Flexural Behavior of Highly Reinforced Ultra-High-Performance Concrete (UHPC) Beams

Ultra-high-performance concrete (UHPC) is an advanced class of concrete materials.Relative to conventional concrete, UHPC shows superior mechanical and durability performance.Therefore, UHPC has been increasingly adopted worldwide, from retrofitting existing structures to constructing new structures.While numerous studies have investigated the performance of UHPC beams, minimal knowledge is available on their behavior with a high reinforcing ratio (above 2%) and low fiber volume (below 2%).Recent studies have shown that adopting a high reinforcing ratio is beneficial for UHPC beams because they allow a smaller cross-section for a given tensionreinforcing steel area.Additionally, low-reinforcing ratio UHPC beams often fail prematurely with low ductility due to early failure after crack localization.Adopting a high reinforcing ratio can help avoid this early failure after crack localization because reinforcing steel can harden to compensate for the tension force loss due to crack localization.However, an excessively high reinforcing ratio may result in compression-controlled failure where UHPC crushes before steel reinforcement yields, another low ductility failure mode.Currently, no studies have explored the maximum reinforcing ratio of UHPC beams.To address the aforementioned research questions, this study executes a large-scale experimental program to investigate the behavior of highly reinforced UHPC beams and their maximum reinforcing ratio.Six flexural tests were conducted, including multiple variables: matrix (UHPC versus conventional concrete), fiber volumes (1% versus 2%), reinforcing ratios (3.1% to 6.6%), and reinforcement arrangement (spaced bars versus bundled bars).Experiments revealed that adopting UHPC can effectively reduce the crosssectional area of concrete beams by over 50% without sacrificing the structural performance.Reducing the fiber volume from 2% to 1% as well as changing the spaced bars to bundled bars are both viable options for enhancing cost and structural efficiency.When the reinforcing ratio reaches II 6.6%, reinforced UHPC beams approach a balanced failure mode where UHPC crushing occurs simultaneously with reinforcement yielding.Thus, a maximum reinforcing ratio of around 6.6% is observed for UHPC, which is higher than that for conventional concrete (around 2.5% to 3.0%).This increase in the reinforcing ratio is attributed to the high compressive strength and crushing resistance of UHPC. III RésuméLes bétons fibrés à ultra hautes performances (BFUP) est une classe avancée de matériaux en béton.Par rapport au béton conventionnel, le BFUP présente des performances mécaniques et de durabilité supérieure.Par conséquent, le BFUP est de plus en plus adopté dans le monde entier, de la rénovation de structures existantes à la construction de nouvelles structures.Bien que de nombreuses études aient étudié les performances des poutres en BFUP, les connaissances disponibles sur leur comportement avec un taux de renforcement élevé (supérieur à 2 %) et un faible volume de fibres (inférieur à 2 %) sont très limitées.Des études récentes ont montré que l'adoption d'un taux de renforcement élevé est bénéfique pour les poutres en BFUP car elles permettent une section transversale plus petite pour une zone d'acier d'armature en traction donnée.De plus, les poutres en BUP à faible taux de renforcement échouent souvent prématurément avec une faible ductilité en raison d'une défaillance précoce après la localisation des fissures.L'adoption d'un taux de renforcement élevé peut aider à éviter cette défaillance précoce après la localisation des fissures, car l'acier d'armature peut durcir pour compenser la perte de force de tension due à la localisation des fissures.Cependant, un taux de renforcement excessivement élevé peut entraîner une défaillance contrôlée par compression où le BFUP s'écrase avant que l'armature en acier ne cède, un autre mode de défaillance à faible ductilité.Actuellement, aucune étude n'a exploré le taux de renforcement maximal des poutres en BFUP.Pour répondre aux questions de recherche susmentionnées, cette étude exécute un programme expérimental à grande échelle pour étudier le comportement des poutres en BFUP hautement renforcées et leur taux de renforcement maximal.Six essais de flexion ont été réalisés, incluant plusieurs variables : matrice (BFUP versus béton conventionnel), volumes de fibres (1 % versus 2 %), taux de renforcement (3,1 % à 6,6 %) et disposition des armatures (barres espacées versus barres groupées).Les expériences ont révélé que IV l'adoption de UHPC peut réduire efficacement la section transversale des poutres en béton de plus de 50 % sans sacrifier les performances structurelles.La réduction du volume de fibres de 2 % à 1 % ainsi que le remplacement des barres espacées par des barres groupées sont deux options viables pour améliorer la rentabilité et l'efficacité structurelle.Lorsque le taux de renforcement atteint 6,6 %, les poutres en BFUP renforcées se rapprochent d'un mode de défaillance équilibré où l'écrasement du BFUP se produit simultanément avec la rupture des armatures.Ainsi, on observe un taux d'armature maximal d'environ 6,6 % pour le BFUP, ce qui est supérieur à celui du béton conventionnel (de l'ordre de 2,5 % à 3,0 %).Cette augmentation du taux d'armature est attribuée à la résistance élevée à la compression et à l'écrasement du BFUP.

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