Test Experimental

8/10/2019 Test Experimental

http://slidepdf.com/reader/full/test-experimental 1/12

Revista Român ă de Materiale / Romanian Journal of Materials 2012, 42 (4), 387 – 398 387

COMPORTAREA GRINZILOR DIN BETON ARMATCONSOLIDATE CU FÂŞII COMPOZITE ARMATE CU FIBRE DE CARBON

STRUCTURAL BEHAVIOUR OF REINFORCED CONCRETE BEAMS

STRENGTHENED BY CFRP PLATE BONDING

GABRIEL OPRIŞAN, NICOLAEŢĂRANU , MIHAI BUDESCU, IOANA ENTUCUniversitatea Tehnic ă “Gh. Asachi” Ia ş i, Bdul. Mangeron nr. 43.,700050, Ia ş i, România

Compozitele polimerice armate cu fibre (CPAF)se utilizeaz ă cu succes la consolidarea grinzilor din betonarmat îmbun ă t ăţ indu-le r ăspunsul structural la solicit ărileuzuale. Solu ţ iile cele mai frecvente se bazeaz ă pe utilizarea platbandelor prefabricate din CPAF lipite cu adezivi pe fa ţ ainferioar ă a grinzii sau pe aplicarea direct ă a unor fâ ş ii dinţ es ă turi cvasi-unidirec ţ ionale realizate din fibre de carbon

sau sticl ă , impregnate cu r ăş ini polimerice.În cadrul unui program experimental desf ăş urat laFacultatea de Construc ţ ii ş i Instala ţ ii din Iaş i au fost testatemai multe grinzi din beton armat consolidate, eviden ţ iindu- se modul de lucru, tipurile de cedare ş i eficienţ a structural ă a sistemelor propuse. R ăspunsul structural a fost evaluat prin solicitarea grinzilor la moment încovoietor constant,identificându-se diferen ţ ele în raport cu grinzileneconsolidate atât în privin ţ a capacit ăţ ii portante cât ş i arigidit ăţ ii. Rezultatele au fost comparate cu cele ob ţ inute prin modelare numeric ă .

Fibre reinforced polymer (FRP) composites arecurrently successfully implemented to strengthening ofreinforced concrete (RC) beams improving their structuralresponse to frequent loading conditions. The most utilizedtechniques are based on prefabricated composite platesbonded to the tension side with adhesives or by bondingquasi-unidirectional fabrics made of carbon fibre reinforced

polymer (CFRP) composites or glass fibres fabricsimpregnated with polymeric resins. An experimental program has been carried out at

The Faculty of Civil Engineering and Building Services Ia ş i,to verify a number of strengthening solutions and revealthe working conditions, failure types and the structuralefficiency of the proposed systems. The structuralresponse has been evaluated through testing the RCbeams under four points loading scheme. The difference instructural behaviour of unstrengthened and strengthenedbeams has been revealed on both loading bearing capacityand stiffness. The experimental results have beencompared to those obtained by numerical modeling.

Keywords: plate bonding, failure modes, carbon fibres, numerical modeling, structural response

1. Introducere

În ultimii ani, în dezvoltarea sectorului deconstrucţii au apărut tendinţe ş i preocupări noivizând reabilitarea funcţională ş i structurală aobiectivelor realizate cu circa jumă tate de secol înurmă .

Aceste preocupă ri au apă rut datorită faptuluică un volum important al lucr ărilor de infrastructur ă a fost realizat la mijlocul secolului trecutş i are acumo vechime de peste 60 de ani. Multe structuri dinbeton armat proiectate ş i construite după cel de-aldoilea r ăzboi mondial nu au luat în considerareproblema durabilităţ ii materialelor ş i structurilor deaceea prezint ă deficienţe structurale care solicită oreabilitare imediată pentru a le permite utilizarea încontinuare.

În ultima parte a secolului trecut, numai înEuropa, circa 84.000 de poduri din beton armat ş iprecomprimat au necesitat repara ţii ş i consolidări,lucr ări care au atins costuri foarte ridicate [1]. Înultimele decade repararea ş i consolidareastructurilor din beton armat utilizând compozitepolimerice armate cu fibre a devenit o soluţiealternativă eficientă ş i viabilă la soluţiile bazate peelemente din oţel.

1. Introduction

New tendencies have been developed in civilengineering, nowadays, namely those related tofunctional and structural rehabilitation of theinfrastructure objectives constructed about half acentury ago.

These objectives have arisen because animportant amount of infrastructure work was built inthe previous mid-century and now is about sixtyyears old.

Numerous reinforced concrete structuresdesigned and built after the Second World War didnot take into account the durability of materials andstructures, therefore they have structuraldeficiencies that require immediate rehabilitationworks to enable the extension of life span andcontinued use.

In the second half of the 20th century inEurope alone, about 84,000 concrete andprestressed concrete bridges requiring repair andconsolidation works that have required very highfinancial resources [1]. In recent decades repairingand strengthening concrete structures using fibrereinforced polymer composites has become aneffective and viable alternative to traditional

Autor corespondent/Corresponding author,Tel.: +4 0232 278 683 extension 1410, e-mail: [email protected]



388 G.Opri ş an, N. Ţă ranu, M. Budescu, I. Entuc / Structural behaviour of reinforced concrete beams strengthened byCFRP plate bonding

Totuş i, există anumite dezavantajereferitoare în special la reducerea ductilităţ iielementelor consolidate cu soluţii compozite. Această reducere a ductilităţ ii a condus în unelesituaţii la evitarea aplicării soluţiilor compozite saula introducerea unor condiţii severe de proiectaremai ales pentru a evita moduri de rupere mai puţinprevizibile decât în cazul elementelor clasice dinbeton armat. Principalii factori care impunconsolidarea elementelor portante din beton armatsunt: coroziunea (în particular în cazurile în careelementele sunt supuse unui mediu agresiv);oboseala materialului (cauzată de efectul cumulatival încărcărilor alternante, vandalism, incendii sauexplozii); erori de proiectare sau de execu ţ ie (proiectare necorespunz ă toare, execu ţie deficitar ă ,materiale inferioare, calificare necorespunză toare alucr ă torilor);schimbarea schemelor de înc ă rcare ş ia valorilor acestora (impuse de modificări înprocesul tehnologic din unităţ i de producţie,schimbarea destina ţiei, iar în cazul podurilorcreş terea încărcărilor pe osie); modificareacerin ţ elor codurilor de proiectare [2-5].

