Innovative methodologies for the enhancement of the flexural strengthening performance of NSM CFRP technique for RC beams

Abstract

Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) materials have been extensively adopted for the flexural and shear strengthening of RC structures due to their several advantages, like a low mass density, a high strength and stiffness to weight ratios, excellent fatigue behavior, non-susceptible to corrosion, and high durability in typical environment conditions of civil engineering constructions. These CFRP composite materials can be applied to RC structures to be strengthened by using either externally bonded reinforcing (EBR) or near surface mounted (NSM) techniques. The main purpose of the current study is to experimentally evaluate the efficiency of two flexural strengthening methodologies using the NSM CFRP technique for the enhancement not only the load carrying capacity at concrete cracking and steel yielding initiations, serviceability limit state, and ultimate condition, but also the ultimate deflection capacity when compared to the use of non-prestressed NSM CFRP technique. The investigated strengthening methodologies include NSM prestressing and NSM hybrid techniques. In the NSM prestressing technique, an appropriate prestress level is applied on the CFRP reinforcement, while the NSM hybrid technique combines nonprestressed and prestressed CFRP reinforcements in the same application. Moreover, the distribution of tensile strain and bond shear stress along the prestressed NSM CFRP reinforcement is experimentally evaluated after the release of prestress force. On the other hand, the experimental tests are simulated using a nonlinear finite element (FE) model, which considers the nonlinear behavior of the constituent materials, the behavior of CFRP-epoxy adhesive-concrete interfaces, and modeling the prestress process of the CFRP elements adopted in the experimental tests. Besides, simplified analytical approaches, with a design framework, are developed to predict the flexural behavior of RC beams flexurally strengthened with prestressed CFRP reinforcement applied according to either EBR or NSM techniques. Moreover, this study offers an analytical formulation based on a closed form solution for the prediction of the distribution of CFRP tensile strain and bond shear stress and, additionally, the prestress transfer length immediately after the release of the prestress force.

Materiais compósitos de matriz polimérica reforçados com fibras de carbono (CFRP) podem ser aplicados no reforço de estruturas de BA por intermédio de colagem exterior de sistemas prefabricados (laminados) ou curados in sito (manta ou tecido) na superfície dos elementos a reforçar (EBR -Externally Bonded Reinforcement) ou por utilização da técnica NSM (Near Surface Mounted). O principal objetivo do presente estudo é avaliar, experimentalmente, a eficiência de duas novas metodologias de reforço à flexão utilizando a técnica NSM com laminados de CFRP, em que numa das metodologias todos os laminados de são aplicados sob determinada pré-tensão, e na outra combinam-se laminados passivos (sem pré-tensão) com laminados pré-tensionados. Quando aplicadas a elementos de BA que desenvolvem rotura por flexão, estas novas técnicas pretendem aumentar a sua capacidade de carga para início da fendilhação do betão, estados limites último e de serviço, bem como melhorar a sua capacidade de deformação última, quando se toma por base de comparação os resultados possíveis de obter com a utilização da técnica NSM com laminados passivos de CFRP. Além disso, a distribuição da deformação por tração e da tensão de corte ao longo do laminado pré-tensionado é experimentalmente avaliada após a libertação da força de pré-esforço. Os ensaios experimentais foram simulados numericamente utilizando modelos constitutivos capazes de modelar o comportamento não-linear dos materiais constituintes, das interfaces CFRP-adesivo e adesivo-betão, bem como o processo de aplicação do préesforço nos laminados de CFRP e transferência deste para o betão do substrato das vigas a reforçado, em similitude com o realizado experimentalmente. Além disso, foram desenvolvidas formulações analíticas simplificadas, para prever o comportamento à flexão de vigas de BA reforçadas à flexão com laminados de CFRP pré-tensionados (e/ou passivos), os quais podem ser aplicados segundo as técnicas EBR ou NSM. A formulação analítica integrada permite prever a relação momento-curvatura de dada secção, e forçaflecha de vigas reforçadas segundo as técnicas de reforço desenvolvidas, bem como o campo de extensões e tensões de corte nas zonas críticas dos laminados de CFRP, e o comprimento de transmissão do pré-esforço, recorrendo-se para tal a metodologias aplicáveis no quadro do projeto de estruturas de BA.