Design equations for reinforced concrete members strengthened in shear with external FRP reinforcement formulated in an evolutionary multi-objective framework

Methods for predicting the shear capacity of FRP shear strengthened RC beams assume the traditional approach of superimposing the contribution of the FRP reinforcing to the contributions from the reinforcing steel and the concrete. These methods become the basis for most guides for the design of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures. The variations among them come from the way they account for the effect of basic shear design parameters on shear capacity. This paper presents a simple method for defining improved equations to calculate the shear capacity of reinforced concrete beams externally shear strengthened with FRP. For the first time, the equations are obtained in a multiobjective optimization framework solved by using genetic algorithms, resulting from considering simultaneously the experimental results of beams with and without FRP external reinforcement. The performance of the new proposed equations is compared to the predictions with some of the current shear design guidelines for strengthening concrete structures using FRPs. The proposed procedure is also reformulated as a constrained optimization problem to provide more conservative shear predictions.

Análisis de los modelos de comportamiento de vigas de hormigón armado reforzadas a cortante con polímeros armados con fibras (frp). Validación y calibración experimental

Los polímeros armados con fibras (FRP) se utilizan en refuerzos de estructuras de hormigón debido sobre todo a sus excelentes propiedades mecánicas, su resistencia a la corrosión y a su ligereza que se traduce en facilidad y ahorro en el transporte, puesta en obra y aplicación, la cual se realiza de forma muy rápida, con pocos operarios y utilizando medios auxiliares ligeros, minimizándose las interrupciones del uso de la estructura y las molestias a los usuarios. Las razones presentadas anteriormente, han despertado un gran inter´es por parte de diferentes grupos de investigación a nivel mundial y que actualmente se encuentran desarrollando nuevas técnicas de aplicación y métodos de cálculo. Sin embargo, las investigaciones realizadas hasta la fecha, muestran un procedimiento bien definido y aceptado en lo referente al cálculo a flexión, lo cual no ocurre con el refuerzo a cortante y aunque se ha demostrado que el refuerzo con FRP es un sistema eficaz para incrementar la capacidad ´ultima frente a esfuerzos cortantes, también se pone de manifiesto la necesidad de más estudios experimentales y teóricos para avanzar en el entendimiento de los mecanismos involucrados para este tipo de refuerzo y establecer un procedimiento de diseño apropiado que maximice las excelentes propiedades de este material. Los modelos que explican el comportamiento del refuerzo a cortante de elementos de hormigón armado son complejos y sin transposición directa a fórmulas ingenieriles. Las normas actualmente en vigor, generalmente, establecen empíricamente la capacidad cortante como la suma de las capacidades del hormigón y el refuerzo transversal de acero. Cuando un elemento es reforzado externamente con FRP, los modelos son evidentemente aun más complejos. Las guías y recomendaciones existentes proponen calcular la capacidad del elemento añadiendo la resistencia aportada por el refuerzo externo de FRP a la ya dada por el hormigón y acero transversal. Sin embargo, la idoneidad de este acercamiento es cuestionable puesto que no tiene en cuenta una posible interacción entre refuerzos. Con base en lo anterior se da origen al tema objeto de este trabajo, el cual está orientado al estudio a cortante de elementos de hormigón armado (HA), reforzados externamente con material compuesto de tejido unidireccional de fibra de carbono y resina epoxi. Inicialmente se hace una completa revisión del estado actual del conocimiento de la resistencia a cortante en elementos de hormigón armado con y sin refuerzo externo de FRP, prestando especial atención en los mecanismos actuantes estudiados hasta la fecha. La bibliografía consultada ha sido exhaustiva y actualizada lo que ha permitido el estudio de los modelos propuestos más importantes, tanto para la descripción del fenómeno de adherencia entre hormigón-FRP como de la valoración del aporte al cortante total hecho por el FRP, a través de sendas bases de datos de ensayos de pull-out y de vigas de hormigón armado ensayadas a cortante. Con base en todo lo anterior, se expusieron los