Shear strengthening of reinforced concrete beams with SHCC-FRP panels

Tese de Doutoramento em Engenharia Civil

The main purpose of this thesis is to assess the potentialities of Hybrid Composite Plates (HCPs) for the shear strengthening of reinforced concrete (RC) beams. HCP is a thin plate of Strain Hardening Cementitious Composite (SHCC) reinforced with Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) laminates applied according to the Near Surface Mounted technique (NSM). Due to the excellent bond conditions between SHCC and CFRP laminates, these reinforcements provide the necessary tensile strength capacity to the HCP, while the high post-cracking tensile deformability and resistance of SHCC avoids the occurrence of premature fracture failure of this cement composite in the stress transfer process between these two materials when the HCP is crossed by a shear crack. Different HCPs with different CFRP laminates percentage are adopted for the shear strengthening of the beams. Two different processes are investigated to apply the HCPs to the beam’s concrete substrate: by using epoxy adhesive; in addition to the epoxy adhesive it is also used mechanical anchors. From the results it was verified that when epoxy adhesive is only used, the shear strengthening contribution of the HCPs is limited by the tensile strength of the concrete substrate of the strengthened beams. Mechanical anchors were therefore used in order to prevent a premature debonding of the HCPs and apply a certain confinement to the concrete in the zone of the beam to be strengthened, resulting favorable effects in terms of shear strengthening. Experimental programs with intact and damage RC beams are carried out to assess the shear strengthening contribution of HCPs. The results obtained from these tests are also used for determining the predictive performance of the analytical model developed to evaluate the shear resistance of RC beams strengthened with HCPs. To further explore the potentialities of HCPs for the shear strengthening of RC beams, advanced numerical simulations are performed by using a FEM-based computer program, whose adequate predictive performance is demonstrated by simulating the experimental tests carried out.

O principal objetivo desta tese é avaliar as potencialidades de um novo tipo de painel compósito hibrido no reforço ao corte de vigas de betão armado (BA). Este fino painel, designado na língua inglesa por Hybrid Composite Plate e com a abreviatura HCP, é composto por argamassa reforçada com fibras, a qual após endurecida é reforçada por finas lâminas de polímero reforçado com fibras de carbono (CFRP) aplicadas segundo a técnica “Instalação próxima da superfície” que na bibliografia em Inglês é conhecida por NearSurfaceMounted (NSM). Estes laminados de CFRP são instalados em finos entalhes executados no painel e colados com resina epóxi. Esta argamassa apresenta comportamento de endurecimento em tração, designada na língua inglesa por StrainHardeningCementitious Composite (SHCC), pelo que após o início da fendilhação da matriz desenvolve capacidade crescente de resistência à tração até nível de extensão relativamente elevado.O elevado desempenho em tração do SHCC permite mobilizar eficazmente a elevada resistência em tração dos laminados de CFRP, pois as microfibras que reforçam o SHCC evitam a ocorrência de rotura precoce por fratura durante o processo de transferência de tensões destes para o meio circundante, situação esta que ocorre quando o HCP é atravessado por fenda de corte que se desenvolve na viga a reforçar. Diferentes configurações de HCP foram investigadas para o reforço ao corte de vigas de BA, em especial a percentagem e inclinação de laminados de CFRP e o processo de fixar os HCPs às faces laterais da viga a reforçar. No que respeita a este último aspeto, dois métodos foram estudados, um em que o HCP é aplicado recorrendo apenas a adesivo epóxi, e um outro em que para além do adesivo epóxi o painel é fixo recorrendo a ancoragens mecânicas. Os programas de ensaios experimentais evidenciaram a elevada eficácia desta técnica de reforço, principalmente quando os HCP são aplicados com adesivo e ancoragens, pois o nível de reforço garantido pelo HCP aplicado exclusivamente por adesivo está limitado pela resistência à tração do betão do substrato da viga a reforçado, dado ocorrer destacamento precoce do HCP. Este destacamento é evitado recorrendo a ancoragens mecânicas, as quais permitem ainda introduzir algum confinamento no betão da viga a reforçar dado poderem ser aplicadascom uma certa pós-tensão, resultando maior eficácia de reforço ao corte de vigas de BA conseguida com a presente técnica. Recorrendo a conceitos e formulações existentes no quadro do comportamento e reforço ao corte de vigas de BA, foram desenvolvidas duas novas formulações, cuja capacidade preditiva foi avaliada não somente com os resultados obtidos nos programas experimentais executados, mas também recorrendo a resultados experimentais existentes na bibliografia da especialidade. No intuito de melhor compreender as potencialidades da técnica de reforço desenvolvida neste trabalho, recorrendo a estudos paramétricos, foi inicialmente avaliada a capacidade preditiva de um modelo constitutivo existente no programa de elementos finitos FEMIX, fazendo a simulação dos ensaios executados experimentalmente. Constatou-se que o modelo constitutivo que modela o amolecimento em tração e em corte do processo de abertura e deslizamento de uma fenda em betão permite simular com elevado rigor quer a resposta deformacional, como o padrão de fendilhação registado nos ensaios experimentais. Utilizando este modelo, foram efetuados estudos paramétricos para evidenciar a influência de parâmetros relevantes na eficácia da técnica de reforço proposta.