Tehnicile de consolidare utilizate sunt fieclasice sau combinate, bazate pe materialetradiţionale dar puse în oper ă prin torcretare cumijloace speciale noi [6], prin evazarea secţiunilor,prin placarea cu profile metalice, prin pretensionareexterioar ă sau utilizând soluţii bazate pe compozitepolimerice armate cu fibre [7, 8]. Grupul decercetare pentru aplicarea compozitelor înconstrucţii de la Facultatea de Construcţii ş iInstalaţii din Iaş i, a iniţiat un program complex decercetare dezvoltare privind introducereacompozitelor polimerice în ingineria civilă . Echipade cercetare s-a concentrat pe studii analitice,cercetări experimentale ş i demonstraţii practicereferitoare la potenţialul remarcabil al aplicăriiCPAF, inclusiv la reabilitarea structurală aelementelor portante din materiale de construcţiitradiţionale [9, 10].

2. Reabilitarea structural ă a elementelor încovoiate din beton armat cu solu ţii dincompozite polimerice armate cu fibre

Consolidarea elementelor din beton armat lasolicitarea de încovoiere urmă reş te suplimentareaarmă turii interioare din oţel existent în faza iniţială ,prin ataşarea la fa ţa inferioar ă , întinsă sau în ş liţuripracticate în apropierea acesteia, a unor arm ă turicompozite sub formă de platbande cu armarecvasiunidirecţională , lipirea unei membranecompozite obţinute prin impregnarea ţesă turilorechilibrate sau cvasiunidirecţionale, respectiv fâş ii înguste sau bare înglobate lâng ă extremitateazonei întinse.

Una din cele mai utilizate metode de

consolidare a grinzilor din beton armat se aplică prin poziţionarea platbandelor din compozitepolimerice armate cu fibre de carbon (CPAFC) la

solutions, especially those based on steelelements.

However, there are certain disadvantagesrelating in particular to a reduced ductility of thestrengthened elements based on compositesolutions.

This reduction in ductility has led, in somecases, to avoidance of composite solutions instructural rehabilitation or to introduction of verysevere design provisions, in particular to avoidfailure modes less predictable than in case ofreinforced concrete elements.

The main factors that require strengtheningof reinforced concrete structural members are:corrosion (in particular where the elements areworking in an aggressive environment), fatigue ofmaterial (caused by the cumulative effect ofalternating loads, vandalism, fire or explosions),design or execution errors (poor design, poorexecution, use of inferior materials, unskilledworkers) and changes of the loading schemes aswell as the loading values (imposed by changes inthe technological process of production units, themodification of loads position on bridges, and theincreased axle loads) ; changing the provisions ofthe modern design codes [2-5].

The strengthening techniques utilized areeither conventional or based on traditionalmaterials applied by shotcreting with new specialmeans [6], by section enlargement, by attachingmetallic profiles by external prestressing or usingsolutions based on fiber reinforced polymercomposites [7, 8].

The composite in construction researchgroup from The Faculty of Civil Engineering Iasiinitiated a comprehensive program of research anddevelopment on the introduction of polymercomposites in civil engineering. The research teamfocused on analytical studies, experimentalresearch and practical demonstrations relating tothe remarkable potential for application CFRP,including rehabilitation of the bearing structuralmembers made of traditional building materials[9, 10].

2. Rehabilitation of bent structural elementsmade of reinforced concrete with fiberreinforced polymer composites solutions

Strengthening of the reinforced concretemembers subjected to bending aims tosupplementing the existing initial steelreinforcement. This purpose is achieved byattaching CFRP plates to the tensioned side, or byembedding near surface narrow mountedcomposite strips. The attached composite productsare prefabricated quasi-unidirectional reinforcedplates, composite membranes obtained by

impregnating balanced or quasi-unidirectionalfabrics, or near surface composite bars or narrowstrips.



G.Opri şan, N. Ţă ranu, M. Budescu, I. Entuc / Comportarea grinzilor din beton armat consolidate cu fâ ş ii compozite 389armate cu fibre de carbon

partea întinsă folosind un adeziv epoxidic.Recomandarea utilizării CPAFC se bazează perezistenţă la întindere ş i rigiditate ridicate,rezistenţă la coroziune, densitate scăzută ş i otehnologie uşoar ă de montaj.

Încercările experimentale, calculul analiticş isimulările numerice au ar ă tat că placarea grinzilorcu platbande din CPAFC măreş te rezistenţa la încovoiere ş i rigiditatea acestora. Solicitarea la încovoiere a grinzilor placate cu platbande dinCPAFC, a condus la apari ţia ş i identificarea unormoduri specifice de cedare [2]: cedarea lacompresiune a betonului înainte de intrarea încurgere a arm ă turii din oţel, cedarea lacompresiune a betonului după curgerea arm ă turiidin oţel, ruperea platbandei din CPAFC, cedareadin forfecare, desprinderea platbandei din CPAFCde pe suprafa ţa grinzii, destratificarea CPAFC,cedarea în zona acoperirii cu beton.

