Development of hybrid FRP composites for strengthening concrete columns through confinement

Filipe Jorge Teixeira Ribeiro

Key information

Authors:

Filipe Jorge Teixeira Ribeiro (Filipe Jorge Teixeira Ribeiro)

Supervisors:

Fernando José Forte Garrido Branco; José Manuel de Sena Cruz; Eduardo Nuno Brito Santos Júlio (Eduardo Nuno Brito Santos Júlio)

Published in

04/23/2019

Abstract

O betão em compressão expande lateralmente o que conduz à sua fendilhação. O confinamento atrasa o processo de fissuração e previne que o betão se desagregue, o que leva a que seja possível atingir maiores valores de resistência à compressão e extensões axial e lateral. Embora o desempenho do betão confinado através de sistemas de polímeros reforçados com fibras (FRP – fiber reinforced polymer) seja um tema já estudado, apresenta ainda duas desvantagens relevantes. Em primeiro lugar, o betão confinado com um sistema de FRP, quando submetido a esforços de compressão uniaxial, colapsa abruptamente, sendo a rotura condicionada pelo sistema de FRP. Em segundo lugar, os sistemas de confinamento materializados com FRP tradicionais apresentam uma extensão de rotura menor do que aquela que é obtida em ensaios de tração uniaxial, revelando uma redução de eficiência. O presente trabalho teve como principal objetivo e motivação estudar a possibilidade de melhorar o desempenho do betão confinado recorrendo aos sistemas de FRP referidos. Neste sentido, desenvolveu-se um sistema de FRP híbrido inovador, no qual se combinam, na mesma matriz polimérica, dois materiais de reforço, sintéticos (carbono e vidro) ou naturais (basalto). Este tipo de solução revela-se bastante interessante, na medida em que promove sinergias entre os materiais constituintes, conduzindo, por exemplo, a: (i) comportamentos em tração pseudodúcteis, que se caracterizam pela fragmentação do material com menor extensão última e pela delaminação dispersa entre os fragmentos do material de menor extensão última e o material de maior extensão última; e (ii) um aumento da extensão última aparente do material de menor extensão última (até 50%), sendo este aumento conhecido por ‘efeito híbrido’. Numa primeira fase do trabalho, deu-se ênfase ao desenvolvimento, ao nível material, dos sistemas FRP híbridos. Na produção destes sistemas, recorreu-se a mantas secas de carbono de alto módulo de elasticidade (CHM), carbono de módulo standard (C), vidro do tipo E-Glass (G) e basalto (B). Como matriz, utilizou-se uma resina epoxídica. Os compósitos foram produzidos camada-a-camada, por meio de laminagem manual. Os sistemas de FRP híbridos foram submetidos a ensaios de tração uniaxial, com o intuito de avaliar o efeito híbrido e a pseudo-ducitlidade. Registou-se um efeito híbrido máximo de cerca de 45%, combinando fibras de CHM e de C. Concluiu-se que a combinação de CHM e G, CHM e B ou CHM e C pode conduzir a comportamento pseudo-dúctil à tração. Deve-se destacar que foi possível prever adequadamente todas as curvas tensão-extensão dos FRP híbridos ensaiados e todos os modos de rotura observados. Para tal, calibrou-se um modelo específico existente na bibliografia. Para além disso, verificou-se que modelos analíticos simples, como sejam a ‘regra das misturas linear’ e a ‘regra das misturas bilinear’, permitem prever de forma adequada o módulo de elasticidade e a resistência em tração, respetivamente. Concrete in compression expands radially leading to internal cracking. The confinement, first, delays cracking and, then, prevents concrete disaggregation, thus allowing concrete to reach higher compressive strength and higher ultimate axial and lateral strains. Although the performance of fibre reinforced polymer (FRP)-confined concrete is well studied, it still exhibits two relevant drawbacks. Firstly, FRP-confined concrete submitted to pure compression fails suddenly, being this behaviour dominated by FRP failure. Secondly, the ultimate tensile strain of conventional FRP jackets is lower than that observed in uniaxial tensile tests of laminates of the same material, revealing a decrease of efficiency. The main objective and motivation of the present work was to study the possibility of improving the performance of FRP-confined concrete columns. For this purpose, an innovative confining hybrid FRP jacket was developed, in which two reinforcing materials, synthetic (carbon and glass) or natural (basalt), were combined in the same matrix. This type of solution has proved to be very interesting, because it can promote synergies between the involved reinforcing materials, conducting, for instance, to: (i) pseudo-ductile responses, characterized by fragmentation of the low strain material and dispersed delamination of the low strain material fragments from the undamaged high strain material; and (ii) an increase (until 50%) of the apparent strain at failure of low strain fibres, known as ‘hybrid effect’. In the first phase of the work, specific attention has been paid to developing hybrid FRP composites at the material level. Different interlayer (layer-by-layer) combinations of the following dry unidirectional fabric materials were investigated using experimental testing and analytical modelling: high-modulus carbon (CHM), standard-modulus carbon (C), E-glass (G), and basalt (B). The composites were produced by hand lay-up method, using an epoxy-based resin as matrix. An experimental study on the tensile stress–strain curves of hybrid FRP composites was conducted aiming at evaluating the hybrid effect and pseudo-ductility. A maximum hybrid effect of circa 45% was achieved, by combining CHM with C. It was also concluded that combining CHM with G, CHM with B, or CHM with C can lead to pseudo-ductile tensile behaviour. An existing analytical model in the literature was satisfactorily adopted to predict the tensile stress-strain curve of these hybrid composites. Besides, it was demonstrated that elastic modulus and tensile strength can be predicted following simple models as the linear rule of mixtures and the bilinear rule of mixtures, respectively. Then, tensile tests on single fibres were performed in order to determine their Weibull strength distribution parameters (shape and scale). The described factors were used as inputs to assess the performance of a progressive damage model on the prediction of hybrid effect. Comparisons of analytical predictions with experimental test results showed reasonably accuracy.