Durability and long-term behaviour of RC slabs strengthened in flexure with prestressed CFRP laminate strips

Doctorate Thesis in Civil EngineeringThe Externally Bonded Reinforcement (EBR) technique using Carbon Fibre Reinforced Polymers (CFRP) has been commonly used to strengthen reinforced concrete (RC) structures in flexure. The use of prestressed CFRP material offers several advantages well-reported in the literature. However, the experience with strengthening reinforced concrete using prestressed EBR-CFRP solutions is still limited. Some concerns regarding the efficiency of the technique still exist, especially the durability and the long-term behaviour. The present PhD thesis aimed to give insights on two main literature gaps of prestressed EBR CFRP systems in RC structures, mainly: (i) durability and (ii) long-term performance. Thereby, the underlying main objective was to test, analyse and evaluate the durability, short and long-term structural behaviour of RC elements strengthened in flexure with pre-stressed CFRP laminates under various specific environmental conditions, load conditions and chemical degradation. For that purpose, an experimental program was carried out with thirty RC slabs. The effect of the anchorage system, level of prestress, CFRP laminate geometry and concrete surface preparation on the short-term flexural response were the main studied parameters. The durability and long-term performance were studied by exposing sixteen strengthened RC slabs to a sustained loading and to four distinct environmental conditions for approximately 8 months After the exposure period the slabs were monotonically tested up to failure by using a four-point bending test configuration. Additionally, large scale pull-out tests were carried out to assess the bond behaviour of the mechanical anchorage (MA) plate used on the strengthening of the slabs. Results show a better short-term flexural performance on slabs with prestressed laminates using the MA system and with the sandblasted surface preparation. The environmental conditions and sustained loading, separately or combined, led in general to small losses of performance and ductility. The pull-out tests showed that, at room temperature (20 ºC), the mechanical anchorage provided adequate compressive stress of the CFRP laminate to the concrete substrate, and that it is highly influenced by high temperature (60ºC and 80 ºC). Lastly, numerical simulations were developed to better understand the observations in the tests carried out on the main experimental campaign with strengthened slabs. Good correlations have been found between the experimental results and numerical modelling. Subsequently, these models were used on a parametric study that intended to investigate the influence of different parameters affecting the behaviour of the slabs, namely the prestress level and the CFRP geometry.A técnica EBR (Externally Bonded Reinforcement) com recurso a compósitos de CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymers) tem sido utilizada no reforço à flexão de estruturas de betão armado. O uso de CFRP pré-esforçado acumula as vantagens da técnica EBR com as do pré-esforço externo. Contudo, o conhecimento neste tópico é ainda limitado, especialmente nas áreas da durabilidade e do comportamento a longo prazo. A presente tese de doutoramento pretende contribuir para o aumento do conhecimento da durabilidade e comportamento a longo prazo de estruturas de betão armado reforçadas com laminados de CFRP préesforçados segundo a técnica EBR. O principal objetivo consistiu em avaliar o efeito de diferentes condições ambientais, de carregamento e químicas no comportamento a curto e longo prazo e na durabilidade de lajes de betão armado reforçadas com laminados de CFRP pré-esforçados segundo a técnica EBR. A influência do tipo de ancoragem, nível de pré-esforço, geometria do laminado de CFRP e tratamento de superfície do betão no comportamento a curto prazo foi estudada através de testes de flexão à rotura. A durabilidade e comportamento a longo prazo foram avaliados através da exposição de dezasseis lajes a um carregamento gravítico e a quatro condições ambientais distintas durante oito meses. No final destas ações, todas as lajes foram ensaiadas até à rotura segundo uma configuração de ensaio de quatro pontos de carga. Adicionalmente, realizaram-se ensaios de arranque direto de forma a avaliar o comportamento da ligação da ancoragem mecânica (MA) utilizada no reforço das lajes. Os resultados obtidos mostram um melhor comportamento a curto prazo nas lajes que foram pré-esforçadas com laminados de CFRP, com o sistema de ancoragem MA e cuja superfície do betão foi tratada com jato de areia. Em geral, o carregamento gravítico e as condições ambientais conduziram a pequenas perdas na eficiência e ductilidade das lajes. Com os ensaios de arranque direto verificou-se que, à temperatura ambiente, a ancoragem mecânica permitiu o aproveitamento total da capacidade do laminado de CFRP. Todavia, verificouse que o comportamento deste sistema é seriamente influenciado na presença de temperas elevadas. Adicionalmente, simulações numéricas foram desenvolvidas para uma melhor compreensão dos resultados obtidos na campanha experimental principal. Existe uma boa concordância entre os resultados numéricos e os resultados experimentais. Com base nestes modelos numéricos, realizou-se um estudo paramétrico com o intuito de investigar a influência de diferentes parâmetros no comportamento das lajes, nomeadamente o nível de pré-esforço e a geometria do laminado de CFRP.The research has been carried out at the Civil Engineering Department of University of Minho, Portugal, under the supervision of Professor José Sena-Cruz and co-supervision of Professor Paulo Macedo França. This work was financially supported by the Portuguese Foundation for the Science and Technology (FCT) under the grant number SFRH/BD/98309/2013, which is gratefully acknowledged. This study would not have existed without the financial support of this institution. Additionally, this work was also incorporated in a research project FRPreDur with the reference number PTDC/ECM-EST/2424/2012, supported by FEDER funds through the Operational Program for Competitiveness Factors – COMPETE and FCT