Obiectivul acestui articol îl reprezintă studiulr ăspunsului structural al grinzilor din beton armatplacate cu platbande compozite din fibre de carbonş i matrice epoxidică , armate cvasiunidirecţional.Răspunsul este evaluat prin rela ţiile încărcare-deformaţie ş i prin analiza comportării grinzii înzona de moment maxim constant, atâtexperimental cât ş i prin modelare numerică ,utilizând programul de elemente finite LUSAS.

3. Programul experimental

3.1. Materiale utilizateBetonul a fost preparat folosind ciment

portland EN 197-1 – CEM I 32,5 N [11], pietriş ,nisip ş i apă , diametrul maxim al agregatelor fiindde 8 mm. Probele pentru determinareaproprietăţ ilor betonului au fost turnate în tiparecilindrice, compactate prin vibrareş i păstrate timpde 28 zile într-o camer ă cu umiditate relativă de95% [12].

După 28 de zile a fost determinată rezistenţala compresiune a betonului pe 5 cuburi de beton culatura de 100 mm. Armarea grinzilor s-a realizat cubare longitudinale din oţel beton PC 52, cudiametrul nominal egal cu 10 mm.

Elevaţia ş i secţiunea grinzilor din betonarmat din cadrul programului experimental seprezintă în figura 1.

În tabelul 1 se prezintă proprietăţ ilematerialelor componente, beton ş i armă tur ă , dincare este confec ţionată grinda, iar în tabelele 2 ş i 3sunt prezentate caracteristicile produselor utilizatela placarea grinzilor din beton armat.

One of the most utilised strengtheningmethods of the reinforced concrete beams isapplied by placing the plates of CFRP compositesto the tensioned side using an epoxy adhesive.Recommendation of the use of CFRP compositesis based on their high tensile strength and highstiffness, corrosion resistance, low density andeasy installation.

Experimental tests, analytical calculationand numerical simulations have shown that beamsplated with CFRP strips have an increased loadcapacity to bending and an improved stiffness.However, the bending of the reinforced concretebeams plated with CFRP strips, has led to theidentification of some specific modes of failure [2]:concrete compressive failure before the yield ofsteel reinforcement, concrete compressive failureafter the yield of steel reinforcing bars, fracture ofthe CFRP plate, shear failure, debonding of theCFRP plate, delamination of the composite plateand failure within concrete cover layer.

The objective of this work is to evaluate thestructural response of the reinforced concretebeams plated with carbon fibre reinforced epoxycomposite strips with a quasi-unidirectionalreinforcement. The response is evaluated throughload-deformation relationships and the analysis ofbehavior the RC beam in the maximum constantbending moment portion. The evaluation has beencarried out both experimentally and by numericalmodeling using finite element software LUSAS.

3. Experimental program

3.1. MaterialsThe concrete has been prepared using

Portland cement EN 197-1 - CEM I 32.5 N [11],gravel, sand and water, the maximum diameter ofthe aggregates being 8 mm. The test specimensfor determination of concrete properties have beencasted into cylindric molds, compacted by vibrationand kept for 28 days in a room with relativehumidity of 95% [12].

The compressive strength of concrete hasbeen determined after 28 days on five concretecylindrical samples with diameter of 150 mm andheight equal to 300 mm. The beams have beenreinforced with deformed steel bars PC 52, with anominal diameter equal to 10 mm.

The elevation and the cross section of atypical reinforced concrete beam utilised in theexperimental program is presented in Figure 1.

Fig. 1 - Caracteristicile geometrice ale grinzii din beton armat analizate /The geometrical characteristics of the analysedreinforced concrete (RC) beam.




Tabelul 1

Proprietăţ ile betonuluiş i oţelului folosite la grinda din beton armat /Material properties for concrete and steel utilized for the RC beam Proprietăţ i / Properties Beton / Concrete Oţel / Steel

Rezistenţa caracteristică pe cilindri /Characteristic cylinder strength [MPa] 22.56 -Rezistenţa la tracţiune / Tensile strength [MPa] - 355Modulul de elasticitate /Elastic Modulus [GPa] 29.36 210Deformaţia specifică ultimă / Ultimate strain [%] 0.35 -

Tabelul 2

Proprietăţ ile fâş iilor din CPAFC utilizate la placare /Properties of CFRP strips for plate bonding Tipul fibrei/Fibre type Fibre de carbon/Carbon fibres

Orientarea fibrelor /Fibres orientation 0 C (unidirecţional /unidirectional ) Aria / Area , [mm ] 60Grosimea / Thickness , [mm] 1.2Rezistenţa la tracţiune a fibrelor /Tensile strength of fibres , [MPa] 2800Modulul de elasticitate la tracţiune / Tensile modulus , [GPa] 160Deformaţia specifică ultimă / Ultimate fibre strain , [%] 0.85

Tabelul 3

Proprietăţ ile adezivului epoxidic /Properties of the epoxy adhesive

Proprietăţ i / Properties Adeziv epoxidic /Epoxy adhesive

Densitatea / Density [g/cm ] 1.30Rezistenţa la tracţiune / Tensile strength [MPa] 24.8Rezistenţa la forfecare / Shear strength [MPa] 24.8Modulul de elasticitate la tracţiune / Tensile modulus [MPa] 4482

Alungirea la rupere /Fracture elongation [%] 3

Platbanda din compozite polimerice armatecu fibre de carbon este ob ţinută prin pultrudere,[13] iar adezivul epoxidic utilizat la lipirea acesteiala intradosul grinzii din beton este de tipulbicomponent [14].