mecanismos actuantes en el aporte a cortante hecho por el FRP en elementos de hormigón armado y la forma como las principales guías de cálculo existentes hasta la fecha los abordan. De igual forma se define un modelo de resistencia de esfuerzos para el FRP y se proponen dos modelos para el cálculo de las tensiones o deformaciones efectivas, de los cuales uno esta basado en el modelo de adherencia propuesto por Oller (2005) y el otro en una regresión multivariante para los mecanismos expuestos. Como complemento del estudio de los trabajos encontrados en la literatura, se lleva acabo un programa experimental que, además de aportar más registros a la exigua base de datos existentes, aporte mayor luz a los puntos que se consideran están deficientemente resueltos. Dentro de este programa se realizaron 32 ensayos sobre 16 vigas de 4.5 m de longitud (dos ensayos por viga), reforzadas a cortante con tejido unidireccional de CFRP. Finalmente, estos estudios han permitido proponer modificaciones a las formulaciones existentes en los códigos y guías en vigor. Abstract Its excellent mechanical properties, as well as its corrosion resistance and light weight, which make it easy to apply and inexpensive to ship to the worksite, are the basis of the extended use of fiber reinforced polymer (FRP) as external strengthening for structures. FRP strengthening is a rapid operation calling for only limited labor and lightweight ancillary equipment, all of which minimizes both the interruption of facility usage and user inconvenience. These advantages have aroused considerable interest in civil engineering science and technology and have led to countless applications the world over. Research studies on the shear strength of FRP-strengthened members have been much fewer in number and more controversial than the research on flexural strengthening, for which a more or less standardized and generally accepted procedure has been established. The research conducted and a host of applications around the world have shown that FRP strengthening is an effective technique for raising ultimate shear strength, but it has also revealed a need for further experimental and theoretical research to advance in the understanding of the mechanisms involved and establish suitable design procedures that optimize the excellent properties of this material The models that explain reinforced concrete (RC) shear strength behavior are complex and cannot be directly transposed to engineering formulas. The standards presently in place generally establish shear capacity empirically as the sum of the capacities of the concrete and the passive reinforcement. When members are externally strengthened with FRP, the models are obviously even more complex. The existing guides and recommendations propose calculating capacity by adding the external strength provided by the FRP to the contributions of the concrete and passive reinforcement. The suitability of this approach is questionable, however, because it fails to consider the interaction between passive reinforcement and external strengthening. The subject of this work is based in above, which is focused on externally shear strengthening for reinforced concrete members with unidirectional carbon fiber sheets bonded with epoxy resin. v Initially a thorough literature review on shear of reinforced concrete beams with and without external FRP strengthening was performed, paying special attention to the acting mechanisms studied to date, which allowed the study of the most important models both to describe the bond phenomenon as well as calculating the FRP shear contribution, through separate databases of pull-out tests and shear tests on reinforced concrete beams externally strengthened with FRP. Based on above, they were exposed the acting mechanisms in a FRP shear strengthening on reinforced concrete beams and how guidelines deal the topic. The same way, it is defined a FRP stress strength model and two more models are proposed for calculating the effective stress, one of these is based on the Oller (2005) bond model and another one is the data best fit, taking into account most of the acting mechanisms. To complement the theoretical part we develop an experimental program that, in addition to providing more records to the meager existing database provide greater understanding to the points considered poorly resolved. The test program included 32 tests of 16 beams (2 per beam) of 4.5 m long, shear strengthened with FRP, externally. Finally, modifications to the existing codes and guidelines are proposed.

