Finite element analysis of bond characteristics at the FRP-concrete interface

Abstract

Reinforced concrete structures are prone to corrosion in harsh environments. Fibre-Reinforced Polymer (FRP) laminates are more resistant than steel elements, such as bars and plate in aggressive environments; they can be used as a barrier to protect concrete structures; however, poor bond between FRP composite laminates and structural concrete can prevent utilizing the full structural and protective capacity of FRP-concrete composite system, therefore, it is important to develop good bond between concrete and the FRP to ensure the integrity and durability of the FRP-concrete system. There is a need to understand the bond characteristics at the FRP laminates-concrete interface, and the various parameters influencing the bond performance of the composite system. This research program consists of numerical modeling of the double lap pull-off tests conducted by Ali et.al (2012) and comparing the computed values with the experimental results for two different batches, along with an evaluation of the various parameters influencing bond between FRP laminates and concrete. The ABAQUS 6.10.1 program was used to model the double lap pull-off test. Shell elements were used to model FRP laminates, solid elements for concrete and steel and cohesive elements for modeling the epoxy joint. The constitutive models for the materials were selected based on their experimental behavior. A linear elastic model was used for modeling FRP laminates and steel, elastoplastic behavior was used for modeling epoxy and damaged plasticity model was used for modeling concrete.Numerical and experimental curves reflected similar responses. In the first batch the average ultimate load in the tests was 70.7 kN , while the ultimate load for the numerical analysis was 73.8 kN, showing a difference of 4.6% . Also, the average experimental value of strain at the center of the FRP laminate was 2657×〖10〗^(-6), while the ultimate strain in numerical simulation was 3023×〖10〗^(-6), showing an acceptable difference of 12.1 %. In the second batch, the average of experimental ultimate load was 54.5kN, while the ultimate load in numerical analysis was 58.6kN, with a difference of only 5.4%. The computed ultimate strain is 2320 ×〖10〗^(-6), while the average of ultimate strain in experimental study was 2173×〖10〗^(-6), showing a discrepancy of 6.3%. Also, the effect of different geometrical factors on the bond behavior of FRP and concrete was studied; it was concluded that, the most effective geometrical parameter influencing bond between FRP and concrete was the bonded width of the FRP laminate.Les structures en béton armé sont sujettes à la corrosion dans des environnements difficiles. Dans ces conditions, les couches de polymère renforcé de fibres (PRF) sont plus résistants que les plaques d'acier, ils peuvent ainsi être utilisés comme une barrière pour protéger les structures en béton armé; Cependant, un faible (mauvais) collage entre les couches composites de PRF et le béton peut empêcher l'utilisation de la pleine capacité de ce composite. Par conséquent, il est important de développer une adhérence complète entre le béton et le PRF pour assurer l'intégrité et la durabilité de ce système.Il est nécessaire de comprendre les caractéristiques des liaisons à l'interface des couches de polymère renforcé de fibres - béton, et les différents paramètres influençant les performances de ces liaisons. Cet recherche comprend la modélisation numérique des essais de traction à recouvrement double effectués par Ali et.al (2012) et la comparaison des valeurs calculées avec les résultats expérimentaux pour deux groupes différents, avec une évaluation des paramètres influençant les liaisons entre les couches de polymère renforcé de fibres et le béton.Le programme d'éléments finis ABAQUS 6.10.1 a été utilisé pour l'analyse numérique d'essai en traction à recouvrement double. Des éléments coques ont été utilisés pour modéliser les couches de polymère renforcé de fibres, des éléments solides pour modéliser le béton et l'acier et des éléments de cohésion pour modéliser le joint en résine époxyde. Les modèles pour les matériaux ont été choisis en fonction de leur comportement expérimental. Un modèle élastique linéaire a été utilisé pour les couches de polymère renforcé de fibres et de l'acier, un modèle élasto-plastique a été utilisé pour la résine époxyde et le modèle de plasticité endommagée a été utilisé pour le béton.Les résultats entre les tests numériques et expérimentaux montrent une réponse similaire. Dans le premier groupe, la moyenne de la charge ultime des essais expérimentaux était égale à 70.7 kN tandis que celle de l'analyse numérique était égal à 73.8, ce qui montre une différence de 4.6%. De plus, la valeur moyenne expérimentale de la contrainte au centre des couches de PRF était égale à 2657×〖10〗^(-6), tandis que celle de la souche ultime dans la simulation numérique était de 3023×〖10〗^(-6), montrant une différence de 12.1%. Dans le deuxième groupe, la moyenne de la charge ultime expérimentale était égal à 54.5kN, alors que celle de l'analyse numérique était égale à 58.6kN, il y a donc une différence de seulement 5.4%. La contrainte ultime calculée était égale à 2320 ×〖10〗^(-6), alors que la moyenne de celle de l'étude expérimentale était égale à 2173×〖10〗^(-6), montrant une différence de 6.3%. Les effets de plusieurs facteurs géométriques sur les liaisons entre les couches de polymère renforcé de fibres et le béton ont été étudiés. Les résultats de cette enquête ont montré que le paramètre géométrique ayant le plus d'influence sur la liaison entre les couches de PRF et le béton était la largeur de ces liaisons