Sandwich structural panels comprising thin-walled SFRSCC and GFRP connectors: from material features to structural behaviour

Abstract

An innovative sandwich structural panel composed of two outer Steel Fibre Reinforced Self-Compacting Concrete (SFRSCC) thin layers and a lightweight thermal insulating core material was developed for the walls of a pre-fabricated housing system. The stress transfer between the two SFRSCC layers was assured by Glass Fibre Reinforced Polymer (GFRP) connectors. SFRSCC was used to totally eliminate the need for conventional reinforcement and to decrease the thickness of the panel’s outer layers, with consequent reduction of the global self-weigh of the panels, while GFRP connectors aimed to significantly decrease thermal bridging effects. The mechanical behaviour of SFRSCC under compressive and tensile loads were assessed. An in-depth investigation in the material scale was carried out in order to assess the pos-cracking behaviour of SFRSCC. A new test method was proposed to determinate the post-cracking behaviour of thin-walled SFRSCC elements and the results obtained with the proposed test method were compared with the ones resulted from the standard three-point bending tests (3PBT). Specimens extracted from a sandwich panel consisting of SFRSCC layers were also tested. The mechanical properties of SFRSCC were correlated to the fibre distribution by analysing the results obtained with the different tests. Finally, the stress-crack width constitutive law proposed by the fib Model Code 2010 was analysed in light of the experimental results. Eleven types of Glass Fibre Reinforced Polymer (GFRP) laminates consisted of polyester resin and differing on the kind of fibre reinforcement and on fibre content were produced by Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM) and evaluated as material candidates for the production of connectors. All them were characterized under direct tensile tests. The shear behaviour of some of the GFRP candidates was investigated by means of the Iosipescu shear tests. Some GFRPs were also characterized under pin-bearing tests. Through linear static analyses and consideration of Ultimate Limit State loading scenarios, the sandwich panels were simulated using Finite Element Method (FEM). Parametric studies were performed in order to optimize the arrangement of the GFRP connectors and the thickness of the SFRSCC layers. Different arrangements of panels and production methods were explored. Moreover, models considering a specific nonlinear behaviour of SFRSCC were also constructed in order to simulate the progressive damage of the panel induced by cracking. In the scope of the nonlinear analyses, emphasis is given to parameter estimation of fracture modelling parameters for the fibre reinforced concrete based on both inverse analysis and the fib Model Code 2010. An innovative connector system that consists on a GFRP perforated plate that is embedded into SFRSCC layers was proposed. The connection is strongly based in the mechanical interlock assured by the dowels originated from the SFRSCC passing through the holes opened on the GFRP plates. Experimental research devoted to the assessment of the pull-out and push-out shear behaviour of GFRP-SFRSCC connections were performed with specimens representative of the developed sandwich panel. For a better understanding of the proposed connection, the effect of the type of GFRP, number of holes of connectors and of existance of SFRSCC in front of connectors were experimentally investigated. Analytical frameworks to evaluate the load capacities of the connections when loaded transversally and longitudinally (i.e., pull-out and push-out loads, respectivally) were developed based on experimental results. The feasibility of using the proposed connector was also determined trough an experimental work conducted with composite beam specimens using connectors made by two different types of GFRP laminates. In addition, the performed bending tests were simulated by using a computer program based on the FEM for assessing the stress field installed in the components that form the composite beam, in order to have a better knowledge on the stress redistribution between GFRP connector and surrounding SFRSCC that occurs during the loading process. Finally, an experimental program was conducted on the shear behaviour of the wall panels when subjected to in-plane loads, i.e., representative of the loading condition that the wall panels are subjected when seismic loads acts in the building. Full-scale panels (2.0 m by 2.0 m), with and without openings, were subjected to a constant vertical load representative of the slab reaction, while horizontal reversed cyclic loading was imposed to the panels. The seismic behaviour of panels were evaluated in terms of strength, stiffness, ductility and energy dissipation.

