Bond behaviour of NSM FRP systems in concrete

Doctorate Thesis in Civil EngineeringIn the context of strengthening concrete structures, the Near-Surface Mounted (NSM) technique using Fibre Reinforced Polymers (FRP) has been shown as a sound solution. This technique consists on inserting the FRP into grooves opened on the concrete elements to be strengthened. Epoxy adhesives are the most commonly used binders. The crucial aspect regarding the NSM FRP technique is related with the way the stresses are transferred from the existing concrete to the added FRP, i.e. the bond behaviour. This thesis principal objective was to add a contribution to the existing knowledge on the bond behaviour of NSM FRP systems in concrete. Considering that the bond behaviour is studied through bond tests, those were the basis of the entire research presented in this document. Hence, a bibliographic survey was conducted in order to obtain a database with the majority of the existing experimental works on bond tests. Whenever available there were also collected the analytical bond laws and the numerical strategies adopted by the authors to simulate their tests. With all this information, three different tasks were defined, each addressing one important and complementary aspect regarding the bond behaviour of NSM FRP systems in concrete: an analytical, an experimental and a numerical task. The analytical task was composed by the following three steps: (i) assess the accuracy of the existing bond laws, calibrate them and/or propose improvements; (ii) introduce data mining algorithms as alternative bond laws; (iii) calibrate the necessary safety factors in order to allow using the bond laws in the design of NSM FRP systems in concrete. In the experimental task, a campaign of direct pullout tests was defined in order to allow, in the near future, the establishment of a standard direct pullout test. In addition, parameters which were not yet used for studying the bond behaviour were included in this experimental campaign. Finally, the numerical task consisted on the development of an interface constitutive model based on the plasticity theory to allow 3D numerical simulations of NSM FRP systems. This constitutive model was implemented in FEMIX software and validated using pullout test’s results.No âmbito do reforço de estruturas de betão, a técnica de NSM com recurso a polímeros reforçados com fibras (FRP) tem-se revelado uma boa solução. Esta técnica consiste em inserir FRP em entalhes abertos nos elementos de betão a reforçar. Adesivos epóxi são os ligantes mais frequentemente utilizados. O aspeto crucial da técnica NSM FRP está relacionado com a forma como as tensões são transferidas do betão existente para o FRP adicionado, i.e., o comportamento da ligação. O principal objetivo desta tese foi contribuir para o conhecimento sobre o comportamento da ligação em sistemas NSM FRP no betão. Considerando que o comportamento da ligação é estudado através de ensaios de arranque, estes foram a base de toda a pesquisa apresentada neste documento. Assim, foi realizada uma pesquisa bibliográfica de modo a obter uma base de dados com a maioria dos trabalhos experimentais existentes sobre ensaios de arranque. Sempre que existissem, também foram coletadas as leis analíticas de aderência e as estratégicas numéricas adotadas pelos autores para simular os seus ensaios. Com toda esta informação, três tarefas diferentes foram definidas, cada uma abordando um aspeto importante e complementar sobre o comportamento da ligação de sistemas NSM FRP no betão: uma tarefa analítica, uma experimental e uma numérica. A tarefa analítica era composta pelas seguintes três etapas: (i) avaliar a precisão das leis de aderência existentes, calibrá-las e/ou propor melhorias; (ii) introduzir os algoritmos de data mining como leis de aderência alternativas; (iii) calibrar os fatores de segurança necessários de modo a permitir o uso das leis de aderência no dimensionamento de sistemas NSM FRP no betão. Na tarefa experimental, foi definida uma campanha de ensaios de arranque de modo a permitir, num futuro próximo, o estabelecimento de um ensaio de arranque direto standard. Adicionalmente, foram adicionados nesta campanha experimental parâmetros que ainda não foram utilizados no estudo do comportamento da ligação. Finalmente, a tarefa numérica consistiu no desenvolvimento de uma lei constitutiva de interface baseada na teoria da plasticidade para permitir simulações numéricas 3D de sistemas NSM FRP. Esta lei constitutiva foi implementada no software FEMIX e validada usando resultados de ensaios de arranque

AI on the management of existing bridges

The present paper presents a brief discussion on the current practice regarding bridge management. The main goal of this discussion is the attempt of finding some trends in the research and development of existing bridge management systems (BMS). To achieve this, it is firstly important to analyse the entire process of bridge management, understand which parts of the process are being properly addressed by current BMS and which parts are not account for nowadays. The next step consists in providing some guidance on how to improve BMS considering the parts not being well covered. Likewise, some orientation is required to deal with the parts not yet being accounted for in existing BMS. To this end, insights and tools already used in other fields of knowledge can be considered, adapted and adopted in future BMS. In this regard, artificial intelligence algorithms appear as a sound candidate

Comportamento de laminados multi-direccionais de CFRP para aplicações em engenharia civil

