Bond and anchorage of prestressing tendons in prestressed-concrete members

Over the last few decades, pretensioned Prestressed-Concrete (PC) has become very common in structural applications. Its extensive use, however, requires adequate knowledge of bond development between prestressing tendons and surrounding concrete. Bond is of paramount importance both for prestress transfer at release and anchorage capacity under flexural loading. Current design codes for concrete structures provide simplified formulations to describe the force transfer mechanisms from steel to concrete, and seem to be not always conservative when compared to experimental evidences. More refined models are actually needed to reasonably consider the effect of the main parameters affecting bond properties, thus resulting in a sound design of PC members. The first part of this contribution presents a broad review of the literature on various aspects of pre-tensioning anchorage. The bond mechanisms governing the transmission of the prestressing-force to the concrete and the subsequent behaviour of PC members are illustrated. The common experimental methods to investigate both transmission length and anchorage capacity of prestressing tendons are described and discussed. Then, the existing provisions from the main design codes are analysed and compared. The second part of the work is focused on the general assessment of the principal design formulations on pre-tensioning reinforcement. Big differences in the evaluation of the transmission length and anchorage length are highlighted when the different provisions are applied to the same structural configuration, due to discrepancies in the considered influencing factors. Thus, the accuracy of the suggested relationships is assessed in detail by applying them to a comprehensive experimental database of transmission length and anchorage length values, collected from the literature. It is shown that the performances of the various design concepts are not always acceptable, since the theoretical predictions do not always fit well the experimental results. Lastly, the role of some key variables affecting bond, such as strand diameter, strand surface condition and concrete strength, is studied based on the analysis of the collected dataset. In the third part of the contribution, the analytical modelling of the transmission length in PC members is carried out. For practical purpose, simplified bond stress distributions along the beam are assumed by all the common design codes, even though they do not reflect the real properties at the interface steel-concrete. A more accurate representation of the internal behaviour of PC members can be achieved by means of physically-based models, rationally incorporating the effect of several influencing parameters. A first bond model is presented based on the radial expansion of the tendon at the release operation, considering anisotropic characteristics of the concrete around the tendon. Then, a second theoretical investigation is developed by appropriately describing the bond stress-slip relationship. In both cases, the bond stresses between the materials after release appear to describe a non-linear distribution along the transmission zone. The global results show the capability of the developed analytical models to simulate the bond behaviour during transmission of the prestressing-force to the concrete.

Negli ultimi decenni il calcestruzzo armato precompresso a cavi pre-tesi ha assunto una crescente rilevanza nelle applicazioni strutturali. Il suo ampio utilizzo richiede comunque un’adeguata conoscenza in merito allo sviluppo dell’aderenza tra i trefoli e il calcestruzzo circostante. L’aderenza è un fenomeno di importanza fondamentale, sia per il trasferimento della forza di precompressione al rilascio dei trefoli che per la capacità di ancoraggio del cavo in seguito a carichi flessionali. Gli attuali codici normativi per strutture in calcestruzzo forniscono formulazioni semplificate per descrivere i meccanismi di trasferimento delle forze da acciaio a calcestruzzo, e sembrano essere talvolta non conservativi quando comparati a evidenze sperimentali. Per considerare in maniera ragionevole l’effetto dei principali parametri che influenzano le proprietà di aderenza sono in realtà necessari modelli più raffinati, in grado di indirizzare verso una più corretta progettazione degli elementi precompressi. La prima parte di questo contributo presenta un’ampia revisione della letteratura riguardo vari aspetti delle armature da precompressione. Vengono illustrati in particolare i meccanismi di aderenza che governano la trasmissione della forza di precompressione al calcestruzzo e il successivo comportamento della membratura. Vengono inoltre descritti e commentati i comuni metodi sperimentali che permettono di indagare la lunghezza di trasmissione e la capacità di ancoraggio di trefoli da precompressione. Infine, vengono presentate e comparate le principali disposizioni normative in vigore. La seconda parte del lavoro di tesi è focalizzata sulla valutazione generale delle principali formulazioni normative in merito alle armature di precompressione. Si riscontrano grandi differenze nella valutazione delle lunghezze di trasmissione e di ancoraggio quando le diverse prescrizioni vengono applicate alla medesima configurazione strutturale, in seguito a discrepanze sulle variabili di influenza considerate. Viene pertanto studiata nel dettaglio l’accuratezza delle formule proposte, andandole ad applicare ad un ampio database di prove sperimentali sulle lunghezze di trasmissione e di ancoraggio, raccolto dalla letteratura disponibile. Si vedrà che le performance dei vari codici normativi non sono sempre accettabili, poiché le predizioni teoriche non si adattano sempre bene ai risultati sperimentali. Infine, viene studiato il ruolo di alcuni parametri fondamentali (per es. il diametro del trefolo, le condizioni superficiali dello stesso e la resistenza del calcestruzzo) nei confronti dell’aderenza, sulla base dell’analisi dello stesso database. Nella terza parte del contributo si affronta la modellazione analitica della lunghezza di trasmissione in travi precompresse. Per questioni di praticità, tutte le principali normative assumono una distribuzione semplificata delle tensioni di aderenza lungo la trave, anche se tale situazione non riflette le reali proprietà all’interfaccia trefolo-calcestruzzo. Una rappresentazione più accurata del comportamento interno di membrature precompresse può essere ottenuta tramite modelli fisicamente basati, in grado di incorporare in maniera razionale l’effetto di molti parametri di influenza. A tale scopo, un primo modello di aderenza viene presentato sulla base dell’espansione radiale del trefolo che si verifica al rilascio dei cavi, considerando le caratteristiche anelastiche del calcestruzzo attorno al trefolo. In seguito, un secondo approccio teorico viene sviluppato andando a descrivere in maniera appropriata la relazione aderenza-scorrimento. In entrambi i casi, le tensioni di aderenza tra i due materiali al rilascio dei trefoli sembrano descrivere distribuzioni non lineari lungo la zona di trasmissione. I risultati globali mostrano l’effettiva capacità dei modelli analitici sviluppati di simulare il comportamento dell’aderenza durante la trasmissione della forza di precompressione al calcestruzzo.