Sandwich structural panels comprising thin-walled SFRSCC and GFRP connectors: from material features to structural behaviour

Tese de Doutoramento em Engenharia Civil (Especialização em Engenharia de Estruturas).An innovative sandwich structural panel composed of two outer Steel Fibre Reinforced Self-Compacting Concrete (SFRSCC) thin layers and a lightweight thermal insulating core material was developed for the walls of a pre-fabricated housing system. The stress transfer between the two SFRSCC layers was assured by Glass Fibre Reinforced Polymer (GFRP) connectors. SFRSCC was used to totally eliminate the need for conventional reinforcement and to decrease the thickness of the panel’s outer layers, with consequent reduction of the global self-weigh of the panels, while GFRP connectors aimed to significantly decrease thermal bridging effects. The mechanical behaviour of SFRSCC under compressive and tensile loads were assessed. An in-depth investigation in the material scale was carried out in order to assess the pos-cracking behaviour of SFRSCC. A new test method was proposed to determinate the post-cracking behaviour of thin-walled SFRSCC elements and the results obtained with the proposed test method were compared with the ones resulted from the standard three-point bending tests (3PBT). Specimens extracted from a sandwich panel consisting of SFRSCC layers were also tested. The mechanical properties of SFRSCC were correlated to the fibre distribution by analysing the results obtained with the different tests. Finally, the stress-crack width constitutive law proposed by the fib Model Code 2010 was analysed in light of the experimental results. Eleven types of Glass Fibre Reinforced Polymer (GFRP) laminates consisted of polyester resin and differing on the kind of fibre reinforcement and on fibre content were produced by Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM) and evaluated as material candidates for the production of connectors. All them were characterized under direct tensile tests. The shear behaviour of some of the GFRP candidates was investigated by means of the Iosipescu shear tests. Some GFRPs were also characterized under pin-bearing tests. Through linear static analyses and consideration of Ultimate Limit State loading scenarios, the sandwich panels were simulated using Finite Element Method (FEM). Parametric studies were performed in order to optimize the arrangement of the GFRP connectors and the thickness of the SFRSCC layers. Different arrangements of panels and production methods were explored. Moreover, models considering a specific nonlinear behaviour of SFRSCC were also constructed in order to simulate the progressive damage of the panel induced by cracking. In the scope of the nonlinear analyses, emphasis is given to parameter estimation of fracture modelling parameters for the fibre reinforced concrete based on both inverse analysis and the fib Model Code 2010. An innovative connector system that consists on a GFRP perforated plate that is embedded into SFRSCC layers was proposed. The connection is strongly based in the mechanical interlock assured by the dowels originated from the SFRSCC passing through the holes opened on the GFRP plates. Experimental research devoted to the assessment of the pull-out and push-out shear behaviour of GFRP-SFRSCC connections were performed with specimens representative of the developed sandwich panel. For a better understanding of the proposed connection, the effect of the type of GFRP, number of holes of connectors and of existance of SFRSCC in front of connectors were experimentally investigated. Analytical frameworks to evaluate the load capacities of the connections when loaded transversally and longitudinally (i.e., pull-out and push-out loads, respectivally) were developed based on experimental results. The feasibility of using the proposed connector was also determined trough an experimental work conducted with composite beam specimens using connectors made by two different types of GFRP laminates. In addition, the performed bending tests were simulated by using a computer program based on the FEM for assessing the stress field installed in the components that form the composite beam, in order to have a better knowledge on the stress redistribution between GFRP connector and surrounding SFRSCC that occurs during the loading process. Finally, an experimental program was conducted on the shear behaviour of the wall panels when subjected to in-plane loads, i.e., representative of the loading condition that the wall panels are subjected when seismic loads acts in the building. Full-scale panels (2.0 m by 2.0 m), with and without openings, were subjected to a constant vertical load representative of the slab reaction, while horizontal reversed cyclic loading was imposed to the panels. The seismic behaviour of panels were evaluated in terms of strength, stiffness, ductility and energy dissipation.Neste trabalho é desenvolvido um painel estrutural inovador, do tipo sanduíche, constituído por duas camadas externas de Betão Auto-Compactável Reforçado com Fibras de Aço (BACRFA) de pequena espessura e uma