Experimental study on Carbon FRP-confined elliptical concrete columns

It is well recognized that the technique of strengthening reinforced concrete (RC) using fiber-reinforced polymer (FRP) jackets is more effective for circular sections, but less effective for rectangular sections. Indeed the presence of angular corners does not permit a uniform confinement to be provided by the FRP jackets to the columns. While rounded corners can enhance the effectiveness of FRP confinement, it will be more efficient to modify the rectangular section into an elliptical section. In addition to the better confinement effectiveness, from an aesthetical point of view, the shape modification would be a surprise to the built environment. This paper presents an experimental study on the behavior of FRP-confined concrete columns with elliptical section. Thirty-two short columns, divided in eight batches, were tested under axial compression. Each batch presents four specimens with different elliptical sections, determined by the aspect ratio a/b, that is the ratio between the minor and mayor axis. By varying this value from 1.0 to 2.0 (1.0, 1.3., 1.7, 2.0), the section becomes more and more elliptical starting from a circular shape. In this way it is possible to study the trend of effectiveness of FRP confinement for different section geometries. It is also interesting to study how the confinement effectiveness may vary by changing the cylinder strength of concrete and the number of the layers of CFRP. For this reason, a cylinder strength of concrete of 25 and 45 MPa have been used for the present research work, and half of the specimens were wrapped by one layer of CFRP, while the remaining specimens were wrapped with two layers. A simple analysis of the results has been carried out for evaluating the experimental work described in the present document. Further studies and analysis on this work should help to achieve a new and more accurate stress-strain model for CFRP-confined concrete columns with an elliptical section.

Valutazione sperimentale dell’aderenza muratura - frp

Il presente lavoro d tesi si inserisce in un programma di ricerca più esteso mirato ad indagare i meccanismi di distacco tra fibrorinforzati e muratura. L'intera campagna sperimentale si suddivide in prove eseguite per determinare l'influenza del substrato sulla resistenza finale, per individuare l'influenza delle variazioni geometriche degli elementi sul fenomeno del debanding, per confrontare i risultati con i dati ottenuti in altre attività di ricerca.

Indagine teorica e sperimentale sull'aderenza di barre in frp nel calcestruzzo

L’aderenza tra barre fibrorinforzate e calcestruzzo è una chiave fondamentale per comprendere al meglio l’azione composita di strutture rinforzate o armate in FRP. Deve essere mobilitata una certa aderenza tra la barra e calcestruzzo per trasferire gli sforzi da un corpo all’altro. Poiché il materiale composito è anisotropo, in direzione longitudinale le proprietà meccaniche sono governate da quelle delle fibre, mentre in direzione trasversale dalla resina. La matrice presenta in genere resistenze più basse di quella a compressione del calcestruzzo, cosicché il meccanismo di aderenza risulta diverso da quello sviluppato dalle tradizionali barre in acciaio. In questa tesi viene sviluppata appunto un’indagine sperimentale sul fenomeno dell’aderenza di barre in acciaio e barre in CFRP (fibra di carbonio) nel calcestruzzo, cercando di capire come cambia il fenomeno al variare dei parametri da cui dipende principalmente l’aderenza, come ad esempio la resistenza caratteristica a compressione del calcestruzzo, il diametro e la deformazione superficiale della barra e la posizione di questa nel provino di calcestruzzo. Sono state quindi realizzate delle prove di pull-out, ovvero delle prove di estrazione di barre da provini di calcestruzzo, per determinare le tensioni tangenziali d’aderenza in funzione dello scorrimento locale della barra (local bond-slip). Infine sono stati calibrati, sui risultati delle prove sperimentali, i tre modelli analitici più noti in letteratura che descrivono il fenomeno dell’aderenza delle barre in FRP nel calcestruzzo, ovvero quello di Malvar (1994), il CMR Model (1995) e il Modified BPE Model (1996).

Das Foam Reaction Prototyping (FRP)

Das FRP-Verfahren ist eine neuentwickelte Technologie, die andere Verfahren des Prototypenbaus bzw. der Prototypenerzeugung an Präzision, Schnelligkeit und Rentabilität um ein Vielfaches übertrifft. Generell verringert sich damit der Zeitrahmen von der Idee bis zum fertigen Modell (time-to-market) dramatisch.

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.

