Colonnes en béton armé renforcées de PRFV sous un chargement sismique simulé

Abstract : Steel and fiber-reinforced-polymer (FRP) materials have different mechanical and physical characteristics. High corrosion resistance, high strength to weight ratio, non-conductivity, favorable fatigue enable the FRP to be considered as alternative reinforcement for structures in harsh environment. Meanwhile, FRP bars have low modulus of elasticity and linear-elastic stress-strain curve. These features raise concerns about the applicability of using such materials as reinforcement for structures prone to earthquakes. The main demand for the structural members in structures subjected to seismic loads is dissipating energy without strength loss which is known as ductility. In the rigid frames, columns are expected to be the primary elements of energy dissipation in structures subjected to seismic loads. The present study addresses the feasibility of reinforced-concrete columns totally reinforced with glass-fiber-reinforced-polymer (GFRP) bars achieving reasonable strength and the drift requirements specified in various codes. Eleven full-scale reinforced concrete columns—two reinforced with steel bars (as reference specimens) and nine totally reinforced with GFRP bars—were constructed and tested to failure. The columns were tested under quasi-static reversed cyclic lateral loading and simultaneously subjected to compression axial load. The columns are 400 mm square cross-section with a shear span 1650 mm. The specimen simulates a column with 3.7 m in height in a typical building with the point of contra-flexure located at the column mid-height. The tested parameters were the longitudinal reinforcement ratio (0.63, 0.95 and 2.14), the spacing of the transverse stirrups (80, 100, 150), tie configuration (C1, C2, C3 and C4), and axial load level (20%, 30% and 40%). The test results clearly show that properly designed and detailed GFRP-reinforced concrete columns could reach high deformation levels with no strength degradation. An acceptable level of energy dissipation compared with steel-reinforced concrete columns is provided by GFRP reinforced concrete columns. The dissipated energy of GFRP reinforced concrete columns was 75% and 70% of the counter steel columns at 2.5% and 4% drift ratio respectively. High drift capacity achieved by the columns up to 10% with no significant loss in strength. The high drift capacity and acceptable dissipated energy enable the GFRP columns to be part of the moment resisting frames in regions prone to seismic activities. The experimental ultimate drift ratios were compared with the estimated drift ratios using the confinement Equation in CSA S806-12. It was found from the comparison that the confinement Equation underestimates values of the drift ratios thus the experimental drift ratios were used to modify transverse FRP reinforcement area in CSA S806-12. The hysteretic behavior encouraged to propose a design procedure for the columns to be part of the moderate ductile and ductile moment resisting frames. The development of design guidelines, however, depends on determining the elastic and inelastic deformations and on assessing the force modification factor and equivalent plastic-hinge length for GFRP-reinforced concrete columns. The experimental results of the GFRP-reinforced columns were used to justify the design guideline, proving the accuracy of the proposed design equations.L’acier et les matériaux à base de polymères renforcés de fibres (PRF) ont des caractéristiques physiques et mécaniques différentes. La résistance à la haute corrosion, le rapport résistance vs poids, la non-conductivité et la bonne résistance à la fatigue font des barres d’armature en PRF, un renforcement alternatif aux barres d’armature en acier, pour des structures dans des environnements agressifs. Cependant, les barres d’armature en PRF ont un bas module d’élasticité et une courbe contrainte-déformation sous forme linéaire. Ces caractéristiques soulèvent des problèmes d'applicabilité quant à l’utilisation de tels matériaux comme renforcement pour des structures situées en forte zone sismique. La principale exigence pour les éléments structuraux des structures soumises à des charges sismiques est la dissipation d'énergie sans perte de résistance connue sous le nom de ductilité. Dans les structures rigides de type cadre, on s'attend à ce que les colonnes soient les premiers éléments à dissiper l'énergie dans les structures soumises à ces charges. La présente étude traite de la faisabilité des colonnes en béton armé entièrement renforcées de barres d’armature en polymères renforcés de fibres de verre (PRFV), obtenant une résistance et un déplacement latéral raisonnable par rapport aux exigences spécifiées dans divers codes. Onze colonnes à grande échelle ont été fabriquées: deux colonnes renforcées de barres d'acier (comme spécimens de référence) et neuf colonnes renforcées entièrement de barres en PRFV. Les colonnes ont été testées jusqu’à la rupture sous une charge quasi-statique latérale cyclique inversée et soumises simultanément à une charge axiale de compression. Les colonnes ont une section carrée de 400 mm avec une portée de cisaillement de 1650 mm pour simuler une colonne de 3,7 m de hauteur dans un bâtiment typique avec le point d’inflexion situé à la mi-hauteur. Les paramètres testés sont : le taux d’armature longitudinal (0,63%, 0,95% et 2,14 %), l'espacement des étriers (80mm, 100mm, 150 mm), les différentes configurations (C1, C2, C3 et C4) et le niveau de charge axiale (20%, 30 % et 40%). Les résultats des essais montrent clairement que les colonnes en béton renforcées de PRFV et bien conçues peuvent atteindre des niveaux de déformation élevés sans réduction de résistance. Un niveau acceptable de dissipation d'énergie, par rapport aux colonnes en béton armé avec de l’armature en acier, est atteint par les colonnes en béton armé de PRFV. L'énergie dissipée des colonnes en béton armé de PRFV était respectivement de 75% et 70% des colonnes en acier à un rapport déplacement latéral de 2,5% et 4%. Un déplacement supérieur a été atteint par les colonnes en PRFV jusqu'à 10% sans perte significative de résistance. La capacité d’un déplacement supérieur et l’énergie dissipée acceptable permettent aux colonnes en PRFV de participer au moment résistant dans des régions sujettes à des activités sismiques. Les rapports des déplacements expérimentaux ultimes ont été comparés avec les rapports estimés en utilisant l’Équation de confinement du code CSA S806-12. À partir de la comparaison, il a été trouvé que l’Équation de confinement sous-estime les valeurs des rapports de déplacement, donc les rapports de déplacement expérimentaux étaient utilisés pour modifier la zone de renforcement transversal du code CSA S806-12. Le comportement hystérétique encourage à proposer une procédure de conception pour que les colonnes fassent partie des cadres rigides à ductilité modérée et résistant au moment. Cependant, l'élaboration de guides de conception dépend de la détermination des déformations élastiques et inélastiques et de l'évaluation du facteur de modification de la force sismique et de la longueur de la rotule plastique pour les colonnes en béton armé renforcées de PRFV. Les résultats expérimentaux des colonnes renforcées de PRFV étudiées ont été utilisés pour justifier la ligne directrice de conception, ce qui prouve l’efficacité des équations de conception proposées