espuma rígida, com elevada resistividade térmica, no seu núcleo. Os painéis foram projetados para serem aplicados como paredes portantes de um sistema pré-fabricado de casas modulares. No painel proposto, a transferência de tensões de corte entre as camadas de betão é garantida por connectores de material polimérico reforçado com fibras de vidro (PRFV). O BACRFA foi o material escolhido para as camadas de betão pensando-se em eliminar o uso de armaduras convencionais e assim possibilitar a execução de camadas de betão com espessuras reduzidas e, consequentemente, obter-se painéis com menor peso próprio total. O PRFV foi o material escolhido para os conectores de modo a se evitar pontes térmicas que poderiam levar a uma redução da eficiência energética do painel. Os comportamentos do BACRFA à compressão e tração foram determinados. Uma pesquisa ampla na escala do material foi realizada de modo que se fosse obtida uma melhor compreensão do comportamento à tração do BACRFA após a fissuração. Um novo método de ensaio para determinar o comportamento pós-fissuração do BACRFA foi proposto. O método proposto é bastante apropriado para a caracterização do material utilizado em elementos de pequena espessura, como é o caso do painel proposto nesta tese, pois permite determinar as propriedades do BACRFA fazendo-se uso de provetes com geometria semelhante a do elemento estrutural. Também foram realizados testes convencionais de caracterização através de vigota com entalhe, de onde as leis constitutivas tensão abertura de fissura foram determinadas através de análises inversas. Provetes extraídos de painéis sanduíche foram ensaiados seguindo o método de caracterização proposto. Os resultados dos ensaios de caracterização do BACRFA obtidos com as diferentes metodologias empregadas foram comparados e correlacionados com a distribuição das fibras nos elementos. Finalmente, a lei constitutiva do tipo tensão abertura de fissura proposta pelo fib Model Code 2010 foi comparada com os resultados experimentais. Foram estudados onze tipos de laminados de PRFV constituídos de matriz de resina poliéster e diferentes tipos de reforços de fibra de vidro, diferindo na disposição e quantidade de fibras. Todos eles foram produzidos por moldagem por transferência de resina sob vácuo e foram caracterizados através de testes de tração direta. Alguns laminados foram caracterizados ao corte ao longo de diferentes direções. Ensaios do tipo "pin-bearing" também foram realizados com alguns dos laminados. Correlação Digital de Imagem foi utilizada para obter os campos de deformação nos ensaios de corte e nos ensaios do tipo "pin-bearing", apliando-se a compreensão do comportamento dos laminados. Simulações numéricas do comportamento mecânico dos painéis sanduíche foram realizadas fazendo-se uso de um pacote computacional baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF). Fazendo-se uso de modelos numéricos lineares dos painéis sujeitos a combinações de carga relativas aos Estados Limites Últimos, foram realizados estudos paramétricos com o intuito de se otimizar o arranjo dos conectores e as espessuras das camadas de betão. Análises numéricas não-lineares também foram realizadas para simular o dano progressivo dos painéis induzidos pela fissuração das camadas de BACRFA com o aumento das ações laterais. No escopo das análises não-lineares, é dado ênfase para a estimativa dos parâmetros de fratura baseada em análises inversas e recomendações do fib Model Code 2010. Um conector de PRFV inovador chamado PERFOFRP foi proposto. De forma simplificada, o conector consiste em um laminado de PRFV com furos. A conexão é realizada através do intertravamento mecânico assegurado pelos pinos de betão que se formam devido à penetração do BACRFA durante o processo de betonagem dos painéis. O comportamento ao corte dos conectores PERFOFRP foram estudados através de ensaios de arrancamanto e de corte longitudinal com provetes representativos das conexões nos painéis sanduíche. Para se ter uma melhor compreensão do PERFOFRP, os testes investigaram os efeitos do tipo de laminado de PRFV, do número de furos e da resistência frontal no compotamento mecânico das conexões. Um estudo preliminar da viabilidade de utilização dos conectores foi realizado com vigas sandwich produzidas com dois tipos de laminados de PRFV. Complementarmente, os testes de flexão foram simulados numericamente fazendo-se uso de um pacote computacional baseado no MEF, de onde foi possível obter-se uma melhor compreensão do comportamento das conexões. Finalmente, um programa experimental foi realizado com painéis submetidos a cargas no plano, representativas da condição de carregamento que as paredes estão sujeitas quando cargas sísmicas agem na edificação. Painéis com 2.0 m de altura e 2.0 m de largura, com e sem abertura, foram submetidos a um carregamento vertical constante para simular a reação de apoio das lajes, enquanto forças horizontais cíclicas foram impostas aos painéis. Os desempenhos dos painéis frente aos carregamentos cíclicos foram determinados determinando-se suas resistências, rigidezes, ductilidades e capacidades de dissipação de energia