Estudio de la redistribución tensional en la interfase frp-hormigón

El uso de materiales compuestos para el refuerzo, reparación y rehabilitación de estructuras de hormigón se ha convertido en una técnica muy utilizada en la última década. Con independencia de la técnica del refuerzo, uno de los principales condicionantes del diseño es el fallo de la adherencia entre el hormigón y el material compuesto, atribuida generalmente a las tensiones en la interfaz de estos materiales. Las propiedades mecánicas del hormigón y de los materiales compuestos son muy distintas. Los materiales compuestos comúnmente utilizados en ingeniería civil poseen alta resistencia a tracción y tienen un comportamiento elástico y lineal hasta la rotura, lo cual, en contraste con el ampliamente conocido comportamiento del hormigón, genera una clara incompatibilidad para soportar esfuerzos de forma conjunta. Esta incompatibilidad conduce a fallos relacionados con el despegue del material compuesto del sustrato de hormigón. En vigas de hormigón reforzadas a flexión o a cortante, el despegue del material compuesto es un fenómeno que frecuentemente condiciona la capacidad portante del elemento. Existen dos zonas potenciales de iniciación del despegue: los extremos y la zona entre fisuras de flexión o de flexión-cortante. En el primer caso, la experiencia a través de los últimos años ha demostrado que se puede evitar prolongando el refuerzo hasta los apoyos o mediante el empleo de algún sistema de anclaje. Sin embargo, las recomendaciones para evitar el segundo caso de despegue aún se encuentran lejos de poder prever el fallo de forma eficiente. La necesidad de medir la adherencia experimentalmente de materiales FRP adheridos al hormigón ha dado lugar a desarrollar diversos métodos por la comunidad de investigadores. De estas campañas experimentales surgieron modelos para el pronóstico de la resistencia de adherencia, longitud efectiva y relación tensión-deslizamiento. En la presente tesis se propone un ensayo de beam-test, similar al utilizado para medir la adherencia de barras de acero, para determinar las características de adherencia del FRP al variar la resistencia del hormigón y el espesor del adhesivo. A la vista de los resultados, se considera que este ensayo puede ser utilizado para investigar diferentes tipos de adhesivos y otros métodos de aplicación, dado que representa con mayor realidad el comportamiento en vigas reforzadas. Los resultados experimentales se trasladan a la comprobación del fallo por despegue en la región de fisuras de flexión o flexión cortante en vigas de hormigón presentando buena concordancia. Los resultados condujeron a la propuesta de que la limitación de la deformación constituye una alternativa simple y eficiente para prever el citado modo de fallo. Con base en las vigas analizadas, se propone una nueva expresión para el cálculo de la limitación de la deformación del laminado y se lleva a cabo una comparación entre los modelos existentes mediante un análisis estadístico para evaluar su precisión. Abstract The use of composite materials for strengthening, repairing or rehabilitating concrete structures has become more and more popular in the last ten years. Irrespective of the type of strengthening used, design is conditioned, among others, by concrete-composite bond failure, normally attributed to stresses at the interface between these two materials. The mechanical properties of concrete and composite materials are very different. Composite materials commonly used in civil engineering possess high tensile strength (both static and long term) and they are linear elastic to failure, which, in contrast to the widely known behavior of concrete, there is a clear incompatibility which leads to bond-related failures. Bond failure in the composite material in bending- or shear-strengthened beams often controls bearing capacity of the strengthened member. Debonding failure of RC beams strengthened in bending by externally-bonded composite laminates takes place either, at the end (plate end debonding) or at flexure or flexure-shear cracks (intermediate crack debonding). In the first case, the experience over the past years has shown that this can be avoided by extending laminates up to the supports or by using an anchoring system. However, recommendations for the second case are still considered far from predicting failure efficiently. The need to experimentally measure FRP bonding to concrete has induced the scientific community to develop test methods for that purpose. Experimental campaigns, in turn, have given rise to models for predicting bond strength, effective length and the stress-slip relationship. The beam-type test proposed and used in this thesis to determine the bonding characteristics of FRP at varying concrete strengths and adhesive thicknesses was similar to the test used for measuring steel reinforcement to concrete bonding conditions. In light of the findings, this test was deemed to be usable to study different types of adhesives and application methods, since it reflects the behavior of FRP in strengthened beams more accurately than the procedures presently in place. Experimental results are transferred to the verification of peeling-off at flexure or flexure-shear cracks, presenting a good general agreement. Findings led to the conclusion that the strain limitation of laminate produces accurate predictions of intermediate crack debonding. A new model for strain limitation is proposed. Finally, a comprehensive evaluation based on a statistical analysis among existing models is carried out in order to assess their accuracy.

Evaluación del comportamiento de la interfase FRP-Hormigón en vigas de hormigón reforzadas con materiales compuestos

En el presente documento se analiza el uso de ensayos beam-test, análogos a los empleados comúnmente para medir la adherencia de barras, en el estudio de la adherencia FRP-Hormigón. Los resultados se trasladan a la comprobación del despegue en la zona entre fisuras de flexión en vigas de hormigón reforzadas con materiales compuestos de propiedades mecánicas similares. Finalmente se presenta una comparación con los modelos más relevantes de la literatura especializada.

Influencia de la relación tensión-deslizamiento en el comportamiento de la interfase FRP-Hormigón

En el presente trabajo se han analizado los modelos tensión-deslizamiento más divulgados para estudiar las tensiones en la interfase FRP-Hormigón y la carga máxima mediante su irapíementación en una de las principales técnicas de cálculo numérico fácilmente programable y aplicable para el caso en el que se tiene tracción en ambos extremos de la banda FRP. Los resultados se comparan con las soluciones analíticas encontradas en la literatura, las cuales están limitadas a los casos de una función tensión-deslizamiento lineal y bilineal. Finalmente, se contrasta la teoría con los resultados experimentales obtenidos de ensayos de tipología análoga al método beamtest empleado comúnmente para medir la adherencia de barras de acero.