High performance fiber reinforced concrete for the replacement of shear stirrups

Abstract

Corrosion of steel reinforcements, especially stirrups, is considered as one of the most common reasons that shorten the service life of the reinforced concrete, RC, structures. In several cases the rehabilitation of corroded RC structures is so expensive and time consuming that a decision for the demolishment of such members is currently taken, by bringing the consequent economic, social and environmental adverse impacts. Hence, in recent years there is an increasing demand for enhancing the durability and sustainability of concrete structures. The main purpose of the present thesis is to introduce a new design framework for constructing highly durable and structurally effective prefabricated concrete beams without stirrups. These elements are produced by means of a tailor-made high performance fiber reinforced concrete (HPFRC), which is capable of suppressing the steel stirrups without occurring shear failure. A hybrid flexural reinforcement system is used for these beams, composed of glass fiber reinforced polymer (GFRP) rebars placed near to the outer surface of the tensile zone and steel reinforcements positioned with higher HPFRC cover to be protected against the corrosion, which is considered another strategy for enhancing the durability, ensuring the required ductility, and attending fire issues in terms of safety at ultimate limit states. This research combines experimental, numerical and analytical approaches to evaluate the possibilities of the proposed strategy for developing pre-fabrication beams of material and structural requisites at competitive costs. The HPFRC is developed in order to have self-compacting requisites and properties at fresh stage suitable for the type of structural application to be developed, taking also into consideration the influence of fiber distribution and orientation. The mechanical properties of this HPFRC at harden stage are deeply characterized, mainly the postcracking behavior, due to the influence of fiber reinforcement in the fracture parameters of this cementitious material. Considering the influence of shear span to effective depth ratio, / a d, on shear behavior of the beams, the response of both HPFRC short span (1 / 2.5 a d   ) and slender beams ( / 2.5 a d  ) is evaluated under shear loading configuration. During these studies, the effectiveness of fiber dosage and prestress level applied to GFRP and/or steel flexural reinforcements to improve the shear capacity and failure mode of the designed beams is evaluated as well. By considering the obtained experimental results, the predictive performance of some analytical formulations for the shear resistance of fiber reinforced concrete beams is assessed. An analytical and a FEM-based numerical approach capable of capturing the relevant nonlinear phenomena of the intervening materials in this type of RC members are adopted to demonstrate the benefits of fiber reinforcement and prestress level on the load carrying capacity at serviceability limit state conditions and at steel yield initiation. Based on the developed research, it is demonstrated the possibility of combining HPFRC and FRP reinforcement systems for developing innovative construction systems of high structural performance and ductility, immunes to corrosion phenomena, capable of constituting a new generation of durable and cost competitive solutions for a more sustainable built environment.

A corrosão das armaduras de aço, especialmente dos estribos, é considerada uma das principais causas da diminuição da vida útil das estruturas de betão armado (RC). Os custos e tempo de reabilitação de estruturas que apresentam elementos com patologias de corrosão são em diversos casos tão elevados que a opção pela demolição destas estruturas é correntemente tomada, com os consequentes impactos económicos, sociais e ambientais adversos. Assim, nos últimos anos tem existido um crescente interesse em encontrar-se estratégias para aumentar a durabilidade e a sustentabilidade das estruturas de betão armado. O principal objetivo da presente tese é desenvolver uma metodologia de dimensionamento, do material à estrutura, que permita a produção de vigas pré-fabricadas de RC de elevada durabilidade e estruturalmente eficazes sem recorrer à utilização de estribos. Estes elementos são produzidos pelo desenvolvimento de um betão de elevado desempenho reforçado com fibras (HPFRC), com capacidade de dispensar a utilização de estribos de aço sem que ocorra rotura por corte. Nas vigas utilizou-se um sistema híbrido de reforço à flexão composto por varões de fibra de vidro (GFRP) posicionados próximo da superfície exterior da zona tracionada, e varões de aço localizados de forma a terem um maior recobrimento de HPFRC para que sejam protegidos da ocorrência de fenómenos de corrosão, o que constitui outra forma para melhorar a sua durabilidade e mitigar algumas questões relacionadas com a resistência ao fogo em termos de segurança em estados limite último. É realizada investigação experimental, numérica e analítica para se avaliar a possibilidade de utilização da metodologia proposta no desenvolvimento de vigas pré-esforçadas com requisitos materiais e estruturais a custos competitivos. O HPFRC é desenvolvido de forma a apresentar requisitos de auto-compactabilidade, com propriedades em estado fresco apropriadas para este tipo de aplicação, e considerando a influência da distribuição e orientação das fibras. As propriedades mecânicas deste HPFRC em estado endurecido são profundamente caracterizadas, principalmente as relativas ao comportamento pós-fissurado, dada a influência do reforço das fibras nos parâmetros de fratura deste material cimentício. Considerando a influência da relação entre o vão de corte e a altura efetiva, / a d, no comportamento ao corte de vigas, são ensaiadas e estudadas vigas com 1 / 2.5 a d   e com / 2.5 a d  sob carregamentos de corte. Durante estes estudos também se avalia a eficiência da dosagem de fibras no HPFRC e do nível de pré-esforço aplicado aos varões de GFRP e/ou cabo de aço de reforço à flexão no melhoramento da capacidade de resistência ao corte e no modo de rotura dos elementos concebidos. Considerando os resultados experimentais obtidos, é avaliada a capacidade de previsão de algumas formulações analíticas para previsão da resistência ao corte de vigas de betão reforçado com fibras. É adotada uma abordagem analítica e numérica (esta última baseada no método dos elementos finitos), capaz de captar os fenómenos mais relevantes que governam o comportamento material e estrutural deste tipo de elementos, para demonstrar os benefícios dos mecanismos de reforço das fibras e da pré-tensão nas armaduras de flexão na capacidade de carga e ductilidade em estados limites de serviço e últimos. Os conhecimentos resultantes dos estudos realizados foram aplicados na demonstração de ser possível combinar HPFRC e reforços em FRP no desenvolvimento de inovadores sistemas construtivos de elevado desempenho estrutural e ductilidade, imunes a fenómenos de corrosão, e capazes de constituírem uma nova geração de soluções duráveis a custo competitivo para o ambiente construído.