Evaluation of low-cost MEMS accelerometers for SHM : frequency and damping identification of civil structures

Trabalho apresentado no CILAMCE 2018: IBERO-LATIN AMERICAN CONGRESS ON COMPUTATIONAL METHODS IN ENGINEERINGSensing techniques based on accelerometers for modal parameters identification are among the most studied and applied in Structural Health Monitoring of civil structures. The advent of low-cost MEMS accelerometers and open-source electronic platforms, such as Arduino, have facilitated the design of low-cost systems suitable for modal identification, although there is still a lack of studies regarding practical application and comparison of commercially available low-cost accelerometers under SHM conditions. This work presents an experimental performance evaluation of six low-cost MEMS accelerometers for the identification of natural frequencies and damping ratios of a three-storey frame model and a reinforced concrete slab, as well as their noise characteristics. A low-cost Arduino-based data acquisition system was used. The results showed an overall good performance of the MEMS accelerometers, with identified natural frequencies errors within 1.02% and 7.76% of reference values, for the three-storey frame and concrete slab, respectively, and a noise density as low as 108 g/√Hz

Concepção de sistemas de restrição passiva à retracção para avaliação das tensões associadas à deformação impedida

As tensões associadas à retracção do betão em estruturas laminares sujeitas a restrições ao seu movimento livre originam, frequentemente patologias que podem comprometer a durabilidade da estrutura. Esta problemática é recorrente em pavimentos de edifícios industriais e em camadas de betão utilizadas na reparação e no aumento da capacidade de carga de pavimentos de betão. O comportamento do betão quando sujeito a condições de impedimento parcial ou total à retracção é usualmente avaliado com recurso a ensaios qualitativos de fissuração. Apesar desses ensaios serem úteis para realizar comparações do quão propensos à fissuração são distintos tipos de betões, eles não permitem estudar o mecanismo de forma quantitativa, o que é essencial para o desenvolvimento de novas estratégias e produtos que visem mitigar o problema da fendilhação do betão associado às deformações impedidas. Assim, no presente trabalho são propostos e implementados dói métodos de ensaio para avaliação, de forma quantitativa, das tensões auto-induzidas nos betões, tendo-se para tal utilizado um betão auto-compactável reforçado com fibras de aço. Neste trabalho são descritos os ensaios piloto efectuados e apresentados e comentados os resultados preliminares

Otimização do faseamento construtivo de estruturas constituídas por grandes volumes de betão : estudo do canal do descarregador de cheias de uma barragem

