Évaluation de la performance à long terme de barres d'armature en PRFV soumises à différentes conditions environnementales sous charges de traction soutenues élevées

Abstract : The long-term performance of glass fiber reinforced polymer (GFRP) bars subjected to high sustained loads and aggressive environmental conditions is not entirely clear and very conservative limits are imposed by available FRP design guidelines and codes. A two-phase (Phase I and Phase II) experimental program was designed to address this issue. Phase I included an experimental investigation and statistical approach to assess the long-term performance and to determine a safe creep-rupture strength value for glass fiber-reinforced polymer (GFRP) bars subjected to different types of environmental exposure. The study sample consisted of 160 bars of various sizes (10 mm, 12 mm, and two types of 15 mm) subjected to different levels of environmental conditioning (unconditioned and exposed to an alkaline solution at 23°C and 60°C) and a range of sustained load levels (40% to 90% of the ultimate tensile strength). The test results were analyzed with Weibull statistical analysis to determine the mean and characteristic creep-rupture strengths, and consequently, a safe design value was calculated. Limitations and variations of the strength degradation model for the life-span prediction was assessed. The impact of sustained load on strength reduction was more pronounced than the combined effect of the alkaline solution and high temperature. The GFRP bars with smaller diameters were more susceptible to creep rupture than the larger ones, while the conditioning had more effect on the bars with larger diameters than the smaller ones. In Phase II, a set of experiments was conducted to assess the flexural behavior of concrete beams reinforced with GFRP bars subjected to a high sustained flexural load after 10 years of natural aging. The experimental program consisted of eight rectangular concrete beams measuring 250 × 250 × 2000 mm. All beams were reinforced with sand coated GFRP bars. Four beams were subjected to a high sustained load of up to 40% of the ultimate tensile capacity of their GFRP bars with simultaneous exposure to aggressive natural weathering (temperatures ranging from -25℃ to 35℃) for 10 years. The remaining four were stored in the laboratory and treated as control specimens without any loading. The conditioned beams were tested up to failure in a four-point bending setup. The results were compared in terms of load–displacement behavior, ultimate strength, displacement capacity, failure modes, and cracking pattern. In addition, the microstructure of the GFRP bars was studied to evaluate the physical changes of the bars, and their bond condition with surrounding concrete at different stress levels. The findings indicate a strength deterioration of only 16% for this early generation of GFRP bars under harsh natural conditioning and high sustained loads for 10 years. On the other hand, the bond between the concrete and GFRP bars as well as the glass transition temperature, infrared spectra and interlaminar shear strength of the GFRP bars remained unaffected. Finally, analytical approaches were implemented to predict the load–displacement behavior and crack widths of the tested beams.La performance à long terme des barres en polymère renforcé de fibres de verre (PRFV) soumises à des charges soutenues élevées et à des conditions environnementales agressives n'est pas tout à fait clairement définie et des limites sévères sont imposées par les guides de conception disponibles. Un programme expérimental en deux phases est conçu pour étudier cette question. Dans la phase I, la résistance à la rupture par fluage des barres de PRFV exposées à différentes conditions environnementales est évaluée pour la nouvelle génération de barres. La phase II examine le comportement en flexion de poutres en béton ayant subi un vieillissement naturel et qui ont été renforcées avec la génération précédente de barres de PRFV. La première phase est réalisée en laboratoire et la seconde phase est une étude sur le terrain. La première série d'expériences est réalisée sur 170 barres et englobe une variété de diamètres de barres (10 mm, 12 mm et deux types de 15 mm), de conditionnement environnemental (non conditionné et exposé à une solution alcaline à 23 °C et 60 °C) et de charges soutenues imposées (40 à 90 % de la résistance ultime à la traction des barres). Les résultats des essais ont été analysés à l’aide d’une analyse statistique de Weibull afin de déterminer les résistances moyennes et les résistances caractéristiques de ruptures par fluage et par conséquent, une valeur sûre pour le dimensionnement a été calculée. Les limites et les variations du modèle de dégradation de la résistance pour la prédiction de la durée de vie ont été discutées. En outre, la microstructure des barres de PRFV non rompues a été étudiée pour évaluer les changements physiques des barres. Les résultats de l'étude montrent que le taux de dégradation est prolongé pour des niveaux de charges soutenues plus faibles. L'impact d'une charge soutenue sur la réduction de la résistance est plus prononcé que l'effet couplé d'une solution alcaline et d'une température élevée. Les facteurs de réduction de la rupture par fluage (Cc) prescrits par les codes de conception actuels sont conservateurs pour les barres de PRFV dans cette étude. Un facteur de réduction environnemental égal à 1,0 peut être utilisé avec les limites de rupture par fluage spécifiées par les codes actuels pour les barres de PRFV noyées dans du béton, non en contact avec le sol et non exposées aux intempéries. La deuxième série d'expériences a examiné le comportement en flexion de poutres en béton renforcées par des barres de PRFV et soumises à une charge soutenue élevée de flexion après 10 ans de vieillissement naturel. Le programme expérimental comprenait huit poutres rectangulaires en béton mesurant 250 x 250 x 2000 mm. Toutes les poutres ont été renforcées avec des barres de PRFV revêtues de sable. Quatre poutres ont été soumises à une charge élevée soutenue allant jusqu'à 40 % de la résistance ultime en traction des barres de PRFV, avec une exposition simultanée à un vieillissement naturel agressif (températures allant de - 25℃ à 35℃) pendant 10 ans. Les quatre autres poutres ont été entreposées au laboratoire comme spécimens témoins sans aucune charge. Les poutres conditionnées ont été testées en flexion quatre points jusqu'à la rupture. Les résultats ont été comparés en termes de comportement charge-déplacement, de résistance ultime, de capacité de déplacement, de modes de rupture et de patron de fissuration. De plus, la microstructure des barres de PRFV a été étudiée pour évaluer les changements physiques des barres et leur adhérence avec le béton environnant à différents niveaux de contrainte. Les résultats indiquent une détérioration de la résistance de seulement 16 % pour cette première génération de barres de PRFV, dans des conditions naturelles difficiles et sous des charges élevées soutenues pendant 10 ans. En revanche, l'adhérence entre le béton et les barres de PRFV, ainsi que la température de transition vitreuse, les spectres infrarouges et la résistance au cisaillement interlaminaire des barres de PRFV n'ont pas été affectés. Enfin, des approches analytiques ont été mises en oeuvre pour prédire le comportement charge-déplacement et l’ouverture des fissures des poutres testées