Numerical simulation of RC slabs strengthened with pre-stressed CFRP laminates

Abstract

In the recent few decades, carbon fiber reinforced polymer materials (CFRP) have emerged as a common strengthening material for concrete structures due to its advantages such as high strength and stiffness, lightweight, and corrosion resistant. In addition, CFRP exhibits excellent fatigue resistance, low creep deformation and low relaxation. One of the most common strengthening techniques is to apply CFRP as externally bonded reinforcement (EBR). In this technique, the CFRP laminates are externally bonded to the concrete element usually by epoxy adhesives to enhance the flexural strength and stiffness. However, one major limitation of this technique is inefficient mobilization of the high tensile strength of CFRP due to premature debonding. An innovative improvement to overcome the drawbacks is to apply prestress to the CFRP laminates in EBR technique for strengthening reinforced concrete (RC) structures. As a result, the benefits of passive EBR systems are combined with the advantages associated with external prestressing, thus ensuring greater efficiency for flexural strengthening. This dissertation aims to better understand the efficiency of prestressed CFRP laminates for flexural strengthening and to predict different possible failure modes that can occur by using finite element modelling studies. A nonlinear FEM study on RC slabs strengthened with prestressed CFRP laminates has been carried out using the software DIANA®. Prior to the present study, a total of three slabs, being (i) unstrengthened reference slab; (ii) slab strengthened with un-stressed CFRP by EBR; and (iii) slab strengthened with prestressed CFRP by mechanical anchorage (MA), were tested up to failure under a four-point loading configuration. In addition to this, other slabs were also subjected to sustained loads to assess the long-term structural behavior. All the experimental work was carried out in the scope of the research project FRPreDur (FCOMP-01-0124-FEDER- 028865). Detailed FEM studies for each slab have been developed to correlate with the experimental results. Good agreement has been obtained between the experimental and numerical results. The results highlight the improved performance of the CFRP strengthened slabs (both un-stressed and prestressed) in terms of lower deflection, crack width delay and lower crack spacing. In particular, the MA system prevented a premature failure by debonding and allowed the slabs to support higher ultimate loads and deflections. A greater use of the CFRP laminate strip tensile capacity was attained with prestressing. Based on the existing model, a series of parametric studies have been carried out to investigate the effects of variation of (i) prestress level; (ii) concrete grade; and (iii) CFRP laminate geometry, on the flexural behavior of the strengthened slab. An increase in prestress level provides significant enhancement of load capacity at crack initiation and yielding, and a significant reduction in mid-span deflection at ultimate failure. The variation of concrete grade results minimal enhancement in terms of load capacity and mid-span deflection. By increasing the cross-sectional area of CFRP laminate, the load capacity at crack initiation and yielding is significantly increased, and such enhancement becomes considerably remarkable at ultimate failure. Finally, an exploratory study on modeling of the creep behavior of RC slabs strengthened with pre-stressed CFRP laminates has been developed. The results seem to be promising, yielding to the conclusion that the existing numerical tools can simulate with enough accuracy the strengthening technique studied.

Nas últimas décadas, o uso de polímeros reforçados com fibras (CFRP - Carbon Fiber Reinforced Polymer) têm emergido como material de reforço em estruturas de betão existentes, devido às suas vantagens tais como elevada rigidez e resistência, leveza e resistência à corrosão. Além disso, os CFRP apresentam excelente resistência à fadiga, baixa deformação por fluência e de baixa relaxação. Uma das técnicas de reforço mais comumente usadas recorre à aplicação do reforço (CFRP) nas faces externas dos elementos a reforçar. Esta técnica designa-se por EBR (Externally Bonded Reinforcement). Nesta técnica, geralmente, os laminados de CFRP estão fixos externamente ao elemento de betão por intermédio de adesivos de origem epoxídica para melhorar a sua resistência e rigidez à flexão. No entanto, uma das grandes limitações desta técnica está associada à deficiente mobilização da resistência à tração de CFRP devido ao descolamento prematuro deste em relação ao substrato. Melhores resultados podem ser alcançados com recurso à aplicação de pré-esforço aos laminados de CFRP. Como resultado, as vantagens da técnica EBR (passiva) são combinadas com as vantagens associadas ao uso de pré-esforço externo, garantindo assim uma maior eficiência no reforço à flexão. Esta dissertação tem como objetivo compreender melhor a eficiência de laminados de CFRP pré-esforçados no reforço à flexão e prever diferentes modos de rotura possíveis que podem ocorrer através de estudos numéricos com recurso à simulação por intermédio do método dos elementos finitos (FEM). Foram efetuadas análises numéricas não lineares baseadas no FEM em lajes de betão armado reforçadas com laminados de CFRP pré-esforçado com recurso ao software DIANA®. Previamente ao presente estudo, foram experimentalmente ensaiadas três lajes à flexão: (i) uma laje não reforçada (considerada laje de referência); (ii) uma laje reforçada com um laminado de CFRP segundo a técnica EBR; e (iii) uma laje reforçada com um laminado de CFRP préesforçado segundo a técnica EBR e recorrendo a chapas de ancoragem nas extremidades (MA – Mechanical anchorage). Adicionalmente, lajes foram também submetidos a cargas gravíticas de modo a avaliar-se o comportamento estrutural de longo prazo. Todo o trabalho experimental foi realizado no âmbito do projeto de investigação FRPreDur (FCOMP-01-0124-FEDER- 028865). Estudos baseados no FEM de cada laje foram desenvolvidos para as lajes ensaiadas experimentalmente. Uma boa concordância foi obtida entre os resultados experimentais e os modelos numéricos. Os resultados relevam a melhoria do uso CFRP (tanto aplicado de forma passiva como ativa) em termos de menores deformações, atraso no início da fissuração e propagação da fissuração. Em particular, o sistema MA impediu a rotura prematura por destacamento, e permitiu que as lajes pudessem suportar cargas mais elevadas. Adicionalmente, o pré-esforço permitiu que fossem que fossem atingidas extensões mais elevadas no CFRP. Com base nos modelos numéricos calibrados, foram realizados estudos paramétricos para investigar os efeitos da variação (i) do nível de pré-esforço; (ii) da resistência à compressão do betão; e (iii) da geometria do laminado de CFRP. Um aumento do nível de pré-esforço proporciona melhoria significativa na carga de início da fissuração e de cedência da armadura longitudinal, e uma redução significativa da flecha a meio do vão na rotura. A variação da resistência do betão conduz a melhorias residuais na capacidade de carga e flecha a meio vão na rotura. Ao aumentar a área da secção transversal do laminado de CFRP, a carga associada ao início de fissuração e cedência das armaduras longitudinais aumentam de forma significativa, e este aumento torna se consideravelmente notável na rotura. Finalmente, foi desenvolvido um estudo exploratório relativo à simulação numérica do comportamento das lajes reforçadas com laminados de CFRP pré-esforçados devido ao efeito da fluência. Os resultados aparentam serem promissores, levando à conclusão que as ferramentas numéricas existentes pode simular com rigor suficiente as técnicas de reforço estudadas.