Fire behaviour of concrete structures reinforced with  GFRP bars

Inês Cruz Mina Rosa

Informações chave

Autores:

Inês Cruz Mina Rosa (Inês Cruz Mina Rosa)

Orientadores:

João Pedro Lage da Costa Firmo (João Pedro Lage da Costa Firmo), João Pedro Ramôa Ribeiro Correia (João Pedro Ramôa Ribeiro Correia), Mário Rui Tiago Arruda (Mário Rui Tiago Arruda)

Publicado em

22/06/2022

Resumo

A utilização de varões de polímero reforçado com fibras de vidro (GFRP) em estruturas de betão armado (BA) tem vindo a aumentar, sobretudo em ambientes agressivos. Nestas aplicações, a resistência ao fogo não é tipicamente um requisito de desempenho. Por outro lado, a adoção de varões de GFRP em edifícios ainda é pouco comum e isso deve-se, sobretudo, às preocupações e à falta de informação e recomendações de dimensionamento relativas à segurança em situação de incêndio. Contudo, e apesar da relevância do tema, a literatura ainda carece de estudos aprofundados sobre os efeitos que a degradação das propriedades mecânicas e da aderência dos varões de GFRP ao betão com a temperatura têm na resistência ao fogo de elementos estruturais de BA que incorporam este tipo de armadura. Esta tese teve como principal objetivo aprofundar o conhecimento neste tema, investigando com detalhe o comportamento ao fogo de estruturas de BA incorporando armaduras em GFRP. O estudo foi efetuado em três vertentes complementares, incluindo: (i) uma extensa campanha experimental realizada a diferentes escalas de análise, incluindo a caracterização das propriedades mecânicas dos varões numa ampla gama de temperaturas, o seu comportamento de aderência ao betão a temperatura elevada, e a resistência ao fogo de lajes de BA; (ii) a modelação numérica da aderência betão-GFRP a temperatura elevada e do comportamento ao fogo de lajes; e (iii) a elaboração de recomendações de dimensionamento ao fogo. Foram testados diferentes tipos de varões de GFRP, apresentando diferentes acabamentos superficiais (revestidos a areia e com diferentes tipos de nervuras), diâmetros e geometrias (retos e dobrados a 90º). Numa primeira fase, foi estudado o comportamento à tração e a aderência ao betão dos varões de GFRP a temperaturas elevadas. Para o efeito, realizaram-se ensaios de tração em regime estacionário para determinar a resistência e o módulo de elasticidade em tração dos varões a temperaturas até 715 ºC e, em seguida, ensaios de arrancamento de varões de GFRP, embebidos em cilindros de betão, a temperaturas até 300 ºC. Os resultados experimentais obtidos foram por sua vez utilizados para calibrar numericamente leis locais de aderência que definem a interação GFRP-betão a temperaturas elevadas. As leis foram implementadas em modelos de elementos finitos tridimensionais (3D), devidamente validados com base nos resultados dos ensaios de arrancamento, com o objetivo de efetuar estudos paramétricos – estes permitiram propor comprimentos de ancoragem, em função da temperatura, para varões de GFRP retos e dobrados a 90º, perspetivando a sua utilização em vigas e lajes de betão armado. Uma das principais contribuições da tese foi o desenvolvimento de um estudo aprofundado sobre o desempenho ao fogo de lajes de betão armadas com varões de GFRP. Numa primeira fase, foram realizados ensaios de resistência ao fogo em faixas de laje sujeitas simultaneamente a um carregamento de serviço e expostas à curva de incêndio padrão da norma ISO 834. Foram testadas um total de 21 faixas de laje com diferentes materiais e esquemas de pormenorização de armaduras, com o objetivo de avaliar a influência dos seguintes parâmetros no seu comportamento ao fogo: (i) espessura de recobrimento; (ii) presença de emendas, diretamente expostas ao fogo, com extremidades retas ou dobradas a 90º e diferentes comprimentos de sobreposição; (iii) presença de zonas de ancoragem “frias”; (iv) tipo de varão de GFRP (i.e., com diferentes acabamentos superficiais e diâmetros); e (v) resistência do betão. Numa segunda fase, foram desenvolvidos modelos de elementos finitos 3D para simular o comportamento termomecânico das faixas de laje e avaliar em detalhe o desempenho ao fogo de elementos estruturais de BA com armaduras em GFRP, com particular incidência nas zonas de emendas e ancoragem. As propriedades termofísicas e mecânicas dos varões e do betão, dependentes da temperatura, foram implementadas nos modelos e a interação GFRP-betão foi modelada através das leis locais de aderência que foram calibradas, de forma independente, para diferentes temperaturas. Com base nos resultados experimentais e numéricos obtidos, foram propostas recomendações de dimensionamento ao fogo, incluindo (i) temperaturas críticas, e (ii) o posicionamento, geometria e comprimento dos varões em zonas de extremidade e de emenda. A investigação desenvolvida no âmbito desta tese mostrou que, apesar da grande vulnerabilidade dos varões de GFRP a temperaturas elevadas, as lajes de betão incorporando este tipo de armaduras podem atingir resistências ao fogo superiores a 3 horas com