No âmbito do presente artigo são apresentados os resultados do desenvolvimento de laminados multi-direccionais de polímeros reforçados com fibras de carbono (MDL-CFRP) na reabilitação e reforço de estruturas de betão armado. A utilização de MDL-CFRP tem como objectivo fundamental permitir a introdução de ancoragens, de modo a aumentar a eficiência da ligação entre este material e os elementos a reforçar de acordo com a técnica AEBR (anchored and externally bonded reinforcement). Segundo esta nova técnica, os MDLCFRP são aplicados nas faces dos elementos a reforçar com recurso à colagem com adesivo e ao uso de ancoragens. Neste trabalho faz-se a descrição do processo de fabrico do MDLCFRP, e apresentam-se os resultados da caracterização geométrica e mecânica dos mesmos

Coeficientes parciais de segurança para o dimensionamento da ligação de sistemas NSM FRP no betão

Nos últimos anos, a técnica de reforço NSM (Near-Surface Mounted) tem sido utilizada para aumentar a capacidade de carga de estruturas de betão. Esta técnica consiste na inserção de polímeros reforçados com fibras (FRP) no betão de recobrimento dos elementos estruturais. Normalmente, utilizam-se adesivos epóxidos como material de ligação entre o betão existente e o FRP a adicionar. Apesar de a técnica NSM FRP já ser utilizada um pouco por todo o mundo, as poucas normas de projeto existentes são ainda bastante rudimentares. Neste contexto, podem ser referidas essencialmente duas normas: uma americana do American Concrete Institute (designada aqui por ACI) e outra australiana da Standards Australia (designada aqui por SA). Na Europa ainda não existem normas para a utilização de sistemas NSM FRP, embora a versão provisória do novo anexo do Eurocódigo 2 já se refira a tais sistemas de reforço. No âmbito deste trabalho, procurou colmatar-se a ausência de normas de projeto na Europa através da adaptação das normas do ACI e SA à filosofia dos Eurocódigos. Mais especificamente, as expressões de previsão da resistência da ligação das referidas normas foram analisadas. Através de um estudo analítico/numérico, foram definidos para essas expressões coeficientes de segurança compatíveis com os índices de fiabilidade estipulados nos Eurocódigos. A metodologia de dimensionamento com apoio experimental, definida no Anexo D do Eurocódigo 0, foi aplicada para ambas as normas ACI e SA. Os resultados obtidos permitem afirmar que é possível utilizar essas normas no contexto dos Eurocódigos. No entanto, os coeficientes de segurança obtidos revelaram-se bastante penalizadores. Tal facto está associado às limitações das expressões em prever todos os modos de rotura associados ao comportamento da ligação dos sistemas NSM FRP.Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) cofinanciado pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER) através do Program a Operacional Fatores de Competitividade e internacionalização (POCI) e do Programa Regional d e Lisboa no âmbito dos projetos FRPLongDur POCI-01-0145-FEDER-016900 (PTDC/ECM-EST/1282/2014) e POCI-01-0145-FEDER-00763

A review on the bond behavior of FRP NSM systems in concrete

This paper presents a review of current knowledge on the bond behavior of fiber reinforced polymer (FRP) systems inserted in the cover of concrete elements, commonly known as the near-surface mounted technique (NSM). In the first part, by studying the physics of the phenomenon, the typical failure modes, the most common bond tests and two of the most important design guidelines for FRP NSM systems are introduced. In the second part, a database of bond tests composed by 431 records is presented and the accuracy of existing design guidelines is assessed with this data. Lastly, the formulations proposed by these design guidelines are recalibrated based on the experimental results in the database.This work was supported by FEDER funds through the Operational Program for Competitiveness Factors - COMPETE and National Funds through FCT (Portuguese Foundation for Science and Technology) under the project CutInDur PTDC/ECM/11 2396/2009. The first author wishes also to acknowledge the Grant No. SFRH/BD/87443/2012 provided by FCT

Estudo comparativo entre modelos de previsão de resistência: leis analíticas versus data mining

Neste trabalho apresenta-se um estudo comparativo entre modelos de previsão da resistência de sistemas de polímeros reforçados com fibras (Fiber Reinforced Polymers – FRP) inseridos no betão de recobrimento de elementos de betão. Esta técnica é conhecida por Near-Surface Mounted (NSM). São analisados dois dos mais importantes códigos de projeto existentes e ainda modelos obtidos com recurso a algoritmos de data mining (DM). Os resultados obtidos demonstram que o recurso ao DM pode ser uma alternativa viável aos códigos existentes na previsão da resistência da ligação de sistemas FRP NSM

Bond between concrete and multi-directional CFRP laminates

Recently, laminates of multi-directional carbon fiber reinforced polymers (MDL-CFRP) have been developed for Civil Engineering applications. A MDL-CFRP laminate has fibers in distinct directions that can be arranged in order to optimize stiffness and/or strength requisites. These laminates can be conceived in order to be fixed to structural elements with anchors, resulting high effective strengthening systems. To evaluate the strengthening potentialities of this type of laminates, pullout tests were carried out. The influence of the number of anchors, their geometric location and the applied pre-stress are analyzed. The present work describes the carried-out tests and presents and analyzes the most significant obtained results