Experimental study on the bond behaviour of a transversely compressed mechanical anchorage system for externally bonded reinforcement

The use of Carbon Fibre-Reinforced Polymer (CFRP) laminates as Externally Bonded Reinforcement (EBR) has been widely used to strengthen concrete structures in flexure. In some strengthening applications special end-anchorage systems are required at the end of the FRP element in order to transfer the high shear stresses, typically developed between the FRP reinforcement and the concrete substrate, so as to avoid a premature FRP peeling-off failure. A typical anchorage system is the mechanical anchorage, where the laminate is transversely compressed through an anchorage plate, which is fixed to concrete with prestressed screws. The influence of laminate width and compressive stresses created by the anchorage system still requires better understanding. This paper aims at studying the experimental overall bond response of concrete elements strengthened with mechanically anchored EBR CFRP systems. For this purpose, 6 concrete blocks of 200x500x800 mm3 were strengthened with CFRP laminates of different widths using EBR technique; afterwards they were mechanically anchored to the concrete with different levels of transverse compression, and finally they were tested under a pull-out configuration until failure. The results of the investigation show the influence of the width of the laminate, the level of confinement on the bond strength and capacity of the system.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 FRPLongDur POCI-01-0145-FEDER-016900 (FCT PTDC/ECMEST/1282/2014) and partly financed by the project POCI-01-0145-FEDER-007633. The first author acknowledges the Spanish Government (Ministerio de Educación, Cultura y Deporte) for the grant José Castillejo ref. CAS16/00288. The second author wish also to acknowledge the grant SFRH/BD/98309/2013 provided by FCT. Finally, the authors also like to thank the S&P Clever Reinforcement Ibérica Lda. company for providing the materialsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersio

Flexural strengthening of RC slabs with prestressed CFRP strips: serviceability and ultimate load state behavior

