Effect of Cyclic Carbonation on Chloride Ingression in GGBS Concrete

Carbonation and chloride ingress are the two main causes of corrosion in reinforced concrete structures. An investigation to monitor the ingress of chlorides and the effect of carbonation on chloride ingression during an accelerated 12 month cyclic wetting and drying exposure regime that simulates conditions in which multiple mode transport mechanisms are active was conducted on ground granulated blast furnace slag (GGBS) concrete. The penetration of chloride and carbon dioxide was evaluated using water and acid soluble chloride profiles and phenolphthalein indicator, respectively. The results indicated that when chloride and carbon dioxide ingress concomitantly the effects can be adverse. Carbonation has a detrimental effect on the binding capacity of the concrete, increasing the concentration of free (water soluble) chlorides. This contributed to greater concentration and greater penetration of chlorides and thus an increased corrosion risk.

Development of Seismic Fragility Functions for a Moment Resisting Reinforced Concrete Framed Structure

Understanding the seismic vulnerability of building structures is important for seismic engineers, building owners, risk insurers and governments. Seismic vulnerability defines a buildings predisposition to be damaged as a result of an earthquake of a given severity. There are two components to seismic risk; the seismic hazard and the exposure of the structural inventory to any given earthquake event. This paper demonstrates the development of fragility curves at different damage states using a detailed mechanical model of a moment resisting reinforced concrete structure typical of Southern Europe. The mechanical model consists of a complex three-dimensional finite element model of the reinforced concrete moment resisting frame structure and is used to define the damage states through pushover analysis. Fragility curves are also defined using the HAZUS macroseismic methodology and the Risk-UE macroseismic methodology. Comparison of the mechanically modelled and HAZUS fragility curve shows good agreement while the Risk-UE methodology shows reasonably poor agreement.

Heat Activated Prestressing of Shape Memory Alloys for Active Confinement of Concrete Sections

This paper presents the results from the experimental investigation on heat activated prestressing of Shape Memory Alloy (SMA) wires for active confinement of concrete sections. Active confinement of concrete is found to be much more effective than passive confinement which becomes effective only when the concrete starts to dilate. Active confinement achieved using conventional prestressing techniques often faces many obstacles due to practical limitations. A class of smart materials that has recently drawn attention in civil engineering is the super elastic SMA which has the ability to undergo reversible hysteretic shape change known as the shape memory effect. The shape memory effect of SMAs can be utilized to develop a convenient prestressing technique for active confinement of concrete sections.
In this study a series of experimental tests are conducted to study Heat Activated Prestress (HAP) in SMAs. Three different types of tests are conducted with different loading protocol to determine parameters such as HAP, residual strain after heating and range of strain that can be used for effective active confinement after HAP. Test results show a maximum HAP of about 500 MPa can be achieved after heating and approximately 450MPa is retained at 25oC in specimens pre-strained by 6%. A substantial amount of strain recovery upon unloading and after heating the SMA wires is recorded. About 2.5% elastic strain recovery upon unloading from 6% strain level is observed. In the specimen pre-strained by 6%, a total of 4% strain is recovered when unloaded after heating. A strain range of 3% is found available for effective confinement after HAP. Test results demonstrate that SMAs have unique features that can be intelligently employed in many civil engineering applications including active confinement of concrete sections.

Monitoring the durability of marine concrete structures

New techniques based on embedded sensors have been developed for monitoring reinforced concrete structures for assessing their durability, which can be used instead of the conventional non-destructive test techniques. The continuous monitoring of concrete for its durability with various types of sensors allows not only early assessment of the potential durability of structures, but also a prediction of their service life. Effrosyni Tzoura and Muhammed Basheer of University of Leeds, Sreejith Nanukuttan and Danny McPolin of Queen's University Belfast, John McCarter of Heriot-Watt University, Ken Grattan and Tong Sun of City University London and Sudarshan Srinivasan of Mott MacDonald report.