Estimación de la resistencia de estructuras de hormigón armado reforzadas a cortante mediante FRP

El empleo de refuerzos de FRP en vigas de hormigón armado es cada vez más frecuente por sus numerosas ventajas frente a otros métodos más tradicionales. Durante los últimos años, la técnica FRP-NSM, consistente en introducir barras de FRP sobre el recubrimiento de una viga de hormigón, se ha posicionado como uno de los mejores métodos de refuerzo y rehabilitación de estructuras de hormigón armado, tanto por su facilidad de montaje y mantenimiento, como por su rendimiento para aumentar la capacidad resistente de dichas estructuras. Si bien el refuerzo a flexión ha sido ampliamente desarrollado y estudiado hasta la fecha, no sucede lo mismo con el refuerzo a cortante, debido principalmente a su gran complejidad. Sin embargo, se debería dedicar más estudio a este tipo de refuerzo si se pretenden conservar los criterios de diseño en estructuras de hormigón armado, los cuales están basados en evitar el fallo a cortante por sus consecuencias catastróficas Esta ausencia de información y de normativa es la que justifica esta tesis doctoral. En este pro-yecto se van a desarrollar dos metodologías alternativas, que permiten estimar la capacidad resistente de vigas de hormigón armado, reforzadas a cortante mediante la técnica FRP-NSM. El primer método aplicado consiste en la implementación de una red neuronal artificial capaz de predecir adecuadamente la resistencia a cortante de vigas reforzadas con este método a partir de experimentos anteriores. Asimismo, a partir de la red se han llevado a cabo algunos estudios a fin de comprender mejor la influencia real de algunos parámetros de la viga y del refuerzo sobre la resistencia a cortante con el propósito de lograr diseños más seguros de este tipo de refuerzo. Una configuración óptima de la red requiere discriminar adecuadamente de entre los numerosos parámetros (geométricos y de material) que pueden influir en el compor-tamiento resistente de la viga, para lo cual se han llevado a cabo diversos estudios y pruebas. Mediante el segundo método, se desarrolla una ecuación de proyecto que permite, de forma sencilla, estimar la capacidad de vigas reforzadas a cortante con FRP-NSM, la cual podría ser propuesta para las principales guías de diseño. Para alcanzar este objetivo, se plantea un pro-blema de optimización multiobjetivo a partir de resultados de ensayos experimentales llevados a cabo sobre vigas de hormigón armado con y sin refuerzo de FRP. El problema multiobjetivo se resuelve mediante algoritmos genéticos, en concreto el algoritmo NSGA-II, por ser más apropiado para problemas con varias funciones objetivo que los métodos de optimización clásicos. Mediante una comparativa de las predicciones realizadas con ambos métodos y de los resulta-dos de ensayos experimentales se podrán establecer las ventajas e inconvenientes derivadas de la aplicación de cada una de las dos metodologías. Asimismo, se llevará a cabo un análisis paramétrico con ambos enfoques a fin de intentar determinar la sensibilidad de aquellos pa-rámetros más sensibles a este tipo de refuerzo. Finalmente, se realizará un análisis estadístico de la fiabilidad de las ecuaciones de diseño deri-vadas de la optimización multiobjetivo. Con dicho análisis se puede estimar la capacidad resis-tente de una viga reforzada a cortante con FRP-NSM dentro de un margen de seguridad espe-cificado a priori. ABSTRACT The use of externally bonded (EB) fibre-reinforced polymer (FRP) composites has gained acceptance during the last two decades in the construction engineering community, particularly in the rehabilitation of reinforced concrete (RC) structures. Currently, to increase the shear resistance of RC beams, FRP sheets are externally bonded (EB-FRP) and applied on the external side surface of the beams to be strengthened with different configurations. Of more recent application, the near-surface mounted FRP bar (NSM-FRP) method is another technique successfully used to increase the shear resistance of RC beams. In the NSM method, FRP rods are embedded into grooves intentionally prepared in the concrete cover of the side faces of RC beams. While flexural strengthening has been widely developed and studied so far, the same doesn´t occur to shearing strength mainly due to its great complexity. Nevertheless, if design criteria are to be preserved more research should be done to this sort of strength, which are based on avoiding shear failure and its catastrophic consequences. However, in spite of this, accurately calculating the shear capacity of FRP shear strengthened RC beams remains a complex challenge that has not yet been fully resolved due to the numerous variables involved in the procedure. The objective of this Thesis is to develop methodologies to evaluate the capacity of FRP shear strengthened RC beams by dealing with the problem from a different point of view to the numerical modeling approach by using artificial intelligence techniques. With this purpose two different approaches have been developed: one concerned with the use of artificial neural networks and the other based on the implementation of an optimization approach developed jointly with the use of artificial neural networks (ANNs) and solved with genetic algorithms (GAs). With these approaches some of the difficulties concerned regarding the numerical modeling can be overcome. As an alternative tool to conventional numerical techniques, neural networks do not provide closed form solutions for modeling problems but do, however, offer a complex and accurate solution based on a representative set of historical examples of the relationship. Furthermore, they can adapt solutions over time to include new data. On the other hand, as a second proposal, an optimization approach has also been developed to implement simple yet accurate shear design equations for this kind of strengthening. This approach is developed in a multi-objective framework by considering experimental results of RC beams with and without NSM-FRP. Furthermore, the results obtained with the previous scheme based on ANNs are also used as a filter to choose the parameters to include in the design equations. Genetic algorithms are used to solve the optimization problem since they are especially suitable for solving multi-objective problems when compared to standard optimization methods. The key features of the two proposed procedures are outlined and their performance in predicting the capacity of NSM-FRP shear strengthened RC beams is evaluated by comparison with results from experimental tests and with predictions obtained using a simplified numerical model. A sensitivity study of the predictions of both models for the input parameters is also carried out.