Impulsive loads have been observed to cause brittle shear failure in reinforced concrete elements designed for ductile failure modes under static loads. Brittle failure modes exhibit poorer energy absorption capabilities compared to ductile flexural failure modes due to their limited deformation capacity, leading to premature failure. The discrepancy between the responses under static and extreme dynamic loads arises from inertia and wave propagation effects, which tend to increase as the load duration decreases relative to the fundamental period of the element.

This thesis investigated the occurrence of shear failures in reinforced concrete elements subjected to impulsive loads, both experimentally and numerically, and evaluated to what extent current analysis methods for impulse-loaded structures can predict shear failure. Furthermore, the study examined the influence of crucial parameters on the energy absorption capacity during flexural failure modes when shear failure was inhibited.

The results demonstrated that shear-plug damage, prevalent during impact loads, may lead to premature shear failure during sequential impact testing. This occurred for a statically flexure-critical beam with a significantly larger static flexural-shear capacity relative to its flexural capacity. Similar conclusions applied to the residual static capacity after an initial impact introduced shear-plug damage. These findings indicate potentially severe consequences of shear-plug damage, which should be considered when assessing structures damaged by impact loads.

The energy absorption capacity of reinforced concrete elements is closely related to the plastic work capacity of the reinforcement. The experimental study showed how the plastic work capacity varied with reinforcement properties, concrete properties, and impact velocity using static and dynamic four-point flexural tests. The results revealed that the reinforcement type, specifically whether the steel is mild or stiff, governs the strain distribution during static and low-velocity impact testing. Generally, stiff steels result in strain localization before rupturing, indicating a lower plastic work capacity. Factors such as stress and strain capacity also proved significant. However, as the impact velocity increased, wave propagation effects governed strain distribution rather than reinforcement type. 

Numerical studies comparing results with outcomes using proposed design methods indicated agreement for support reactions used to verify the shear capacity in the later stages of the response. However, this agreement decreased in the initial stages of the response. This may be because the dynamic equilibrium method only considers a global response, while the local response due to wave propagation is influential in the initial stages of the response. Today, resources such as Biggs [8] and the Swedish Fortifications Agency [86] recommend using two stages of the response to determine the internal forces; an elastic global response and a later elastoplastic global response. From the observations in the papers, it is suggested to add a third initial stage of the response considering wave propagation effects. However, it is deemed that this response stage only has a significant effect for high-intensity blast loads with short rise times relative to the shear wave velocity.

Impulsiva laster har i litteraturen visats leda till spröda skjuvbrott for armerade betongelement designade for mjuka brott under statiska laster. Spröda brottmoder påvisar sämre energiupptagande förmågor jämfört med mjuka böjbrott på grund av dess lägre deformationskapacitet, vilket resulterar i tidigt brott. Skillnaden i respons under statisk och dynamisk belastning kommer från tröghetskrafter och vågutbredningseffekter, där effekten av båda ökar med en minskande lastvaraktighet i relation till fundamentala perioden av elementet.

Det här arbetet undersöker förekomsten av skjuvbrott under impulsiva laster experimentellt och med numeriska analyser. Hur väl befintliga beräkningsmetoder kan förutspå skjuvbrott utvärderas aven. Dessutom studeras effekten av viktiga parametrar på den energiupptagande förmågan när skjuvbrott hämmas.

Resultaten påvisade att skjuv-plugg-skada, allmänt förekommande under stötbelastning, kan leda till tidigt skjuvbrott under sekventiell stötbelastning. Detta förekom for en statiskt böj-kritisk balk med en markant högre skjuvkapacitet relativt till dess böjkapacitet. Liknande slutsatser kunde dras vid provning av den statiska residualhållfastheten efter att ett initiellt fallviktsförsök introducerade skjuv-plugg-skada. Dessa resultat indikerar potentiellt allvarliga konsekvenser av skjuv-plugg-skada, vilket bör beaktas vid bedömning av element skadade från stötbelastning.

Den energiupptagande förmågan hos armerade betongelement är nära relaterat till det plastiska arbetet som armeringen kan utföra. Den experimentella studien visade hur kapaciteten for plastiskt arbete hos armeringen berodde på armeringsegenskaperna, betongegenskaperna samt anslagshastigheten hos massan vid statisk och dynamisk fyrpunktsbelastning. Resultaten visade att armeringstypen, mer specifikt ifall stålet var mjukt eller styvt, styrde töjningslokaliseringen under statisk belastning samt dynamisk belastning med låg anslagshastighet. Generellt sett resulterade styvare stål i töjningslokalisering när stålet slets av, vilket ledde till en mindre kapacitet for plastiskt arbete hos armeringsstången. Faktorer som töjnings- och spänningskapaciteten visades även vara betydande. Däremot indikerade resultaten att allt eftersom anslagshastigheten ökade så var vågutbredningseffekter det som bestämde grad av töjningslokalisering, och inte styvheten hos stålet.

