Effect of temperature on the flexural behavior of NSM CFRP strengthened RC beams under time-dependent loading and fatigue

Abstract

There is a general trend towards rehabilitation and strengthening of existing reinforced concrete (RC) structures due to the costs associated with the replacement of the structural members and the environmental impact associated with the consumption of raw materials for new constructions. In this regard, fiber reinforced polymers (FRP) are presented to be an excellent solution for strengthening purposes, being the near-surface mounted (NSM) one of the main used techniques, because of the several advantages that it provides over the traditional plate bonding (i.e. externally bonded reinforcement (EBR)) technique. However, in spite of the advantages of NSM technique, premature debonding failure is still of concern. The effectiveness of a strengthening system relies on the capacity of the joint to allow the stress transfer during the loading process, which has been acknowledged to be partially governed by the mechanical properties of the bonding agent. In this sense, epoxy adhesives are usually chosen to be the bonding agent in NSM technique. However, due to their nature, performance of epoxy adhesives can be affected by temperature, as near or beyond their glass transition temperature (Tg) their mechanical properties may change, thus affecting the behavior of the NSM strengthened member. Besides, although NSM FRP strengthening has attracted an increasing amount of research, studies are still needed to fully understand their long-term performance, which partially depends on the material’s long-term properties. In this sense, creep and shrinkage of concrete and creep of epoxy adhesive, which are dependent on environmental conditions, are of high importance. Similar to long-term loading, attention should also be given to fatigue loading, where the stiffness of the system degrades due to progressive cracking and stress/strain accumulation in the material. This work aimed to experimentally and analytically study the flexural performance of NSM carbon FRP (CFRP)-strengthened RC beams subjected to short-term, long-term and fatigue loading under different high service temperatures. To this end, the first experimental program with 14 beams has been performed, where the effect of CFRP strengthening ratio, concrete strength and applied temperatures has been evaluated. The aim was to evaluate the effect of different parameters on the short-term behavior of the beams in order to easily design the long-term and fatigue experimental programs. Analytical simulations have also been performed to predict the load-deflection responses of the tested beams, where shrinkage effects have been accounted for

Hi ha una tendència cada vegada més generalitzada cap a la rehabilitació i el reforç de les estructures existents de formigó armat (FA) degut als costos associats a la seva substitució i a l’impacte ambiental derivat del consum de matèries primeres associat a la nova construcció. En aquest context, els polímers reforçats amb fibres (FRP, de l’anglès fiber reinforced polymer) es presenten com una solució excel·lent per al reforç estructural, sent la tècnica del reforç inserit en el recobriment del formigó (NSM, de l’anglès near surface mounted) una de les principals tècniques emprades degut als avantatges que aquesta ofereix enfront al reforç extern (EBR, de l’anglès externally bonded reinforcement). No obstant, malgrat els avantatges del reforç NSM, la fallada prematura per desenganxament continua sent una problemàtica. L’eficàcia de qualsevol sistema de reforç estructural depèn de la capacitat de transmissió d’esforços de la unió, que depèn parcialment de les propietats mecàniques del material adherent. En aquest sentit, les resines epoxídiques son el material adherent més utilitzat en la tècnica de reforç NSM. Ara bé, degut a la naturalesa d’aquests adhesius, el seu comportament es pot veure afectat per temperatures properes o superiors a la seva temperatura de transició vítria (Tg) i poden experimentar canvis en les seves propietats mecàniques. D’altra banda, encara que el reforç amb NSM FRP ha estat objecte d’un esforç creixent en recerca, es requereixen més estudis per entendre millor el seu comportament a llarg termini. En aquest sentit, la fluència i la retracció del formigó, així com la fluència de l’epoxy, prenen una gran importància, que és de gran rellevància si es té en compte que aquests fenòmens depenen de les condicions ambientals. D’altra banda, també és necessari estudiar el comportament d’aquests elements reforçats sota càrregues de fatiga. L’objectiu d’aquest treball és l’estudi experimental i analític del comportament de bigues de FA reforçades amb FRP a base de fibres de carboni (CFRP, de l’anglès carbon fiber reinforced polimers) mitjançant la tècnica NSM, que es troben sotmeses a temperatures de servei elevades. Aquest estudi inclou el comportament instantani, el comportament a llarg termini sota càrregues mantingudes i el comportament sota càrregues de fatiga. Amb aquesta finalitat, s’ha portat a terme un primer programa experimental per investigar el comportament instantani (càrrega monotònica fins a ruptura) a flexió que incloïa un total de 14 bigues. Els paràmetres de l’estudi han estat la quantia de reforç de CFRP, el tipus de formigó i la temperatura. Per complementar aquest primer programa experimental, s’han realitzat prediccions analítiques de la relació càrrega-fletxa de les bigues assajades, en les que s’ha tingut en compte l’efecte de la retracció del formigó