Development of innovative hybrid DHCC-GFRP sandwich panels

Abstract

In this study, a new generation of composite sandwich slab is proposed as a solution for the rehabilitation of slabs in old masonry buildings. The innovative solution proposed includes four components: a Deflection Hardening Cement Composite (DHCC) layer on the top compression skin, a glass fiber reinforced polymer (GFRP) skin at the bottom tension surface, GFRP ribs to transfer shear from top to bottom layers, and foam core for thermal-insulation purposes. The DHCC layer contributes to the load carrying and deflection capacity due to its high stiffness, compressive strength and toughness. It also offers resistance to the occurrence of buckling phenomena in the GFRP ribs, improves the performance of this structural concept against impact and fire, and constitutes an excellent medium for the application of finishing materials, like ceramics or timber. To evaluate the efficiency of the developed innovative slabs, different composite specimens, with various span lengths, were tested under different load conditions, including flexural loading, shear loading, and long term deformation. The obtained results from experimental tests are comprehensively analysed. Advanced numerical simulations on the hybrid slabs are also developed. The influence of considering isotropic or orthotropic behaviour for the GFRP components and linear or nonlinear behaviour for the DHCC is investigated numerically. The results obtained during the experimental tests are used to appraise the performance of the constitutive models adopted in the FEM-based simulations and the quality of the meshes defined. In addition, some analytical models that consider the relation between force and deflection are proposed to evaluate the response of this structural system under static and long-term loadings.

Neste trabalho, desenvolve-se uma nova solução de painel sandwich a ser utilizado na substituição de pavimentos existentes em edifícios de alvenaria. A solução proposta consiste num painel sandwich que inclui quatro componentes principais: uma lâmina inferior tracionada, realizada em GFRP, uma camada superior comprimida realizada com argamassa de elevada ductilidade (deflection hardening cement composite - DHCC), almas em GFRP para transmitir esforços de corte entre as duas camadas extremas de GFRP e DHCC e uma camada de espuma de poliuretano, posicionada entre as duas camadas extremas, capaz de garantir um bom comportamento térmico e acústico do painel. A camada de argamassa de elevada ductilidade tem com função contribuir para a capacidade de carga e de deformação do painel, uma vez que é um material que apresenta elevada resistência à compressão e elevado módulo de elasticidade. A camada de argamassa oferece resistência à ocorrência de fenómenos de encurvadura nas almas de GFRP, melhora o desempenho do painel sob ações extremas, como cargas de impacto e fogo, e constitui um excelente meio para a aplicação de materiais de acabamento, tal como os elementos cerâmicos ou a madeira. Para avaliar a eficência da solução desenvolvida, foram fabricados vários provetes, com diferentes vãos, e testados sob o efeito de várias condições de carregamento, onde se incluem situações onde os esforços principais são de flexão, de corte ou resultantes de carregamentos de longa duração. Os parâmetros medidos durante os ensaios experimentais são avaliados e analisados de forma pormenorizada. São também desenvolvidos modelos numéricos baseados no Método dos elementos finitos (FEM), com base na geometria e nas propriedades dos provetes testados experimentalmente. Os modelos desenvolvidos são calibrados com base nos resultados obtidos durante esses ensaios. É avaliada a influência de considerar o comportamento isotrópico ou ortotrópico dos componentes de GFRP e o comportamento linear ou não linear da argamassa de elevada ductilidade (DHCC). Na avaliação do comportamento dos painéis, são considerados requisitos que resultam da verificação de estados limite de serviço e estados limites últimos. Além disso, os resultados obtidos durante os ensaios experimentais são utilizados para avaliar o desempenho dos modelos constitutivos adoptados nas simulações numéricas e a qualidade das malhas adotadas. Complementarmente, são propostos alguns modelos analíticos que consideram a relação entre força e deformação com o objetivo de avaliar a resposta deste sistema estrutural sob efeito de carregamentos estáticos e de longa duração.