Time-dependent behaviour and durability of RC slabs strengthened with NSM CFRP strips

Abstract

The rehabilitation of existing reinforced concrete (RC) structures has been recognized as a great challenge in the field of Civil Engineering construction sector. The use of strengthening techniques with fibre reinforced polymer (FRP) materials is considered a promising option. Over the last decade, many research works were dedicated to fully understand the possibilities of the strengthening technique that consists on inserting FRP bars or rods into pre-cut grooves opened in the concrete cover of the element to be strengthened. This technique is named by NSM (Near Surface Mounted technique), being the FRP reinforcing material typically bonded to the concrete substrate with an epoxy adhesive. The research carried out until now has been mainly focused on flexural and shear strengthening, and on the bond behaviour. Nevertheless, critical aspects such as durability and time-dependent behaviour requires important and significant studies in order to fully understand behaviour of this technique. The present PhD thesis intends to contribute for the knowledge on the durability and timedependent behaviour of RC slabs strengthened with CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymer) strips according to NSM technique. Thereby, the main objectives outlined were the following: (i) performing experimental tests to study the durability and the time-dependent behaviour of RC slabs strengthened with NSM CFRP systems, as well as, the intervening materials, under different environmental conditions; and, (ii) applying analytical and numerical models to predict the structural and time-dependent behaviour of RC slabs strengthened with NSM CFRP systems. The experimental programmes included RC slabs strengthened with NSM CFRP systems and samples of materials (concrete, epoxy adhesive and CFRP strip). The RC slabs and the samples were submitted to accelerated ageing tests, to identify eventual mechanisms of degradation provided by chemical, physical and environmental degradation factors. Thus, different environmental conditions (immersion in water, immersion in water with chlorides, wet-dry cycles with water with chlorides, thermal cycles, freeze-thaw cycles, exterior tempered environment and maritime environment) and loading (sustained and cyclic fatigue loading) were studied. The eventual synergies between environmental and viscoelastic effects were also evaluated. During the development of this work, elevated service temperatures (up to 80 °C) were also identified as a critical aspect on the global structural response of the NSM CFRP systems. Therefore, an additional experimental programme was performed in order to analyse this aspect. With the purpose of collecting significant data on the durability and time-dependent tests, the period of exposure to the environmental conditions studied lasted between a four and twenty-four months. At the end, all specimens were tested up to the failure (by means of monotonic quasi-static tests). The mechanical behaviour of concrete and CFRP strips was marginally affected, in contrast to the significant changes observed in the epoxy adhesive. The results obtained in the tests of the strengthened RC slabs have shown a marginal variation on their ultimate response due to the action of the environmental conditions studied, as well as, due to the fatigue action. The slabs submitted to the elevated temperatures were the ones in which major changes in the global response were observed. In the creep tests of slabs, the deformation throughout the time revealed to be mostly dependent on the creep of the concrete. Based on the results obtained in experimental tests, analytical modelling of creep of epoxy adhesive and creep of slabs was carried out using existing models in the literature. Therefore, an analytical-numerical tool was proposed to evaluate the creep of epoxy adhesive since early ages using the Generalized Kelvin Model, showing satisfactory results. The analytical prediction of the time-dependent behaviour of slabs was based on the age-adjusted effective modulus method, revealing good predictive results when applied to this type of structures. With the purpose of better understanding the results observed in time-dependent and failure tests of slabs, several numerical models based on element finite method (FEM) were also developed. In general, the used existing tools allowed to simulate with enough accuracy the experimental responses.

