Strengthening of concrete structures with near-surface mounted CFRP laminate strips

Abstract

In recent years, the near-surface mounted (NSM) strengthening technique has been used to increase the load carrying capacity of concrete structures. This technique consists in the insertion of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) laminate strips into pre cut slits opened in the concrete cover of the elements to be strengthened. The laminates are fixed to concrete with an epoxy adhesive. This technique, in some cases, presents substantial advantages with respect to externally bonded laminates. The present work intends to contribute to a better knowledge of the behavior of concrete structures strengthened with NSM CFRP laminate strips. The study carried out is composed of an experimental, an analytical and a numerical part.

The experimental research was developed at the Laboratory of the Structural Division of the Civil Engineering Department of the University of Minho, Portugal, and at the Structural Technology Laboratory of the Technical University of Catalonia, Spain. The main objective of the experimental work was to assess the bond behavior between the CFRP and concrete. With this purpose, pullout bending tests were carried out. The influence of bond length, concrete strength and load history on the bond behavior was investigated.

Using the results of the pullout bending tests and a numerical strategy, an analytical local bond stress slip relationship was obtained. The numerical strategy was developed with the aim of solving the second order differential equation that governs the slip phenomenon. This numerical strategy was also used to calculate the critical anchorage length for this type of reinforcement.

Numerical tools were developed for the simulation of the nonlinear behavior of concrete structures strengthened with NSM CFRP laminate strips. These tools were implemented in a computer code named FEMIX, which is a general purpose finite element software system. In the context of this work, the following capabilities were added: an elasto plastic multi-fixed smeared crack model to simulate concrete, interface elements and a constitutive material model for the simulation of the nonlinear behavior of the interface between CFRP and concrete.

Nos últimos anos, a técnica baseada na inserção de laminados no betão de recobrimento tem sido utilizada no reforço de estruturas de betão. Esta técnica consiste na introdução de laminados de CFRP (compósitos reforçados com fibras de carbono) em ranhuras pré-executadas nos elementos a reforçar. Os laminados são fixos ao betão por intermédio de um adesivo epoxy. Esta técnica, em alguns casos, apresenta vantagens substanciais comparativamente com a técnica que recorre à colagem externa dos laminados de CFRP. O presente trabalho pretende dar um contributo para a compressão do comportamento de estruturas de betão reforças com laminados de CFRP inseridos no betão de recobrimento. O trabalho realizado é composto por uma parte experimental, uma parte analítica e uma parte numérica.O programa experimental foi realizado no Laboratório de Estruturas da Universidade do Minho, Portugal, e no Laboratório Estrutural da Universidade Politécnica de Catalunha, Espanha. O principal objectivo do trabalho experimental foi procurar compreender o comportamento da ligação entre o laminado e o betão. Com este propósito foram efectuados ensaios de arrancamento em flexão. Foi investigada a influência do comprimento de aderência, da classe de resistência do betão e da historia do carregamento no comportamento da ligação. A partir dos resultados experimentais e da implementação de uma estratégia numérica, obteve-se uma lei analítica local tensão de corte versus deslizamento. A estratégia numérica foi desenvolvida com o objectivo de resolver a equação diferencial de segunda ordem que rege o fenómeno do deslizamento. Esta estratégia numérica foi também utilizada na determinação do comprimento de ancoragem crítico associado à técnica de reforço em estudo. Foram desenvolvidas ferramentas numéricas para simular estruturas de betão reforçadas com laminados de CFRP inseridos no betão de recobrimento. Estas ferramentas foram implementadas no software de elementos finitos designado FEMIX. No contexto do presente trabalho, foram acrescentadas ao código computacional as seguintes funcionalidades: um modelo elasto-plástico que inclui a possibilidade de ocorrência de múltiplas fendas fixas distribuídas, para simular o betão, elementos de interface e uma lei material para simular o comportamento não linear da interface entre o CFRP e o betão.