Estudo comparativo de diferentes técnicas no reforço à flexão de vigas de betão armado com recurso a CFRP’s sob acções monotónicas e de fadiga

A aplicação de polímeros reforçados com fibras (FRP) no reforço à flexão de estruturas de betão armado (BA) tem sido realizada, essencialmente, com recurso às técnicas de colagem externa de mantas ou faixas de laminado (Externally Bonded Reinforcement – EBR) e de inserção de laminados ou varões no betão de recobrimento (Near-Surface Mounted – NSM). No âmbito do projeto em que este trabalho se insere pretende-se avaliar as potencialidades de uma técnica de reforço que consiste em, simultaneamente, colar e ancorar laminados multidireccionais de fibras de carbono na superfície de elementos de BA (Mechanically Fastened and Externally Bonded Reinforcement – MF-EBR). No presente trabalho apresentam-se e analisam-se os resultados de um programa de ensaios monotónicos e de fadiga realizado em vigas de BA reforçadas com laminados de CFRP segundo as técnicas EBR, NSM e MF-EBR. Adicionalmente, são também apresentados e analisados os resultados da simulação numérica dos ensaios monotónicos efetuados.O presente trabalho foi financiado pelos programas COMPETE e FEDER, projeto PTDC/ECM/74337/2006 da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia. Os autores manifestam os seus agradecimentos às empresas que gentilmente forneceram os materiais, nomeadamente, à Hilti Portugal – Produtos e Serviços Lda., à S&P Clever Reinforcement Ibérica Lda. e à SECIL, e à empresa TSwaterjet pelo corte dos laminados utilizando a tecnologia de jato de água

Comparação entre modelos constitutivos de interface: abordagem total versus abordagem com plasticidade

Nos últimos anos, a técnica de inserção de polímeros reforçados com fibras (FRP) no recobrimento de betão tem sido cada vez mais utilizada para reforçar estruturas de betão (técnica NSM). Este artigo apresenta os resultados obtidos em simulações numéricas de ensaios de arranque direto efetuados em cubos de betão reforçados com sistemas de FRP NSM. Duas estratégias diferentes são usadas para simular a interface entre o FRP e o betão envolvente. Uma estratégia baseia-se em expressões analíticas conhecidas a priori, enquanto a outra se baseia na teoria clássica de plasticidade com escoamento. Os resultados revelaram que ambas as estratégias são capazes de simular o comportamento global obtido nos ensaios de arranque

Lei constitutiva para a simulação da ligação de sistemas NSM FRP no betão

Nos últimos anos, a técnica de reforço NSM (Near-Surface Mounted) tem sido utilizada para aumentar a capacidade de carga de estruturas de betão. Esta técnica consiste na inserção de polímeros reforçados com fibras (FRP) no betão de recobrimento dos elementos estruturais. Normalmente, utilizam-se adesivos epóxidos como material de ligação entre o betão existente e o FRP a adicionar. Para estudar o comportamento da ligação em sistemas NSM FRP inseridos no betão é necessário ter em conta, não só o comportamento dos três materiais envolvidos (betão, FRP e o adesivo que os liga), mas também as duas interfaces existentes (FRP/adesivo e adesivo/betão). No caso dos três materiais envolvidos existem já leis constitutivas bastante robustas para modelar o seu comportamento. Contrariamente, ainda são escassas as leis constitutivas disponíveis para a modelação do comportamento das interfaces. Como consequência disso, a grande maioria dos trabalhos numéricos que existem na literatura ou consideram aderência perfeita entre materiais, não modelando por isso as interfaces, ou recorrem ao uso de leis “bond-slip” (definidas a priori e fisicamente questionáveis) para modelar as interfaces. Em alternativa, neste trabalho apresenta-se uma lei constitutiva baseada na teoria clássica da plasticidade com escoamento. Neste tipo de lei, o comportamento local da ligação é obtido a posteriori através do ajuste de um conjunto de parâmetros numéricos com significado físico bem definido. A lei referida foi implementada no software de elementos finitos FEMIX 4.0. As suas principais mais-valias prendem-se com a consideração dos modos de fratura I e II e ainda com a possibilidade de realizar modelações 2D ou 3D. A lei apresentada foi validada através da modelação de um ensaio de arranque direto em elementos de betão reforçados com sistemas NSM FRP. Os resultados obtidos mostram que a lei desenvolvida é adequada para a simulação das interfaces existentes nestes sistemas.Este trabalho foi apoiado por fundos nacionais através da FCT e cofinanciado pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER) através do Programa Operacional Fatores de Competitividade e internacionalização (POCI) e do Programa Regional de Lisboa no âmbito dos projetos FRPLongDur POCI-01-0145-FEDER-016900 (PTDC/ECM-EST/1282/2014) e POCI-01-0145-FEDER-00; primeiro autor gostaria também de agradecer a bolsa de doutoramento número SFRH/BD/87443/2012 concedida pela FCT e a bolsa de mobilidade concedida pelo projeto ‘‘EnCoRe” (FP7-PEOPLE-2011- IRSES No. 295283; www.encore-fp7.unisa.it) financiado pela união europei