Integrated modelling strategy for FRP-based confinement imposed to RC columns: from undamaged to post-fire damage

Abstract

The determination of fiber-reinforced polymer (FRP) retrofit strategy-induced improvements in seismic performance of reinforced concrete (RC) elements is an up-to-date concern, particularly if post-fire (pre-damaged) RC elements with an FRP partial confinement configuration are to be considered. Post-fire assessment revealed that, depending on the fire intensity imposed on these structural elements, substantial material deteriorations occur during fire exposure resulting in detrimental effects on the performance of RC structures at their serviceability and ultimate limit state conditions. Considering the relatively high cost of demolition and reconstruction alternatives, the usage of a post-fire strengthening solution for assuring the required performance and strength capacity level of a fire-damaged concrete structure can be justified. The present work intends to contribute to the increase of knowledge on FRP confinement-induced improvements in terms of the axial and dilation responses of fully/partially FRP-confined heated/unheated circular/non-circular concrete/RC columns. To evaluate the effectiveness of FRP full/partial confinement arrangement on axial and dilation behavior of non-seismically designed and detailed RC columns with pre-existing thermal-induced damages, the application of confinement models is of significant interest. For this purpose, a series of analysis- and design-oriented models (AOM and DOM) is proposed for simulating the substantial influences of partially-imposed confinement, cross-section shape, size effect, FRP/steel dual confinement, and pre-existing thermal damages, on the column’ performance during axial compressive loading. For achieving the highest level of predictive performance through non-linear regression technique, large databases were collected from existing experimental studies available in the literature, which were used to reliably calibrate key components of these models. This information was also used to demonstrate the high predictive capacity of the developed models, as well as their better performance compared to existing models.

A determinação dos benefícios proporcionados pela utilização de materiais de matriz polimérica reforçados com fibras (FRP) no reforço sísmico de estruturas de betão armado (BA) é um tema atual, principalmente se estas tiverem sido sujeitas a ação de fogo. A inspeção de estruturas de betão que foram sujeitas a incêndio revelam que, dependendo da intensidade e tempo de atuação da temperatura, o betão apresenta danos significativos em termos da sua rigidez e resistência. Tal afeta negativamente o funcionamento dessas estruturas, quer para estados limite de serviço como últimos. Considerando os elevados custos económicos e ambientais da demolição e reconstrução de edifícios em BA nestas condições, a opção por soluções de reabilitação e reforço devem ser perseguidas. O presente trabalho pretende contribuir para aumentar o conhecimento sobre os benefícios proporcionados pelo confinamento de pilares de BA com FRP, principalmente quando estes tenham sido submetidos a temperaturas representativas da ação de fogo. Para tal foram desenvolvidos modelos analíticos capazes de simular, de forma integrada e unificadora, o comportamento de pilares de betão de seção circular, quadrada ou retangular, com arranjos de confinamento em FRP contínuo ou discreto, tendo o betão sido, ou não, afetado por temperaturas elevadas. Foram desenvolvidos fundamentalmente duas classes de modelos: modelos orientados para a análise, e modelos orientados para o projeto. Os modelos foram desenvolvidos com base numa profunda análise e interpretação do comportamento registado em resultados experimentais, possíveis de ser acedidos por publicações do domínio público. Essa interpretação inclui a interação entre a deformação multidimensional do betão e a pressão de confinamento do FRP, dependente de diversos parâmetros materiais e geométricos de ambos os materiais e da escala do próprio elemento a confinar. Assim, os modelos tiveram em conta a classe de resistência do betão, a rigidez do FRP, o seu arranjo geométrico, a secção tipo do pilar a confinar, a presença de cintas metálicas, dano por ação de temperatura elevadas, etc. Os parâmetros destes modelos foram calibrados por intermédio de resultados experimentais coletados numa base de dados com toda a informação possível de encontrar nesta área do domínio público. Esta informação foi também utilizada para demonstrar e elevada capacidade preditiva dos modelos desenvolvidos, bem como o seu melhor desempenho em comparação com os modelos existentes.