Structural behavior of hybrid GFRP and steel reinforced FRC prestressed beams

Abstract

The present thesis intended to contribute for the development of a new generation of high durable and sustainable reinforced concrete (RC) beam structures submitted to flexural loading, by combining the benefits that Glass Fiber Reinforced Polymers (GFRP) and steel bars can provide: the former due to their corrosion immunity, and the latter derived from their high ductility. Furthermore, High Performance Fiber Reinforced Concrete (HPFRC) was developed to improve the ductility of such innovative structures. To avoid corrosion, steel bar was placed with a HPFRC cover thickness, higher than 100 mm, while GFRP bars were applied in the near tensile surface of the HPFRC beams. In addition, the GFRP and steel bars were applied with a certain pre-stress level. The prestressing optimized their reinforcing capabilities, and increased the service load carrying capacity of the beam. On the other hand, conventional shear reinforcements were not used, and they were totally replaced by HPFRC material. Due to the quite high post-cracking tensile strength and energy absorption capacity that HPFRC attained, the composite system showed adequate shear resisting, and also enhancement in the structural performance at both Serviceability and Ultimate Limit States (SLS and ULS). The work started with the assessment to bond behavior between GFRP and HPFRC through experimental tests and analytical investigation. The structural performance of this hybrid prestressed GFRP-steel reinforced HPFRC was investigated by performing four-point bending tests on beams with I-shaped cross section under both monotonic and fatigue loading conditions. Moreover, an extensive analytical formulation was developed in order to theoretically address to the main structural aspect of the tested beams. The obtained experimental results were captured well using the respective results from the analytical study. Finally, finite element (FE) simulations were carried out using two well-known modelling approaches available in the literature for concrete elements in form of both 2D and 3D models. The results obtained from these models were promising, a

A presente tese pretende contribuir para o desenvolvimento de uma nova geração de estruturas de betão armado, submetidas a esforços de flexão de elevada durabilidade e sustentabilidade, combinando os benefícios do uso de varões de polímeros reforçados com fibras de vidro (GFRP - Glass Fiber Reinforced Polymers) com os de varões de aço convencional: os primeiros devidos à sua imunidade à corrosão, enquanto que os segundos devido à sua ductilidade. Para além disso, foi desenvolvido um betão reforçado com fibras (HPFRC - High Performance Fiber Reinforced Concrete) de alto desempenho de modo a melhorar a ductilidade destas estruturas inovadoras. Para evitar a corrosão, o varão de aço foi colocado com um recobrimento superior a 100 mm, enquanto que os varões de GFRP foram aplicados junto à superfície mais tracionada das vigas de HPFRC. Adicionalmente, os varões de aço e de GFRP e foram aplicados com um determinado nível de pré-esforço. O pré-esforço potenciou os reforços usados para o comportamento em serviço da viga. Por outro lado, haverá que referir que não foram usadas armaduras convencionais de reforço aos esforços transversos (estribos), tendo sido totalmente substituídos pelo HPFRC. Devido à elevada resistência à tração e à elevada capacidade de absorção energia na fase de pós-pico que o HPFRC apresenta, o sistema estrutural mostrou adequada resistência aos esforços transversos, e também melhoria no desempenho estrutural, tanto para os Estados Limite de Serviço, bem como Últimos. O trabalho iniciou-se com o estudo da aderência entre o GFRP e o HPFRC através de ensaios experimentais e investigação analítica. O desempenho estrutural deste sistema híbrido foi investigado através da realização de ensaios experimentais em vigas com secção transversal em forma de I, sob quatro pontos de carga, em condições de carga monotónicas e de fadiga. Além disso, foi desenvolvida uma formulação analítica extensa com o objetivo de contemplar do posto de vista teórico, os principais aspetos estruturais das vigas ensaiadas. Os resultados experimentais obtidos foram simulados com rigor suficiente por intermédio destes estudos analíticos. Finalmente, foram realizadas simulações numéricas com recurso ao método dos elementos finitos utilizando, para tal, duas conhecidas abordagens disponíveis na literatura na simulação do HPFRC, recorrendo a modelos 2D e 3D. Os resultados obtidos a partir destes modelos numéricos foram promissores, podendo ser usados em futuras análises e desenvolvidos no âmbito do estudo desta área.