Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/42576

TitleBond behaviour of NSM CFRP-concrete systems: durability and quality control
Author(s)Fernandes, Pedro Miguel Gomes
Advisor(s)Sena-Cruz, José
Xavier, José Manuel Cardoso
Issue date28-Jun-2016
Abstract(s)Over the last two decades, the near-surface mounted (NSM) strengthening technique using fibre reinforced polymers (FRP) has been adopted to increase the load carrying capacity of reinforced concrete (RC) members, mainly in bending and shear. This technique consists on inserting the FRP material in pre-cut grooves opened in the concrete cover of the elements to be strengthened. The FRP reinforcement is bonded to concrete with an appropriate groove filler, typically an epoxy adhesive. Research to date has been mainly focused on overall structural behaviour such as the flexural and shear strengthening effectiveness, energy dissipation capacity of beam-column joints and the various parameters that affect the bond performance of the available NSM systems. Conversely, some other key issues, such as durability, long-term performance and quality control of the NSM FRP-concrete systems still embrace several open issues. The present thesis intended to contribute for the knowledge on the durability and longterm performance of bond of concrete structures strengthened with carbon fibre reinforced polymers (CFRP) laminates according to the NSM systems through an integrated experimental activity, and provide a methodology capable of giving in real-time continuous information about the curing process of epoxy resins since casting, which can be used for quality control and assistance to decision-making for in-situ FRP applications. Therefore, the research conducted in this thesis had two main objectives: (i) to investigate the durability and long-term performance of bond of NSM CFRP-concrete systems under different environmental and load conditions; (ii) to develop and propose a non-destructive methodology for the quality control of NSM FRP systems. Application of advance non-destructive technique such as Digital Image Correlation (DIC) for bond quality and degradation assessment is also among the main goals. The work involved two components: (i) experimental programs and, (ii) analytical and numerical simulations. Accelerated ageing on bond pullout tests were used to experimentally assess to the durability and long-term performance of bond of NSM CFRP-concrete systems. The effects of the following environmental and load actions on the bond behaviour were investigated: moisture, chlorides, freeze-thaw, wet-dry and thermal cycles, sustained (creep) and fatigue loads. The exposure time of the specimens ranged between four and twenty four months for the environmental actions studied. After being exposed to environmental and/or load actions, the specimens were monotonically tested up to failure. The analysis of the obtained results included the degradation of mechanical properties of the materials, bond behaviour of the NSM CFRP system for environmental, creep and fatigue tests. The DIC results obtained during the execution of the monotonic pullout tests are also presented and discussed. Moreover, analytical and numerical simulations were developed for complementing experimental research carried out. The application of an existing analytical-numerical tool for evaluating the accuracy of the existing local bond stress–slip relationships to simulate the experimental results was presented and used. Concerning the quality control and monitoring of NSM CFRP systems, the investigation was divided in two independent experimental programs: (i) validation and (ii) application of the proposed method. A variant of EMM-ARM method (Elasticity Modulus Measurement through Ambient Response Method) for continuous evaluation of epoxy stiffness since very early ages was proposed. This part included the proposed prototype geometry, test configuration, experimental procedures and data processing scheme. After the promising results obtained in the first applications of EMM-ARM to epoxy adhesives, the investigation was extended to study the influence of temperature on the curing process of the structural epoxy adhesive and its impact on the bond behaviour of NSM CFRP system. Three distinct curing temperatures were studied: 20 °C, 30 °C and 40 °C. For this purpose, a study with direct pullout tests with concrete block specimens strengthened with NSM CFRP laminate strips was conducted at the three different temperatures to compare the evolution of bond performance with the elastic modulus of epoxy adhesive since early ages.
