Issues in fe modelling of FRP strengthened masonry arch bridges

Externally bonding of FRP composites is an effective technique for retrofitting historical masonry arch structures. A major failure mode in such strengthened structures is the debonding of FRP from the masonry. The bond behaviour between FRP and masonry thus plays a crucial role in these structures. Major challenges exist in the finite element modelling of such structures, such as modelling of mixed Mode-I and Mode-II bond behaviour between the FRP and the curved masonry substrate, modelling of existing damages in the masonry arches, consideration of loading history in the unstrengthened and strengthened structure etc. This paper presents a rigorous FE model for simulating FRP strengthened masonry arch structures. A detailed solid model was developed for simulating the masonry and a mixed-mode interface model was used for simulating the FRP-to-masonry bond behaviour. The model produces results in very close agreement with test results.

A technique for reducing strain concentrations in FRP wrapped concrete columns

Existing studies have shown conclusively that the measured fibre reinforced polymer (FRP) rupture strain in FRP wrapped concrete columns is usually significantly smaller than the rupture strain obtained from flat coupon tests. One of the main causes for this phenomenon is the existence of geometrical discontinuities at both ends of the FRP sheets. This study proposes a new strengthening method in which continuous FRP spiral wrapping is used to eliminate strain concentrations due to the geometrical discontinuities and thus increase the FRP rupture strain at column failure. The effect of the spiral angle of FRP on the FRP rupture strain in FRP wrapped specimens was experimentally investigated. The test results indicate that the spiral wrapping with a small angle with respect to the column circumference can significantly increase the strain efficiency of FRP and thus enhance the axial compression capacity of the strengthened cylinders.

FRP-to-concrete bond-slip behaviour under dynamic loading

Strengthening reinforced concrete (RC) structures by externally bonded FRP composites has been widely used for static loading and seismic retrofitting since 1990s. More recently many studies on strengthening concrete and masonry structures with externally bonded FRP for improved blast and impact resistance in protective engineering have also been conducted. The bond behaviour between the FRP and concrete plays a critical role in a strengthening system with externally bonded FRP. However, the understanding of how the bond between FRP and concrete performs under high strain rate is severely limited. Due to the dynamic characteristics of blast and impact loading, the bond behaviour between FRP and concrete under such loading is very different from that under static loading. This paper presents a study on the dynamic bond-slip behaviour based on both the numerical analysis and test results. A dynamic bond-slip model is proposed in this paper.

Bond behavior of NSM FRP strips between two adjacent cracks in concrete beams: A numerical study

Strengthening RC structures with near-surface mounted (NSM) fibre reinforced polymer (FRP) composites has a number of advantages compared with that with externally bonded (EB) FRP sheets/plates. As with EB FRP, the performance of the bond between NSM FRP and concrete is one of the key factors affecting the behaviour of the strengthened structure. This paper presents a numerical investigation into the behaviour of NSM FRP loaded at its both ends to simulate the NSM FRP-toconcrete bond between two adjacent cracks in RC members. The main objective of this study is to quantitatively clarify the effect of the bondline damage during slip reversal on the ultimate load (bond strength). The results show that the bondline damage has a significant effect on the load-carrying capacity of the NSM FRP-to-concrete bonded interface and should be considered in FE modeling of the interface.

Interpretation of flat FRP coupon test results

The tensile strength obtained from existing testing methods such as ASTM D3039, based on flat coupons, usually has a large scatter for fibre reinforced polymer (FRP) composites. This means that the measured strength may not represent the actual strength of the material, leading to under or over design. This paper develops a new interpretation method which requires fewer tests, saving money and time. Moreover the results are more consistent and more closely represent the actual strength which can lead to a safer and more economical design.