Tendo em vista evitar riscos elevados de fissuração em construções constituídas por grandes volumes de betão, são geralmente estabelecidas limitações construtivas, tais como imposição de altura máxima das camadas e de tempos mínimos entre os inícios de betonagens de camadas sequenciais. Geralmente estes limites são estabelecidos pelo dono de obra, com base em experiências prévias ou com base em exigências regulamentares. No entanto, esta abordagem é demasiado simplificada por não considerar as complexidades envolvidas no risco de fissuração de cada caso específico. O presente trabalho descreve os estudos realizados para a avaliação da possibilidade de diminuir o tempo entre duas fases subsequentes de betonagem da zona corrente do descarregador de cheias de uma barragem. Adota-se uma metodologia de simulação numérica do comportamento termo-químico-mecânico na fase de construção, com recurso a software baseado no Método dos Elementos Finitos. O problema térmico é simulado recorrendo a um modelo em regime transiente que permite determinar a evolução da temperatura no betão tendo em conta o calor de hidratação do cimento, as condições ambientais e a geometria da estrutura. A capacidade de previsão das ferramentas de análise do problema térmico é validada através de resultados da monitorização de temperaturas realizada durante uma das betonagens da obra. Por fim, são realizadas análises paramétricas com o objetivo de avaliar as consequências da alteração do ciclo construtivo.In order to avoid high cracking risk in construction of massive elements, limitations are generally established on the construction process, such as the imposition of maximum height of concreting layers and minimum time between consecutive casting phases. Construction phasing/schedules are generally set by owners and contractors based on previous experiences or on regulation requirements. However, this approach tends to be conservative as it overlooks several factors that influence cracking risk. This paper describes a study conducted to evaluate the possibility of optimizing the height and time interval between two subsequent concreting stages of a channel of a dam spillway. The study is based on the numerical simulation of construction through coupled thermo-chemo-mechanical FEM based software. The thermal problem is simulated using a transient model for determining the temperature evolution in the concrete taking into account the heat hydration, environmental conditions and the geometry of the structure. The predictive performance of the numerical tools adopted for the thermal problem is validated by considering the temperatures measured during one of the concreting phases. Special emphasis is given to choice of modeling parameters based on previous experiences of the research team. Finally, the evaluation of alternative construction scenarios and their cracking risk is made using the validated model

Conception of sandwich structural panels comprising thin walled steel fibre reinforced self-compacting concrete (SFRSCC) and fibre reinforced polymer (FRP) connectors

In this paper, an innovative thermally efficient sandwich structural panel is proposed for the structural walls of a pre-fabricated modular housing system. Traditionally, sandwich concrete panels consist of conventional reinforced concrete wythes as external layers, polystyrene foam as core material and steel connectors. However, steel connectors are known to cause thermal bridges on the building envelope and possibly condensation and mould problems. Furthermore, the possibilities for thickness reduction/optimization of conventionally reinforced concrete layers are frequently limited by minimum cover requirements. To overcome these issues, the proposed sandwich panel comprises Fibre Reinforced Polymer (FRP) connectors and two thin layers of Steel Fibre Reinforced SelfCompacting Concrete (SFRSCC). This paper presents the basic conception of the proposed building system together with preliminary parametric numerical analyses to define the arrangement and geometry of the elements that constitute the sandwich panels. Finally, the feasibility of using the proposed connector and SFRSCC on the external wythes is experimentally investigated through a series of pull-out tests where failure modes and load capacity of the connections are analysed

Construction phasing of a dam spillway : thermo-mechanical simulation

One of the most important issues to be taken into account while defining the construction phasing of massive elements, such as dams or thick walls, is the height of each construction stage. In fact, if the height of casting of each construction stage is increased, the temperature variations associated to heat of hydration are raised, with a consequent increase of concrete cracking risk. On the other hand, if the height of each construction phase is reduced, overall construction schedules are penalized, and costs are increased. The thickness of the concrete elements to be cast in each stage should be then as large as possible without causing thermal cracks. The evaluation of alternative construction scenarios and their cracking risk can be assessed with thermo-mechanical models. This paper aims to present an application of thermo-mechanical modeling to the central wall of a dam spillway entrance. The case study has added interest in view of the extensive material characterization, in-situ monitoring of temperature/strain, and the use of air-cooled pipes to reduce temperature increase in concrete

Comportamento térmico de painéis sanduíche constituídos por lâminas em betão e conectores de compósito de polímero reforçado com fibras

Relatório 10-DEC/E-2

Development of sandwich panels combining fibre reinforced concrete layers and fibre reinforced polymer connectors: part I: conception and pull-out tests