A reabilitação de estruturas existentes em geral, e de betão armado (BA), em particular, tem-se revelado como sendo um grande desafio em várias vertentes relevantes da Engenharia Civil. No contexto específico da reabilitação estrutural, o recurso a técnicas de reforço baseadas no uso de polímeros reforçados com fibras (FRP) tem revelado um caráter bastante promissor. Na última década, foi efetuada uma quantidade significativa de trabalhos de investigação dedicados à exploração das potencialidades da técnica de reforço que recorre à aplicação de laminados ou varões de FRP em ranhuras pré-executadas na camada do betão de recobrimento do elemento a reforçar. Esta técnica de reforço é correntemente designada por NSM (Near Surface Mounted strengthening technique), sendo que os reforços em FRP são normalmente colados ao betão através de um adesivo de origem epoxídica. A investigação até agora desenvolvida neste contexto, tem incidido, fundamentalmente, no reforço à flexão e corte, e no estudo da aderência. Contudo, aspetos críticos como a durabilidade e o comportamento diferido necessitam de importantes e significativos estudos dedicados, de modo a compreender a resposta destes sistemas. A presente tese de Doutoramento pretende contribuir para o conhecimento da durabilidade e do comportamento diferido de lajes de BA reforçadas com laminados de CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymer) de acordo com a técnica NSM (sistemas NSM CFRP). Para o efeito, foram definidos os dois seguintes principais objetivos: (i) realização de ensaios experimentais para estudar a durabilidade e o comportamento diferido de lajes de BA reforçadas com sistemas NSM CFRP, bem como dos materiais intervenientes, sob o efeito de diferentes condições ambientais; (ii) aplicar modelos analíticos e numéricos para prever a resposta estrutural e comportamento diferido de lajes de BA reforçadas com sistemas NSM CFRP. O extenso programa experimental incluiu faixas de lajes de BA reforçadas com sistemas NSM CFRP e provetes dos materiais constituintes (betão, adesivo epoxídico e CFRP). As faixas de lajes e provetes foram submetidos a ensaios de envelhecimento acelerado, de modo a identificar os eventuais mecanismos de degradação proporcionados por fatores de degradação de origem química, física e ambiental. Para o efeito foram consideradas diferentes condições ambientais (imersão em água, imersão em água com cloretos, ciclos de molhagem e secagem com água com cloretos, ciclos térmicos, ciclos gelo-degelo, ambiente exterior temperado/quente, ambiente marítimo) e de carregamento (carregamento prolongado e carregamento cíclico de fadiga). A eventual sinergia entre os efeitos ambientais e efeitos viscoelásticos (fluência) foi também avaliada. Durante o desenvolvimento deste trabalho, verificou-se que as temperaturas de serviço elevadas (na ordem dos 80 ºC) podem ser determinantes na resposta de sistemas NSM CFRP. Com vista a analisar esta questão, efetuouse um programa de experimental adicional específico para o efeito. Tendo em vista reunir o máximo de informação e resultados significativos nos ensaios de durabilidade e comportamento diferido, o período de exposição nas condições ambientais estudadas variou entre quatro e vinte e quatro meses. No final de cada período, todos os provetes foram ensaiados até à rotura. O betão e o laminado de CFRP teve o seu comportamento mecânico praticamente inalterado, ao contrário das significativas alterações observadas no adesivo epóxi. Na análise dos resultados obtidos nos ensaios quase estáticos das faixas de lajes reforçadas concluiu-se que a capacidade última destas praticamente não foi afetada pelos ambientes estudados, assim como, no caso dos ensaios quase estáticos pós-fadiga. As faixas de lajes ensaiadas sob temperaturas elevadas, foram aquelas em que se detetaram mais alterações do seu comportamento global. Nos ensaios de comportamento diferido das faixas de laje BA reforçadas com o sistema NSM CFRP, a deformação ao longo do tempo revelou ser maioritariamente dependente da fluência do betão. Com base nos resultados obtidos nos ensaios experimentais, foram desenvolvidas modelações analíticas do comportamento diferido do adesivo epoxídico e das lajes recorrendo a modelos existentes. No estudo da fluência do adesivo, foi proposta uma ferramenta analíticonumérica para avaliar esta desde as primeiras idades através do modelo generalizado de Kelvin, revelando resultados bastante satisfatórios. A previsão analítica do comportamento diferido das lajes reforçadas foi realizada com base no método do módulo efetivo ajustado, mostrando bons resultados quando aplicado a este tipo de estruturas. Foram também desenvolvidas simulações numéricas com recurso a ferramentas existentes baseadas no método de elementos finitos com o intuito de ajudar a interpretar os resultados observados nos ensaios de carregamento diferido e de rotura das lajes. De uma forma geral, as ferramentas existentes permitiram similar as respostas experimentais com rigor considerado adequado.