Mitigation of concrete cover separation in frpstrengthened RC beams using FRP U-jackets

Concrete cover separation is a common failure mode of reinforced concrete (RC) beams strengthened with a fibre-reinforced polymer (FRP) plate bonded to the tension face (FRP-plated RC beams). Plate-end FRP U-jackets have previously been explored as a mitigation measure to delay or suppress concrete cover separation, although its effectiveness needs further clarification. The paper presents the first systemic experimental study on the use of FRP U-jackets of different forms for mitigating the concrete cover separation failure. A total of ten full-scale FRP-plated RC beams were tested. The test results show that both the ultimate load and the ductility of the beams were enhanced by the U-jackets. Among the forms of U-jackets explored, those inclined at 45o are the most effective.

Strengthening timber beams with near surface mounted carbon fiber reinforced polymer rods

Many timber structures may require strengthening due to either decay and aging or an increase of load. This paper presents an experimental study in which eleven timber beams were tested, including three unstrengthened reference beams and eight beams strengthened with NSM CFRP bars. The test parameters include the position of NSM (tensile face or the bottom of the sides), the number of CFRP bars (1 or 2), and additional anchorage of NSM CFRP bars (steel wire U anchors or CFRP U strips). The test results show that the ultimate flexural strength of the timber beams were increased by 14%∼85% with an average of 47% due to NSM CFRP bar strengthening. Their deflection corresponding to the peak load was increased by 33% in average.

Improved shear strength model for FRP-strengthened RC beams accounting for adverse FRP-steel interaction

RC beams shear-strengthened with externally-bonded FRP side strips or U-strips usually fail by debonding. As such debonding occurs in a brittle manner at relatively small shear crack widths, some of the internal steel stirrups may not have reached yielding at beam shear failure. Consequently, the internal steel stirrups cannot be fully utilized. This adverse shear interaction between internal steel stirrups and external FRP strips may significantly reduce the benefit of shear-strengthening FRP but has not been considered by any of the existing FRP strengthening design guidelines. In this paper, an improved shear strength model capable of accounting for the effect of the above shear interaction is first presented, in which the unfavorable effect of shear interaction is reflected through a reduction factor (i.e. shear interaction factor). Using a large test database established in the present study, the performance of the proposed model as well as that of three other shear strength models is then assessed. This assessment shows that the proposed shear strength model performs better than the three existing models. The assessment also shows that the inclusion of the proposed shear interaction factor in the existing models can significantly improve their performance.

Effects of unconfined concrete strength on FRP confinement of concrete

Research has shown that fibre reinforced polymer (FRP) wraps are effective for strengthening concrete columns for increased axial and flexural load and deformation capacity, and this technique is now used around the world. The experimental study presented in this paper is focused on the mechanics of FRP confined concrete, with a particular emphasis on the influence of the unconfined concrete compressive strength on confinement effectiveness and hoop strain efficiency. An experimental programme was undertaken to study the compressive strength and stress-strain behaviour of unconfined and FRP confined concrete cylinders of different concrete strength but otherwise similar mix designs, aggregates, and constituents. This was accomplished by varying only the water-to-cement ratio during concrete mixing operations. Through the use of high-resolution digital image correlation to measure both axial and hoop strains, the observations yield insights into the mechanics of FRP confinement of concretes of similar composition but with varying unconfined concrete compressive strength.

Novel manually made NSM FRP (MMFRP) bars for shear strengthening of RC beams

This paper presents an experimental study evaluating the effectiveness of the Near Surface Mounted (NSM) technique with innovative manually made FRP bars (MMFRP) for shear strengthening of RC beams. RC beams designed to fail in shear were tested in three-point bending. To delay the onset of MMFRP bar debonding, a new anchorage is also developed and tested. This paper reports the results of a series of tests on simply supported rectangular RC beams, strengthened in shear with MMFRP bar either with or without the proposed anchorage. The load-deflection responses of all test beams are plotted, in addition to selected strain results. Performance and the failure modes of the test beams are presented and discussed in this paper. The proposed MMFRP bars and end anchorage enhanced the shear capacity between 25 to 48% over the control specimen. Furthermore, the adoption of the proposed end anchorage of MMFRP bars significantly enhanced the ductility of the test specimens.