Nas duas últimas décadas, a técnica baseada na inserção de polímeros reforçados com fibras (FRP) no betão de recobrimento tem sido adotada para o aumento da capacidade de carga de estruturas de betão armado, principalmente à flexão e ao corte. Esta técnica consiste na inserção de laminados ou varões de FRP em ranhuras pré-executadas no betão de recobrimento dos elementos a reforçar (habitualmente designada técnica NSM – near surface mounted). Normalmente os FRP são colados ao betão por intermédio de um adesivo epoxídico. A investigação realizada até à data no âmbito desta técnica de reforço, tem incidido principalmente sobre os aspetos estruturais, tais como, reforço à flexão e ao corte, capacidade de dissipação de energia de nós de pórtico e parâmetros que influenciam o comportamento da ligação. Contrariamente, temas fundamentais, como a durabilidade, comportamento a longo prazo e controlo de qualidade no contexto da técnica NSM ainda não se encontram totalmente compreendidos, existindo assim várias questões em aberto. A presente tese pretende contribuir para o conhecimento da durabilidade e comportamento a longo prazo de estruturas de betão reforçadas com laminados de CFRP (polímeros reforçados com fibras de carbono) de acordo com a técnica NSM, recorrendo a uma abordagem fundamentalmente experimental. Adicionalmente, pretende desenvolver uma metodologia capaz de fornecer, em tempo real, informação contínua sobre o processo de cura de adesivos estruturais desde a moldagem, informação essa que pode ser usada para o controlo de qualidade e ajuda à tomada de decisões em aplicações reais de reforço com FRP. Assim, os principais objetivos desta tese foram: (i) estudar a durabilidade e comportamento a longo prazo da aderência de sistemas NSM CFRP (ligação entre betão e CFRP através de um adesivo epoxídico) sob determinadas condições ambientais e de carregamento; (ii) desenvolver e propor uma metodologia não destrutiva para o controlo de qualidade de sistemas NSM FRP. A aplicação de técnicas não destrutivas como a Correlação Digital de Imagem (DIC) para avaliação da degradação e auxiliar a interpretação dos resultados obtidos experimentalmente, foi também um dos principais objetivos. O programa de trabalhos envolveu duas componentes: (i) programas experimentais e, (ii) simulações analíticas e numéricas. O programa experimental foi realizado com recurso a ensaios de arranque em provetes de betão reforçados com sistemas NSM CFRP submetidos a ensaios de envelhecimento acelerado, onde foram estudados as seguintes ações ambientais e de carregamento: humidade, cloretos, ciclos de gelo-degelo, ciclos molhagem-secagem, e ciclos térmicos, carregamentos de fluência e fadiga. O tempo de exposição dos provetes às ações ambientais variou de 4 a 24 meses. Após exposição às respetivas condições ambientais e/ou de carregamento, os provetes foram submetidos a ensaios monotónicos à rotura. A análise dos resultados obtidos incluiu a degradação das propriedades mecânicas dos materiais, resistência da ligação do sistema betão/adesivo/CFRP para os ensaios ambientais, fluência e fadiga. Os resultados obtidos com o DIC durante a execução dos ensaios monotónicos são também apresentados e discutidos. Adicionalmente, simulações analíticas e numéricas foram desenvolvidas para complementar a investigação experimental realizada. A aplicação de uma ferramenta analítico-numérica foi apresentada e utilizada para avaliação da performance das leis locais de tensão de corte versus deslizamento para simular os resultados experimentais. No que respeita ao controlo de qualidade de sistemas de reforço NSM CFRP, o estudo foi dividido em dois programas experimentais: (i) validação e (ii) aplicação do método proposto. Foi desenvolvida e proposta uma metodologia, através da adaptação de um método existente, denominado EMM-ARM (Elasticity Modulus Measurement through Ambient Response Method) para a monitorização contínua da evolução da rigidez do adesivo epóxi desde as primeiras idades. Esta parte incluiu a geometria do protótipo, configuração de ensaio, procedimentos experimentais e processamento de dados. Na sequência dos resultados encorajadores obtidos na primeira aplicação do EMM-ARM em adesivos epóxis, a investigação foi estendida para estudar a influência da temperatura no processo de cura de um adesivo estrutural e os efeitos da mesma no comportamento da ligação nos sistemas NSM CFRP. As três temperaturas estudadas foram: 20 °C, 30 °C e 40 °C. Para este efeito, foi desenvolvido um programa experimental para as diferentes temperaturas de cura, composto por ensaios de arranque em provetes cúbicos de betão reforçados com sistemas NSM CFRP. Assim, a evolução do comportamento da ligação entre o CFRP e o betão foi comparada com o módulo de elasticidade do epóxi desde as primeiras idades.
TypeDoctoral thesis
DescriptionDoctorate Thesis in Civil Engineering
URIhttp://hdl.handle.net/1822/42576
AccessEmbargoed access (3 Years)
Appears in Collections:BUM - Teses de Doutoramento
ISISE - Teses de Doutoramento

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