Structural response and cracking behaviour of fibre reinforced concrete beams with hybrid flexural reinforcement

Abstract

In the present research, the structural response of concrete beams with an innovative hybrid flexural reinforcing (HFR) scheme is studied. The adopted HFR comprises an effective reinforcement solution in terms of durability, where noncorrodible fibre reinforced polymer (FRP) bars of significant tensile strength are positioned at near the outer surface of the tensile zone of the cross-section, while ductile steel bars located at an inner level with thicker concrete cover. Additionally, the reinforcing contribution of distinct fibres diffused in fibre reinforced concrete (FRC) is mobilised to suppress the necessity of using steel stirrups and to reduce the percentage of conventional flexural reinforcement. The research includes experimental programs for assessing the post-cracking response of three series of steel fibre reinforced self-compacting concrete (SFRSCC) of different concrete strength class and volume fraction of fibres. This post-cracking behaviour is assessed in term of stress-crack width response, which is evaluated according to the recommendations of fib Model Code 2010 and from inverse analysis, both considering the results obtained in three-point notched beam bending tests and material nonlinear analysis with a finite element method. In the structural level, the flexural capacity and cracking behaviour of SFRSCC beams with HFR scheme were evaluated in the four-point bending test. Additionally, the potentiality of the HFR scheme is evaluated by developing two closed-form models. The first one is developed based on the smeared crack approach, being capable of determining the moment-curvature response of a rectangular crosssection made of FRC with HFR scheme (HFR/FRC), where perfect bond is assumed between reinforcements and surrounding concrete. The second model includes an integrated approach developed for the prediction of crack width and crack spacing HFR/FRC beams supported by the discrete crack approach. This model is capable to take into consideration the post-cracking response of FRC in terms of stress-crack opening relationship and to mobilise the shear bond-sliding characteristics of steel- and FRP-toconcrete interaction. Predictive performance of the developed models is evaluated by the test results of present research and the ones represented in literature.

No presente trabalho é investigada a resposta estrutural de vigas de betão reforçadas com um inovador sistema híbrido (HFR). Este sistema híbrido é composto por varões de polímero reforçado com fibras (FRP) e varões de aço, os quais podem ser aplicados sem ou com pré-tensão, de forma a ser maximizada a durabilidade dos elementos estruturais reforçados com este sistema, com comportamento dúctil em rotura. Os varões de FRP, apesar de terem comportamento linear-elástico com rotura frágil, são imunes a fenómenos de corrosão e têm elevada resistência à tração, pelo que são colocados próximo da extremidade mais tracionada da viga. Por seu lado, devido à sua suscetibilidade a fenómenos de corrosão, as armaduras de aço dispostas com maior recobrimento, mas o seu comportamento elasto-plástico assegura a ductilidade necessária aos elementos estruturais reforçados com este sistema híbrido. Tendo em conta que os estribos em aço são os reforços mais suscetíveis a fenómenos de corrosão, pois encontram mais próximos da superfície externa das vigas, são no presente trabalho substituídos por fibras discretas, através da utilização de betão reforçado com fibras (FRC). As fibras podem ainda reduzir a percentagem de armadura de flexão, bem como melhorar a aderência destas ao betão. A investigação realizada inclui um programa experimental para determinar a lei constitutiva de modo I de fratura dos betões autocompactáveis reforçados com fibras de aço (SFRSCC) desenvolvidos, de diferente classe de resistência e com diferentes percentagens de fibras. Essa lei foi determinada quer recorrendo às recomendações do fib Model Code 2010, como por análise inversa, ambas considerando os resultados obtidos em ensaios de flexão sob três pontos de carga em vigas de SFRSCC com entalhe a meio vão. A investigação experimental inclui ainda um programa de ensaios com vigas esbeltas de SFRSCC sob quatro pontos de carga, de forma a analisar o seu comportamento em serviço (abertura e espaçamento de fissuras; flecha) e em estado último (capacidade de carga e modo de rotura). Para simular o comportamento em serviço e para estados limites últimos, foram desenvolvidos dois modelos analíticos. O primeiro permite determinar a relação momento-curvatura de elementos de FRC com reforço híbrido de flexão, admitindo-se perfeita aderência entre os reforços e o betão envolvente. O segundo modelo estende as potencialidade do anterior, através da simulação do deslizamento entre armaduras e betão envolvente, pelo que é capaz de estimar a abertura e espaçamento entre fissuras. A boa capacidade preditiva destes modelos é demonstrada através da comparação dos resultados previstos pelos modelos e os registados, quer nos ensaios experimentais realizados, como em resultados experimentais obtidos por outros investigadores.