espessuras de recobrimento consideravelmente inferiores àquelas atualmente recomendadas em guias de dimensionamento, desde que os varões sejam ancorados em zonas frias da estrutura. Se este requisito for cumprido, a rotura é determinada pela resistência à tração dos varões a temperaturas muito elevadas, consideravelmente superiores à sua temperatura de transição vítrea (Tg). Para além disso, mostrou-se que a degradação severa e progressiva da aderência entre os varões de GFRP e o betão com a temperatura deve ser considerada no dimensionamento das emendas e zonas “frias” de ancoragem, como forma de prevenir roturas prematuras por perda de aderência quando a temperatura dos varões excede a Tg. Neste contexto, a adoção de varões dobrados mostrou-se benéfica para diminuir o comprimento de ancoragem em zonas “frias”, assim como para melhorar significativamente o comportamento de aderência em zonas de emenda. Deste modo, os resultados obtidos neste estudo podem contribuir para melhorar as recomendações de dimensionamento ao fogo para estruturas de BA com armaduras em FRP, que, atualmente, fornecem recomendações insuficientes e excessivamente conservativas no que se refere à segurança em situação de incêndio – em última análise, as conclusões deste estudo irão também promover o uso mais seguro, sustentável e económico de varões de FRP em aplicações de Engenharia Civil. The use of glass fibre reinforced polymer (GFRP) bars is becoming increasingly considered for reinforced concrete (RC) structures exposed to relatively harsh environments, where fire is not typically a primary design requirement. On the other hand, the adoption of GFRP reinforcement in buildings is still not common and this is mainly due to concerns and lack of information and guidance regarding fire design. However, and despite the relevance of the subject, few studies have comprehensively investigated the consequences of the severe degradation with temperature of the bars’ mechanical properties and bond to concrete on the fire endurance of GFRP-RC structural members. This thesis aimed at enhancing the knowledge about the aforementioned subjects, by presenting a comprehensive study about the fire behaviour of RC structures comprising GFRP bars. The research was conducted into three complementary strands, comprising: (i) an extensive experimental campaign performed at different scales of analysis, including the characterization of the bars’ mechanical properties over a wide range of temperatures, their bond behaviour with concrete at elevated temperatures, and the fire resistance of GFRP-RC slabs; (ii) the numerical modelling of the GFRP-concrete bond and the fire behaviour of the GFRP-RC slabs; and (iii) the drafting of fire design recommendations. Different types of GFRP reinforcement were tested, presenting different surface finishes (sand coated and different types of rib profiles), diameters and geometries (straight and 90º bent bars). The first stage of the study comprised investigations about the tensile properties and bond behaviour of the GFRP bars at elevated temperatures. First, steady-state tensile tests were performed to determine the bars’ tensile modulus and strength up to 715 ºC. Next, pull-out tests between GFRP bars and concrete were conducted at temperatures up to 300 ºC. Local bond laws describing the GFRP-concrete interaction at elevated temperatures were then numerically calibrated using the experimental data. These laws were later implemented in three dimensional (3D) finite element (FE) models, duly validated with the results of the bond tests, in order to perform parametric studies that allowed proposing design oriented anchorage lengths for straight and 90º bent GFRP bars as a function of temperature, envisaging their use in RC beams and slabs. One of the main contributions of the thesis was the development of an in-depth study about the fire performance of GFRP-RC slabs. In a first stage, fire resistance tests were performed in loaded GFRPRC slab strips subjected to the ISO 834 standard fire curve. A total of 21 slab strips comprising different materials and detailing configurations were tested to evaluate the influence of the following parameters on their fire behaviour: (i) concrete cover thickness; (ii) presence of straight- or 90º bent tension lap splices directly exposed to fire with different overlap lengths; (iii) presence of “cold” anchorage zones; iv) type of GFRP bars (i.e., with different surface finishes and diameters), and (v) concrete strength. In a second stage, 3D FE models were developed to simulate the thermomechanical fire behaviour of the GFRP-RC slab strips and to assess in further detail the fire behaviour of GFRP-RC flexural members, particularly with respect to lap splices and anchorage zones. The temperature-dependent thermophysical and mechanical properties of the bars and concrete were implemented in the models, and the GFRPconcrete interaction was modelled through the local bond laws (independently) calibrated for different temperatures.