O presente trabalho pretende contribuir para o conhecimento da técnica EBR (Externally Bonded Reinforcement) usando laminados de CFRP (Carbon Fiber-Reinforced Polymer) pré-esforçados no reforço à flexão de estruturas de betão, sob condições de serviço (SLS) e estado limite último (ULS). Para tal, foi desenvolvido um programa experimental composto por 8 lajes ensaiadas até à rotura. Duas lajes foram usadas como de referência; 5 reforçadas com laminados de EBR/CFRP pré-esforçados; finalmente, 1 laje reforçada com um laminado EBR/CFRP. Dois sistemas distintos de ancoragem foram estudados: MA (Mechanical Anchorage) e GA (Gradient Anchorage). O efeito da largura e espessura do laminado foi também estudado. A performance dos protótipos é criticamente analisada ao nível dos SLS e ULS.The present work intends to contribute to the knowledge of Externally Bonded Reinforcement (EBR) technique using prestressed Carbon Fiber-Reinforced Polymer laminates (CFRP) to strengthen concrete structures in flexure, at both serviceability (SLS) and ultimate load levels (ULS). For that purpose, an experimental program was carried out with 8 slabs monotonically tested under displacement control up to failure. Two slabs were used as reference specimens (unstrengthened); 5 slabs were strengthened with prestressed EBR CFRP laminates; finally, 1 slab was strengthened EBR CFRP laminates without being prestressed. To fix the ends of the prestressed CFRP laminates two different anchorage systems were used: Mechanical Anchorage (MA) and Gradient Anchorage (GA). The effect of the width and thickness of the CFRP laminate were also studied. The observed performance of the tested slabs is critically analyzed in terms of SLS and ULS aspects

Short and long-term behaviour of RC slabs strengthened with prestressed CFRP laminate strips

In the context of strengthening reinforced concrete (RC) structures with fiber reinforced polymer (FRP) materials, the externally bonded reinforcement (EBR) technique is the most widely used strategy. By prestressing the FRP materials attached to the concrete substrate, the advantages of external prestressing and of the EBR technique are combined. The solutions adopting carbon FRP (CFRP) laminates have been mostly used. Special end-anchorage systems are required at the ends of the prestressed CFRP laminate to transfer the high shear stresses developed from the FRP to concrete, in order to avoid a premature FRP peeling-off failure. From all the proposed systems, two of them have been prevailed, mainly: the mechanical anchorage (MA) fixed to the ends of the FRP reinforcement and the gradient anchorage (GA). The present work investigates the short and long-term behaviour, including the durability issues, of reinforced concrete (RC) slabs strengthened with prestressed CFRP strips according the EBR technique. Two different anchorage systems were studied: (i) MA and (ii) GA. The experimental program carried out included of the effects of environmental actions such as water, water with chlorides and wet-dry cycles on the global performance of these slabs. This paper presents the general description of the experimental program, the analysis of the main results, as well as the retained conclusions.This work is 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 projects FRPreDur - FCOMP 01-0124-FEDER-028865 (PTDC/ECMEST/2424/2012) and FRPLongDur - POCI-01-0145- FEDER-016900 (FCT PTDC/ECM-EST/1282/2014) and partly financed by the project POCI-01-0145- FEDER-007633. The authors thank all the companies that supported and contributed for the development of this study, mainly: S&P Clever Reinforcement Ibérica, S&P Clever Reinforcement Company (Switzerland), Tecnipor, Vialam, Hilti, Artcanter and Nova Europa. The second author also wishes to acknowledge the grant SFRH/BD/99309/2013 provided by FCT. Finally, this paper is dedicated to Tiago Teixeira (1988–2015), former doctoral student at the ISISE R&D Research Centre at the University of Minho and team member of the project FRPreDur.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Flexural creep response of hybrid GFRP–FRC sandwich panels

