Bond behavior of FRP-to-concrete under cyclic fatigue loading of RC structures strengthened with EB-FRP composites

Fathi, Abbas (2023). Bond behavior of FRP-to-concrete under cyclic fatigue loading of RC structures strengthened with EB-FRP composites. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation

PDF Télécharger (7MB) | Prévisualisation

Résumé

Reinforced concrete (RC) structures such as bridge girders are subjected, during their service life, to cyclic fatigue loading, mainly in the form of traffic loads. These structures are prone to progressive damage and may experience shear failure, which is often characterized by brittle rupture without any prior warning. Hence, retrofitting RC structures deficient in shear calls for the application of appropriate strengthening systems. The use of externally bonded (EB) fiber reinforced polymer (FRP) composites features numerous advantages and is a promising technology for shear strengthening of RC structures. However, the performance of EB-FRP retrofitted concrete structures can be highly influenced by the bond at FRP-to-concrete interface, as interfacial debonding can lead to the premature failure of the strengthening system. Limited investigations have been carried out on the FRP-to-concrete bond behavior of EB-FRP strengthened concrete structures under cyclic fatigue loading, and therefore, further related research will contribute to a better understanding of this complex research area.

The present research study aims to investigate the fatigue bond behavior at the FRP-to-concrete interface of EB-FRP strengthened RC structures. To this end, in the first phase of this study, a literature-review is conducted to identify the parameters affecting the fatigue bond mechanism at the FRP-to-concrete interface. Indeed, it is indicated that carbon FRPs (CFRPs) can provide better fatigue resistance than other FRP composites, such as glass and aramid FRPs.

An experimental investigation is conducted in the second phase of this study to fill existing gaps in the literature regarding the FRP-to-concrete bond behavior. A series of double-lap shear tests on CFRP-to-concrete bonded joints are designed to evaluate the interfacial behavior as a function of different variables, such as the FRP composite type (CFRP laminate vs. CFRP fabric sheet), the FRP-to-concrete width ratio (bonded FRP width to concrete width), and the FRP bond length under both monotonic and cyclic loading. The results of this experimental program demonstrate the superior performance of the CFRP composite bonding system using fabric sheet over the CFRP laminate in terms of bond ultimate resistance under monotonic loading and bond fatigue life under cyclic loading. Furthermore, increasing the CFRP-toconcrete width ratio was found to improve the bond behavior against the debonding failure mode under both loading conditions. As for the bond length, further discussions are presented to evaluate this parameter on the bond behavior, with emphasis on determining the effective bond length under both monotonic and cyclic loading conditions.

By incorporating the current experimental results and research data available in the literature, analytical studies are conducted to develop the following two models: 1) a bond stress-slip relationship under monotonic loading; and 2) a fatigue-life prediction model of CFRP-toconcrete bond under cyclic loading. Both models are shown to perform satisfactorily when validated against the selected database and can be an effective tool for predicting the bond behavior at the CFRP-to-concrete interface of concrete structures strengthened in shear with CFRP composites.

Titre traduit

Comportement d'adhérence PRF-béton sous charges cycliques de fatigue des structures en béton armé renforcées à l'aide de composites en PRF collés en surface

Résumé traduit

Les structures en béton armé telles que les poutres de pont sont soumises, pendant leur durée de vie utile, à des charges cycliques de fatigue, principalement sous la forme des charges de trafic. Ces structures sont sujettes à des dommages progressifs et peuvent subir une rupture par cisaillement, qui se caractérise souvent par une rupture fragile sans aucun avertissement préalable. Par conséquent, la réhabilitation des structures en béton armé déficientes en cisaillement nécessite l'application de systèmes de renforcement appropriés. L'utilisation de composites en PRF collés en surface (PRF-CS) présente de nombreux avantages et constitue une technologie prometteuse pour le renforcement en cisaillement des structures en béton armé. Cependant, la performance des structures en béton renforcées à l’aide de PFR-CS peut être fortement influencée par l’adhérence à l'interface PRF-béton, car le décollement interfacial peut entraîner une défaillance prématurée du système de renforcement. Peu d’études ont été menées sur le comportement d’adhérence PRF-béton des structures en béton renforcées à l’aide de PRF-CS sous chargement cyclique de fatigue, et par conséquent, d’autres recherches connexes contribueront à une meilleure compréhension de ce domaine de recherche complexe.

La présente recherche vise à examiner le comportement d’adhérence en fatigue à l'interface PRF-béton des structures en béton renforcées à l’aide de PRF-CS. À cette fin, dans la première phase de cette recherche, une revue de la littérature est effectuée afin d’identifier les paramètres influents sur le mécanisme d’adhérence en fatigue à l'interface PRF-béton. En effet, il est indiqué que les PRF en carbone (PFRC) peuvent fournir une meilleure résistance à la fatigue que d'autres composites en PRF, tels que les PRF en verre et en aramide.

Une étude expérimentale est menée dans la deuxième phase de cette recherche pour combler les lacunes existantes dans la littérature concernant le comportement d’adhérence PRF-béton. Une série d’essais d’arrachement en cisaillement sur de joints collés PFRC-béton à double rangée est conçue pour évaluer le comportement interfacial en fonction de différentes variables, telle que le type de composite en PRF (lamelle en PRFC vs tissu en PRFC), le rapport largeur PRF-béton (largeur FRP collé en surface sur largeur du béton), et la longueur d’adhérence du PRF sous chargement statique et cyclique. Les résultats de ce programme expérimental démontrent la performance supérieure du système de renforcement à l’aide de tissus en PRFC comparé aux lamelles en termes de résistance ultime sous chargement statique et durée de vie en fatigue sous chargement cyclique. De plus, l'augmentation du rapport de largeur PFRC-béton s’est avérée améliorer le comportement d’adhérence par rapport au mode de rupture par décollement sous les deux conditions de chargement. En ce qui concerne la longueur d’adhérence des PRFC, d'autres discussions sont présentées pour évaluer ce paramètre sur le comportement d’adhérence, en mettant l’accent sur la détermination de la longueur d’adhérence effective sous les conditions de chargement statique et cyclique.

En incorporant les résultats expérimentaux actuels et les données de recherche disponibles dans la littérature, des études analytiques sont menées pour développer les deux modèles suivants : 1) une relation contrainte d’adhérence -glissement sous chargement statique ; et 2) un modèle de prédiction de la durée de vie en fatigue de l’adhérence PRFC-béton sous chargement cyclique. Les deux modèles se sont révélés satisfaisants lorsqu'ils ont été validés par rapport à la base de données sélectionnée et peuvent constituer un outil efficace pour prédire le comportement d’adhérence à l'interface PFRC-béton des structures en béton renforcées en cisaillement à l’aide de PRFC.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 203-215).
Mots-clés libres:	structures en béton armé, tissu en PRFC, lamelle en PRFC, renforcement en cisaillement, chargement cyclique de fatigue, comportement d’adhérence, interface PRF-béton, rapport largeur PRF-béton, longueur d’adhérence, relation contrainte d’adhérence-glissement, modèle de prédiction de la durée de vie en fatigue
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse El-Saikaly, Georges
Codirecteur:	Codirecteur Chaallal, Omar
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	02 oct. 2023 15:17
Dernière modification:	02 oct. 2023 15:17
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3286

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt