,10 1,98 2,04standard deviation 0,59 0,60 0,63 0,60 0,62average value 1,92 1,95 2,08 1,95 2,01

standard deviation 0,58 0,59 0,63 0,59 0,61average value 2,06 2,09 2,20 2,09 2,15

standard deviation 0,56 0,57 0,58 0,57 0,58

Whole database

Group 1

Group 3

DafStB

Eq. A Eq. B Eq. C Eq. D Eq. E Eq. (II) Eq. (III)

average value 1,38 1,65 1,76 1,65 1,76 1,40 1,43standard deviation 0,44 0,49 0,52 0,49 0,52 0,42 0,43average value 1,34 1,63 1,75 1,63 1,75 1,39 1,43

standard deviation 0,41 0,48 0,52 0,48 0,52 0,39 0,40average value 1,48 1,73 1,83 1,73 1,83 1,45 1,49

standard deviation 0,45 0,48 0,49 0,48 0,49 0,45 0,45

Whole database

RILEM

Group 1

Group 3

' '

DafStB 0 c c res,limmin ; ;f m RI f m RI b f f

Page 111: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

92 

 

Figure 4.27 ‐ Equation of the RILEM alternative for the different cylindrical compressive strength. f’c. 

For CNR alternative,  as  shown  in Table 4.17  ,  the equation  that better perform  the value  of Vexp/Vtot  is  Equation D with  an  average  value  of Vexp/Vtot  equal  to  1.49  and  a standard deviation  equal  to 0.45. Equation D  is  the  equation obtained  in  the previous section “The Back Analysis”; this, as the DafStB one, is a three branches line defined from the cloud of points deleting those tests that have fFtuk <0 (see Figure 4.20). The equation is depicted in Figure 4.28. 

Table 4.17 ‐ Comparison of the average values of the safety factor Vexp/Vtot and its standard deviations among the five possible equations for the CNR alternative. 

  

Eq. A Eq. B Eq. C Eq. D Eq. E

average value 1,52 1,50 1,57 1,49 1,56standard deviation 0,46 0,45 0,47 0,45 0,46average value 1,50 1,48 1,56 1,48 1,55

standard deviation 0,51 0,49 0,52 0,49 0,52average value 1,60 1,58 1,64 1,57 1,64

standard deviation 0,43 0,43 0,44 0,43 0,44Group 3

CNR

Whole database

Group 1

c

Rk,4 20 90

'min 6.346 ln 9.2 14.126 ; 4 0.7 & 0.35

100

ff RI

Page 112: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

93 

 

Figure 4.28 ‐ Equation of the CNR alternative for the different cylindrical compressive strength. f’c. 

Now that the formulas for the determination of the DafStB, the RILEM and the CNR parameters have been chosen the comparison between the test data from literature and the theoretical formulas of Chapter 3 can be carried out. 

For  completing  this  analysis  it  is here  finally reported  the value of Vexp/Vtot  for  the Narayanan and Darwish’s alternative; the performance of the formula on the database, excluding the pre‐stressed beams, gives and average value of Vexp/Vtot equal to 1.58 with a standard deviation equal to 0.60.    

res,lim

' '

CNR 0 c cmin ; ; ff m RI f m RI b f

Page 113: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

94 

4.5 Comparison between the Test Data from 

Literature and the Theoretical Formulas of 

Chapter 3 

Is it good to make here a precise resume of the equations that will be used to develop the comparison between the test data and the calculated ones. 

‐ Alternative I: Narayanan & Darwish (1987)(Section 3.1) 

±F≥F = –— ∙ ”!Ö-c8K7 + ‘Öô∏’÷ + 0.41◊(ÿ gŸ∞  

‐ Alternative II: DafStB (2011) (Section 3.2)   

±F≥F =0.15⁄7FK

∙ V ∙ ¤(100ô-7G)`/3 + 0.15678‹gŸ∞ +›7K ∙ -7FS,TK ∙ gŸℎ 

⁄7FK 

where    

-7FS,TK = fimin fl0.0186 ∙ ¥µ; 0.0097 ∙ ¥µ + 0.8516;1.15 ∙ 100

-7Ö·‚ ∙

-7Ö

100 

‐ Alternative III: RILEM (2003) (Section 3.3) 

±F≥F = „H.`‰Âæ

∙ V ∙ ¤(100ô-7G)`/3 + 0.15678‹ + 0.12VKV`-SG,5Ê gŸ∞  

where 

-SG,5 = –min ”[6.346 ∙ ln(¥µ + 9.2) − 14.126] ∫æÁ

`HH∙ Ë; 4÷ÿ  

‐ Alternative IV: CNR (2010) (Section 3.4) 

±F≥F = ÈH.`‰Âæ

∙ V ∙ fi100ô ”1 + 7.5 ∫ƒø¡¬∫æø¬

÷ -7G ‚`/3

+ 0.15678Í gŸ∞  

where 

-[FTG = –min ”0.0484 ∙ ¥µ; 0.0252 ∙ ¥µ + 2.3997; Î∙`HH∫æÁ÷ÿ ∙ ∫æ

Á

`HH  

Narayanan and Darwish’s formula can be applied only on the articles that contain RC or SFRC beams but it is not designed for elements that have pre‐compression. The same authors proposed another formula for pre‐stressed SFRC beams. 

Since  they contain pre‐tension  forces,  the articles A01, A13, A26, A27 and A28 are not investigated for this option. 

Narayanan  and  Darwish’s  equation  on  the  database  herein  studied  present  an average value of the Vexp/Vtot equal to 1.53 and a standard deviation of 0.60.     

Page 114: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

95 

4.5.1 Effect of a/d  Ratio 

 

Figure 4.29 ‐ Graphs of the four alternatives at the variation of the parameter: a/d. 

As depicted in Figure 4.29 the Narayanan and Darwish’s alternative shows a sensible increasing of  the Vexp/Vtot  for higher value of  the a/d  ratio. DafStB, RILEM and CNR do not show any influence of this parameter. 

From these graphs it is possible to figure out how the four different formulas spread the Vexp/Vtot  factor along the vertical axis; Narayanan and Darwish’s formula is the one that  reaches  the  lowest  values;  DafStB  is  the  alternative  that  has  the  larger  range  of Vexp/Vtot and that reaches the highest value of Vexp/Vtot; RILEM one has a quite compact distribution of the Vexp/Vtot values but a lot of tests fall below the line Vexp/Vtot =1; finally CNR alternative has the most of the tests with Vexp/Vtot between 1 and 2, with the highest value close to 3 and few specimens with Vexp/Vtot smaller than 1. 

It is worth noting that all the values herein reported have been developed with all the safety factor γ = 1 and that, differently than the other ones, DafStB in the design should have 1.25 instead of 1.50. Thinking to be on the design stage, the Vexp/Vtot ranges should be almost equalized among the DafStB, the RILEM and the CNR alternatives. 

Page 115: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

96 

4.5.2 Effect of the Maximum Aggregate Size 

 

Figure 4.30 ‐ Graphs of the four alternatives at the variation of the parameter: maximum aggregate size [mm]. 

Many  articles  of  the  database miss  the  information  about  the maximum  aggregate size used into the concrete mix. These cannot be included in this analysis. 

Narayanan and Darwish’s graph shows a scatter diminution of the Vexp/Vtot values for higher values of the maximum aggregate size. 

DafStB, RILEM and CNR graphs do not show any trend.    

Page 116: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

97 

4.5.3 Effect of Fibres Percentage 

 

Figure 4.31 ‐ Graphs of the four alternatives at the variation of the parameter: fibres percentage [%]. 

The Vexp/Vtot ratio seems to decrease at the increasing of the fibres percentage. This  trend  is more visible  in  the Narayanan and Darwish’s graph  than  in  the other 

three. Moreover it can be noted that the DafStB, the RILEM as well as the CNR alternative for the tests that have the values of Vf equal to 1.00‐1.50‐2.00‐2.50 show a decrease of the correspondent value of Vexp/Vtot, too. The points standing between Vf =0 and Vf =1.00 look more untidy but always with a feeling of descending trend; this range (Vf = 0‐1.00) is the one mostly investigated.    

Page 117: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

98 

4.5.4 Effect of Longitudinal Reinforcement 

 

Figure 4.32 ‐ Graphs of the four alternatives at the variation of the parameter: flexural reinforcement ρflex[%]. 

From  the  graphs  depicted  in  Figure  4.32  no  trend  can  be  drawn  except  that  for Narayanan and Darwish’s.  It has a  light growing trend at  the  increasing of  the  flexural reinforcement.    

Page 118: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

99 

4.5.5 Effect of the Cylindrical Compressive 

Strength 

 

Figure 4.33 ‐ Graphs of the four alternatives at the variation of the parameter: cylindrical compressive strength [MPa]. 

Also from the Figure 4.33 no trend can be drawn. It can be seen that among 30 articles the most investigated concrete is the one with a 

cylindrical compressive strength that ranges between 30 MPa and 60 MPa. Among these tests  it  is possible to note how much the value of Vexp/Vtot can vary and how the shear behaviour is influenced for sure by other parameters.    

Page 119: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

100 

4.5.6 Effect of the RI  and the Fibre Factor F 

 

Figure 4.34 ‐ Graphs of the four alternatives at the variation of the parameter: ratio index RI [%]. 

All the four graphs reported in Figure 4.34 show a dependence on the ratio index RI. The  trend  is  a  decrease  of  the Vexp/Vtot  ratio  at  the  increase  of RI. Narayanan  and 

Darwish’s graph shows a more sharp influence of this effect. For the other three graphs it may be just an optical effect due to the concentration of the tests in the left part of the graphs. 

The graphs look different than the ones drawn in Figure 4.31 because the ratio index includes also  the aspect  ratio of  the  fibres giving a more disperse cloud of points. The most common RI ranges from 30 % to 80 %. 

In  Figure  4.34  and  Figure  4.31  check  the  behaviour  of  the  formula  in  absence  of fibres. In fact for ±∫ = 0 or ¥µ = 0 the values of the RC beams are reported along the y axis. 

It  is worth  noting  that  the Narayanan  and Darwish’s  formula  contains  in  itself  the 

fibre factor  f f/F L D d  that it is the ratio index RI but multiplied for the term 

fd

that is the bond factor that accounts for different bond characteristics of the fibre (with values  from 0.50  to  1.00).  Fantilli  et  al.  (2008)  demonstrated  how  the  different  bond characteristics  of  the  fibre  act  only when  the  fibres  are  perfectly  orthogonal  to  crack surfaces;  otherwise,  in  the  case  of  fibres  randomly  inclined  with  respect  to  crack surfaces,  the  effect  of  the  kind  of  the  end  of  the  fibre  is  replaced  by  the  so‐called frictional snubbing effect.  

Page 120: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

101 

In  addition,  since Vexp/Vtot  decreases with  increasing RI,  Narayanan  and  Darwish’s formula seems to exaggerate the RI influence. 

This  is why in this thesis the ratio index RI has been considered more reliable than the fibre factor F. 

 

Figure 4.35 ‐ Graphs of the four alternatives at the variation of the parameter: ratio index F. 

However,  since  the  fibre  factor  F  is  directly  included  into  the  Narayanan  and Darwish’s formula,  it  is also interesting see the trend at the variation of F. Even in this case,  as  depicted  in  Figure  4.35,  Narayanan  and  Darwish’s  formula  has  a  marked decreasing trend when the value of F increases while the other three alternatives keep always the same steady trend.    

Page 121: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

102 

4.5.7 Effect of the Effective Depth d 

 

Figure 4.36 ‐ Graphs of the four alternatives at the variation of the parameter: effective depth d [mm]. 

No trend can be drawn from the graphs in Figure 4.36. It  is worth noting that  the majority of  the tests have an effective depth that ranges 

from 80 mm up to 250 mm.    

Page 122: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

103 

Get  dependences  and  relations  from  the  plotting  of  these  graphs  is  hard  and complicated. 

Anyway, some differences among the four formulas can be understood: 

‐ Narayanan  and  Darwish’s  formula  looks  to  be  more  affected  by  the variation  of  the  parameters  investigated;  in  fact  it  shows  a  slightly dependence  on  the  flexural  reinforcement  ρflex,  on  the  a/d  ratio,  on  the maximum aggregate size, on the Vf and the ratio index RI. 

‐ On  the  contrary  the  other  three  alternatives  are  less  affected  by  the variation of the investigated parameters and this is a good quality because it  means  that  the  formula  used  is  already  able  to  catch  the  parameters variation within itself. 

‐ DafStB, RILEM and CNR alternatives in many graphs seem to have almost the  same  dislocation  of  the  points  but  only  tuned  by  a  scale  factor; moreover they show a more uniform values of Vexp/Vtot at the variation of the parameters investigated. 

‐ Since the literature is  full of articles that show a good agreement of their proposed formula (performed on the same batch of specimens they come from) it is worth highlighting that the herein proposed formulas have the same values of Vexp/Vtot both for the data they come from (Group 1) as well as the Group 3, that was not utilized during the back analysis. 

Make  a  clear  decision  in  the  next  chapter  will  not  be  feasible  because  all  the calculations have been performed with approximation related to the purposed formula for the missing values. 

On top of that the Narayanan and Darwish’s formula is completely different than the other three because it does not take care of the post‐cracking behaviour of the concrete while the other three alternatives are related to it. 

 

Page 123: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement
Page 124: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

105 

 Chapter 5

 

Conclusion and Future 

Perspectives  

5.1 Discussion of the Results 

Nowadays, fibre reinforced concrete is in its fourth decade of development and it has established itself as one of the major building material; nevertheless, compared with its high  performances,  it  is  still  not  widely  used.  One  of  its  greatest  qualities  is  the improvement in shear capacity and the possibility of the substitution of the transversal reinforcement,  earning,  in  this  way,  in  terms  of  saving  labour  time  and  increasing durability of the structures. 

In  1987  Narayanan  and  Darwish,  after  their  studies,  proposed  a  formula  for  the evaluation of  the  shear  strength of  SFRC beam (Section 3.1)  that  it  is  still  competitive when compared with the most modern formulas ‐ like DafStB (2011), RILEM (2003) and CNR (2010). 

This work  is  focused on how the Narayanan and Darwish’s  formula still gives good results, even if it is a semi‐empirical formula, when compared with other formulas that are based on the post‐cracking characterization of the SFR concrete. 

Notwithstanding  the  effort  done  by  the  standardization  bodies  like  DafStB,  RILEM and CNR,  two problems still  influence the research  in this  field. Firstly,  the majority of the researchers and designers are used to Narayanan and Darwish’s formula for which all the data are easily available. Secondly the scientific community has not yet produced such  a  number  of  tests  that  it  permits  a  direct  comparison  between  empirical formulation and codes based on the post‐cracking characterization of the concrete. 

The  two  problems  are  closely  related  since  the  Narayanan  and  Darwish’s  formula gives, with  less  efforts,  an  average  value of Vexp/Vtot  not  too  far  from  the one  that  has 

Page 125: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

106 

been  found  for  the  other  three  alternatives;  this  fact  did  not  encourage  the  scientific community to deeply investigate the others formulas. 

The  second  problem  has  been  bypassed,  in  this  thesis,  using  a  back  analysis  for estimating the residual flexural tensile strength that was missed in all the articles except one. The results of this back analysis show a good agreement with the tests reported in the database; anyway the formulas that have been found are only a palliative to estimate the  residual  flexural  tensile  strength  in  case  of  absence  of  the  characterization  of  the material  according  to one of  the  standards available  in  literature,  it  is worth  to  stress that these formulas are not a design instruments but just a tool here developed to have the possibility to compare the four alternatives. 

It  is  supposed  that  the  major  factor  contributing  to  the  differences  and  variation between the estimated and the measured residual flexural tensile strength is related to the assumption done at the beginning of Section 4.4 about the safety factor Vexp/Vtot. 

In particular it has been assumed that the SFRC beams should have the same Vexp/Vtot as  the  RC  beams  without  fibres  almost  always  tested  as  a  comparison  by  the researchers.  It  is  well  known  that  the  formula  for  the  shear  strength  of member  not requiring shear reinforcement has a different background than the part added in almost all of the “new generation” formulas for keeping into account the fibre effect. This aspect could probably lead to higher value of Vexp/Vtot. 

Article A14 , that is the only one that reports both the post‐cracking characterization and  the  shear  tests,  shows  the  real  potential  of  those  formulas  that  use  the  residual flexural tensile strength to evaluate the shear capacity. 

5.2 Proposal of the Best Alternative. 

With  the  inverse  analysis  it  has  been  possible  to  determine  a  three  linear relationship between the fibre ratio index RI and the relative residual strength fres/f’c for the DafStB alternative and the CNR alternative while for the RILEM alternative there has been  found  a  logarithmic  relationship  with  an  upper  limit  that    is  depicted  as  an horizontal branch. The average value of Vexp/Vtot  for  the  four  formulas are reported  in Table 5.1. 

Table 5.1 – Average values and standard deviations of Vexp/Vtot for the four alternatives 

  N&D  DafStB  RILEM  CNR 

Average value of Vexp/Vtot  1.58  1.95  1.40  1.49 

Standard deviation of Vexp/Vtot  0.60  0.59  0.42  0.45 

 Since the comparison is affected by the  inverse analysis  it  is difficult to state which 

formula that is the best. However, further observations can be done analysing the graphs performed in Section 4.5: 

‐ The Narayanan and Darwish’s formula, in most of these graphs, shows the aptitude to change the range of Vexp/Vtot at the variation of the investigated parameter.  The  other  three  alternatives  do  not  show  the  same  aptitude. 

Page 126: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

107 

This is a drawback of the Narayanan and Darwish’s formula that is not able to  keep  almost  a  constant  range  of  the  safety  factor  Vexp/Vtot  when  the variables  change;  moreover,  Narayanan  and  Darwish’s  formula  has  not been designed for beam with pre‐stressing forces. 

‐ RILEM and DafStB alternatives have a similar behaviour probably due  to the structure of their formulas that add the fibre contribute as a separate addendum.  RILEM  has  the  lowest  value  of  the  average  of  Vexp/Vtot  and standard deviation among the four investigated equations; the two values are  1.40  and  0.42  respectively.  DafStB,  on  the  opposite,  has  the  highest values of these parameters (see Table 5.1). 

‐ CNR alternative has the most compact range of Vexp/Vtot (between 1 and 2) but an average value of Vexp/Vtot (among the database) slightly higher than the  RILEM  one;  the  average  value  of  Vexp/Vtot  is  equal  to  1.49  with  a standard deviation equal to 0.45. 

In conclusion the advantages of the Narayanan and Darwish’s formula are that they do not require any sophisticated testing equipment because it is enough to consider the measurement of  the concrete compressive strength. Moreover, even  if  it does not  take care of the post‐cracking behaviour of the material neither its toughness, it has shown a good average value of Vexp/Vtot (1.58 with a standard deviation equal to 0.60). 

However,  it  seems  that  the  RILEM  and  CNR  alternatives  have  a  high  potential  to describe  and  estimate  the  shear  capacity  of  SFRC  beam;  especially  because  they  are based on the same fundamentals as the design of normal reinforced concrete. This belief is also supported by the analysis carried out in Section 4.4, where the average value of Vexp/Vtot (that comes from the measured values of the residual flexural tensile strength) is  equal  to 1.41.  In addition,  since different mixes  can have  the  same residual  flexural tensile strength, the advantage of determining it is that this quantity can be viewed as an intrinsic material property although  it also  (besides  the concrete mix) depends on  the specimen size, fibre percentage and kind of fibres; moreover, once that the material has been  chosen  and  the mechanism  behind  the  shear  behaviour  has  been  identified,  the design optimization to achieve the desired shear strength performance of the beam can be  realized  by  optimizing  only  the  geometry.  This  is  what  already  happens when we work with concrete with guaranteed performance. The designer should not think about the materials that have to be included in the mix but he must indicate the material (and its compressive strength) that he used in the design phase. 

Another advantage is that they can include the pre‐stressing force when it is present. Since  the RILEM Recommendation  set  up  the  limit  of  50/60 MPa  for  the  compressive strength  of  the  concrete  for which  its  formulation  is  still  valid  (as well  as  the  DafStB alternative  does),  the  CNR  covers  a  larger  domain  of  concrete  because  it  does  not establish any limit; among the three “new generation” formulas CNR alternative seems to be the most reliable. 

Page 127: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

108 

5.3 Future Perspectives 

Although  the  research  literature  on  Steel  Fibre  Reinforced  Concrete  (SFRC)  is extensive, there is still need of further studies especially for those codes that require the post‐cracking  characterization  of  the  concrete.  In  fact,  as  aforementioned,  there  is  a strong need of increasing the number of tests that, as article A14 does, report the post‐cracking properties. These tests could be used to carry out a more precise comparison of the formulas for the evaluation of the shear capacity.  

In any case, there is still room for further improvements regarding design rules and the main challenges is to try to get a unique test set up that can be included in EC 2.  

If all  the needs will be  satisfied and a unique  formula will be recognized by all  the research community and  the normative bodies,  it will be possible  to  cover  the  lack of Eurocode  2  about  the  determination  of  the  shear  capacity  of  steel  fibre  reinforced concrete elements. 

Regarding this thesis, the future works that can be developed are: 

‐ Check  the  validity  of  the  suggested  approach  for  the  evaluation  of  the residual flexural tensile strength on a wider population of beams that have their own characterization (according to Section 4.3.1); 

‐ Develop a design software and tools that practising engineer can use. ‐ Provide  further  developments  towards  standardization  of  the  methods 

DafStB, RILEM and CNR  in order that  they can be used  indifferently, as a natural step to determine material properties. 

‐ Investigate  high‐strength  fibre  reinforced  concrete  beams  subjected  to shear.  Since  high‐strength  concrete  is  a  brittle  material  the  addition  of fibre is a good compromise between strength and ductility that is worth to be further analyzed. 

‐ Extend  the  field  of  investigation/validity  for  the  phenomenon  of  the punching in slab that, as pointed out by De Hanai et al. in the papers here contained  in  Appendix  B  [A16]  and  by  the  DafStB  Guideline  too,  can  be represented by the same strength mechanisms as the shear in beams. 

Future  studies  should  approach  the  recent  Model  Code  2010,  too;  it  seems  to  be successful on the harmonization of different ideas about the design procedure for shear and punching in RC as well as SFRC.  

Page 128: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

109 

References 

ACI 116 (2000): Cement and Concrete Terminology. ACI Committee 116, Report 116R‐00, American Concrete Institute, Detroit, USA. 

ACI  544  (1996):  State‐of‐the‐Art  Report  on  Fiber  Reinforced  Concrete.  ACI  Committee 544, Report 544.1R‐96, American Concrete Institute, Detroit, USA. 

Amlan,  K.  S.  &  Devdas,  M.  (2011):  Analysis  for  Shear.  [Online]  Available  at: http://ddenptel.thapar.edu/courses/Webcourse‐contents/IIT‐MADRAS/Pre_Stre_Conc_Stru/pdfs/ [Accessed on 15 June 2011] 

ASTM C1018‐97: Standard Test Method for Flexural Toughness and First‐Crack Strength of  Fiber‐Reinforced  Concrete  (Using  Beam  With  Third‐Point  Loading)  (Withdrawn 2006). ASTM International, West Conshohocken, Pennsylvania, USA, 1997.  

ASTM  C1609‐  C1609M‐10:  Standard  Test  Method  for  Flexural  Performance  of  Fiber‐Reinforced  Concrete  (Using  Beam  With  Third‐Point  Loading).  ASTM  International, West Conshohocken, Pennsylvania, USA, 2005. 

Balaguru,  P.  N.  &  Shah,  S.P.  (1992): Fiber‐Reinforced  Cement  Composites. McGraw Hill, New York, USA, pp. 350. 

Banthia,  N.  (2008):  Fiber  Reinforced  Concreye  [Online]  Available  at: http://www.watancon.com/technical.htm [Accessed on 25 March 2011]. 

Bentur,  A.,  &  Mindess,  S.    (1990):  Fibre  Reinforced  Cementitious  Composites.  Elsevier Science Publ. Ltd. London, England, UK. 

Brencich, A. (1992): "Le Origini del Cemento Armato: una breve rassegna storica" ‐ DISEG Dipartimento  di  Ingegneria  Strutturale  e  Geotecnica  ‐  Università  degli  Studi  di Genova. (In Italian) 

CEN  (2004):  EN  1992‐1‐1:2004  Eurocode  2:  Design  of  Concrete  Structures  ‐  Part  1‐1: General Rules and Rules for Buildings. Brussels, Belgium, 2004. 

CEN  (2006):  EN  14889‐1:2006  Fibres  for  Concrete  ‐  Part  1:  Steel  Fibres  ‐  Definitions, Specifications and Conformity. Brussels, Belgium. 

CNR  (2006):  Guide  for  the  Design  and  Construction  of  Fiber‐Reinforced  Concrete Structures ‐ CNR DT 204/2006. Rome, Italy, November 2007. 

CNR (2011): About CNR [Online] Available at: http://www.cnr.it/sitocnr.html [Accessed on 5 May 2011]. 

Page 129: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

110 

DAfStb  (2011a):  the  German  Committee  for  Structural  Concrete  [Online]  Available  at: http://www.dafstb.de/ [Accessed on 4 May 2011]. 

DAfStb  guidelines  (2011):  DAfStb‐Richtlinie  Stahlfaserbeton.  Deutscher  Ausschuss  für Stahlbeton ‐ DAfStb, Berlin, German. (In German) 

DBV  (2001):  Deutscher  Beton‐  und  Bautechnik‐Verein  E.V.  DBV.  Merkblatt Stahlfaserbeton, Fassung Oktober, Berlin, German. (In German) 

Di  Prisco,  M.  (2007):  Fibre‐Reinforced  Concrete  for  Strong,  Durable  and  Cost‐Saving Structures and Infrastructures. Starrylink Edition, Italy, 170 pp. 

Døssland,  Å.L.  (2008):  Fibre  Reinforcement  in  Load  Carrying  Concrete  Structures. Doctoral  Thesis,  Norwegian  University  of  Science  and  Technology,  Trondheim, Norway. 

EUROCODE  2  (1993):  Design  of  Concrete  Structures.  European  Committee  for Standardization UNI‐ENV 1992‐1‐2, Brussels, Belgium. 

EUROCODE  2  (2001):  Design  of  Concrete  structures.  European  Committee  for Standardization UNI‐ENV 1992‐1‐2, Brussels, Belgium. 

Fantilli, A.P., Mihashi, H. & Vallini, P.    (2007): Effect of Bond‐Slip on  the Crack Bridging Capacity  of  Steel  Fibers  in  Cement‐Based  Composites. ASCE  Journal  of  Materials  in Civil Engineering, Vol. 20, No. 9, September 2008, pp. 588‐598. 

Fib  Bulletin  55  (2010):  Model  Code  2010,  First  complete  draft,  Volume  1.  Draft  model code, Lausanne, Swiss, pp. 318. 

Fib Bulletin 57 (2010): Shear and Punching Shear in RC and FRC elements. Workshop 15‐16 October 2010, Salò (Italy). 

Giaccio,  G.,  &  Zerbino,  R.  (1998):  Combined  Effects  of  Coarse  Aggregates  and  Strength Level. Advanced Cement Based Materials, Volume 7, No. 2, pp. 41‐48. 

He, M.Y. & Hutchinson,  J.W. (1989): Crack Deflection at an Interface between Dissimilar Elastic Materials. Journal of Solids Structures, Volume 25, No. 9, pp. 1053‐1067. 

IB39  (2009):  Fibre  Reinforced  Concrete.  Information  Bulletin  of  Cement  &  Concrete Association of New Zealand, Wellington, New Zealand, December 2009, 18 pp. 

JCI  (2007):  JCI‐S‐003‐2007. Method of  Test  for Bending Moment–Curvature  Curve  of Fibre‐Reinforced  Cementitious  Composites.  [Online]  Available  at:  http://www.jci‐net.or.jp/e/guideline/index.html [Accessed on 25 March 2011]. 

Kani,  G.N.J.  (1964):  The  Riddle  of  the  Shear  Failure  and  its  Solution.  ACI  Journal, Volume 61, No. 4, pp. 441‐465. 

Lawer,  J.S., Wilhelm, T.,  Zampini, D. & Shah,  S.P.  (2003): Fracture Process  of Hybrid Fiber‐Reinforced Mortar. Materials and Structures, Volume 36, No. 3, pp. 197‐208. 

Li,  V.  C.  (2002):  Large  Volume,  High‐Performance  Applications  of  Fibers  in  Civil Engineering.  Journal  of  Applied  Polymer  Science,  Volume  83,  No.  3,  University  of Michigan, Ann Arbor, Michigan, pp. 660–686. 

Page 130: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

111 

Loehnert,  S.  &  Belytschko,  T.  (2007):  Crack  Shielding  and  Amplification  due  to Multiple  Microcracks  Interacting  with  a  Macrocrack.  International  Journal  of  the Fracture, Volume 145, No. 1, pp. 1‐8. 

Löfgren,  I.  (2008): Fibre‐Reinforced Concrete  for  Industrial Construction  ‐ A Fracture Mechanics  Approach  to  Material  Testing  and  Structural  Analysis.  Doctoral  Thesis, Chalmers University of Technology, Department of Civil and Environmental Engineering, Structural Engineering, Göteborg, Sweden. 

Minelli,  F  (2005):  Plain  and  Fiber  Reinforced  Concrete  Beams  under  Shear  Loading: Structural Behaviour and Design Aspects. Doctoral Thesis, University of Brescia, Brescia, Italy, 429 pp. 

Narayanan, R. & Darwish, I.Y.S. (1987): Use of Steel Fibers as Shear Reinforcement. ACI Structural Journal, Volume 84, No. 3, Detroit, USA, pp. 216‐227. 

Narayanan, R., & Darwish, I.Y.S. (1988): Shear in Mortar Beams Containing Fibres and Fly Ash. Journal Structural Engineering ASCE. Volume 114, No. 1, pp. 84‐102. 

Nelson, P.K., Li, V.C. & Kamada, T. (2002): Fracture Toughness of Microfiber Reinforced Cement Composites. Journals of Materials in Civil Engineering, Volume 14, No. 5, pp. 384‐391. 

PCA  (1994): Concrete Technology Today: High‐Strength Concrete.  Portland Concrete Association. Skokie, Illinois, USA, Volume 15, No. 1, pp. 8. 

RILEM  (2000):  Test  and  Design  Methods  for  Steel  Fibre  Reinforced  Concrete:  σ‐ε Design Method, (Chairlady L. Vadewalle). Materials and Structures, Volume 33, No. 226, pp. 75‐81. 

RILEM  (2002): Bending Test  ‐  Final  Recommendation.  RILEM TC  162‐TDF:  Test  and Design Methods for Steel Fibre Reinforced Concrete. Materials and Structures/Matériaux et Constructions, Volume 35, No. 253, pp. 579‐582. 

RILEM  (2003b): σ‐ε‐Design Method  ‐  Final Recommedation. RILEM TC 162‐TDF:Test and  design  methods  for  steel  fibre  reinforced  concrete.  Materials  and Structures/Matériaux et Constructions, Volume 36, No. 262, pp. 560‐567. 

RILEM  (2011):  About  Rilem  [Online]  Available  at: http://www.rilem.net/gene/main.php?base=500178 [Accessed on 4 May 2011]. 

RILEM  TC  162‐TDF  (2002):  Test  and  Design  Methods  for  Steel  Fibre  Reinforced Concrete ‐ Design of Steel Fibre Reinforced Concrete Using the σ‐w Method: Principles and Application. Materials and Structures/Matériaux et Constructions, Volume 35, No. 249, pp. 262‐267. 

Rilem  TC  162‐TDF  (2003):  Test  and  Design  Methods  for  Steel  Fibre  Reinforced Concrete:  Background  and  Experiences.  Proceedings  of  the  RILEM  TC  162‐TDF Workshop,  eds.  B.  Schnütgen  and  L.  Vandewalle.  PRO 31,  RILEM  Publications  S.A.R.L., Bagneaux. 

Romualdi,  J.P  &  Batson,  G.B.  (1963):  Mechanics  of  Crack  Arrest  in  Concrete. Proceeding,  American  Society  of  Civil  Engineering,  Journal,  Engineering  Mechanics Division, Volume 89, EM3, pp. 147‐168. 

Page 131: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

112 

Romualdi,  J.P.  &  Mandel,  J.A.  (1964):  Tensile  Strength  of  Concrete  Affected  by Uniformly  Distributed  and  Closely  Spaced  Short  Lengths  of  Wire  Reinforcement.  ACI Journal Proc, Volume 61, No. 6, Detroit, USA, 1964, pp. 657‐671. 

SCA  (1997):  Steel  Fibre  Reinforced  Concrete  ‐  Recommendations  for  Design, Construction  and  Testing.  (Stålfiberbetong  ‐  rekommendationer  för  konstruktion, utförande och provning). Concrete Report No. 4, 2nd Edn, Stockholm, Sweden, 1997. (in Swedish) 

Shah,  S.  P.,  Ouyang,  C.  &  Swartz  S.  E.  (1995):  Fracture  Mechanics  of  Concrete: Applications  of  Fracture  Mechanics  to  Concrete,  Rock  and  other  Brittle  Materials.  John Wiley and Sons, New York, USA. 

Silfwerbrand, J., (2008): Codes for SFRC Structures ‐ A Swedish Proposal. Proceedings, fib Symposium “Taylor Made Concrete Structures”, Amsterdam, The Netherlands  , May 19‐21, 6 pp. 

Sivakumar,  A.  & Manu,  S.  (2007): Mechanical  Properties  of  High  Strength  Concrete Reinforced with Metallic and Non‐Metallic Fibre. Cement & Concrete Composites, Volume 29, pp. 603‐608. 

Sorelli, L. G., Meda, A. & Plizzari, G.A.  (2005): Bending and Uniaxial Tensile Tests on Concrete  Reinforced  with  Hybrid  Steel  Fibers.  Journal  of  Materials  in  Civil  Engineering ASCE, Volume 17, No. 5, pp. 519‐527. 

Swamy, R. N., Mangat, P.S. & Rao, C. V. S. K. (1974): The Mechanics of Fiber‐Reinforced in  Cement  Matrices.  Fiber  Reinforced  Concrete,  SP‐44,  American  Concrete  Institute, Detroit, USA, pp. 128. 

Tasderi and Karihaloo, (2001): Effect of Type and Volume Fraction of Aggregate on the Fracture Properties of Concrete. Borst et al. (eds), Swets & Zeitlinger, Lisse, Netherlands, pp. 123‐129. 

Technical  Report  No.  63  (2007):  Guidance  for  the  Design  of  Steel‐Fibre‐Reinforced Concrete. Report of a Concrete Society Working Group. Camberley, UK. 

Tunnel  (2011):  Steel‐Fibre‐Reinforced  Segmental  Linings:  State‐of‐the‐Art  and Completed  Projects  [Online]  Available  at:  http://www.tunnel‐online.info/en/artikel/tunnel_2011‐01_Steel‐fibre‐reinforced_segmental_linings_State‐of‐the‐art_and_completed_1076896.html  [Accessed on16 May 2011] 

UNI  11039  (2003):  Steel  Fibre  Reinforced  Concrete  ‐  Definitions,  Classification  and Designation.  UNICEMENTO  ‐  Ente  di  Normazione  dei  Leganti  Idraulici,  Malte, Calcestruzzi e Cemento Armato, Febbraio 2003, pp. 13. (In Italian) 

van Mier, J.G.M. (1991): Mode I Fracture of Concrete: Discontinuous Crack Growth and Crack Interface Grain Bridging. Cement and Concrete Research, Volume 21, No. 1, pp. 1‐15. 

van  Mier,  J.G.M.  (1997):  Fracture  Processes  of  Concrete.  CRC  Press,  Boca  Raton, Florida. 

Várkoly, L. (2001): Fatigue Crack Tip Closure Concept (Historical Review, Methods and Equipment  For  Experimental  Observation,  Methods  of  Computer  Modeling).  Seria: 

Page 132: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

113 

Mechanika z. 67, No. 269/2001, Department of Material Engineering,  the University of Žilina, Slovak Republic. 

VDZ  (2009):  VDZ  Activity  Report  2007  –  2009.  V  Concrete  Constituents,  Concrete Technology  and  Concrete  Engineering.  “DeutscherC”  Zementwerke  e.V. Forschungsinstitut der Zementindustrie. Düsseldorf, Germany, 2009. 

Zsutty, T.  (1971): Shear Strength Prediction  for Separate Categories of  Simple Beam Tests. ACI Journal, Volume 68, No. 2, Detroit, USA, pp. 138‐143. 

 

Page 133: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

     

A‐1 

Appendix A 

The articles are here reported with a code (e.g. A01). All the references are reported in Appendix B. 

The following legend should be used to read the database.   

 

 

Page 134: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

 

A‐2 

 

Article 

No.  type

w/c ratio

Age at test 

(days)

Maximum 

aggregate

s size 

σ cp     

[N/mm2]

ρ  flex          

(%)

f ys    

average   

[MPa]

a/d

Kind of cross‐

section

h       

[mm]

h f 

[mm]

d         

[mm]

b w       

[mm]

b f       

[mm]

l             

clear 

span   

[mm]

L      

[mm]SF type

d f       

[mm]

l f       

[mm]l f /d f

V f        

(%)

τ 

[MPa]

f' c. 

cyl,m 

[MPa]

f cu.28,m 

[MPa]

Shea

r         

force        

[kN]

Ultimate 

shear 

stress 

[MPa]

kind 

of test

Mode of 

failure          

S= Shear 

F=Flexure

A01 1TL‐1 0,40 28 14 4,31 530 2,00 I 300 52 265 55 295 3000 3500 0,00 3,98 36,8* 44,3 49,3 3,38 4PBT S1TLF‐1 0,40 28 14 4,31 530 2,00 I 300 52 265 55 295 3000 3500 crimped 0,50 50 100 1,00 3,98 36,9* 44,5 80,3 5,51 4PBT S1TL‐2 0,40 28 14 4,31 530 3,43 I 300 52 265 55 295 3000 3500 0,00 3,98 34,9* 42,0 19,0 1,30 4PBT S1TLF‐2 0,40 28 14 4,31 530 3,43 I 300 52 265 55 295 3000 3500 crimped 0,50 50 100 1,00 3,98 42,4* 51,1 59,0 4,05 4PBT S1TL‐3 0,40 28 14 4,31 530 4,91 I 300 52 265 55 295 3000 3500 0,00 3,98 35,4* 42,6 17,5 1,20 4PBT S1TLF‐3 0,40 28 14 4,31 530 4,91 I 300 52 265 55 295 3000 3500 crimped 0,50 50 100 1,00 3,98 37,4* 45,0 42,5 2,92 4PBT S2TL‐1 0,40 28 14 2,76 530 2,00 I 300 52 265 55 295 3000 3500 0,00 3,98 37,8* 45,6 36,5 2,50 4PBT S2TLF‐1 0,40 28 14 2,76 530 2,00 I 300 52 265 55 295 3000 3500 crimped 0,50 50 100 1,00 3,98 39,2* 47,2 71,9 4,93 4PBT S2TL‐2 0,40 28 14 2,76 530 3,43 I 300 52 265 55 295 3000 3500 0,00 3,98 34,6* 41,7 17,8 1,22 4PBT S2TLF‐2 0,40 28 14 2,76 530 3,43 I 300 52 265 55 295 3000 3500 crimped 0,50 50 100 1,00 3,98 34,4* 41,4 45,6 3,13 4PBT S2TL‐3 0,40 28 14 2,76 530 4,91 I 300 52 265 55 295 3000 3500 0,00 3,98 37,4* 45,1 15,5 1,06 4PBT S2TLF‐3 0,40 28 14 2,76 530 4,91 I 300 52 265 55 295 3000 3500 crimped 0,50 50 100 1,00 3,98 37,3* 44,9 42,8 2,94 4PBT S‐F3TL‐1 0,40 28 14 1,55 530 2,00 I 300 52 265 55 295 3000 3500 0,00 3,98 38,8* 46,7 31,5 2,16 4PBT S3TLF‐1 0,40 28 14 1,55 530 2,00 I 300 52 265 55 295 3000 3500 crimped 0,50 50 100 1,00 3,98 37,0* 44,6 67,8 4,65 4PBT S‐F3TL‐2 0,40 28 14 1,55 530 3,43 I 300 52 265 55 295 3000 3500 0,00 3,98 34,0* 41,0 15,0 1,03 4PBT S3TLF‐2 0,40 28 14 1,55 530 3,43 I 300 52 265 55 295 3000 3500 crimped 0,50 50 100 1,00 3,98 35,8* 43,1 41,5 2,85 4PBT F3TL‐3 0,40 28 14 1,55 530 4,91 I 300 52 265 55 295 3000 3500 0,00 3,98 35,1* 42,3 15,1 1,04 4PBT S3TLF‐3 0,40 28 14 1,55 530 4,91 I 300 52 265 55 295 3000 3500 crimped 0,50 50 100 1,00 3,98 33,7* 40,6 29,5 2,02 4PBT FTF1 2,00 2,80 61 duoform 93,8 2,13 4,98 37,9* 45,7 71,3TF2 2,00 2,80 43 duoform 63 2,25 4,98 41,3* 49,8 81,0TF3 2,00 2,80 14 duoform 63 0,75 4,98 54,9* 66,1 64,5TF4 2,00 2,80 28 duoform 63 1,50 4,98 44,9* 54,1 61,0TF5 2,00 2,80 57 duoform 63 3,00 4,98 43,6* 52,5 78,9TF6 2,00 2,80 55 duoform 80 2,25 4,98 35,3* 42,5 59,6TF7 2,00 2,80 64 duoform 93,8 2,25 4,98 35,1* 42,3 76,4TF8 2,00 2,80 35 duoform 80 1,50 4,98 43,3* 52,2 65,0TF9 2,00 2,80 36 duoform 80 1,50 4,98 20,2* 24,3 55,0TF10 2,00 2,80 36 duoform 80 1,50 4,98 63,3* 76,3 69,5TF11 2,00 2,80 51 duoform 80 1,50 4,98 45,7* 55,0 93,8TF12 2,00 2,80 22 duoform 80 1,50 4,98 45,7* 55,0 55,4TFL1 2,00 2,80 35 duoform 80 1,50 4,98 50,7* 61,1 62,4TFL2 2,00 2,80 41 duoform 80 1,50 4,98 40,7* 49,0 81,4TFL3 2,00 2,80 7 duoform 80 0,30 4,98 40,8* 49,1 36,9TFL4 2,00 2,80 18 duoform 80 0,75 4,98 34,9* 42,1 45,0TFL5 2,00 2,80 27 duoform 80 1,13 4,98 43,8* 52,8 57,4TFL6 2,00 2,80 53 duoform 80 2,25 4,98 44,9* 54,1 60,6

1 2,00 2,80 73 plain 62,5 1,00 4,15 40,3* 48,6 215,82 2,00 2,80 117 plain 100 1,00 4,15 47,8* 57,6 191,4

A02 B18‐0a 41 MPa 10 2,70 3,43 R 455 381 152 2136 2440 ‐ ‐ 0 0,00 42,8 51,6* #### 1,10 3PBT DTB18‐0b 41 MPa 10 2,70 3,43 R 455 381 152 2136 2440 ‐ ‐ 0 0,00 42,8 51,6* 99,11 1,10 3PBT DTB18‐1a 41 MPa 10 2,00 3,43 R 455 381 152 2136 2440 hooked 0,55 30 55 0,75 44,8 54,0* #### 2,90 3PBT SC+STB18‐1b 41 MPa 10 2,00 3,43 R 455 381 152 2136 2440 hooked 0,55 30 55 0,75 44,8 54,0* #### 2,80 3PBT ST+DTB18‐2a 41 MPa 10 2,00 3,50 R 381 152 2236 2440 hooked 0,55 30 55 1,00 38,1 45,9* #### 3,00 3PBT ST+DT

Cross‐sectionSpecimens

Gravel

By

Lytag‐Sand cube strngth 40/45 N/mm2

Grav

el

16503,2716492,4516550,9316521,2316507,1116500,1516485,7916054,4216507,94

23083,909886,6216009,0718503,4016099,7716029,1416002,4215985,4776205,4576209,15

FibresMix

Beam size

Flexural Reinforcement

16507,94

Concrete Shear Force at [kN]

Page 135: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

 

A‐3 

 

Article 

No.  type

w/c ratio

Age at test 

(days)

Maximum 

aggregate

s size 

σ cp     

[N/mm2]

ρ  flex          

(%)

f ys    

average   

[MPa]

a/d

Kind of cross‐

section

h       

[mm]

h f 

[mm]

d         

[mm]

b w       

[mm]

b f       

[mm]

l             

clear 

span   

[mm]

L      

[mm]SF type

d f       

[mm]

l f       

[mm]l f /d f

V f        

(%)

τ 

[MPa]

f' c. 

cyl,m 

[MPa]

f cu.28,m 

[MPa]

Shea

r         

force        

[kN]

Ultimate 

shear 

stress 

[MPa]

kind 

of test

Mode of 

failure          

S= Shear 

F=Flexure

B18‐2b 41 MPa 10 2,00 3,50 R 381 152 2236 2440 hooked 0,55 30 55 1,00 38,1 45,9* #### 3,10 3PBT ST+DTB18‐2c 41 MPa 10 2,70 3,50 R 381 152 2236 2440 hooked 0,55 30 55 1,00 38,1 45,9* #### 3,50 3PBT NAB18‐2d 41 MPa 10 2,70 3,50 R 381 152 2236 2440 hooked 0,55 30 55 1,00 38,1 45,9* #### 2,60 3PBT NAB18‐3a 41 MPa 10 2,70 3,43 R 381 152 2136 2440 hooked 0,55 30 55 1,50 31,0 37,3* #### 2,60 3PBT ST+DTB18‐3b 41 MPa 10 2,70 3,43 R 381 152 2136 2440 hooked 0,55 30 55 1,50 31,0 37,3* #### 3,40 3PBT SC+STB18‐3c 41 MPa 10 2,70 3,43 R 381 152 2136 2440 hooked 0,55 30 55 1,50 44,9 54,1* #### 3,30 3PBT ST+DTB18‐3d 41 MPa 10 2,70 3,43 R 381 152 2136 2440 hooked 0,55 30 55 1,50 44,9 54,1* #### 3,30 3PBT ST+DTB18‐5a 41 MPa 10 2,70 3,43 R 610 152 2136 2440 hooked 0,75 60 80 1,00 49,2 59,3* #### 3,00 3PBT DTB18‐5b 41 MPa 10 2,70 3,43 R 610 152 2136 2440 hooked 0,75 60 80 1,00 49,2 59,3* #### 3,80 3PBT ST+DTB18‐7a 41 MPa 10 2,70 3,43 R 610 152 2136 2440 hooked 0,38 30 80 0,75 43,3 52,2* #### 3,30 3PBT ST+DTB18‐7b 41 MPa 10 2,00 3,43 R 610 152 2136 2440 hooked 0,38 30 80 0,75 43,3 52,2* #### 3,30 3PBT ST+DTB27‐1a 41 MPa 10 2,00 3,50 R 610 203 3558 4320 hooked 0,55 30 55 0,75 50,8 61,2* #### 2,90 3PBT ST+DTB27‐1b 41 MPa 10 2,00 3,50 R 610 203 3558 4320 hooked 0,55 30 55 0,75 50,8 61,2* #### 2,70 3PBT DTB27‐2a 41 MPa 10 2,00 3,50 R 610 203 3558 4320 hooked 0,75 60 80 0,75 28,7 34,6* #### 2,80 3PBT SC+STB27‐2b 41 MPa 10 2,00 3,50 R 610 203 3558 4320 hooked 0,75 60 80 0,75 28,7 34,6* #### 2,80 3PBT DTB27‐3a 41 MPa 10 1,60 3,50 R 610 203 3558 4320 hooked 0,55 30 55 0,75 42,3 51,0* #### 2,70 3PBT FB27‐3b 41 MPa 10 1,60 3,50 R 610 203 3558 4320 hooked 0,55 30 55 0,75 42,3 51,0* #### 2,80 3PBT SC+STB27‐4a 41 MPa 10 1,60 3,50 R 610 203 3558 4320 hooked 0,75 60 80 0,75 29,6 35,7* #### 2,10 3PBT ST+DTB27‐4b 41 MPa 10 1,60 3,50 R 610 203 3558 4320 hooked 0,75 60 80 0,75 29,6 35,7* #### 1,80 3PBT ST+DTB27‐5 41 MPa 10 2,10 3,50 R 610 203 3558 4320 hooked 0,55 30 55 1,50 44,4 53,5* #### 3,50 3PBT SC+STB27‐6 41 MPa 10 2,10 3,50 R 610 203 3558 4320 hooked 0,75 60 80 1,50 42,8 51,6* #### 3,40 3PBT ST+DTB27‐7 41 MPa 10 1,60 3,50 R 610 203 3558 4320 hooked ‐ ‐ 0 0,00 37,0 44,6* #### 1,30 3PBT DTB27‐8 41 MPa 10 1,60 3,50 R 610 203 3558 4320 stirrup ‐ ‐ 0 0,00 37,0 44,6* #### 1,80 3PBT DT

A03 B‐2‐1.0‐L 0,25 10 0,37 470 2 R 250 215 125 1360 1680 30hooked  0,80 60 75 1,00 76,4* 92,0 90,2 1,68 4PBTB‐4‐1,0‐L 0,25 10 0,37 470 4 R 250 215 125 2220 2540 30hooked  0,80 60 75 1,00 76,9* 92,6 48,0 0,89 4PBT SB‐6‐1,0‐L 0,25 10 0,37 470 6 R 250 215 125 3080 3400 30hooked  0,80 60 75 1,00 77,8* 93,7 30,1 0,56 4PBTB‐1‐0,5‐A 0,25 10 2,84 470 1 R 250 215 125 930 1250 30hooked  0,80 60 75 0,50 82,2* 99,0 480,0 9,09 4PBTB‐2‐0,5‐A 0,25 10 2,84 470 2 R 250 215 125 1360 1680 30hooked  0,80 60 75 0,50 82,3* 99,1 265,0 4,82 4PBTB‐4‐0,5‐A 0,25 10 2,84 470 4 R 250 215 125 2220 2540 30hooked  0,80 60 75 0,50 79,2* 95,4 122,0 2,27 4PBT SB‐6‐0,5‐A 0,25 10 2,84 470 6 R 250 215 125 3080 3400 30hooked  0,80 60 75 0,50 79,5* 95,8 112,0 1,95 4PBTB‐1‐1,0‐A 0,25 10 2,84 470 1 R 250 215 125 930 1250 30hooked  0,80 60 75 1,00 79,1* 95,3 680,0 12,74 4PBT FB‐2‐1,0‐A 0,25 10 2,84 470 2 R 250 215 125 1360 1680 30hooked  0,80 60 75 1,00 79,1* 95,3 325,0 6,06 4PBTB‐4‐1,0‐A 0,25 10 2,84 470 4 R 250 215 125 2220 2540 30hooked  0,80 60 75 1,00 80,9* 97,5 172,0 3,17 4PBT SB‐6‐1,0‐A 0,25 10 2,84 470 6 R 250 215 125 3080 3400 30hooked  0,80 60 75 1,00 83,4* 100,5 103,0 1,96 4PBT FB‐1‐1,5‐A 0,25 10 2,84 470 1 R 250 215 125 930 1250 30hooked  0,80 60 75 1,50 80,0* 96,4 745,0 13,95 4PBTB‐2‐1,5‐A 0,25 10 2,84 470 2 R 250 215 125 1360 1680 30hooked  0,80 60 75 1,50 80,2* 96,6 385,0 7,21 4PBTB‐4‐1,5‐A 0,25 10 2,84 470 4 R 250 215 125 2220 2540 30hooked  0,80 60 75 1,50 80,6* 97,1 187,0 3,51 4PBT SB‐6‐1,5‐A 0,25 10 2,84 470 6 R 250 215 125 3080 3400 30hooked  0,80 60 75 1,50 84,1* 101,3 105,0 1,98 4PBTB‐2‐1,0‐M 0,25 10 4,58 470 2 R 250 215 125 1360 1680 30hooked  0,80 60 75 1,00 78,4* 94,5 360,0 6,73 4PBT SB‐4‐1,0‐M 0,25 10 4,58 470 4 R 250 215 125 2220 2540 30hooked  0,80 60 75 1,00 77,9* 93,8 208,0 3,88 4PBT SB‐6‐1,0‐M 0,25 10 4,58 470 6 R 250 215 125 3080 3400 30hooked  0,80 60 75 1,00 78,9* 95,0 156,0 2,93 4PBT F

A04 B3 4,40 R 0,22 33,6 40,5*C2 4,20 R 0,22 33,6 40,5*

Cross‐sectionSpecimens

By

FibresMix

Beam size

Flexural Reinforcement

Portland cement High‐Strength Fiber Reinforced Concrete.

Concrete Shear Force at [kN]

Page 136: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

 

A‐4 

 

Article 

No.  type

w/c ratio

Age at test 

(days)

Maximum 

aggregate

s size 

σ cp     

[N/mm2]

ρ  flex          

(%)

f ys    

average   

[Mpa]

a/d

Kind of cross‐

section

h       

[mm]

h f 

[mm]

d         

[mm]

b w       

[mm]

b f       

[mm]

l             

clear 

span   

[mm]

L      

[mm]SF type

d f       

[mm]

l f       

[mm]l f /d f

V f        

(%)

τ 

[Mpa]

f' c. 

cyl,m 

[Mpa]

f cu.28,m 

[Mpa]

Shea

r         

force        

[kN]

Ultimate 

shear 

stress 

[MPa]

kind 

of test

Mode of 

failure          

S= Shear 

F=Flexure

D2 4,30 R 0,22 33,6 40,5*F1 4,00 R 0,44 40,2 48,4*G3 4,40 R 0,22 33,2 40,0*L1 4,00 R 0,22 33,2 40,0*M1 4,60 R 0,22 33,2 40,0*M3 4,40 R 0,22 33,2 40,0*N1 5,00 R 0,22 33,2 40,0*N2 4,80 R 0,22 33,2 40,0*P2 4,20 R 0,44 40,2 48,4*R1 3,20 R 0,88 39,7 47,8*R2 3,40 R 0,88 39,7 47,8*S3 3,40 R 0,88 39,7 47,8*W1 1,20 R 1,76 39,8 47,9*W2 1,20 R 1,76 39,8 47,9*U1 2,80 R 1,76 39,8 47,9*V2 1,80 R 1,76 39,8 47,9*A1 2,37 R 152 203 2000 0,40 36,5 44,0* 115,6 SA2 3,56 R 152 203 2000 0,40 36,5 44,0* 93,4 SA3 4,74 R 152 203 2000 0,40 36,5 44,0* 81,8 SB1 2,37 R 152 203 2000 0,80 37,2 44,9* 161,0 SB2 3,56 R 152 203 2000 0,80 37,2 44,9* 106,8 SB3 4,74 R 152 203 2000 0,80 37,2 44,9* 0,9 FC1 2,37 R 152 203 2000 0,40 42,7 51,5* 1,7 SC2 3,56 R 152 203 2000 0,40 42,7 51,5* 1,4 SC3 4,74 R 152 203 2000 0,40 42,7 51,5* 1,2 SD1 2,37 R 152 203 2000 0,80 40,0 48,2* 1,7 SD2 3,56 R 152 203 2000 0,80 40,0 48,2* 1,4 SD3 4,74 R 152 203 2000 0,80 40,0 48,2* 1,3 S

A05 1 0,43 R 0,00 0,2 0,3* 4PBT2 0,46 R 2,50 0,4 0,5* 4PBT3 0,47 R 2,00 0,4 0,5* 4PBT4 0,46 R 1,40 0,4 0,5* 4PBT

A06 A 0,62 10 1,72 670 2,34 R 150 131 100 1080 1220 21,0 25,3* 22,09 3PBT SB 0,62 10 1,72 670 2,34 R 150 131 100 1080 1220 0,46 46 100 1,50 1,52 27,8 33,5* 36,9 3PBT SC 0,62 10 1,72 670 2,34 R 150 131 100 1080 1220 0,46 46 100 1,00 1,52 24,1 29,0* 33,0 3PBT SD 0,62 10 1,72 670 2,34 R 150 131 100 1080 1220 0,46 46 100 0,50 1,52 21,9 26,4* 29,8 3PBT SE 0,62 10 1,72 670 2,34 R 150 131 100 1080 1220 0,46 37 80 1,50 1,52 22,5 27,1* 34,8 3PBT SF 0,62 10 1,72 670 2,34 R 150 131 100 1080 1220 0,46 37 80 1,00 1,52 23,0 27,7* 32,7 3PBT SG 0,62 10 1,72 670 2,34 R 150 131 100 1080 1220 0,46 37 80 0,50 1,52 22,1 26,7* 31,9 3PBT SH 0,62 10 1,72 670 2,34 R 150 131 100 1080 1220 0,46 28 60 1,50 1,52 22,6 27,2* 33,3 3PBT SI 0,62 10 1,72 670 2,34 R 150 131 100 1080 1220 0,46 28 60 1,00 1,52 21,7 26,2* 31,2 3PBT SJ 0,62 10 1,72 670 2,34 R 150 131 100 1080 1220 0,46 28 60 0,50 1,52 21,2 25,6* 28,4 3PBT S

Cross‐sectionSpecimens

By

FibresMix

Beam size

Flexural Reinforcement

Portland cement

Concrete Shear Force at [kN]

Black annealed steel wire 

(26 SWG)

Page 137: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

 

A‐5 

 

Article 

No.  type

w/c ratio

Age at test 

(days)

Maximum 

aggregate

s size 

σ cp     

[N/mm2]

ρ  flex          

(%)

f ys    

average   

[MPa]

a/d

Kind of cross‐

section

h       

[mm]

h f 

[mm]

d         

[mm]

b w       

[mm]

b f       

[mm]

l             

clear 

span   

[mm]

L      

[mm]SF type

d f       

[mm]

l f       

[mm]l f /d f

V f        

(%)

τ 

[MPa]

f' c. 

cyl,m 

[MPa]

f cu.28,m 

[MPa]

Shea

r         

force        

[kN]

Ultimate 

shear 

stress 

[MPa]

kind 

of test

Mode of 

failure          

S= Shear 

F=Flexure

A07 A21 18 1,26 510 2,00 R 200 180 100 1296 1600 ‐ 0,00 1,87 18,7* 22,5 19,2 4PBT SA22 25 1,26 510 2,00 R 200 180 100 1296 1600 0,54 27 50 0,50 2,65 23,8* 28,7 30,5 4PBT SA23 25 1,26 510 2,00 R 200 180 100 1296 1600 0,54 54 100 0,50 2,88 26,7* 32,2 36,1 4PBT SA24 23 1,26 510 2,00 R 200 180 100 1296 1600 0,54 27 50 1,00 2,67 24,1* 29,0 40,5 4PBT SA25 23 1,26 510 2,00 R 200 180 100 1296 1600 0,54 54 100 1,00 2,90 27,1* 32,6 50,8 4PBT FA26 25 1,26 510 2,00 R 200 180 100 1296 1600 stirrups 0,00 1,93 22,8* 27,5 51,6 4PBT FB31 23 1,26 510 3,00 R 200 180 100 1646 1950 ‐ 0,00 1,90 22,2* 26,8 22,3 4PBT SB32 23 1,26 510 3,00 R 200 180 100 1646 1950 0,54 27 50 1,00 2,87 26,6* 32,1 29,5 4PBT SB33 25 1,26 510 3,00 R 200 180 100 1646 1950 0,54 54 100 1,00 2,88 26,8* 32,3 36,8 4PBT SB34 23 1,26 510 3,00 R 200 180 100 1646 1950 0,54 27 50 1,50 2,92 27,2* 32,8 45,1 4PBT FB35 23 1,26 510 3,00 R 200 180 100 1646 1950 stirrups 0,00 1,91 21,2* 25,6 35,7 4PBT F

A08 SP1 A 0,40 2,00 530 2,00 R 150 130 85 900 50,0* 60,2 29,3 2,30 4PBTSP2 A 0,40 2,00 530 2,50 R 150 130 85 1030 50,0* 60,2 20,8 1,63 4PBTSP3 A 0,40 2,00 530 3,00 R 150 130 85 1160 50,0* 60,2 20,1 1,58 4PBTSP4 B 0,55 2,00 530 2,00 R 150 130 85 900 35,9* 43,3 23,7 1,86 4PBTSP5 B 0,55 2,00 530 2,50 R 150 130 85 1030 30,5* 36,7 18,7 1,47 4PBTSP6 B 0,55 2,00 530 3,00 R 150 130 85 1160 35,9* 43,3 21,8 1,71 4PBTSS1 A 0,40 2,00 530 2,00 R 150 130 85 900 62,3* 75,0 37,0 2,90 4PBTSS2 A 0,40 2,00 530 2,50 R 150 130 85 1030 50,0* 60,2 28,8 2,26 4PBTSS3 A 0,40 2,00 530 3,00 R 150 130 85 1160 50,0* 60,2 28,3 2,22 4PBTSS4 B 0,55 2,00 530 2,00 R 150 130 85 900 35,9* 43,3 32,0 2,51 4PBTSS5 B 0,55 2,00 530 2,50 R 150 130 85 1030 30,5* 36,7 29,8 2,34 4PBTSS6 B 0,55 2,00 530 3,00 R 150 130 85 1160 35,9* 43,3 30,0 2,35 4PBTS18 A 0,40 5,72 530 3,10 R 150 126 85 1160 47,5* 57,2 41,1 3,22 4PBTS24 A 0,40 5,72 530 3,10 R 150 126 85 1160 47,5* 57,2 59,5 4,67 4PBTS25 A 0,40 5,72 530 3,10 R 150 126 85 1160 47,5* 57,2 75,6 5,93 4PBTS26 A 0,40 5,72 530 3,10 R 150 126 85 1160 47,5* 57,2 86,3 6,77 4PBTSF1 A 0,40 2,00 530 2,00 R 150 130 85 900 0,30 30 100 0,25 4,15 51,2* 61,7 37,7 2,96 4PBT SSF2 A 0,40 2,00 530 2,50 R 150 130 85 1030 0,30 30 100 0,25 4,15 51,2* 61,7 34,0 2,67 4PBT SSF3 A 0,40 2,00 530 3,00 R 150 130 85 1160 0,30 30 100 0,25 4,15 51,2* 61,7 35,3 2,77 4PBT SSF4 B 0,55 2,00 530 2,00 R 150 130 85 900 0,30 30 100 0,25 4,15 33,1* 39,9 34,6 2,71 4PBT SSF5 B 0,55 2,00 530 2,50 R 150 130 85 1030 0,30 30 100 0,25 4,15 33,1* 39,9 26,4 2,07 4PBT SSF6 B 0,55 2,00 530 3,00 R 150 130 85 1160 0,30 30 100 0,25 4,15 33,1* 39,9 24,7 1,94 4PBT SB1 A 0,40 2,00 530 3,00 R 150 130 85 1160 0,30 40 133 0,50 4,15 51,2* 61,7 41,2 3,23 4PBT SB2 A 0,40 2,00 530 3,00 R 150 130 85 1160 0,30 40 133 1,00 4,15 59,3* 71,5 46,7 3,66 4PBT F‐SB3 A 0,40 2,00 530 3,00 R 150 130 85 1160 0,30 30 100 1,50 4,15 63,7* 76,7 46,4 3,64 4PBT FB4 A 0,40 2,00 530 3,00 R 150 130 85 1160 0,30 30 100 2,00 4,15 66,0* 79,5 47,7 3,74 4PBT FB5 A 0,40 2,00 530 3,00 R 150 130 85 1160 0,30 30 100 2,50 4,15 64,1* 77,2 47,9 3,76 4PBT FB6 A 0,40 2,00 530 3,00 R 150 130 85 1160 0,30 30 100 3,00 4,15 62,9* 75,8 49,1 3,85 4PBT FB7 B 0,55 2,00 530 3,00 R 150 130 85 1160 0,30 40 133 0,50 4,15 35,1* 42,3 25,1 1,97 4PBT SB9 B 0,55 2,00 530 3,00 R 150 130 85 1160 0,30 30 100 1,00 4,15 34,4* 41,4 37,9 2,97 4PBT SB11 A 0,40 2,00 530 2,00 R 150 130 85 900 0,30 40 133 0,50 4,15 51,2* 61,7 58,9 4,62 4PBT SB12 A 0,40 2,00 530 2,50 R 150 130 85 1030 0,30 40 133 0,50 4,15 51,2* 61,7 47,0 3,69 4PBT S

crimped

Cross‐sectionSpecimens

By

FibresMix

Beam size

Flexural ReinforcementConcrete Shear Force at [kN]

STIRRUP spacing 80/130 

mm with rv=0,25/2 and 

f=3/6

chopping 

binding 

wire 

(circular)

choppi

ng 

binding 

wire 

Page 138: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

 

A‐6 

 

Article 

No.  type

w/c ratio

Age at test 

(days)

Maximum 

aggregate

s size 

σ cp     

[N/mm2]

ρ  flex          

(%)

fys    

averag

e   

[MPa]

a/d

Kind of cross‐

section

h       

[mm]

h f 

[mm]

d         

[mm]

b w       

[mm]

b f       

[mm]

l             

clear 

span   

[mm]

L      

[mm]SF type

d f       

[mm]

l f       

[mm]l f /d f

V f        

(%)

τ 

[MPa]

f' c. 

cyl,m 

[MPa]

f cu.28,m 

[MPa]

Shea

r         

force        

[kN]

Ultimate 

shear 

stress 

[MPa]

kind 

of test

Mode of 

failure          

S= Shear 

F=Flexure

B13 A 0,40 2,00 530 3,50 R 150 130 85 1290 0,30 40 133 0,50 4,15 46,2* 55,7 33,3 2,61 4PBT SB14 A 0,40 2,00 530 2,00 R 150 130 85 900 0,30 40 133 1,00 4,15 55,8* 67,2 71,0 5,57 4PBT SB15 A 0,40 2,00 530 2,50 R 150 130 85 1030 0,30 40 133 1,00 4,15 55,8* 67,2 56,4 4,42 4PBT SB16 A 0,40 2,00 530 3,50 R 150 130 85 1290 0,30 40 133 1,00 4,15 59,7* 71,9 37,9 2,97 4PBT SB17 A 0,40 3,69 530 3,00 R 150 128 85 1160 0,30 40 133 0,50 4,15 46,2* 55,7 37,7 2,96 4PBT SB18 A 0,40 5,72 530 3,10 R 150 126 85 1160 0,30 40 133 0,50 4,15 46,2* 55,7 45,3 3,55 4PBT SB19 B 0,55 3,69 530 3,00 R 150 128 85 1160 0,30 40 133 0,50 4,15 35,1* 42,3 28,6 2,24 4PBT SB20 B 0,55 5,72 530 3,10 R 150 126 85 1160 0,30 40 133 0,50 4,15 35,1* 42,3 29,7 2,33 4PBT SB23 A 0,40 3,69 530 3,00 R 150 128 85 1160 0,30 40 133 1,00 4,15 59,7* 71,9 55,7 4,37 4PBT SB24 A 0,40 5,72 530 3,10 R 150 126 85 1160 0,30 40 133 1,00 4,15 59,7* 71,9 63,8 5,00 4PBT SB25 A 0,40 5,72 530 3,10 R 150 126 85 1160 0,30 30 100 1,50 4,15 55,6* 67,0 61,8 4,85 4PBT SB26 A 0,40 5,72 530 3,10 R 150 126 85 1160 0,30 30 100 2,00 4,15 46,4* 55,9 62,9 4,93 4PBT SB27 A 0,40 3,69 530 3,00 R 150 128 85 1160 0,30 30 100 1,50 4,15 55,6* 67,0 56,9 4,46 4PBT SB28 A 0,40 5,72 530 2,00 R 150 126 85 900 0,30 30 100 0,50 4,15 49,2* 59,3 69,6 5,46 4PBT SB29 A 0,40 5,72 530 2,00 R 150 126 85 900 0,30 30 100 1,00 4,15 49,8* 60,0 86,3 6,77 4PBT SB30 A 0,40 5,72 530 2,00 R 150 126 85 900 0,30 30 100 1,50 4,15 55,6* 67,0 91,2 7,15 4PBT SB31 A 0,40 5,72 530 2,00 R 150 126 85 900 0,30 30 100 2,00 4,15 46,4* 55,9 80,3 6,30 4PBT S

A09 1 0,58 28 1,18 2,00 R 150 133 100 800 850 0,00 2,36 13,1* 15,8 19,9 1,492 0,58 28 1,18 2,00 R 150 133 100 800 850 100 0,25 2,36 13,5* 16,3 22,5 1,693 0,58 28 1,18 2,00 R 150 133 100 800 850 100 0,50 2,36 13,8* 16,6 25,0 1,874 0,58 28 1,18 2,00 R 150 133 100 800 850 100 0,75 2,36 14,0* 16,9 27,3 2,055 0,58 28 1,18 2,00 R 150 133 100 800 850 100 1,00 2,36 14,3* 17,3 29,8 2,236 0,58 28 1,18 2,00 R 150 133 100 800 850 100 1,25 2,36 14,5* 17,4 32,0 2,407 0,58 28 1,18 2,00 R 150 133 100 800 850 100 1,50 2,36 14,7* 17,7 34,0 2,55

A10 S1 28 1,34 1,90 R 300 263 150 1600 42,3 51,0* 64,5 1,57 4PBT SS2 32 1,34 1,90 R 300 263 150 1600 43,2 52,0* 126,9 2,82 4PBT SS3F 34 1,34 1,90 R 300 263 150 1600 collated  0,60 50 80 0,96 48,6 58,6* 136,4 3,03 4PBTD1 30 2,18 1,90 R 300 263 150 1600 47,7 57,5* 128,3 2,85 4PBTD2 32 2,18 1,90 R 300 263 150 1600 46,8 56,4* 139,1 3,1 4PBTD3F 31 2,18 1,90 R 300 263 150 1600 0,60 50 80 0,96 47,7 57,5* 171,9 3,82 4PBTD4F 31 2,18 1,90 R 300 263 150 1600 0,60 50 80 0,96 43,2 52,0* 182,3 4,05 4PBT

A11 1 0,30 13,00 4,71 2,00 R 200 175 100 700 0,00 80,0 96,4* 125,0 6,25 3PBT2 0,30 13,00 4,71 2,00 R 200 175 100 700 round straigth 0,40 40 100 0,50 80,0 96,4* 136,8 6,84 3PBT3 0,30 13,00 4,71 2,00 R 200 175 100 700 round straigth 0,40 40 100 1,00 80,0 96,4* 148,0 7,40 3PBT4 0,30 13,00 4,71 3,00 R 200 175 100 1050 0,00 80,0 96,4* 57,4 2,87 3PBT5 0,30 13,00 4,71 3,00 R 200 175 100 1050 round straigth 0,40 40 100 0,50 80,0 96,4* 63,8 3,19 3PBT6 0,30 13,00 4,71 3,00 R 200 175 100 1050 round straigth 0,40 40 100 1,00 80,0 96,4* 82,0 4,10 3PBT7 0,30 13,00 4,71 3,00 R 200 175 100 1050 0,00 80,0 96,4* 132,4 6,62 3PBT8 0,30 13,00 4,71 3,00 R 200 175 100 1050 0,50 80,0 96,4* 134,0 6,70 3PBT9 0,30 13,00 4,71 3,00 R 200 175 100 1050 1,00 80,0 96,4* 131,8 6,59 3PBT10 0,30 13,00 4,71 3,00 R 200 175 100 1050 0,00 80,0 96,4* 143,4 7,17 3PBT11 0,30 13,00 4,71 3,00 R 200 175 100 1050 0,50 80,0 96,4* 140,0 7,00 3PBT12 0,30 13,00 4,71 3,00 R 200 175 100 1050 1,00 80,0 96,4* 146,4 7,32 3PBT

Portland cement

collated steel with 

FibresMix

Beam size

Flexural ReinforcementConcrete Shear Force at [kN]

crimped

Specimens

By

Cross‐section

Type 2 Portland cement HPSC 80 

MPa

Page 139: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

 

A‐7 

 

Article 

No.  type

w/c ratio

Age at test 

(days)

Maximum 

aggregate

s size 

σ cp     

[N/mm2]

ρ  flex          

(%)

fys    

averag

e   

[MPa]

a/d

Kind of cross‐

section

h       

[mm]

h f 

[mm]

d         

[mm]

b w       

[mm]

b f       

[mm]

l             

clear 

span   

[mm]

L      

[mm]SF type

d f       

[mm]

l f       

[mm]l f /d f

V f        

(%)

τ 

[MPa]

f' c. 

cyl,m 

[MPa]

f cu.28,m 

[MPa]

Shea

r         

force        

[kN]

Ultimate 

shear 

stress 

[MPa]

kind 

of test

Mode of 

failure          

S= Shear 

F=Flexure

13 0,30 13,00 4,71 3,00 R 200 175 100 1050 0,00 80,0 96,4* 147,2 7,36 3PBT14 0,30 13,00 9,42 3,00 R 200 175 100 1050 0,00 80,0 96,4* 63,0 3,15 3PBT15 0,30 13,00 9,42 3,00 R 200 175 100 1050 0,00 80,0 96,4* 149,8 7,49 3PBT16 0,30 13,00 9,42 3,00 R 200 175 100 1050 0,00 80,0 96,4* 152,8 7,64 3PBT17 0,30 13,00 4,71 4,50 R 200 175 100 1575 0,00 80,0 96,4* 51,8 2,59 3PBT18 0,30 13,00 4,71 4,50 R 200 175 100 788 round straigth 0,40 40 100 0,50 80,0 96,4* 55,6 2,78 3PBT19 0,30 13,00 4,71 4,50 R 200 175 100 788 round straigth 0,40 40 100 1,00 80,0 96,4* 68,8 3,44 3PBT20 0,30 13,00 9,42 4,50 R 200 175 100 1575 0,00 80,0 96,4* 52,4 2,62 3PBT21 0,30 13,00 4,71 6,00 R 200 175 100 2100 0,00 80,0 96,4* 46,6 2,33 3PBT22 0,30 13,00 9,42 6,00 R 200 175 100 2100 0,00 80,0 96,4* 54,6 2,73 3PBT

A12 B51 0,45 28 10,00 4,00 445‐490 4,50 T 250 50 207 175 500 2800 3400 0,00 39,4* 47,5 65,0 1,79 4PBT DTB52 0,45 28 10,00 4,00 445‐490 4,50 T 250 50 207 175 500 2800 3400 crimped 0,50 50 100 0,40 36,9* 44,4 79,5 2,19 4PBT DTB53 0,45 28 10,00 4,00 445‐490 4,50 T 250 50 207 175 500 2800 3400 crimped 0,50 50 100 0,80 38,8* 46,8 114,0 3,14 4PBT S, SCB54 0,45 28 10,00 4,00 445‐490 4,50 T 250 50 207 175 500 2800 3400 crimped 0,50 50 100 1,20 41,3* 49,8 115,0 3,17 4PBT S, SCB55 0,45 28 10,00 3,05 445‐490 4,50 T 250 50 207 175 500 2800 3400 crimped 0,50 50 100 0,80 39,6* 47,7 118,2 3,26 4PBT SC, FTB56 0,45 28 10,00 1,95 445‐490 4,50 T 250 50 207 175 500 2800 3400 crimped 0,50 50 100 0,80 43,4* 52,3 96,4 2,66 4PBT FTB57S 0,45 28 10,00 4,00 445‐490 4,50 T 250 50 207 175 500 2800 3400 stirrup 0,80 39,8* 47,9 142,0 3,91 4PBT SC, FTB58S 0,45 28 10,00 4,00 445‐490 4,50 T 250 50 207 175 500 2800 3400 stirrup 0,80 37,7* 45,4 145,0 3,99 4PBT SC, FTB59 0,45 28 10,00 4,00 445‐490 4,50 T 250 50 207 175 500 2800 3400 0,00 39,0* 47,0 69,0 1,90 4PBT DT

28 445‐490 4,50 207 175 2800 3400 crimped 0,50 50 100 0,80 38,6* 46,5 0,00 4PBTB61R 0,45 28 10,00 1,95 445‐490 4,50 R 250 207 175 2800 3400 0,00 44,6* 53,7 57,9 1,60 4PBT DTB63R 0,45 28 10,00 1,95 445‐490 4,50 R 250 207 175 2800 3400 crimped 0,50 50 100 0,80 36,4* 43,9 75,5 2,08 4PBT FT

A13 TB21 0,45 7 9,50 3,25 530 2,50 T 250 60 165 75 250 1125 1950 0,00 33,7 40,6* 80,1 4PBT WCTB22 0,45 7 9,50 3,25 530 2,50 T 250 60 165 75 250 1125 1950 0,50 30 60 0,50 34,7 41,8* 87,5 4PBT DTTB23 0,45 7 9,50 3,25 530 2,50 T 250 60 165 75 250 1125 1950 0,50 30 60 1,00 40,5 48,8* 113,0 4PBT DTTB24 0,45 7 9,50 3,25 530 2,00 T 250 60 185 75 250 1040 1865 0,50 30 60 1,00 12,3 14,8* 156,4 4PBT WCTB25 0,45 7 9,50 2,90 530 3,00 T 250 60 185 75 250 1310 2135 0,50 30 60 1,00 38,2 46,0* 80,0 4PBT DTTB26 0,45 7 9,50 4,87 530 2,50 T 250 60 165 75 250 1125 1950 0,50 30 60 1,00 39,1 47,1* 110,1 4PBT DTTB27 0,45 7 9,50 6,50 530 2,50 T 250 60 165 75 250 1125 1950 0,50 30 60 1,00 38,5 46,4* 91,2 4PBT DTTB28 0,45 7 9,50 0,00 530 2,50 T 250 60 165 75 250 1125 1950 0,50 30 60 1,00 34,0 41,0* 93,5 4PBT DTTB23‐A 0,45 7 9,50 3,25 530 2,50 T 250 60 165 75 250 1125 1950 stirrup 0,50 31,5 38,0* 93,5 4PBT DTTB23‐B 0,45 7 9,50 3,25 530 2,50 T 250 60 165 75 250 1125 1950 stirrup 0,00 34,5 41,6* 99,0 4PBT DT

A14 1.2/1 3,56 3,46 R 300 260 200 1800 0,90 60 67 0,00 45,7* 55,0 181,0 3,48 3PBT S1.2/2 3,56 3,46 R 300 260 200 1800 0,90 60 67 0,25 48,7* 58,7 220,0 4,23 3PBT S1.2/3 3,56 3,46 R 300 260 200 1800 0,90 60 67 0,50 45,4* 54,7 240,0 4,61 3PBT S1.2/4 3,56 3,46 R 300 260 200 1800 0,90 60 67 0,75 50,1* 60,3 310,0 5,96 3PBT S1.3/1 3,56 3,46 R 300 260 200 1800 0,90 60 67 0,00 51,7* 62,3 240,0 4,61 3PBT S1.3/2 3,56 3,46 R 300 260 200 1800 0,90 60 67 20,00 52,0* 62,7 295,0 5,67 3PBT S1.3/3 3,56 3,46 R 300 260 200 1800 0,90 60 67 40,00 45,1* 54,3 356,0 6,84 3PBT S1.3/4 3,56 3,46 R 300 260 200 1800 0,90 60 67 60,00 52,3* 63,0 395,0 7,59 3PBT S1.4/1 3,56 3,46 R 300 260 200 1800 0,90 60 67 0,00 50,4* 60,7 340,0 6,54 3PBT S1.4/2 3,56 3,46 R 300 260 200 1800 0,90 60 67 20,00 50,6* 61,0 435,0 8,36 3PBT S1.4/3 3,56 3,46 R 300 260 200 1800 0,90 60 67 40,00 42,9* 51,7 440,0 8,46 3PBT S

Type 2 Portland cement 

HPSC 80 Mpa

FibresMix

Beam size

Flexural Reinforcement

Type 1 Portland cement 40‐45 MPa

Concrete Shear Force at [kN]Specimens

By

steel hook‐ended

Cross‐section

Dramix RC‐65/60‐

BN

Page 140: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

 

A‐8 

 

Article 

No.  type

w/c ratio

Age at test 

(days)

Maximum 

aggregate

s size 

σ cp     

[N/mm2]

ρ  flex          

(%)

fys    

averag

e   

[MPa]

a/d

Kind of cross‐

section

h       

[mm]

h f 

[mm]

d         

[mm]

b w       

[mm]

b f       

[mm]

l             

clear 

span   

[mm]

L      

[mm]SF type

d f       

[mm]

l f       

[mm]l f /d f

V f        

(%)

τ 

[MPa]

f' c. 

cyl,m 

[MPa]

f cu.28,m 

[MPa]

Shea

r         

force        

[kN]

Ultimate 

shear 

stress 

[MPa]

kind 

of test

Mode of 

failure          

S= Shear 

F=Flexure

1.4/4 3,56 3,46 R 300 260 200 1800 0,90 60 67 60,00 52,6* 63,3 500,0 9,61 3PBT S2.2/1 1,81 1,54 R 300 747 200 2300 0,90 60 67 0,00 42,4* 51,0 420,0 2,81 3PBT S2.2/2 1,81 1,54 R 300 747 200 2300 0,90 60 67 0,20 42,7* 51,5 560,0 3,75 3PBT S2.2/3 1,81 1,54 R 300 747 200 2300 0,90 60 67 0,75 41,8* 50,4 600,0 4,02 3PBT S2.3/1 1,15 2,50 R 300 460 200 2300 0,90 60 67 0,00 41,6* 50,2 157,0 1,71 3PBT S2.3/2 1,15 2,50 R 300 460 200 2300 0,90 60 67 0,25 41,5* 50,1 165,0 1,79 3PBT S2.3/3 1,15 2,50 R 300 460 200 2300 0,90 60 67 0,70 40,1* 48,4 216,0 2,35 3PBT S2.4/1 1,81 2,50 R 300 460 200 2300 0,90 60 67 0,00 41,6* 50,2 240,0 2,61 3PBT S2.4/2 1,81 2,50 R 300 460 200 2300 0,90 60 67 0,25 41,5* 50,1 216,0 2,35 3PBT S2.4/3 1,81 2,50 R 300 460 200 2300 0,90 60 67 0,75 40,1* 48,4 288,0 3,13 3PBT S2.6/1 1,81 4,04 R 300 285 200 2300 0,90 60 67 0,00 42,4* 51,0 150,0 2,63 3PBT S2.6/2 1,81 4,04 R 300 285 200 2300 0,90 60 67 0,25 42,7* 51,5 165,0 2,90 3PBT S2.6/3 2,83 4,04 R 300 285 200 2300 0,90 60 67 0,75 41,8* 50,4 234,0 4,11 3PBT S3.1/1 2,83 3,50 T 300 0 314 200 200 2200 0,90 60 67 0,50 39,1* 47,1 189,0 3,01 3PBT S

3.1/1 F2 3,09 3,50 T 300 0 314 200 200 2200 0,90 60 67 0,50 40,3* 48,5 225,0 3,58 3PBT S3.1/2 2,73 3,34 T 450 0 494 200 200 3300 0,90 60 67 0,50 39,1* 47,1 249,0 2,52 3PBT S20*50 2,73 3,37 T 500 0 504 200 200 3400 0,90 60 67 0,50 40,3* 48,5 272,0 2,70 3PBT S3.1/3 2,73 3,48 T 600 0 647 200 200 4500 0,90 60 67 0,50 39,1* 47,1 265,0 2,05 3PBT S

3.1/3 F2 2,80 3,48 T 600 0 647 200 200 4500 0,90 60 67 0,50 40,3* 48,5 383,0 2,96 3PBT S8*50 2,80 3,37 T 500 80 564 200 500 3800 0,90 60 67 0,50 40,3* 48,5 338,0 3,00 3PBT S3.2/1 2,80 3,37 T 500 100 564 200 500 3800 0,90 60 67 0,50 39,1* 47,1 286,0 2,54 3PBT S

10*50 F2 2,80 3,37 T 500 100 564 200 500 3800 0,90 60 67 0,50 40,3* 48,5 265,0 2,35 3PBT S3.2/2 2,80 3,37 T 500 150 564 200 500 3800 0,90 60 67 0,50 39,1* 47,1 446,0 3,96 3PBT S

15*50 F2 2,80 3,37 T 500 150 564 200 500 3800 0,90 60 67 0,50 40,3* 48,5 276,0 2,45 3PBT S23*50 F2 2,80 3,37 T 500 230 564 200 500 3800 0,90 60 67 0,50 40,3* 48,5 427,0 3,79 3PBT S3.2/3 2,80 3,37 T 500 150 564 200 750 3800 0,90 60 67 0,50 39,1* 47,1 437,0 3,88 3PBT S3.2/4 2,80 3,37 T 500 150 564 200 1000 3800 0,90 60 67 0,50 39,1* 47,1 412,0 3,65 3PBT S

A15 SFSCCB0 0,50 10,00 2,80 460 3,00 R 300 263 200 2100 2400 0,00 32,6* 39,3 79,3 1,51 4PBT SSFSCCB25 0,50 10,00 2,80 460 3,00 R 300 263 200 2100 2400 hooked 0,55 35 65 0,32 34,7* 41,8 105,0 2,00 4PBT SSFSCCB50 0,50 10,00 2,80 460 3,00 R 300 263 200 2100 2400 0,55 35 65 0,64 40,3* 48,5 142,3 2,71 4PBT S

A16 V1A 0,65 6,30 1,54 3,53 R 100 85 120 600 0,00 23,1 27,8* 24,9 3PBT SV1B 0,65 6,30 1,54 3,53 R 100 85 120 600 0,00 23,1 27,8* 29,7 3PBT SV2A 0,65 6,30 1,54 3,53 R 100 85 120 600 0,55 30 55 1,00 24,4 29,4* 43,7 3PBT SV2B 0,65 6,30 1,54 3,53 R 100 85 120 600 0,55 30 55 1,00 24,4 29,4* 47,2 3PBT SV3A 0,65 6,30 1,54 3,53 R 100 85 120 600 0,55 30 55 2,00 28,1 33,9* 55,1 3PBT SV3B 0,65 6,30 1,54 3,53 R 100 85 120 600 0,55 30 55 2,00 28,1 33,9* 51,1 3PBT SV4A 0,34 6,30 1,54 3,53 R 100 85 120 600 0,00 57,0 68,7* 36,3 3PBT SV4B 0,34 6,30 1,54 3,53 R 100 85 120 600 0,00 57,0 68,7* 36,4 3PBT SV5A 0,34 6,30 1,54 3,53 R 100 85 120 600 0,55 30 55 1,00 59,7 71,9* 72,8 3PBT SV5B 0,34 6,30 1,54 3,53 R 100 85 120 600 0,55 30 55 1,00 59,7 71,9* 66,6 3PBT SV6A 0,34 6,30 1,54 3,53 R 100 85 120 600 0,55 30 55 2,00 52,4 63,1* 57,2 3PBT SV6B 0,34 6,30 1,54 3,53 R 100 85 120 600 0,55 30 55 2,00 52,4 63,1* 53,9 3PBT SV7A 0,34 6,30 1,59 3,55 R 170 155 130 1100 0,00 57,0 68,7* 54,8 3PBT S

Portland 

C42,5 R

Cross‐section

Dramix RC‐65/60‐

Dramix RC‐65/60‐

Dramix RC‐65/60‐

Dramix RC‐65/60‐BN

Type IS Portland 

25 MPa

Type IS Portland 

56 MPa

hooked circular section

hooked circular section

Dramix RC‐65/60‐

Specimens

By

FibresMix

Beam size

Flexural Reinforcement

28‐120

Concrete Shear Force at [kN]

Page 141: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

 

A‐9 

 

Article 

No.  type

w/c ratio

Age at test 

(days)

Maximum 

aggregate

s size 

σ cp     

[N/mm2]

ρ  flex          

(%)

fys    

averag

e   

[MPa]

a/d

Kind of cross‐

section

h       

[mm]

h f 

[mm]

d         

[mm]

b w       

[mm]

b f       

[mm]

l             

clear 

span   

[mm]

L      

[mm]SF type

d f       

[mm]

l f       

[mm]l f /d f

V f        

(%)

τ 

[MPa]

f' c. 

cyl,m 

[MPa]

f cu.28,m 

[MPa]

Shea

r         

force        

[kN]

Ultimate 

shear 

stress 

[MPa]

kind 

of test

Mode of 

failure          

S= Shear 

F=Flexure

V7B 0,34 6,30 1,59 3,55 R 170 155 130 1100 0,00 57,0 68,7* 46,4 3PBT SV8A 0,34 6,30 1,59 3,55 R 170 155 130 1100 0,55 30 55 1,00 59,7 71,9* 68,3 3PBT SV8B 0,34 6,30 1,59 3,55 R 170 155 130 1100 0,55 30 55 1,00 59,7 71,9* 80,1 3PBT SV9A 0,34 6,30 1,59 3,55 R 170 155 130 1100 0,55 30 55 2,00 52,4 63,1* 81,2 3PBT SV9B 0,34 6,30 1,59 3,55 R 170 155 130 1100 0,55 30 55 2,00 52,4 63,1* 104,9 3PBT SVP1A 0,50 6,30 1,54 3,53 R 100 85 120 600 0,00 36,1 43,5* 28,4 3PBT SVP1B 0,50 6,30 1,54 3,53 R 100 85 120 600 0,00 36,1 43,5* 27,0 3PBT SV10A 0,50 6,30 1,54 3,53 R 100 85 120 600 1,05 50 48 0,75 36,6 44,1* 42,7 3PBT SV10B 0,50 6,30 1,54 3,53 R 100 85 120 600 1,05 50 48 0,75 36,6 44,1* 39,0 3PBT SV11A 0,50 6,30 1,54 3,53 R 100 85 120 600 1,05 50 48 1,50 46,1 55,5* 50,0 3PBT SV11B 0,50 6,30 1,54 3,53 R 100 85 120 600 1,05 50 48 1,50 46,1 55,5* 61,8 3PBT SV12A 0,34 6,30 1,84 1,94 R 100 155 110 600 0,00 75,3 90,7* 64,4 3PBT SV12B 0,34 6,30 1,84 1,94 R 100 155 110 600 0,00 75,3 90,7* 50,8 3PBT SV13A 0,34 6,30 1,84 1,94 R 100 155 110 600 0,67 25 37 0,75 73,5 88,6* 62,6 3PBT SV13B 0,34 6,30 1,84 1,94 R 100 155 110 600 0,67 25 37 0,75 73,5 88,6* 51,4 3PBT SV14A 0,34 6,30 1,84 1,94 R 100 155 110 600 0,67 25 37 1,50 73,1 88,1* 67,5 3PBT SV14B 0,34 6,30 1,84 1,94 R 100 155 110 600 0,67 25 37 1,50 73,1 88,1* 55,1 3PBT S

A17 S0.00V0 10,00 3,30 420 3,33 R 180 122 100 1300 1700round straight0,70 42 60 0,00 34,0 41,0* 43,4 3,56 4PBT SS0.50V0 10,00 3,30 420 3,33 R 180 122 100 1300 1700 50% stirrup 60 0,00 34,0 41,0* 65,3 5,35 4PBT SS0.75V0 10,00 3,30 420 3,33 R 180 122 100 1300 1700 75% stirrup 60 0,00 34,0 41,0* 77,6 6,36 4PBT SS1.00V0 10,00 3,30 420 3,33 R 180 122 100 1300 1700 stirrup 60 0,00 34,0 41,0* 85,4 7,00 4PBT SS0.00V1 10,00 3,30 420 3,33 R 180 122 100 1300 1700round straight0,70 42 60 1,00 38,7 46,6* 54,8 4,49 4PBT FS0.50V1 10,00 3,30 420 3,33 R 180 122 100 1300 1700 50% stirrup 60 1,00 38,7 46,6* 69,9 5,73 4PBT FS0.75V1 10,00 3,30 420 3,33 R 180 122 100 1300 1700 75% stirrup 60 1,00 38,7 46,6* 85,4 7,00 4PBT FS0.00V2 10,00 3,30 420 3,33 R 180 122 100 1300 1700round straight0,70 42 60 2,00 42,4 51,1* 69,9 5,73 4PBT FS0.00V2 10,00 3,30 420 3,33 R 180 122 100 1300 1700 50% stirrup 60 2,00 42,4 51,1* 83,0 6,80 4PBT F

A18 DB1000 0,60 20,00 0,00 433 2,00 300 280 100 600 800 100 0,00 20,90 50,0 3PBT FDB1005 0,60 20,00 0,00 433 2,00 300 280 100 600 800 100 0,50 24,50 50,0 3PBT FDB1010 0,60 20,00 0,00 433 2,00 R 300 280 100 600 800 100 1,00 32,60 75,0 3PBT FDB1020 0,60 20,00 0,00 433 2,00 R 300 280 100 600 800 100 2,00 25,50 80,0 3PBT FDB1200 0,60 20,00 0,36 433 2,00 R 300 280 100 600 800 100 0,00 20,90 125,0 3PBT FDB1205 0,60 20,00 0,36 433 2,00 R 300 280 100 600 800 100 0,50 24,50 155,0 3PBT FDB1210 0,60 20,00 0,36 433 2,00 R 300 280 100 600 800 100 1,00 32,60 165,0 3PBT FDB1220 0,60 20,00 0,36 433 2,00 R 300 280 100 600 800 100 2,00 25,50 230,0 3PBT FDB1300 0,60 20,00 0,54 433 2,00 R 300 280 100 600 800 100 0,00 20,90 180,0 3PBT SDB1305 0,60 20,00 0,54 433 2,00 R 300 280 100 600 800 100 0,50 24,50 200,0 3PBT SDB1310 0,60 20,00 0,54 433 2,00 R 300 280 100 600 800 100 1,00 32,60 240,0 3PBT FDB1320 0,60 20,00 0,54 433 2,00 R 300 280 100 600 800 100 2,00 25,50 270,0 3PBT FDB2310 0,60 20,00 0,54 433 0,67 R 300 280 100 600 800 100 1,00 32,60 270,0 4PBT SDB1510 0,60 20,00 0,90 433 2,00 R 300 280 100 600 800 100 1,00 32,60 270,0 3PBT S

A19 A00 0,36 10,00 1,91 610 2,80 R 250 219 150 2300 2500 0,00 41,2 49,6* 40,5 1,23 4PBT SA01 0,36 10,00 1,91 610 2,80 R 250 219 150 2300 2500 0,00 41,2 49,6* 89,5 2,72 4PBT SA02 0,36 10,00 1,91 610 2,80 R 250 219 150 2300 2500 0,00 41,2 49,6* 114,0 3,47 4PBT F

Cross‐section

Portland Pozzolana Cement

Type I Prdinary Portland 

cement 35MPa

Type IS Portland  

40 MPa

Type III Portland 

73 MPa

hooked circular section

hooked circular section

dato mancante: hp =round steel fibre

Type IS 

Portland 56 

MPa

Portland 

Cement 

Type 

hooked circular section

Specimens

By

FibresMix

Beam size

Flexural ReinforcementConcrete Shear Force at [kN]

Page 142: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

 

A‐10 

 

Article 

No.  type

w/c ratio

Age at test 

(days)

Maximum 

aggregate

s size 

σ cp     

[N/mm2]

ρ  flex          

(%)

f ys    

average   

[Mpa]

a/d

Kind of cross‐

section

h       

[mm]

h f 

[mm]

d         

[mm]

b w       

[mm]

b f       

[mm]

l             

clear 

span   

[mm]

L      

[mm]SF type

d f       

[mm]

l f       

[mm]l f /d f

V f        

(%)

τ 

[Mpa]

f' c. 

cyl,m 

[Mpa]

f cu.28,m 

[Mpa]

Shea

r         

force        

[kN]

Ultimate 

shear 

stress 

[MPa]

kind 

of test

Mode of 

failure          

S= Shear 

F=Flexure

B00 0,36 10,00 1,91 610 2,00 R 250 219 150 2300 2500 0,00 41,2 49,6* 49,5 1,51 4PBT SB01 0,36 10,00 1,91 610 2,00 R 250 219 150 2300 2500 0,00 41,2 49,6* 60,2 1,83 4PBT SB02 0,36 10,00 1,91 610 2,00 R 250 219 150 2300 2500 0,00 41,2 49,6* 142,6 4,34 4PBT SA10 0,36 10,00 1,91 610 2,80 R 250 219 150 2300 2500 hooked‐end 0,50 30 60 1,00 40,9 49,2* 96,4 2,93 4PBT SA20 0,36 10,00 1,91 610 2,80 R 250 219 150 2300 2500 hooked‐end 0,50 30 60 2,00 43,2 52,1* 103,3 3,15 4PBT FA11 0,36 10,00 1,91 610 2,80 R 250 219 150 2300 2500 hooked‐end 0,50 30 60 1,00 40,9 49,2* 99,7 3,03 4PBT SA12 0,36 10,00 1,91 610 2,80 R 250 219 150 2300 2500 hooked‐end 0,50 30 60 1,00 40,9 49,2* 115,8 3,53 4PBT FA21 0,36 10,00 1,91 610 2,80 R 250 219 150 2300 2500 hooked‐end 0,50 30 60 2,00 43,2 52,1* 123,0 3,74 4PBT FB10 0,36 10,00 1,91 610 2,00 R 250 219 150 2300 2500 hooked‐end 0,50 30 60 1,00 40,9 49,2* 115,1 3,50 4PBT SB20 0,36 10,00 1,91 610 2,00 R 250 219 150 2300 2500 hooked‐end 0,50 30 60 2,00 43,2 52,1* 115,5 3,52 4PBT SB11 0,36 10,00 1,91 610 2,00 R 250 219 150 2300 2500 hooked‐end 0,50 30 60 1,00 40,9 49,2* 120,8 3,68 4PBT SB12 0,36 10,00 1,91 610 2,00 R 250 219 150 2300 2500 hooked‐end 0,50 30 60 1,00 40,9 49,2* 156,6 4,77 4PBT FB21 0,36 10,00 1,91 610 2,00 R 250 219 150 2300 2500 hooked‐end 0,50 30 60 2,00 43,2 52,1* 173,3 5,28 4PBT F

A20 PCB1 0,50 60 10,00 2,37 2,41 R 200 170 50 820 1000 0,38 38 100 0,00 32,5* 39,2 23,5 2,76 3PBT SF30B1 0,50 60 10,00 2,37 2,41 R 200 170 50 820 1000 0,38 38 100 0,85 32,5* 39,1 32,8 3,86 3PBT SF45B1 0,50 60 10,00 2,37 2,41 R 200 170 50 820 1000 0,38 38 100 1,30 39,8* 47,9 36,2 4,26 3PBT F‐SPCB2 0,50 60 10,00 2,37 1,62 R 200 170 50 552 725 0,38 38 100 0,00 32,5* 39,2 45,3 5,33 3PBT SF30B2 0,50 60 10,00 2,37 1,62 R 200 170 50 552 725 0,38 38 100 0,85 32,5* 39,1 50,9 5,99 3PBT FF45B2 0,50 60 10,00 2,37 1,62 R 200 170 50 552 725 0,38 38 100 1,30 39,8* 47,9 54,1 6,37 3PBT FPCB3 0,50 60 10,00 2,37 0,81 R 200 170 50 274 455 0,38 38 100 0,00 32,5* 39,2 74,5 8,76 3PBT SF3OB3 0,50 60 10,00 2,37 0,81 R 200 170 50 274 455 0,38 38 100 0,85 32,5* 39,1 81,2 9,55 3PBT SF45B3 0,50 60 10,00 2,37 0,81 R 200 170 50 274 455 0,38 38 100 1,30 39,8* 47,9 107,6 12,66 3PBT F

A21 2,20 3,00 R 102 60 1,00 22,7 27,3* 3,16 S1,10 3,00 R 102 60 1,00 22,7 27,3* 2,43 S1,10 1,50 R 102 60 1,00 22,7 27,3* 5,64 S2,20 3,00 R 102 100 1,00 26,0 31,3* 3,55 S2,20 3,00 R 204 60 1,00 22,7 27,3* 3,05 S1,34 2,00 R 197 60 0,50 29,1 35,1* 2,54 S1,34 2,80 R 197 60 0,50 29,1 35,1* 1,78 S1,34 3,60 R 197 60 0,50 29,1 35,1* 1,52 S2,00 2,80 R 197 60 0,75 29,1 35,1* 2,20 S2,00 2,80 R 197 60 0,75 20,6 24,8* 2,03 S2,00 2,80 R 197 60 0,75 33,4 40,2* 2,91 S1,10 2,50 R 221 60 0,50 34,0 41,0* 1,73 S2,20 1,50 R 221 60 0,50 34,0 41,0* 4,02 S2,20 2,50 R 221 60 0,50 34,0 41,0* 1,90 S2,20 3,50 R 221 60 0,50 34,0 41,0* 1,47 S2,20 1,50 R 221 60 1,00 34,0 41,0* 4,39 S2,20 2,50 R 221 60 1,00 34,0 41,0* 2,46 S2,00 2,00 R 130 100 0,25 61,0 73,5* 2,96 S2,00 3,00 R 130 100 0,25 61,0 73,5* 2,77 S2,00 3,00 R 130 133 0,50 36,0 43,4* 1,97 S2,00 3,00 R 130 100 1,00 36,0 43,4* 2,97 S

Cross‐section

crimped and 

hooked steel

hooked

hooked

Li, W

ard and 

Ham

zaMansur, Ong and 

Param

asivam

Lim, Param

avisam

 and Lee

Narayanana 

and Darwish

crimped

Duoform brass coated

Portland Cement Type 42,5

Specimens

By

FibresMix

Beam size

Flexural ReinforcementConcrete Shear Force at [kN]

Page 143: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

 

A‐11 

 

Article 

No.  type

w/c ratio

Age at test 

(days)

Maximum 

aggregate

s size 

σ cp     

[N/mm2]

ρ  flex          

(%)

f ys    

average   

[Mpa]

a/d

Kind of cross‐

section

h       

[mm]

h f 

[mm]

d         

[mm]

b w       

[mm]

b f       

[mm]

l             

clear 

span   

[mm]

L      

[mm]SF type

d f       

[mm]

l f       

[mm]l f /d f

V f        

(%)

τ 

[Mpa]

f' c. 

cyl,m 

[Mpa]

f cu.28,m 

[Mpa]

Shea

r         

force        

[kN]

Ultimate 

shear 

stress 

[MPa]

kind 

of test

Mode of 

failure          

S= Shear 

F=Flexure

2,00 3,50 R 130 133 0,50 49,0 59,0* 2,61 S2,00 2,00 R 130 133 1,00 57,4 69,2* 5,57 S3,69 3,00 R 130 133 0,50 36,0 43,4* 2,24 S5,72 3,10 R 130 133 0,50 36,0 43,4* 2,33 S5,72 3,10 R 130 133 1,00 57,4 69,2* 5,00 S2,84 1,00 R 215 75 0,50 99,0 119,3* 9,09 S2,84 2,00 R 215 75 0,50 99,0 119,3* 4,82 S2,84 1,00 R 215 75 1,00 95,0 114,5* 12,74 S2,84 1,00 R 215 75 1,50 96,0 115,7* 13,95 S2,84 2,00 R 215 75 1,50 96,0 115,7* 7,21 S4,58 2,00 R 215 75 1,00 94,0 113,3* 4,89 S4,58 4,00 R 215 75 1,00 94,0 113,3* 3,88 S4,00 4,50 R 210 100 0,40 44,4 53,5* 2,16 S4,00 4,50 R 210 100 0,80 46,8 56,4* 3,10 S4,00 4,50 R 210 100 1,20 49,8 60,0* 3,13 S3,55 0,70 R 350 100 0,50 60,0 72,3* 9,42 S3,55 0,47 R 350 100 1,00 60,0 72,3* 13,16 S3,55 0,92 R 350 100 1,00 60,0 72,3* 9,97 S3,55 0,70 R 350 100 1,00 67,0 80,7* 11,48 S3,55 0,70 R 350 100 1,00 38,0 45,8* 8,52 S3,55 0,70 R 350 100 1,00 42,0 50,6* 9,65 S3,55 0,70 R 350 100 1,25 68,0 81,9* 11,39 S3,59 2,00 R 175 100 0,50 80,0 96,4* 6,84 S3,59 3,00 R 175 100 0,50 80,0 96,4* 3,19 S3,59 4,50 R 175 100 0,50 80,0 96,4* 2,78 S3,59 2,00 R 175 100 1,00 80,0 96,4* 7,40 S3,59 3,00 R 175 100 1,00 80,0 96,4* 4,10 S3,59 4,50 R 175 100 1,00 80,0 96,4* 3,44 S2,15 1,35 R 557 60 0,75 54,0 65,1* 3,30 S2,15 1,35 R 557 60 1,50 50,0 60,2* 3,87 S2,15 1,35 R 557 60 0,40 55,0 66,3* 2,44 S2,15 1,35 R 557 60 0,60 56,0 67,5* 2,77 S2,15 1,35 R 557 100 0,40 47,0 56,6* 2,95 S1,22 2,00 R 186 50 0,50 28,7 34,6* 1,64 S1,22 2,00 R 186 100 0,50 32,2 38,8* 1,94 S1,22 2,00 R 186 50 1,00 29,0 34,9* 2,18 S1,22 3,00 R 186 50 1,00 32,1 38,7* 1,58 S1,22 3,00 R 186 100 1,00 32,3 38,9* 1,98 S1,22 3,00 R 186 50 1,50 32,8 39,5* 2,42 S3,89 2,00 R 340 60 0,50 35,0 42,2* 10,68 S3,89 2,00 R 340 60 0,75 33,0 39,8* 8,87 S3,89 2,00 R 340 60 1,00 36,0 43,4* 10,31 S3,89 2,50 R 340 60 1,00 36,0 43,4* 7,56 S3,89 1,50 R 340 60 1,00 36,0 43,4* 15,05 S

plain

hooked

Cross‐sectionAdebar, 

Mindess, St. 

Pierre and 

Olund

Murthy and 

Venkatachartulu

Tan, 

Murugappan 

and 

Param

asivam

hooked

Ashour, Hasanain and 

Wafa

Swam

y and 

Bahia

Narayanan and 

Darwish

Shin, Oh and Goosh

hooked

crimpe

dcrimped

plain

Narayanana 

and Darwish

crimped

Specimens

By

FibresMix

Beam size

Flexural ReinforcementConcrete Shear Force at [kN]

Page 144: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

 

A‐12 

 

Article 

No.  type

w/c ratio

Age at test 

(days)

Maximum 

aggregate

s size 

σ cp     

[N/mm2]

ρ  flex          

(%)

fys    

averag

e   

[MPa]

a/d

Kind of cross‐

section

h       

[mm]

h f 

[mm]

d         

[mm]

b w       

[mm]

b f       

[mm]

l             

clear 

span   

[mm]

L      

[mm]SF type

d f       

[mm]

l f       

[mm]l f /d f

V f        

(%)

τ 

[MPa]

f' c. 

cyl,m 

[MPa]

f cu.28,m 

[MPa]

Shea

r         

force        

[kN]

Ultimate 

shear 

stress 

[MPa]

kind 

of test

Mode of 

failure          

S= Shear 

F=Flexure

4,31 2,00 R 265 100 1,00 44,5 53,6* 5,51 S4,31 3,43 R 265 100 1,00 51,1 61,6* 4,05 S4,31 4,91 R 265 100 1,00 45,0 54,2* 2,92 S2,76 3,43 R 265 100 1,00 41,4 49,9* 3,13 S1,55 2,00 R 265 100 1,00 44,6 53,7* 4,65 S

A22 2,20 1,50 R 200 182 100 60 0,75 3,78 53,0 63,9* 99,0 5,44 S2,20 2,00 R 200 182 100 60 0,75 3,78 53,0 63,9* 65,0 3,57 S2,20 2,50 R 200 182 100 60 0,75 3,78 53,0 63,9* 62,1 3,41 S2,00 2,50 R 300 280 100 60 0,75 3,78 53,0 63,9* 90,2 3,22 S2,00 3,00 R 300 280 100 60 0,75 3,78 53,0 63,9* 73,6 2,63 S3,54 1,50 R 100 80 100 60 1,50 3,78 50,0 60,2* 52,2 6,52 S3,54 2,00 R 100 80 100 60 1,50 3,78 50,0 60,2* 44,6 5,58 S1,84 1,50 R 100 85 100 60 1,50 3,78 50,0 60,2* 46,8 5,51 S2,20 1,00 R 200 182 100 60 1,50 3,78 50,0 60,2* 131,8 7,24 S2,20 1,50 R 200 182 100 60 1,50 3,78 50,0 60,2* 109,6 6,02 S2,20 2,00 R 200 182 100 60 1,50 3,78 50,0 60,2* 77,0 4,23 S2,00 2,00 R 300 280 100 60 1,50 3,78 50,0 60,2* 106,7 3,81 S1,16 2,00 R 150 130 100 53 0,75 3,78 48,0 57,8* 31,1 2,39 S2,20 1,50 R 200 182 100 53 0,75 3,78 48,0 57,8* 82,8 4,55 S2,20 2,00 R 200 182 100 53 0,75 3,78 48,0 57,8* 57,3 3,15 S2,20 2,50 R 200 182 100 53 0,75 3,78 48,0 57,8* 46,0 2,53 S2,20 3,00 R 200 182 100 53 0,75 3,78 48,0 57,8* 41,9 2,30 S2,20 3,50 R 200 182 100 53 0,75 3,78 48,0 57,8* 36,8 2,02 S2,00 2,00 R 300 280 100 53 0,75 3,78 48,0 57,8* 68,6 2,45 S1,16 1,50 R 150 130 100 53 1,50 3,78 54,0 65,1* 52,0 4,00 S2,20 1,50 R 200 182 100 53 1,50 3,78 54,0 65,1* 97,4 5,35 S2,20 2,00 R 200 182 100 53 2,00 3,78 54,0 65,1* 60,1 3,30 S2,20 2,50 R 200 182 100 53 2,50 3,78 54,0 65,1* 58,2 3,20 S2,00 2,00 R 300 280 100 53 2,00 3,78 54,0 65,1* 101,9 3,64 S1,55 2,50 R 150 135 75 50 0,75 3,61 31,4 37,8* 21,8 2,15 S1,55 2,50 R 150 135 75 63 0,75 3,61 30,6 36,9* 24,0 2,37 S1,55 2,50 R 150 135 75 83 0,75 3,61 29,2 35,2* 27,5 2,72 S1,55 2,50 R 150 135 75 100 0,75 3,61 31,2 37,6* 27,3 2,70 S1,34 2,00 R 225 197 150 0,50 30 60 0,50 3,30 29,1 35,1* 75,1 2,54 S1,34 2,80 R 225 197 150 0,50 30 60 0,50 3,30 29,1 35,1* 52,6 1,78 S1,34 3,60 R 225 197 150 0,50 30 60 0,50 3,30 29,1 35,1* 44,9 1,52 S1,34 2,00 R 225 197 150 0,50 30 60 0,75 3,30 29,9 36,0* 85,1 2,88 S1,34 2,80 R 225 197 150 0,50 30 60 0,75 3,30 29,9 36,0* 60,0 2,03 S2,00 2,80 R 225 197 150 0,50 30 60 0,75 3,30 29,9 36,0* 65,0 2,20 S1,34 2,80 R 225 197 150 0,50 30 60 0,75 3,30 20,6 24,8* 44,9 1,52 S2,00 2,80 R 225 197 150 0,50 30 60 0,75 3,30 20,6 24,8* 60,0 2,03 S2,00 2,80 R 225 197 150 0,50 30 60 0,75 3,30 33,4 40,2* 86,0 2,91 S

A23 1 0,50 7 19,00 3,90 460 2,00 I 375 50 340 60 140 1910 0,00 34,0 41,0* 63,15 0,31 4PBT S

Uomoto et al. (1986) Indented cut wire

crimped

Cross‐section

Sheared

Kadir 

&Saeed 

(1986)

Mansur et al. (1986)

Duoform

Hooked end 

Swam

y, Jones 

and Chiam

Specimens

By

FibresMix

Beam size

Flexural ReinforcementConcrete Shear Force at [kN]

Page 145: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

 

A‐13 

  

Article 

No.  type

w/c ratio

Age at test 

(days)

Maximum 

aggregate

s size 

σ cp     

[N/mm2]

ρ  flex          

(%)

fys    

averag

e   

[MPa]

a/d

Kind of cross‐

section

h       

[mm]

h f 

[mm]

d         

[mm]

b w       

[mm]

b f       

[mm]

l             

clear 

span   

[mm]

L      

[mm]SF type

d f       

[mm]

l f       

[mm]l f /d f

V f        

(%)

τ 

[MPa]

f' c. 

cyl,m 

[MPa]

f cu.28,m 

[MPa]

Shea

r         

force        

[kN]

Ultimate 

shear 

stress 

[MPa]

kind 

of test

Mode of 

failure          

S= Shear 

F=Flexure

2 0,50 7 19,00 3,90 460 2,00 I 375 50 340 60 140 1910 0,50 30 60 0,50 34,0 41,0* 109,0 0,53 4PBT S3 0,50 7 19,00 3,90 460 2,00 I 375 50 340 60 140 1910 0,50 30 60 0,75 34,0 41,0* 90,5 0,44 4PBT S4 0,50 7 19,00 3,90 460 2,00 I 375 50 340 60 140 1910 0,50 30 60 1,00 34,0 41,0* 105,2 0,52 4PBT S5 0,50 7 19,00 3,90 460 2,50 I 375 50 340 60 140 1910 0,50 30 60 1,00 34,0 41,0* 77,1 0,38 4PBT S6 0,50 7 19,00 3,90 460 1,50 I 375 50 340 60 140 1910 0,50 30 60 1,00 34,0 41,0* 153,5 0,75 4PBT S

A24 A1 0,60 28 3,12 4,80 R 152 127 101 1966 1981 0,00 35,1 42,3* 42,4 3,30 4PBT SA2 0,60 28 3,12 4,80 R 152 127 101 1967 1982 0,00 35,1 42,3* 41,4 3,23 4PBT SA3 0,60 28 3,12 4,80 R 152 127 101 1968 1983 0,00 35,1 42,3* 45,6 3,56 4PBT SB3 0,60 28 3,12 4,40 R 152 127 101 1969 1984 round 0,25 25 102 0,22 33,2 40,0* 55,6 4,33 4PBT SC1 0,60 28 3,12 4,20 R 152 127 101 1970 1985 round 0,25 25 102 0,22 33,2 40,0* 55,4 4,32 4PBT SC2 0,60 28 3,12 4,20 R 152 127 101 1971 1986 round 0,25 25 102 0,22 33,2 40,0* 49,1 3,82 4PBT SC3 0,60 28 3,12 4,20 R 152 127 101 1972 1987 round 0,25 25 102 0,22 33,2 40,0* 44,2 3,45 4PBT SD2 0,60 28 3,12 4,30 R 152 127 101 1973 1988 round 0,25 25 102 0,22 33,2 40,0* 52,0 4,05 4PBT SD3 0,60 28 3,12 4,30 R 152 127 101 1974 1989 round 0,25 25 102 0,22 33,2 40,0* 49,2 3,84 4PBT SF1 0,60 28 3,12 4,00 R 152 127 101 1975 1990 round 0,25 25 102 0,44 40,7 49,1* 58,2 4,54 4PBT SF2 0,60 28 3,12 4,00 R 152 127 101 1976 1991 round 0,25 25 102 0,44 40,7 49,1* 54,8 4,27 4PBT SF3 0,60 28 3,12 4,00 R 152 127 101 1977 1992 round 0,25 25 102 0,44 40,7 49,1* 58,2 4,54 4PBT SG1 0,60 28 3,12 4,40 R 152 127 101 1978 1993 round 0,25 25 102 0,22 33,2 40,0* 49,8 3,88 4PBT SG3 0,60 28 3,12 4,40 R 152 127 101 1979 1994 round 0,25 25 102 0,22 33,2 40,0* 47,3 3,69 4PBT SL1 0,60 28 3,12 4,00 R 152 127 101 1980 1995 crimped 0,51 25 50 0,22 33,2 40,0* 52,9 4,13 4PBT SL2 0,60 28 3,12 4,00 R 152 127 101 1981 1996 crimped 0,51 25 50 0,22 33,2 40,0* 53,1 4,14 4PBT SL3 0,60 28 3,12 4,00 R 152 127 101 1982 1997 crimped 0,51 25 50 0,22 33,2 40,0* 58,2 4,54 4PBT SM1 0,60 28 3,12 4,60 R 152 127 101 1983 1998 crimped 0,51 25 50 0,22 33,2 40,0* 45,5 3,54 4PBT SM2 0,60 28 3,12 4,40 R 152 127 101 1984 1999 crimped 0,51 25 50 0,22 33,2 40,0* 47,6 3,71 4PBT SM3 0,60 28 3,12 4,40 R 152 127 101 1985 2000 crimped 0,51 25 50 0,22 33,2 40,0* 45,2 3,52 4PBT SN1 0,60 28 3,12 5,00 R 152 127 101 1986 2001 crimped 0,51 25 50 0,22 33,2 40,0* 42,8 3,34 4PBT SN2 0,60 28 3,12 4,80 R 152 127 101 1987 2002 crimped 0,51 25 50 0,22 33,2 40,0* 47,3 3,69 4PBT SO1 0,60 28 3,12 4,00 R 152 127 101 1988 2003 crimped 0,51 25 50 0,44 40,7 49,1* 55,3 4,31 4PBT SP1 0,60 28 3,12 4,20 R 152 127 101 1989 2004 crimped 0,51 25 50 0,44 40,7 49,1* 59,3 4,63 4PBT SP2 0,60 28 3,12 4,20 R 152 127 101 1990 2005 crimped 0,51 25 50 0,44 40,7 49,1* 52,9 4,13 4PBT SP3 0,60 28 3,12 4,20 R 152 127 101 1991 2006 crimped 0,51 25 50 0,44 40,7 49,1* 57,1 4,46 4PBT SR1 0,60 28 3,12 3,20 R 152 127 101 1992 2007 crimped 0,51 25 50 0,88 40,2 48,5* 64,5 5,03 4PBT SR2 0,60 28 3,12 3,40 R 152 127 101 1993 2008 crimped 0,51 25 50 0,88 40,2 48,5* 60,3 4,70 4PBT SS1 0,60 28 3,12 3,40 R 152 127 101 1994 2009 crimped 0,51 25 50 0,88 40,2 48,5* 58,2 4,54 4PBT SS2 0,60 28 3,12 3,40 R 152 127 101 1995 2010 crimped 0,51 25 50 0,88 40,2 48,5* 73,7 5,74 4PBT SS3 0,60 28 3,12 3,40 R 152 127 101 1996 2011 crimped 0,51 25 50 0,88 40,2 48,5* 69,4 5,41 4PBT SV2 0,60 28 3,12 1,80 R 152 127 101 1997 2012 crimped 0,51 25 50 1,76 40,3 48,6* 135,5 10,56 4PBT SW1 0,60 28 3,12 1,20 R 152 127 101 1998 2013 crimped 0,51 25 50 1,76 40,3 48,6* 255,4 19,91 4PBT SW2 0,60 28 3,12 1,20 R 152 127 101 1999 2014 crimped 0,51 25 50 1,76 40,3 48,6* 245,3 19,12 4PBT SX1 0,60 28 3,12 4,80 R 152 127 101 2001 2016 crimped 0,51 25 50 0,22 33,2 40,0* 42,7 3,33 4PBT SX2 0,60 28 3,12 4,80 R 152 127 101 2002 2017 crimped 0,51 25 50 0,22 33,2 40,0* 41,1 3,20 4PBT SX3 0,60 28 3,12 4,80 R 152 127 101 2003 2018 crimped 0,51 25 50 0,22 33,2 40,0* 45,8 3,57 4PBT S

Ordinary 

Portland 

Cement

hooked‐

ended steel 

fibres

Cross‐sectionSpecimens

By

FibresMix

Beam size

Flexural ReinforcementConcrete Shear Force at [kN]

Page 146: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

 

A‐14 

 

Article 

No.  type

w/c ratio

Age at test 

(days)

Maximum 

aggregate

s size 

σ cp     

[N/mm2]

ρ  flex          

(%)

fys    

averag

e   

[MPa]

a/d

Kind of cross‐

section

h       

[mm]

h f 

[mm]

d         

[mm]

b w       

[mm]

b f       

[mm]

l             

clear 

span   

[mm]

L      

[mm]SF type

d f       

[mm]

l f       

[mm]l f /d f

V f        

(%)

τ 

[MPa]

f' c. 

cyl,m 

[MPa]

f cu.28,m 

[MPa]

Shea

r         

force        

[kN]

Ultimate 

shear 

stress 

[MPa]

kind 

of test

Mode of 

failure          

S= Shear 

F=Flexure

A25 A C35 0,47 28 0,00 0,80 3,20 R 150 125 100 1000 1200 0,00 32,5* 39,2 14,4 1,15 SB 0,47 28 0,00 0,80 3,20 R 150 125 100 1000 1200 hooked 1,00 51 50 0,50 34,1* 41,1 15,3 1,22 SC 0,47 28 0,00 0,80 3,20 R 150 125 100 1000 1200 hooked 1,00 51 50 1,00 35,3* 42,5 18,5 1,48 SD 0,47 28 0,00 0,80 3,20 R 150 125 100 1000 1200 hooked 1,00 51 50 1,50 35,9* 43,2 20,5 1,64 SE 0,47 28 0,00 0,80 3,20 R 150 125 100 1000 1200 hooked 1,00 51 50 2,00 36,6* 44,0 21,1 1,69 SF 0,47 28 0,00 0,80 3,20 R 150 125 100 1000 1200 hooked 1,00 51 50 2,50 37,9* 45,6 21,4 1,71 SG 0,47 28 0,00 0,80 3,20 R 150 125 100 1000 1200 hooked 1,00 51 50 3,00 38,3* 46,1 21,5 1,72 S