Biaxial seismic behaviour of reinforced concrete columns

A análise dos efeitos dos sismos mostra que a investigação em engenharia sísmica deve dar especial atenção à avaliação da vulnerabilidade das construções existentes, frequentemente desprovidas de adequada resistência sísmica tal como acontece em edifícios de betão armado (BA) de muitas cidades em países do sul da Europa, entre os quais Portugal. Sendo os pilares elementos estruturais fundamentais na resistência sísmica dos edifícios, deve ser dada especial atenção à sua resposta sob ações cíclicas. Acresce que o sismo é um tipo de ação cujos efeitos nos edifícios exige a consideração de duas componentes horizontais, o que tem exigências mais severas nos pilares comparativamente à ação unidirecional. Assim, esta tese centra-se na avaliação da resposta estrutural de pilares de betão armado sujeitos a ações cíclicas horizontais biaxiais, em três linhas principais. Em primeiro lugar desenvolveu-se uma campanha de ensaios para o estudo do comportamento cíclico uniaxial e biaxial de pilares de betão armado com esforço axial constante. Para tal foram construídas quatro séries de pilares retangulares de betão armado (24 no total) com diferentes características geométricas e quantidades de armadura longitudinal, tendo os pilares sido ensaiados para diferentes histórias de carga. Os resultados experimentais obtidos são analisados e discutidos dando particular atenção à evolução do dano, à degradação de rigidez e resistência com o aumento das exigências de deformação, à energia dissipada, ao amortecimento viscoso equivalente; por fim é proposto um índice de dano para pilares solicitados biaxialmente. De seguida foram aplicadas diferentes estratégias de modelação não-linear para a representação do comportamento biaxial dos pilares ensaiados, considerando não-linearidade distribuída ao longo dos elementos ou concentrada nas extremidades dos mesmos. Os resultados obtidos com as várias estratégias de modelação demonstraram representar adequadamente a resposta em termos das curvas envolventes força-deslocamento, mas foram encontradas algumas dificuldades na representação da degradação de resistência e na evolução da energia dissipada. Por fim, é proposto um modelo global para a representação do comportamento não-linear em flexão de elementos de betão armado sujeitos a ações biaxiais cíclicas. Este modelo tem por base um modelo uniaxial conhecido, combinado com uma função de interação desenvolvida com base no modelo de Bouc- Wen. Esta função de interação foi calibrada com recurso a técnicas de otimização e usando resultados de uma série de análises numéricas com um modelo refinado. É ainda demonstrada a capacidade do modelo simplificado em reproduzir os resultados experimentais de ensaios biaxiais de pilares.

Characterisation of the cyclic behaviour of reinforced concrete elements with plain bars

Sismos recentes comprovam a elevada vulnerabilidade dos edifícios existentes de betão armado. A resposta das estruturas aos sismos é fortemente condicionada pelas características da aderência aço-betão, que exibe degradação das propriedades iniciais quando sujeitas a carregamentos cíclicos e alternados. Este fenómeno é ainda mais gravoso para elementos com armadura lisa, predominantes na maioria das estruturas construídas até à década de 70 nos países do sul da Europa. A prática corrente de conceção, dimensionamento e pormenorização das estruturas antigas leva a que tenham características de comportamento e níveis de segurança associados não compatíveis com as exigências atuais. Os estudos realizados sobre o comportamento cíclico de elementos estruturais de betão armado com armadura lisa são ainda insuficientes para a completa caracterização deste tipo de elementos. Esta tese visou a caraterização da relação tensão de aderência versus escorregamento para elementos estruturais com armadura lisa e o estudo da resposta cíclica de pilares e nós viga-pilar de betão armado com armadura lisa. Foram realizados dez séries de ensaios de arrancamento (nove monotónicos e um cíclico) em provetes com varões lisos. Os resultados destes ensaios permitiram propor novas expressões empíricas para a estimativa dos parâmetros usados num modelo disponível na literatura para representação da relação tensão de aderência versus escorregamento. É ainda proposto um novo modelo monotónico para a relação tensão de aderência versus escorregamento que representa melhor a resposta após a resistência máxima de aderência. Uma campanha de ensaios unidirecionais em pilares e nós viga-pilar foi também realizada com o objetivo principal de caracterizar o comportamento cíclico deste tipo de elementos. No total foram realizados oito ensaios em pilares, sete ensaios em nós viga-pilar interiores e seis ensaios em nós viga-pilar exteriores representativos de estruturas antigas de betão armado com armadura lisa. Os resultados experimentais permitiram avaliar a influência do escorregamento e estudar o mecanismo de corte em nós e a evolução dos danos para elementos com armadura lisa. Com base nos resultados experimentais foi proposta uma adaptação na expressão do Eurocódigo 8-3 para o cálculo da capacidade última de rotação de elementos com armadura lisa. Foi também desenvolvido um estudo paramétrico, com diferentes estratégias de modelação não linear, para a simulação da resposta de pilares considerando o escorregamento da armadura lisa. Por último, foi proposto um novo modelo simplificado trilinear para o aço que contempla o efeito do escorregamento da armadura lisa.

FRP Seismic Strengthening of Concrete Structures

This paper presents the experimental work carried out on a full scale concrete frame strengthened with Fibre Reinforced Polymer (FRP) composites. The frame was damaged, strengthened with FRP reinforcement and re-tested to assess the effectiveness of the strengthening technique. The natural frequencies of vibration, displacements, velocities and accelerations for both the unstrengthened and strengthened frame were recorded and compared.