This work was developed within the scope of the research project “Easyfloor—Development of composite sandwich panels for building floor rehabilitation”, which aims at developing an innovative hybrid sandwich panel as an alternative construction system to conventional floor solutions, mainly for building rehabilitation. The developed hybrid sandwich panel is composed of a top face layer of steel-fibre-reinforced self-compacting concrete (FRC), a core of polyurethane (PUR) closed-cell foam, a bottom face sheet, and lateral webs of glass-fibre-reinforced polymer (GFRP). Full-scale experimental tests on the developed sandwich panels were carried out to characterize their short- and long-term (creep) flexural behaviour. The present work includes a detailed description of the developed panels and the experimental programme carried out and presents and discusses the relevant results. The experimental results showed an almost linear behaviour up to failure. The creep tests were carried out for a period of 180 days, using a creep load equal to 20% of its ultimate loading capacity. An average creep coefficient of 0.27 was obtained for this period. The composed creep model used to simulate the sandwich panel’s creep deflections by considering the individual viscoelastic contributions was able to predict the observed structural response with good accuracy.project “32EasyFloor—Development of composite sandwich panels for rehabilitation of floor buildings”, involving the company ALTO—Perfis Pultrudidos, Lda., ISISE/University of Minho, and CERis/Instituto Superior Técnico, supported by FEDER funds through the Operational Program for Competitiveness and Internationalization (POCI) and the Portuguese National Innovation Agency (ANI)—project no. 3480 (POCI-01-0247-FEDER-003480). This work was also partly financed by FCT/MCTES through national funds (PIDDAC) under the R&D Unit Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering (ISISE), under reference UIDB/04029/2020

Reforço à flexão de lajes de betão armado com laminados de CFRP pré-esforçados usando distintos métodos de ancoragem

A utilização de laminados de CFRP (Carbon Fiber-Reinforced Polymers) segundo a técnica EBR (Externally Bonded Reinforcement) tem vindo a constituir uma prática comum no reforço de estruturas de betão armado à flexão devido às enumeras vantagens que os materiais compósitos apresentam. O uso de CFRP pré-esforçados acumula as vantagens da técnica EBR com as do pré-esforço externo. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo principal contribuir para o conhecimento de dois sistemas de ancoragem de laminados de CFRP pré-esforçados: (i) o sistema com recurso a ancoragens mecânicas e (ii) o sistema de ancoragem do gradiente da força. Para o efeito, foi realizado um programa experimental composto por doze lajes reforçadas à flexão com CFRP. Além do tipo de sistema de ancoragem, foram também estudados outros fatores que influenciam o sistema de reforço, tais como: sistema passivo vs. ativo, a largura (50 mm e 80 mm) e a espessura (1.2 mm e 1.4 mm) do laminado de CFRP e a influência da geometria da laje (2600 mm e 2200 mm de comprimento). O programa experimental é descrito em detalhe e os resultados obtidos são apresentados e analisados de forma detalhada.Este trabalho é apoiado pelo FEDER, através do Programa Operacional Fatores de Competividade – COMPETE e fundos nacionais, através da FCT – Fundação para a Ciência e Tecnologia sob o projeto FRPreDur - PTDC/ECM-EST/2424/2012. Os autores gostariam também de agradecer a todas as empresas que estão envolvidas e têm contribuído para o desenvolvimento do projeto FRPreDur, nomeadamente: S&P Clever Reinforcement Ibérica Lda, S&P Clever Reinforcement Company (Switzerland), Tecnipor - Gomes & Taveira Lda., Vialam – Indústrias Metalúrgicas e Metalomecânicas, Lda., Hilti Portugal - Produtos e Serviços, Lda. O primeiro autor deseja também agradecer a bolsa SFRH/BD/98309/2013, atribuída pela FCT. Este trabalho é dedicado a Tiago Teixeira (1988-2015), antigo aluno de doutoramento da Unidade de Investigação ISISE e membro do projeto FRPreDur.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Bond durability of concrete-cfrp ebr and nsm systems under natural ageing