3.2. Consolidarea grinzilor cu platbande dinCPAFCUnul din cele mai importante aspecte ale

montării platbandelor compozite la suprafeţele dinbeton armat îl reprezintă pregă tirea suprafeţei deaplicare. S-a constatat c ă cele mai bune şanse dereuş ită în cazul îmbinărilor adezive dintre beton ş iprodusele compozite rezultă prin folosireaadezivilor bicomponenţi bazaţi pe r ăş ini epoxidice[15].

Suprafaţa de beton s-a preg ă tit astfel încâts-au eliminat impurităţ ile dăună toare realizării uneibune aderen ţe ş i asigur ării durabilităţ ii acesteia.Betonul a fost ş lefuit mecanic ş i aspirat pentru a înlă tura praful rezultat în urma prelucr ării.Platbandele compozite au fost degresate cu unsolvent de cur ăţare livrat de că tre furnizorul demateriale ş i produse compozite [13, 14]. Adezivul afost aplicat într-un strat subţire de 2 mm ş iuniformizat cu ajutorul unui dreptar (figura 2a) după care s-a aplicat platbanda pe suprafa ţa pregă tită ş is-a presat pentru a favoriza aderen ţa la interfaţă (figura 2b).

Grinzile astfel consolidate au fost păstrate încondiţii de laborator, timp de 14 zile, la temperaturicuprinse între 20-23 0C.

Table 1 gives the properties of concrete andsteel reinforcement used to make the reinforcedconcrete beam. In Tables 2 and 3 thecharacteristics of products used for plate bondingof concrete beams are presented. The CFRPpolymeric strips were obtained by pultrusion, [13];the epoxy adhesive used for bonding the plate tothe bottom side of the concrete beam was a twocomponent type [14].

3.2. Strengthening of the RC beams with CFRP plates

One of the most important aspects of theattaching the composite plates to the concretesurfaces is the adequate surface preparation. Ithas been found that the best chance of asuccessful attachment is achieved if the adhesive joints between concrete and composite productsare performed with bi-component adhesives basedon epoxy resins [15].

The concrete surface was prepared so thatharmful impurities were removed for goodadhesion and ensure the durability of the adhesivelayer. The concrete surface was mechanicallypolished and vacuumed to remove dust fromprocessing. The composite strips were degreasedwith a cleaning solvent delivered by the supplier ofmaterials and composites [13, 14]. The adhesivewas applied in a thin layer of 2 mm and levelledusing a straight edge, Figure 2a; after that the tape

was applied to the prepared surface and pressedto favorize a good adhesion at the interface(Figure 2b)




a b Fig. 2 - Placarea grinzii din beton armat: (a) - aplicarea stratului de adeziv pe fâş ia compozită ; (b) - presarea fâ ş iei din CPAFC pe

suprafaţa de beton a grinzii / The plate bonding on the reinforced concrete beam: (a) - application of the adhesive layer on thecomposite strip; (b) - pressing the CFRP strip on the beam concrete surface.

Fig. 3 - Schema de înc ă rcare pentru încercare a grinzilor la încovoiere: (a) - grinda din beton armat; (b) - grinda consolidată cuplatbanda compozită (dimensiuni în cm) /The loading scheme for the bending test of beams: (a) – the reinforced concrete beam;(b) – the plate bonded strengthened RC beam (dimensions in cm).

3.3. Încercarea grinzilor consolidate cu platbande CPAF

În cadrul programului experimental au fosttestate cinci grinzi din beton armat (figura 3a)ş icinci grinzi consolidate cu platbande din CPAFCataşate la faţa inferioar ă întinsă a acestora, (figura3b).

Grinzile au fost încercate conform schemeidin figura 3 cu moment constant între for ţeleconcentrate. Fiecare grindă a fost instrumentată cu6 traductori de deplasare (LVDT) avândurmă toarele funcţiuni: un traductor de for ţă , untraductor pentru măsurarea deplas ării la mijloculdeschiderii grinzii ş i patru traductori montaţilongitudinal la partea superioar ă ş i la parteainferioar ă a grinzii, pe por ţiunea centrală a acesteia(figura 4).

Înainte de testarea grinzilor, maş ina de încercat de tip BD 300 a fost calibrată , iarechipamentul de achiziţie ş i prelucrare a datelor

pregă tit pentru operaţionalizare. În Figura 5 esteilustrată o imagine completă a montajuluiexperimental.

The strengthened beams have been kept inlaboratory conditions for 14 days at temperaturesbetween 20-23 0C.

3.3. Testing of the plate bonding strengthenedCFRP beamsFive unstrengthened reinforced concrete

beams, Figure 3a, and five RC beams

strengthened with attached CFRP plates, Figure3b, have been tested in bending. All beams have been tested as illustrated in

Figure 3 with a constant moment between the twoconcentrated forces. Each beam has beeninstrumented with six linear voltage displacementtransducers (LVDTs) with the following destination:a force transducer, a transducer for measuringbeam displacement in the middle span, and fourtransducers mounted longitudinally on the top andthe bottom of the beam in the central portion,Figure 4.

The testing machine type BD 300 was

calibrated, before loading the beams, while dataacquisition and processing equipment has beenprepared for operation. A complete picture of the




ridicată ; în stadiul al doilea se produc fisuri alebetonului la partea întinsă , apoi fisurile din încovoiere ş i for ţă tă ietoare se dezvoltă până lacedare.

