Comportement en flexion de poutres tubulaires rectangulaires (en polymère renforcé de fibres) en béton armé et post-contraintes : études expérimentale et analytique
Abstract : Corrosion damage is recognized as a crucial factor for existing concrete bridge girders and corresponding consequences are significant. A promising solution has recently been proposed using posttensioned (PT) concrete-filled fiber-reinforced polymer (FRP) tubes (CFFTs) to effectively improve the performance of new concrete structures. Despite this system demonstrated benefits in terms of improving structural behavior, there still is a lack of research, including the functional reliability of posttensioned rectangular CFFT members. Moreover, there are no code provisions for the flexural design of PT rectangular CFFT members. To achieve their broad-based implementation in civil infrastructures, understanding of their flexural behavior is essential. This study presents the results of a comprehensive test program that was aimed at investigating the flexural behavior of rectangular CFFT beams posttensioned with unbonded steel tendons to address the knowledge research gaps in this field. The tests intend to simulate a number of design parameters, which are mainly governed by flexural loading. Fifteen full-size beams with internal steel bars were tested, including thirteen PT CFFTs and two PT concrete beams along with one non-PT CFFT from the literature for comparison. The investigated parameters are i) GFRP tube thickness ranged from 6.0 mm to 12.3 mm; ii) Tube fiber structural laminate; iii) Tube confinement versus steel stirrups; iv) Number of prestressing tendons and level of prestressing; v) Concrete compressive strength [(normal and high strength concrete (NSC and HSC)]; vi) Total reinforcement index; vii) Attaching a thin Carbon FRP-laminated embedded in tension flange and its ratio; and viii) Loading scheme (static and cyclic). Moreover, an analytical study was conducted to develop a model to predict the ultimate strength of prestressed CFFT members. The model is based on strain compatibility and force equilibrium, which account for the material constitutive relationships for FRP tube laminates, steel strands, and non-linearity of concrete. The accuracy of the proposed model is also verified against the experimental results. Finally, a new design equation, as an extension to AASHTO (2012) equation, is also established based on a regression analysis of the test results to predict the ultimate flexural capacity of the tested beams, which significantly impacts the design practice of such members. The experimental results demonstrated the feasibility and construction of rectangular CFFTs posttensioned with steel tendons. The test results indicated that rectangular CFFT beams prestressed with unbonded steel strands could effectively replace conventional members made from traditional materials or identical rectangular CFFT without prestressing, in terms of similar or better structural performance. The flexural behavior of the tested PT CFFT beams is highly depended on the FRP tube confinement, laminate, thickness, and attaching a thin Carbon FRP-laminated embedded in tension flange, and to a much less extent, on the magnitude of the prestress level, the number of strands, concrete strength, and loading scheme. Furthermore, it was found that neglecting concrete confinement in the proposed model highly underestimates the flexural strength. The promising results of this study can provide the impetus for constructing a new sustainable and high-performance hybrid structural rectangular PT CFFT elements.Les dommages des infrastructures en béton dus à la corrosion représentent un facteur crucial pour les poutres de pont en béton et les conséquences associées à ces dommages sont très importantes. Malgré les avantages évidents de ce système en termes d'amélioration du comportement structural et de durabilité, il y a encore un grand manque de données expérimentales et de modélisation, y compris la faisabilité fonctionnelle des éléments tubes en polymère renforcé de fibres (PRF) et remplis de béton (TPRB) rectangulaires PC. De plus, il n'y a pas de normes pour la conception en flexion de ces éléments. Pour parvenir à la mise à l’échelle et à l’introduction de ces éléments TPRB dans les infrastructures civiles, la compréhension et la modélisation de leur comportement en flexion est indispensable. Étant la toute première étude expérimentale sur le sujet, cette étude présente les résultats d'un programme expérimental visant à étudier le comportement en flexion des poutres TPRB rectangulaires PC (avec des tendons en acier post-tensionnés) pour combler la lacune de recherche susmentionnée. Le programme expérimental vise à simuler un certain nombre de paramètres de conception des TPRB-PC. Treize poutres (à échelle réelle, incorporant des barres d’armature en acier) dont douze TPRB rectangulaires PC, deux poutres en béton armé conventionnel et PC et une poutre TPRB sans post-tension (pour comparaison) ont été testées. Les principaux paramètres étudiés sont : (i) l'épaisseur du tube GFRP variant de 6,0 mm à 12,3 mm; (ii) l’orientation et l’empilement des couches des fibres dans les tubes ; (iii) le confinement par des tubes par rapport aux étriers en acier dans les poutres conventionnelles; (iv) le nombre de tendons et le niveau de précontrainte ; (v) la résistance à la compression du béton [béton normal (BO) et béton à haute résistance (BHP)] ; (vi) l'indice de renforcement total; (vii) l’effet de l’intégration d’une fine lamelle de carbone en PRF dans une la zone tendue du tube en PRF; et (viii) type de chargement (statique et cyclique). De plus, une étude analytique a été menée afin de développer un modèle permettant de prédire la force ultime des éléments TPRB-PC. Le modèle est basé sur la compatibilité des contraintes et l'équilibre des forces, qui tiennent compte des relations constitutives des matériaux (laminés de tubes FRP, tondons d'acier, et la non-linéarité du béton). La précision du modèle proposé est également vérifiée par rapport aux résultats expérimentaux. Enfin, une nouvelle équation de conception, en tant qu'extension de l'équation de l'AASHTO (2012), est également établie (sur la base d'une analyse de régression des résultats expérimentaux) pour prédire la capacité de flexion ultime des poutres TPRB-PC testées, ce qui pourra avoir un impact significatif sur la pratique de conception des éléments TPRB-PC. Les résultats expérimentaux ont démontré la faisabilité des éléments TPRB PC avec des tendons d'acier. Les résultats ont ainsi indiqué que les poutres TPRB PC peuvent effectivement remplacer les éléments conventionnels fabriqués à partir de matériaux traditionnels ainsi que les TPRB sans pré ou post-tension, tout en démontrant des performances structurales nettement supérieures. Le comportement en flexion des poutres TPRB -PC testées dépend fortement du confinement des tubes en PRF, de la séquence d’enroulement et de l’orientation des fibres, de l'épaisseur et de l’intégration d'une mince couche de laminé en PRF de carbone et, dans une moindre mesure, de l'ampleur du niveau de post-tension, du nombre de torons, de la résistance du béton et du type de chargement. En outre, il a été constaté que le fait de négliger l’effet de confinement du béton dans le modèle proposé sous-estime fortement la résistance en flexion. Les résultats prometteurs de cette étude peuvent promouvoir la construction des structures hybrides (faites à partie des TPRB rectangulaires PC) plus durables et plus performantes