A26 P1 0,40 6,27 3,13 530 3,00 R 150 114 85 900 0,30 30 100 0,00 44,7 53,9* 27,0 2,79 4PBTP2 0,40 6,27 3,13 530 3,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 0,30 55,0 66,3* 36,0 3,72 4PBTP3 0,40 6,27 3,13 530 3,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 0,60 56,0 67,5* 40,0 4,13 4PBTP4 0,40 6,27 3,13 530 3,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 0,90 54,4 65,5* 50,0 5,16 4PBTP5 0,40 6,27 3,13 530 3,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 1,20 56,8 68,4* 58,6 6,05 4PBTP6 0,40 6,27 3,13 530 3,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 1,50 55,3 66,6* 55,4 5,72 4PBTP7 0,40 6,27 3,13 530 3,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 2,00 66,2 79,8* 51,1 5,27 4PBTP8 0,40 6,27 3,13 530 3,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 3,00 0,0 0,0* 0,0 0,00 4PBTP9 0,40 4,71 3,13 530 3,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 0,30 65,0 78,3* 35,1 3,62 4PBTP10 0,40 4,71 3,13 530 3,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 0,60 67,8 81,7* 40,0 4,13 4PBTP11 0,40 4,71 3,13 530 3,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 0,90 59,1 71,2* 55,4 5,72 4PBTP12 0,40 4,71 3,13 530 3,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 1,20 61,3 73,9* 50,1 5,17 4PBTP13 0,40 4,71 3,13 530 3,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 2,00 66,2 79,8* 49,5 5,11 4PBTP14 0,40 4,71 3,13 530 3,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 3,00 0,0 0,0* 0,0 0,00 4PBTP15 0,40 3,14 3,13 530 3,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 0,30 63,3 76,3* 30,0 3,10 4PBTP16 0,40 3,14 3,13 530 3,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 0,60 66,3 79,9* 42,3 4,37 4PBTP17 0,40 3,14 3,13 530 3,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 0,90 53,8 64,8* 46,3 4,78 4PBTP18 0,40 3,14 3,13 530 3,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 1,20 54,8 66,0* 49,8 5,14 4PBTP19 0,40 3,14 3,13 530 3,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 2,00 61,5 74,1* 52,0 5,37 4PBTP20 0,40 3,14 3,13 530 3,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 2,50 63,5 76,5* 54,5 5,62 4PBTP21 0,40 7,84 4,47 530 3,00 R 150 100 85 900 crimped 0,30 30 100 0,30 63,3 76,3* 46,4 5,46 4PBTP22 0,40 7,84 4,47 530 3,00 R 150 100 85 900 crimped 0,30 30 100 0,60 66,3 79,9* 53,5 6,29 4PBTP23 0,40 7,84 4,47 530 3,00 R 150 100 85 900 crimped 0,30 30 100 0,90 53,8 64,8* 50,3 5,92 4PBTP24 0,40 7,84 4,47 530 3,00 R 150 100 85 900 crimped 0,30 30 100 1,20 54,8 66,0* 51,3 6,04 4PBTP25 0,40 7,84 4,47 530 3,00 R 150 100 85 900 crimped 0,30 30 100 2,00 60,0 72,3* 60,9 7,16 4PBTP26 0,40 7,84 4,47 530 3,00 R 150 100 85 900 crimped 0,30 30 100 2,50 66,0 79,5* 57,4 6,75 4PBTP27 0,40 3,14 3,13 530 2,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 0,00 55,4 66,7* 34,3 3,54 4PBTP28 0,40 3,14 3,13 530 2,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 1,00 56,3 67,8* 59,3 6,12 4PBTP29 0,40 3,14 3,13 530 2,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 2,00 61,5 74,1* 59,7 6,16 4PBTP30 0,40 3,14 3,13 530 2,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 2,50 63,5 76,5* 68,1 7,03 4PBTP31 0,40 7,84 4,47 530 2,00 R 150 100 85 900 crimped 0,30 30 100 0,00 55,4 66,7* 53,4 6,28 4PBTP32 0,40 7,84 4,47 530 2,00 R 150 100 85 900 crimped 0,30 30 100 1,00 56,3 67,8* 71,1 8,36 4PBTP33 0,40 7,84 4,47 530 2,00 R 150 100 85 900 crimped 0,30 30 100 2,00 60,0 72,3* 75,8 8,92 4PBTP34 0,40 7,84 4,47 530 2,00 R 150 100 85 900 crimped 0,30 30 100 2,50 66,0 79,5* 69,3 8,15 4PBTP35 0,40 0,00 3,13 530 2,00 R 150 114 85 900 52,0 62,7* 34,8 3,59 4PBTP36 0,40 0,00 3,13 530 2,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 1,00 53,0 63,9* 36,4 3,76 4PBT

no coarse aggregate

Cross‐sectionSpecimens

By

FibresMix

Beam size

Flexural ReinforcementConcrete Shear Force at [kN]

Page 147: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

 

A‐15 

  

Article 

No.  type

w/c ratio

Age at test 

(days)

Maximum 

aggregate

s size 

σ cp     

[N/mm2]

ρ  flex          

(%)

fys    

averag

e   

[MPa]

a/d

Kind of cross‐

section

h       

[mm]

h f 

[mm]

d         

[mm]

b w       

[mm]

b f       

[mm]

l             

clear 

span   

[mm]

L      

[mm]SF type

d f       

[mm]

l f       

[mm]l f /d f

V f        

(%)

τ 

[MPa]

f' c. 

cyl,m 

[MPa]

f cu.28,m 

[MPa]

Shea

r         

force        

[kN]

Ultimate 

shear 

stress 

[MPa]

kind 

of test

Mode of 

failure          

S= Shear 

F=Flexure

P37 0,40 0,00 3,13 530 2,00 R 150 114 85 900 crimped 0,30 30 100 0,00 52,0 62,7* 54,3 5,60 4PBTP38 0,40 0,00 3,13 530 2,00 R 150 114 85 900 53,0 63,9* 59,9 6,18 4PBT

A27 1 0,20 90 0,00 7,26 3,33 I 650 100 600 50 400 4000 4500 straight  0,20 13 65 2,50 161,0 176,0 430,0 3PBT S2 0,21 85 14,83 7,26 3,33 I 650 100 600 50 400 4000 4500 straight  0,20 13 65 2,50 160,0 178,0 497,0 3PBT S3 0,22 65 7,15 7,26 3,33 I 650 100 600 50 400 4000 4500 straight  0,20 13 65 2,50 149,0 166,0 428,0 3PBT S4 0,20 58 7,15 7,26 3,33 I 650 100 600 50 400 4000 4500 straight  0,20 13 65 1,25 164,0 180,0 336,5 3PBT S5 0,19 49 7,15 7,26 3,33 I 650 100 600 50 400 4000 4500 mix 0,32 19,80 62 2,50 171,0 187,0 440,0 3PBT S6 0,22 34 7,15 7,26 3,33 I 650 100 600 50 400 4000 4500 hooked 0,50 30 60 2,50 157,0 168,0 330,0 3PBT S7 0,21 34 7,15 7,26 3,33 I 650 100 600 50 400 4000 4500 mix 0,32 20 62 2,50 169,0 185,0 400,0 3PBT S

A28 1 27 14,00 13,08 1,58 2,35 I 900 100 810 80 300 10300 10900 52,3* 63,0 437,6 0,68 3PBT S2 26 14,00 13,08 1,58 2,35 I 900 100 810 80 300 10300 10900 54,3* 65,4 528,5 0,82 3PBT S3 38 14,00 13,08 1,58 2,35 I 900 100 810 80 300 10300 10900 hooked 0,75 60 80 0,51 51,8* 62,4 542,4 0,84 3PBT S4 37 14,00 13,08 1,58 2,35 I 900 100 810 80 300 10300 10900 hooked 0,75 60 80 0,76 46,2* 55,7 509,4 0,79 3PBT S

A29 1 0,50 7 19,00 3,90 460 2,00 I 375 50 340 60 140 1910 0,00 34,0 41,0* 63,15 0,31 4PBT S2 0,50 7 19,00 3,90 460 2,00 I 375 50 340 60 140 1910 0,50 30 60 0,50 34,0 41,0* 109,0 0,53 4PBT S3 0,50 7 19,00 3,90 460 2,00 I 375 50 340 60 140 1910 0,50 30 60 0,75 34,0 41,0* 90,5 0,44 4PBT S4 0,50 7 19,00 3,90 460 2,00 I 375 50 340 60 140 1910 0,50 30 60 1,00 34,0 41,0* 105,2 0,52 4PBT S5 0,50 7 19,00 3,90 460 2,50 I 375 50 340 60 140 1910 0,50 30 60 1,00 34,0 41,0* 77,1 0,38 4PBT S6 0,50 7 19,00 3,90 460 1,50 I 375 50 340 60 140 1910 0,50 30 60 1,00 34,0 41,0* 153,5 0,75 4PBT S

A30 1 0,70 9,50 1,08 450 2,87 R 230 209 150 1800 0,00 44,8 54,0* 42,5 0,14 4PBT S2 0,70 9,50 1,08 450 2,87 R 230 209 150 1800 stirrup 0,69 42 60 0,00 44,8 54,0* 50,0 0,16 4PBT F3 0,70 9,50 1,08 450 2,87 R 230 209 150 1800 stirrup 0,69 42 60 0,00 44,8 54,0* 52,0 0,17 4PBT F4 0,70 9,50 1,08 450 2,87 R 230 209 150 1800 0,69 42 60 0,57 45,2 54,5* 48,5 0,15 4PBT S5 0,70 9,50 1,08 450 2,87 R 230 209 150 1800 0,69 42 60 1,15 40,7 49,0* 66,5 0,21 4PBT F6 0,70 9,50 1,08 450 2,87 R 230 209 150 1800 0,69 42 60 1,72 34,3 41,3* 74,0 0,24 4PBT F7 0,70 9,50 1,08 450 2,87 R 230 209 150 1800 stirrup 0,69 42 60 0,57 45,2 54,5* 65,5 0,21 4PBT F8 0,70 9,50 1,08 450 2,87 R 230 209 150 1800 stirrup 0,69 42 60 1,15 40,7 49,0* 71,5 0,23 4PBT F9 0,70 9,50 1,08 450 2,87 R 230 209 150 1800 stirrup 0,69 42 60 1,72 34,3 41,3* 74,0 0,24 4PBT F

hooked‐

ended steel 

fibres

Ordinary 

Portland Cement

Cross‐sectionSpecimens

ByPortland 

Cement R 

52,5

FibresMix

Beam size

Flexural ReinforcementConcrete Shear Force at [kN]

Page 148: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

   

B‐1 

Appendix B   

 

SFRC Papers and References 

[A01]   Swamy,  N.R.,  Roy,  J.  &  Chiam  A.T.P  (1993):  Influence  of  Steel  Fibers  in  the  Shear Resistance of Lightweight Concrete I‐ Beam. ACI Structural Journal, Volume 90, No. 1,  pp. 103‐114. 

[A02]   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  Volume 107, No. 5, pp. 597‐606. 

[A03]   Ashour,  S.A.,  Hasanain,  G.S.  &  Wafa,  F.F.  (1992):  Shear  Behavior  of  High‐Strength Fiber Reinforced Concrete Beams. ACI Structural Journal  Volume 89, No. 2, pp. 176‐183. 

[A04]   Batson,  G.B.  &  Youssef,  A.G.  (1994):  Shear  Capacity  of  Fiber  Reinforced  Concrete Based on Plasticity of Concrete: A Review. Fiber Reinforced Concrete: Developments and  Innovations,  SP‐142  (Eds.: Daniel,  J.I & Shah,  S.P.) American Concrete  Institute, Detroit, USA, pp. 141‐165. 

[A05]   Henager,  C.H.,  Asce,  M.  &  Doherty,  T.J.  (1976):  Analysis  of  Reinforced  Fibrous Concrete Beams. Journal of the Structural Division, ASCE Volume 102, No. 1, pp. 177‐188. 

[A06]   Kaushik,  S.K.,  Gupta,  V.K.  &  Tarafdar,  N.K.  (1987):  Behaviour  of  Fiber  Reinforced Concrete  Beams  in  Shear.  Proceedings  of  the  International  Symposium  of  Fibre Reinforced Concrete, Madras, India, December 16‐19, pp. 133‐149. 

[A07]   Murty,  D.S.R.  &  Venkatacharyulu,  T.  (1987):  Fibre  Reinforced  Concrete  Beams Subjected  to  Shear  Force.  Proceedings  of  the  International  Symposium  of  Fibre Reinforced Concrete, Madras, India, December 16‐19, pp. 125‐131. 

[A08]   Narayanan, R. & Darwish,  I.Y.S.  (1987): Use of  Steel Fibers as Shear Reinforcement. ACI Structural Journal, Volume 84, No. 3, pp. 216‐227. 

Page 149: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

   

B‐2 

[A09]   Saluja, S.K., Kumar, S., Samra, M.S. & Singh, A.P. (1992): Flexural and Shear Strength of Fibre Reinforced Concrete Beams. Journal of Structural Engineering, Volume 19, No. 3, pp. 101‐105. 

[A10]   Sharma,  A.K.  (1986):  Shear  Strength  of  Steel  Fiber  Reinforced  Concrete  Beams.  ACI Journal, Volume 83, No. 4, pp. 624‐628. 

[A11]   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.  Fiber  Reinforced Concrete Developments and Innovations. ACI SP‐142, Detroit, Michigan, pp. 181‐200. 

[A12]   Swamy,  R.N  &  Bahia,  H.M.  (1985):  The  Effectiveness  of  Steel  Fibers  as  Shear Reinforcement. Concrete International, Volume 7, No. 3, pp. 35‐40. 

[A13]   Tan,  K.H.,  Paramasivam,  P.  &  Murugappan,  K.  (1995):  Steel  Fibers  as  Shear Reinforcement in Partially Prestressed Beams. ACI Structural Journal, Volume 92, No. 6, pp. 643‐652. 

[A14]   Rosenbusch,  J. & Teutsch, M.  (2003): Shear Design with σ‐ε Method. Test and Design Methods for Steel Fibre Reinforced Concrete. RILEM TC 162‐TDF Workshop, Bochum, Germany, pp. 105‐117.  

[A15]   Ding, Y., You, Z. & Jalali, S. (2011): The Composite Effect of Steel Fibres and Stirrups on the  Shear  Behaviour  of  Beams  Using  Self‐Consolidating  Concrete.  Engineering Structures, Volume 33, No. 1, pp. 107‐117. 

[A16]   De  Hanai,  J.B.  &  Holanda,  K.M.A.  (2008):  Similarities  between  Punching  and  Shear Strength of Steel Fiber Reinforced Concrete (SFRC) Slabs and Beams. Ibracon Structures and Materials Journal, Volume 1, No. 1, pp. 1‐16. 

[A17]   Lim, D.H. & Oh, B.H. (1999): Experimental and Theoretical Investigation on the Shear of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams. Engineering Structures, Volume 21, No. 10, pp. 937‐944. 

[A18]   Sachan, A.K. & Kameswara Rao, C.V.S. (1990): Behaviour of Fibre Reinforced Concrete Deep Beams. Cement & Concrete Composites, Volume 12, No. 3, pp. 211‐218. 

[A19]   Cucchiara,  C.,  La Mendola,  L.  &  Papia, M.  (2004):  Effectiveness  of  Stirrups  and  Steel Fibres as Shear Reinforcement. Cement & Concrete Composites, Volume 26, No. 7, pp 777‐786. 

[A20]   Roberts,  T.M.  &  Ho,  N.L.  (1982):  Shear  Failure  of  Deep  Fibre  Reinforced  Concrete Beams.  The  International  Journal  of  Cement  Composites  and  Lightweight  Concrete, Volume 4, No. 3, pp. 145‐152. 

[A21]   Adhiraky, B.B. & Mutsuyoshi, H. (2006): Prediction of Shear Strength of Steel Fiber RC Beams Using Neural Networks. Elsevier Edition Construction and Building Materials, Volume 20, No. 9, pp. 801‐811. 

[A22]   Al‐Ta'an, S.A. & Al‐Feel,  J.R.  (1990): Evaluation of Shear Strength of Fibre‐Reinforced Concrete Beams. Cement & Concrete Composites, Volume 12, No. 2, pp. 87‐94. 

Page 150: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

   

B‐3 

[A23]   Fico, R., Prota, A. & Manfredi, G. (2008): Assessment of Eurocode‐like Design Equations for  the  Shear  Capacity  of  FRP  RC  Members.  (Elsevier  Edition)  Composites:  Part  B, Volume 39, No. 5, pp.792‐806. 

[A24]   Batson,  G.,  Jenkins,  E.  &  Spatney,  R.  (1972):  Steel  Fibers  as  Shear  Reinforcement  in Beams. ACI Journal, Volume 69, No.10, pp. 640‐644. 

[A25]   Niyogi, S.K. & Dwarakanathan, G.I. (1985): Fiber Reinforced Beams under Moment and Shear. Journal of Structural Engineering, Volume 111, No. 3, pp. 516‐527. 

[A26]  Narayanan,  R.  &  Darwish,  I.Y.S.  (1987):  Shear  in  Prestressed  Concrete  Beams Containing  Steel  Fibres.  The  International  Journal  of  Cement  Composites  and Lightweight Concrete, Volume 9, No. 2, pp.81‐90. 

[A27]   Voo, Y.L., Foster, S.J. & Gilbert, I.R. (2003): Shear Strength of Fibre Reinforced Reactive Powder  Concrete  Gilders  without  Stirrups.  School  of  Civil  and  Environmental Engineering, The University of New South Wales, UNSW Sydney, Australia. 

[A28]   De Pauw, P., Taerwe, L., Van De Buverie, N. & Moerman, W.  (2008): Replacement of Shear  Reinforcement  by  Steel  Fibres  in  Pretensioned  Concrete  Beams.  Tailor  Made Concrete Structures – Walraven & Stoelhorst edition. London, U.K., 2008. pp. 391‐397. 

[A29]  Kwak, Y.K, Eberhard, M.O., Kim, W.S. & Kim,  J.  (2002): Shear Strength of Steel Fiber‐Reinforced Concrete Beams without Stirrups. ACI Structural Journal, Volume 99, No.4, pp. 530‐538. 

[A30]   Kearsley,  E.P.  & Mostert,  H.F.  (2004):  The  Effect  of  Fibres  on  the  Shear  Strength  of Reinforced  Concrete  Beams.  Proceedings  of  the  Sixth  RILEM  Symposium  on  Fibre Reinforced Concrete (FRC). BEFIB 2004, Varenna, Italy. Volume 2, pp. 955‐964. 

  

Page 151: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

 

 

Page 152: Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams ...460512/FULLTEXT01.pdf · i Shear Capacity of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams without Conventional Shear Reinforcement

TRITA‐BKN. Master Thesis 331, 

Structural Design and Bridges 2011 

ISSN 1103‐4297 

ISRN KTH/BKN/EX‐331‐SE 

www.kth.se