Comportarea grinzilor din beton armat esterelativ fragilă , datorită armării deficitare la for ţă tă ietoare, situaţie care nu a asigurat curgereaarmă turii din zona întinsă ; curba for ţă-deplasareatinge un vârf de for ţă egal cu 26 kN,corespunz ă tor săgeţii de 1,87 mm (figura 6, curbaa). Curbele încărcare-s ăgeată din aceast ă figur ă sunt construite cu media valorilor celor cinci grinzisimilare din beton armat.

Fig. 6 - Răspunsul structural al grinzilor testate la încovoiere:(a) – grinda din beton armat; (b) – grinda consolidată cuplatbandă compozită / Structural response of thebeams tested in bending: (a) – RC beam; (b) – CFRPstrengthened beam.

În cazul grinzilor consolidate cu platbandecompozite acest „genunchi” nu apare pe curbă (fig.6b), în acest caz se observ ă , însă , o scădere aductilităţ ii. Ataşarea platbandei compozite modifică ş i modul de producere al fisur ării. Primele fisuri din încovoiere apar la mijlocul deschiderii grinzii, darcele mai periculoase fisuri sunt cele înclinate,amorsate la capetele platbandei compozite (figura7), datorită vulnerabilităţ ii la for ţa tă ietoare.

Încercarea a fost întreruptă înaintea cedăriidefinitive pentru a proteja traductorii de deplasare.

5. Analiza cu elemente finite

5.1. Modelarea numeric ă a grinzii din betonarmat

Analiza cu elemente finite (AEF) a fost utilizată pentru verificarea rezultatelor experimentale,referitoare la relaţia încărcare-săgeată , folosindpachetul de programe LUSAS 14 [16]. Modelulstudiat are acelea ş i dimensiuni ca ş i grinzile încercate, compara ţiile fiind efectuate la valorile

încărcare-deplasare la mijlocul grinzii. S-au studiat deasemenea st ările de tensiuni ş i deformaţiile specificedin întindereş i compresiune ale betonului.

bending and shear cracks grow until failure.The behavior of the RC beams is relatively

brittle due to the inadequate shear reinforcing; thisreinforcement was not provided, therefore the yieldof the longitudinal steel reinforcement on thetension side has not occurred. The force-displacement curve has reached a peak forceequal to 26 kN, corresponding to 1.87 mmtransverse deflection, Figure 6, curve a . The load-deflection curves in this figure are constructed withthe average values of the five tested similarconcrete beam samples.

In case of beams strengthened withcomposite strips this "knee" does not appear onthe curve, Figure 6b; in this case a decrease inductility has been observed. The attachment of thecomposite strips has also modified the pattern ofcrack appearance. The first cracks occurred in themiddle of the bent beam, but the most dangerouscracks were those inclined and originating at theends of the composite strips, Figure 7, due tovulnerability to shear.

Fig. 7 - Fisura din forfecare la grinda consolidată cu platbandadin CPAFC / Shear crack of the CFRP strengthenedbeam.

The testing has been interrupted just before thefinal failure to protect the displacementtransducers.

5. Finite element analysis

5.1. Numerical modeling of the RC beamFinite Element Analysis (FEA) has been

used to verify the experimental results relating toload-deflection, utilising the LUSAS softwarepackage 14 [16]. The model has the samedimensions as the tested beams, comparisonsbeing made to load-displacement values at themidspan of the beam. In addition the stress andstrain states from tension and compression of theconcrete.

The modeling has been performed in thefollowing sequence: selection of the solid typefinite element, definition and definingcharacteristics of materials, meshing the beam,introducing the boundary conditions, application ofthe load steps, running the program. Thisprocedure has been followed by a critical analysisof results, selecting specific stress and strain mapsand drawing diagrams coresponding to the loading




Modelarea s-a efectuat în urmă toareasuccesiune: selectarea elementului finit de tip solid;definirea materialelor ş i precizarea caracteristiciloracestora; discretizarea grinzii; introducereacondiţiilor de contur; aplicarea în trepte a încărcării;rularea programului ş i analiza critică a rezultatelor;selectarea h ăr ţilor de tensiuni ş i deformaţiispecifice ş i trasarea diagramelor cu rezultateleobţinute pe treptele de încărcare. În figura 8 suntintroduse hăr ţile de tensiuni corelate cu deplasăriletransversale ob ţinute pe grinda din beton armat, lamijlocul deschiderii acesteia, în condiţiile limităriideformaţiei specifice la compresiune din beton lavaloarea 0,3 %.

steps. Figure 8 illustrates the stress maps obtainedfor a half RC beam and the transversedisplacements at the midspan of the RC beams;the results correspond to a limitation of thecompressive concrete strain at 0.3%.

5.2. Numerical modeling of the CFRPstrengthened RC beamThe mesh used for reinforced concrete

beam, strengthened with carbon fiber reinforcedcomposite strips and epoxy adhesive is illustratedin Figure 9. The model is more complex than in theprevious case, due to the introduction of the newcomponents, namely the CFRP plate and the

a bFig. 8 - Tensiuni ş i deplasă ri obţinute prin modelare numerică pe grinda din beton armat: (a) - tensiuni principale; (b) – deplasă rile

transversale la mijlocul deschiderii /Stresses and transverse displacements through numerical modeling-RC beam: (a) – principal stresses; (b) – midspan transverse displacements.

5.2. Modelarea numeric ă a grinzii din betonarmat consolidate cu CPAFC

În figura 9 se prezintă discretizareautilizată în cazul grinzii din beton armat,consolidată cu platbandă compozită din fibre decarbon ş i adeziv epoxidic. Modelul este maicomplex decât în cazul precedent datorită introducerii noilor componente: platbanda dinCPAFC ş i adezivul epoxidic la interfaţa beton-compozit. Se evidenţiază sistemul de axe ales,platbanda compozită , condiţiile de rezemare ş ipoziţiile for ţelor concentrate la reazem ş i la treimea

deschiderii. Utilizând caracteristicile programuluis-au determinat, în primul rând, tensiunileprincipale la solicitarea de încovoiere conformschemei de înc ărcare adoptate. În figura 10 este întocmită harta tensiunilor principale cu indicareazonelor după nivelul de solicitare.

