Flexural and shear strengthening of RC elements

Abstract

In a recent experimental program dealing with the Near Surface Mounted (NSM) technique for the flexural strengthening of continuous reinforced concrete (RC) slabs strips, the increase of load carrying and the moment redistribution was lower than the expected values. This experimental program was analysed in depth in this thesis and it was concluded that more efficient flexural strengthening arrangements can be applied if carbon fibre reinforced polymer (CFRP) laminates (of rectangular cross section) are applied not only in the intermediate support (hogging region), but also in the positive bending moment zones (sagging regions). Thus, an experimental and a numerical research program were carried out, and it was verified the possibility of increasing the load carrying capacity in 25% and 50%, maintaining a relatively high level of moment redistribution, when correct NSM flexural strengthening arrangements are used. For assessing the predictive performance of a FEM-based computer program, the experimental tests were simulated by considering the nonlinear relevant aspects of the intervening materials. After has been concluded about the capability of this model to simulate the behaviour of this type of structures, a parametric study was carried out to investigate the influence of the strengthening arrangement and CFRP percentage in terms of load carrying capacity and moment redistribution capacity of continuous RC slab strips flexurally strengthened by the NSM technique. Additionally, to predict the load-deflection response of this type of structures up to its collapse, an analytical model was developed and its performance was appraised by using the data obtained from the experimental program. This model is based on the flexibility method and requires the knowledge of the flexural stiffness of the representative cross sections of the structure, which can be determined from the moment-curvature relationship of these sections. The increase of the load carrying capacity of the strengthened slabs can, however, can be limited by the formation of a shear failure crack in the hogging region. To avoid the occurrence of this brittle failure mode, a new technique, designated Embedded Trough Section (ETS) was developed, and its effectiveness was appraised by testing two series of RC beams of different cross section. Finally, the most relevant conclusions extracted from the present study are presented, and further research developments are suggested.

Num programa experimental recentemente realizado sobre o reforço à flexão de faixas de laje contínuas de betão armado (BA) reforçadas segundo a técnica NSM (Near Surface Mounted, nomenclatura inglesa), o aumento da capacidade de carga e de redistribuição de momento foi inferior ao esperado. Este programa experimental foi analisado em profundidade nesta tese e foi concluído que existem configurações de reforço à flexão mais eficientes que podem ser utilizadas se laminados de fibra de carbono (CFRP) forem aplicados não só na região de apoio central (momento negativo), mas também na região de momentos positivos. Nesse sentido, um programa experimental e numérico foi levado a cabo, e verificou-se a possibilidade de aumentar a capacidade resistente em 25% e 50%, mantendo um nível de redistribuição de momentos relativamente elevada, quando se usam sistemas de reforço NSM adequados. Para avaliar a capacidade de previsão um software baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF), os resultados experimentais foram simulados considerando os aspectos mais relevantes do comportamento não-linear dos materiais intervenientes. Após a conclusão deste estudo sobre a capacidade de simulação do comportamento deste tipo de estruturas com este modelo, foi realizado um estudo paramétrico para investigar a influência da disposição do reforço e da percentagem de CFRP na capacidade de carga e capacidade de redistribuição de momento em faixas de laje contínuas reforçadas segundo a técnica NSM. Além disso, um modelo analítico foi desenvolvido para prever a relação força-flecha deste tipo de estruturas até o seu colapso e o seu desempenho foi avaliado usando os dados obtidos no programa experimental. Este modelo é baseado no método de flexibilidade e pressupõe o conhecimento da rigidez à flexão das secções transversais representativas da estrutura, a qual pode ser determinada a partir da relação momento-curvatura destas secções. O aumento da capacidade de carga pode, no entanto, ser comprometido pela formação de fendas de corte junto aos apoios centrais dos elementos estruturais reforçados. Para evitar a ocorrência deste tipo de rotura frágil, uma nova técnica de reforço, designada por Embedded Trough Section (ETS, na nomenclatura inglesa) foi desenvolvida, e a sua eficácia foi avaliada por meio de ensaios de duas séries de vigas com diferentes seções transversais. Finalmente, as principais conclusões extraídas da investigação desenvolvida ao longo deste trabalho são apresentadas, e desenvolvimentos futuros são sugeridos.