Fontes sísmicas ao longo da fronteira de placas tectónicas entre os Açores e a Argélia: um modelo sismotectónico

Portugal apresenta uma actividade sísmica que resulta em grande parte da sua proximidade à fronteira entre as placas tectónicas Euro-asiática (EA) e Nubia (NU), numa faixa que se estende desde Gibraltar até ao arquipélago dos Açores. A fractura litosférica contida nessa faixa é habitualmente designada por Fractura Açores-Gibraltar. A forte interacção entre os dois blocos, manifesta-se por um aumento da sismicidade nesta faixa, fortemente influenciada pela interacção entre os dois blocos tectónicos. No prolongamento para Ocidente deste acidente atinge-se a Crista Média Atlântica (CMA) num ponto localizado a noroeste do arquipélago dos Açores, e que constitui a fronteira entre a placa Americana (AM) e as placas EA e NU. Este ponto também é conhecido por Junção Tripla dos Açores. A interacção entre os três limites de placas confere à região dos Açores a actividade sísmica que se lhe conhece, uma das mais significativas no contexto nacional. Toda esta zona, devido ao potencial e efectivo risco sísmico testemunhado pelos eventos sísmicos recentes e pelos grandes terremotos historicamente documentados, é alvo de um elevado esforço que nos últimos anos resultou, de forma integrada, em avanços como: 1) melhoria da capacidade de observação do fenómeno sísmico –a existência dos meios mínimos de monitorização sísmica é hoje uma realidade que reconhecemos, salientando contudo, o muito que há a fazer em domínios como: a instalação de estações sísmicas submarinas (OBS) capazes de suprir as lacunas verificadas; a compatibilização de dados e o livre acesso aos mesmos; a criação de uma rede de acelerómetros capaz de registar os movimentos fortes; 2) aumento da capacidade de investigação – o recrutamento de novos investigadores através de projectos multi-disciplinares em domínios como a sismicidade, fonte sísmica e mecanismos focais, geomagnetismo, gravimetria, geodesia e análise estrutural....

Hidrogeomorfologia e sustentabilidade de recursos hídricos subterrâneos

A água subterrânea de rochas duras é uma fonte importante para fins domésticos, industriais e agrícolas e mesmo para o consumo humano. A geologia, a tectónica, a geomorfologia e as características hidrológicas controlam o fluxo, ocorrência e armazenamento das águas subterrâneas. A disponibilidade da água subterrânea no meio geológico está totalmente dependente das áreas de recarga e de descarga numa determinada bacia. A precipitação é a principal fonte de recarga em aquíferos descontínuos, enquanto que a descarga depende dos declives do terreno e dos gradientes do nível hidrostático e ainda das condições hidrogeológicas do solo. A hidrogeomorfologia é um domínio interdisciplinar emergente, que estuda as relações entre as unidades geomorfológicas e o regime das águas superficiais e subterrâneas de uma determinada área. A compreensão do papel da geomorfologia é essencial para avaliar de forma rigorosa os sistemas hidrogeológicos e os recursos hídricos. Os dados de detecção remota providenciam uma informação espacial valiosa e actualizada da superfície terrestre e dos recursos naturais. Os recentes avanços tecnológicos colocaram as técnicas de detecção remota e os sistemas de informação geográfica (SIG) numa posição cimeira como ferramentas de gestão metodológica. Foi criada, em ambiente SIG, uma base de geo-dados, essencialmente derivada da detecção remota, da cartografia e do trabalho de campo. Esta base de dados, organizada em diferentes níveis de informação, inclui uma avaliação principalmente focalizada no uso do solo, climatologia, declives, geologia, geomorfologia e hidrogeologia. No presente estudo foram cruzados diversos níveis de informação, com a geração de múltiplos mapas temáticos para atingir um quadro integrado dos diversos sectores no Norte e Centro de Portugal. Os sectores em estudo (Caldas da Cavaca, Termas de Entre-os-Rios, Águas de Arouca e Águas do Alardo) estão localizados em sistemas hidrogeológicos predominantemente constituídos por rochas graníticas, por vezes intersectadas por filões de quartzo, aplito-pegmatíticos e doleríticos. Para apoiar a elaboração dos mapas hidrogeomorfológicos foi criada uma base SIG, contendo diversa informação, nomeadamente topografia, hidrografia, litologia, tectónica, morfoestrutura, hidrogeologia, geofísica e uso do solo. Além disso, foram realizadas várias campanhas de campo, as quais permitiram: o estabelecimento dum mapeamento geológico, geomorfológico e hidrogeológico; a caracterização in situ do grau de alteração, resistência e grau de fracturação dos maciços rochosos; o desenvolvimento de um inventário hidrogeológico em conjunto com alguns ensaios expeditos in situ. A interligação entre os parâmetros geomorfológicos, hidrológicos e hidrogeológicos dos sistemas de água subterrânea “normal” e hidromineral destaca a importância de uma cartografia e duma modelação conceptual hidrogeomorfológica. Além disso, contribuirá para um melhor apoio à decisão na gestão sustentável dos recursos hídricos.