Folosind modelul bidimensional, pe bazafacilităţ ile programului LUSAS, s-a efectuat analizaneliniar ă a modelului hibrid rezultat princonsolidarea cu platbandă compozită în vedereastabilirii releveului fisurilor (figura 11). Seevidenţiază , în particular, fisurile dezvoltate înpor ţiunea centrală a grinzii consolidate, zonă cu

tensiuni maxime de întindere.

Fig. 9 - Discretizarea grinzii din beton armat consolidată cuplatbandă din CPAFC / Meshing of the CFRP stripstrengthened RC beam.

epoxy adhesive at the concrete-compositeinterface. The chosen axes system, the compositeplate, as well as the boundary conditions and thepositions of the concentrated loads are indicated.Using the program characteristics the mainstresses from bending have been firstlydetermined, according to the adopted loadingscheme. The map of the principal stressesdetermined from the 3D numerical modeling isgiven in Figure 10.




Fig. 10 - Tensiuni principale obţinute prin modelare numerică pemodelul tridimensional / Principal stresses resultedfrom 3D numerical modelling.

Based on the features of LUSAS and usingthe 2D modeling, the nonlinear analysis has beenperformed; the cracks surveying resulted on thehybrid model by strengthening the beam with thecomposite strip is shown in Figure 11. In particular,it highlights the cracks developed in the centralpart of the beam, the portion with maximum tensilestresses.6. Comparative analysis of the experimental

and numerical modeling resultsThe 3D model consists of three-

dimensional finite elements (solid type elementsfor concrete and bar 3D for steel reinforcement),an orthotropic model for the composite plate and asolid type element for the adhesive layer. Theload-displacement diagrams have been traced tocompare the results obtained experimentally andby numerical modeling, Figure 12.

a bFig. 11 - Rezultatele modelă rii numerice bidimensionale: (a) – dispunerea fisurilor la mijlocul grinzii; (b) – harta tensiunilorş i deformaţia

grinzii consolidate cu CPAFC /2D numerical modeling results on cracks surveying: (a) – cracks at midspan; (b) – stressmapping and deformation of the CFRP strengthened beam.

6. Analiza comparativ ă a rezultatelor ob ţinutepe cale experimental ă şi prin modelarenumeric ă

Modelul tridimensional este alcă tuit dinelemente finite tridimensionale (elemente de tipsolid pentru beton ş i bar 3D pentru armă tura dinoţel), respectiv ortotropic pentru platbandacompozită ş i element de tip solid pentru adeziv.Pentru compararea rezultatelor ob ţinute pe caleexperimentală ş i prin modelare numerică s-autrasat diagramele încărcare-deplasare transversal ă din figura 12.

Grinzile din beton armat testate la încovoiere, cu deficienţe evidente în ce priveş tearmarea cu bare metalice au prezentat ovulnerabilitate sporită , cauzată de o ancorare

inadecvată la capetele elementelor ş i de lipsaetrierilor; această fază a programului experimentalpe o grindă cu deficienţe de proiectare urmeaz ă să

Fig. 12 - Curbe comparative cu datele experimentale ş irezultatele obţinute prin modelare numerică : (a) – grinda dinbeton armat, experiment; (b) – grinda din beton armat,modelare numerică ; (c) – grinda consolidată cu platbandă din CPAFC, experiment; (d) – grinda consolidată cuplatbandă din CPAFC, modelare numerică / Comparativecurves of experimental data and numerical modeling results:

(a) – RC beam, experimental; (b) – RC beam, numericalmodeling; (c) – CFRP strengthened beam, experimental; (d) – CFRP strengthened beam, numerical modeling.




fie continuată cu dispunerea unor fâş ii compozitepe pere ţii grinzii, care să suplinească absen ţaetrierilor.

Din acest motiv grinzile din beton armat aucedat relativ repede, mai ales din for ţă tă ietoare,fisurile înclinate dezvoltându-se la valori reduse ale încărcărilor concentrate transversale.

Lipsa armă turii transversale, în cazul grinziidin beton armat neconsolidate a cauzat fragilitateaaccentuată a grinzii ş i o sensibilitate sporită ladepăş irea rezistenţei la întindere.

Modurile de cedare identificate laconsolidarea grinzilor cu platbande din fibre decarbon după încercarea experimentală s-aucaracterizat prin apariţia relativ rapidă a fisurilor înclinate datorită lipsei etrierilor ş i ancor ăriiinsuficiente a armă turilor longitudinale din oţel. Dinaceast ă cauză nu s-a dezvoltat mecanismul clasical cedă rii grinzilor din beton armat, caracterizat princurgerea arm ă turii longitudinale din zona întinsă ,cedarea la compresiune a betonului din zonacomprimată .

Prin consolidarea grinzilor cu platbandecompozite din CPAFC s-a îmbună tăţ it capacitateade rezisten ţă a acestora ş i a crescut rigiditatea la încovoiere, dar a scăzut ductilitatea.

Mecanismele de cedare observate impun îmbună tăţ irea fixării platbandelor compozite lacapete prin soluţii care să prevină desprindereaprematur ă a acestora, ini ţierea ş i propagareafisurilor înclinate.

Consolidarea la încovoiere prin placare cufâş ii compozite în zona întinsă are un efectfavorabil pronunţat dacă este înso ţită de soluţii deconsolidare la forfecare prin fâş ii compozitetransversale ata şate laturilor verticale ale grinzilor.

