Modelling the Effect of Creep on the Behaviour of RC Deep Beams

Abstract

This thesis investigates the long-term behaviour of reinforced concrete deep beams under sustained shear loading, with a particular focus on the influence of concrete creep. Deep beams, commonly found in bridge structures, are critical members subjected to high shear forces. As many bridges are approaching the end of their intended service life, understanding the time-dependent degradation of shear mechanisms has become essential.

The study relies on the 2PKT model, a kinematic-based analytical framework capable of reproducing the full shear response of RC deep beams up to failure, and on the fib Model Code for the implementation of creep. Creep is first introduced independently into two primary shear transfer mechanisms: the Concrete Loading Zone (CLZ) and aggregate interlock. These mechanisms are then assembled within the full 2PKT framework to simulate the behaviour of deep beams under sustained loading conditions.

A relationship between sustained shear load level and time to failure is established, in order to assess the reduction in shear capacity over time. In terms of serviceability, the time evolution of crack-width and total mid-span deflection is studied to evaluate the impact of creep at service load levels. A parametric study is also conducted to assess the influence of key geometric and mechanical parameters, such as shear reinforcement ratio, span-to-depth ratio, and the size of the support and loading plates.

This work shows a decrease of approximately 20 % in shear capacity over 50 years except for deep beams with very short span-to-depth ratio (a/d=1) where the reduction in shear capacity is negligible over the same period. Under service load levels, the crack-width increases by approximately 100%-150% over 50 years, depending on the parameters, except for deep beams with large span-to-depth ratio (a/d=2.28) where it is more moderate. The total mid-span deflection by approximately 30-40% over 50 years, with smaller increases observed for beams with a higher span-to-depth ratio.

Ce mémoire étudie le comportement à long terme des poutres massives en béton armé soumises à des efforts tranchants maintenus dans le temps, avec une attention particulière portée à l’effet du fluage du béton. Les poutres massives, couramment utilisées dans les structures de ponts, sont des éléments critiques soumis à de fortes sollicitations en cisaillement. Or, nombre de ces éléments ont été dimensionnés selon des normes aujourd’hui obsolètes. Étant donné que de nombreux ponts en Wallonie atteignent la fin de leur durée de vie nominale, il est essentiel de mieux comprendre l’évolution dans le temps des mécanismes résistants au cisaillement.

L’étude repose sur le modèle analytique cinématique 2PKT, capable de reproduire l’ensemble de la réponse en cisaillement des poutres jusqu’à la rupture, et sur les recommandations du fib Model Code pour intégrer le fluage. Le fluage est introduit dans deux des principaux mécanismes de transfert du cisaillement : la zone de compression localisée (Concrete Loading Zone, CLZ) et le frottement entre agrégats (aggregate interlock). Ces deux composantes modifiées sont ensuite intégrées dans le cadre complet du modèle 2PKT pour simuler le comportement des poutres sous charge maintenue sur des périodes allant jusqu’à 50 ans.

L’objectif principal est de déterminer une relation entre le niveau de charge de cisaillement maintenue et le temps de rupture afin d’évaluer la perte de capacité résistante au fil du temps. Du point de vue de l’état limite de service, l’évolution temporelle de l’ouverture des fissures et de la flèche en travée a été analysée. Une étude paramétrique a également été menée pour évaluer l’influence de paramètres géométriques et mécaniques clés tels que le taux d’armature transversale, le rapport portée/hauteur (a/d), ainsi que les dimensions des appuis et des plaques de chargement.

Ce travail montre une diminution d’environ 20% de la résistance au cisaillement après 50 ans, sauf pour les poutres avec un faible rapport a/d (a/d = 1), pour lesquelles la perte de résistance reste négligeable. Sous charges de service, l’ouverture des fissures augmente d’environ 100% à 150% selon les cas, et la flèche en travée augmente de 30% à 40%, sauf pour les poutres présentant un rapport a/d élevé (a/d = 2.28), où ces effets sont moindres.