Numeriska studier där resultat jämfördes mot resultat från rekommenderade designmetoder indikerade överenskommelse för stödreaktioner som används för att verifiera skjuvkapaciteten i ett senare skede av responsen. Däremot så var överenskommelsen sämre i ett tidigare skede av responsen. Detta kan möjligen förklaras av att den dynamiska jämviktsmodellen endast tar hänsyn till den globala responsen, medans lokal respons från vågutbredning är dominerande tidigt. Idag använder referenser som Biggs [8] och Fortifikationsverket [86] två stadium av responsen for att bestämma interna krafter; ett globalt elastiskt stadie och ett globalt elasiskt-plastiskt stadie. Från observationer i artiklarna så rekommenderas det att ett tredje initiellt stadie som beaktar vågutbredningseffekter bör inkluderas. Detta stadie anses dock bara visa markant effekt for intensiva stötvågsbelastningar med kort stegtid relativt till skjuvvågshastigheten i materialet.

Civilian structures and fortifications consist primarily of reinforced concrete. Reinforced concrete provides mass, robustness, and redundancy while remaining cost-effective. When appropriate reinforcement detailing is provided and flexure dominates, these elements exhibit a high energy absorption capacity. This capacity is necessary to withstand high-intensity dynamic loads, such as collisions, fragment impacts, and air blasts. Flexure-dominated damage results in numerous wide cracks, which absorb energy through plastic deformation of the reinforcement. Shear-type failures are instead characterised by localised energy absorption in a single dominant crack, where concrete fracture and friction absorb most of the energy. Avoiding shear-type failures is thus central to the design of concrete elements subjected to high-intensity dynamic loads.

This thesis investigates the parameters governing the energy absorption capacity of reinforced concrete elements and proposes strategies to increase it. Experimental and numerical studies address shear-failure modes, governing parameters, differences between static and dynamic shear failures, mitigation techniques, and prediction models. Drop-weight impact tests on beams were conducted in the laboratory and monitored with high-speed cameras to study the development of shear failure in detail. Shock tube tests on reinforced concrete wall panels were used to investigate the response to air-blast loading.

The research contributes new insights into dynamic shear failures of reinforced concrete elements. Different shear-failure types were deliberately triggered, and their mechanisms and governing parameters were characterised. A major focus was the comparison between static and dynamic shear failures. The results show that, under dynamic loading, compression strut forces dominate in an initial transient phase, producing higher support reactions than in comparable static tests. As deformations increase and the external load decays, the response enters a quasi-static phase in which dynamic and static tests exhibit similar failure forces and displacements. For failures occurring in this quasi-static phase, the findings support the use of static shear-capacity models under dynamic loading. Recommendations for response models and new methods based on the experimental results are also provided.

Civila och fortifikatoriska konstruktioner utgörs i stor utsträckning av armerad betong. Armerad betong ger massa, robusthet och redundans samtidigt som den är kostnadseffektiv. När en lämplig armeringsutformning används och böjning dominerar uppvisar dessa element en hög energiupptagningsförmåga. Detta är nödvändigt för att motstå dynamiska laster med hög intensitet, såsom kollisioner, splitter och luftstötvågor. Böjdominerade skador resulterar i ett flertal vida sprickor, där energi tas upp genom plastiska deformationer i armeringen. Skjuvbrott kännetecknas i stället av att energiupptaget lokaliseras till en enskild dominerande spricka, där sprickbildning och friktion upptar merparten av energin. Att undvika skjuvbrott är därför centralt vid dimensionering av betongkonstruktioner utsatta för högintensiva dynamiska laster.

I denna avhandling undersöks de parametrar som styr energiupptagningsförmågan hos armerade betongkonstruktioner. Experimentella och numeriska studier presenteras vilka behandlar skjuvbrottsmekanismer, styrande parametrar, skillnader mellan statiska och dynamiska skjuvbrott, åtgärdsstrategier samt prediktionsmodeller. Fallviktsförsök på balkar genomfördes i laboratorium och registrerades med höghastighetskameror för detaljerade studier av skjuvbrottsmekanismernas utveckling. Därefter utfördes stöttubsförsök på armerade betongväggpaneler för att undersöka responsen vid luftstötvågsbelastning.

Forskningsarbetet bidrar med nya insikter om dynamiska skjuvbrott i armerade betongkonstruktioner. Olika typer av skjuvbrott framprovocerades, och deras mekanismer samt styrande faktorer karakteriserades. En central del av arbetet var jämförelsen mellan statiska och dynamiska skjuvbrott. Resultaten visar att stora trycksträvkrafter dominerar i ett tidigt skede vid dynamisk belastning, den så kallade transienta fasen, vilket ger avsevärt större stödreaktioner jämfört med statiska referensförsök. När deformationen ökar och belastningen avtar inträder en kvasi-statisk fas, där den dynamiska och statiska responsen uppvisar liknande brottkrafter och deformationer. För brott som inträffar i denna kvasi-statiska fas visar resultaten att statiska skjuvkapacitetsmodeller kan användas vid dynamisk belastning. Arbetet ger även rekommendationer för responsmodeller samt nya metoder baserade på de experimentella resultaten.