De aceea autorii consider ă necesar ă completarea programului experimental pentruperfecţionarea soluţiilor de consolidare cuplatbande ş i fâş ii compozite a grinzilor din betonarmat prin tratarea adecvat ă a zonelor marginale.

În comparaţie cu analiza bidimensională (2D), rezolvarea problemei tridimensionale (3D)ofer ă mai multe informaţii legate de deformaţiilespecifice ş i tensiunile în orice nod sau secţiune agrinzii din beton armat consolidate cu CPAF.

Evitarea cedării grinzii din beton armatplacate cu platbanda din fibre de carbon prindesprinderea acesteia la extremit ăţ i se poaterealiza prin folosirea la capetele fâş iilor compozitea unor ancoraje sau profile tip L lipite la intradosş ipe feţele laterale ale grinzii din beton.

Modelarea numerică este un instrument utilpentru stabilirea unor mă rimi ş i caracteristicinecesare studiului comportării grinzilor din betonarmat ş i a celor consolidate.

În acest fel se pot stabili hăr ţile de tensiuniş i deformaţii specifice tipului de solicitare a

elementelor încovoiate, identificându-se releveelede fisuriş i deformatele grinzilor încovoiate.Valorile obţinute prin simulare numerică sunt

The reinforced concrete beams tested inbending with obvious deficiencies in the reinforcingsolutions have shown increased vulnerabilitycaused by improper anchoring at the ends of theelements and missing of the stirrups. Therefore,the experimental program on a beam with designdeficiencies is going to be continued after disposalof the composite strips on the vertical sides of thebeam aiming to compensate the absence of thestirrups.

For this reason the concrete beams havefailed relatively quickly, especially from shear withinclined cracks developing at low values of theconcentrated transverse loads.

The missing transverse reinforcement incase of the unstrengthened RC beam has causedan increased beam fragility and also a significantsensitivity to exceeding the concrete tensilestrength.

The failure modes of the CFRPstrengthened beams through experimental testshave been characterized by a relatively quickappearance of inclined cracks, due to the lack ofstirrups and insufficient anchoring of thelongitudinal steel bars. Therefore, the classicalfailure mechanism of reinforced concrete beams,characterized by yielding of steel longitudinalreinforcement and the compressive failure of theconcrete in the compressed area has not occurred.

An improved load capacity has beenobtained by strengthening the beams with CFRPstrips, their bending stiffness has increased, butthe ductility has decreased.

The observed failure mechanisms requirethe improvement of the plate ends fixing to preventa premature separation, initiation and propagationof the inclined cracks.

The CFRP strengthening in bending byattaching composite strips on the tension side hasa pronounced favourable effect if it is accompaniedby improving the shear reinforcing solutions usingcomposite strips attached to the vertical sides ofthe beams.

Therefore, the authors consider necessaryto complete the experimental program to improvethe strengthening solutions with composite platesand strips attached to the reinforced concretebeams, by an adequate detailing of the marginalareas.

The 3D analysis offers more detailedinformation about strains and stresses in any nodeor cross section of the CFRP strengthened RCbeam compared two-dimensional (2D) analysis.

Avoiding the failure of the CFRPstrengthened beams through debonding of thecomposite plates at their ends can be achieved byusing anchors at the strips ends, or by bonding L-type composite profiles at soffit, glued to the lateral

sides of the concrete beam.The numerical modeling represents auseful tool to initially determine the factors and the




superioare celor măsurate experimental datorită diferenţelor dintre caracteristicile ideale utilizate lamodelare ş i valorile reale afectate de anumiteimperfecţiuni.

7. Concluzii

Consolidarea grinzilor din beton armat prinplacare cu platbande compozite din CPAFCreprezintă o soluţie eficientă ş i raţională pentrucreş terea capacit ăţ ii portante a elementelorstructurale.

Ataşarea prin lipire a platbandelor compozitenecesită respectarea unei tehnologii adecvatereferitoare la pregă tirea suprafeţelor fiecă ruicomponent, aplicarea adezivului ş i a condiţiilor de întă rire.

Armă tura exterioar ă compozită supli-menteaz ă efectul armă turii interioare metaliceconducând la creş terea momentului capabil.

Placarea zonei întinse folosind platbande dinCPFAC reduce ductilitatea generală a grinzii dar îmbună tăţeş te comportarea acesteia în domeniulelastic, prin sporirea rigidităţ ii.

La grinzile consolidate este posibilă apariţiaunor mecanisme de cedare diferite în raport cugrinzile din beton armat, de aceea sunt necesaremăsuri suplimentare de prevenire a unor fenomenede cedare diferite, mai ales la capeteleplatbandelor compozite.

Valorificarea potenţialului placă rii grinzilor cuproduse compozite pentru sporirea momentuluicapabil este condiţionată de armareacorespunz ă toare la for ţa tă ietoare eventual prinaplicarea unor fâş ii compozite ataşate lateral pefeţele grinzii din beton armat.

Modelarea numerică prin elemente finitepentru evaluarea r ăspunsului structural al grinzilorconsolidate cu platbande compozite reprezintă oetapă extrem de utilă care ar trebui să precead ă programul experimental pentru a evita volumulexcesiv de muncă ş i pentru a sprijini proiectareaş irealizarea unor modele experimentale adecvate.

REFERENCES

1. L.C. Hollaway, Key Issues in the use of fibre reinforcedpolymer composites in the rehabilitation and retroffiting ofconcrete structures, in: Service life estimation andextension of civil engineering structures, V.M. Karbhari andLee L.S eds., Woodhead Publishing Limited, Cambridge,2011.