The use of Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP) as reinforcement material for strengthening of existing reinforced concrete (RC) structures has been increasing. These materials can be applied mainly by using two strengthening techniques: (i) the Externally Bonded Reinforcement (EBR) by the application of the CFRP on the concrete surface; and, (ii) the Near Surface Mounted (NSM) by the insertion of the CFRP into the grooves on the concrete cover of the RC element to be strengthened. The durability of structures strengthened with CFRP materials is still an open issue. Accelerated ageing protocols under laboratory conditions have been used for the assessment of the durability; however, very few studies have been performed in outdoor environments (natural ageing). Moreover, the relationship between accelerated ageing and real outdoor ageing is not fully understood. The main objective of this paper is to give new insights on the bond durability between concrete and CFRP strips installed according to both EBR and NSM techniques, after a 2-year exposure to natural outdoor conditions. This study includes a reference environment (~20 C / 55% RH) for comparing proposes and four outdoor environments for ageing induced mainly promoting (i) carbonation, (ii) freeze-thaw attack, (iii) elevated temperatures, and (iv) airborne chlorides from seawater. An additional environmental condition, namely continuous immersion in water at ~20 C was also considered. The performance of the bond concrete-adhesive-CFRP was assessed throughout pull-out tests. When compared with the reference environment, small degradation on the bond performance on specimens exposed to outdoor environments has been observed for both strengthening techniques.- (undefined

Estudos numéricos de lajes de betão armado reforçadas à flexão com laminados de CFRP pré-esforçados

A utilização de laminados de CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymer) pré-esforçados no reforço de estruturas de betão armado (BA) permite combinar os benefícios da técnica EBR (Externally Bonded Reinforcement) com as vantagens associadas ao pré-esforço externo. Com o objetivo de investigar e compreender o comportamento a curto e a longo-prazo de lajes de BA reforçadas com laminados de CFRP pré-esforçados segundo a técnica EBR, um extenso programa experimental foi desenvolvido no âmbito do projeto de investigação FRPreDur (PTDC/ECM-EST/2424/2012). Nesse programa experimental quatro lajes de betão armado foram ensaiadas monotonicamente até à rotura, com recurso a ensaios quasi-estáticos, nomeadamente: (i) uma laje de referência; (ii) uma laje reforçada com um laminado de CFRP segundo a técnica EBR; e (iii, iv) duas lajes reforçadas com um laminado de CFRP pré-esforçado. Nas lajes pré-esforçadas foram usados dois sistemas de ancoragens (um em cada laje): o sistema de ancoragem mecânica (MA – “Mechanical Anchorage”) e o método do gradiente (GA – “Gradient Anchorage”) da força. Estas lajes foram posteriormente simuladas com o software de elemento finitos DIANA 10.2®. Aspetos como as relações força versus deslocamento a meio vão, força versus extensão no laminado de CFRP, na armadura e no betão, padrão de fissuração e abertura de fendas, foram considerados na aferição da qualidade das simulações efetuadas. Após a calibração do modelo numérico foi efetuado um estudo paramétrico para avaliar a influência dos seguintes parâmetros na eficácia destes sistemas de reforço: (i) nível de pré-esforço e (ii) área de laminado. Os resultados da campanha experimental e das simulações numéricas são analisados e discutidos no âmbito do presente trabalho.Este trabalho é apoiado pela FEDER através do Programa Operacional Fatores de Competividade – COMPETE e fundos nacionais, através da FCT – Fundação para a Ciência e Tecnologia sob o projeto FRPLongDur POCI-01-0145- FEDER-016900 (FCT PTDC/ECM-EST/1282/2014). Este trabalho é também cofinanciado através do Programa Operacional Fatores de Competitividade e internacionalização (POCI), pelo projeto POCI-01-0145-FEDER-00763. Os autores gostariam também de agradecer todas as empresas que estão envolvidas e têm contribuído para o desenvolvimento do projeto FRPreDur, nomeadamente: S&P Clever Reinforcement Ibérica Lda, S&P Clever Reinforcement Company (Switzerland), Tecnipor - Gomes & Taveira Lda., Vialam – Indústrias Metalúrgicas e Metalomecânicas, Lda., Hilti Portugal -Produtos e Serviços, Lda. O primeiro autor desejava também agradecer a bolsa SFRH/BD/98309/2013, atribuída pela FCT. Este artigo é dedicado ao Tiago Teixeira (1988 – 2015), ex-aluno de doutoramento no ISISE e na Universidade do Minho.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Efeito da temperatura no comportamento de ancoragens mecânicas para confinamento transversal de FRP