Neste trabalho é desenvolvido um painel estrutural inovador, do tipo sanduíche, constituído por duas camadas externas de Betão Auto-Compactável Reforçado com Fibras de Aço (BACRFA) de pequena espessura e uma espuma rígida, com elevada resistividade térmica, no seu núcleo. Os painéis foram projetados para serem aplicados como paredes portantes de um sistema pré-fabricado de casas modulares. No painel proposto, a transferência de tensões de corte entre as camadas de betão é garantida por connectores de material polimérico reforçado com fibras de vidro (PRFV). O BACRFA foi o material escolhido para as camadas de betão pensando-se em eliminar o uso de armaduras convencionais e assim possibilitar a execução de camadas de betão com espessuras reduzidas e, consequentemente, obter-se painéis com menor peso próprio total. O PRFV foi o material escolhido para os conectores de modo a se evitar pontes térmicas que poderiam levar a uma redução da eficiência energética do painel. Os comportamentos do BACRFA à compressão e tração foram determinados. Uma pesquisa ampla na escala do material foi realizada de modo que se fosse obtida uma melhor compreensão do comportamento à tração do BACRFA após a fissuração. Um novo método de ensaio para determinar o comportamento pós-fissuração do BACRFA foi proposto. O método proposto é bastante apropriado para a caracterização do material utilizado em elementos de pequena espessura, como é o caso do painel proposto nesta tese, pois permite determinar as propriedades do BACRFA fazendo-se uso de provetes com geometria semelhante a do elemento estrutural. Também foram realizados testes convencionais de caracterização através de vigota com entalhe, de onde as leis constitutivas tensão  abertura de fissura foram determinadas através de análises inversas. Provetes extraídos de painéis sanduíche foram ensaiados seguindo o método de caracterização proposto. Os resultados dos ensaios de caracterização do BACRFA obtidos com as diferentes metodologias empregadas foram comparados e correlacionados com a distribuição das fibras nos elementos. Finalmente, a lei constitutiva do tipo tensão  abertura de fissura proposta pelo fib Model Code 2010 foi comparada com os resultados experimentais. Foram estudados onze tipos de laminados de PRFV constituídos de matriz de resina poliéster e diferentes tipos de reforços de fibra de vidro, diferindo na disposição e quantidade de fibras. Todos eles foram produzidos por moldagem por transferência de resina sob vácuo e foram caracterizados através de testes de tração direta. Alguns laminados foram caracterizados ao corte ao longo de diferentes direções. Ensaios do tipo "pin-bearing" também foram realizados com alguns dos laminados. Correlação Digital de Imagem foi utilizada para obter os campos de deformação nos ensaios de corte e nos ensaios do tipo "pin-bearing", apliando-se a compreensão do comportamento dos laminados. Simulações numéricas do comportamento mecânico dos painéis sanduíche foram realizadas fazendo-se uso de um pacote computacional baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF). Fazendo-se uso de modelos numéricos lineares dos painéis sujeitos a combinações de carga relativas aos Estados Limites Últimos, foram realizados estudos paramétricos com o intuito de se otimizar o arranjo dos conectores e as espessuras das camadas de betão. Análises numéricas não-lineares também foram realizadas para simular o dano progressivo dos painéis induzidos pela fissuração das camadas de BACRFA com o aumento das ações laterais. No escopo das análises não-lineares, é dado ênfase para a estimativa dos parâmetros de fratura baseada em análises inversas e recomendações do fib Model Code 2010. Um conector de PRFV inovador chamado PERFOFRP foi proposto. De forma simplificada, o conector consiste em um laminado de PRFV com furos. A conexão é realizada através do intertravamento mecânico assegurado pelos pinos de betão que se formam devido à penetração do BACRFA durante o processo de betonagem dos painéis. O comportamento ao corte dos conectores PERFOFRP foram estudados através de ensaios de arrancamanto e de corte longitudinal com provetes representativos das conexões nos painéis sanduíche. Para se ter uma melhor compreensão do PERFOFRP, os testes investigaram os efeitos do tipo de laminado de PRFV, do número de furos e da resistência frontal no compotamento mecânico das conexões. Um estudo preliminar da viabilidade de utilização dos conectores foi realizado com vigas sandwich produzidas com dois tipos de laminados de PRFV. Complementarmente, os testes de flexão foram simulados numericamente fazendo-se uso de um pacote computacional baseado no MEF, de onde foi possível obter-se uma melhor compreensão do comportamento das conexões. Finalmente, um programa experimental foi realizado com painéis submetidos a cargas no plano, representativas da condição de carregamento que as paredes estão sujeitas quando cargas sísmicas agem na edificação. Painéis com 2.0 m de altura e 2.0 m de largura, com e sem abertura, foram submetidos a um carregamento vertical constante para simular a reação de apoio das lajes, enquanto forças horizontais cíclicas foram impostas aos painéis. Os desempenhos dos painéis frente aos carregamentos cíclicos foram determinados determinando-se suas resistências, rigidezes, ductilidades e capacidades de dissipação de energia.