2. L.C. Hollaway and J.G. Teng eds, Strengthening andrehabilitation of civil infrastructures using fibre-reinforcedpolymer (FRP) composites, CRC Press, Boca Raton, USA,2008.

3. xxx, Fédération Internationale du Beton (fib), Bulletin 14,Externally bonded FRP reinforcement for RC structures.Technical report on the Design and use of externallybonded fibre reinforced polymer reinforcement (FRP EBR)for reinforced concrete structures, Published by theInternational Federation for Structural Concrete, Lausanne,2001.

features required when the study of behavior ofreinforced concrete beams and strengthenedbeams is carried out.

In this way the stress and strain maps for aspecific loading case of bent elements can bedetermined also identifying the cracks surveyingand deformed shapes of the beams.

The values obtained by numericalsimulation are higher than those measuredexperimentally due to the differences between theideal and actual values, affected by certainimperfections used in modeling.

7. Conclusions

Strengthening of reinforced concrete beamsby CFRP plate bonding is an effective and rationalsolution to increase the load bearing capacity ofstructural members.

Attaching the composite plates by adhesivebonding requires compliance with a suitabletechnology for each component, surfacepreparation, adhesive application and curingconditions.

The external composite reinforcementsupplements the effect of the internal metallicreinforcing bars leading to the increase of bendingcapacity.

The CFRP plate bonding of the tensionedzone reduces the beam ductility but improves itsbehavior in the elastic range by increasing thestiffness.

In case of strengthened beams it is possibleto occur different failure mechanisms of beams;therefore, additional measures are necessary toprevent different failure phenomena, especially atthe ends of the composite plates.

The potential of plate bonding of RC beamswith composite products capable of increasing themoment capacity is conditioned by a proper shearforce reinforcing, possibly by the application ofcomposite strips laterally attached to the sides ofthe concrete beam.

The numerical modeling using finiteelements to evaluate the structural response ofbeams strengthened with composite strips is avery useful phase that should precede theexperimental program to avoid excess workloadand to support the design and implementation ofappropriate experimental models.

**************************************************

4. xxx, ACI 440.2R-08, Guide test for the design andconstruction of externally bonded FRP systems forstrengthening concrete structures, Farmington Hills, USA,2008.

5. xxx, MTCT (2005), Norm on strengthening concretestructural elements with fibres (in Romanian), OfficialMonitor no.132 bis/11 February 2005, Bucharest.




6. R. Giuşcă , and V. Corobceanu, New technologies forstrengthening damaged reinforced concrete structures,Current Science, 2010, 98(6), 829.

7. N. Ţă ranu, G. Oprişan, D. Isopescu, I. Entuc, and MunteanuV. , Composite Strengthening Solutions for EngineeringStructures, Stef Publishing House, Iasi, Romania, 2006.

8. G. Oprişan, N. Ţă ranu, V. Munteanu, M. Budescu, C.Cozmanciuc, and R. Oltean, Improvement of concretestrength through confining with composite membranes,Romanian Journal of Materials,41 (4), 302, 2011.

9. N. Ţăranu, G. Oprişan, I. Entuc, M. Budescu, V Munteanu,and G. Ţă ranu, Composite and hybrid solutions forsustainable development in civil engineering, EnvironmentalEngineering and Management Journal, 2012, 11(4), 783.

10. N. Ţă ranu, M. Budescu, L. Bejan, G. Oprişan, V. Munteanu,and C. Banu, Hybrid structures made of polymericcomposites and traditional building materials, Final Report,PN II/IDEI/ 2008-2011, Nr. ID_369.

11. xxx, SR EN 197-1 Cement - Part 1: Composition,specifications and conformity criteria for common cements.

12. xxx, SR EN 12390-2:2002. Testing hardened concrete -Part 2: Making and curing specimens for strength tests.

13. xxx, Sika, 2011, www.sikausa.com, Lyndhurst, NJ., SikaCarbodur, Product Data Sheet, Edition 7.1.2008, C120.

14. xxx, Sika, 2010, www.sikausa.com, Lyndhurst, NJ., Sikadur30, Product Data Sheet, Edition 7.1.2008, Identificationno.332-15.

15. xxx, A.R. Hutchinson, Surface Preparation of componentmaterials, in Strengthening and rehabilitation of civilinfrastructures using fibre-reinforced polymer (FRP)composites, L.C. Hollaway and J.G. Teng eds, CRC Press,Boca Raton, USA, 2008.

16. xxx, LUSAS Software, Theory manual volume 1 & 2,Surrey, U.K., 2011.

*************************************************************************************************

MANIFESTĂRI ŞTIINŢIFICE / SCIENTIFIC EVENTS

NanoPT is an International Conference taking place in Porto (Portugal) in February, 2013.The first edition will be held with the purpose of strengthen ties nationally and internationally on

Nanotechnology and, pretends to be a reference in Portugal in the upcoming years.This conference will encourage industry and universities working on the Nanotechnology field to know each

other and to present their research, allowing new collaborations.NanoPT will be held every year in Portugal and will let the participants presenting a broad range of current

research in Nanoscience and Nanotechnology, not only the most prominent investigations/studies in Portugal butfrom all over the world.

• Nanomaterials• NanoChemistry• Nanobio/NanoMedicine• Graphene/Nanotubes• Optics/Photonics/Plasmonics• Modeling at the nanoscale• Scientific Policy / Tech transfer• Nanoinstrumentation

Contact: www.nanopt.org

Dr. Antonio Correia Tel: +34 911402144E-mail: [email protected]

Viviana Estêvão Tel: +34 911402145E-mail: [email protected]

**************************************************************************************************

Test Experimental

Documents

Transcript of Test Experimental