Study of debonding in CFRP-strengthened beams and contribution of anchorage systems

Abstract

The rehabilitation of buildings and infrastructure has gained importance in recent decades. Carbon Fiber-Reinforced Polymers (CFRP) are effective for strengthening Reinforced Concrete (RC) structures due to their mechanical strength, corrosion resistance, and lightweight properties. The Externally Bonded (EB) method, known for its ease of installation and effectiveness, improves the performance of RC structures. However, flexural reinforcement often leads to premature debonding of the FRP from the concrete, limiting the use of FRP properties. To address Intermediate Crack Debonding (ICD), several predictive approaches have been developed, though they impose strict strain limits on FRP. To mitigate premature debonding in EB-FRP strengthened flexural members, anchorage of the CFRP laminate has been a focus of investigation. Effective techniques such as Externally Bonded Reinforcement on Grooves (EBROG) and Hybrid Bonding (HB)-FRP have shown promise. However, experimental and analytical/numerical studies in this area remain limited, indicating the need for further research.

This thesis investigates ICD in EB-FRP strengthened RC beams from theoretical and experimental perspectives. It analyses formulations from the literature and compares theoretical predictions with four-point bending test results on RC beams with varying concrete strengths and steel reinforcement ratios. The study includes an experimental database of 68 RC beams, showing that models predict ICD failure modes accurately. The effectiveness of Externally Bonded Reinforcement on Grooves (EBROG) and Hybrid Bonding (HB)-FRP methods in preventing ICD is examined through bond and flexural tests. Results indicate that both methods enhance the performance of EB-FRP, although existing prediction models underestimate the bending capacity for EBROG. A numerical model is developed to simulate ICD for various bond-slip laws, applicable to different strengthening techniques. This model determines the maximum tensile force the FRP laminate can effectively transfer between two consecutive cracks, addressing the excessive tensile forces between cracks that lead to ICD failure. This maximum force depends on the bond behaviour of the FRP-concrete interface, which varies with the chosen strengthening technique. Therefore, the proposed model allows for the implementation of diverse shapes of bond-slip laws corresponding to different strengthening methods. It is specifically developed to solve the governing equation of the bonded joint using numerical procedure based on the finite difference method. The proposed model is validated by applying the bond-slip laws calibrated from the single-shear tests to the flexural test results, demonstrating accurate prediction of ICD failure for EB, EBROG and HB-CFRP specimens

La rehabilitació d'edificis i infraestructures ha adquirit importància en les últimes dècades. Els polímers reforçats amb fibra de carboni (en anglès, CFRP) són efectius per reforçar les estructures de formigó armat (en anglès, RC) gràcies a la seva resistència mecànica, resistència a la corrosió i lleugeresa. El mètode de reforç adherit externament (en anglès, EB), àmpliament adoptat per la seva facilitat d'instal·lació i efectivitat, millora el rendiment de les estructures d’RC. Tanmateix, el reforç a flexió sovint provoca el despreniment prematur de l’FRP del formigó, limitant l'ús de les propietats del reforç d’FRP. Per abordar el despreniment per fissures intermèdies (en anglès, ICD), s'han desenvolupat diversos models predictius, tot i que imposen límits estrictes de deformació a l’FRP. Per mitigar el despreniment prematur en membres reforçats amb EB-FRP a flexió, s'ha centrat la investigació en l'ancoratge del laminat de CFRP. Tècniques efectives com el reforç adherit externament a les ranures (en anglès, EBROG) i l’adhesió híbrida (en anglès, HB) han demostrat ser prometedores. Tanmateix, els estudis experimentals i numèrics en aquest àmbit encara són limitats, indicant la necessitat de més recerca.

Aquesta tesi investiga l’ICD en bigues de formigó armat reforçades amb EB-FRP des de perspectives teòriques i experimentals. Analitza formulacions de la literatura i compara les prediccions teòriques amb els resultats de proves de flexió en quatre punts en bigues de formigó armat amb diferents resistències del formigó i ràtios de reforç d'acer. L'estudi inclou una base de dades experimental de 68 bigues de formigó armat, mostrant que els models prediuen amb precisió els modes de fallada ICD. L'eficàcia dels mètodes EBROG i HB-FRP per prevenir l’ICD s'estudia mitjançant proves d'adhesió i flexió. Els resultats indiquen que ambdós mètodes milloren el rendiment de l’EB-FRP, tot i que els models de predicció existents subestimen la resistencia a flexió per a l’EBROG. S'ha desenvolupat un model numèric per simular l'ICD per a diverses lleis d’adherència, aplicables a les diferents tècniques de reforç. Aquest model determina la màxima força de tracció que el laminat d’FRP pot transferir de manera efectiva entre dues fissures, tenint en compte les forces de tracció a les fissures que condueixen a l'ICD. Aquesta força màxima depèn del comportament d’adherència de la interfície FRP-formigó, que varia amb la tècnica de reforç escollida. Per tant, el model proposat permet la implementació de diverses formes de lleis d’adherència corresponents a diferents mètodes de reforç. Està programat per resoldre l'equació general del reforç per adherència mitjançant un procediment numèric basat en el mètode de les diferències finites. El model proposat es valida aplicant als resultats de proves de flexió les lleis d’adherència calibrades a partir dels assajos a tallant simple, demostrant una predicció precisa de la fallada per ICD en les bigues reforçades mitjançant EB, EBROG i HB-CFRP