In this paper, an innovative and thermally efficient sandwich panel is proposed for the structural walls of a pre-fabricated modular housing system. Traditionally, sandwich concrete panels consist of reinforced concrete wythes as outer layers, polystyrene foam as core material and steel connectors. However, steel connectors are known to cause thermal bridges on the building envelope, with possible consequent occurrence of condensation and mould problems. Furthermore, the reduction/optimization of the thickness of conventionally reinforced concrete layers is frequently limited by minimum concrete cover requirements for the protection of the reinforcement from corrosion. To overcome these issues, the proposed sandwich panel comprises Glass Fibre Reinforced Polymer (GFRP) connectors and two thin layers of Steel Fibre Reinforced Self-Compacting Concrete (SFRSCC). This paper presents the material and structural concept of the proposed building system. Moreover, the feasibility of using the proposed connectors and SFRSCC on the outer wythes is experimentally investigated through a series of pull-out tests where failure modes and load capacity of the connections are analysed.QREN-ADI and Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)This work is part of the research project QREN number 5387, LEGOUSE, involving the companies Mota-Engil, CiviTest, the ISISE/University of Minho and PIEP. The first author would like to thank the FCT for the financial support through the PhD Grant SFRH/BD/64415/2009. The authors also thank the collaboration of the following companies: Maccaferri and RADMIX™ for supplying the fibres, Secil and SIKA for providing the cement and the superplasticizers, respectively, and S&P – Clever Reinforcement Ibérica for supplying the epoxy adhesive

Desenvolvimento de um sistema inovador de fundação do tipo radier constituído por concreto reforçado por fibras de aço

Anais do VI Encontro de Iniciação Científica e II Encontro Anual de Iniciação ao Desenvolvimento Tecnológico e Inovação – EICTI 2017 - 04 a 06 de outubro de 2017 - temática EngenhariaO Concreto reforçado com fibras (CRF) pode ser definido como um material compósito feito de cimento Portland, agregados e a incorporação de fibras discretas descontinuas. O uso de fibras no concreto diminui a propagação das fissuras, devido a seu elevado módulo de elasticidade, já que, quando a fibra é adicionada ao concreto, este deixa de ter o comportamento frágil e passa a ser um material pseudo-dúctil, ou seja, após fissuração ele ainda apresenta uma resistência residual aos esforços nele aplicados (CHANH, 2004). Dentre as diferentes fibras para reforço de estruturas de concreto, as fibras de aço vêm sendo muito utilizadas em pisos industriais e revestimento de túneis. O concreto obtido com a adição de fibras de aço é comumente designado pelo acrônimo CRFA – Concreto Reforçado com Fibras de Aço (SFRC, Steel Fiber Reinforced Concrete em língua inglesa)Universidade Federal da Integração Latino-Americana (Unila); Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq); Fundação Araucária; Parque Tecnológico Itaipu (PTI) e Companhia de Saneamento do Paraná (SANEPAR

Development of sandwich panels combining fibre reinforced concrete layers and fibre reinforced polymer connectors: part II : evaluation of mechanical behaviour

In the first part of this paper the authors describe an innovative sandwich panel that comprises Glass Fibre Reinforced Polymer (GFRP) connectors and two thin layers of Steel Fibre Reinforced Self-Compacting Concrete (SFRSCC). This second part of the paper reports the investigation performed by the authors based on the numerical simulation of these sandwich panels. The simulations use the Finite Element Method (FEM) software implemented by the second author (FEMIX). Through linear static analyses and consideration of Ultimate Limit State loading scenarios, parametric studies were performed in order to optimise the arrangement of the GFRP connectors and the thickness of the SFRSCC layers. Moreover, models considering a specific nonlinear behaviour of SFRSCC were also constructed in order to simulate the progressive damage of the panel induced by cracking. In the scope of the nonlinear analyses, emphasis is given to parameter estimation of fracture modelling parameters for the fibre reinforced concrete based on both inverse analysis and the fib Model Code.QREN-ADI and Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)This work is part of the research project QREN number 5387, LEGOUSE, involving the companies Mota-Engil, CiviTest, the ISISE/University of Minho and PIEP. The first author would like to thank the FCT for the financial support through the PhD Grant SFRH/BD/64415/2009. The authors also thank the collaboration of the following companies: Maccaferri and RADMIX™ for supplying the fibres, Secil and SIKA for providing the cement and the superplasticizers, respectively, and S&P – Clever Reinforcement Ibérica for supplying the epoxy adhesive