Propriedades de lamas de salinas de Aveiro, tendo em vista aplicações dermoterapêuticas e dermocosméticas

Desde tempos históricos que diferentes tipos de lama são utilizados para aplicações externas no corpo humano, para fins terapêuticos e cosméticos. As lamas cuja beneficiação e caracterização físico-química são apresentadas nesta dissertação são formadas no ambiente hipersalino que existe nas salinas da Troncalhada e de São Tiago da Fonte, localizadas no estuário do rio Vouga, em Aveiro, Portugal. As salinas são constituídas por uma sequência de tanques onde, no período de verão, da água do mar e por evaporação natural, se produz sal marinho que precipita no último tanque (o cristalizador) do qual é extraído. Na base dos tanques ocorrem lamas que correspondem a sedimentos constituídos por material argiloso de cor preto-cinzento e que incorporam argila, silte, areia, bioclastos, sal, matéria orgânica e gás. A componente inorgânica da lama extraída do cristalizador foi estudada por Difracção de Raios-X (DRX) e Fluorescência de Raios-X (FRX), enquanto a componente orgânica da mesma lama foi estudada por Cromatografia de Gás- Espectrometria de Massa (GC-MS). Os estudos efectuados incidiram sobre amostras representativas de lama, obtidas antes e após refinação e beneficiação a que foi submetida a lama tal-qual colhida nas salinas. Foram utilizados métodos geofísicos para caracterizar e distinguir as lamas depositadas na época de safra e no período de interregno. Para o efeito, foram cravados tubos amostradores no sedimento que reveste o fundo dos tanques, tubos que seguidamente foram transportados para o laboratório para medição da condutividade eléctrica do topo até à base da coluna de sedimento amostrado. A refinação foi efectuada por elutriação de suspensões aquosas de lama utilizando um equipamento desenvolvido para o efeito e que permitiu concentrar a lama fina no overflow. Após floculação, sifonagem da água sobrenadante, dessalinização e centrifugação a lama refinada e beneficiada pôde ser incorporada em formulações com objectivos terapêuticos e cosméticos. O estudo microbiológico efectuado nas amostras de lama com sal e sem sal e na água das salinas permitiu identificar diversos tipos de bactérias e colónias presentes na lama e avaliar também os processos de esterilização testados. Concluiu-se que a lama hipersalina ou dessalinizada resultante do processamento a que foram submetidas, não deve ser aplicada ou incorporada em formulações tal-qual, pelo facto de em ambas terem sido identificadas bactérias como é o caso de Clostridium perfringens. Não obstante, se submetidas a esterilização utilizando autoclave a lama salina refinada e beneficiada poderá ser aplicada como peloide extemporâneo. Assim sendo foram desenvolvidas formulações dermoterapêuticas e dermocosméticas contendo lama beneficiada e dessalinizada e esterilizada termicamente.

Análise comparativa da casualidade sísmica do Algarve

In this paper we compared the seismic hazard of Algarve obtained with two different models: a point-source model (proposed by McGuire) and a fault-rupture model (proposed by Der Kiureghian and Ang).