Atualmente a utilização de laminados de CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymer) no reforço de estruturas de betão armado (BA) constitui uma solução viável, consolidada pelos vários estudos científicos e aplicações práticas. A técnica EBR (Externally Bonded Reinforcement) é frequentemente utilizada como forma de aumentar a resistência à flexão de estruturas de BA. Contudo, o desenvolvimento de tensões de corte elevadas nas extremidades do laminado pode levar à rotura prematura do sistema CFRP/betão por destacamento. Esta situação é ainda mais frequente quando o laminado é pré-esforçado, sendo neste caso necessário o uso de ancoragens nas extremidades, que evitam esta rotura precoce. O presente trabalho tem como principal objetivo procurar compreender a influência do efeito de temperaturas moderadamente elevadas (de serviço) no comportamento de sistemas de ancoragens mecânicas para confinamento transversal de laminados de CFRP. O programa experimental foi composto por 14 prismas de betão (200 mm 500 mm 800 mm), aos quais é aplicado um laminado de CFRP de acordo com a técnica EBR. Posteriormente, cada ancoragem mecânica foi fixa ao prisma através de seis parafusos pré-esforçados, de forma a criar um nível confinamento transversal pré-determinado. Os provetes foram ensaiados segundo uma configuração de ensaio de arranque direto, uns em (i) regime estacionário (RE) e outros (ii) em regime transiente (RT). No regime estacionário, a temperatura foi mantida constante (20 ºC, 60 ºC e 80 ºC), enquanto que a força de arranque foi aumentando até à rotura do sistema. No regime transiente, a força de arranque foi mantida constante (100 kN e 120 kN), enquanto que a temperatura foi aumentando gradualmente. Além da temperatura e da configuração de ensaio, a largura do laminado (50 mm, 80 mm, 100 mm) e o nível de confinamento transversal foram também estudados. Assim, os resultados dos ensaios de arranque direto são apresentados e discutidos.Este trabalho é apoiado pela FEDER através do Programa Operacional Fatores de Competividade – COMPETE e fundos nacionais, através da FCT – Fundação para a Ciência e Tecnologia sob o projeto FRPLongDur POCI-01-0145-FEDER-016900 (FCT PTDC/ECM-EST/1282/2014). Este trabalho é também cofinanciado através do Programa Operacional Fatores de Competitividade e internacionalização (POCI), pelo projeto POCI-01-0145-FEDER-00763. Os autores gostariam também de agradecer à empresa S&P Clever Reinforcement Ibérica Lda., que forneceu os materiais. O segundo autor deseja também agradecer a bolsa SFRH/BD/98309/2013, atribuída pela FCT. O terceiro autor deseja agradecer ao governo espanhol (Ministerio de Educación, Cultura y Deporte) pela bolsa José Castillejo ref. CAS16/00288.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Reforço à flexão de lajes de betão armado com laminados de CFRP pré-esforçados : comportamento em estado limite último e de utilização

No contexto do reforço estrutural à flexão com recurso aos laminados de CFRP (Carbon Fiber-Reinforced Polymers), a técnica EBR (Externally Bonded Reinforcement) é frequentemente utilizada. A aplicação de CFRP pré-esforçados acumula as vantagens da técnica EBR com as do pré-esforço externo. O sistema de ancoragem desempenha um papel fundamental nos sistemas de reforço com laminados de CFRP pré-esforçados. Por esta razão, neste trabalho desenvolveu-se um programa experimental, composto por 8 lajes de betão armado, com o principal objetivo de analisar dois sistemas de ancoragem: (i) ancoragem metálica e (ii) ancoragem do gradiente de força. Além dos sistemas de ancoragem, foi também analisada a influência da geometria do laminado de CFRP. Através dos resultados obtidos verificou-se uma melhoria do comportamento das lajes pré-esforçadas ao nível do estado limite último e de utilização